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 2011 1
Indhold Udfordringen for elsystemet frem mod 2025 Energinet.dk s indsatsområder Oplæg til fremtidens Smart Grid styringskoncept 2
50% vindkraft i det nuværende elsystem 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 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 1.000 timer om året 3
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
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
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
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
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
Indhold Udfordringen for elsystemet frem mod 2025 Energinet.dk s indsats Oplæg til fremtidens Smart Grid styringskoncept 9
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
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
Sammentænkning af energisystemer 18 TWh vindkraft i 2025 ~ 50% af eksisterende el-årsforbrug Transport El Gas Fjernvarme 12
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
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
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
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
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
The American dream Smart Grid visionen fra Department Of Energy (DOE) Finder løsningen i Danmark 18 18
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
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
Energinet.dk s Smart Grids udvikling og Koncept 2025 er Smart Grid 2.0 21
Koncept 2025 - 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
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
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
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
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
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
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
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
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