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Das elektrische Energieversorgungssystem der Zukunft Herausforderungen und Möglichkeiten Göran Andersson Power System Lab ETH Zürich

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Das elektrische Energieversorgungssystem der Zukunft Herausforderungen und Möglichkeiten

Göran Andersson

Power System Lab ETH Zürich

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AGENDA

Das Europäische Stromnetz

Technische Herausforderungen

Technische Lösungen (Forschung an der ETH Z)

Schlussfolgerungen

2 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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November 2011 3 Physikalische Gesellschaft Zürich

European Network of Transmission System Operators for Electricity ENTSO-E

RG Continental Europe

=

ex UCTE

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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 -

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November 2011 5 Physikalische Gesellschaft Zürich

Development of the European Electricity System: from UCTPE to ENTSOE-E

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November 2011 6 Physikalische Gesellschaft Zürich

Source: ENTSO-E

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7

Dominating • Coal • Nuclear

Additional • Hydro Increasing • Wind • Gas • Biomass • Photovoltaic

November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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8 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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9 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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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

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November 2011 11 Physikalische Gesellschaft Zürich

Cross border transfer of power in Europe

Source: ENTSO-E

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12 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

Source: ENTSO-E

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AGENDA

Das Europäische Stromnetz

Technische Herausforderungen

Technische Lösungen

Schlussfolgerungen

14 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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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

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November 2011 16 Physikalische Gesellschaft Zürich

Integration of Wind Power

EWEA (2008)

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November 2011 17 Physikalische Gesellschaft Zürich

The Dynamics of Wind Power

July 16, 2008 03.30 am

swissgrid

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November 2011 18 Physikalische Gesellschaft Zürich

July 16, 2008 10.30 am

swissgrid

The Dynamics of Wind Power

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November 2011 19 Physikalische Gesellschaft Zürich

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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

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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

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November 2011 22 Physikalische Gesellschaft Zürich

Europe will need more Balancing Power

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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%

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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

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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)

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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)

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November 2011 27 Physikalische Gesellschaft Zürich

Installation von Windkraft und PV

Reduktion der Schwungmasse des Systems

Die Frequenzstabilität wird gefährdet

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Frequency Variations, 1

Source: W. Sattinger, swissgrid

November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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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

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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

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AGENDA

Das Europäische Stromnetz

Technische Herausforderungen

Technische Lösungen

Schlussfolgerungen

31 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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“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

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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

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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

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November 2011 35 Physikalische Gesellschaft Zürich

Plans and Visions, 2

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November 2011 36 Physikalische Gesellschaft Zürich

Europe will need more Balancing Power

How provide it in a renewable & cost-efficient way?

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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

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November 2011 38 Physikalische Gesellschaft Zürich

Connecting Generation with Demand & Storage – Extending the Grid & Integrating Markets

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Forschung an der ETH Zürich

November 2011 39 Physikalische Gesellschaft Zürich

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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

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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

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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).

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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)

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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%)

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AGENDA

Das Europäische Stromnetz

Technische Herausforderungen

Technische Lösungen

Schlussfolgerungen

45 November 2011 Physikalische Gesellschaft Zürich

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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

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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)

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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

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November 2011 49 Physikalische Gesellschaft Zürich

Fragen?