Innovation im Energieversorgungsnetz für eine sichere Zukunft · NGW, Winterthur, Dezember 2012...

Innovation im Energieversorgungsnetz für eine sichere Zukunft

em. Prof. Dr. Klaus Fröhlich

Hochspannungstechnologie, ETHZ Präsident CIGRE

NGW, Winterthur, Dezember 2012

Die Rolle des elektrischen Energiesystems

Versorgungssicherheit

Elektrizität für Alle

Reduktion der Energie bedingten Umweltbelastung

Optimierung/Pflege existierender Systeme

Expansion/Neue Methoden Verstärkte Integration von:

– Erneuerbaren Quellen auf allen Spannungsebenen

– Elektrifizierten Verbrauchern welche vorher fossile Brennstoffe benötigten (Elektroauto, Wärmepumpe,.etc.)

Erhöhung der gesamten Energieffizienz


bulk power production in remote areas

The challenges

hundreds to thousands of km


LOCATION OF THE MAIN GENERATION POLES IN THE AMAZONAS BASIN

AMAZONAS (LEFT BANK) 21.000 MW

ATLANTIC NORTH 1.800 MW

B. XINGU 26.000 MW

B. TOCANTINS/B. ARAGUAIA 20.000 MW

MADEIRA 18.000 MW

B. TAPAJÓS/B. MADEIRA 21.000 MW

A. TAPAJÓS/A. XINGU 13.000 MW

Picture:Transmissão de Energia, Brasil


Wind Energy & Population Density

Graph: C.Gellings, EPRI, USA


Die grösste Herausforderung:

Viele erneuerbaren Quellen sind intermittent


Renewable Generation

3800

7400 7550

6100

9900

17300

24850

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

2008 2009 2010 2011

MWMW

Development of Capacity

Accummulated Capacity (End of Year)

PV

Wind

Figures: courtesy of Amprion, Germany

Load


The Need for Renewables – Need Dance Partners

Source: EPRI/USA

Wind Intermittency Solar Intermittency

Energy storage


Intermittancy needs: • greater installed capacity • greater interconnection • storage

NGW, Winterthur, Dezember 2012 10

Enhanced load flow by intermittent bulk power sources

(schematic example)


Many renewables are intermittent


Electricity market may create congestion and stability problems

lines closer to their limits

The challenges




Enhanced severeness of nature based disturbances



Fading acceptance for installations (emissions, visibility, space problems) hurrican „Klaus“

The challenges






The challenges

Change in fuel mix towards electricity





The challenges

Change in fuel mix towards electricity

Active customer participation: Millions of small (intermittent) sources

14

The challenges Increased number of remote high

capacity generation (wind,solar,coal,hydro)

Increasing interaction with the environment

Modification of network architecture

More intelligence of system operation and control, ”cyber security”

Technology needed: apparatus, materials

Electric energy storage

Liberalized electricity market may create congestion, stability problems

Many renewable sources are intermittent (Europe> 200 GW wind)

More electricity for the consumer (electric vehicles, heat pumps)

Millions (Billions) Small intermittent sources “Prosumer”

Significant increase of electric transport capacity

future power system

Impact of environmental sciences

Zunehmende Interaktion zwischen Übertragungsnetz und Verteilnetz

Zentrale Quellen Last + Erzeugung

«prosumer»

Industrie

Private

Transport, Services

Hoch- Spannungs-

netz

Verteilnetz (Mittel-

spannung)

Spei

cher

Pump-

speicher

Nuclear Fossil

Hydro

Wind PV

Erz

eugu

ng

...Speicher …Erzeugung

Bi-direktionaler Lastfluss

Beispiele von «Supergrids» mit UHV (ultra high voltage)

•China 1000 kV AC, 800 kV HVDC (in Betrieb)

•Brasil 765 kV AC, 800 kV HVDC (in Planung) •India 1200 kV AC (pilot project running), 800 kV HVDC •USA 765 kV AC supergrid (planned)

•Europa???

HVDC..High Voltage Direct Current AC.. Alternating current

NGW, Winterthur, Dezember 2012 Source:www.netzentwicklungsplan.de

Example: HVDC Links in Germany


A vision of a HVDC Grid in Europe

(example)

Source: J.Kreusel, ABB 20


Vision einer Verbindung: Fernost – Europa gemäss einer Präsentation von Li Zhenya, State Grid China CIGRE, Paris 2012

+/- 1100 kV DC

Gas, PV, Wind


Die Freileitung

„Zweier“ - Bündel

„Vierer“ - Bündel


1000 kVac Transmission Line (China)

Quelle: Dr. Jianbin FAN, CEPRI

8 – Leiter Bündel

80 m

50

m

Compact Lines

420 kV lines 2.6 GW

Source: SEFAG-Switzerland Elecrama 2012, Cigre Tutorials


Gas-insulated lines (GIL)

80% Nitrogen (N2) 20 % Schwefelhexafluoris (SF6)

Source: Siemens

550 kV ac; 4000 A

•Suitable for highest power per system • no compensation for less than 100 km necessary


Isolated Cables

550 kV ac ; 2500 mm2

(3200 mm2 Al)

•Today 1 cable system is sufficient in the course of one overhead line circuit •Compensation for more than 15-20 km needed


Inverter station I d

Rd

Rectifier station

Rd

Übertragene Leistung = 2 x Ud x Id

I d

Ua

Ua

Ud

Ud

Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) -

bipolar

HVDC Technologies LCC

(Line comutated Converter) VSC

(Voltage Source Converter)

Thyristors IGBT

bis 6000 MW (+/-800 kV) 1200 MW (+/-300kV)

about 0,7% about 0,9 % (decreasing tendency)

overhead line or cable Cable

VSC allows flow reversal without polarity reversal

space requirement 2 x 70 000 m2 (2000 MW)

ca. 1/3

costs comparable

2 x 150 Mio. € für 2000 MW (Cigre)


Converter station, Brazil – Argentine (1000 MW) – back to back LCC (Line comutated converter)


30

HVDC Converter 500 kV

Transformer 500 kV


VSC Konverterstation, 350 MW, +/- 150 kV

31 Quelle: ABB


Enhancement of corridor capacity by a

Hybrid line solution

DC AC

(Dena II Study)

factor 1,5 ..2

Offshore – Windpark Connection (dena I Studie)

Quelle: „dena I“ - Studie

© ABB Group

Offshore HVDC wind power connections

100 – 300 MW: ± 80 kV HVDC Light (VSC) 300 – 500 MW: ± 150 kV HVDC Light 500 – 1000 MW:± 320 kV HVDC Light

Large Wind farms

Offshore HVDC Light

DC cable transmission

Main AC network

Onshore HVDC Light

Offshore AC platform


Benötigte Schlüsseltechnologie

• Polymer Kabel/GIL für HGÜ höher als 300 kV • HGÜ Schalter für ein HGÜ-Netz • Elektrische Energiespeicher auf allen

Spannungsebenen • SF6 - freie Apparate/GIL • Ersatz von Transformatorenöl


sources: WhisperGen TM; Pramac S.p.A.

Power system

CHP

Heat pump

Wind

PV renewable sources

Energy- storage

load management

geothermal heat

The microcell

wind- generator

37


PV plant at Walensee, Switzerland (photomontage)

Source:EKZ

Mögliche Architektur eines Verteilnetzes

(Vernetzung von “microgrids”)

EHV

LV Microgrid

~ HV ~

~

~ HV

~

~

~

~

LV

LV

LV

MV

MV cell Controller

MV

MV Active cell

Microgrid Controller LV…low voltage

MV…medium voltage HV…high voltage


Grid-Scale Energy Storage System

www.pjm.com

Laurel Mountain Wind Farm 98 MW 61 turbines Battery Storage Lithium-ion (A123) Power 32 MW, Energy 8 MWh

41

Integration of electric vehicles into the power system Research example

distribution networks

Network Operator


MATSim – Multi Agent Transportation Simulation

• MATSim used to determine transportation behavior of 1 Mio vehicles • Simulation is performed for Zurich, Switzerland

EEH - Power Systems Laboratory


PEV Manager application in a 11 kV and 24 kV network

(research example)

43 PhD Defense: M. Galus, ETH Zurich

Quelle:M.Schulze

Schlussbemerkung • Treibende Kraft für Ausbau/Modifikation des Netzes

ist schlussendlich die Einbindung neuer erneuerbarer Energiequellen mit Intermittanz

• Der Ausbau muss auf allen Spannungsebenen erfolgen • Das Netz wird komplexer und benötigt

dementsprechend erhöhte Intelligenz • Die Technologie ist heute bis auf wenige Ausnahmen

vorhanden • Es ist eine Frage der Kosten und klarer politischer und

regulatorischer Vorgaben

Electricity has a bright future

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