ISEA שילוב אנרגיות מתחדשות ברשת החשמל 1 ינואר 2013 [email protected] רקע ()1 בנובמבר 2012הוכן עבור איגוד חברות אנרגיה מתחדשת בישראל דו"ח שבחן את השפעת תוספת כושר ייצור של 800מגה-וואט ,שעיקרו מבוסס על הטכנולוגיה הפוטוולטאית ,על משק החשמל. את הדו"ח הכינו ד"ר אילן סולימאן ואנוכי ונבחנו השפעות כלכליות ,רגולטוריות וטכניות. במצגת זו כלולים עיקרי המימצאים הטכניים (פרק ד' של הדו"ח). 2 רקע ()2 אחת הסוגיות המרכזיות בעולם ובישראל בקידום אנרגיות מתחדשות היא שאלת רמת החדירה ואופן ההשתלבות של מערכות ייצור באנרגיה מתחדשת ברשת החשמל. השאלות העולות הן: • האם לחדירת אנרגיות מתחדשות עלולה להיות השפעה על מערכת החשמל ואם כן -מה מאפייניה? • האם קיימים חסמים הנובעים מרשת החשמל המונעים שילוב אנרגיה מתחדשת בהתאם ליעד? 3 )3( רקע 4 IEA/PVPS של2011 לשנתTrends in PV Application דו"ח:מקור מקורות מידע • ארגון PVPSובמיוחד Task 14שעניינה High Penetration of PV Systems in Electricity Grids • פרסומי ההתאחדות הגרמנית לתעשיות אנרגיה ומים ( )BDEWאשר הכינה בשנים האחרונות הנחיות טכניות מפורטות לחיבור מתקני ייצור (ובמיוחד מתקנים פוטו-וולטאיים) לרשת החלוקה. • חברת החשמל הגרמנית e-onבאזור באווריה בו נצבר ניסיון משמעותי בשילוב מערכות פוטו-וולטאיות ברשת החשמל. 5 מאפיינים טכניים ()1 חיבור מסיבי של מערכות פוטו -ולטאיות לרשת החשמל הוא בעל שני מאפיינים טכניים בולטים: • כמו רבים ממתקני ייצור החשמל ממקורות אנרגיה מתחדשים ,גם מערכות פוטו-וולטאיות מתאפיינות באי-וודאות מסוימת באשר לפעולתם ,הנובעת מהעובדה שמקור האנרגיה הראשוני השמשי איננו נשלט לחלוטין ע"י בעל המערכת הפוטו-וולטאית או ע"י חברת החשמל ,כלומר הוא .non-dispatchableאי-וודאות זאת נוגעת רובה ככולה להספק שצפויה מערכת כזו להזרים במועד נתון לרשת ונוגעת פחות לסך האנרגיה השנתית שצפויה מערכת פוטו-וולטאית לייצר ,שאותה ניתן לחזות בדיוק שאיננו נופל משמעותית מתחזית הייצור השנתית של מתקני ייצור קונבנציונאליים. 6 מאפיינים טכניים ()2 • מערכות פוטו-וולטאיות נבדלות ממתקני ייצור אחרים בכך שניתן לממשן בטווח רחב של הספקים ,החל במתקנים זעירים של עשרות וואטים בודדים (כגון מודול בודד שנועד לספק אנרגיה לתחנת מידע אלקטרוני ליד תחנת הסעה) וכלה בתחנות כוח של ממש בהספקים של עשרות ואף מאות מגוואטים .מתקני ייצור פוטו-וולטאיים בהספקים קטנים ובינוניים מתחברים לרשתות החלוקה במתח נמוך ובמתח גבוה ויוצרים בכך מערך ייצור מבוזר ( Distributed ,)Generationבעוד שמתקני ייצור פוטוולטאיים גדולים מתחברים לרשת ההולכה ודומים בכך לתחנות כוח רגילות .מערך ייצור מבוזר הוא בעל מאפיינים שונים ממערך ייצור החשמל הנוכחי ומחייב ,מן הסתם ,היערכות שונה של חברת החשמל. 7 רמת חדירה של מערכות פוטו-וולטאיות ()1 ה IEA-מגדירה כרמת חדירה פוטו-וולטאית גבוהה ( )High PV Penetrationאת הרמה שממנה יש למערכות הפוטו-וולטאיות השפעה על מערכת החשמל .את רמת ההשפעה מקובל לסווג ל 3 -קטגוריות: .1רמת השפעה נמוכה • אין השפעה על קווים רגילים או על תפעול הרשת. • המערכות הפוטו-וולטאיות מתחברות לרשת באופן רגיל. .2רמת השפעה בינונית • מערכות פוטו-וולטאיות מבוזרות משפיעות על מתח הקווים וקיים צורך בהרחבת גבול שימוט ( )tripהמתח ,כיוונון וסתי מתח המעגלים והתאמת הגנות המעגלים. • יש להרחיב שימוט תת-תדר. .3רמת השפעה גבוהה • מערכות פוטו-וולטאיות משפיעות על המאזן ברשת ודורשות שינויים בתכנון הרשת ובתפעולה. • 8קיים צורך ב LVRT -ובסכימות Anti-Islandingמעודכנות. רמת חדירה של מערכות פוטו-וולטאיות ()2 אין ספק כי לפי הסיווג הנ"ל היקף המערכות הפוטו-וולטאיות בישראל הנוכחי הוא ברמת השפעה נמוכה. השאלה הנשאלת היא מה תהיה רמת ההשפעה לכשיגיע הספק הPV - בישראל לכ 1,800-מגוואט בהתאם למתווה שהוצג במסמך? ניתן למדוד את רמת החדירה באופנים הבאים: • רמת חדירה אנרגטית :מוגדרת כיחס שבין כמות האנרגיה המיוצרת במערכות פוטו-וולטאיות לכמות האנרגיה החשמלית הנצרכת. • רמת חדירה לפי הספק מותקן :מוגדרת כיחס שבין ההספק המותקן של מערכות פוטו-וולטאיות לסך ההספק המותקן במערכת. • רמת חדירה לפי הספק רגעי :מוגדרת כיחס שבין סך ההספק הרגעי של מערכות פוטו-וולטאיות לסך ההספק המותקן במערכת. 9 רמת חדירה של מערכות פוטו-וולטאיות ()3 10 רמת חדירה של מערכות פוטו-וולטאיות ()4 11 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()1 כמות המערכות הפוטו-וולטאיות העתידות להתחבר למערכת ההולכה קטנה וגם הספקן הטיפוסי (כמה עשרות מגה-וואטים) יחסית קטן .לכן לא צפויה השפעה משמעותית למערכות פוטו-וולטאיות על רשת ההולכה. לעומת זאת ,מרבית המערכות הפוטו-וולטאיות מחוברות במתח נמוך או במתח גבוה ונמצאות בסמיכות לצרכני החשמל ולכן הן עשויות להיות בעלות השפעה על מערכת החלוקה. במאגר מוסגר יצויין כי הסמיכות של מערכות פוטו-וולטאיות לצרכני החשמל היא בעיקרה מבורכת ומקטינה הפסדי הולכת החשמל. 12 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()2 תמיכה דינמית ברשת פירושו של המושג "תמיכה דינמית ברשת" הוא יציבות מתח הרשת והוא גם מוכר בז'רגון המקצועי כ .Fault Ride Through (FRT) -הגידול הצפוי בכמות המערכות הפוטו-וולטאיות המבוזרות יחייב את השתתפותן בתמיכה הדינמית ברשת באופנים הבאים: • הן תצטרכנה להישאר מחוברות לרשת בעת הפרעה (בעבר שלטה גישה שדגלה דווקא בניתוקן מהרשת). • הן תצטרכנה לסייע בייצוב מתח הרשת ע"י הזרמת הספק ריאקטיבי במהלך ההפרעה. • הן תצטרכנה לצרוך את אותו הספק ריאקטיבי (או פחות ממנו) לאחר חלוף ההפרעה. עמידה בדרישות אלו תחייב ממירים המצויידים באלגוריתם בקרה מתאים. ניתן להקים במדינת ישראל מערכות פוטו-וולטאיות ,בכל הספק שהוא ,רק אם הן מבוססות על ממירים הנכללים ברשימה המאושרת ע"י חברת החשמל .מכיוון שמרבית יצרני הממירים בעולם כבר נערכו להכנסת אלגוריתמי הבקרה למוצרים שלהם ,נראה שכל שיוותר למדינת ישראל ולחברת החשמל הוא לעדכן את דרישותיה מהממירים 13 שיותרו לשימוש. לא תהיה זו משימה בלתי אפשרית לכלול אלגוריתמי בקרה אלו גם בממירים הקיימים. השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()3 זרמי קצר זרם הקצר הטיפוסי של גנרטור סינכרוני (המשמש לעיתים בחיבור טורבינות רוח לרשת) עשוי להגיע לפי 8מהזרם הנומינלי. מערכות פוטו-וולטאיות ,לעומת זאת ,מתאפיינות בזרמי קצר הגדולים אך במעט מהזרמים הנומינליים .מערכות פוטו-וולטאיות אינן תורמות, איפוא ,לגידול בזרמי הקצר של המערכת ,אינן מצריכות מגביל זרם חיצוני ואף אינן מצריכות שדרוג יכולת העמידה בקצר של ציוד ברשת החשמל .במובן זה ,מערכות פוטו-וולטאיות עדיפות על פני מערכות ייצור סובבות. 14 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()4 בקרת הספק אקטיבי על מתקני הייצור להיות בעלי יכולת להפחית את הספק המוצא שלהם (או אף להפסיקן כליל) לבקשת מפעילי הרשת במקרים הבאים: • סכנת פעולה לא בטוחה של המערכת. • סכנת גודש ) (Congestionבמערכת. • סכנת Islandingלא רצוי. • סכנת אי-יציבות סטטית או דינמית. • סכנת אי-יציבות מערכתית בשל עליית תדר. 15 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()5 בקרת הספק אקטיבי (המשך) מבחינה מעשית ,יש לקבוע סט של דרישות טכניות .כך ,למשל ,דורשות ההנחיות הטכניות הנהוגות בגרמניה כי: • על מתקני הייצור להיות בעלי יכולת הפחתת ייצור ברזולציה של 10%מהספק המוצא הנומינלי שלהם. • במידה ותדר המערכת גבוה מ 50.2 -הרץ ,הספק מתקני הייצור הפוטו-וולטאיים יקטן בקצב של 40%/Hzמכושר הייצור הזמין .ניתן להגדיל שנית את הספק הייצור רק לאחר שהתדר יורד מתחת ל 50.05 -הרץ. • אם תדר מערכת החשמל גבוה מ 51.5 -הרץ (או נמוך מ 47.5 -הרץ) יש לנתק את המערכת הפוטו-וולטאית מהרשת. יישום דרישות אלו במערכות פוטו-וולטאיות הינו קל ולא כרוך בעלויות וכל שיש לעשות הוא לכלול סכימת בקרה מתאימה בכל ממיר וממיר. 16 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()6 תמיכה סטטית ברשת ע"י בקרת הספק ריאקטיבי מערכת החלוקה במתח גבוה בנויה בצורה רדיאלית ,דהיינו קווי החלוקה ,אשר מזינים צרכנים במתח גבוה ,מחוברים לרשת בנקודה בודדת שהיא פס הצבירה (זהו רכיב חשמלי שנועד לקבע מתח בנקודה מסוימת) בצד המתח הגבוה בתחנת המשנה. בקווים נטולי מתקני ייצור לאורכם ,עוצמת הזרם קטנה ככל שמתרחקים מתחנת המשנה .לעומת זאת ,חיבור מתקן ייצור (או מספר מתקנים) לאורך קו החלוקה יגרום לשינוי בעוצמת הזרם לאורך הקו .אם הספק מתקן הייצור גדול דיו הוא אף יהפוך את כיוון הזרם בקו כך שההספק יזרום אל פס הצבירה בתחנת המשנה ,כמתואר בשרטוט: 17 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()6 תמיכה סטטית ברשת ע"י בקרת הספק ריאקטיבי (המשך) כתוצאה משינויים בגודל הזרם ובכיוונו ,מושפעת רמת המתח לאורכו של הקו .עוצמת ההשפעה תלויה בהיקף הייצור הפוטו-וולטאי ובנתוני הצריכה של צרכנים המחוברים לקו. במקרה של ניתוק פתאומי של מתקן הייצור יתרחשו שינויים מהירים במתח הקו. חברות חשמל מתירות בד"כ שינויים מהירים של עד 3%ושינויים איטיים ( 5דקות) של עד 6%ממתח הרשת בנקודת החיבור. בהקשר זה חשוב לציין כי עננות חולפת מעל מתקן פוטוולטאי איננה גורמת בד"כ להפסקת הייצור מלאה שכן המודולים הפוטו-וולטאיים אינם קולטים רק קרינה ישירה הנבלמת ע"י עננות אלא גם קרינה מפוזרת הממשיכה להגיעה למודולים גם במצב עננות .בנוסף ,קצב התקדמות עננים אל מעל מערכות פוטו-וולטאיות הוא בד"כ מתון. בהקשר זה ,יש להדגיש כי בזוריות המערכות הפוטו-וולטאיות גורמת לכך שעננות, שהיא תופעה לוקאלית במהותה ,לא פוגעת בו-זמנית בכל המערכות הפוטו-וולטאיות אלא רק באזור מסוים. על שינויים איטיים במתח להישמר בגבולות מסויימים וחברות החשמל נוהגות לשלוט על התהליך באמצעות בקרת הספק ריאקטיבי. 18 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()6 תמיכה סטטית ברשת ע"י בקרת הספק ריאקטיבי (המשך) רבות מהמערכות הפוטו-וולטאיות מתוכננות כך שייצרו הספק אקטיבי בלבד וזאת כדי להקטין הפסדים בממיר ,בקווים ובשנאי .בעתיד יידרשו ממירים בעלי הספק מדומה גדול במעט מההספק האקטיבי שלהם .כך ,למשל ,דורשות ההנחיות הטכניות הנהוגות בגרמניה שמקדם ההספק יוכל להיות בין 0.95אינדוקטיבי ל 0.85 -קיבולי כך שממיר בעל הספק אקטיבי של 475קילו-וואט ,למשל ,יהיה בעל הספק מדומה של 500קילו- וולט-אמפר. אנו סבורים כי דרישה זו לא תהווה חסם להתפתחות התחום הפוטו-וולטאי שכן דרישות מסוג זה מגיעות ליצרני הממירים משווקים רבים והם מגיבים לדרישות אלו בחיוב. 19 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על מערכת החלוקה ()7 תמיכה סטטית ברשת ע"י בקרת הספק ריאקטיבי (המשך) יחד עם זאת ,משמעות הדבר היא כי ממירי העתיד יהיו מעט יותר יקרים כדי שיוכלו למלא את תפקידם בייצוב מתח הרשת בעת הצורך .מכיוון שמשקל עלות הממירים בעלות מערכת פוטו-וולטאית הוא כ 10-15 -אחוז בלבד ,איננו צופים התפתחות חסם כלכלי. יוער שהצורך בהזרמת הספק ריאקטיבי תידרש רק בשעה שמוזרם הספק אקטיבי, כלומר ,לא בלילה. בקרת ההספק הריאקטיבי יכולה להיות בשיטות שונות (על בסיס מקדם הספק קבוע, מקדם הספק תלוי הספק אקטיבי ,הספק ריאקטיבי קבוע או הספק ריאקטיבי תלוי מתח) ,בהתאם להחלטת מפעיל רשת החשמל. לסיכום :איננו רואים קושי מיוחד של המערכות הפוטו-וולטאיות לעמוד בדרישות אלו. 20 השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על תפעול רשת החשמל ()1 ההשפעה העיקרית של מערכות פוטו-וולטאיות על חברת החשמל היא במישור התפעולי .כדי שחברת החשמל לא תאבד את גמישותה התפעולית היא תידרש להיערכות מתאימה. כיום חברת החשמל נעזרת לצורך חיזוי הביקוש ביום ובשעה מסויימים במודל סטטיסטי הידוע בשם Load Flowשעתי .בעזרת מודל זה מחושבים ההפסדים, מתוכננות עבודות שונות ברשתות ההולכה והחלוקה (לרבות עבודות להפסקת קווים), מבוצעים ניתוח זרימת הספק ) ,(Power Flowנעשות אופטימיזציות שונות וכולי. אין ספק כי תוספת יחידות ייצור פוטו-וולטאיות בהיקפים המגיעים ל 15-20%מהספקי הצרכנים בקו תהפוך את תפעול המערכת למורכב יותר .העמסות קווי המתח הגבוה ישתנו ויתווסף אלמנט אקראי במערכת (במיוחד אם המתקנים הפוטו-וולטאיים יחוברו רק לחלק מהקווים). על חברת החשמל יהיה להיערך להכנסת נתונים נוספים בזמן אמת למערכותיה התפעוליות .המערכת המרכזית של חברת החשמל לניהול רשת החלוקה, ,Distribution Management System – DMSתצטרך לשלוט (ברמה מסוימת) מרחוק על המערכות הפוטו-וולטאיות באמצעות יחידות תקשורת המאפשרות פיקוח ומעקב אחר הפרמטרים העיקריים של המערכות (מתח ,הספק אקטיבי והספק 21 ריאקטיבי) .יצוין ,כי חברת החשמל כבר נערכה ודורשת מיזמים פוטו-וולטאיים להתקין יחידות תקשורת אלו. השפעת מערכות פוטו-וולטאיות על תפעול רשת החשמל ()2 כידוע ,יש לחברת החשמל מודלים מתוחכמים למדי לחיזוי הביקוש לחשמל כתלות בפרמטרים אקלימיים ,כגון :טמפרטורה ולחות .לטובת שיפור התפעול היומיומי של רשתותיה ,יהיה על חברת החשמל יהיה להרחיב מודלים אלו ולרכוש את היכולת לאמוד בדיוק סביר את תפוקת המערכות הפוטו-וולטאיות הצפויה בטווח הקצר כתלות בתנאי אקלים ,כגון :רמת קרינה ,טמפרטורה ,תנאי עננות וכיוצ"ב. 22 שדרוג רשתות החשמל מובן שבאופן לוקאלי ייתכן שקו חלוקה ישן וחלש במיוחד ידרוש שיפור כזה או אחר, אבל אנו סבורים כי ברמת החדירה הצפויה בשנת 2014של 1,800מגוואט ,לא יהיה צורך מערכתי בשדרוג רשתות חלוקה .בעתיד הרחוק יותר ,עם גידול משמעותי בכמויות האנרגיות המתחדשות יהיה צורך בשדרוג רשתות חלוקה שעשוי להתבטא ב: • החלפת קווים עיליים בכבלים תת-קרקעיים. • עיבוי כבלים בעלי כושר הולכה קטן. • החלפת מנתקים. • תוספת קווים. • חידוש שנאי חלוקה. • תוספת תחנות טרנספורמציה. • תוספת שנאים בתחנות המשנה. בכל מקרה ,בראיה של משק עתידי ,עלויות הנובעות מהשקעה בתשתית חשמלית לאור התפתחות הייצור צריכות להיות מטפולות על ידי הרגולציה באופן אחיד בין אם מדובר ביצרנות קונבנציונאלי ובין אם מקור הייצור הוא אנרגיה מתחדשת (אין הבדל בין יצרנים בטכנולוגיות שונות ,ובכלל זה גם תחנות הכוח של חברת החשמל). 23 הצורך בגיבוי אנו סבורים כי ברמות ההספק הפוטו-וולטאי הצפויות עד שנת 2014אין צורך בהעמדת גיבוי מיוחד במקטע הייצור וזאת מהטעמים הבאים: האופי המבוזר של המערכות הפוטו-וולטאיות הוא כזה שלא סביר להניח כי עקב תקלה חשמלית יחידה כל המערכות הללו יחדלו מלפעול. השינויים בתפוקת המערכות הפוטו-וולטאיות עקב תופעות אקלימיות (שינוי טמפרטורה ,עננות וכיוצ"ב) הם איטיים מאוד ביחס לזמנים הנדרשים להפעיל יחידות ייצור רזרביות (מסוגים שונים) הקיימים ממילא. לסיכום ,בהתחשב בגיבוי הקיים היום ממילא ,איננו רואים כל צורך בגיבוי נוסף בטרם יגיע סך ההספק הפוטוולטאי ל 20%-מההספק המותקן ובוודאי לא לפני שנת .2014 24
© Copyright 2024