Stockholm Royal Seaport Urban Smart Grid, Active House Research & Pilot Project Ralf Späth
Det aktiva huset Ett Aktivt hus är INTE att förväxla med ett smart hus eller intelligent hus, som då avser ett hus med fastighetsautomation begränsat till själva fastigheten Ett Aktivt hus är en fastighet som: Är en aktiv del av ett smart elnät, där huset fördelar förbrukningen optimalt efter eltillgången i nätet. Huset kan alltså ta egna (aktiva) beslut Har mätning av aktuell förbrukning, i hela eller delar av fastigheten. Mätningen är också synliggjord för fastighetsägaren Har energieffektiva lösningar för HVAC och belysning Har intelligenta automationslösningar (KNX) 22 november 2010 Slide 2
Det aktiva huset i framtiden Ett Aktivt hus kommer i framtiden att ha förutom ett automationssystem som idag används för komfort- och säkerhetsstyrning även att innehålla ett system kallat HEMS, (Home Energy Managment System) vilket möjliggör för konsumenten att: integrera lokal energiproduktion ha ett lokalt energilager, t.ex. i form av fasta batterier och/eller en elbil optimera energianvändningen och kostnader med bibehållen önskad komfortnivå Ett HEMS kan också erbjuda nätkontrolltjänster för nätägaren, som då kan göra mer exakta prognoser för energibehovet 22 november 2010 Slide 3
Stockholm Royal Seaport Ett framväxande miljöprofils område och ett internationellt showcase Vision Royal Seaport En hållbar stad i världsklass Objectives År 2030 är Royal Seaport helt fossil fri År 2020 CO2-utsläpp under 1,5 ton per person Fokus områden Effektiv energianvändning Miljö effektiva transporter Lokal återvinning Livsstil 22 november 2010 Slide 4
Utveckling och demonstration av en storskalig Smart Grid i Stockholm Royal Seaport 7 1 Smart homes/buildings and Demand Response Reduced peak load and increased energy efficiency by demand side participation and home/building automation 6 2 Distributed Energy Systems Integration of production for local generation PV and Wind in Home/Building Automation Solution 6 6 2 3 Integration and Use of electric vehicles Integration of PHEV Charging Infrastructure 4 3 4 Energy Storage for Network Support and DES Increased stability and power quality 4 1 2 1 5 6 Harbor Control Solution Reduced CO2 emission based High voltage shore connection Smart Primary Substations Increased efficiency and reliability with higher automation level 5 2 7 Smart Grid Lab (part of Royal Seaport Lab) Research, development, simulation and implementation of smart grid application November 22, 2010 Slide 5
Motiven för att utveckla platsen för Smart Grid Lära om nya roller och funktioner i näten inom hållbara energisystem # Nya tekniska lösningar # Nya affärsmodeller # Nya marknadsregler # Nya roller och beteenden för kunderna Överföra kunskap till marknadesregler och storskaliga kommersiella tillämpningar 22 november 2010 Slide 6
Integration av förnyelsebara energikällor Utmaning: Tillgång till utsläppsfri balanskraft Konsumtion Produktion Source: SvK Vindkraft och solenergi kräver mer balanskraft November 22, 2010 Slide 7
Smart Grid ger balans genom sammankopplade nät och integrerade aktiva konsumenter Planerings mål för Sverige Vind 30 TWh, 12 000 MW Jämfört med Vatten Kärnkraft 16 000 MW 9 000 MW Hur balansera intermittent 12 000 MW vindkraft? MWh/h 30000 25000 20000 15000 10000 5000 + Import / - Export Vattenkraft Vindkraft Värmekraft Kärnkraft Elavändning 0 Balanskontroll från produktion och / eller konsumtion sida -5000-10000 Tor Fre Lör Sön Mån Tis Ons November 22, 2010 Slide 8 Source: SvK Sweden
Hur balanserar man 30TWh, 12 000 MW vind genom aktiva konsumenter? Befovet av balanskraft är beräknad till 20% av den installerade kapaciteten. Det resulterar I ett behov av 6TWh, 3000 MW balanskraft Potentiella, kontrollerbara Laster, exkl. industri och kommersiella byggnader El värme ~ 20 TWh El fordon ~ 10 TWh (2,5 million år 2025) Hushållsel ~ 3,5 TWh (Totalt 20 TWh, 4 500 000 Lägenheter/ Villor) Balanskraft inom 1-24 timmar genom aktiva kunder Spinning reserve within seconds addressed by Emergency dispatch of demand response November 22, 2010 Slide 9
Ökad energieffektivitet Utmaning: Anpassning lasten till produktionen Marginal prod.kost öre/kwh Gasturbines Thermal plants oilfired Electrical demand Co-generation District heating Thermal plantst coalfired Wind Hydro Co-generation industry Nuclear November 22, 2010 Slide 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Produktionsresurser, exampel Nord Pool TWh 2010-11- Källa: Nord Pool, Svensk Energi 22 10
Kapning av topplast, genom aktiva konsumenter Utmaning: Incitament för konsumenten Fördelar för nätoperatören och energileverantör Last Användning av mer effektiva produktionsenheter Användning av mer kostnadseffektiva produktionsenheter Använd enheter med mindre utsläpp Tid Förbättrat utnyttjande av nätkapaciteten 22 november 2010 Slide 11
Smart Grid möjliggör för en integrerad "prosumers att köpa / sälja på mest gynnsamma spotpriset Källa: Nordpool Spot-pris variationer vecka 44, 2009 November 22, 2010 Slide 12
Användning av hushållsel Hushållsel uppgår till cirka 5% av den totala mängd energi som används i Sverige (22,1 TWh av totalt 403 TWh) i Energimyndighetens statistik för 2006 (Energimyndigheten, 2007). Förändringar i användningen av hushållsel går i diametralt motsatt riktning till det allmänna målet att minska energianvändningen med 20% till 2020 Användningen av hushållsel ökar hela tiden, trots allt effektivare hushållsapparater. Mellan 1970 och 2006, ökade hushållens årliga elförbrukningen från 9,2 till 22. 1 TWh (Energimyndigheten, 2007) * Eldrivna fordon som i stor utsträckning kommer att laddas hemma kommer avsevärt att öka elanvändningen bostadshus. 22 november 2010 Slide 13
Referensbyggnad 1 Byggnad 40 lägenheter Standardförbrukningensprofil enligt forskning i Elforsk rapport 8:54, Beräknad förbrukning om 4100 kwh per hushåll / år Kontrollerbara laster som diskoch tvättmaskin torktumlare, totalt 43 kwh / dag Solenergiproduktionen, 10 000 kwh / år (100m2), 48kWh 200 dagar / år Batteri storlek: 13 kw, 54 kwh återladdas dagligen, ca 1500 kg batterier November 22, 2010 Slide 15
Användning av hushållsel Konsumtionsprofil för hushållsel Få studier har gjorts för att fastställa förbrukningen av hushållsel både i förhållande till syftet med användningen samt tids användning. En mer omfattande undersökning och modellering av belastning kurvor av Joakim Widen (Elforsk 08:54) kallas nedan. Konsumtion kurvor för hushållet varierar med antalet personer i hushållet och ålder på medlemmar i hushållet. Antalet timmar med toppbelastning är dock lika för hela studiegruppen men med skillnaden i amplitud I framtiden kommer laddningen av elfordon vara den dominerar belastningen för de flesta hushåll Villa Lägenhet November 22, 2010 Slide 16 Vardag Helg konsumtionsprofil svenska hushåll, inga elektriska fordon
Användning av hushållsel: Beräknad konsumtion av utrustning under 24 timmar Kontrollerbara laster Modellerade genomsnittliga lastkurvor för dellaster per hushåll, jämförda med uppmätta lastkurvor från Energimyndighetens mätstudie. Kategorierna är (A) Kyl och frys, (B) Belysning, (C) Matlagning, (D) Diskmaskin, (E) Tvätt och tork, (F) TV, VCR, DVD, (G) Dator, (H) Stereo, (I) Övrigt. November 22, 2010 Slide 17
Toppbelastning konsumtion Topplast neutral definieras med tariffen Last Tid 3 scenarier har dentifierats för Aktiva Hus projektet Peak Last konsumenten (Förbrukar över egen genomsnitt under toppbelastning timmar) Peak Last Neutral (Har ingen eller liten ökning av förbrukningen under toppbelastning timmar) Peak Last Positiv (Tillföra eller producera energi under timmar av toppbelastning för att stödja balansen i nätet) Toppbelastning positiva, ekonomiska incitament för att tillföra eller producera energi under toppbelastning November 22, 2010 Slide 18
Smarta Elnät I stadsmiljöer Norra Djurgårdsstaden Grid Operation Application s Tariff Network Operation Vad krävs Load Management Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4 Unit 5 Common Local Energy Management System, Central Local Energy Management System, Local SMART GRID November 22, 2010 Slide 19
SMART GRID Smarta Elnät I stadsmiljöer Paradigmskifte inom Fastighetsinstallation Varje tid Varje plats Varje enhet Telegrafi > 100 år Språk Byggnadsinstallation Internet (analog) < 30 år Mobila språk EIB (digital) 1860 1980 2007 PN Mobilaspråk Internet Multimedia Text Ljud Bild Interaktiv LAN November 22, 2010 Slide 20
SMART GRID Smarta Elnät I stadsmiljöer November 22, 2010 Slide 21
Fastigheten i ett Smart Elnät Relationen mellan Nätägare och konsument idag. Nätägare Konsument Eldistribution meter Nätägarens ansvar slutar vid elmätaren Information mellan nätägaren och konsument sker via elräkningen Fasta eltariffer Endast få konsumenter har fastighetsautomation för komfort och säkerhet November 22, 2010 Slide 22
Fastigheten i ett Smart Elnät Förhållandet nätägaren/3 e parts aktör och konsument i morgon 3 e part aktör Nät kontroll, applikationer Konsument Fastighet i Smart Grid Home Energy Management System Eldistribution 2-vägs kommunikation Data process och analys Nät kontroll, applikationer Nätägar e Två vägs kommunikation Med en tvåvägs kommunikation mellan nätägaren och/eller en 3 e parts aktör och konsumenten kan nätägaren bättre anpassa sitt erbjudande enl. konsumentens behov och skicka info till konsumenten med ref. på t.ex pris En HEMS möjliggör för konsumenten att med automatik ytterligare anpassa sin energianvändning med ref. på laster, lokal generering och energilager och bidra med info till nätägaren. Allt baseras på gjorda överenskommelser utan att offra val komfort eller livsstil. November 22, 2010 Slide 23
Fastigheten i ett Smart Elnät Komponenter, infrastruktur, applikationer 1 Smart energimätare* inkl. Undermätning (el, vatten, värme, etc.) 2 Central Kontroll enhet inkl. HEMS 3 Kommunikation in-house/outside 4 Styrbara/, - icke styrbara enheter 5 Lokal leverer- och icke levererbar kraft generering 6 Lokalt stationärt och mobilt energi lager 7 Elektriskt kraftförsörjning, anslutning till nätet Strömförsörjning Blå Strömförsörjning Grön Lokal kommunikation till komponenter, lokal generering och energilager, inkl. undermätning Röd kommunikation till andra debiteringsmätare, t.ex. vatten, värme. Gul Kommunikation till energimarknaden (realtidspris) Brun Kommunikation till N-Ä eller 3 e part aktör (mätning, väderprognos, etc. Lika / Olika kommunikationskanaler Nätägare, 3 e parts aktör November 22, 2010 Slide 24
Fastigheten i ett Smart Elnät När använda, lagra, eller sälja elektricitet? micro CHP, bränsleceller Solceller, vindkraft Laddhybrid eller elfordon Fasta batteri, värme och kyllager Belysning, underhållning, datorer, kommunikation, matlagning, etc. Vattenuppvärmning, uppvärmning, Kyl och frys, tvätt, tork, disk, AC, etc. Icke förnyelsebar generering Förnyelsebar generering Mobila energilager Fasta energilager Icke styrbara laster Styrbara laster Bostad/ Fastighet A Nät/3 e part aktör B Nätägare 3 e part aktör B Med distribuerad generering, lokala enegrilager och styrbara laster kommer den genomsnittliga konsumenten ha stora möjligheter att påverka kraftförsörjningen beroende på när han skall använda, lagra, eller sälja kraft tillbaka till nätet med ref. på nuvarande förbrukning, prognostiserade nätförhållanden, elpriser, och väder.. Den höga graden av repetitiva beslut med många beslutsunderlag av framtida förhållanden, skulle för konsumenten vara betungande om det inte finns en lättanvänd automatiserad HEMS som underlättar besluten för den enskilda konsumenten. November 22, 2010 Slide 25
November 22, 2010 Slide 26 Living Space
HEMS kompletterar fastighetens Automationsystem som idag används för komfort- och säkerhets styrning och möjliggör för konsumenten : -Att integrera lokal generering -Lokalt energilager, -Optimera energianvändningen och kostnader med bibehållen önskad komfortnivå Samt erbjuda nätkontrolltjänster för nätägaren November 22, 2010 Slide 27
premium Fastigheten i ett Smart Elnät Home Energy Management System Nätägare / 3e part 24 h schema 24 timmars prognos Väder Energipris Nätbelastning Närvaromönster Planeringsmodul för kommande 24 h Visualisering applikationer, lagring och generering 24 h schema Realtid Väder Energipris Realtids modul Styrsignaler till applikationer, lagring och generering Energianvändning Nät belastning Mode för fastighetens applikationer, generering och lager November 22, 2010 Slide 28
Unternehmenspräsentation BJE November 22, 2010 Slide November 29 22, 2010 Slide 29