LUT Energy Systems Electricity Energy Environment Mechanical Engineering

Transkriptio

1

2 Miten sähköverkko taipuu älykkyyteen Prof. Jarmo Partanen

3 Electricity Market, targets Competitive ness Sustainab ility Technical requirement; keep power balance in every second Production = consumption 3

4 Renewables, security of supply and efficiency Electricity Market + CO2-price Efficient operation of system Sustainability Security?? Renewable based production and subsidies?

5 Solar power in Germany Installed capacity MW ( ) Power to the people Feed-in tariff (nowadays reduced) Price of PV-cells, more than 60 % reduction per 5 years Wind power in Germany; 33 GW, 47 TWh/a (2013)

6 Impact of subsidied renewables on market price of electricity demand Money This price will be paid by?? Real cost price supply Lower market price, problematic for many producers RES is always first in the market quantity 6

7 Renewables, security of supply and efficiency Electricity Market + CO2-price Efficient operation of system Sustainability Security?? Renewable based production and subsidies?

8 Renewables, security of supply and efficiency Electricity Market + CO2-price Efficient operation of system Sustainability Security Shorter operation times, different running ranking, worse economics More renewable based production, excellent sustainability Renewable based production and subsidies More uncontrollable renewable based production having high output variation, new challenges in intermittency, lack of controllable production, lack of inertia

9 Renewables, security of supply and efficiency Electricity Market + CO2-price Efficient operation of system Sustainability Security of supply Shorter operation times, different running ranking, worse economics How to solve the problem? More renewable based production, excellent sustainability X Renewable based production and subsidies More uncontrollable renewable based production having high output variation, new challenges in intermittency, lack of controllable production, lack of inertia

10 /MWh Natural gas Coal Oil LNG

11 Natural gas Coal Oil LNG Wind Power Li-ion battery Power-to-gas Solar PV /MWh

12 Renewables, security of supply and efficiency Electricity Market + CO2-price Efficient operation of system Sustainability Security of supply Shorter operation times, different running ranking, worse economics How to solve the problem? More renewable based production, excellent sustainability Renewable based production More uncontrollable renewable based production having high output variation, new challenges in intermittency, lack of controllable production, lack of inertia When? How? Profitability? Role? Low price of electricity incentives for investments? 12 Storages Demand response Capacity Market? Flexible production Transmission & distribution networks Payments of readiness to produce electricity or reduce consumption

13 Smart Grid & Customer Gateway Market players; TSO, DSO, supplier, aggregator Information systems Load information for market players Grid Active monitoring, optimisation and control of energy use and power flows Action signals based on optimization against different targets of system players Energy storage In Finland every customer has an AMR-meter and communication chanel Loads; controllable, non-controllable Generation Solar, wind, fuel cell, biogas 13

14 Sähköverkot vs. Smart Grid konsepti Sähköverkkojen rooli Smart Grid toimintaympäristössä Markkinoitten kirjo on laajentunut Spot, tasesähkö, säätösähkö, taajuussäätö, reservikapasiteetti Tukkumarkkina, vähittäismarkkina, joustomarkkina, reservimarkkina, energiatehokkuusmarkkina Sähkön tuottaja, sähkön myyjä, verkkoyhtiö, asiakas, palveluntuottajat Energiavarastot, joustavat kuormat, pientuotanto, mikroverkot (itsenäinen sähköjärjestelmä) Sähköverkkoliiketoiminta ja sähköverkot mahdollistavat sähköjärjestelmän toiminnan ja kehittymisen

15 Kysynnän jousto eri toimijoiden kannalta Ohjattavat kuormat Pientuotanto Energiavarastot Hajautetut energiaresurssit ja kysyntäjousto Asiakas Jakeluverkko Myyjä Siirtoverkko Energia- kustannusten minimoin5 Huipputehon rajoitus Spot- markkinat Tasehallinta Säätösähkö- markkinat Reservi- markkinat Elspot TaajuusohjaAu käyaöreservi Elbas TaajuusohjaAu häiriöreservi Taajuuden palautusreservi Nopea häiriöreservi

16 Kysyntäjoustomarkkinat, kuorman käyttö taajuusohjattuna käyttöreservinä P Control function P(f) f Δf = Dead band Lähde: Neo-Carbon, Tutkimushanke, VTT, LUT, Turun yliopisto

17 Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto Pientuotannon vaikutus jakelumuuntajien kuormittumiseen, 25 % asiakkailla 5 kw aurinkosähkölaitteisto. Ei nimellistehon ylityksiä. uuntajan imellisteho

18 Maalämpöpumppujen vaikutukset jakelumuuntajien kuormituksiin Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto

19 Markkinapohjaisen ohjauksen vaikutukset KJ-johtolähtöjen kuormituksiin Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto

20 Sähköverkot vs. Smart Grid konsepti Sähköverkkojen rooli Smart Grid toimintaympäristössä Aktiivisia resursseja hyödyntävät eri markkinoilla pääsääntöisesti muut kuin verkkoyhtiöt Sähköverkot Suomessa taipuvat pääsääntöisesti Smart Grid toimintaympäristön toimintoihin, mutta. Aktiivisten resurssien käyttäjä voi saavuttaa taloudellisia hyötyjä erilaisilla ohjaustoiminnoillaan. Resurssien käytön optimointi voi johtaa verkon huipputehojen kasvuun eikä kokonaisjärjestelmän kannalta globaalia optimitilannetta saavuta (lokaali optimi). Verkkoyhtiön kustannukset muodostuvat pääosin investointikustannuksista, jotka riippuvat verkon huipputehoista. Ohjattaessa verkkomaksuja enemmän tehopohjaisiin tuotteisiin (tehotariffi, kaistahinnoittelu, kapasiteettimaksu), tulee esim. myyjän/asiakkaan toimesta tapahtuvien kuorman ohjausten määrittelyssä huomioonotetuksi verkkoyhtiön kustannukset/tarpeet Verkkoyhtiöt voisivat hyödyntää aktiivisia resursseja poikkeustilanteissa; kysynnän jousto, energiavarastot, mikroverkot Verkkoyhtiölle tulisi sallia energiavarastojen omistaminen osana verkko-omaisuutta

21 Jakelumuuntajien huipputehojen jakaumat eri simulointitapauksissa, kun kuormia ohjataan spot-hinnan ja/tai verkkotariffien (tehotariffi) perusteella Lähde: DR-pooli projektin tulosaineisto

22 LVDC Distribution System Field Test Site days in real life ±750 VDC underground cable Local communications network ADSL/3G internet connection CEI 3 DC AC Rectifying substation with directly connected converterless BESS AC DC DC AC CEI 2 CEI 1 DC AC Control of power taken/supplied from/to mv-network, µgrid operation 22

23 LVDC Distribu5on System Field Test Site BaAery energy storage system Self- manufactured from scratch Direct connec5on to the DC network, no converters Full voltage ±790 V, empty voltage ± 710 V (bipolar connec5on) Charging and discharging control using the rec5fier 2x235 pcs LiFePO 4 baqeries, 2x30 kwh (40 Ah) Commercial baqery energy management system DSP based card for BESS control and measurements Installed in two cable distribu5on cabinets, outdoor installa5on LUT Energy Systems 23

24 Smart Grid & Customer Gateway at Lappeenranta University of Technology

25 Winner of the International Sustainable Campus Network (ISCN) Excellence Award, 2013 Creating the future with green technology and business Lappeenranta University of Technology (LUT)