Utmaningar och möjligheter vid 100% förnybar elproduktion

Transkript

1 Utmaningar och möjligheter vid 100% förnybar elproduktion Uppsala StandUp for Wind 6 oktober 2015 Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH

2 Projektering & Etablering Konstruktion & Produktion Drift & Underhåll Nätintegration

3 3

4 4

5 Finns det några problem med att få regler- och balanskraften att räcka till vid mycket stora mängder vindkraft? 5

6 Finns det några problem med att få regler- och balanskraften att räcka till vid mycket stora mängder vindkraft? Ja 6

7 Finns det några problem med att få regler- och balanskraften att räcka till vid mycket stora mängder vindkraft? Ja, men 7

8 Elsystemet så fungerar det! 1 Ge konsumenter el när de önskar. 2 Ansluten utrustning måste fungera. Håll kontinuerlig balans mellan produk- tion och konsumtion. Håll spänning för kunderna. Avreglerad marknad => konkurrens Reglerade monopol. Effekt = Ström * Spänning

9 Tre utmaningar i ett kraftsystem med stor andel sol- och vindkraft: C1: Håll den kontinuerliga balansen C2: Hantera situationer med stor mängd variabel produktion. C3: Hantera situationer med liten mängd variabel produktion. 9

10 Sveriges elproduktion år 2011 Vindkraft Kärnkraft Kraftvärme Ind. Kraftvärme Vattenkraft Kondens

11 Svensk Elproduktion: Totalt 145,6 TWh (Framtiden: samma nivå som 2011) 40%

12 Upplaga av rapport: 22 juni 2014 Studerar: Balansering från timme till timme. Ingen kärnkraft. Hög vind+sol / låg elförbrukning Låg vind+sol / hög elförbrukning Vattenkraftsreglering Effektvärden kommenteras Överföring Kan laddas ner från KTH:s hemsida enligt nedan EXCEL-fil för beräkningar

13 Körningen av elsystemet timme till timme C1: Klara kontinuerliga variationer inklusive hög produktion (C2) och låg produktion (C3) 1. Elförbrukning samt vindkraft och solkraft blir vad den blir 2. Kraftvärmen körs så konstant som möjligt 3. Resten (max=12951 MW, min=1875 MW) tas av vattenkraften 4. Om inte detta räcker behövs mer.

14 MWh/h Effektvärde = möjligt bidrag vid stort behov x 10 4 Man måste vikta ihop olika situationer Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft Förbrukning från 14 januari till 30 januari Ibland blåser det mycket eller för lite lite vid hög förbrukning. Ibland fungerar inte värmekraftverk vid hög förbrukning. Högsta förbrukning

15 Possible ways to cover extra needs a. Flexible demand b. Import c. Gasturbines (e.g. bio-fuelled) d. Use batteries or other storage e. Flexible electric vehicles or V2G f. Extra CHP capacity (Top-spool-technology)

16 Energinivå [MWh/h] C3: Underskotts-situation (årsbasis) Max nivå: MW Antal timmar med behov: 765 h Energi: TWh Antal timmar med behov av mer produktion Kostnad för detta: 1,5 öre/kwh

17 MWh/h Effekt och energi (varierande behov-sommar) Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft 100% förnybart Låg förbrukning 8000 Mycket sol Förbrukning från 1 augusti till 10 augusti Behov av t.ex. export eller lager eller flexibel kons.

18 MWh/h C2: Överskotts-situation (augusti) Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft Förbrukning från 1 augusti till 10 augusti Nu OK: pga 83% gräns, min-vattenkraft, min-kraftvärme

19 Energinivå [MWh/h] C2: Överskott under ett år Max nivå: 9510 MW Antal timmar med behov: 860 h Energivolym: 1.63 TWh Antal timmar med överskott/möjlighet till export

20 Svängmassa och reglerkraft Svängmassa: Vid snabba ändringar (konsumtion/ produktion) balanseras detta av upplagrad energi i generatorer kopplade till nätet. Reglerkraft: Vid alla ändringar (konsumtion/ produktion) balanseras detta av att andra kraftverk måste ändra sin produktion på samma sätt.

21 Energy level [MWh/h] Hydro power: Duration curves (test ) solar-wind scenario Number of hours with hydro power < certain energy level Min level: 1875 MW: Needed during 860 hours Max level: MW: Needed during 765 hours

22 Slutsatser: Detaljsimulering av extremsituationer har gjorts Vattenkraften klarar dessa situationer med den modell som använts (tim-simulering inkl domar) Viktigt att vattenkraften kan regleras (dagens domar) Ännu inga oöverstigliga hinder funna Dock intressanta utmaningar / möjliga effektiviseringar. Dvs Hur ska man göra?

23 Användning av överskott från sol+vind i fjärrvärmenätet.

24 [MW] Fjärrvärme-användning över året Stockholm fjärrväremeleverens under 2012

25 Effektnivå [MW] Användning av överskotts-el januari februari mars april maj juni juli augusti september oktober november december Timme på året med nivå över 75 procent av förbrukning

26 Andra sätt att använda överskott a. Exportera b. Gör om el till gas c. Ersätt pellets/ved i pannor i hemmen d. Ladda batterier e. Ladda elbilar Dock: Överskottet är oregelbundet och ibland mycket stort!

27 General internal transmission challenge A. Voltage stability limits between areas B. Q-control important C. More transmission required, but low utilization time D. Challenge to identify future transmission capacity with less nuclear E. Detailed hydro simulation takes 10 minutes per week.

28 Transmission situation (Jan 21 Feb 1)

29 Transmission: Yearly duration : today 7000 MW

30 Impact on power system operation from not perfect wind forecasts NEPP, September 18, 2015 Lennart Söder Professor in Electric Power Systems, KTH

31 Forecast example Sweden performed noon day before

32 Forecast example Sweden: %- error

33 Forecasts in Germany: RMSE-%- error

34 Possible challenges because of not always reliable forecasts The issue here is to study extra impact caused by uncertainty Sweden has long rivers with many hydro power stations. One possible extra impact is that one plan according to, e.g. low wind power, and then one releases some reservoirs in order to have enough water downstream. But then there is a lot of wind power, so the water is not needed Q1: How common is this? Q2: But forecasts can continuously be updated. How to consider this?

35 Nordisk vattenkraft Under 2012 var den nordiska vattenkraftsproduktionen 237 TWh. Detta motsvarar en tillrinning om ca 4,5 TWh/vecka Ett stort regn varannan vecka motsvarar 9 TWh

36 Identifierade vindkrafts-projekt i Sverige: Identifierade vindkrafts-projekt: MW ( 100 TWh/year) Installerad effekt iday: Vattenkraft: MW ( 65 TWh) Kärnkraft: 9000 MW ( 65 TWh) totalt MW

37 Current (2011) Swedish Power System Source TWh Energy % Hydro 66,0 44, Nuclear 58,0 39, Wind 6,1 4, Solar CHP-Ind 6,4 4, CHP-distr. 9,4 6, Condens 1,01 0, Total 146, MW-capacity

38 Studied Swedish Power System Source TWh Energy % MW-max Hydro 65,7 45, Nuclear Wind 46,8 32, Solar 11,6 8, CHP-Ind 6,4 4, CHP-distr. 13,9 9, Other 1,3 0, Total 139,