Pogledi na tehnološki razvoj
elektrodistribucije
Poslovna konferenca EDS 2011
Razvojne možnosti in priložnosti elektrodistribucije
Portorož, 20. januar 2011
Prof. dr. Igor Papič
[email protected]
Vsebina
• evropska energetska politika in cilji
• evropski Strateški Energetski Tehnološki načrt
• tradicionalno elektroenergetsko omrežje - zakaj je
potreben tehnološki razvoj
• značilnosti omrežij prihodnosti
• vpliv razpršenih virov na obratovanje
elektroenergetskega sistema
• koncept in izvedba aktivnega omrežja
• pregled nacionalnih projektnih aktivnosti na
področju aktivnih omrežij
• kje smo, kam gremo – samo vizija ali realnost
EDS 2011 / 2
Evropska energetska politika
• zmanjšanje energetske odvisnosti (fosilna goriva)
– v Evropi 50% energije uvozimo
• povečanje energetske učinkovitosti
– potrebe po energiji se povečujejo
• trajnostni razvoj
– podnebne spremembe
– zmanjšanje izpustov CO2
• velika okoljska ozaveščenost
• vodilna vloga v svetu pri razvoju novih energetskih
tehnologij
• skupna evropska energetska strategija
EDS 2011 / 3
Cilji evropske energetske politike
– zmanjšanje izpustov toplogrednih plinov za najmanj
20% (glede na ravni 1990) do 2020
– izboljšanje energetske učinkovitosti za 20% do 2020
– povečanje deleža obnovljive energije na 20% do
2020 (delež v 2008, cilj do 2020)
– najmanj 10% delež obnovljive energije v prometu do
2020
EDS 2011 / 4
Slovenski akcijski načrt za OVE
• Direktiva 2009/28/EC
• nacionalni Akcijski načrt za OVE za obdobje 2010-2020
– objavljeno julija 2010
– http://www.mg.gov.si/fileadmin/mg.gov.si/pageuploads/Ene
rgetika/Porocila/AN_OVE_2010-2020_final.pdf
• nacionalni cilji
[%]
2005
Cilj do 2020
obveza
OVE - ogrevanje in hlajenje
20,0
30,8
OVE – električna energija
28,5
39,3
OVE - promet
0,3
10,5
10
OVE
16,2
25,3
25
• vključevanje razpršenih virov je zelo pomembno za
doseganje ciljev
EDS 2011 / 5
Evropski Strateški Energetski
Tehnološki načrt – SET načrt
•
•
cilj je narediti nizko-ogljične tehnologije sprejemljive in konkurenčne
– tržno načelo
EU pristop temelji na evropskih industrijskih pobudah (European
Industrial Initiatives – EII)
–
–
–
–
–
–
–
–
•
European Industrial Bioenergy Initiative (načrtovana)
European CO2 Capture, Transport and Storage Initiative
European Electricity Grid Initiative
Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative (načrtovana)
Sustainable Nuclear Initiative (načrtovana)
Energy efficiency – Smart Cities Initiative (načrtovana)
Solar Europe Initiative
European Wind Initiative
SET načrt
– http://ec.europa.eu/energy/technology/set_plan/set_plan_en.htm
EDS 2011 / 6
Evropska pobuda za električna omrežja
(European Electricity Grid Initiative)
•
cilji
– zagotoviti do 35% električne energije iz razpršenih in koncentriranih
obnovljivih virov do 2020
– narediti proizvodnjo električne energije popolnoma brezogljično do 2050
– dalje integrirati nacionalna omrežja v resnično vse-evropsko omrežje
– zagotoviti visoko kakovost oskrbe z električno energijo vsem
odjemalcem in jih pritegniti kot aktivne udeležence pri zagotavljanju
energetske učinkovitosti
– pospešiti nov razvoj, kot je elektrifikacija prometa
•
aktivnosti
– integriran RR in demonstracijski program
– mreža do 20 velikih demonstracijskih projektov
•
investicije
– 2 milijardi € v desetih letih brez upoštevanja stroškov splošnih sredstev
uporabljenih v demonstracijah
•
www.smartgrids.eu
EDS 2011 / 7
Zakaj je potreben tehnološki razvoj
• tradicionalno omrežje
–
–
–
–
velike proizvodne enote
centralno vodenje
pretok energije v eni smeri
ravnovesje med proizvodnjo
in porabo
– visoka zanesljivost
• glavni razlogi za
spremembe
– varnost oskrbe
– energetski trg
– okoljski dejavniki
EDS 2011 / 8
Značilnosti omrežij prihodnosti
– veliko število majhnih
proizvodnih enot – razpršeni
viri (RV)
– še vedno velike proizvodne
enote
– aktivna vloga odjemalcev
– pretok energije v obe smeri
– še vedno ravnovesje med
proizvodnjo in porabo
Vizija
–
–
–
–
prilagodljivost
dostopnost
visoka zanesljivost in kakovost
ekonomska učinkovitost
EDS 2011 / 9
Vpliv razpršenih virov na obratovanje
omrežij
•
•
vpliv odvisen od deleža RV
majhen delež RV – lokalne težave
(Avstrija, Slovenija)
– delovanje zaščite
– napetostni profil v omrežju
– kakovost električne energije
•
visok delež RV – sistemske težave
(Danska, Španija)
–
–
–
–
•
stabilnost sistema
nekontrolirani pretoki jalove energije
vpliv na rezerve energije
potreben prehod na aktivno omrežje
kje je meja?
EDS 2011 / 10
Vpliv na napetostni profil
• težavno vzdrževanje
napetostnega profila z
VN/SN transformatorjem
– majhna poraba / visoka
generacija
– visoka poraba / majhna
generacija
Gen1 G
SN
VN omrežje
NN vod
TR
VN/SN
• rešitve
– bolj kompleksna regulacija
prek transformatorja
– sodelovanje RV pri
regulaciji napetosti
– uporaba aktivnih
kompenzatorjev
TR
SN/NN
Gen1 priključen
Gen1 odklopljen
1 pu
EDS 2011 / 11
Vpliv na delovanje zaščite
• RV prispevajo h kratkostičnim
tokovom
VN omrežje
– možnost nepotrebnega delovanja zaščite
– možnost nedelovanja zaščite
TR
VN/SN
• rešitve
– koordinacija zaščite
– drugačni zaščitni releji (npr. uporaba
smerne zaščite)
Zaščita
voda
SN
• otočno obratovanje
– tako obratovanje je dovoljeno izjemoma
– neželeno otočno obratovanje je nevarno
• odstopanje napetosti in frekvence
• problem ponovnega vklopa
• nevarnost za vzdrževalce
G
Gen1
Kratek
stik
EDS 2011 / 12
… drugi vplivi
• kakovost električne energije
– hitre napetostne spremembe (priklopi in odklopi generatorjev)
– fliker (posledica nihajoče moči generatorja, npr. vetrna turbina)
– harmoniki (viri, priklopljeni preko močnostnih pretvornikov)
– RV lahko izboljša kakovosti (zahteva ustrezno regulacijo in
koordinacijo obratovanja virov)
• potrebne energijske rezerve
– RV - spremenljivi vir električne energije (voda, veter, sonce)
– učinkovito napovedovanje proizvodnje in porabe ključnega pomena
• potrebne spremembe pri načrtovanju omrežja
EDS 2011 / 13
Koncept aktivnega omrežja
• terminologija
– pametna omrežja
– inteligentna omrežja
– aktivna omrežja
• koncept aktivnega omrežja temelji na trdih temeljih klasičnega
elektroenergetskega sistema
• aktivno omrežje je več kot samo vključevanje razpršenih virov
• aktivno omrežje omogoča sistemsko učinkovito rabo energije
(ne samo pri končnih odjemalcih)
• globalni pogled
EDS 2011 / 14
Ključne tehnologije za izvedbo
aktivnega omrežja
•
regulabilni razpršeni viri energije
–
–
•
hranilniki energije
–
–
•
izravnavanje proizvodnje in porabe
navidezni sistemski hranilnik – el-avto
naprave močnostne elektronike
–
–
–
•
tehnologije za proizvodnjo električne energije
viri, ki izvajajo sistemske storitve
aktivni kompenzatorji
pretvorniki za priklop virov na omrežje
polprevodniški stikalni elementi
informacijske in komunikacijske tehnologije
–
–
–
–
zajemanje, shranjevanje, obdelava in razdeljevanje
informacij
komunikacija med krmiljenimi elementi
meritve
napovedovanje porabe, proizvodnje, cen
EDS 2011 / 15
Izvedba sistemskih rešitev –
demonstracijski projekti
• vmesni korak do končne rešitve so demonstracijski projekti –
pot do poslovnih modelov
– specifikacija končnih tehničnih rešitev
– testiranje odziva odjemalcev
Koncept
infrastrukture za
EV
Koncept sistemskih
storitev
Koncept navidezne
elektrarne (VPP)
Upravljanje porabe
električne energije
(DSM/DR)
Izdelava konceptov in zahtev pametnega omrežja
(R)evolucija IKT
sistema
Evolucija EE
omrežja
EDS 2011 / 16
Evolucija omrežja in (r)evolucija IKT
sistema
Prenosno omrežje
• zahteva po učinkoviti komunikaciji in
krmiljenju
• strategije krmiljenja omrežja
Lokalno
regulacijsko
območje
– centralno vodenje
– lokalno vodenje
– kombinacija centralnega in lokalnega vodenja
RV
• viri in bremena do določene mere avtonomni
• centralni krmilnik za optimizacijo delovanja
• postopno uvajanje avtomatizacije
– avtomatizacija stikališč
– avtomatizacija vodov in virov
– vključitev porabniških sistemov
RV
Krmilnik
Krmilnik
Stikalo
Komunikacija
EDS 2011 / 17
Poslovni modeli aktivnega omrežja
• upravljanje porabe
električne energije
(DSM/DR)
– spodbude za povečanje
energetske učinkovitosti
– obveščanje uporabnikov o
trenutni ceni električne
energije
– odklapljanje bremen (glede
na pogodbo)
– uporabniki ponudijo odklop
določenih bremen po
določeni ceni
EDS 2011 / 18
… poslovni modeli aktivnega omrežja
• navidezna elektrarna
– informacijsko povezovanje
razpršenih virov
– optimizacija in načrtovanje lokalne
proizvodnje in porabe
• sistemske storitve
– regulacija napetosti
• koncept EV infrastrukture
– koncept “vehicle to grid”
– sistemski hranilnik
EDS 2011 / 19
Slovenski industrijski projekt KiberNet
• Razvoj prototipa sistema za krmiljenje
industrijskih bremen in razpršene
proizvodnje na distribucijskem
elektroenergetskem omrežju (SRRP 2009)
..
• nosilec je INEA
• 1,7 mio €
• 24 mesecev
.
– prilagajanje odjema električne energije
industrijskih odjemalcev potrebam dobavitelja
električne energije
– odjemalci kot navidezne vršne elektrarne
– dobavitelj del svojega prihranka pri obračunu
odstopanj deli z odjemalci, ki so sodelovali pri
prilagajanju odjema
EDS 2011 / 20
Slovenski industrijski projekt Supermen
• Inteligentna elektroenergetska platforma za nadzor in
vodenje razpršenih virov in porabnikov (SRRP 2009)
– prototip vmesnika stičnega mesta – VSM
– povezovalno programje
– enostavno, nadzorovano, varno, zanesljivo ter optimalno vključevanje
posameznih enot razpršenih virov v distribucijsko omrežje
– del komunikacijske infrastrukture elektroenergetskega sistema
– komunikacija posameznih VSM-jev z nadzornim centrom in centralno
vodenje več enot razpršenih virov v smislu navidezne elektrarne
• nosilec je Iskra MIS
• 2 mio €
• 24 mesecev
EDS 2011 / 21
Kompetenčni center SURE
•
Napredni sistemi učinkovite rabe električne
energije – SURE
•
•
•
•
16 partnerjev
razpoložljiva sredstva: 10,6 milijonov €
trajanje 3 leta (2011-2013)
struktura
–
–
Upravljanje in razvoj kompetenčnega centra
RR projekti
• Rešitve aktivnega elektroenergetskega omrežja
• Komponente elektroenergetskega omrežja
• Adaptivni, energetsko učinkoviti aparati in sistemi za dom
• Energijsko učinkoviti pogonski pretvorniki
EDS 2011 / 22
Struktura kompetenčnega centra SURE
EDS 2011 / 23
RR1: Rešitve aktivnega
elektroenergetskega omrežja
• Koncepti aktivnega omrežja
– Analiza konceptov aktivnega omrežja v okviru
mednarodnih projektov
– Tehnologije aktivnih omrežij
– Analiza stanja v Sloveniji na področju aktivnih omrežij
– Zahteve slovenskega elektroenergetskega omrežja
• Rešitve aktivnega elektroenergetskega omrežja –
demonstracijski projekti
–
–
–
–
Sistemska učinkovita raba energije
Virtualna elektrarna
Nadgradnja sistema vodenja distribucijskega omrežja
Avtomatsko upravljanje s porabo gospodinjskih
odjemalcev prek rešitev pametnega doma
EDS 2011 / 24
RR2: Komponente elektroenergetskega
omrežja
• Elementi omrežja
– Distribucijski transformator
– Napredni stikalni bloki
• Sekundarni sistemi
–
–
–
–
–
–
Večnamenska naprava za nadzor in vodenje SN omrežja
Računalniški sistem virtualne elektrarne
Napredna RTU naprava
Nadzorni sistem energetskega transformatorja
Napreden ekspertni analitsko-poročilni sistem
Prenosni analizator kakovosti električne energije
EDS 2011 / 25
Ostali RR projekti
• RR3: Adaptivni, energetsko učinkoviti aparati in
sistemi za dom
–
–
–
–
–
Kuhalni aparati
Hladilni aparati
Pralni aparati
Napredni energetski sistemi
Razvoj elektronike
• RR4: Energijsko učinkoviti pogonski pretvorniki
–
–
–
–
EC (electronically commutated) pogonski sistemi
TFM (transverse flux motor) pogonski sistemi
Hibridni pogonski sistemi
Proti-eksplozijski pogonski sistemi
EDS 2011 / 26
Dejstva
– aktivna omrežja postajajo realnost
• uporabniki narekujejo tekoče aktivnosti
• operaterji omrežij se soočajo z novimi tehničnim izzivi
• proizvajalci opreme ponujajo nove rešitve
– potrebne dodatne raziskave in razvoj
• reševanje trenutnih tehničnih težav
• tehnologija je na voljo, potrebni so demonstracijski
projekti – sistemske rešitve
• demonstracijske projekte moramo bolj intenzivno
vključiti v razvojne načrte distribucijskih podjetij
• potrebni so poslovni modeli, ki bodo pospešili
vključevanje RV in učinkovito rabo energije
EDS 2011 / 27
Zaključki
– vpeljava aktivnih (pametnih) omrežij je pravzaprav
koncept razvoja distribucijskega omrežja
• potreben nacionalni strateški načrt vpeljave pametnih
omrežij
• velika priložnost za slovensko industrijo
– pametna omrežja bodo eden največjih razvojnih projektov
v naslednjem desetletju v državi
• 1,6 milijarde € za obnovo distribucijskega omrežja v 10 letih
(vir MG)
• še 40% za sistemsko uvedbo konceptov aktivnega omrežja
(vir MG)
– brez vpeljave konceptov pametnih omrežij ne bomo
dosegli sprejetih obvez (20-20-20)
EDS 2011 / 28