䜀爀 渀䰀椀瘀. ⴀ 䔀昀攀欀琀漀最氀漀愀搀昀氀漀眀愀渀愀氀礀猀攀愀昀搀椀猀琀爀椀戀甀琀椀漀渀猀渀攀琀攀琀洀攀搀瘀攀搀瘀愀爀攀渀搀攀攀渀攀爀最椀欀椀氀搀攀爀椀洀瀀氀攀洀攀渀琀攀爀攀琀

Transkript

1 䜀爀 渀䰀椀瘀 ⴀ 䔀昀攀欀琀漀最氀漀愀搀昀氀漀眀愀渀愀氀礀猀攀愀昀搀椀猀琀爀椀戀甀琀椀漀渀猀渀攀琀攀琀洀攀搀瘀攀搀瘀愀爀攀渀搀攀攀渀攀爀最椀欀椀氀搀攀爀椀洀瀀氀攀洀攀渀琀攀爀攀琀 䐀椀瀀氀漀洀䄀昀最愀渀最猀瀀爀漀樀攀欀琀䔀䔀㜀 ⴀ 㜀 匀琀攀昀攀渀䨀愀欀漀戀猀攀渀䤀渀猀琀椀琀甀琀昀漀爀䔀渀攀爀最椀琀攀欀渀椀欀䄀愀氀戀漀爀最唀渀椀瘀攀爀猀椀琀攀琀

2

3 Titel: Grøn Livø - Effekt- og load flow analyse af distributionsnettet med vedvarende energikilder implementeret Semester: 7. Semester tema: Diplom afgangsprojekt Projektperiode: til ECTS: 15 Vejleder: Erik Schaltz, AAU Projektgruppe: EE7-720 Steffen Møbjerg Jakobsen Antal sider: 70 sider Appendiks: 5 sider sidst i rapporten Bilag: Zip-fil SYNOPSIS: Dette diplomafgangsrapport dokumenterer mit afgangsspeciale som er skrevet i samarbejde med COWI A/S i perioden 1. november 2017 til 18. januar Rapporten indeholder en energibalance for både varme og el på Livø, hvor der er redegjort til hvordan man finder kapaciteten for et kommende batterilager. Der er udarbejdet en styringsstrategi for energisystemet på øen. Der opstillet en model i PowerFactory, hvor distributionsnettet, loads, dieselgenerator, vindmølle og solcelleanlæg implementeret. Der er blevet lavet et effekt flow og load flow analyse af det modellerede system for en uge i vinterperioden og en uge i sommerperioden. Yderligere er der opstillet to scenarier som er blevet analyseret. Resultaterne af projektet er at det er et stabilt distributionsnet, hvor spændingsvariationer ikke overstiger peakværdier på 3 % og belastningen af kablerne overstiger ikke 50 %. Det viste sig yderligere at der er overskud af energi i perioder som kan bruges til lagring i et batterilager eller til at dække varmebehovet via elkedlen.

4

5 Forord Diplomafgangsprojektet er skrevet på 7. semester i samarbejde og efter endt praktikophold ved COWI A/S, Aarhus i perioden 1. november 2017 til den 18. januar Denne rapport udgør mit afgangsprojekt indenfor min uddannelse som diplomingeniør i bæredygtig energiteknik med specialisering indenfor elektrisk energiteknik ved Aalborg Universitet. Igennem hele projektperioden har jeg modtaget kompetent vejledning og hjælp af min AAU-vejleder Erik Schaltz, samt vejledning fra Jayakrishnan Radhakrishna Pillai og Pavani Ponnaganti fra AAU. Mellem vejleder og jeg er der blevet aftalt en vejledningsplan, som går ud på at have ugentlig kontakt så forløbet følges tæt, enten via Skype eller over mail. Derudover skal der også lyde en tak til COWI A/S og mine kollegaer derfra, som har været til stor hjælp angående sparring og oplysninger til udførelsen af denne rapport. Fremadrettet i rapporten vil COWI være betegnelsen for den rådgivende ingeniørvirksomhed COWI A/S. Rapporten kan bruges af studerende til at give indsigt i projektet "Grøn Livø - Naturens stillekupé", samt energibalancen og distributionsnettet på den selvforsynende ø. Læsevejledning Der vil igennem rapporten fremtræde kildehenvisninger, og disse vil være samlet i en litteraturliste bagerst i rapporten. Der er i rapporten anvendt kildehenvisning efter Harvardmetoden, med dette refereres en kilde med [Efternavn/Udgiver, udgivelsesår]. Denne henvisning fører til kildelisten, hvor bøger er angivet med forfatter, titel, udgave og forlag, mens internetsider er angivet med forfatter, titel og dato. Figurer og tabeller er nummereret i henhold til kapitel, dvs. den første figur i kapitel 7 har nummer 7.1, den anden, nummer 7.2 osv. Forklarende tekst til figurer og tabeller findes under de givne figurer og tabeller. Appendiks findes bagerst i rapporten og bilag er vedhæftet som en Zip-fil til rapporten. v

6

7 Summary Green Livø - Power and load flow analysis of the distribution network with sustainable energysources implementet. This report begins with a brief introduction of the energy system on Livø and the overall purpose of the project on the island. Compared to the Danish energy goals, Livø is a pioneer to reach these goals, which is to be free of fossil fuels in The problem statement is, "Power and load flow analysis of the existing distribution network, with implemendted sustainable energy sources. Testing the stability of the distribution network under different scenarioes ". There have been an estimation of the heatproduction, calculation of the heatstorage and data to the heatdemand. From earlier report [Jakobsen, 2017], there were made an energyanalasis for the electricitydemands and electricityproduction. These results has been combined with the heatdemand and heatproduction, which have been made into an overall energybalance, with the purpose to estimate the capacity of the batterystorage. There is made an analasis of two types of batterystorage a RVFB and a LiB and a comparison between these has been made, the chosen type is the RVFB because it can safe the energy over longer periods. There is made an energystrategy which is a flowchart and a description of how to control the energystystem. There is been made a power flow and load flow analysis for the energysystem on the Island, with the loads, demands and the production from the WT and PV modelled in PowerFactory. The simulations in PowerFactory where made for two weeks, one in the summer and one in the winter, and it showed that the distribution network is quite stable. Some of the lines, where the WT and PV is implemented is loaded with peakvalues up to 50 %, the voltage diviation har peakvalues of 3 %. The last part is to test the system under different scenarios, to see how the power and load flow react. The chosen scenarios, where one day with high demand and low production, the other scenario where the opposite case. The results from here gave the same results, as for the two weeks, accordingly a stable distribution network. It also showed that there where a lot of overproduction which can be used to meet the heatdemand or to storage the overproduction in the coming battery storage. Some further work to do in the project could be to make a system with the heatdemand and heatproduction included and see the impact. If there is still overproduction of energy, it could be used in the battery storage. vii

8 Group EE7-720 Summary There is made an appendix a and appendix b, these appendices contains respectivily, the loaddata and the productiondata, which is used in the model. viii

9 Bilag Der vil igennem rapporten blive refereret til bilag og her er en oversigt over hvad der er inkluderet og uploadet som bilag: Behandlet solindstrålingsdata fra Haderup Rådata modtaget fra AAU vedrørende produktion og behov. Datablad på RVFB Simuleringsdata fra PowerFactory Datablad for Solcelleanlægget Data og datablad for vindmøllen Varmetabsberegninger Livø. Model i EnergyPRO modtaget fra Energiplanlæggerne fra AAU Model i PowerFactory til effekt flow og load flow analyse ix

10

11 Nomenklaturliste Symbol Betydning Enhed P Aktiv Effekt W Q Reaktiv Effekt W E Energi Wh V Spænding V I Strøm A δ Vinkel for Bus spænding Z Impedans Ω Y Admittans S G Konduktans S B Susceptans S cosφ Power factor / Effekt factor R Resistans Ω X Reaktans Ω m Masse kg W u 1 Effekttæthed m 2 T Temperaturforskel C W h u 2 Energitæthed kg η Virkningsgrad c Specifikke varmekapacitet V Størrelsen af spænding p.u. Per unit, per enhed J kg C Forkortelse WT PV VE COWI AAU LiB RVFB SOC Line External Grid Load Betydning Wind turbine, vindmølle Photovoltaic panels - solceller Vedvarende energi COWI A/S Aalborg Universitet Lithium ion batteri Redox Vanadium flowbatteri State of charge, ladetilstand Kabel Diesel generator Belastning xi

12

13 Indholdsfortegnelse Forord Læsevejledning Summary Bilag Nomenklaturliste v v vii ix xi Kapitel 1 Grøn Livø Opsummering af energibalance analyse Energisystemet Kapitel 2 Problemformulering 5 Kapitel 3 Varmeproduktion og varmelager Varmeakkumuleringstank Buffertank Varmeproduktion Kapitel 4 Dimensionering af et batterilager 11 Kapitel 5 Sammenligning af batterityper Redox Vanadium Flow Batteri Lithium-Ion Batteri Sammenligning og valg Kapitel 6 Energistrategi 23 Kapitel 7 Effekt flow undersøgelser Systembeskrivelse Effekt flow analyse Bus i et effekt system Bus admittans matrix Effekt flow ligninger Løsningsmetoder til ikke linære algebraiske ligninger Effekt flow analyse af elnettet xiii

14 Group EE7-720 Indholdsfortegnelse 7.8 Load flow resultater Kapitel 8 Scenarieanalyser De forskellige scenarier Resultater af scenarier Kapitel 9 Konklusion 45 Kapitel 10 Perspektivering Forbedret model Fornyet data Forhøje energiproduktionskapaciteten Litteratur 49 Appendiks A Loaddata 51 Appendiks B Produktionsdata 53 xiv

15 Grøn Livø 1 Dette kapitel har til formål at introducere det igangværende projekt på Livø. Der vil blive opsummeret resultater fra tidligere udarbejdet rapporter og projekter omhandlende Livø projektet. I Danmark har vi som bekendt sat os energimål for 2020, 2030 og Hvor 2020 og 2030 målene er delmål for at opnå det samlede mål i Regeringens 2050 mål er at Danmark skal være et lavemmisionssamfund, der er uafhængig af fossile brændsler. Dette kræver en omstilling af energiforsyningen og transportsektoren, så energien til dette bliver produceret fra vedvarende energikilder. [Energi, 2018] I forbindelse med Danmarks enegimål om at udfase fossile brændsler og at energiproduktionen skal komme fra vedvarende energikilder, er der startet et forskningsprojekt på Livø. Livø er en ø der ligger i Limfjorden, mellem Rønbjerg og Mors. Livø er selvstændig og naturfredet og ejet af Naturstyrelsen. Den har fire helårsboliger på øen og fra april til oktober åbne færgefarten for turismen. Der er mulighed for at overnatte på øens feriecenter eller lejrskolen i turistperioden, hvor der er op imod besøgende. Alt dette medfører også nogle lidt mærkværdige forbrugsmønstre, da der fra oktober til april kun er de helårsbeboende, hvorimod om sommeren er der masser af turister der kan overnatte på feriecentret, hvilket øger varme- og elbehovet. Dette er en af udfordringerne i forbindelse med dette forskningsprojekt. På figur 1.1 ses et sattelitbillede af Livø, hvor man kan se hvor lille en del af øen der er bydel. Den markerede del, by, er det eneste sted på øen hvor der ikke er nogen fredning. Det er inde for denne grænse at der er allerede nu er implementeret 32,25 kwp tagintegreret solcelleanlæg, en 67,5 kw elkedel med trinregulering á 4,5 kw, en liter varmeakkumuleringstank, et nyrenoveret fjernvarmenet og tre nye dieselgeneratorer. Der er yderligere besluttet at en 25 kw vindmølle skal implementeres i foråret 2018 og at der skal implementeres energilager til lagring af overskydende el produceret fra de implementerede vedvarende energikilder. [Jakobsen, 2017] 1

16 Group EE Grøn Livø SKOV LANDBRUG BY STRANDENG Livø - Rønbjerg DDO land 2012 copyright COWI Figur 1.1: Kort over Livø. Udskiftningen af fjernvarmenettet har medført, at varmetabet er faldet fra ca. 51 % til 20 %. 1.1 Opsummering af energibalance analyse Ud fra tidligere rapport og analyse er der fundet frem til følgende energibalance som ses på figur 1.2. Det ses tydeligt at varmeforbruget udgør størstedelen af energien i det samlede system. Grundet manglende oplysninger på hvor stor en andel af varmeproduktionen der kommer fra fastbrændselskedlen, kigges der udelukkende på elbehovet og energiproduktionen. [Jakobsen, 2017] Elforbrug 13,4 % Varmeforbrug 72,0 % Solcelleproduktion 4,6 % Vindmølleproduktion 10 % Figur 1.2: Procentdeling af energiproduktion og -forbrug. 2

17 Energi [kwh] Energi [kwh] 1.1. Opsummering af energibalance analyse Aalborg University På figur 1.3 ses energibalancen på månedsbasis for et år. Dette er blot et eksempel for hvordan det kan se ud med overskud og underskud af energi i systemet over et år. Dette åbner op for muligheden for lagring af energi, da den overskydende energi muligvis kan dække underskuddet Energibalance Januar Februar Marts April Maj Juni Juli August September Oktober November December Måneder Figur 1.3: Graf over energibalancen uden varmeforbruget. [kwh] På figur 1.4 ses produktionen og forbruget time for time for august måned, hvilket er et uddrag fra figur 1.3. Dette er måneden med det største underskud af energi. Ses der på figur 1.4, ses det at der i enkelte perioder dog er et overskud af energi Elforbrug VE-produktion Timer [t] Figur 1.4: Graf over elforbrug og energiproduktion for august måned time for time. [kwh] Disse tre grafer er fra en energibalance analyse fra en tidligere rapport. [Jakobsen, 2017] En af konklusionerne fra denne rapport er, at der er et behov for udregning af varmeproduktionen, da dette er en væsentlig faktor der skal medregnes for at kunne dimensionere størrelsen for et kommende energilager. En anden af konklusionerne er at der er behov for et energilager og eventuelt en yderlig implementering af VE- 3

18 Group EE Grøn Livø produktionsenheder. Energilagret som er tiltænkt implementeret er et flow batteri af typen redox vanadium. Grunden til denne type er, at der er mulighed for økonomisk tilskud fra markedsmodningsfonden, hvor de vil betale 45 % af beløbet. Det vil blive en prototype af batteriet der er tiltænkt til Livø, da denne type batteri teknologi er under udvikling. Dette vil betyde at der er vil blive implementeret en prototype med en lav kapacitet og ikke den endelige, hvor det ude i fremtiden er muligt at forøge kapaciteten eller lave et sammenspil med en anden lagringstype. [Jakobsen, 2017] 1.2 Energisystemet Energisystemet består af en række teknologier, hvor nogle er eksisterende, nogle er ny implementeret og andre er på tegnebrættet og sat til at blive implementeret i det første halvår af De forskellige teknologier og bestanddele bliver listet her: Dieselgeneratorer Vindmølle Solcelleanlæg Elkedel Varmeakkumuleringstank Fastbrændselskedel Oliekedel Varmebehov Elbehov I dette kapitel er Danmarks 2050 mål beskrevet, samt en intro til projektet Grøn Livø og sammenspillet herimellem. Der er blevet opsummeret fra tidligere rapport vedrørende en analyse lavet over energibalancen. Tidligere delkonklusioner fra rapporten [Jakobsen, 2017] er taget op, samt den tiltænkte energilagrings mulighed. Der er blevet beskrevet hvilke komponenter der indgår i energisystemet. Det kommende kapitel vil være problemformulering med tilhørende arbejdsspørgsmål. 4

19 Problemformulering 2 Baseret på kapitel 1, er følgende problemformulering og problemløsningsstrategier udformet. Effekt og load flow analyse af eksisterende distributionsnet, med implementerede vedvarende energikilder. Teste stabiliteten af det eksisterende distributionsnet ved scenarieanalyse. Kapiteloversigt: Beregne varmeproduktion fra fliskedel og dieselgeneratorer og varmelagringskapacitet for gammel eksisterende buffertank og ny implementeret varmeakkumuleringstank, så det kan inkluderes energisystemet. Dimensionering af batterilager, dette gøres ved at implementere varmeproduktion og varmelager i den overordnede analyse og derved lave et estimat for kapaciteten på energilagret. To batterityper bliver beskrevet og sammenlignet og herefter antages der hvilke af de to typer der skal arbejdes videre med. Muligheden for sammenspil herimellem bliver yderligere beskrevet, dette gør det også muligt at implementere den ikke valgte løsning for at se hvilken forskel denne kan have i forhold til den valgte. Styringsstrategi for effektflowet med tilhørende flowdiagrammer. Dette er til at lave styringsstrategier til når der opstår forskellige scenarier, disse laves ved flowdiagrammer og styringsstrategien beskrives. Effekt flow undersøgelser beskrives, hvor bus admittans matrixen beskrives og modellen opsættes og der simuleres med solceller og vindmølle implementeret i elnettet. Scenarieanalyse som indeholder forskellige scenarier der skal simuleres over. Et scenarie kunne eventuel være en dag med høj produktion og lavt forbrug i distributionsnettet. Der er udarbejdet en problemformulering samt tilhørende problemløsningsstrategier, i kapitel 9 konkluderes der på dette. I det kommende kapitel skal der beregnes på varmeproduktionen til Livø. 5

20

21 Varmeproduktion og varmelager 3 I dette kapitel skal der laves udregninger og databehandling af varmeproduktion for fastbrændselskedlen og tilhørende buffertank, samt den nyimplementeret varmeakkumuleringstank. Alt dette skal være med til at danne grundlag for at lave det samlede energiregnskab, hvilket herefter muliggøre at dimensionere batterilager med den rette kapacitet. 3.1 Varmeakkumuleringstank Der er blevet opsat en Varmeakkumuleringstank på liter på Livø, som har til formål at opbevare varmen som bliver produceret fra elkedlen via overskudsel fra VEproduktionen. Det er yderlig muligt at lagre varme produceret fra fastbrændselskedlen i de perioder hvor varmebehovet er mindre end varmeproduktionen. Varmeakkumuleringstanken har et volumen på L, temperaturen i toppen af lagret er 85 C, temperaturen i bunden i lagret er 45 C og omgivelsestemperaturen er sat til 30 C og udnyttelsesgraden 95 %. Ud fra ligning 3.3 giver dette en lagringskapacitet på MWh. J Q = m c T = kg 4180 kg C (85 C 30 C) = 7356, 8MJ (3.1) 1kW h = 3, 6MJ (3.2) E = Q 3, 6 η = 7356, 8 0, 95 = 1941, 38kW h (3.3) 3, 6 Ud fra ligning 3.3 er der nået frem til et overslag for hvor meget energi varmeakkumuleringstanken kan lagre. Dette bruges videre i kapitel 4, til at lave dimensioneringen for kapaciteten af batterilagret. Det næste er overslagsberegning af energikapaciteten i buffertanken som er tilknyttet fastbrændselskedlen. 7

22 Varmeproduktion [MWh] Group EE Varmeproduktion og varmelager 3.2 Buffertank Buffertank er en gammel opbevaringstank, hvor der er sket efterisolering af, så varmetabet er mindsket. Tanken har et volume på L, Medietemperatur er 90 C og omgivelses temperaturen er sat til 30 C, da det er det værste tilfælde. Varmetabet efter en efterisolering er sat 13,0 W og tankens udvendig areal udgør 10 m 2. Udregningerne er m 2 lavet på baggrund af materiale vedhæftet i bilag. J Q = m c T = 9.000kg 4180 kg C (90 C 30 C) = 2257, 2MJ (3.4) 1kW h = 3, 6MJ (3.5) E = Q 3, 6 η = 2257, 2 0, 95 = 595, 65kW h (3.6) 3, 6 I ligning 3.6, er der nået frem til en overslagsberegning for mængden af energi, buffertanken kan indeholde. Dette skal sammen med lagringskapaciteten for varmeakkumuleringstanken, bruges nede i kapitel 4 til at danne et grundlag for dimensionering af kapaciteten for et batterilager. Det næste der skal udregnes er den samlede varmeproduktion. 3.3 Varmeproduktion I dette afsnit vil der være en gennemgang af varmeproduktionen, som har til formål at danne det samlede overblik for energibalancen i varmedelen, som skal bruges i det kommende kapitel 4. Varmeproduktionen på Livø sker via fastbrændselskedel på 125 kw med den tilhørende buffertank, samt overskudsvarme fra de tre dieselgenerator som har en kapacitet på 36 kw. Der kører altid en dieselgenerator med grundlast og til at balancere elnettet, hvilket giver overskudsvarme til fjernvarmen. Til backup er der en oliekedel på 580 kw, den benyttes kun i situationer hvor fremløbstemperaturen er for lav, eller som forsyningsbackup Dieselgenerator 1 grundlast Dieselgenerator 1 oplast Fastbrændselskedel Januar Februar Marts April Maj Juni Juli August September Oktober November December Måneder Figur 3.1: Graf over varmeproduktion på månedsbasis for et år [MWh]. Baseret på data fra energiplanlæggerne på Aalborg Universitet som kan findes i bilag. 8

23 3.3. Varmeproduktion Aalborg University På figur 3.1, ses en graf over varmeproduktionen på månedsbasis. Varmeproduktionen er her for fastbrændselskedlen og dieselgenerator 1 grundlast og oplast. Der er altid en dieselgenerator som kører med en grundlast for at stabilisere elnettet, er der behov for yderligere el, så kan de justeres op, hvilket danner overskudsvarme. Denne varmeproduktion skal medregnes i den samlede energibalance for Livø. I dette kapitel er varmekapaciteten blevet udregnet for den implementeret varmeakkumuleringstank, for buffertank tilhørende fastbrændselskedlen og data for varmeproduktionen fra energiplanlæggerne på Aalborg Universitet. I det kommende kapitel skal der dimensioneres en kapacitet på et kommende batterilager. 9

24

25 Energi [kwh] Dimensionering af et batterilager 4 Dette kapitel har til formål at dimensionere kapaciteten på et kommende batterilager. Før dette er muligt, skal varmeproduktionen fra tidligere kapitel 3 inkluderes i den samlede energibalance af systemet på Livø. Der er to parametre der skal medtages når dimensionering af batteriet skal dimensioneres, den ene er at behovet skal kunne dækkes i perioder hvor produktionen er lav eller ikke eksisterende. Den anden er at mængden af overskydende energi skal kunne lagres i det kommende batterilager. Valget af hvilken type batteri vil ske i det kommende kapitel 5. På figur 4.1, ses et søjlediagram over varmeproduktionen og varmebehovet, samt en energibalance, hvor overskudsvarme fra dieselgeneratorerne er inkluderet og en uden. På sigt skal dieselgeneratorerne udfases, så de i fremtiden kun agere backup i yderste nødstilfælde. Det ses på diagrammet at med dieselgeneratorerne udfaset, vil der være underskud på varmeproduktionen året rundt. Det ses tydeligt at varmebehovet er større end produktion i månederne marts-juni og mindst i perioden august-november. Der skal dog medregnes at elkedlen med tilhørende akkumuleringstank ikke er medtaget i denne graf, hvilket vil sige at hvis der er overskydende elproduktion, så kan dette hjælpe med at dække varmebehovet. Yderligere er buffertanken til fastbrændselskedlen ikke medregnet, udelukkende fordi at der er underskud af varme, så der vil ikke komme overskydende varme i buffertanken. Figur 4.1 skal bruges til at analysere det samlede energiregnskab, så den rette mængde kapacitet på et batterilager kan dimensioneres Varmeproduktion Energibalance m. dieselgenerator Varmebehov Energibalance u. diselgenerator Måneder Figur 4.1: Graf over varmeproduktion, varmebehov og en energibalance, baseret ud fra data fra energiplanlæggerne fra Aalborg Universitet som kan findes i bilag. 11

26 Energi [kwh] Group EE Dimensionering af et batterilager På figur 4.2, ses to grafer for elproduktionen fra generatorerne, som der tidligere beskrevet skal udfases eller agere backup. Den ene graf er grundlast, som er tæt på at være en konstant last som er med til at opretholde netfrekvensen i elnettet. Den anden graf er oplast, når elbehovet stiger, så er dieselgeneratorerne nødt til at laste op, så behovet kan blive dækket. I fremtiden er det tiltænkt at det skal være solcelleanlægget og vindmøllen som producerende enheder i kombination med batterilager til at opbevarer overskydendeel fra de fluktuerende energikilder. Da det først er ude i fremtiden at dieselgeneratorerne skal udfases og at det eventuelt ikke er den fulde kapacitet af batterilager man implementerer i første omgang, da et batterilager i første omgang skal testes i energisystemet. Hvilket vil sige at dieselgeneratorerne vil være implementeret i første omgang Grundlast Oplast Måned Figur 4.2: Dieselgenerator med grundlast og oplast. På figur 4.3 ses et søjlediagram for elbehovet, vindmølleproduktion og solcelleanlæggets produktion for et helt år. Dette er et diagram med time for time data med formål at gå endnu mere i dybden på energibalancen i systemet. Det ses at solcelleanlægget producerer mest udenfor vinterperioden og nærmest omvendt for vindmøllen, da den producerer mest udenfor sommerperioden. Elbehovet ses at være størst henover sommeren og om vinteren, da der respektivt er mange besøgende turister om sommeren og at det er meget mørkt i vinterperioden. 12

27 Energi [kwh] Energi [kwh] Aalborg University 45 Elbehov Vindmølle 30 Solcelleanlæg Timer for et år Figur 4.3: Graf over elbehov og elproduktion fra solcelleanlægget og vindmøllen for et år. Måned Timer Januar Februar Marts April Maj Juni Juli August September Oktober November December Tabel 4.1: Tabel over timer de forskellige måneder strækker sig over. I tabel 4.1 kan timerne for den enkelte måned aflæses, dette skal bruges til figur 4.3 og figur 4.8. På figurerne 4.4, 4.5, 4.6 og 4.7, er der enkelte måneder udvalgt fra figur 4.3. Der er valgt en tilfældig måned fra hver af årstiderne for at klargøre tendensen og hvordan behovet og produktionen ser ud Elbehov Vindproduktion Solproduktion Januar Figur 4.4: Januar måned ud fra figur

28 Energi [kwh] Energi [kwh] Energi [kwh] Group EE Dimensionering af et batterilager Elbehov Vindproduktion Solproduktion April Figur 4.5: April måned ud fra figur Elbehov Vindproduktion Solproduktion Juli Figur 4.6: Juli måned ud fra figur Elbehov Vindproduktion Solproduktion Oktober Figur 4.7: Oktober måned ud fra figur 4.3. På figur 4.8 ses et søjlediagram udelukkende på energibalancen ud fra elsystemet, hvor den samlede produktion er trukket fra det samlede behov, dette er med til at se hvornår der er overskud/underskud af energi. Denne graf samt de tidligere beskrevet grafer i dette kapitel, skal være med til at udpege forskellige perioder, hvor der er overskud/underskud af energi enten i form af varme eller el. 14

29 Energi [kwh] Energi [kwh] Aalborg University 50 Energibalance Timer for et år Figur 4.8: Graf for energibalancen over elbehov og elproduktion for et år. Der er ud fra de ovenstående tidligere beskrevet grafer i dette kapitel, nu valgt tre perioder på året der bliver analyseret nærmere. De tre valgte perioder er marts, august og september. Disse måneder vil blive analyseret med henblik på dimensionering af kapaciteten på et batterilager. Figur 4.9 er for marts måned og indeholder tre grafer. Marts måned er valgt, da der ud fra figur 4.1 kan aflæses at der er et større underskud af varme i marts. På figur 4.8, ses det at der i marts er et overskud af el. På figur 4.9 ses der tre grafer, den første er energibalancen for el, uddraget fra figur 4.8, den anden er den samlede energibalance for el og varme, hvor dieselgenerator er inddraget. Den sidste graf er den samlede energibalance uden dieselgeneratorerne, det ses at uden dem er der kun få timer, hvor der er overproduktion og næsten hele måneden er der underskud af energi Energibalance el Energibalance samlet Energibalance u. dieselgenerator Timer for marts Figur 4.9: Graf over energibalancen for marts måned, hvor varme og el er inkluderet. Figur 4.10 er for august måned og er opbygget på samme måde som figur 4.9. Denne figur tager udgangspunkt i august, da der ud fra figur 4.1 ses at der er mindst underskud af varme denne måned og ud fra figur 4.8 er der størst underskud af el i august. På figur 4.10 er tendensen lig den samme som figur 4.9, der er få timer med overskydende energi 15

30 Energi [kwh] Energi [kwh] Group EE Dimensionering af et batterilager og ellers et større underskud resten af august Energibalance el Energibalance samlet Energibalance u. dieselgenerator Timer for august Figur 4.10: Graf over energibalancen for august måned, hvor varme og el er inkluderet. Den tredje og sidste figur 4.11 er for september måned og er ligeledes opbygget på samme måde som de to forrige figurer 4.9 og Figuren tager udgangspunkt i september, da der ud fra figur 4.1 og figur 4.8 henholdsvist er det mindste underskud af varme i sammenhold med at der er et stort overskud af el. Det ses på figur 4.11, at der er større perioder med overskydende energi, men alligevel største perioder med underskud af energi Energibalance el Energibalance samlet Energibalance u. dieselgenerator Timer for september Figur 4.11: Graf over energibalancen for september måned, hvor varme og el er inkluderet. På baggrund af de tre figurer 4.9, 4.10 og 4.11, hvor scenarierne har været med størst difference i energi, har der gentagende gange været underskud af energi, hvis man ser på figurerne uden dieselgeneratorerne i energisystemet. Hvis et batterilager skal dimensioneres ud fra at der ingen dieselgenerator er i systemet, så skulle de dimensioneres efter behovet og overskydende. Da der stort set kun er undersskud af energi, vil der aldrig blive lagret noget i et lager og derfor giver dette ikke mening at dimensionere ud fra. Derfor antages det at batterilagret dimensioneres ud fra at dieselgeneratorerne stadig er implementeret i systemet. Dette kan stadig give mening, da de ikke udfases i første fase og at det ikke nødvendigvis skal være den eksakte kapacitet på et batterilager der 16

31 Aalborg University implementeres i første omgang, da man gerne vil teste det samlede energisystem med de forskellige komponenter implementeret. På figurerne for marts, august og september med dieselgeneratorerne implementeret dimensioneres batterilagret ud fra dette. Det kan ud fra figur 4.10 og 4.11 konkluderes, at hvis man ser på den grå graf, så er der stort set overskud af energi samtlige timer begge måneder. På figur 4.9, kan det på den grå graf ses, at der er skiftende overskud/underskud. Det kan konkluderes at der er størst overskud i månederne august og september, hvilket batterilagret dimensioneres efter. Integreres der op så vil der være overskydende energi i august på kwh og i september på kwh. Et batterilager der skal kunne rumme dette er dog urealistisk, både hvis man ser på størrelse og pris, tallene er også en smule misvisende, da noget af den overskydende el kan gå i elkedlen og lave varme. Samt at dieselgeneratorerne højst sandsynligt vil køre udelukkende med grundlast. Alt i alt så er et lager i den størrelsesorden til at lagre MWh urealistisk at implementere på Livø, både pga. den fysiske størrelse af tankene og prisklassen for så stort et batteri. Der er som beskrevet flere parametre som gør det usikkert om denne store mængde energi egentligt er rent overskud. Et kommende batterilager skal testes med forskellige mængder kapacitet, for at finde frem til den rette størrelse. Fremgangsmetoden til at finde den rette størrelse er at simulere med forskellige størrelser kapacitet, hvor varmedelen også er modelleret. I dette kapitel er der fundet frem til at kapaciteten på et batterilager, skal bestemmes ud fra simuleringer. I det kommende kapitel vil der være en sammenligning af forskellige tiltænkte typer batterilagring til Livø, samt valget af hvilken type. 17

32

33 Sammenligning af batterityper 5 Der er fundet frem til hvordan den eksakte mængde kapacitet på et kommende batterilager i kapitel 4 kan findes frem til. I dette kapitel vil der være en beskrivende og illustrerende gennemgang af to forskellige typer batterilagring. Til slut vil der være en sammenligning af de tre typer i en tabel og valget for typen af energilager der arbejdes videre med i rapporten. På baggrund af kapitel 4, skal der findes frem til den rette type batterilager til at implementere i energisystemet på Livø. Denne analyse af batterilagrings typer skal have mulighed for opskalering eller et sammenspil. De to typer der undersøges og sammenlignes er, RVFB og LiB. 5.1 Redox Vanadium Flow Batteri På figur 5.1 ses et oversigtsdiagram over Redox Vanadium Flow Batteriet [RVFB], som består af to tanke med vanadium elektrolyt, denne væske har mulighed for at lagre overskydende energi. På figur 5.1, ses de to tanke ude i hver deres side med tilhørende pumpe og i midten en flowcellen, hvor hver kreds er adskilt af en membran. Til denne flowcelle er der koblet en energikilde, til hver deres elektrolyt, som producere den overskydende energi, samt en aftager i form af elnettet. Vanadium består af fire forskellige oxidations tilstande, V 2+, V 3+, V 4+ og V 5+, hvor V 4+ og V 5+ henholdsvis er V O 2+ V O 2 +. Herved kan de kemiske ligninger for RVFB opstilles således 5.1 og 5.2, hvor den fulde reaktion er 5.3. V O 2+ + H 2 O e V O H+ (5.1) V 3+ + e V 2+ (5.2) V 2+ + V O H+ V O 2+ + V 3+ + H 2 O (5.3) 19

34 Group EE Sammenligning af batterityper Figur 5.1: Oversigtsdiagram over Redox Vanadium Flow Batteri. [David Wogan, 2013] RVFBs er en energilagringstype som spåes et stort potentiale, da vanadium er et natur produkt, som består af fire forskellige oxidations tilstande. I stedet for at bruge vanadium på fast form så bruges den i denne sammenhæng som vanadium elektrolyt, hvor hver kreds består af to oxidations tilstande. Nogle af fordelene ved RVFBs er deres levetid på år, at vanadium elektrolyt er 100 % genbrugeligt, det er skalerbar i form af at man kan koble flere flowceller sammen eller få installeret større eller flere tanke hertil. Batteriet har også en høj ladecyklus op til %, i denne type batteri er der mellem ladecyklusser. [Xing Xie, 2011] Nogle er ulemperne er at ved lave kapaciteter og mindre flowceller der er prisen ikke favorabel, prisen bliver dog mere medgørlig ved større kapaciteter. En af ulemperne er også den store fylde hele batteriløsningen har. Den har en lav effektivitet på ca % og en lav energitæthed Wh/kg. [Barbour, 2017] 5.2 Lithium-Ion Batteri På figur 5.2 ses et oversigtsdiagram over et Lithium-Ion batteri [LiB]. Et LiB består af en række celler, samt en anode-side og cathode-side, som er adskilt af en membran. Antallet af celler udgør mængden af energi batteriet kan opbevare. 20

35 5.2. Lithium-Ion Batteri Aalborg University De kemiske ligninger for LiB er således 5.4 og 5.5, hvor er den fulde reaktion ligning er 5.6. CoO 2 + Li + + e LiCoO 2 (5.4) LiC 6 C 6 + Li + + e (5.5) LiC 6 + CoO 2 C 6 + LiCoO 2 (5.6) Figur 5.2: Oversigtsdiagram over LiB. [Brain, 2017] LiB er en af de kendte teknologier som har haft en stor udvikling henover den seneste årrække. Det er blevet udviklet på og er nu implementeret i biler, cykler og som husbatteri tilhørende et solcelleanlæg, samt større anlæg i MW størrelsen. På figur 5.2, ses et oversigtsdiagram over et LiB, Batteriet består af en anode, en katode og en elektrolyt, som er en flydendevæske som ved hjælp af en membran adskiller elektrolytten fra anoden og katoden. Opladning af LiB kræver tilført energi, hvor ionerne strømmer fra katoden igennem elektrolytten og over i anoden. Den omvendte proces sker automatisk når batteriet aflades, den får ingen tilførsel af energi, når alle ioner er løbet tilbage til katoden, så er batteriet afladet. Fordelene ved LiB er dens høje effektivitet på 95 %, forholdet i prisen pr. kilowatt, batteriet er skalerbar, så man kan øge kapaciteten ved at sætte flere battericeller i parallel. Dens fysiske størrelse er også en fordel da den ikke fylder nær så meget som RVFB. Den har en høj energitæthed på Wh/kg. [of Washington, 2017] Ulemperne ved LiB er SOC, hvis man oplader eller aflader den fra % så falder effektiviteten og batteriet bliver hurtigt brugt, det optimale område er at have den afladet 21

36 Group EE Sammenligning af batterityper ned til 10 % opladet op til 100 %, er dens optimale område at blive op- og afladet. Den har også begrænsninger på antallet af ladecyklusser på cyklusser før at batteriets effektivitet falder. [ACME, 2017] 5.3 Sammenligning og valg Redox Vanadium Flow Batteri Lithium-Ion batteri Ulember Lav effektivitet SOC ( %) - Fysisk størrelse Antal op- og afladninger - Prisen pr. kw - Lav energitæthed (ca 20-30Wh/kg) Fordele SOC (0-100 %) Høj effektivitet - Lang levetid (20-25 år) Prisen pr. kw - Skalerbar Skalerbar - Fysisk størrelse - Høj energitæthed ( Wh/kg) Tabel 5.1: Sammenliningstabel over fordele og ulemper mellem RVFB og LiB. Ud fra tabel 5.1, kan det konkluderes at det er muligt at implementere RVFB eller LiB batteriet som lagringsmuligheder, da det er muligt at skalere dem op til en højere kapacitet. En af fordelene er at RVFB har mange op- og afladninger ift. LiB. LiB har en højere effektivitet end RVFB, men effektiviteten falder efter cyklusser, hvor RVFB kan klare op til cyklusser. RVFB er den valgte type batteriløsning, begge to er mulige at implementere i energisystemet. Det har ikke været mulig at få karakteristikker over RVFB. Der er i løbet af dette projekt blevet vedtaget at en prototype med en flowcelle på 5 kw og med lager kapacitet på 40 kwh, bliver implementeret i løbet af sommeren Herefter er tanken at danne op-/ og afladnings karakteristikkerne, samt dimensionering af den præcise mængde kapacitet. I dette kapitel er der beskrevet to forskellige typer batterier til lagring af overskuden energi produktion på Livø. Der er blevet sammenlignet imellem de forskellige typer og RVFB er valgt som lagringstypen, med mulighed for udvidelse eller sammenspil med LiB. Det næste kapitel 7, har til formål at lave en power flow analyse af energisystemet på Livø. 22

37 Energistrategi 6 Dette kapitel har til formål at illustrere og beskrive styringsstategien af energisytemet. Denne styringsstrategi skal give et visuelt overblik over energisystemet. På figur 6.1, ses et flowchart for styringsstrategien af energisystemet. Start Dieselgeneratorer Grundlast ElproduktionJa Solcelleanlæg Vindmølle Varmeakkumuleringstank Varmeproduktion Ja Dieselgeneratorer Oplast Producerer Producerer Ja Ja Fastbrændselskedel Overskudsvarme Buffertank Er der et varmebehov? Er der et Ja Nej elbehov? Overskudsel Ja Ja Er den tom? Forbrugerne Oliekedel Ja Er der fortsat et varmebehov? Er der fortsat et elbehov? Ja Flow batterilager Elkedel Batteriet fuldt Figur 6.1: Flowchart over styringsstrategien af energisystemet. En beskrivelse af figur 6.1 flowchart, vil gennemgås i punktform forhendholdsvis eldelen og varmedelen, hvor sammenspil herimellem er inkluderet: Eldelen Dieselgeneratorer Grundlast - De opererer altid med en minimumslast, så forsyningssikkerheden er sikret, samt opretholdelse af netfrekvensen. Dieselgeneratorer Oplast - De opererer kun når elbehovet ikke kan blive dækket. Solcelleanlæg - Solcelleanlægget producerer når der er sollys, er behovet for det, så går den producerede el direkte ud til forbrugerne, hvis der er et behov for varme, så ryger alt el i elkedlen, hvis ikke så lagres det i RVFB. 23

38 Group EE Energistrategi Vindmølle - Vindmøllen producerer når der er vind, dog kun indenfor 3-25 m/s. Ligesom solcelleanlægget, så går produktionen til forbrugerne hvis behovet er der, hvis der er et behov for varme, så ryger alt el i elkedlen, hvis ikke så går det i RVFB. Redox Vanadium Flow Batteriet - Har til formål at lagre den overskydende energi fra vindmøllen og solcelleanlægget. Elkedel - Denne modtager kun overskydende el, hvis der er et varmebehov og ikke et elbehov. Er der hverken el eller varmebehov, så går den overskydende el til RVFB. Varmedelen Dieselgeneratorer Grundlast - Der opereres altid med en grundlast, men dette er ud fra elbalancen i energisystemet, men ud fra dette bliver der produceret overskudsvarme herfra som går til varmesystemet. Dieselgeneratorer Oplast - Når elbehovet ikke kan blive dækket bliver der skruet op for dieselgeneratorerne, hvilket automatisk giver overskydende varme til varmesystemet. Varmeakkumuleringstank - Når elkedlen producerer varme fra overskydende el, så går dette i varmeakkumuleringstanken. Som så kan bruges til at dække varmebehovet. Fastbrændselskedel - Denne producerer varme, når behovet ikke er dækket af dieselgenerator, elkedel og varmeakkumuleringstank. Da der fyres med fastbrændsel, så er mængden af varme svær at regulere i forhold til behovet. Buffertank - Buffertanken tilhører fastbrændselskedlen, da mængden af varme der bliver produceret er det svært at regulere ned når først der er fyret. Den overskydende varme fra kedlen kan blive optaget i buffertanken, som er blevet nyisoleret. Oliekedel - I et nødstilfælde af at varmebehovet ikke kan blive dækket med de ovennævnte kilder og lagre, så oliekedlen kan køre som backup til at dække varmen. Den skal dog holdes på et absolut minimum og sammen med dieselgeneratorerne, så mængden af fosile brændsler holdes på et absolut minimum. Styringsstrategien for energisystemet er blevet illustreret og beskrevet. I det kommende kapitel 7, er hvor power flow analyse af systemet skal beskrives og analyseres. 24

39 Effekt flow undersøgelser 7 I dette kapitel vil de brugte metoder til at analysere effekt flowet under steady state betingelser blive udført. Der vil blive opstillet en model for energisystemet med vindmølle og solcelleanlæg implementeret. Til modelopbygning og effekt flow analyse bruges programmet PowerFactory. 7.1 Systembeskrivelse I dette kapitel skal der analyseres på effektflowet i distributionsnettet med vindmølle og solcelleanlæg implementeret. Dette har til formål at undersøge hvilken påvirkning disse har på det eksisterende distributionsnet. 7.2 Effekt flow analyse Et effekt flow system er et netværk bestående af flere variable som er afhængige af hinanden. Disse variable i et load flow system er aktiv effekt, P, reaktiv effekt, Q, størrelsen af spændingen, V, og busspændingen til en given vinkel. δ. Systemet vil være begrænset til et balanceret system, hvilket betyder at man analyserer per fase. Load flow analyse af et system, er en steady state analyse til at udregne spændingen, strømmen og effekten, ved implementering af varierende belastninger. 7.3 Bus i et effekt system Effekt systemet kan bestå af tre forskellige typer af busser, hvor der er kendte variable og ukendte variable. I tabel 7.1, er der en opdeling af de forskellige typer. Hvilken type bus der er tale om afhænger hvilke typer af genererende enheder og hvilke type belastnings enheder. Den mest anvendte type bus er PQ-bus, hvor man kender mængden af reaktiv og aktiv effekt, ud fra belastningerne og maskinerne der er koblet til systemet. Bus Kendte variable Ukendte varible PQ eller Load Bus P,Q V,δ PV eller spændingskontrolleret Bus P, V Q,δ Swing eller Slack bus V,δ P,Q Tabel 7.1: De forskellige typer bus i et effekt system. 25

40 Group EE Effekt flow undersøgelser 7.4 Bus admittans matrix Her vil være et eksempel på hvordan man udregner bus-admittans matrixen ud fra et 3-bus system, admittans værdierne skal bruges videre nede i effekt flow ligningerne. Ligningerne til at udregne admittansen er følgende: Z = R + jx (7.1) Y = Z 1 = 1 R + jx (7.2) Y = G + jb (7.3) Ud fra ovenstående ligninger er det muligt at regne admittansen, i tabel 7.2 kan betegnelserne for hver ligning ses. R X Z Y G B Resistans [Ω] Reaktans [Ω] Impedans [Ω] Admittans [S] Konduktans [S] Susceptans [S] Tabel 7.2: Tabel over elektriske betegnelser. Betragt et 3-bus system som ses på figur 7.1. Impedansen for hver kabel er givet ved z12, z23 og z13 og admittansen ligeså y12, y23 og y13. Den totale admittans for hver bus er givet ved y10, y20 og y30. Ved brug af Kirchoff s strømlov er der fundet frem til følgende ligninger 7.4, 7.5 og 7.6. V1 Bus 1 y12 Bus 2 I1 I2 V2 y10 y20 y13 y23 Bus 3 I3 V3 y30 Figur 7.1: 3 bus system. 26

41 7.4. Bus admittans matrix Aalborg University I 1 = V 1 y 10 + (V 1 V 2 )y 12 + (V 1 V 3 )y 13 (7.4) I 2 = V 2 y 20 + (V 2 V 1 )y 12 + (V 2 V 3 )y 23 (7.5) I 3 = V 3 y 30 + (V 3 V 1 )y 13 + (V 3 V 2 )y 23 (7.6) Ud fra de tre ligninger for strømmene i 3-bus systemet er det muligt at opstille nedenstående matricer. I 1 I 2 I 3 y 10 + y 12 + y 13 y 12 y 13 = y 12 y 20 + y 12 + y 23 y 23 y 13 y 23 y 30 + y 13 + y 23 I 1 Y 11 Y 12 Y 13 V 1 I 2 = Y 21 Y 22 Y 23 V 2 I 3 Y 31 Y 32 Y 33 V 3 V 1 V 2 V 3 Matricen kaldes bus admittansen eller Y Bus matrixen, hvor diagonalen er self admittance, som er givet ved ligningerne 7.7, 7.8 og 7.9 ud fra de to matricer Y 11 = y 10 + y 12 + y 13 (7.7) Y 22 = y 20 + y 12 + y 23 (7.8) Y 33 = y 30 + y 13 + y 23 (7.9) Resten af værdierne fra Y bus matricen er kendt som mututal admittansen og er givet ved ligningerne 7.10, 7.11 og Y 12 = Y 21 = y 12 (7.10) Y 13 = Y 31 = y 13 (7.11) Y 23 = Y 32 = y 23 (7.12) Der er nu fundet frem til Y bus matrixen og til hvordan man finder self admittansen og mutual admittansen. Disse bruges til at beskrive hvordan lineære elektriske systemer opfører sig. [Jayakrishnan Pillai, 2017] 27

42 Group EE Effekt flow undersøgelser 7.5 Effekt flow ligninger De simple ligninger for effekt flowet kan udtrykkes ud fra bus system Y bus matrixen. I ligning 7.13 er Y ii elementerne fra Y bus, V i er bus spændingen og I i er strømmen ved hver bus. n I i = V i Y ii + +V ij V j (7.13) j=1,j 0 Relationen mellem per unit aktiv og reaktiv effekt V i er per unit spændingen ved bussen Ii er den komplekse konjugerede per unit strøm ved bussen. P i og Q i er henholdsvis per unit aktiv og reaktiv effekten og givet ved ligningerne 7.16 og S i = P i + jq i = V i (7.14) I i = P i jq i V i = V i Y ii + n j=1,j 0 (7.15) P i = R(V i (V i Y ii + Q i = I(V i (V i Y ii + n j=1,j 0 n j=1,j 0 +V ij V j )) (7.16) +V ij V j )) (7.17) 7.6 Løsningsmetoder til ikke linære algebraiske ligninger De to anvendte løsningsmetoder der anvendes til at løse ikke linære algebraiske ligninger er, Gauss-Seidel metoden og Newton-Raphson metoden. De har det tilfælles, at de begge er iterative solvere. Hvilket vil sige at de begge bruger resultatet fra den første ligning som gættet i den nye ligning, denne proces kører igen indtil at de konvergere. Sammenligner man disse to metoder, så har de mange sammenfaldne parametre forskellene kan ses i tabel 7.3. [Jayakrishnan Pillai, 2017] Parameter Gauss-Seidel Newton- Raphson System størrelse Mindre systemer Ubegrænset Lagringskapacitet Minimal Stor Programmering Nemt Komplekst Konvergerer Dårlig Bedst Nøjagtighed Mindre Mest Tabel 7.3: Sammenligningstabel over de to løsningsmetoder. [Jayakrishnan Pillai, 2017] 28

43 7.7. Effekt flow analyse af elnettet Aalborg University I programmet Powerfactory, er det Newton-Raphson som på forhånd er implementeret. Derfor er dette den valgte metoder til load flow analysen af energisystemet. Med gennemgangen af ovenstående afsnit, som følgende har været introduktion til effekt flow analyse, bus i et effekt system, bus admittance matrix, effekt flow ligninger og løsningsmetoder til ikke linære algebraiske ligninger, så er grundstenene lagt for at energisystemet på Livø kan analyseres. 7.7 Effekt flow analyse af elnettet I dette afsnit vil elnettet på Livø blive modelleret og simuleret i programmet PowerFactory. På figur 7.2, ses elnettet med loads, kabler, generatorer og med solcelleanlægget og vindmøllen. Dette er en forsimplet model ift. det samlede energisystem på Livø. Dieselgeneratorer L1 400/230 V B1 L3 L5 B3 B5 L2 L10 L11 L12 L4 L16 L17 L18 L19 L20 L21 B B B6 L6 L7 L8 L9 L13 L14 L15 L22 L23 L Figur 7.2: Power flow diagram over elnettet på Livø. 29

44 Group EE Effekt flow undersøgelser Load/Produktion Bygning/Produktionsenhed Andel af samlet elforbrug [%] 1 Pavillion 2 1,0 2 Pavillion 3 1,2 3 Pavillion 4 1,4 4 Købmand 7,5 5 Pavillion 1 1,1 6 Kirke 1,0 7 Nonnebo 1,1 8 Skole 2,5 9 Camping 0,1 10 Havn 5,7 11 Gartnerbolig 1,7 12 Gadelys 2,3 13 Munkebo 7,8 14 Kro/Køkken 18,1 15 Øvrig drift 43,5 16 Avlsgården 3,9 17 Vindmølle 0 18 Solcelleanlæg 0 Tabel 7.4: Tabel over load fordeling. Dimensionerne på kablerne der er modelleret kan ses i tabel 7.5, her er dimensionerne på kablerne relateret til figur 7.2. Kabel Længde [m] Kvadrat [m 2 ] Line x150 CU Line x35 CU Line x35 CU Line x35 CU Line x35 CU Line x10 CU Line x35 CU Line x10 CU Tabel 7.5: Tabel med længde og tværsnit af kabler i elnettet. I tabel 7.6, ses resistansen, reaktansen og impedansen for hver enkelte kabelline. Data for hvert af disse, er ud fra programmet Powerfactory, hvor længden, kvadrat og type kabel er valgt. I tabel 7.7, kan der ses hvilke kabelliner der er luftledninger og hvilke der er nedgravet kabler. Dette er også en parameter der spiller ind i værdierne i tabel

45 7.7. Effekt flow analyse af elnettet Aalborg University Kabel Resistans [Ω] Reaktans [Ω] Impedans [Ω ] Line 1 0, , , Line 2 0,060 0, , , Line 3 0, , , , Line 4 0, , , , Line 5 0, , , , Line , , , , Line , , , , Line 22 0, , , , Line , , , , Tabel 7.6: Tabelværdier for valgte kabler brugt i PowerFactory. Rated Current [A] Kabel Line 1 Line 2-22 Line Kabeltype Kabel i jord Luftledning Kabel i jord Tabel 7.7: Tabelværdier for valgte kabler brugt i PowerFactory. Hver enkelte loads andel af det samlede elforbrug for et år kan aflæses på figur 7.4. Hver enkelte nummer i bjælken til venstre i tabellen, har relationer til figur 7.2 i form af de tal der står ud for hver load på denne. De forskellige load profiler der er brugt i modellen, kan ses i Appendix A. For vindmøllen og solcelleanlægget er der implementeret års profiler for produktionen fra disse i modellen. I appendix B, kan der ses nærmere på profilerne, samt ligninger der er brugt til at udregne profilerne. For hver af de tre dieselgeneratorer har de effekten 45 kva, (36 kw), som er værdierne der bruges i modellen. Den type simuleringer der bruges til at simulere modellen, er af typen "AC Quasi Dynamics Simulations", en kort gennemgang af hvad dette indebærer: Mellem- eller langsigtede simuleringer baseret på steady state analyse Tidsprofils karakteristika for forenklet modellering af tilbagevendende tidsserier Behandling af planlagte udfald, netvariationer og udvidelsestrin Alle betingelser for opstilling af modellen er beskrevet i det ovenstående, for at kunne simulere modellen og påbegynde analysen, så skal perioderne der simuleres henover defineres. Der er valgt to perioder med timer for hvad der svarer til en uge. En uge i januar fra vinterhalvåret og en uge i august fra sommerhalvåret. 31

46 Group EE Effekt flow undersøgelser Load flow resultater Load flow analysen for begge perioder vil have samme fremgangsmetode og denne beskrives her: Heatmap over elnettet Elbehovet for hver hustand Aktiv- og reaktiv effekt Kabelbelastning Busspændingen Der krav for hvor meget spændingen må afvige fra normalen som er ± 10 % og overstiger den ± 5 % så kan det være kritisk. [Sikkerhedsstyrelsen, 2009] Resultater for en uge i januar Der er simuleret over hele januar måned, hvor der udvalgt en specifik uge for at vise resultaterne. I appendix A kan der på figur A.1 ses elbehovet for et helt år. I appendix B kan produktionen for et helt år for henholdsvis vind TTTTTTTTT og sol ses på de respektive figurer B.2 og B e..5...).5% )..) 1e..5)...5% 1e..5)...)5%...).. ne.n. og...gg )))...).. s....gg.eg s.e..s5 )))...).. )..) )..) ).))...).. o5.n.gg )))...).. n.gnnenn.. t2.eg5e.et. ).)) 1e..5.) )...5% 1e..5.)...)5% ) 1e..5.)..))5% 1e..5. ).))5% 1e..5)...)5% 1e..5)...)5% 1e..5)..))5% )..) 1e ))5% 1e..5...).).5% 1e..5.) ).).5% )))...).....).. )...)... ).) 1e..5.)...)5% 1e..5)..))5% ))) 1e..5.. )..))5% ))) ).)) ).))...).....).. ).))...).....).. 1e..5.) )...5% 2.2e..eg.5. ).) 1e..5.) )..).5% 1e ))5% 1e..5. ).))5% ).) 1e ).5% ) 1e ).5% ) 1e..5.)..).5% eg...g.n51g.ee.g 1ge..5eg...g.5e..g ) e...5eg...g.5e..g ) g.ee.g5e..g. )..5% % 1e %. ).))...).....) )..... ~ e..eg e..eg.5) 2.2e..eg.5) nege..e gng.. g.e.e.g n.2. n2.5gn.e.. ee.eee % gg.g.g g...5% Figur 7.3: Heatmap over elnettet, ud fra en uges simulering i januar. På figur 7.3 ses et heatmap over elnettet, den viser giver et visuelt billede af hvor i elnettet der er hårdest belastet i denne periode. Den tager højde for belastning og spænding. Der 32

47 Aktiv effekt [kw] Effekt [kw] 7.8. Load flow resultater Aalborg University ses at i den del af elnettet hvor vindmøllen og solcelleanlægget er implementeret, bliver belastet mere end den anden del af elnettet Timer Avlsgården Camping Gadelys Gartnerbolig Havn Kirke Kro/Køkken Købmand Munkebo Nonnebo Pavillion 1 Pavillion 2 Pavillion 3 Pavillion 4 Skole Øvrig drift Figur 7.4: Behovsprofil for alle loads i elnettet for en uge i januar. På figur 7.4, ses elbehovet for den valgte periode for hver enkelte hustand. Denne behovsprofil viser et meget konstant behov for de fleste loads, der er to loads der skiller sig ud, dette er øvrig drift og kro/køkken, hvilket også kan ses i tabel 7.4, hvor den største procentdel er til de to loads Solcelleanlæg -20 Vindmølle External Grid -30 Timer Figur 7.5: Mængden af aktiv effekt i systemet for en uge i januar. På figur 7.5 og 7.6 ses henholdsvis mængden af aktiv effekt og reaktiv effekt fra solcelle, vindmølle og dieselgeneratoren. På figur 7.5, ses det at dieselgeneratoren går i negativ flere gange, dette kan ikke lade sig gøre, men det er sådan at modellen at sat op, så er der overskud af effekt i forhold til behovet så går denne i negativ. På figur 7.6 ses mængden af reaktiv effekt, hvor det kun er dieselgeneratoren der leverer. Da vindmøllen og solcelleanlægget er sat til at levere en konstant reaktiveffekt. 33

48 Busspænding [p.u.] Belastning [%] Reaktiv effekt [kvar] Group EE Effekt flow undersøgelser Vindmølle Solcelleanlæg External Grid Timer Figur 7.6: Mængden af reaktiv effekt i systemet for en uge i januar Timer Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8 Line 9 Line 10 Line 11 Line 12 Line 13 Line 14 Line 15 Line 16 Line 17 Line 18 Line 19 Line 20 Line 21 Line 22 Line 23 Line 24 Figur 7.7: Kabelbelastning for hver enkelt kabel i elnettet for en uge i januar. Ud fra figur 7.4 og 7.5 undersøges der nærmere på belastningen af de enkelte kabler. På figur 7.7, ses alle kabler i elnettet. Belastningen af kablerne vises i procent, det ses at der i perioder af ugen er kabler der er hårdere belastet end andre. Nogle af kablerne er i perioder belastet på mellem %. Da det perioden kun strækker sig over nogle timer, så ses det ikke som nogen stor problematik, men det skal tages højde for hvis der bliver udvidet med belastningen eller produktionen på de respektive kabler Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus Timer Figur 7.8: Busspændinger for en uge i januar. På figur 7.8 ses spændingen i de seks største busser i elnettet. Der er det også i den del af elnettet hvor vindmøllen og solcelleanlægget er implementeret, hvor der er de største afvigelser i spændingen. Der er enkelte timer i løbet af ugen, hvor der er afvigelse i spændingen. Det højeste er et peak, hvor overspændingen er 1,03 p.u., hvilket antages 34

49 7.8. Load flow resultater Aalborg University for ikke at være et problem, da det først er hvis spændingen kommer over/under 5 %, at det er kritisk. Resultater for en uge i august Der er simuleret over hele august måned, hvor der udvalgt en specifik uge for at vise resultaterne. I appendix A kan der på figur A.1 ses elbehovet for et helt år. I appendix B kan produktionen for et helt år for henholdsvis vind og sol ses på de respektive figurer B.2 TTTTTTTTT og B e..5. )..) ne.n. og...gg s....gg.eg ))) s.e..s5 )..) ).)) )..) 1e..5)..).))5% )))...).. n.gnnenn.. t2.eg5e.et....).. ).)) ).)) 1e..5)) )...5% 1e..5.) )..)5% 1e..5.)...)5% ) 1e % 1e..5. ).)5% 1e..5)...)5% 1e..5)...5% 1e..5)..))5% )..)...).. o5.n.gg ) 1e % 1e..5.) )...5% ))) ) ).) ))) ).)) ).))...).....).. 1e..5)) ))...5% 2.2e..eg.5. ))) 1e..5). )).))5% ).) 1e..5). )).))5% ))) 1e..5) ).))5% 1e ))5% 1e..5)..))5% ).) 1e..5.)..))5% ) 1e ))5%. 1e..5.)...5% 1ge..5eg...g.5e..g ) e...5eg...g.5e..g ) g.ee.g5e..g. )..5% % 1e..5.)..))5% eg...g.n51g.ee.g 1e..5)...).. 1e %. ).))...)....)...)..... ~ e..eg.5) 2.2e..eg e..eg.5) nege..e gng.. g.e.e.g n.2. n2.5gn.e.. ee.eee % gg.g.g g...5% Figur 7.9: Heatmap over elnettet, ud fra en uges simulering i august. På figur 7.9 ses et heatmap over elnettet, hvor det igen er i den del af elnettet hvor produktionsenhederne er implementeret, hvor elnettet er mindre stabilt, dette ses ud fra det lysergrønne/gule område på figuren. 14 Effekt [kw] Timer Avlsgården Camping Gadelys Gartnerbolig Havn Kirke Kro/Køkken Købmand Munkebo Nonnebo Pavillion 1 Pavillion 2 Pavillion 3 Pavillion 4 Skole Øvrig drift Figur 7.10: Behovsprofil for alle loads i elnettet for en uge i august. På figur 7.10, ses elbehovet for hver load, dette er noget højere i denne uge, da sommerperioden er mere befolket end vinterperioden. 35

50 Belastning [%] Reaktiv effekt [kvar] Aktiv effekt [kw] Group EE Effekt flow undersøgelser Solcelleanlæg -20 Vindmølle -30 External Grid -40 Timer Figur 7.11: Mængden af aktiv effekt i systemet for en uge i august. På figur 7.11 og 7.12 ses henholdsvis mængden af aktiv- og reaktiv effekt i elnettet for denne uge. Den første graf, hvor dieselgeneratoren viser negativ er ikke aktuel, dette er blot mængden af overskydende effekt. Den sidste graf, gælder det samme som for ugen i januar, at det kun er dieselgeneratoren der varierer mængden af reaktiveffekt Vindmølle Solcelleanlæg External Grid Timer Figur 7.12: Mængden af reaktiv effekt i systemet for en uge i august. Ud fra figur 7.13 ses kabelbelastningen, hvor kablerne der er i den del af elnettet, hvor produktionsenhederne er implementeret, er de mest belastede. Der er længere perioder, hvor nogle af kablerne er belastet mellem %. Dette ses ikke som kritisk, da de er under de 50 % Timer Line 1 Line 2 Line 3 Line 4 Line 5 Line 6 Line 7 Line 8 Line 9 Line 10 Line 11 Line 12 Line 13 Line 14 Line 15 Line 16 Line 17 Line 18 Line 19 Line 20 Line 21 Line 22 Line 23 Line 24 Figur 7.13: Kabelbelastning for hver enkelt kabel i elnettet for en uge i august. 36

51 Busspænding [p.u.] 7.8. Load flow resultater Aalborg University Figur 7.14 viser busspændingerne i elnettet, hvor to af busserne har afvigelser i spændingen. Det er både over- og underspændinger i løbet af denne uge, det ses ikke som et problem da den største afvigelse er på 3 %. Det er kun hvis spændingen afviger over 5 % i en længere periode det ses som kritisk Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus Timer Figur 7.14: Busspændinger for en uge i august. Resultaterne for de to uger, en i januar og en i august, hvor forbrug og produktion har været forskelligt, viser alt i alt et stabilt distributionsnet med en vindmølle og et solcelleanlæg implementeret. Det ses ud fra både figur 7.5 i januar og figur 7.12 i august, at der er perioder både om vinteren og sommeren, er overskydende effekt, som ville kunne bruges til at dække et varmebehov eller lagres i et kommende batterilager. Ses der nærmere på belastninger og afvigelser i spændningen, så kan det konkluderes at det er et stabilt distributionsnet. Belastningen af kablerne har enkelte peaks på de 50 % og afvigelser i spændingen har peakværdier på 1,03 p.u. Den gode stabilitet skyldes at længden på kablerne ikke strække sig over flere kilometre, afstanden kan ses i tabel 7.6 og at de er dimensioneret til dette, dimensionerne kan ses i tabel 7.5. I dette kapitel er effekt flowet og load flowet analyseret samt modelleret i programmet PowerFactory, for energisystemet på Livø med vindmølle og solcelleanlæg implementeret. I det kommende kapitel skal der analyseres videre på et par scenarier. 37

52

53 Scenarieanalyser 8 I dette kapitel skal der analyseres på effektflowet i det samlede energisystem, ved at opstille forskellige scenarier som skal testes af i den opstillede model. Scenarierne der er tiltænkt er hvor der er stor difference imellem forbrug og behov, dette har til formål at vise elnettets stabilitet. 8.1 De forskellige scenarier De to scenarier som vil blive analyseret, beskrives således: 1. scenarie - En dag hvor produktionen er lav og forbruget er højt. 2. scenarie - En dag hvor produktionen er høj og forbruget er lavt. 8.2 Resultater af scenarier 1. scenarie 1. scenarie er blevet simuleret og testet igennem og resultaterne heraf er analyseret og beskrevet herunder: Der er valgt en dag hvor den samlede produktion var på 46,39 kwh og det samlede forbrug var på 368,08 kwh. 39

54 8. Scenarieanalyser TTTTTTTTT Group EE ).5... ) e..5) ).))5% )).) ).5... ).5... eg...g.n51g.ee.g 1e..5) )).).. 1e..5)..).5% ).5... ).5... ne.n. s....gg.eg s.e..s5 ))) ).5... ).5... )))) )))) ).5... ).5... )))) ).5... ).5... ))) n.gnnenn.. t2.eg5e.et. ).5... )))) ).5... ).5... )))) ).5... ) e..5)) ).))5% 1e..5)) ).))5% 1e..5))...)5% ) 1e..5)) ).).5% 1e..5. ).))5% 1e..5)..))5% 1e..5)..))5% 1e..5)..))5% )).) o5.n.gg ) ).5... ) e..5)) ).))5% 1e..5)) ).))5% ))) ).5... ).5... ) ).) 1e..5))..))5% og...gg ).5... ).5... ))) )))) ).5... ).5... )))) ).5... ) e..5)) ).))5% 2.2e..eg.5) ))) ).5... ) e..5). )..)5% ))) ).5... ) e..5)) )..)5% ))) ).5... ) e..5) ).).5% 1e..5))..))5% 1e..5) ).))5% ))) 1e..5))..))5% ) 1e..5)...))5% ) 1e..5)) ).)5% 1ge..5eg...g.5e..g. ) ) e...5eg...g.5e..g. ) )..) ).) g.ee.g5e..g. )..5%... )...5% 1e..5). ).)5% ) )))) ) )) ).))..... ~ e..eg.5) 2.2e..eg.5) 2.2e..eg.5) nege..e gng.. g.e.e.g n.2. n2.5gn.e.. ee.eee... ).).5% gg.g.g g...5% Figur 8.1: Heatmap over elnettet, ud fra en dag med lav produktion og højt forbrug. På figur 8.1 ses et heatmap over elnettet, det fremgår tydeligt at elnettet ikke virker særlig påvirket denne dag. Da den samme grønne farve, fremgår over hele mappet. Dette betyder at der ikke er de store belastninger og spændingsvariationer. 20 Aktiv effekt [kw] Solcelleanlæg 10 8 Vindmølle 6 External Grid Timer Figur 8.2: Mængden af aktiv effekt for en dag med lav produktion og højt forbrug. Det ses ud fra figur 8.2, at sol og vind denne dag ikke producerer nok til at dække forbruget. Det fremgår at det er dieselgeneratoren der levere den store del til elnettet. Grunden til at elnettet ikke vil blive belastet, ved bus 1 og kabel 1 er at kabeltværsnittet er dimensioneret højt ved dieselgeneratoren. 40