Decentrale kraftvarmeværker i fremtidens elsystem

Transkript

1 Decentrale kraftvarmeværker i fremtidens elsystem - udvikling af Verdens bedste VE baserede elsystem, en del af det danske Smart Grid Koncept Carsten Strunge, M.Sc.E.E. Miljø, Forskning og Udvikling, Energinet.dk 6. januar

2 Indhold Udfordringen for elsystemet frem mod 2025 Energinet.dk s indsatsområder Oplæg til fremtidens Smart Grid styringskoncept 2

3 50% vindkraft i det nuværende elsystem Wind power Demand Wind power Demand Fordobling af vindkraft i forhold til i dag. I blæsevejr vil vindkraften overstige det maksimale elforbrug Ubalancen mellem vindkraft og forbrug vil variere med mere end 1,5 x det maksimale elforbrug Vindmøller må stoppes timer om året 3

4 Spændingsstabilitet og flaskehalse i transmissionsnettet 1700MW 800MW Bredkær Starbakke 750MW Nors Frøstrup Klim Fjordholme Nibstrup Hvorupgård Fredensdal Skansen Håndværkervej Ådalen Dybvad Vester Hassing Vendsysselværket Ålborg Øst Vilsted Ferslev 1000MW Bedsted Struer Bilstrup Loldrup Mosbæk Tjele Tinghøj Hornbæk Moselund 400MW Mesballe Åstrup Tange 800MW Horns Rev A 160 MW Idomlund Videbæk Stovstrup Karlsgårde Lykkegård Bredebro Revsing Endrup Holsted Ribe Herning Sdr. Felding Andst Kassø Askær Thyregod Bjørnholt Magstrup Hørning Knabberup Landerupgård Studstrupværket Estrupvej Skærbækværket Tyrstrup Enstedværket Trige Hatting Ryttergård Malling Graderup Kingstrup Abildskov Mollerup Hasle Høskov Mårslet Sperrestrupgård Kyndbyværket Ølstykkegård Nr. Asmindrup Bramdrup 600MW Fynsværket Fraugde Odense Sydøst Svendborg Stigsnæsværket Kalundborg Asnæsværket Hejninge Østerholm Torslunde Kirkeskovgård Næstved Lyngerup Skibbygård Ringsted Rislev Orehoved Nyrup Valseværket Hovegård Kamstrup Haslev Fensmark Borup Jersie Spanager Blangslev Bjæverskov Masnedøværket Mosedegård Teglstrupgård Stasevang Allerødgård Gørløsegård 600MW 2500MW Sønderborg 400MW Radsted Vestlolland Rødby Eskilstrup Idestrup Nysted 165 MW 4

5 Dette stiller krav til udnyttelse af VE - men helst markedsbaseret Nyt paradigme: Forbrug skal følge produktion 50,5 Hz 50,0 Hz Elproduktion Elforbrug 49,5 Hz Effektbalance i elsystemet, også med 100% af forbruget dækket af VE-baseret el. Traditionelt har produktionen fulgt forbruget. 5

6 Kobling mellem marked og effektbalance Prognose/pris-usikkerhed med gate closure optil 36 timer før Vind for Horns Rev og DK1-18. november 2009 i forhold til elspotprisen 6

7 Flaskehalse i lokale net 100 MW gammel transformer 60 kv 60 kv 10 kv 60 kv 10 kv 200 MW nyt forbrug = ~ = ~ = ~ Distributionsnettet er i dag traditionelt dimensioneret til en begrænset samtidighed af det klassisk installerede forbrug. De lokale net er dermed ikke klar til fremtidens nye prisfleksible forbrug som elbiler og varmepumper. 7

8 Spændingsudfordringen i lokale net 10 kv 10 kv 0,4 kv 10 kv 0,4 kv 10 kv 0,4 kv 0,4 kv Større variation i effekttransporten i lokalnet gør det sværere at fastholde en stabil spænding HVIS ikke spændingen styres mere intelligent. 8

9 Indhold Udfordringen for elsystemet frem mod 2025 Energinet.dk s indsats Oplæg til fremtidens Smart Grid styringskoncept 9

10 Løsningen: Verdens bedste VE baseret elsystem Vindkraften kan indpasses effektivt med: Robust transmissionsnet med stærke udlandsforbindelser Sammenhængende energisystem med stor fleksibilitet Intelligent styring med aktivering af decentrale ressourcer 10

11 Elinfrastrukturen planlagte og mulige projekter Vindkraften kan balanceres i større område - spredt vindkraft kan give gensidig støtte Forskelle i elsystemer kan udnyttes - stor synergi mellem vindkraft og vandkraft Robusthed giver større driftssikkerhed - sikker håndtering af skiftende energitransporter? Ny EU støtte Kriegers Flak 150 m North Sea Grid (COBRA) 86,5 m 11

12 Sammentænkning af energisystemer 18 TWh vindkraft i 2025 ~ 50% af eksisterende el-årsforbrug Transport El Gas Fjernvarme 12

13 Elektricitet lagrings muligheder Elektricitet Lager Elektricitet Elektrolyse Brint Fuel Cell Kedler Vand Varme Kompressor Luft Turbine Pumpe Vand Turbine AC/DC Batteri DC/AC Fleksibilitet og minimale tab er nøgle specifikationer 13

14 Gas-systemet som integrator af vedvarende energi El El ved lav pris/overløb Gas-turbine El høj pris/spidslast Elektro- H2 (spidslast) Fjernvarme lyse FV Katalyse Biofuel Biomasse og affald Biomasseforgasning FV Gas Lager Metanol DME Opgradering Fjernvarme Fjernvarme til Metan Gas 14

15 Indhold Udfordringen for elsystemet frem mod 2025 Energinet.dk s indsats - Stærke transmissionsnet - Sammentænkte og fleksible energisystemer - Intelligent styring af elsystemet (Smart Grids) Oplæg til fremtidens Smart Grid styringskoncept 15

16 Smart Grid Det er mange beskrivelser og definitioner af, hvad et Smart Grid er. Energinet.dk definerer Smart Grid som: Intelligente elsystemer, der kan integrere alle tilkoblede brugeres adfærd og handlinger både dem der producerer el, dem der forbruger el, og dem der gør begge dele for effektivt at kunne levere en bæredygtig, økonomisk og sikker elforsyning 16

17 Hvad er Smart Grids? Produktionssiden Smart Grids Forbrugssiden Solceller Solvarme Vindmøller Kraftvarmeværker Mikro kraftvarme Geotermi Bølgekraft Brændselsceller Biogas Elnettet Kommunikation IT systemer Markedsplads Afbrydelighed Elmåling Styring Regulering Smart Houses Elbiler Varmepumper Elkedler Fleksibelt forbrug Erhvervskunder Prosumer Gl. elvarme Fjernvarme 17

18 The American dream Smart Grid visionen fra Department Of Energy (DOE) Finder løsningen i Danmark 18 18

19 Unikke danske positioner - Sammenhængende energisystemer Kraftvarme Samproduktion af el og varme Vindkraft Store mængder miljøvenlig el Fjernvarme Elbiler Energisystem for lager og opsamling af energi Nyt fleksibelt elforbrug med stærk miljøprofil 60 % af boligerne i Danmark opvarmes med fjernvarme 19 19

20 Indhold Udfordringen for elsystemet frem mod 2025 Energinet.dk s indsats - Stærke transmissionsnet - Sammentænkte og fleksible energisystemer - Intelligent styring af elsystemet (Smart Grids) Oplæg til fremtidens Smart Grid styringskoncept 20

21 Energinet.dk s Smart Grids udvikling og Koncept 2025 er Smart Grid

22 Koncept principper for fremtidens styringskoncept Effektiv effektbalancering Pan-europæisk markedskobling og koordination Aktivering af forbrug Gradvis ændring af markederne Aktiv styring af elnettet Avanceret tilstandsovervågning og estimering Aktivering af styrbare ressourcer Automatisk styring i elnettet Intelligent aktivering og styring af ressourcer Aggregering og VPP Fleksible styringshierarkier Agent-teknologi med rollebaseret adgang til ressourcer Internationale standarder Fælles standardiseret informationsmodel Markedsmekanismer først, men teknisk aktivering er altid mulig 22

23 Smart Grid styring i elnet og -markeder Ressourcer Elsystem Netvirksomhed Vindmøller Celle kontrol Kraftvarme Elnet Teknisk VPP Forbrug fx industri Elmarkeder Markeds VPP Aggregatorer Balance Ansvarlig Virksomhed Eksisterende Nyt i EcoGrid EU 23 23

24 Distribueret forbrug og produktion (Prosumers) Sammenhængende løsninger - 10 MW aggregering hos BA - Kraftvarmeenheder - Gas motor, Gas turbiner, Biogas, Forgasning, Affald m.v. - Nødstrømsanlæg - Industri anlæg - El kedler, varmepumper - Køleanlæg - Brint produktion - Elbiler Krav - Produktion og forbrug hver for sig - Online verifikation 2 MW 800 kw Varme pumper VPP = Virtual Power Plant 600 kw 700 kw Balanceansvarlige PBA eller FBA 400 kw 300 kw ±10 MW 3 MW 200 kw Kedler 5 MW 24

25 Fokus på hele elmarkedet Markedsværdi / pris i elsystemet Mængde af MWh handlet i elsystemet Marked: Finans Marked Spot Marked (NordPool) Intra-day Marked (Elbas) Automatiske regulerkraft Residual Distribueret produktion Små <5 MW CHP enheder µchp enheder Solceller (DC/AC) Fuel Cells (DC/AC) Virtual Power Plants Driftstimen Nyt: Realtidsmarked System tjenester Frekvens kontrol Spænding og Mvar flow Hurtige MW reguleringer El lager Start fra dødt net Fleksibelt forbrug Elbiler, transport Varmepumper Private huse El kedler Industri, proces energi 25

26 Elementer i Smart Grid styringssløjfen - generelt Styring1 (Agent) Styring2 Andre aktører Kommunikation Kommunikation Kontrolboks m. RBAC (Agent eller Gateway) Status for tilgængelighed Kontrol og styresignaler Sensor data Actuator Elsystem 26

27 Flaskehalse i lokale net 60 kv 100 MVA gammel transformer 60 kv 10 kv 60 kv 10 kv 200 MW nyt forbrug = ~ = ~ = ~ Distributionsnettet er i dag traditionelt dimensioneret til en begrænset samtidighed af det klassisk installerede forbrug. De lokale net er dermed ikke klar til fremtidens nye prisfleksible forbrug som elbiler og varmepumper. 27

28 SCADA/DMS (Agent) Netvirksomhed (DSO) Teknisk VPP i celle 150 kv Celleregulator Teknisk VPP 60 kv 60 kv 60 kv 60 kv 10 kv 10 kv 10 kv 60 kv 60 kv 60 kv 10 kv 10 kv 60 kv 10 kv 28

29 Hierarkisk agentstruktur i fremtidens elsystem Agent Niveau 4 (DSO B) Agent Niveau 5 (TSO) Agent Niveau 4 (DSO A) Agent Niveau 3 (150/60 kv station) Agent Agent Agent Niveau 2 (60/10 kv stationer) Agent Agent Agent Agent Niveau 1 (Anlæg/Radialer ) Agent Agent Agent Agent Agent Agent Niveau 0 (DG enheder) ~ ~ ~ 29

30 Styring af elnettet og aktivering af elnettets ressourcer herunder distributionsnettenes støtte til transmission HVAC DE HVDC NL HVDC NO/SE HVAC SE SC SC Optimal udnyttelse af ressourcer til støtte for transmissionsnettet. Tekniske VPP gennem celleregulatorer yder spændings- og var-støtte til transmissionsnettet på lige for med vindmølleparker, centrale værker, synkronkompensatorer (SC) og FACTS (f.eks. SVC eller STATCOM) 30