Utmaningar och möjligheter vid 100% förnybar elproduktion Uppsala StandUp for Wind 6 oktober 2015 Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH
Projektering & Etablering Konstruktion & Produktion Drift & Underhåll Nätintegration
3
4
Finns det några problem med att få regler- och balanskraften att räcka till vid mycket stora mängder vindkraft? 5
Finns det några problem med att få regler- och balanskraften att räcka till vid mycket stora mängder vindkraft? Ja 6
Finns det några problem med att få regler- och balanskraften att räcka till vid mycket stora mängder vindkraft? Ja, men 7
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
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
Sveriges elproduktion år 2011 Vindkraft Kärnkraft Kraftvärme Ind. Kraftvärme Vattenkraft Kondens
Svensk Elproduktion: Totalt 145,6 TWh (Framtiden: samma nivå som 2011) 40%
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 http://kth.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchid=1&pid=diva2:727697
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.
MWh/h Effektvärde = möjligt bidrag vid stort behov. 2.5 2 x 10 4 Man måste vikta ihop olika situationer. 1.5 1 0.5 0 Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft 50 100 150 200 250 300 350 400 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 1992-2011
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)
Energinivå [MWh/h] C3: Underskotts-situation (årsbasis) 5000 4000 3000 Max nivå: 5081.27 MW Antal timmar med behov: 765 h Energi: 1.259 TWh 2000 1000 0 0 500 1000 1500 Antal timmar med behov av mer produktion Kostnad för detta: 1,5 öre/kwh
MWh/h Effekt och energi (varierande behov-sommar) 16000 14000 12000 10000 Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft 100% förnybart Låg förbrukning 8000 Mycket sol 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Förbrukning från 1 augusti till 10 augusti Behov av t.ex. export eller lager eller flexibel kons.
MWh/h C2: Överskotts-situation (augusti) 16000 14000 12000 Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft 10000 8000 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Förbrukning från 1 augusti till 10 augusti Nu OK: pga 83% gräns, min-vattenkraft, min-kraftvärme
Energinivå [MWh/h] C2: Överskott under ett år 9000 8000 7000 Max nivå: 9510 MW Antal timmar med behov: 860 h 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Energivolym: 1.63 TWh 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Antal timmar med överskott/möjlighet till export
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.
Energy level [MWh/h] Hydro power: Duration curves (test + 2008 + 2011) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 solar-wind scenario 2008 2011 2000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Number of hours with hydro power < certain energy level Min level: 1875 MW: Needed during 860 hours Max level: 12951 MW: Needed during 765 hours
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?
Användning av överskott från sol+vind i fjärrvärmenätet.
[MW] Fjärrvärme-användning över året 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Stockholm fjärrväremeleverens under 2012
Effektnivå [MW] Användning av överskotts-el 12000 10000 januari februari mars april maj juni juli augusti september oktober november december 8000 6000 4000 2000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Timme på året med nivå över 75 procent av förbrukning
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!
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.
Transmission situation (Jan 21 Feb 1)
Transmission: Yearly duration : today 7000 MW
Impact on power system operation from not perfect wind forecasts NEPP, September 18, 2015 Lennart Söder Professor in Electric Power Systems, KTH
Forecast example Sweden performed noon day before
Forecast example Sweden: %- error
Forecasts in Germany: RMSE-%- error
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?
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
Identifierade vindkrafts-projekt i Sverige: Identifierade vindkrafts-projekt: 45000 MW ( 100 TWh/year) Installerad effekt iday: Vattenkraft: 16000 MW ( 65 TWh) Kärnkraft: 9000 MW ( 65 TWh) totalt 25000 MW
Current (2011) Swedish Power System Source TWh - 2011 Energy % - 2011 Hydro 66,0 44,9 16197 Nuclear 58,0 39,5 9363 Wind 6,1 4,2 2899 Solar 0 0 0 CHP-Ind 6,4 4,4 1240 CHP-distr. 9,4 6,4 3551 Condens 1,01 0,7 3197 Total 146,9 100 36447 MW-capacity - 2011
Studied Swedish Power System Source TWh Energy % MW-max Hydro 65,7 45,1 12951 Nuclear 0 0 0 Wind 46,8 32,1 15633 Solar 11,6 8,0 9148 CHP-Ind 6,4 4,4 1240 CHP-distr. 13,9 9,5 4127 Other 1,3 0,9 5081 Total 139,9 100 48180