Smart Grids
Transcript of Smart Grids
SIITAUSTRIAN IN S T IT U T E O F T E C H N O L O G Y
TOMORROW TODAY
Smart Grids...die Spielwiese der Energiewende
DI Dr. Wolfgang HribernikHead of Business Unit Electric Energy SystemsEnergy DepartmentAustrian Institute of Technology
I n h a l t
■ Vorstellung■ Smart Grid Forschung am AIT■ Was sind Smart Grids?■ Europäische Treiber und Rahmenbedingungen■ Auswirkungen von EE Integration auf die Verteilnetze■ Smarte Technologien für Verteilnetze:
■ Intelligente Planung/Intelligenter Betrieb vs. Netzausbau■ Bewirtschaftung von Flexibilitäten
■ Smart Grids Forschungsinfrastruktur und Entwicklungsmethoden■ Beitrag des Stromsektors an der Energiewende - wie weit sind wir?■ Schlussfolgerungen
I n t r o d u c t i o n W o l f g a n g H r i b e r n i k
■ 2009 - today: Head of Business Unit Electric Energy System, AIT Energy Department (Deputy Head of Department)
■ 2005 - 2009: scientific fellow Arsenal Research, development and testing of power system components
■ 2002, 2003: research studies at Boneville Power Administration (BPA), Portland, Oregon, model-based determination of switching transients
■ 2000 - 2005: PhD student and research assistant Swiss Federal Institute of Technology Zürich (ETH Zürich), High Voltage Laboratory, model-based diagnosis of power transformers
■ 1994 - 2000: diploma study “Elektrotechnik” im Studienzweig “Automatisierungs- und Regelungstechnik” TU Wien, Diploma Thesis at ETH Zurich, graduation with Distinction.
29.09.2016 3
y i n AUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
AIT Austrian Institute of Technology
The AIT is Austria's largest non-university
Ownership structure
50.46%Republic of Austria
49 .54% Federationof Austrian Industries
Funding Research and Technology Organisation
ÄScientific community Public authority
Employees
1,150
AIT focuses on Infrastructure- Research
Energy
sinMobility
Safety & Security
Health & Environment
Innovation Systems
A\TUSTR IA N INSTITUTEiF TECHNOLOGY
Smart Grids @ AIT
Planning & Operation• Integration DER, DSM/RD,
e-mobility, storage
• Interaction distribution system s & transm ission system s
• Interaction electricity system with other
ICT & Controls• Control Architectures
• ICT for monitoring & automation
• Smart metering
• Data Analytics
Power Electronics & System Components• Power E lectronics for grid-
connected system s
• High current applications & insulation system s
• Grid integration
W a s s i n d S m a r t G r i d s ?
■ A S m a r t G r i d i s a n e l e c t r i c i t y n e t w o r k t h a t c a n i n t e l l i g e n t l y i n t e g r a t e t h e a c t i o n s o f a l l u s e r s c o n n e c t e d t o i t - g e n e r a t o r s , c o n s u m e r s a n d t h o s e t h a t d o b o t h - i n o r d e r t o e f f i c i e n t l y d e l i v e r s u s t a i n a b l e , e c o n o m i c a n d s e c u r e e l e c t r i c i t y s u p p l i e s . Quelle: European Technology Platform Smart Grids
■ A s m a r t g r i d u s e s d i g i t a l t e c h n o l o g y t o i m p r o v e r e l i a b i l i t y , s e c u r i t y , a n d e f f i c i e n c y ( b o t h e c o n o m i c a n d e n e r g y ) o f t h e e l e c t r i c s y s t e m f r o m l a r g e g e n e r a t i o n , t h r o u g h t h e d e l i v e r y s y s t e m s t o e l e c t r i c i t y c o n s u m e r s a n d a g r o w i n g n u m b e r o f d i s t r i b u t e d - g e n e r a t i o n a n d s t o r a g e r e s o u r c e s
Quelle: US Department of Energy
6
s m USTR IA N INSTITUTEiF TECHNOLOGY
Europe 2020 Strategy and 2050 Roadmap
Climate change and energy - the “20-20-20 targets”■ Reduce GHG-emissions by 20%■ Increase share of renewables in ELI energy consumption to 20%■ Achieve an energy-efficiency target of 20%
AXtAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
E u r o p e : D e v e l o p m e n t o f i n s t a l l e d c a p a c i t y ( T Y N D P )
taken from ENTSO-E ten-year network development plan 201229.09.2016 8
D E : N e t z a n s c h l u s s e b e n e d e r E E - E r z e u g u n g ( S t a n d 2 0 1 3 )
Installierte Erzeugungskapazität
HöS HS MS NS
Verteilnetze
■ Wind on-shore
■ Photovoltaik
■ Biomasse
sonst. reg. Erzeugung
Quelle:EEG-Anlagenregister Juni 2013
D E : K o n v e n t i o n e l l e r A u s b a u b e d a r f■
■
■
■
Relativer Ausbaubedarf für die Stützjahre 2017, 2022 und 2032 Berücksichtigung der aktuellen Regularien für das Blindleistungsmanagement
Mittelspannung Niederspannung
P 100%
Sco(D >N
40%
80%
60%
20%Cö
0%a:
10%
2017 2022 2032 2017 2022 2032■ thermischer Ausbau ■ Spannungsbedingter Ausbau
Mittelspannungsnetze werden um ca. 80% bis 2032 erweitert Hoher thermischer und spannungsbedingter Ausbaubedarf
■ Niederspannungsnetze werden um ca. 9% bis 2032 erweitert■ Ausschließlich spannungsbedingter Ausbau Quelle:
aus A. Moser, „Netzintegration Erneuerbarer Energien - Konsequenzen für Übertragungs- und Verteilnetze“
1: Bezogen auf die Netzlänge
A ITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Maßnahmen zur Integration von erneuerbaren EnergienPlanerische Ansätze
Verstärkung StrukturelleÄnderungen
Spannungsregelung
-is t
Operative Ansätze
Wirk-/Blind-leistungs-regelung
/'VTV̂
L J
Schaltmaßnahmen
p(u) IHQ(u)
♦ Verringerung der Netzimpedanz
♦ Erhöhung der therm. Grenze
♦ Reduzierung Abgangslänge
♦ Verringerung der Netzimpedanz
♦ Anpassung des Spannungsniveau
♦ Steuerung von Lasten und Einspeisungen
♦ Kompensation
♦ Steuerung des Flusses
Quelle:aus A. Moser, „Netzintegration Erneuerbarer Energien -
Konsequenzen für Übertragungs- und Verteilnetze“
W e c h s e l r i c h t e r f ü r d i e B e r e i t s t e l l u n g v o n B l i n d l e i s t u n gMorePV2Grid
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P a s s i v e r V e r t e i l n e t z b e t r i e b
Funktionsübersicht zur derzeitigen Praxis
Die Spannungsregelung des Verteilernetzes erfolgt durch Regelung der Sammelschienenspannung im Umspannwerk durch Beeinflussung des Stufentransformators.Die Sollwertvorgabe für die Sammelschienenspannung kann saisonal unterschiedlich sein.
Im Verteilnetz w ar der Netzbetreiber bisher praktisch „b lind“
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A\TAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
DG Demonetz AnsatzFunktionsweise der koordinierten Spannungsregelung
Die koordinierte Spannungsregelung im Verteilernetz erfolgt durch eine Kombination der Beeinflussung des Stufentransformators unter Zuhilfenahme von Messdaten aus dem Netz mit einer lokalen Blind- und in letzter Instanz einer Wirkleistungsregelung bei geeigneten Erzeugeranlagen.
110 kV
W ichtige Faktoren:Inform ationen aus dem Netz und ins Netz Inform ations- und Kom m unikationstechnologien sind notwendig
M3
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>IITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Spannungsregelung Mittelspannungsnetz
Konventionelle Netzverstärkung 100%
Smart Grid Fallstudie A 20% 80% Einsparung
Smart Grid Fallstudie B 45% 55% Einsparung
Smart Grid Fallstudie C 95% 5%
und in Bezug zu konventioneller Netzverstärkung
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A ITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Spannungsregelung Niederspannunsnetz (I)Kostenbarwertvergleiche: Köstendorf
Koordinierte Regelung Fernregelung
Autonome Regelung - Q-Regelung + RONT Autonome Regelung - Q-Regelung
Referenz (110 €/m)Referenz (75 €/m)Referenz (40 €/m)
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000Barwert in [€]
Zeitraum: 25 Jahre Zeitraum: 50 Jahre
Kostenbarwertvergleiche: Eberstalzell
Koordinierte Regelung Fernregelung
Autonome Regelung - Q-Regelung + RONT Autonome Regelung - Q-Regelung
Referenz (110 €/m)Referenz (75 €/m)Referenz (40 €/m)
0 20000 40000 60000 80000 100000Barwert in [€]
■ Zeitraum: 25 Jahre Zeitraum: 50 Jahre
S c a l a b i l i t y a n d T r a n s f e r a b i l i t y o f S o l u t i o n s
a)wnsa)oc>Ö(0Q .(0OO)c'5tnox
OX<1
AsIs VVC W AC W AC&VVC OPF FixCurt
System Under Test
VVC - Volt Var Control - Reactive Power Control at Photovoltaic inverters
WAC - Wide Area Control - Control with adjustable Transformer based on remote measurements
OPF - Optimal Power Flow - System optimisation calculated in central management system
FixCurt - Fix curtailment of renewable infeed, e.g. 75% of rated power
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U t i l i z a t i o n o f F l e x i b i l i t y
■ Drivers■ Increasing share of intermittent generation
■ Inherent flexibility in components (EV, BESS , DR)
■ Potential■ Reduced costs for additional distributed generation
■ New service possibilities for utilities and other market actors (Retailer, Aggregator, DSO)
■ Threats■ Additional stress for the distribution grid through
uncoordinated operation
■ Interaction between D SO and TSO
■ Privacy and security risks
■ Uncertainty of market development
© Fronius International GmbH
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F l e x i b i l i t y - B a r r i e r s t o e n t r y / K e y Q u e s t i o n s / I s s u e s
■ Technical■ Read iness of components
■ Interoperability & Interfaces
■ Control approaches & system setup
■ Regulatory■ Market design
■ Stakeholder roles
■ Econom ic■ Business cases assesm ent
■ Longterm investment strategies
■ Social■ Acceptance
■ W illingness to participate
© Fotolia
© Fronius International GmbH
© Fotolia
© Fronius Internati i\ GmbH
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C o o r d i n a t e d u s e o f F l e x i b i l i t y
Level 1
P
A
Level 2
p
Level 3
p
Autonom ous optim ization Autonom ous optim ization
Integration in grid control
Autonom ous optim ization
Integration in grid control
Market participation
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A ITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Use Case Aspern: Utilization of Flexibility from Buildings -
Participation of buildings in manual frequency reserve market in Austria (tertiary reserve): Concept
DEMS(Demand Energy
Management System)
Wien Energie:Aggregator mit Marktzugang
S U T AUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Implementation MV
■ Interaction between markets and grids■ Impact of simultaneous flex behaviour on grids■ Active DSO support with flexibility
■ Proof of concept■ Integration of flexibility from customers and generators■ Diverse grid problems: different generator types (hydro, PV, wind),
rural/urban grid architecture, country characteristics from AT and SI
(2) Grid state (boundary conditions)
(3) Requestsfor P-activation
(0) grid data (0) Resource DB
(1) Initial PF calculation ind. Q-optimization
Server 1: AIT PowerFactory
(0) time (g) re-calc, of PF, comparison
(0) resource data
Server 2:cyberGRID (0) Market data
(4) VPP Operation
(7) Avoided costs(5) P-activation of resources
(4) Activations from tert.
market
(5) Market revenues
(8) Final economic evaluation
■ Business cases■ Realistic hybrid use cases with combination of grid and market■ Co-simulation of market and grid business cases
" Regulatory analysis■ Possibility for hybrid flexibility from regulatory perspective■ Framework analysed in AT and SI
■ Industry custom ers■ Assessment of acceptance from industry customers■ Positive and interested feedback from industry customers
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Implementation LV
■ Approach■ Common system architecture to coordinate grid
integration and market services■ Development of extended grid integration functions
for PV-BESS
■ Proof of concept■ Real world applicability for flexibility provision scheme
is shown in three different setups■ Integration into existing infrastructure and control
approaches of the DSOs
■ Diversified Use Cases■ Components: photovoltaic inverter, storage, electric
vehicles, home automation, etc.■ Communication: narrowband, broadband■ Grid topologies: village, rural, mixed■ Control approach: direct, indirect, monetary
motivation■ Installation: central storage, distributed storage
^IT AUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
On Load Tap Changer
Dash- Resi- Sub- Agri-baard dental station culture
electricity grid poweriine communication broadband communkatior
CASE 1 KÖSTENDORF
CASE 2 EBERSTALZELL LITTRING
0@@leafsIntegration of Loads and Electric Storage Systems into Advanced Flexibdity Schemes for LV Networks
S IE M E N S N jE TZpOE j SALZBURGNETZ
IS S i l l *
<88SB p t l ;
SS#™ '
S m a r t G r i d s F o r s c h u n g s i n f r a s t r u k t u r : s m a r t E S T l a b o r a t o r y
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>ilTAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
smartEST approach: Hardware-in-the-loob (HIL) simulations for electricity grids
Electrical integration of simulation and testing power-hardware-in-the-loop (PHIL)
■ Combination of powerful computer hardware and comprehensive software
complex models of devices and systems
Real-time simulation of power system networks and data analysis.
Physical laboratory network and
Realtime components
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KosimulationsumgebungReal Components
Controller
Data concentrator
Powerline Communication
Modelling
26
Sim
ulatio
n M
essa
ge
Bu
s (SM
B)
E n e r g i e w e n d e - w i e w e i t s i n d w i r ?
Energetisch bedingte Emissionen; Mio. t C02-Äqui valente
Sektor umfasst Emissionen aus: 1990 2005 2014
Industrie Verbrennung 9,39 11,35 10,54
Verkehr 13,79 24,62 21,73
Kleinverbraucher Raumwärme 13,13 12,54 7,60
Energieversorger Strom , Fernwärme, Raffinerie und Eigenverbrauch 13,95 16,16 8,32
Flüchtige Em issionen
0,70 0,43 0,49
Landwirtschaft Maschinen 1,34 1,10 0,90
Albfallwirtschaft Abfall Verbrennung 0,12 0,53 1,34
Gesamt 52,92 67,34 51,42
Quelle: Um Weltbundesamt; Stand Januar 2016
■ Nicht energetisch bedingte Emissionen: 24.9 Mt Co2 equ■ Davon Stahlerzeugung: 11.8 Mt CO2 equ
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S t r a t e g i c R e s e a r c h A g e n d a : E n t w i c k l u n g e i n e s i n t e l l i g e n t e n E n e r g i e s y s t e m s i n u n d a u s Ö s t e r r e i c h
■ Domänenübergreifende Lösungen sind zentral für gesamtheitlich gedachtes Energiesystems
■ Komplexe Wirkungsforschung braucht große Real-Labore
■ Wir benötigen starke österreichische Forschung eingebettet in europäische und internationale Entwicklungen
4/2016
Strategie Research Agendazur Entwicklung einesintelligenten Energiesystemsin und aus Österreich
Bericht aus Energie- und Umweltforschung
4/2016
Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie
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A\T.iUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Schlussfolgerungen
■ Integration von Erneuerbaren (und Maßnahmen zur Umsetzung von Energieeffizient) sind DIE Treiber für Sm art Grids in Europa
■ Die Erfüllung von Erneuerbaren und Effizienzzielen erfordert notwendig Investitionen in Netzinfrastruktur
■ Der Einsatz smarter Netztechnologien im Verteilnetz verm indert den Aufw and an Netzverstärkung
■ Integration von Flexibilitäten (wie z.B. Speichersysteme) erfordert die Einbettung in das Regulatorische Um feld und einen Betrieb an den Schnittstellen Markt - Netz sowie Übertragungsnetz - Verteilnetz
■ Die Umsetzung einer Energiewende im Sinner der 2050 Roadmap erfordert ganzheitliches Energiesystem design und eine integrative Betrachtung der (sm arten) Energieinfrastruktur
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SIITAUSTRIAN IN S T IT U T E O F T E C H N O L O G Y
TOMORROW TODAY
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Wolfgang Hribernik [email protected]