Hur smart elnät påverkar ett lokalnäts verksamhet

Transkript

1 Dalarna University Energy and Hur smart elnät påverkar ett lokalnäts verksamhet How Smart Grid Affects a Local Network Activity Mawj Sami Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Högskoleingenjörsprogrammet i elektroteknik C-nivå 22,5hp Extern handledare: Sune Bergerland Handledare: Peter Röjder Examinator: Magnus Mossberg Datum Löpnummer

2 i

3 Sammanfattning Dagens elnät behöver förbättras för att klara behoven från det moderna digitala samhället. För att bygga ett mer flexibelt och hållbart energisystem bör nya tekniska lösningar och marknadsmodeller utvecklas och därför betraktas smarta elnät som framtidens elnätsystem. Det framtida elnätet är starkt beroende av förnybara energikällor för att optimera elförbrukning och minska kostnaderna. Smarta elnät gör det möjligt för elkonsumenter att styra sin elförbrukning samt att engagera dem som en del av elkraftsystem. Smarta elnät kommer att ge många fördelar för alla delar av det elektriska systemet som börjar från produktion, distribution och slutar med lasten. Det smarta elnätet är troligen det verktyget som ska användas för att minska miljöpåverkan av elsystemet och den globala uppvärmningen genom att öka möjligheter att integrera mer förnybar energi, öppna dörren för ökad användning av elbilar och minska utsläppen av växthusgaser. Syftet med detta examensarbete är att ge ett lokalt nätföretag en konkret bild av hur smarta elnät kan komma att påverka nätverksamheten samt hur elnätet kan utvecklas för att tillföra bättre kontroll och energilagring samt förbättra den totala effektiviteten i nätverket. Examensarbetet har avgränsats genom att studera det smarta elnätet på distributionsnivå, alltså lokalnät, samt att undersöka några projekt i Sverige. Ytterligare exempel från andra länder har inte beskrivits i det här arbetet. ii

4 Abstract Today's grid will need to be improved to meet the needs of the modern digital society. New technologies and market models need to be developed in order to build more flexible and sustainable energy systems, thus smart grid is considered as the future of electric grid system. The future grid is heavily dependent on renewable energy sources to optimize electricity consumption and reduce costs. Smart grids will enable electricity users to control their energy consumption and to be a part of the electric power system. The smart grid will provide many benefits for all parts of the electric system starting from the production, distribution and end with the load. The smart grid is probably the tool that will be used to reduce the environmental impact of the electricity system and global warming by increasing opportunities to integrate more renewable energy, opening the door for increased use of electric vehicles and reducing greenhouse gas emissions. The purpose of this study is to provide a local network company a concrete image of how the smart grid could affect network s activity, and how the grid can be developed to provide better monitoring, control and energy storage as well as improve the overall efficiency of the network. This thesis has been delimited by studying the smart grid at the distribution level, i.e. local network, as well as to examine some projects in Sweden. Further examples from other countries have not been described in this work. iii

5 Förord Jag vill börja med att tacka min handledare Peter Röjder vid Karlstads universitet som har hjälpt mig med mitt examensarbete. Ett stort tack till min handledare Sune Bergerland på Karlstad El- och Stadsnät AB som var tålmodig med alla frågor. Ett speciellt varmt tack till min underbara man Mazin, mina föräldrar, syskon och mormor för stort tålamod och stöd under arbetsprocessen. Utan er alla hade det varit omöjligt att genomföra arbetet. Kristinehamn, maj 2015 Mawj Sami iv

6 Innehållsförteckning 1 Inledning... 1 Bakgrund... 1 Syfte... 1 Metod... 1 Avgränsningar... 1 Karlstads El- och Stadsnät AB Smarta elnät... 2 Vad är ett smart elnät?... 2 Varför behövs smarta elnät... 3 Huvuddelar av smarta elnätet och dess inverkan på elnätsystemet Energilagring Energilagringssystems roller i smart elnät Energilagringsteknologier Smart övervakningssystem Att använda smart övervakningssystem för ö-drift Övervakning av ledningstemperatur Använda smarta övervakningssystem för att övervinna spänningsstabilitetsproblem Smartmätare-systemet Smart Grid status i Sverige Svenska Samordningsrådet för Smarta elnät Smart Grid Gotland Norra Djurgårdsstaden Smart elnät potential för Karlstad Varför behövs ett smart elnät för Karlstads kommun Hypotetiskt smart elnätsprojekt för Karlstad Positiva effekter av smarta elnät för Karlstads kommun Miljövinster För- och nackdelar för elsystemen Resultat Slutsats Referenser v

7 1 Inledning Bakgrund Svenska elsystemet behöver förändras på grund av klimatförändringar och politiska mål. Det måste förbättras för att anpassa sig för den förnybara elproduktionen som kommer att installeras, samt för att klara kraven från det moderna digitala samhället och ett mer effektivt utnyttjande av elnäten. Smarta elnät erbjuder lösningar för avancerade system samt standardlösningar inom elkraftdistribution. I det här arbetet kommer vi att se hur elnätet kan utvecklas för att få ökad effektivitet, övervakning och kontroll samt kapacitetseffektiv prissättning. Syfte Syftet med det här arbetet är att ge ett mellanstort nätföretag en konkret bild av hur smarta nät kan komma att påverka nätverksamheten. För att få en bättre överblick på vilket sätt detta kan komma att ske skall examensarbetet omfatta följande delar: Översikt över vad Smarta Nät kan innebära. Översikt över hur elnätet kan få ökad effektivitet, övervakning och kontroll. Utifrån denna bild ta fram de mer troliga delarna av smarta nät som kan beröra Karlstads El och Stadsnät eller elnät med likartade förutsättningar. Utvärdera vad detta kan innebära i form av internt arbete och investeringar hos nätbolaget eller hos kunden. Metod Till största delen grundar arbetet sig på litteratursökning och genomgång av studier kring smarta elnät. Kontakt har också gjorts med ABB genom telefonintervju om projektet Smart Grid Gotland, samt samtal med handledaren Sune Bergerland på Karlstads El- och Stadsnät AB har gett mig mycket information. Avgränsningar Rapporten studerar smarta elnät och dess teknologier på distributionsnivå, alltså lokalnät. Några exempel i Sverige har beskrivits men de projekten är inte klara än. Däremot finns några fullständiga exempel i andra länder, som Tyskland och Japan, vilka inte har beskrivits i denna rapport på grund av tidsbegränsningar. En av de viktigaste delarna i smarta elnät är energilagring och dessa metoder beskrivs bara kortfattat. Karlstads El- och Stadsnät AB Karlstads El- och stadsnät AB är ett kommunalägt bolag som äger, förvaltar, driftsäkrar och bygger ut Karlstads kommuns elnät och fibernät. Det är ett lokalnät som har en spänningsnivå mellan 0.4 kv och 130 kv. Syftet med verksamheten är att gynna distributionen av elektricitet och tillgången till bredband och bredbandstjänster på ett kreativt sätt både för kommunen och dess invånare. Företagets vision är att leverera nätverk i världsklass i framtidskommunen Karlstad [1]. 1

8 2 Smarta elnät Vad är ett smart elnät? Eftersom begreppet smarta elnät är ganska nytt så det finns inte någon gemensam global definition på smarta elnät utan många olika definitioner. Ett exempel är den definition som tagits fram av samarbetsorganisationen för EU:s tillsynsmyndigheter för energimarknaderna, European Regulators Group for Electricity and Gas (ERGEG). Denna definition är baserad på behovet av smarta elnät. Ett elnät som kostnadseffektivt kan integrera beteenden och beslut hos alla användare som är anslutna till det elproducenter, elkonsumenter och de som är både och för att garantera ett hållbart kraftsystem med låga förluster och hög kvalitet, försörjningstrygghet och säkerhet. [2]. För att bygga ett mer flexibelt och hållbart energisystem behöver nya tekniska lösningar och marknadsmodeller utvecklas. Smarta elnät är starkt beroende av att utnyttja förnybara energikällor för att optimera elförbrukningen och minska kostnaderna. Dessutom engagerar det konsumenten som en del av elproduktionsprocessen. Smarta elnät som visas i figur 2.1 betyder att modernisera det befintliga elektriska nätet. Det inkluderar att lägga digital tvåvägskommunikationsteknik mellan enheter i nätet. Varje enhet i nätverket kan förses med sensorer för att samla data (effektmätare, spänningssensorer, feldetektorer osv.) [3]. Figur 2.1 Smart elnät 2

9 Den största skillnaden mellan det nuvarande elnätet och ett framtida smart elnät kommer att vara det sätt som elproduktionen och efterfrågan hålls i balans. Se tabell 2.1 Tabell 2.1 Jämförelse mellan det traditionella elnätet och det smarta elnätet [4]: Traditionella elnätet Kraftflödet går i en riktning, från producent till konsument. Kraftflödets kontroll är begränsat. Centraliserad kraftgenerering. Återställning efter avbrott är manuell. Kundinteraktion är begränsad. Litet antal sensorer. Har låg tillförlitlighet mot plötsliga fel. Smarta elnätet Kraftflödet går i flera riktningar, t.ex. från producent till konsument och tvärtom. Kontroll av kraftflödet är omfattande. Distribuerad kraftgenerering. Återställning är automatisk. Kundinteraktion är stor. Hela nätet är fullt med sensorer. Smarta elnät är tillförlitliga mot plötsliga fel. Smarta elnät erbjuder många fördelar för elbolaget och konsumenter, oftast sett i stora förbättringar av energieffektiviteten på elnätet och i energianvändarnas hem och kontor. Det kan dessutom informera elbolaget om det finns något elektriskt fel i nätet vid tidpunkten då det inträffade. Dessa varningar om elektriska fel kan påskynda återställandet av strömförsörjningen eftersom det är möjligt att fastställa orsaken till problemet omedelbart. Det finns flera och viktiga områden för den nätverkstekniken genom att den tillhandahåller smarta mätare för att övervaka och bestämma lämplig taxa beroende på användningstillfället. Det ger efterfrågesidan (energikonsumenter) ett bra sätt att hantera sin konsumtion. I allmänhet kan det smarta nätsystemet betraktas som ett mycket effektivt verktyg för att uppnå ekonomiska och tekniska mål i strävan mot ren energi och att förbättra den ekologiska situationen på planeten. Varför behövs smarta elnät Elnätet har inte utvecklats mycket under de senaste 50 åren. Människor har upplevt en enorm industriell revolution, ökad befolkning och en stor förändring i samhällets ekonomiska beteende i tid av förvärv av varor och tjänster i allt större mängder, och detta är känt som konsumism. Elnätet i världen lider idag av många problem, bland annat: De flesta av de elektriska systemens delar är gamla. Den största delen av elproduktionen i världen kommer från fossilt bränsle, kol eller kärnkraft som gör det skadligt för både samhälle och miljö. Belastningen på elnätet baseras på elanvändarnas konsumtionsbeteende men de är omedvetna om sin användningsnivå och roll i elsystemet. Elnäten är ibland oförmögna att hantera de stora kraven från slutanvändare och den ökade integrationen av de intermittenta och icke-förutsägbara förnybara energikällorna eller distribuerad produktion. Detta har orsakat många strömavbrott till exempel strömavbrottet i Italien 2003, vilket har påverkat 55 miljoner människor i Italien, Schweiz, Österrike, Slovenien och Kroatien [5]. Dessa strömavbrott kostar hundratals miljarder dollar varje år för företag runt om i världen. EPRI studier har uppskattat kostnaden för strömstörningar inom alla branscher i USA till miljard US dollar per år till följd av avbrott [6]. 3

10 Smarta elnät kan erbjuda lösningar för många av dessa problem. Det kan modernisera elnätet genom att tillhandahålla utrustning och metoder för övervakning och skydd och för att optimera driften av elnätet. I resten av detta kapitel kommer olika tekniker som smarta elnät använder för att nå sina mål att diskuteras. Huvuddelar av smarta elnätet och dess inverkan på elnätsystemet Smarta elnät kommer att introducera många nya funktioner och teknologier för det traditionella elnätsystemet. Några av dessa tekniker är energilagring, smart övervakning, smarta mätare, kommunikation och kontroll. De viktigaste teknologierna inom smarta elnät och dess inverkan på elnätsystemet kommer att diskuteras i korthet i resten av det här kapitlet Energilagring Energilagring har varit en del av elsystemet under en lång tid. Begreppet energilagring i det förflutna var lagring av bränsle som användes för fossilbränslekraftverk. Nu riktas världens intresse mot förnybar energi på grund av många skäl som t.ex. miljömässiga, ekonomiska och politiska. Det moderna begreppet energilagring syftar framför allt på att lagra den intermittenta elproduktionen från förnybara energikällor så att det går att använda när dessa enheter slutar driften eller när det finns en ökad efterfrågan på energi. Eftersom det inte finns något bränsle att lagra måste den elektriska energin lagras efter att den genererats. Dessa förnybara energikällor kan till skillnad från det traditionella centraliserade kraftverket placeras var som helst på nätet, nära till belastningen, fördelade över nätverket eller på avlägsna platser. Denna förändring i strukturen av elnätsystemet har ökat behovet av ett effektivt och tillförlitligt sätt att överföra och distribuera elektricitet. Det krävs också att det går att lagra energi i form av el i vissa perioder för att skapa en balans mellan produktion och konsumtion, upprätthålla stabiliteten i nätet, och för att öka de miljömässiga fördelarna med lagring av förnybar energi. Det är därför energilagring har blivit en viktig del av det smarta elnätet Energilagringssystems roller i smart elnät Energilagringssystem är en av de viktigaste komponenterna i smarta elnät. Det spelar en huvudroll för att stödja många av de smarta elnätstillämpningarna. En grundläggande roll för energilagring är att lagra energi som genereras vid en viss tidpunkt när det finns ett överskott av energi och sedan ladda ur den när det finns brist på energi. Några av de viktigaste energilagringsapplikationerna sammanfattas nedan: Produktionsutjämning Produktionsutjämning är i grunden möjligheten att spara energi under låg efterfrågan och ladda ur det för att klara en ökad belastning under högbelastningstider. Detta kan minska produktionskostnaden och tillåta systemet att ha en jämnare produktion som leder till en förbättring av driftseffektiviteten och även reduktion i mängden av bränsle som används. Fördelen med energilagring är större när det finns en stor skillnad mellan låg- och högbelastningstid. 4

11 Elkvalitet Energilagringssystemet kan ge ett skydd för konsumenterna mot kortvariga händelser som påverkar kvaliteten hos den levererade effekten. För att uppnå detta måste strömförsörjningens spänning och frekvens hållas inom acceptabla gränser. Spänningen kan styras genom att absorbera och/eller injicera både aktiv och reaktiv effekt. Elenergienheter som används för detta ändamål ligger oftast i transformatorstationer på kundsidan. Frekvensen styrs genom att ladda eller urladda energilagringssystemet som svar på en ökning eller minskning av nätfrekvensen. Detta kommer att upprätthålla en stabil nätfrekvens med snabb respons och utsläppsfri drift. Stabilisera tillgången till förnybar energi Produktionen från förnybara energianläggningar är varierande och intermittent. Det elektriska energilagringssystemet kan upprätthålla produktionen från förnybara energikällor på en fast nivå under en tidsperiod. Detta kommer att eliminera snabba förändringar i spänning och ström på elnätet. Elförsörjningsreserv En av de viktiga applikationerna för elektriska energilagringssystem är att vara en effektiv reserv av elektrisk energi som är laddad och redo för svar inom mycket kort tid. Denna reserv ska användas för att övervinna eventuella avbrott i produktions- eller överföringssystemet. Detta kommer att säkerställa kontinuiteten i nätverket när man startar back-up generatorer och kommer också att eliminera behovet av att driva back-up generatorer på tomgång. Integrering av elfordon Elektrisk energilagring kan också integrera befintliga utrustningar till det smarta elnätet. Ett exempel på detta är elfordon eftersom de kan fungera som en distribuerad mobil resurs av energi för att ge en belastningsvarierande funktion i ett smart elnät. Elektriska fordon kan vara en möjlig lagringsmetod som kan leverera ström till nätet under perioder med hög efterfrågan eller när elpriset är högt. 5

12 Energilagringsteknologier Energilagringssystem kan klassificeras efter den energiform som används: mekaniska, elektrokemiska, kemiska, elektriska och termiska energilagringssystem som visas i figur 2.2 [7]. Energilagringsteknologier Mekanisk Elektrokemisk Kemisk Elektrisk Termisk Pumpkraftverk Laddningsbara batterier Väte Kondensatorer Värmelagring Tryckluft Flödesbatterier Superledande Svänghjul Figur 2.2 Olika energilagringsteknologier Nedan följer en kort beskrivning av var och en av de viktigaste teknikerna för energilagring: I. Mekaniskt lagringssystem De vanligaste mekaniska lagringssystem metoder är: pumpkraftverk, tryckluft och svänghjul. Pumpkraftverk: Pumpkraftverk som lagringssystem utgör nästan 99 % av installerad elektrisk lagringskapacitet i världen, vilket är ungefär 3 % av den globala produktionskapaciteten [7]. Typiska lagringssystem med pumpkraftverk använder två vattentankar på olika nivå. Laddningen sker genom att pumpa vatten från den lägre till övre tanken när det finns ett överskott av energi. När elbehovet uppstår släpps vattnet från den övre till den nedre tanken för att driva en turbin med en generator så att det producerar elektricitet. Tryckluft: Compressed Air Energy System (CEAS) är en teknik för lagring av energin där luften komprimeras när det finns ett överskott av elproduktion och sedan lagras den i underjordiska reservoarer. Sedan vid brist av elenergi görs urladdningen genom att använda den komprimerade luften. Svänghjul: Svänghjulet är en roterande skiva där energin lagras i form av rotationsrörelseenergi. De största fördelarna med denna metod är att den har lång livslängd, snabb laddning och urladdning, inga skadliga material och högre effekt än batterier. 6

13 De huvudsakliga nackdelarna är att den behöver en mycket hög noggrannhet för att konstrueras, har en relativt stor storlek samt att rotationströghet begränsar tillämpningsområden till stationär användning och friktionen minskar effektiviteten avsevärt. II. Elektrokemiskt lagringssystem De vanligaste elektrokemiska lagringssystem är de laddningsbara (sekundära) batterier och flödesbatterier. Laddningsbara batterier: Ett sekundärt batteri är en typ av elektriskt batteri som kan laddas och laddas ur många gånger. Laddningsbara batterier tillverkas i många olika former och storlekar. Batterierna kan anslutas till varandra för att bilda anpassade batteribanker med den önskade spänningen och kapaciteten. Det finns många typer av laddningsbara batterier inklusive bly-syra, nickel kadmium (NiCd), nickel-metallhydrid (NiMH) och litiumjonbatterier (Li-jon). De stora utmaningarna är de höga kostnaderna och den låga livslängden för de flesta typer av laddningsbara batterier. Flödesbatterier: Jonlösningen i flödesbatterier förvaras utanför cellen, och kan matas in i cellen för att generera elektricitet. Den totala elmängden som kan genereras beror på storleken på lagringstankarna. De främsta fördelarna med flödesbatterier är att de har en flexibel layout, lång livslängd, snabba svarstider samt att det inte finns något behov av att överladda batteriet för att säkerställa att alla celler har samma laddning, och det har inga skadliga utsläpp. Nackdelarna är att flödesbatterier är ganska komplicerade jämfört med standardbatterier eftersom de kan kräva pumpar, sensorer, styrenheter och sekundära förvaringsbehållare. III. Kemisk energilagring Att använda väte för energilagring: Elektricitet kan omvandlas till väte genom elektrolys. Vätgasen kan sedan lagras under obegränsad tid under tryck (tryck kan åstadkommas genom elektriska luftkompressorer) i gasflaskor eller tankar. För att generera elektricitet kan vätgas generera elektricitet i bränsleceller med en verkningsgrad på ca 50 %, eller den kan brännas i ett kombinerat gaskraftverk med en verkningsgrad på ca 60 % [8]. De största utmaningarna med vätelagringssystemet är den låga effektiviteten och hållbarheten, ett relativt hög vikt och volym och en mycket lång tankningstid. IV. Elektriskt lagringssystem De vanligaste elektriska lagringssystem är dubbelskiktskondensatorer, och supraledande magnetenergilagring. Dubbelskiktskondensatorer: Dubbelskiktskondensatorer är ett tillförlitlig energilagringssystem med lång livslängd och förmåga att arbeta över ett brett temperaturområde och under svåra förhållanden. Dubbelskiktskondensatorer har ett mycket högt kapacitansvärde i storleksordningen många tusen Farad. Dessutom, till skillnad från batterier, kan de laddas och urladdas mycket snabbt på grund av dess låga inre motstånd och de behöver inget underhåll. 7

14 Supraledande magnetenergilagring: Supraledande magnetenergilagringssystem arbetar genom att lagra energin i magnetfältet på den supraledande spolen. Den största fördelen med superledande magnetenergilagringssystem är att det har en mycket snabb svarstid. V. Termiska lagringssystem Termisk lagring kan delas in i två tekniker, sensibel (kännbar) och latent värmelagring. Sensibel värmelagring är en av de mest kända och mest utbredda tekniken. Lagringsmedium kan vara en vätska som vatten eller termoolja, eller ett fast ämne som till exempel betong eller i marken. Termisk energi lagras enbart genom en förändring av temperaturen hos lagringsmediet. Kapaciteten hos ett lagersystem definieras av den specifika värmekapaciteten och massan av det medium som används [7] Smart övervakningssystem Övervakningssystemet ansvarar för att samla in och lagra information om status, effekt, spänning, ström, temperatur, etc. från sensorer distribuerade och knutna till många delar av nätet. Denna information kan användas för att minska förlusterna, underlätta underhåll och feldetektering samt att kontrollera den exakta mängden energi som krävs vid en viss tidpunkt. Det kan också användas för att säkerställa energi- och spänningsstabilitet samt effektivitet och för att planera för en eventuell framtida utbyggnad eller förbättring av det befintliga elnätet Att använda smart övervakningssystem för ö-drift Dagens komplexa förnybara elproduktion sammankoppling kräver moderna tekniker för ö- drift och att använda smart övervakningssystem är en av de lösningarna. Ö-drift innebär enligt Svenska Kraftnät att en del av elsystemet drivs isolerat i en "ö" utan någon elektrisk koppling till det övriga nätet. Detta sker genom att en distribuerad generator som till exempel en solpanel fortsätter att mata ut ström under ett strömavbrott. Övervakningssystem kontrollerar vilka de punkter är där omkoppling kan krävas för att bilda en balanserad ö. Vid upptäckt av händelser som kan leda till en stor områdesstörning skickar övervakningssystemet signaler för är att skapa en balans mellan lasten och generatorer före isolering från systemet och även för att isolera ön från systemet [9] Övervakning av ledningstemperatur Strömavbrott kan hända om anslutning till kontaktytor försvagas eller försvinner. Detta är främst på grund av lokal temperaturhöjning hos ledningar. Med hjälp av sensorer kan övervakningssystemet kontrollera temperaturen för att förbättra kraftflödet och minska möjligheten för strömavbrott som sker på grund av denna höjning. Medeltemperaturen på linjen kan bestämmas baserat på de kända egenskaperna hos det ledande materialet Använda smarta övervakningssystem för att övervinna spänningsstabilitetsproblem Problemet med spänningsstabilitet är oförmågan hos kraftsystemet att tillhandahålla den reaktiva effekt som krävs av systemet. Antalet monitorer i ett smart elnät är betydligt fler än antalet som finns i det vanliga befintliga distributionssystemet, som bara kan ha några monitorer för elkvalitet per matare [10]. 8

15 De flesta av de elektriska distributionssystem som används idag fokuserar enbart på elkvalitet vid transformatorstationen. Denna brist på övervakning i distributionsledet kommer att göra det mycket svårt att notera många av de spänningsvariationer som uppstår på matare (feeder) eller på sekundärsidan av distributionstransformatorer. Hittills har vanligen det enda sättet att upptäcka spänningsvariationer varit att kunderna själva upplever obehag eller felaktig utrustning. Genomförandet av ett smart övervakningssystem gör det möjligt att utföra fjärrutredningar så fort spänningshändelser inträffar och innan problem uppstår för kunderna. Dessa utredningar kan utföras på matarens nivå och på kundens gemensamma anslutningspunkt [11]. Ett smart övervakningssystem är sammansatt av ett huvudkommunikationssystem som ansluter alla enheter med fjärrövervakning till en central datainsamlingsplats [11]. Fjärrövervakningsenheterna inkluderar kondensatorer, distributionstransformatorer, smarta mätare, effektmätare och fasövervakningsenheter. Fjärrövervakning kommer att göra det möjligt att identifiera brister i systemen som varit obemärkta av kunder och elbolaget innan man installerade ett smart system för övervakning. Detta kommer att minska kundernas klagomål på spänningsstabilitet, förhindra skador på verktyg och utrustning och det kommer också att minska kostnaderna i samband med utredningen av spänningsproblem Smartmätare-systemet Den allmänna definitionen för smart mätare är att det är en elektronisk mätutrustning med tvåvägs-teknik för kommunikation, information, övervakning och kontroll som används för att fakturera kunder och driva sina elektriska system. Smarta mätare har använts i mer än arton år av några företag runt om i världen för att ge korrekta faktureringsdata för sina kunder. Smarta mätare är en viktig del av smarta elnätsystem. De grundläggande funktionerna i smarta elnät är att övervaka och kontrollera nätets verksamhet, garantera ett effektivt och tillförlitligt tvåvägsflöde av el och information mellan kraftverk och konsumenter samt alla punkter däremellan. Detta gör smarta mätare till ett av de viktigaste verktygen för smarta elnätsystem för att tillhandahålla dessa funktioner. Smart elnät övervakar leverans av el och spårar energiförbrukningen med smarta mätare som sänder information om energianvändning till företaget via ett kommunikationsnät. Smarta mätare gör det också möjligt för kunderna att följa sin egen energianvändning på Internet. De uppgifter som lämnats av smarta mätare kan bidra till att förbättra effektiviteten och tillförlitligheten i elektriska system. Några andra fördelar med smarta mätare är att det kan minska kostnaderna för mätaravläsning. Dessutom det kan ge en tidig upptäckt av stöld eller skada samt förbättra transformatorers laststyrning. 9

16 3 Smart Grid status i Sverige De flesta befintliga system för överföring och distribution av el i världen infördes för år sedan. De organiserar enkelriktad distribution av el från stora centrala kraftverk till slutanvändare. Elnäten lider av betydande förluster av el i transmission och distribution. Förlusterna i det svenska elnätet 2012 var enligt siffror från Svenska Kraftnät 3,48 TWh för stamnätet, 1,95 TWh för regionnäten och 3,75 TWh för lokalnäten jämfört med 161,6 TWh som total elproduktion för samma år [12]. Det motsvarade 6,2 % av den totala elproduktionen i Sverige för perioden maj 2014 till maj 2015 som var 148,7 TWh [13]. Sedan 2008 har den svenska regeringen genomfört många av rekommendationerna i IEA (International Energy Agency) översyn genom att anta en övergripande energi- och klimatstrategi. Några långsiktiga mål fastställdes i Den svenska energin & klimatpaket under 2009: År 2020 skall Sverige ha ett energisystem där 50 % är förnybar energi, År 2030 ska fordonsflottan vara oberoende av fossila bränslen och år 2050 ska Sverige vara ett koldioxidneutralt samhälle [14]. EU har enats om några mål som ska vara uppfyllda fram till 2020 för att stoppa den globala uppvärmningen. Dessa klimatmål, som brukar kallas , är [15]: Minska utsläppen av växthusgaser med 20 % (1990 års utsläpp som referens). Öka energieffektiviteten för att spara 20 % av EU: s energiförbrukning. Höja andelen förnybar energi till 20 % i den totala energiförbrukningen i EU. För att Sverige ska kunna uppfylla EU:s klimatmål om att minska koldioxidutsläppen med 20 % år 2020 måste andelen förnybar elproduktion öka. Ett hållbart energisystem måste skapas, byggt på förnybara energikällor och smart teknik. Sverige måste ha ett energisystem som helt baserar på förnybara energikällor så att den förnybara elproduktionen ökar från 25 till 30 TWh till 2020 (Energimyndigheten, 2014). Sverige blev det första europeiska landet - och möjligen det första i världen - att uppnå 100 procent smarta elmätare i juli Med det här systemet har det blivit möjligt att läsa av mätarna på distans månadsvis och debitera den verkliga elförbrukningen löpande [16]. Svenska Samordningsrådet för Smarta elnät I maj 2012 beslutade regeringen att tillsätta ett samordningsråd för smarta elnät vilket har avslutat sitt uppdrag i årsskiftet 2014/2015. Rådet bestod av 15 medlemmar från industrin, myndigheter, organisationer och akademi. Samordningsrådets uppdrag var att stimulera dialog och samverkan, utveckla en nationell kunskapsplattform och en nationell handlingsplan för utvecklingen av smarta elnät , samt att det skulle bidra till att smarta elnät blir en svensk tillväxtbransch. Målet för samordningsrådet är att genom ökad samverkan, kunskapsutveckling och genom en handlingsplan medverka till tydliga spelregler på marknaden, stärkt kundinflytande, gynnsamma utvecklingsförutsättningar för smarta elnät i Sverige och att smarta elnät blir en svensk tillväxtbransch (Swedish Smart Grid). 10

17 Den 8 december överlämnade Samordningsrådet för smarta elnät sitt slutbetänkande, och förslag till nationell handlingsplan för utvecklingen av smarta elnät , till regeringen. Smart Grid Gotland Smart Grid Gotland är ett forsknings- och demonstrationsprojekt, där ABB samarbetar med Vattenfall, Gotlands Energi AB (GEAB), KTH samt Svenska kraftnät och Schneider Electric, för att utveckla strategier för att bygga och driva ett storskaligt smart elnät med en stor andel oregelbunden vindkraftsproduktion i distributionsnätet. Projektet startade i september 2012 och beräknas pågå till december Anledningen till att Sveriges första smarta elnät byggs just på Gotland är det finns mycket vindkraft på ön samt att området är tillräckligt stort för att utföra ett fullskaligt projekt. I det här projektet ska en del av existerande landsbygdsnät byggas om till ett smart nät genom att modernisera fördelningsstation, installera skydds-, mät- och kopplingsutrustning, samt att införa trådlös kommunikation av dynamisk data från olika enheter [17]. Med hjälp av ny mätteknik, utrustning för energistyrning och användning av avancerade tariffer kommer konsumenter att kunna styra energianvändning dygnet runt och anpassa sin elkonsumtion till elpriset [18]. Några av målen för det här projektet är att höja den maximalt installerade effekten med 5 MW från 195MW till 200 MW, samt att reducera SAIDI (genomsnittliga avbrottstiden per elkund) med 20 % i nätet mellan nätstationerna Källunge och Bäcks. I oktober 2013 anslöts en solcellsanläggning om totalt 45 kw till GEAB:s elnät och en månad senare började 1200 smarta elmätare att installeras i området mellan fördelningsstationerna Källunge och Bäcks. Anläggningen kommer att användas för att kontrollera hur mikroproduktion påverkar elnätet och även hur mikroproduktion interagerar med de smarta mätarna. Under 2014 har installation av nya styr- och övervakningssystem påbörjats [19]. Baserat på väderprognosen, t.ex. när det blåser mycket, så erbjöd Gotlands Energi (GEAB) vindrabatt där kunderna kan informeras av detta via en app i sin mobil. Norra Djurgårdsstaden Smart elnät i stadsmiljö i Norra djurgårdstaden är ett pilotprojekt där en forsknings- och utvecklingsplattform skapas inom smarta elnät. I det här projektet samarbetar ABB med energibolaget Fortum och KTH med ett flertal andra bidragande partner för ett storskaligt smart elnät i stadsdelen Norra Djurgårdsstaden i Stockholm [20]. Målet för projektet enligt Fortum är att detta område kommer att bli en miljöstadsdel som ska vara helt fri från fossila bränslen år 2030, alltså 20 år tidigare än andra delar i hela Sverige enligt EUs klimatmål, samt att koldioxidutsläppen ska ha minskat från dagens genomsnitt för Stockholm på 4 ton till 1,5 ton per person och år till 2020 [21]. Norra Djurgårdsstaden kommer att innehålla bostäder och arbetsplatser när allt är klart [20]. Projektet hjälper boende i den framväxande stadsdelen att leva ett mer hållbart liv samtidigt som systemet i sig betyder ett smartare sätt att utnyttja energi [21]. Några exempel på smarta ellösningar är styrsystem för smarta hem, smarta vitvaror, småskalig produktion av förnybar energi och smart laddning av elbilar. 11

18 4 Smart elnät potential för Karlstad Varför behövs ett smart elnät för Karlstads kommun Smart elnät ska möjliggöra större genomträngning av el från förnybara energiproduktion, både på landsbygden och stadsnäten. Det finns flera skäl till varför smarta elnät behövs för Karlstads kommun. Några av dem är: Karlstad är residensstad i Värmlands län och ligger i mellersta Sverige, så ett praktiskt projekt för smarta elnät inom detta område kommer att stärka Sveriges forskningskapacitet. Det kan bli ett mycket bra exempel för andra kommuner, universitet och forskare med enkel tillgång från alla delar av landet på grund av detta läge. Producerad el från fjärrvärmeverket i Heden panna ett är 73,4 GWh (Karlstad Energi AB 2013). Vid panna två (som eldar fastbränsle) finns en generator på 19 MW, medan panna tre som nyligen togs i drift kommer att producera el på 165 GWh varje år [22]. Den förnybara elproduktionen fördubblas alltså vid Heden fjärrvärmeverket, från 100 till 200 GWh per år med normala temperaturer. Den totala årsförbrukningen av energi för Karlstads kommun som visas i figur 4.1 är ca 565 GWh (Karlstad El- och Stadsnät AB, 2015), vilken är mer än den totala elproduktionen och därför importeras el för att klara Karlstads kommun behov av energi. Smart elnät kommer att minska energiförbrukningen samt att öka effektivitet och integrera distribuerade förnybara energikällor och kommer således att minska behovet av att importera energi. Mer förnybar energi planeras i framtiden som gör smarta elnät viktigare för att hantera den nya förnybara energi. Smart elnät kommer att ge mer tillförlitlighet och effektivitet genom att exempelvis optimera nätdrift, försörjningstrygghet och kostnadseffektivitet. Ett smart elnät kommer att möjliggöra en bättre förståelse av många viktiga frågor, till exempel; kundens deltagande på elmarknaden (genom reducering av toppbelastningar), integrering av elfordon, och användning av smarta elnät på andra europiska marknader. Smarta elnät stödjer de klimatmålen genom att integrera stora mängder förnybar energi i distributionsnätet. 12

19 Figur 4.1 Totala årsförbrukningen av energi för Karlstads kommun, [1] De grå staplarna är timvärden och den mörkblå linjen är en löpande årsförbrukning. Publicerad med tillstånd av Karlstads El- och Stadsnät AB Smart elnät kommer att ge effektiva nätverk med egenskaper och funktioner för eldistributionsnätet, som är nödvändiga för att tillåta anslutning av maximala effekten av förnybar energiproduktion. Den genomförda smart elnäts-tekniken kommer också att öka konsumenternas deltagande i elmarknaden och underlätta för konsumenterna att ta en mer aktiv roll när det gäller att investera i förnybar energi och minska sin elkonsumtion till en nivå som är lämplig för deras individuella val. Smart elnätsutveckling kommer att ge den ökade tillförlitlighet för strömförsörjning och förbättrad effektivitet i nätdrift, som är nödvändig för att bana väg för att minska kostnader för nätförlusterna, vilka är ungefär 15 GWh, för reparation och underhåll samt förbättra övervakningen och styrbarheten hos elnätet [23]. 13

20 Hypotetiskt smart elnätsprojekt för Karlstad Det hypotetiska smarta elnätsprojektet för Karlstad syftar till att uppgradera det befintliga kraftsystemet i staden till ett smart elnätssystem. Det lokala elnätets schema för Karlstad visas i figur (4.2). Figur 4.2 Karlstad elnäts principschema, [1] Publicerad med tillstånd av Karlstads El- och Stadsnät AB Som en del av detta projekt måste alla 10 krafttransformatorerna (7 40 MVA, 1 36 MVA, och 2 25/32 MVA) uppgraderas med ny teknik för skydd, kommunikation och kontroll för att öka tillgänglighet och tillförlitlighet. Distributionsnätet kommer att uppgraderas och utrustas med de senaste smarta elnätens verktyg och teknik för att möjliggöra en bättre fjärrstyrning och övervakning, samt ge en högre tillförlitlighet och en förbättrad kommunikation till slutkonsumenter. Elektriska fordon kan vara en möjlig lagringsmetod som kan leverera ström till nätet under perioder med hög efterfrågan eller när elpriset är högt. Smart elnätsprojektet bör omfatta laddningsinfrastruktur för att stödja användningen av elfordon i staden. De fyra dynamiska reaktiv-effekt-kompensatorerna (2 13, 20 och 7 MVAr), förutom energilagringsenheterna som också kan fungera som dynamiska reaktiv-effektkompensatorer, kommer att öka systemets stabilitet genom att reglera spänningen och 14

21 stabilisera nätet. Denna funktion stöder det smarta elnätet och ökar systemets stabilitet när stora mängder förnybar elproduktion kommer att integreras. Elkunder kommer att spela viktiga roller för att uppnå många av målen med smarta elnät genom att ändra sitt beteende, att acceptera att bli en effektiv del av elsystemet, och att skifta eller minska sin elkonsumtion. Därmed blir det viktig att utbilda konsumenterna och förklara fördelarna med roller som de kan spela för att stärka och förbättra elsystemet och spara energi i tillägg till de miljömässiga och sociala fördelarna. Utbildningar, konferenser, TVoch radioprogram förväntas äga rum före och under genomförandet av projektet för att tjäna detta syfte. Positiva effekter av smarta elnät för Karlstads kommun Smarta elnät kommer att ge fördelar för miljön och för alla delar av elsystemet som börjar från produktion, distribution och slutar med lasten. Detta resulterar i en enorm nytta för hela samhället. I detta avsnitt kommer de viktigaste fördelarna med smarta elnät att kategoriseras och diskuteras i korthet Miljövinster Det smarta elnätet är troligen det verktyg som ska användas för att minska miljöpåverkan av elsystemet och den globala uppvärmningens effekter genom att öka effektiviteten i systemet. Smarta elnät kommer att öka möjligheter att integrera mer förnybar energi, både i stor skala och distribuerad generering, samt att det kommer öppna dörren för ökad användning av elbilar och minska utsläppen av växthusgaser. Smarta elnät kommer att inbegripa kunden i förfarandet. Kunden ska kunna producera och leverera el till nätet. Detta kommer att bemyndiga kunden och därmed öka medvetenheten om energiförbrukning och miljöpåverkan. Smarta elnät förbättrar effektiviteten i det elektriska systemet och minskar distributionsförluster. Detta kommer att bidra till att uppnå 20 % högre effektivitetsmålet enligt den europeiska planen om klimatförändringar. Smarta elnät kommer att inkludera installation av utrustning för att indikera situationen och statusen för nätet. Denna utrustning kommer att ange exakt när och var ett underhåll behövs och kommer därmed att minska användningen av resurser och miljöpåverkan av att använda dessa resurser För- och nackdelar för elsystemen Smarta elnät gör det möjligt för elbolaget att integrera mer förnybar energi i nätet. Förnybar energi fluktuerar mycket och därmed krävs ytterligare energilagring. Upprepad start av förnybara energisystem, ökning eller minskning av produktionen och kontinuerliga stopp kommer att öka kostnaderna för underhåll och även öka risken för ofrivilliga avstängningar [23]. 15

22 Smarta elnät är en två-vägs nätanslutning och det kan ge kunderna möjlighet att agera genom att minska sin energiförbrukning, samt att lägga till lagringsenheter för att lagra den oanvända energin under hög produktion och/eller låga efterfrågans perioder. De kan sedan använda denna energi när det är låg produktion och/eller ökad efterfrågan [23]. Smarta elnät kan också styra och stänga av utvalda utrustningar på kundens sida under perioderna med stor efterfrågan. Detta kräver ett godkännande från kunderna men kommer i gengäld att resultera i en flexibel förbrukning som minskar elpriset för kunder och kostnader för elproduktion. När systemet är i drift under oväntade omständigheter eller under ovanligt hög belastning, kan systemet råka ut för vinkelinstabilitet. Rotorvinkelsinstabilitet kan, om det inte åtgärdas i tid, orsaka kaskadutlösningar och spänningskollaps som kommer att leda till en stor blackout. Det smarta övervakningssystemet kan ge tidig varning för rotorvinkelsinstabilitet och kan även förse styrenheterna med den absoluta rotorvinkeln som mätts med lokala övervakningsenheter för att säkerställa att rotorn når samma vinkelposition för alla de sammankopplade maskinerna. På distributionssidan kommer smarta transformatorstationer att minska underhållskostnader i distributionsnätet, eftersom smarta elnät tillför en komponent som kan indikera när och var det krävs underhåll för nätet. Detta förbättrar distributionssystemets tillförlitlighet genom att identifiera fel fort, samt med en snabb respons isolera fel och föreslå den bästa metoden för att åtgärda problemet. Smarta elnät kommer att ha utrustning för spänningskontroll. Den främsta orsaken till denna utrustning är att upprätthålla en godtagbar spänning vid anslutningspunkten för alla laster som betjänas av mataren under alla driftsförhållanden. Detta kommer att sänka förlusterna i nätet och öka den totala energieffektiviteten och tillförlitligheten [24]. 16

23 5 Resultat De tekniska utmaningarna i det gamla elnätet är att alla ungefär är av samma typ, men det kan skilja sig från område till område utifrån olika förutsättningar. Till exempel är situationen för Gotland annorlunda än situationen för Karlstads kommun på grund av den stora mängden vindkraft och anslutningen till fastlandet med likströmledningen för Gotland. Funktionerna i smart elnät kommer att göra elnätet mer effektivt och tillförlitligt och tillåter hög andel av förnybar produktion. Många tekniska lösningar finns antingen redan eller är under utveckling och testning. Kommunikation, övervakning och datahantering är nyckeln för att få full nytta av de nya teknologierna som representeras av smarta elnät och för att utveckla mer effektiva och tillförlitliga nätverk med hög säkerhet. Konsumenterna kan spela en viktig roll för att uppnå dessa resultat genom att ändra sitt beteende, att acceptera att bli en effektiv del av elsystemet, och att skifta eller minska sin konsumtion. Därmed är det viktig att utbilda konsumenterna och förklara fördelarna med roller som de kan spela för att stärka och förbättra elsystemet och spara energi i tillägg till de miljömässiga och sociala fördelarna. De smarta elnätsystemet kan erbjuda lösningar för mikronät och dynamisk ö-drift genom att säkerställa en tillförlitlig elleverans inom mikronätet och integration till ett större och centralisera elnät. För mikronät som är beroende av centraliserade elleveranser som sin främsta källa, men använder en distribuerad energikälla för att ge reservkraft, kan smarta elnätteknologier ger dynamiska ö-drift lösningar som kan lägga till och utjämna belastningen från den distribuerade resursen. 6 Slutsats De viktigaste tekniska utmaningarna för integrationen av förnybara energikällor i elnätet är problemen som är relaterade till spänningsreglering, systemets stabilitet, osäkerhet och variabilitet av förnybara energikällor, nätkapaciteten och systemskydd. Svårighetsgraden av dessa utmaningar kan variera beroende på de lokala situationerna. Smarta elnät är numera nödvändiga för att garantera säkerheten och tillförlitligheten hos de elektriska näten i synnerhet med de moderna utmaningarna för elektriska system, till exempel distribuerade energiresurser, elfordon, integration av förnybar energi, etc. Själv produktion som sol- och vindkraft, elektriska fordon och varmvattenlager är fördelaktig för det elektriska systemet. Den kan minska toppnivån av konsumtionen och därmed minska topp-produktionsnivån och de kostnaderna som krävs för den efterfrågade energimängden. En av de viktigaste delarna i smarta elnät är energilagring och dess resultat förväntas vara stora och påverka alla elsystem positivt. Störst anledning till oro när det gäller att involvera konsumenterna i elsystemets drift är konsumenternas integritet. Det är ett viktigt obesvarat problem och det är ännu inte fastställt vad normerna är och hur man kan hantera detta. 17

24 Slutligen kommer smarta elnät att modernisera det gamla elnätet och tillhandahålla teknologier för att samla in, analysera och överföra data, samt för att fjärrövervaka och styra alla delar av nätet. Detta kommer samtidigt att göra det mer riskabelt ur säkerhetssynpunkt. Elsystemet kan bli ett mål för dataintrång och informationsstöld. Detta problem behöver mer analys om behovet av lämpliga säkerhetsplaner och processer. 18

25 Referenser [1] Karlstads Elnät AB [2] ERGEG, 10 juni 2010, Position paper on smart grids An ERGEG conclusions paper, (E10-EQS-38-05). [3] Office of Electricity Delivery & Energy Reliability [4] Energimynigheten, 27 november 2013, Programbeskrivning för programmet Swedish Smart Grids and Storage Centre [5] Hooper, J. (2003). Italy's blackout raises questions. [6] Electric Power Research Institute, Estimating the Costs and Benefits of the Smart Grid [7] Electrical Energy Storage, (2011), International Electrotechnical Commission (IEC) [8] Energystorage.org, (2015). Hydrogen Energy Storage Energy Storage Association. [9] Controlled Islanding [10] M. Baran and K. Scherrer, Extending power quality monitoring to feeder level, in Proc. IEEE Power Energy Soc. Gen. Meet. Convers. Del. Electr. Energy 21st Century, Jul [11] Kerry D. Mc Bee and Marcelo G. Simões, (2012), Utilizing a Smart Grid Monitoring System to Improve Voltage Quality of Customers. [12] Svensk Energi, Elåret _web.pdf. [13] Svensk Energi, maj 2015, Kraftläget i Sverige Sverige-veckorapport.pdf. [14] Energimyndigheten, 2009, Extrema väderhändelser och klimatförändringens effekter på energisystemet, Slutrapportering av regeringsuppdrag, ER 2009:33 [15] European Commission, 2009 [16] VINNOVA Analys VA 2011:01, Smart ledning - Drivkrafter och förutsättningar för utveckling av avancerade elnät [17] (Kunden tidningen från ABB, nr. 2, 2014) 19

26 [18] (Kunden tidningen från ABB, nr. 1, 2012) [19] (Smart Grid Gotland, lägesenergirapport 2013) [20] ABB, Norra Djurgårdsstaden projekt [21] Fortum, 2009, pressmeddelande [22] Informationsbroschyr Heden Etapp 3 - Karlstads Energi [23] Smart Grid Gotland Pre-study, GEAB, Vattenfall, ABB, KTH, August 2011 [24] Dennis Flinn, 10 Mar "How Can Smart Grid Equipment Help to Improve the Overall Efficiency of the Distribution System?" 20