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Das elektrische Energieversorgungssystem der Zukunft Herausforderungen und Möglichkeiten
Göran Andersson
Power System Lab ETH Zürich
AGENDA
Das Europäische Stromnetz
Technische Herausforderungen
Technische Lösungen (Forschung an der ETH Z)
Schlussfolgerungen
2 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 3 Physikalische Gesellschaft Zürich
European Network of Transmission System Operators for Electricity ENTSO-E
RG Continental Europe
=
ex UCTE
November 2011 4 Physikalische Gesellschaft Zürich
Development of the power systems (In Europe and North America)
1910 1885
Isolated Plants
1935
Individual Systems
1960
Regional Systems
Continental Systems
1985 -
November 2011 5 Physikalische Gesellschaft Zürich
Development of the European Electricity System: from UCTPE to ENTSOE-E
November 2011 6 Physikalische Gesellschaft Zürich
Source: ENTSO-E
7
Dominating • Coal • Nuclear
Additional • Hydro Increasing • Wind • Gas • Biomass • Photovoltaic
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
8 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
9 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
10
• Value of wholesale electricity market in Europe is over 150 G€, approx. 12% is cross border trade • Annual cost of operating the transmission network is 10 – 11 G€ • Ageing networks - Missing E-W and N-S links - Poorly adapted to renewable and distributed generation • New institutional architecture with Third Package - ENTSO – E - Agency
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 11 Physikalische Gesellschaft Zürich
Cross border transfer of power in Europe
Source: ENTSO-E
12 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
Source: ENTSO-E
AGENDA
Das Europäische Stromnetz
Technische Herausforderungen
Technische Lösungen
Schlussfolgerungen
14 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 15 Physikalische Gesellschaft Zürich
The traditional tasks of the ENTSO-E system • Increase reliability and security by providing redundancy
(meshed networks) • Improving efficiency by joint frequency control and shared
power reserves (tie lines, power pooling, …)
• Transmit power from remote power sources to load centers (wind power …)
• Constitute a power market for different actors
The new tasks of the ENTSO-E system
November 2011 16 Physikalische Gesellschaft Zürich
Integration of Wind Power
EWEA (2008)
November 2011 17 Physikalische Gesellschaft Zürich
The Dynamics of Wind Power
July 16, 2008 03.30 am
swissgrid
November 2011 18 Physikalische Gesellschaft Zürich
July 16, 2008 10.30 am
swissgrid
The Dynamics of Wind Power
November 2011 19 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 20 Physikalische Gesellschaft Zürich
Increasing RES deployment (= fluctuating power in-feed) Germany 2010: 45 GW power capacity, 52 TWh ≈ 10% of total
generation Still mostly uncontrolled power in-feed Curtailment of wind power in-feed for contingencies implemented in
some countries (= partial controllability) Measurement and prediction of PV and Wind in-feed (state estimation)
45 GW power capacity 52 TWh electricity generated
Current Trends in Power Systems
21
KW-Ausfall
30 Sekunden 15 Minuten
TertiärregelungSekundärregelungPrimärregelung
30 Minuten
50 Hz
49.94 Hz
50.06 Hz
1200 MW
Source: W. Sattinger, swissgrid
The grid is acting like a huge storage!
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 22 Physikalische Gesellschaft Zürich
Europe will need more Balancing Power
November 2011 23 Physikalische Gesellschaft Zürich
Ein mögliches Scenario für die Schweiz 2050
Zeit [ in
Elek
tris
che
Leis
tung
[in
MW
]
Stromüberfluss Strom
mangel
Zeit [ in h]
Elek
tris
che
Leis
tung
[in M
W]
Stromüberfluss
Strommangel
Pumpspeicher CH 1.7GW, 50-100GWh
η = 75–80%
Wärmepumpen 0.7 GW, 0.6 GWh
Kühlgeräte 1GW, 0.1 GWh
DSM (Boiler) 2.5GW, 1GWh
Elektroautos 0.3 GW, 1.2 GWh
η = 80–90%
November 2011 24 Physikalische Gesellschaft Zürich
Zeit [ in h]
Elek
tris
che
Leis
tung
[in
MW
]
25 Min. 6 Min. 1 Stunde 4 Stunden ≈ 45 Stunden Pumpspeicher CH Wärmepumpen
Kühlgeräte
DSM (Boiler) Elektroautos
Stromüberfluss
Strommangel
Ein mögliches Scenario für die Schweiz 2050
November 2011 25 Physikalische Gesellschaft Zürich
PV-Erzeugung in DE: 10 Tage vom 25.06.2011 - 03.07.2011
0.0
2'000.0
4'000.0
6'000.0
8'000.0
10'000.0
12'000.0
14'000.0
16'000.0
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216
Prognosen sind bereits gut (Beispiel PV-Erzeugung)
November 2011 26 Physikalische Gesellschaft Zürich
Wind-Erzeugung in DE: 10 Tage vom 25.06.2011 - 03.07.2011
0.0
2'000.0
4'000.0
6'000.0
8'000.0
10'000.0
12'000.0
14'000.0
0 24 48 72 96 120 144 168 192 216Wind (Prediction) [MW] Wind (Realised) [MW]
x-Achse: Stunden, y-Achse: MW
Prognosen sind bereits gut (Beispiel Wind-Erzeugung)
November 2011 27 Physikalische Gesellschaft Zürich
Installation von Windkraft und PV
Reduktion der Schwungmasse des Systems
Die Frequenzstabilität wird gefährdet
28
Frequency Variations, 1
Source: W. Sattinger, swissgrid
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
14.02.2010
49.96
49.98
50
50.02
50.04
50.06
08:05:00 08:06:00 08:07:00 08:08:00 08:09:00 08:10:00 08:11:00 08:12:00
f [H
z]
Freq. Mettlen Freq. Brindisi
Oscillations in Multi-Machine Systems, 1
Source: W. Sattinger, swissgrid
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich 29
Oscillations in Multi-Machine Systems, 2 North-South ca. 4 s
East-West ca. 5 s
Source: W. Sattinger, swissgrid
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich 30
AGENDA
Das Europäische Stromnetz
Technische Herausforderungen
Technische Lösungen
Schlussfolgerungen
31 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
“General” Opinion: High Voltage DC will be a important system component in
the future European Power Grid
Power flows can be controlled
November 2011 32 Physikalische Gesellschaft Zürich
33
Upgrading the existing Grid – Sufficient to transport future Volumes?
Source: T. Tillwicks, swissgrid
A new transmission layer is essential to master the European energy challenges of the 21st century.
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
Plans and Visions, 1
November 2011 34 Physikalische Gesellschaft Zürich
Investitionsvolumen über 13 Mrd. €
In Betrieb 7.350 MW In Planung 4.950 MW Vorstudien 10.400 MW Vorstudien (mit EWEA-Empfehlung) 9.600 MW EWEA-Empfehlung 7.100 MW (2020)– 11.100 MW (2030)
Spain
France
Italy 2030: Vision des EWEA Offshore-Grids
November 2011 35 Physikalische Gesellschaft Zürich
Plans and Visions, 2
November 2011 36 Physikalische Gesellschaft Zürich
Europe will need more Balancing Power
How provide it in a renewable & cost-efficient way?
November 2011 37 Physikalische Gesellschaft Zürich
Not only new hardware is needed!
“Old structure” Generation Transmission Distribution Consumer
Energy Flow
Generation Consumer
Information Flow
“Future structure” Generation Transmission Distribution “Prosumer”
Energy Flow
Generation “Prosumer”
Information Flow
November 2011 38 Physikalische Gesellschaft Zürich
Connecting Generation with Demand & Storage – Extending the Grid & Integrating Markets
Forschung an der ETH Zürich
November 2011 39 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 40 Physikalische Gesellschaft Zürich
One Power Node
iiigenloadloadii vwuuxCiigenii
−−+−= − ξηη 1
Efficiency factors
Storage capacity
× state-of-charge
Provided / demanded power
Shedding term
Internal losses
Power out-feed from grid Power in-feed
to grid
Examples of Power Node Definitions
Fully dispatchable generation no load, no storage (C) Fuel: natural gas (ξ>0)
Combined Heat/ Power Plant(CHP), Berlin-Mitte
igeniigenu ξη =−1
Offshore Wind Farm, Denmark
dispatchable generation, if wind blows (ξ) and energy waste term (w) non-zero
no load, no storage (C) Fuel: wind power (ξ>0)
iigen wuiigen
−=− ξη 1
General formulation:
iiigenloadloadii vwuuxCiigenii
−−+−= − ξηη 1
November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich 41
November 2011 42 Physikalische Gesellschaft Zürich
Examples of Power Node Definitions
Fully dispatchable generation (turbine) and load (pump)
Constrained storage (C ≈ 8 GWh) Fuel: almost no water influx (ξ≈0)
Hydro Pumped Storage, Germany
iigenii genloadloadii uuxC 1−−= ηη
Fully dispatchable generation, but no load (pump)
large storage (C ≈ 1000 GWh) Fuel supply: rain and snow
melting (ξ>>0)
igenii iigenuxC ξη +−= −1
Emosson (Nant de Drance), Switzerland
General formulation:
iiigenloadloadii vwuuxCiigenii
−−+−= − ξηη 1
Variants: modelling of hydro cascades (time-delay of water flow between stages).
November 2011 43 Physikalische Gesellschaft Zürich
Optimal predictive power dispatch (Germany, high PV) Tpred. = 72h, Tupd. = 4h, Tsample=15min. Simulation Period: May 2010 (30% Wind, 50% PV,, no DSM)
November 2011 44 Physikalische Gesellschaft Zürich
Evaluation of balance terms (May 2010) Case: 30%Wind, 50% PV,,no DSM
Balance Term Value [GWh] Electricity consumed by loads 36450.0 Electricity produced by conv. generator 9482.4 (≈48%)
Wind generation – fed into grid 10062.8 Wind generation – curtailed 872.6 PV generation – fed into grid 18111.9 (≈248%) PV generation – curtailed 113.1 Warm-water heater – Load not available Pumped hydro storage – Generation 4810.1 (≈424%) Pumped hydro storage – Load 6017.2 (≈496%)
AGENDA
Das Europäische Stromnetz
Technische Herausforderungen
Technische Lösungen
Schlussfolgerungen
45 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich
November 2011 46 Physikalische Gesellschaft Zürich
Challenges ahead •Technical challenge = TSOs and ENTSO-E
• Economic challenge = Market players
• Regulatory challenge = NRAs and Agency
• Conceptual challenge = Technical + Economic +
Regulatory challenges
• Political challenge = EU, Governments and Citizens
November 2011 47 Physikalische Gesellschaft Zürich
Ein sicheres elektrisches Energiesystem mit hohem Anteil neuer erneuerbarer Energiequellen ist ohne Komfortverlust möglich Aber wir brauchen: • einen starken Ausbau von Kurz- und Langzeitspeicher
• ein flexibles Netz und intelligente Netzführung
• noch bessere Prognosemodelle (auf lokaler Ebene)
November 2011 48 Physikalische Gesellschaft Zürich
In the beginning was Edison (DC)
The history of the electric power system
Then Westinghouse (Tesla) took over (AC)
In the future electric power system they will / must co-exist
November 2011 49 Physikalische Gesellschaft Zürich
Fragen?