Energisäkerhetsaspekter på förnybar, distribuerad och intermittent elproduktion

Energisäkerhetsaspekter på förnybar, distribuerad och intermittent elproduktion Joakim Widén M.Sc., Ph.D. Engineering Sciences / Solid State Physics Uppsala University joakim.widen@angstrom.uu.se Energisäkerhet i lokala och globala energisystem VT 2011

Bebyggelsens energisystem Eng.: Built Environment Energy Systems Energisystem för byggnader Byggnader som energisystem Energisystem i bebyggelsen Bebyggelsen i energisystemet

Energisäkerhet? Tillgång till avbrottsfri (billig) el med god kvalitet Intressanta frågor: - Hur påverkar småskalig, distribuerad elproduktion elkvaliteten? - Blir energi- och effektleveranserna osäkrare med mer intermittent elproduktion? - Hur påverkar stora mängder sol- och vindkraft balansen i kraftsystemet? Finns det risk för suboptimeringar?

Energisäkerhet?

Plan för föreläsningen: 1. Distribuerad elproduktion 2. Effektbrist och effektleveransvärde 3. Storskalig intermittent produktions påverkan på kraftsystemet

Large-scale power generation (hydro, nuclear) Mediumscale distributed power generation (e.g. wind) Small-scale distributed power generation (e.g. PV, small wind power, micro- CHP)

Anledningar för att installera distribuerad produktion: Reduktion av CO 2 -utsläpp (och andra växthusgaser) Energieffektivisering Avreglering / ökad konkurrens Diversifiering av elproduktionen Öka produktionskapaciteten (CIRED, 1999)

Anledningar för att installera distribuerad produktion: Tillgänglighet till modulära tekniker Lättare att hitta platser för att uppföra generatorer Kortare konstruktionstid, lägre kapitalkostnader Reduktion av transmissionsförluster och - kostnader (CIGRE, 1998)

Exempel på tekniker: Kraftvärmeverk (CHP)

Exempel på tekniker: Kraftvärmeverk (CHP) Anläggning Installerad effekt (MW el) Öresundsverket (E.ON) 440 Igelstaverket (Söderenergi AB) 84 Moskogen (Kalmar Energi) 32 Riskulla (Mölndal Energi AB) 21 Dåva 2 (Umeå Energi) 30 Kopparfors (Stora Enso) 5

Exempel på tekniker: Mikrokraftvärme (μchp)

Exempel på tekniker: Vindkraftverk

1 27 53 79 105 131 157 183 209 235 261 287 313 339 365 391 417 443 469 495 521 547 573 599 625 651 677 703 729 755 781 807 833 859 885 911 937 963 989 1015 Installerad effekt, kw Exempel på tekniker: Vindkraftverk 3500 Vindkraftverk i Sverige 2010-09-21 (www.vindstat.nu) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Vindkraftverk

Exempel på tekniker: Solceller

Utbyte med elnätet vid distribuerad elproduktion

Utbyte med elnätet vid distribuerad produktion 4000 Byggnadens elanvändning 3500 3000 W 2500 2000 Elproduktion (3 kwp PV) 1500 1000 500 Elproduktion (1 kwp PV) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 t (tim)

Utbyte med elnätet vid distribuerad produktion 4000 Nettoproduktion 3 kwp PV W 0 Nettolast 1 kwp PV -4000 0 t (tim) 24

Effekter av inmatning av distribuerad elproduktion (Püttgen et al., 2003) Förändrad elkvalitet Reaktiv effektkompensering Förändrad tillförlitlighet Säkerhet Ansvar Ändrad lokal balans mellan produktion och last

Ett enkelt distributionssystem på lågspänningsnivå LV feeder Transformer substation Load P L, Q L R jx I V T V L

Resultat från lastflödesberäkningar Cable resistance: R = 1 Ω Cable reactance: X = 0.05 Ω Transformer voltage: V T = 400 V V 402 400 398 396 394 392 390 388 Transformer Load P L = 1 kw, Q L = 0.5 kvar P L = 2 kw, Q L = 1 kvar P L = 3 kw, Q L = 1.5 kvar

Samma system med distribuerad elproduktion Transformer substation P G Generation G P L, Q L Load

Resultat från lastflödesberäkningar med distribuerad elproduktion Cable resistance: R = 1 Ω Cable reactance: X = 0.05 Ω Transformer voltage: V T = 400 V 415 V 410 405 400 395 390 385 Transformer P L P G = -3 kw, Q L = 1.5 kvar P L P G = 0 kw, Q L = 1.5 kvar P L P G = 3 kw, Q L = 1.5 kvar Load

En distributionskabel med flera laster High load situation: 3 kw at each node 400 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 398 396 V 394 392 3 kw DG at node 10 390 388 Default 386 T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Node

En distributionskabel med flera laster Low load situation: 0.5 kw at each node 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 400 V 399 3 kw DG at node 10 398 Default T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Node

Design / uppgradering av distributionsnät Anslutning av distribuerad elproduktion får inte leda till överspänningar Overvoltage! 420 V 400 380 T 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Node

Begränsningar i anslutning på grund av spänningsreglering i transformatorer

Några exempel med PowerWorld: 1. Utan distribuerad produktion

Några exempel med PowerWorld: 2. Distribuerad produktion, inmatning av aktiv effekt

Några exempel med PowerWorld: 3. Distribuerad produktion, även inmatning av reaktiv effekt

Några exempel med PowerWorld: 4. Distribuerad produktion, inmatning av aktiv effekt, konsumtion av reaktiv effekt

Några exempel med PowerWorld: 5. Distribuerad produktion, inmatning av aktiv effekt, låg last

Större systemstudier och simuleringar - Worst case-metodik (deterministisk metodik): Minimilast (eller nollast) och maxproduktion. Restriktiv metod. - Stokastisk metodik: Sannolikhet för överspänning och andra indikatorer. Detaljerade last- och produktionsdata behövs.

Thomson & Infield, 2007:

Widén et al., 2010:

Några slutsatser: Distribuerad produktion har övervägande fördelar vid måttlig utbyggnadsgrad Minskade förluster Bättre spänningsprofil i nätet Vid hög utbyggnadsgrad mindre fördelaktigt Massivt omvänt flöde i nätet Spänningshöjningar Ökande förluster

Några slutsatser: För att kunna ha (extremt) mycket sol- och vindkraft i ett lokalt distributionsnät...... måste nya distributionsnät designas för att klara större spänningsvariationer... och existerande distributionsnät kan behöva förstärkas eller så måste produktionen regleras/begränsas... kan det vara smart med smarta nät, laststyrning, lagring men kostnader och marknadskonstruktionen talar emot det

Energisäkerhet i större kraftsystem Area n L n G n U n : bortkopplad last i area n

Exempel I ett litet kraftsystem är lasten konstant 200 kw. Systemet försörjs av ett 200 kw kraftverk med tillgängligheten 80 % och driftkostnaden 1 SEK/kWh. Beräkna LOLP, EENS och ETOC! (Efter L. Söder, M. Amelin, Effektiv drift och planering av kraftsystem)

Exempel I ett litet kraftsystem är lasten konstant 200 kw. Systemet försörjs av ett 200 kw kraftverk med tillgängligheten 80 % och driftkostnaden 1 SEK/kWh. Beräkna LOLP, EENS och ETOC! (Efter L. Söder, M. Amelin, Effektiv drift och planering av kraftsystem) LOLP = 20 % EENS = 0,2 200 kwh/h = 40 kwh/h ETOC = 160 kwh/h 1 SEK/kWh = 160 SEK/h

Area 1 Exempel: Värdet av ökad transmission 275 000 SEK/år Area 2 Höglast (halva dygnet): 150 kw Låglast (halva dygnet): 100 kw 2 generatorer på vardera 100 kw: Tillgänglighet: 90 % Driftkostnad: 10 SEK/kWh? Höglast (halva dygnet): Låglast (halva dygnet): 100 kw 50 kw 1 generator på 100 kw: Tillgänglighet: 90 % Driftkostnad: 12 SEK/kWh (Efter L. Söder, M. Amelin, Effektiv drift och planering av kraftsystem)

Effektleveransvärde Eng. Capacity Credit Ett kraftverks förmåga att öka leveranssäkerheten i systemet Definition: Ett givet kraftverk har effektleveransvärdet G om det ger samma LOLP som ett 100 % tillförlitligt kraftverk med effekten G när det tillförs systemet.

Effektleveransvärde Effektleveransvärde för vindkraft: 5 35 % av installerad effekt i olika studier Ett tillskott av vindkraft ger ökad energisäkerhet, men en mindre ökning än konventionell produktion med samma effekt Vindkraft kan ersätta konventionell produktion men högre installerad effekt krävs för samma leveranssäkerhet

Intermittens Intermittens = en icke reglerbar variation hos en kraftkälla Hour

Konsekvenser av intermittens Produktionen kan inte styras och anpassas till en ellast För en småskalig producent får det betydelse för produktionens värde och återbetalningstid för systemet Matchning av solel mot elbehovet i en villa Sparad el med och utan tillgodoräknande av nettoproduktion Årsvis avräkning Månadsvis avräkning Sparad el utan avräkning

Konsekvenser av intermittens Produktion kan inte planeras i kraftsystemet Kan inte användas som baskraft (planeras över långa tidsperioder) Kan inte planeras mot elbehov/marknad (planeras per timme en dag i förväg) Kan inte användas som reglerkraft (stängs av och på över mycket korta tidsintervall) MEN: produktionen kan förutsägas mer eller mindre väl

Konsekvenser av intermittens Produktion kan inte planeras i kraftsystemet

Konsekvenser av intermittens Produktion som inte kan förutsägas måste hanteras av reserver i kraftsystemet OBS: 1 MW ny intermittent kraft kräver inte 1 MW ny reglerkraft! 10 % högre andel vindkraft i elproduktionen kräver en ökning av reserverna med 2 8 % av installerad vindkrafteffekt. (Holttinen, 2004) Svensk vattenkraft förefaller i dagsläget klara upp till 30 TWh vindkraft (Amelin m.fl., 2009)

Sammanlagrings- och utjämningseffekter Power demand in one household during four days Power demand in fourteen household during four days

Sammanlagrings- och utjämningseffekter Korrelation mellan kraftkällor på olika avstånd från varandra, Svenskt scenario (Widén, 2010)

Sammanlagrings- och utjämningseffekter Variationer hos en och flera sammanlagrade kraftkällor (Widén, 2010)

Inverkan på balans i kraftsystemet Studies of the Swedish power and district-heating systems with extensive solar and wind power generation Energy system optimisation with MODEST

Typiska effekter av hög andel sol- och vindkraft Överskott på el billigare el lönsamt med elvärme istället för förbränning fjärrvärmeproduktion med el- och värmepumpar istället för biobränsle Överproduktion på sommaren utan avsättning vatten spills ur vattendammarna eller förnybar elproduktion stryps Överproduktion ökat exportbehov (Begränsning om andra länder producerar sol- och vindkraft samtidigt.)

Sammanfattning Distribuerad förnybar elproduktion ger ändrade produktions- och konsumtionsmönster i distributionsnäten. Kan kräva ny design och förstärkning av distributionsnät för att bibehålla elkvaliteten (spänningsnivån). Smarta elnät där produktion och konsumtion styrs lokalt kan bli lönsamt, men knappast med nuvarande marknadskonstruktion.

Sammanfattning Energisäkerhet och tillförlitlighet i kraftsystem kan analyseras utifrån en uppsättning standardiserade systemindex. Förnybar elproduktion ger ett tillskott till leveranssäkerheten i ett kraftsystem, men mindre än konventionell elproduktion med samma effekt.

Sammanfattning Intermittens i kraftproduktionen ger ökade variationer men inte per definition mer oförutsägbarhet. Mer förnybart ger större behov av reglerkraft, men inte i storleksordningen 1:1. Vind- och solkraft har typiska effekter på (det svenska) kraftsystemets balans vid storskalig utbyggnad, främst i form av att sol och vind konkurrerar med andra förnybara kraftkällor.

Litteraturtips: Distribuerad produktion generellt: N. Jenkins m.fl., Embedded Generation, IET Power and Energy Series 31, 2000. H.L. Willis & W.G. Scott, Distributed Power Generation, Marcel Dekker, Inc., 2000. Utbyggnad i distributionsnät: M. Thomson & D.G. Infield, IET Renewable Power Generation 1 (2007) 33-40. J.V. Paatero & P.D. Lund, Renewable Energy 32 (2007) 216-234. J. Widén m.fl., Electric Power Systems Research 80 (2010) 1562-1571. Intermittent produktion i kraftsystemet: H. Holttinen, The impact of large scale wind power production on the Nordic electricity system, VTT 2004. M. Amelin m.fl., Balansering av vindkraft och vattenkraft i norra Sverige, Elforsk rapport 09:88.