1. No category

 Framtidens elnät
Hur elbilar och solceller påverkar på det lokala elnätet
Future Electricity Networks
How Electrical Car and Solar Panels Impact on the Distribution Electricity Networks
Zaw San Laphai
Sedat Polat
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap
Högskoleingenjörsprogrammet
i elektroteknik och mekatronik
hälsa, natur- och teknikvetenskap
C-nivå 22,5hp
Extern handledare: Sune Bergerland
Handledare: Peter Röjder
Examinator: Magnus Mossberg
2015-05-27
Löpnummer
Sammanfattning Bakgrunden för projektet vid universitetet i Karlstad är att få en inblick i framtidens elnät. Detta kommer att möta andra krav än dagens, och det är därför viktigt att kartlägga hur systemet kan byggas och förberedas med hänsyn till de framtida förväntningarna. I Sverige förändras lagar och regler för att göra det lättare och billigare för privatpersoner att satsa på miljövänliga energikällor. Vårt projekt behandlar hur elnätet påverkas av solceller och elbilar. Solceller har blivit mer populära än någonsin tidigare. En rad länder täcker redan delar av sitt energibehov från solceller och detsamma kommer att ske här i Sverige. Hur kommer det lokala elnätet att påverkas när fler och fler privatpersoner installerar solceller i sin egen bostad, och vad sker när de börja leverera strömöverskottet till elnätet? Vad bör göras för att upprätthålla elkvaliteten ifall den skulle påverkas negativt? Elbilens popularitet ökar varje år, något som medför att strömbehovet kommer till att stiga proportionellt med antalet elbilar i landet. Bör något göras med kraftförsörjningen för att möta strömbehovet till elbilar? Är det möjligt att använda elbilarnas batterier som reservenergi? I denna rapport refereras till analyser och mätningar från olika rapporter. Rapporten innehåller information om sol, solstrålning, solceller, elbilar, batterier, regler för montering av solceller, elnät, elkvalitet, resultat av mätningar och eventuella lösningsförslag för förväntade problem. Abstract The purpose of the project is to determine the impact of solar cells and electrical vehicles on the future electricity grid and distribution network. Future electricity grids will be affected differently than it does today. Therefore, it is important to determine the impacts so that the current electricity distribution system can be developed and redesign to achieve the future demand. In Sweden, government has changed rules and laws in order to make it easier for private sector to invest in renewable energy sources. Our project focused on the impact of the solar cells and electric vehicles on the low voltage electricity distribution. Solar cells have become more popular than ever and that leads to many countries in utilizing their energy needs from solar and the same is going to happen here in Sweden. It is needed to find out how the impacts on the low voltage grids will be if many private individual install solar panels in their own homes and what will happen when they start to supply electricity, which is excess from the production of their solar cells, back to the grid? What should be done in order to maintain the electricity’s quality in term of voltage? Meanwhile, electric vehicle popularity rises every year, which means that electricity demand will rise proportionally with the number of electric cars in the country. Should something be done with the power supply to meet the power needs of electric cars? Is it possible to use the electrical car battery as a backup power? How electric vehicle charging’s behavior will impact on the low voltage? In this project, data and pictures has taken from different sources and consolidated for analysis purpose. This thesis contained information about solar radiation, solar cells, electric vehicles, and batteries, rules for installation of solar cells regulations, electricity grids, and electrical power quality, results of researching and eventual solutions for expected problems. ii Förord Denne rapporten er et resultat av en bacheloroppgave ved Karlstad universitet, våren 2015. Vi dannet en gruppe for å løse oppgaven i fellesskap, gruppens medlemmer er: Sedat Polat og Zaw San Laphai. Prosjektet ble gjort i samarbeid med den lokale nett leverandøren Karlstads El och Stadsnät AB. Arbeidet med bacheloroppgaven har vært en langvarig prosess, som har strekt seg over hele vår semesteret 2015. Bacheloroppgaven er satt sammen av flere deler. 1.
2.
3.
4.
Forprosjekt Introduksjon til oppgaven Teknisk rapport og presentasjon Analyse av prosjekter utført av andre personer Arbeidet med oppgaven har vært en svært lærerik periode. Det var interessant å sette seg dypere inn prosjektet for å lære seg noe nytt, samtidig som det kan være nyttig i den framtidige karrieren. Arbeidet med bacheloroppgaven gjorde oss flinkere til å jobbe i gruppe, drive med forskningsarbeid og hvordan man samarbeidet med ett større selskap Peter Röjder er vår hovedveileder ved universitet og Sune Bergerland er vår veileder hos Karlstads El och Stadsnät AB. Vi ønsker å takke begge veilederen våre, som har vært tålmodige og hjelpsomme gjennom hele prosjektet. Samtidig er vi veldig takknemlige til personene som gav oss tillatelse til å bruke deres figurer og rapporter, uten disse hadde det vært umulig å gjennomføre prosjektet. Ønsker derfor å si tusen takk til Gillian Lacey (Northumbria university) , Ulf Jansson, Johan Andersson, John Bradshaw (Battery University), Tobias Walla (Energimyndigheter), Christer Bergerland (Fortum AB), Olle Johansson (Power Circle AB), Michael Zentgraf (Fraunhofer institute for Solar Energy System ISE) , Pecan Street Research organisasjon, Arnosmets (Deft University of Technology ), EDX online learning plattform, Magnus Hellberg (Kraftpojkarna AB), Christopher (fornybar.no), Matz Tapper (Svensk energi), Astrid B. Lundquist (Sintef energi AS), Barrie Lawson (The electropadia), Irene Klee (Svenska kraftnät). I tillegg ønsker vi å takke våre venner og lærere som har gitt oss støtte og motivasjon, noe som gjorde det til en glede å være student ved universitet sammen med dere. Karlstad, Mai 2015 iii Innehåll 1. Inledning ................................................................................................................................................................ 1 1.1. Bakgrund ........................................................................................................................................................ 1 1.2.problembeskrivning ........................................................................................................................................ 1 1.3. Syfte och målsättning ..................................................................................................................................... 1 1.4. Avgränsningars ............................................................................................................................................... 1 2. Teori ...................................................................................................................................................................... 2 2.1 Solcellers teknik och uppbyggnad ................................................................................................................... 2 2.1.1 Tunnfilmsolceller ...................................................................................................................................... 2 2.1.2. Tredje generation solceller ...................................................................................................................... 3 2.2 Solstrålnings effekt ......................................................................................................................................... 3 2.2.1 Solceller plassering .................................................................................................................................. 4 2.2.2 Solceller montering ................................................................................................................................. 5 2.3 El-­‐nät kvalitet .................................................................................................................................................. 7 2.3.1 Långsamma spänningsvariationer ........................................................................................................... 7 2.3.2 Spänningssprång ...................................................................................................................................... 8 2.3.3 Kortvariga överspänningar och underspänningar ................................................................................... 8 2.3.4 Flimmer ................................................................................................................................................... 8 2.3.5 Transienter .............................................................................................................................................. 9 2.3.6 Spänningsosymmetri ............................................................................................................................... 9 2.3.7 Övertoner ................................................................................................................................................. 9 2.3.8 Aktiv-­‐ och reaktiv effekt .......................................................................................................................... 9 3. Elbiler och batteri .................................................................................................................................................. 9 3.2.1. batteri .................................................................................................................................................... 10 3.2.2. Elbilsbatteri ........................................................................................................................................... 11 3.2.3. Elbilsbatteri som reservenergi ............................................................................................................... 12 3.3. Energilager för lokalnät ................................................................................................................................ 12 4. El-­‐nät ................................................................................................................................................................... 14 4.1 Stamnät (Rutenett) ....................................................................................................................................... 14 4.2. Regionala elnät (Regionale nettverket) ........................................................................................................ 14 4.3. Lokala elnät (Lokalnett) ................................................................................................................................ 15 5. Utförande ............................................................................................................................................................ 15 5.1. Litteraturstudier ........................................................................................................................................... 16 5.2. Studiebesök .................................................................................................................................................. 16 5.3. Kurs om elsstörningar .................................................................................................................................. 16 6. Analys av olika faktor, simuleringar, mätningar, rapporter från olika källor ....................................................... 16 6.1 Analys av Mikrosolpanelers påverkan på elnät ............................................................................................. 16 iv 6.2. Analys av tillämpningen av elbilbatteri som effektreserv. ........................................................................... 24 6.3 Påverkan av elbil på elsystemet .................................................................................................................... 26 6.4 Analys av solcellsframtiden i Sverige. ............................................................................................................ 27 7. Lösningsförslag för elnät kvalitetsproblem ......................................................................................................... 29 7.1. Trefase eller en-­‐fase ..................................................................................................................................... 29 7.2. Växelriktare .................................................................................................................................................. 30 7.3. Strömkabel och säkring ................................................................................................................................ 30 7.4. Spänningsvariation ....................................................................................................................................... 31 7.5. Smart nät ...................................................................................................................................................... 33 8. Resultatet och diskussion .................................................................................................................................... 33 9. Rekommendation ................................................................................................................................................ 35 10. Slutsatser ........................................................................................................................................................... 35 11. Referenser ........................................................................................................................................................... 1 Appendix A. Frågor och Svar från karftpojkarna AB om solceller ........................................................................ 5 Appendix B. Opplysninger om kraftnett og solcelle anlegg ................................................................................. 6 Appendix C. Analys data .................................................................................................................................... 16 Appendix D. Kontakter för figur tillstånd ........................................................................................................... 17 v 1. Inledning 1.1. Bakgrund Traditionell elproduktion sker i olika typer av kraftstationer, huvudsakligen med kärnkraft, vattenkraft och värmekraft. Av hela elproduktionen år 2014 kom cirka 38 % från kärnkraft, vilket inte är hållbart för miljön. Flera av de politiska partierna i Sverige har på sina program att de vill ersätta kärnkraften med andra, mer miljövänlig alternativ, men energibehovet i Sverige är stort. Därför är behovet av att ansluta ny elproduktion till framtidens elnät stort båda för miljö och hållbarhet. Sådana energikällor kan vara solkraft och vindkraft, m en även solcellsproduktion i mikroskala från privata villor kan komma att kopplas till det traditionella elnätet. Detta är inte problemfritt eftersom produktion från sol och vind varierar, vilket kan medföra problem. Dessutom har användningen av elfordon hela tiden vuxit i Sverige vilket kan komma att allt mer belasta elsystemet. Därför vill Karlstads El och Stadsnät AB kartlägga dessa fenomen för att förbereda och planera sitt nät med syfte att vara kostnadseffektiva och kunna leverera el av god kvalitet. 1.2.problembeskrivning Elnätet transporterar ström från producenter och levererar den till förbrukare. Traditionellt har elnätet haft en envägs strömriktning, men idag förekommer tvåvägs strömriktning, till exempel när det både förbrukas och produceras ström i ett villaområde. Antalet mikroproduktionsanläggningar kommer att öka i privata bostadsområden, något som kommer att påverka det lokala elnätet. Därför kommer lokala elnät som är byggda för envägs strömriktning att behöva anpassas. Innan det kan ske behöver nätägaren ha tillräcklig information om vilka påfrestningar som kan förväntas i framtidens elnät. Till exempel: Kommer spänningsvariationer att bli ett problem i framtiden? Vilka åtgärder behöver göras före installation av mikroproduktion för att upprätthålla spänningskvalitet inom det angivna området, och vilka krav behöver ställas? 1.3. Syfte och målsättning Syftet med examensarbetet är att studera hur kvaliteten på elleveransen påverkas vid anslutning av småskalig produktion från solceller och anslutning av elbilar vilka eventuellt också kan fungera som effektreserv till elnätet. Studien begränsas i första hand till den lokala påverkan på elnätet som fås i en nätstation som t.ex. tar emot ström från solceller i ett villaområde. Målet är att få ett underlag för hur nätet som byggs idag ska dimensioneras och utformas för att klara kvalitetskraven med avseende på spänningsvariationer och störningar till exempel i form av övertoner från omvandling från DC till AC vid elproduktion från solceller. 1.4. Avgränsningars Examensarbetet har utförts utan praktiska mätningar på komponenter eftersom vår uppdragsgivare, Karlstads El och Stadsnät AB, anser att vår rapport är en fortsättning på Ulf Jansson och Johan Anderssons rapport som handlar om ”Analys av solcellsanläggningars påverkan på elnätet”. I deras rapport redovisas mätningar på en solcellsanläggning på företagets kontorstak samt simuleringar, varför vi nöjer oss med att teoretiskt sammanställa och analysera resultat från rapporter och andra källor. 1 2. Teori 2.1. Solcellers teknik och uppbyggnad Solceller är en utrustning som omvandlar solenergi till elektrisk energi genom att använda fotoelektriska egenskaper. Traditionella solceller, s.k. ”första generationens solceller”, består av kiselkristaller som har dopats i n-­‐typ och p-­‐typ skikt så att ett flöde av elektroner drivs genom dem när de exponeras för ljus. När solljus träffar solcellens yta, driver energin i ljuspartiklarna en elektrisk ström genom kretsen så som visas i figur 1. Fotonerna i ljuset avger sin energi till kiselatomerna varvid elektroner kan hoppa över P-­‐N övergången och strömma runt i kretsen (1) (2) (3). Figur 1. Enkel modell av solceller. Ritas av Zaw San Laphai. En typisk solcell har en glas-­‐ eller plastlock eller annat inkapslat omslag med antireflekterande ytskikt. Tjockleken av en kristallin kiselcell kan vara 170-­‐200 µm (4). 2.1.1. Tunnfilmsolceller De nya tunnfilmsolcellerna är kända som ”andra generationens solceller”. Dessa är också uppbyggda av olika skikt av halvledarmaterial, men här är skikten mycket tunnare än i traditionella kiselsolceller. Skikttjockleken hos tunnfilmscellen är endast 2-­‐3 µm, och den har därför förutsättningar att bli billigare än sina föregångare. De vanligtvis använda materialen hos tunnfilmsolceller är Amorft (inte kristallint) kisel och CIS-­‐kopparindiumselen. Tunnfilmsolceller av CIGS-­‐koppar/indium/gallium/selen och kadmiumtellurid behöver ha mindre material och energi för att tillverkas jämfört med traditionella kristallina kiselsolceller vilket gör dem både billigare att tillverka och ger dem lägre vikt än kiselceller. Verkningsgraden hos tunnfilmsolceller är dock lägre än hos de traditionella, kristallina kiselcellerna enligt tabell 1 (4) (5). Tabell 1. Teoretisk och praktisk verkningsgrad på första soceller och andra generation solceller (5). Material Bandgap Kisel Galliumarsenid Tunnfilmsmaterial 1.1eV 1,4eV Teoretisk verkningsgrad 29 % 31 % Laboratoriecell 25,0 % 25,0 % Solcellspanel verkningsgrad 20 % Amorf kisel CIS-­‐kopparindiumselen CIGS-­‐
koppar/indium/gallium/selen Kadmiumtellurid 1,7eV 1,0eV 1,2eV 27 % 27 % 29 % 12,0 % 15,4 % 19,5 % 9 % 12 % 12 % 1,4ev 31 % 15,8 % 10 % 2 2.1.2. Tredje generation solceller Dagen senaste solcellsteknik kallas ”tredje generationens solceller”. De aktiva materialen i dessa solceller är organiska i form av enkla molekyler eller komplexa polymerer. Sålunda är polymera solceller en underkategori av organiska solceller. Polymera solceller eller plastsolceller har många fördelar såsom en enkel, snabb och billig storskalig produktion och användning av material som är lättillgängliga och billiga. Polymera solceller kan tillverkas med konventionell tryckpressteknik. Verkningsgrad och stabiliteten hos tredje generations solceller är dock fortfarande begränsad i jämförelse med första och andra generationens solceller. För nuvarande läggs mest forskningsresurser på tredje generationens solceller både av institutioner och företag. Än så länge är dock mycket av den nya tekniken inte kommersiellt tillgänglig (6). 2.2. Solstrålnings effekt Solstrålning kan delas upp i direktstrålning och diffus instrålning. Globalstrålning omfattar dels direktstrålning, som kommer direkt från sol, dels diffus strålning som är reflekterad från övriga himlavalvet. Av den totala energi som strålar ut från solen är det bara en bråkdel som träffar jordytan. Vid ekvatorn är den solintrålningseffekt som når markytan ca 1000 W/m2. Den solenergimängd som vi kan tillgodogöra oss från solinstrålningen påverkas av tillgång på soltimmar, lokalisering, reduktion i atmosfär, reflektion och absorption i moln samt vilken vinkel det absorberande föremålet har till horisontalplanet. I södra Sverige nås en årlig globalstrålning på 1000 kWh/m2 och i norra delarna av landet på 800 kWh/m2 så som visas i figur 2 A. Globalstrålning ökar med ca 25 % om det absorberande föremålet lutar 30-­‐45° från horisontalplanet och riktas åt söder. I figur 2B beskrivs antal soltimmar för ett år i Sverige. Figur 2A. Globalstrålning under ett år. Tagen med tillstånd från SMHI. Figur 2B. Solskens tid för ett år. Tagen med tillstånd från SMHI. Den totala årsenergin från solstrålning som når markytan i Sverige beror både av latitud och molnighet. Notera t.ex. att Luleå tar emot högre årsenergi per kvadratmeter från solstrålning än Göteborg enligt tabell 2 (5) (7). 3 Tabell 2. Solelproduktion i kWh per månad för 1kW solcellssystem med optimal lutning för den aktuella orten (7). Månad Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Summa Malmö 22 42 68 106 129 115 124 109 80 54 30 17 895 Göteborg 13 36 63 93 122 117 118 102 76 47 23 11 822 Stockholm 16 41 75 106 139 122 125 104 79 49 23 9 889 Luleå 22 50 87 122 129 126 118 93 66 42 16 11 880 Tabell 2 visar hur mycket energi en 1 kW solcell med optimal lutning kan producera på ett helt år i olika orter. Vi ser att störst energi fås i maj månad medan minst energi fås i december månad. Juni och juli har lägre energiproduktion än maj trots att solen lyser mer under juni och juli. Anledning är att solcellers verkningsgrad sjunker proportionellt mot temperaturökningen. 2.2.1. Solceller plassering Jorda er nesten rund, vinkelen mellom solen og jorden vil gradvis øke fra 90 grader ettersom vi beveger oss fra ekvator til høyere eller lavere breddegrader som har en vinkel Q lik breddegrad betrakter, se i figur 3. Denne ulempen kan forbedres med å vippe på solcellen slik at det står 90 grader vinkelrett på solens stråling. Det betyr at de som står på den nordlige siden av halvkulen, må peke sør (8). Dessverre så beveger ikke sola seg i en konstant bane, den beveger seg sørover om vinteren og nordover om sommeren. Produksjonen av solceller skjer kun på dagen og når det er klar himmel. Overskyet himmel reduserer produksjonen kraftig. Derfor er det viktig å finne plasser med lite skydekke, støv og luftforurensning. Denne informasjonen er det mulig å få finne i form av statistiske data om regionale værforhold, som vil gi indikatorer på om det vil lønne seg med solenergi i dette området eller ikke. For å få best utnytte av solcellene er det viktig å utføre korrekt dimensjonering (8). Som vi ser i figur 3, avtar effektiviteten av solcellen desto lengre vi kommer fra optimal posisjon. For eks. Karlstad ligger 59°23'N i breddegraden og solceller er mest effektiv når den står 35 grader nord og peker mot sør. Figur 3. Solceller optimal p osisjon. Fikk tillatelse fra Electropaedia. 4 Det finnes flere typer solceller montering for å få rettvinklet forhold til solstråling. En type er solar sporing, som følger sollyset hele døgnet for å oppnå maksimal elektrisk produksjon. Ulempen med denne typen er at kostnadene er for høye. Andre typer blir montert på taket med en vinkel mot sør eller på bakken med et slags stativ (8). 2.2.2. Solceller montering Solcellepanelene monteres på tak eller vegg hvor det er mest sol. Alle paneler kobles sammen og konverteres fra DC til AC, deretter går strømmen gjennom huset. Etter forbruket selges overskuddsenergien til el-­‐nett i 230VAC (9). Solcelleanlegg som leverer strøm til el-­‐nettet blir også kalt plusskunder. Eksempelet i figur 4, illustrer de nødvendige instrumentene ved installasjonen (10) Figur 4. Nett-­‐tilkoblet solcelle anlegg. 1) Solcellemoduler, 2) koblingsboks, 3) DC-­‐bryter, 4) vekselretter, 5) AC-­‐bryter (ikke påkrevd), 6) energimålere, 7) Fordelingsskap med sikringer, 8) Tilkoblingspunkt til el-­‐nett. Fikk tiallatelse fra fornybar.no. 1. Solcellemoduler: Solcellemoduler konverterer sollys til elektrisitet. Ett solcellepanel består av flere små celler. På et hustak kan det monteres flere solcellepaneler. •
•
Når solcellepanelene seriekobles, får vi økning i spenningen. Summen av spenningen i seriekoblet er summen av hver spenningskildene. I parallell kobling er summen av spenningen lik i hver celle hvis cellene har lik spenning. Kretsen er da i stand til å levere mer strøm, siden total strøm adderes fra hver panel. 2. Koblingsboks / Regulator : Her samles energien fra alle solsellemoduler. Koblingsboks må bestå av riktig dimensjonert kabel for å få minst mulig tap og samtidig regulere belastningen [11]. 5 3. DC-­‐bryter : DC-­‐ bryter er sikring for å beskytte ledningene mot en overspenning og overspenning kan føre til brann i huset hvis DC-­‐ bryter ikke fungerer nøyaktig. Hvis det oppstår brann i huset, fortsetter solcellene å produsere strøm så lenge det er lys ute, noe som ville gjort det vanskelig for redningsmannskapet å gjøre jobben sin (12). 4. Vekselretter : Vekselretter konverterer likestrøm (DC) fra solceller til vekselstrøm (AC) som kan brukes til elektriske enheter hjemme. Overskuddet av effekten leveres videre til el-­‐nettet. I et ideal el-­‐nett er spenningskurven sinusformat. Derfor sørger vekselretteren for å tilpasse frekvens og spenning, slik at det harmonisere med el-­‐nettet (6). Samtidig forsøker vekselretteren å utnytte maksimalt med energi fra solcelleanlegget. Derfor er de fleste vekselrettere utstyrt med Maksimal Power Point Tracking (MPPT), MPPT har evnen til å opprettholde maksimal virkningsgrad (13) (14) (15). Det oppstår alltid energitap ved energiomforming. De fleste vekselretterene har god virkningsgrad, derfor er ikke tappet mer enn 1-­‐3%. Energitapet blir omgjort til varme, og det er derfor viktig at vekselretteren plasseres på ett sted hvor det er god ventilasjon og samtidig må beskyttes godt. Vekselretteren må testes og godkjennes i henhold til myndighetens standarder (13) (14). 5. AC-­‐bryter Denne sikringen gjør akkurat samme jobb som DC-­‐bryteren, å beskytte kabelen mot overstrøm som kan føre brannfare. 6. Energimålere De strømmålere som brukes i mikroproduksjons måler gjeldende i begge retninger, og kalles for fyrkvadrantmålere. Man måler derfor ikke produksjon og forbruk for seg selv, uten måling er en såkalt netto måling. 7. Fordelingsskap med sikringer Her kan vi fordele strømmen til de områdene i huset. 8. Tilkoblingspunkt el-­‐nett Komponenter med kraftelektronikk benyttes hvor solcellen tilkobles med el-­‐nettet. Kraftelektroniske apparater skal sørge for å minimere harmoniske strømmer og finne nettets spenningsvinkel slik at det kan levere riktig spenningsvinkel. Det kan kobles til el-­‐nettet med enfase eller trefase. 2.2.3 Solceller monteringsregler Som med andre elektriske installasjoner, er det visse krav som følges ved solcellemontering. Monteringen må følges de Svenske standardene som kraves for å fullføre installasjonen med riktig elsikkerhets praksis. Noen av disse kravene nevnes nedenfor (16). 6 •
•
•
•
•
•
Den lokale nettverksoperatøren må kontaktes før installasjonen. Produktene skal være CE-­‐merket. Installasjonsarbeidet krever sertifisering. Den maksimale produksjonseffekten til en 230/400 V forbruk maks 100A / 69 kW. Til tre single-­‐fase systemer bør ha en ekstra ubalanse sikringen og maksimalt 2% forskjell strøm mellom faser. For produksjonsanlegg med merkestrøm opp til 16 A er verdier skrevet i tabell 3. Disse verdier er anbefalt for alle mikroproduksjonsanlegg opp til 100 A/69 kW. Tabell 3. Relevern innstillinger i henhold til SS-­‐EN 50438 (17). Parameter Operasjonstid (s) Operasjonsnivå Overspenning (steg 2) Overspenning (steg 1) Underspenning Overfrekvens Underfrekvens Uønskede ubrukt 60 0.2 0.2 0.5 0.5 0.15 230 V + 11 % 230 V + 15 % 230 V – 15 % 51 Hz 47 Hz Før man installerer solcellesystemet hjemme, må det lokale el-­‐nettselskapet kontaktes. Det er nettselskapet som bestemmer om produserende utstyr kan kobles til nettverket eller ikke. Det stilles krav til at slike installasjoner kun blir utført av kvalifisert elektriker. Når det skal leveres strømoverskudd til el-­‐nettet, må det tas hensyn til kvaliteten. Strømmen fra solceller må transformeres til riktig spenningsnivå og frekvens, henholdsvis 230VAC og frekvens 50 Hz. 2.3. El-­‐nät kvalitet 2.3.1. Långsamma spänningsvariationer Langsomme spenningsvariasjoner er reduksjon eller økning i spenningen, dette skjer grunnenhet variasjoner i belastningen i distribusjonsnettet (18). Hovedspenningen som er i et boligområdet blir kalt lavspenning, som er 400V (fase-­‐spenning er 230V) i Sverige. Det er ikke lett å balansere absolutt 230V og det tillates derfor spenningsvariasjoner innenfor et området ±10 % av den nominelle fasespenningen. I figur 5 nedenfor viser den grunne linjen idealspenningen 230V, mens den røde og blå linjen viser grenseverdiene. Faren ved overspenning (253 VAC) eller underspenning (207VAC) er at det kan føre til redusert levetid for elektriske utstyr, dårlige belysning, farlig høy effekt eller helt ødelagte elektriske apparater (18) (19). Slik store spenningsvariasjoner kan skyldes en feiltrinnet transformator og svak nett (18). Slike spenningsavvik kan reduseres med noe virkemidler: •
•
•
Forsterkning av nettet Trinning av transformator Kompensering 7 Figur 5. Spenningsvariasjonene på inntaket til en kunde i lavspenningsnettet (18). Fikk tillatelse fra Sintef Energi. 2.3.2. Spänningssprång Spenningssprang betyr en endring i spenningens effektivverdi innenfor ±10 % av avtalt spenningsnivå, som skjer hurtigere enn 0.5% av avtalt spenningsnivå per sekund. Det kan skje ved lynnedslag, jordfeil-­‐ eller kortslutninger (19) (20). Spenningsnivå er innenfor området 207<U<253V (21). 2.3.3. Kortvariga överspänningar och underspänningar Kortvarige overspenninger er en hurtig spenningsøkning høyere enn 110 % av avtalte spenningsnivå og med varighet fra 10 millisekunder til 60 sekunder. Kortvarige underspenninger er en hurtig spenningsreduksjon mindre enn 90% av avtalte spenningsnivå (19). Figur 6 nedenfor viser et eksempel hvor en spenningsavviket er over den røde prikkete linjen i mindre enn 0.3 sekund. Kortvarige overspenning skjer ved store belastning, hvor en del av nettet blir høyt belastet. Det er ikke aktuelt å beskytte seg mot overspenning eller underspenning (18). Figur 6. Kortvarige overspenning på grunn av stor lastutkobling (18). Fikk tillatelse fra Sintef Energi. 2.3.4. Flimmer Flimmer betyr gjentatte spenningsvariasjoner i nettet. Dette er direkte synlig på en lyspære og øynene oppfatter det som synlig irritasjon. Det kan skje på grunn av store apparater som kobler inn eller ut på el-­‐nettet. Flimmer kan spre seg langs store områder hvis nettverket er for svak. Slike problemer kan reduseres ved å stabilisere utgangseffekten (19) (22) (23). 8 2.3.5. Transienter Transienter er raske spenningstopper med individuelle korte og forbigående overspenninger som har en varighet mindre enn 20 ms. Transienter oppstår på grunn av lyn, inn-­‐/utkobling av kondensatorbatterier, bytte i nettverket og mer. Transienter kan deles i to. Første er det impulstransienter som har positive eller negative pigger med små mengde energi som varer en meget kort tid. Den andre er det oscillerende i forbigående, disse bærer preg av raske strømendringer eller spenningspolaritet og vanligvis i forbindelse med koblinger av ulike slag (19) (23) (24). 2.3.6. Spänningsosymmetri Spenningsasymmetri blir forklart slik ” Tilstand i et flerfaset system hvor linjespenningenes effektivverdig (grunnharmonisk komponent), eller fasevinklene mellom etterfølgende linjespenninger, ikke er helt like. Grad av asymmetri beregnes ved forholdet mellom spenningens negative og positive sekvenskomponent” (20). Asymmetrisk strøm kan føre til problemer for stasjoner elektriske motorer. Trefase maskiner drives jevn, hvis det blir utsatt for ubalansert strøm, det kan føre til negative sekvensspenninger og et dreiemoment i motsatt retning av den positive sekvensspenningen (19) (22). 2.3.7. Övertoner Ulike laster som kobles til el-­‐nettet fører til harmoniske strømmer og spenninger. Normalt oppstår først strømharmoniske og deretter spenningsharmoniske henhold til U=I*Z, hvor impedansen Z er frekvensavhengig. Spenningens frekvens-­‐ og tidsavvik beskrives og holdes innenfor bestemmelser. Frekvensen skal holdes i grensen 50 Hz ± 2%. Harmoniske forvrenging er støy som skaper problemer i elektriske anlegg når det går over et bestemt nivå. Støyen i elektriske anlegg er grunnen til at det er vanskelig å få en ren sinus kurve. Støyen i el-­‐nettet fører til en del skade i elektriske apparater, lys flimrer, skillebrytere som utløses og måleapparater kan gi feilavvik (19) (24) (25) (26). 2.3.8 Aktiv-­‐ och reaktiv effekt Aktiv effekt er en nytteeffekten i en vekselstrømskrets og reaktiv effekt er en teoretisk effekt som oppstår i nettet grunnet induktive eller kapasitive last. Ett eksempel er en tilkoblet ideell spole gjør at strømmen ikke følger spenningen som medfører en negativ faseforskyvning og tilkoblingen av en ideell kondensator ville gjøre motsatte, strømmen ville nådd sitt maksimum før spenningene, noe som blir kalt positiv faseforskyvning. Reaktiv effekt benyttes for å bygge opp magnetfelt for elektriske apparater og maskiner, derfor det er nyttig for kraftsystemet (27). 3. Elbiler och batteri 3.1. Elbilar utveckling i Sverige Framtidens fordon i Sverige kommer troligen att domineras av elfordon på grund av transportpolitiska mål för 9 miljön och bidraget för elfordon. Det innebär att förbrukning av elenergi kommer att öka i Sverige. Om hälften av personbilarna ca 4,5 miljoner, ersattes med rena elbilar så skulle det behövas elenergi på ca 7 TWh. Detta motsvarar en ökning på 4,6 % jämfört med den årliga elförbrukningen i Sverige på 150 TWh/år. Om vi inkluderar el-­‐bussar och andra elfordon så kommer elförbrukningen att öka ytterligare. Figur 7 visar utvecklingen av antalet elfordon i Sverige (28). Figur 7. Elfordon utveckling i Sverige (29). Tagen med tillstånd från Power Circle VD Olle Johansson. BEV(rena personelbilar), BEV( rena ellastbil), BEV(rena elmotorcykel) PHEV(laddhybridbilar) 3.2. Batteriladdare 3.2.1. batteri Batterier är elektrokemisk utrustning som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. De är klassificerade som primära eller sekundära batterier. Primära batterier omvandlar kemisk energi till elektrisk energi, t.ex. brunstensbatteri och alkaliska batterier. Sekundära batterier är laddningsbara batterier vilket innebär att elektrisk energi kan lagras som kemisk energi. Därför brukar man använda de sekundära batterierna som reservenergi. De vanligaste sekundära batterierna är blybatterier, litium-­‐jon batterier, nickel-­‐metal hydride batterier(NiMH). De har olika för-­‐ och nackdel såsom vikt, energitäthet och pris. Blybatterier är de som mest används som reservenergi i soltekniken. Figur 8 visar sambandet mellan energitäthet och effekttäthet hos olika material som används för att tillverka batterier. Batteriers vikt och energitätheten är viktiga faktorer för att avgöra elfordons vikt och prestanda (1). Figur 8. Sambandet mellan energitäthet(Wh/kg) och effekttäthet(W/kg) hos olika material (1). Tagen med tillstånd från Deft university of Technology. Priset är viktigt för den som ska använda batterier för att lagra reserverenergi. I tabell 4 visas och jämförs pris i US dollar år 2014 för olika batterityper. 10 Tabell 4. Energi och kostnaden jämför i olika laddbar batterier (30). Capacity Battery voltage Energy per cycle Number of cycles Battery cost(est) Cost per kWh Lead Acid 2000 mAh 12 V 24 Wh 250 $50 $8,50 NiCd 600 mAh 7,2 V 4,5 Wh 1000 $50 $11,00 NiMH 1000 mAh 7,2 V 7,5 Wh 500 $70 $18,50 Li‑ion 1200 mAh 7,2 V 8,6 Wh 500 $100 $24,00 3.2.2. Elbilsbatteri Elfordons batterier skiljer sig från vanlig bilbatterier eftersom elfordons batterier har byggts med syftet att driva elmotorer som förbrukar hög effekt. De flesta elfordon använder litium-­‐jonbatterier för att de är kompakta och lätta (31), dvs. de har högre energitäthet än blybatterier och Nickel-­‐metallhydridbatterier. Hög energitäthet innebär att batteriet kan lagra mer energi i samma storlek på cellen, vilket i sin tur gör det möjlig att producera mindre batterier. Elbilars batterispänning och kapacitet varierar beroende på bilsstoleken och tillverkare. Tabell 5 visar olika personbilsbatteriers kapacitet och laddningstid. Tesla Roadster har det störst batteriet på ca 56 kWh och Chevy Volt och Mitsubishi iMIEV har de minsta på ca 16 kWh. Laddningstiden beror av hur stor ström som tillförs batteriet. Litium-­‐jonbatteriets prestanda beror av omgivningstemperaturen på så sätt att höga temperaturer medför sämre prestanda genom att urladdningshastigheten ökar och batteriets livslängd minskar. De flesta elbilsbatteriers livslängd är ca 8-­‐10 år eller 160,000 km. Efterfrågan för litiummaterial är stor eftersom litium används inom många olika områden. Batteriindustrin förbrukar 26 % av jordens litiumproduktion. Grundmaterialet litium är inte dyrt men tillverkningskostnaden är hög. Många spekulerar om att litiummaterialet kommer att ta slut på grund av hög efterfrågan men litium-­‐jon-­‐batterier är återvinningsbara med 100 % vilket är bra för naturen (30) (32). Tabell 5. Batteri kapacitet och laddning tid hos olika elbilar (2010) (30). Elbil märk BMW miniE Chevy Volt Toyota plug in Prius Mitsubishi iMiEV Nissan LEAF Tesla Roadster Think City Smart Fortwo ED Batteri 35kWh, cells;NMC 355V, 35kWh, air cooled; 18650 cells; NMC 355V, 96s53p 16kWh, liquid cooled Li-­‐manganese, 181kg (400lb) 3 Li-­‐ion packs, one for hybrid; two for EV, 42 temp sensors 16kWh; 88 cells, 4-­‐cell modules; Li-­‐ion; 109Wh/kg; 330V 24kWh; Li-­‐manganese, 192 cells; 80Wh/kg, air cooled; 272kg (600lb) 56kWh, 6,831 Li-­‐cobalt computer cells; liquid cooled 24.5kWh, Li-­‐ion or sodium-­‐based 16.5kWh; cylindrical Li-­‐ion (computer cells), made by Tesla Motors Range (reklam) 250km, 156 miles Range (verkligt) 153km, 96 miles; 112km, 70 miles below freezing Laddning tid (h) 26h at 115VAC; 4.5h at 230V, 32A 64km, 40 miles 45 km45km, 28 miles; 149hp electric & 1.4 liter IC engine N/A; 80hp electric & 98hp IC engine 88km, 55 miles; highway speed, mountain pass 100km, 62 miles at highway speed with heater on 224km, 140 miles; 172km, 108 miles driven sports car N/A. Sodium-­‐type has few problems Less than predicted 10h at 115VAC; 4h at 230VAC 20km, 13 miles 128km, 80 miles 160km, 100 miles 352km, 220 miles 160km, 100 miles 136km, 85 miles 3h at 115VAC; 1.5h min 230VAC 13h at 115VAC; 7h at 230VAC 8h at 230VAC; 30 min high ampere 3.5h at 230VAC high ampere 8h at 115VAC 8h at 115VAC 3.5h at 230VAC 11 3.2.3. Elbilsbatteri som reservenergi Elbilbatterier som ska användas som reserv i energisystemet V2G (vehicle-­‐to-­‐grid) är ett område för internationell forskning. I det systemet ska elbilar kunna leverera ström tillbaka till elnätet genom att kontrollera sin laddningsnivå. De flesta elfordon är parkerade i garage i genomsnitt 95 procent av tiden, vilket skulle göra det möjligt att använda deras batterier som reservenergi istället för stationära batterier kopplade till elnätet Det finns tre olika versioner av V2G-­‐koncept: 1. En hybrid eller bränslecellsbil, som genererar ström från lagringsbart bränsle, använder sin generator för att leverera ström när elförbrukningen i nätet är maximal. Här fungerar fordonen som ett distribuerat generatorsystem, som producerar energi från konventionella fossila bränslen, biobränslen eller väte. 2. Ett batteridrivet eller plug-­‐in-­‐hybridfordon som levererar sin överskottsström till elnätet från batteriet när elnätet är toppbelastat. Sedan kan elbilsbatterier laddas igen vid låg belastning på nätet och på så sätt minska belastningen på elnätet och kostnaden. Här brukas elfordonen som ett distribuerat system av batterilagring för att buffra ström. 3. En solcellsdrivet fordon som använder sin överkapacitetsladdning att ge ström till elnätet när batteriet är fulladdat. Här blir fordonet som en litet förnyelsebart energikraftverk. Sådana system har varit i bruk sedan 1990-­‐talet och används rutinmässigt i fråga om stora fordon, speciellt soldrivna båtar. V2G-­‐konceptet gör det möjligt att jämna ut belastningen på elnätet, t.ex. genom att ladda batterierna på natten när efterfrågan är låg och leverera tillbaka effekt till elnätet när efterfrågan är hög. Detta ger nya möjligheter för elnätföretagen att hålla spänning och frekvens stabila och ha reserver för plötslig efterfrågan av effekt vid ökad last. Denna teknik skulle kunna göra det möjligt att i framtiden jämna ut variationerna i produktionen från energikällor som solceller och vindkraft, genom att lagra överskottsenergi som produceras vid stark sol eller vind kombinerat med låg efterfrågan och mata tillbaka den i nätet under hög belastningsperioder (33). 3.3. Energilager för lokalnät Stora batterilager, som till skillnad mot batterier för villabruk eller privat energibackup har en lagringskapacitet i storleksordningen MWh, kallas för kraftbatteri. I dagsläget intresserar sig många elnätföretag som har anslutit mycket miljövänlig elproduktion som solceller och vindkraft för denna typ av batterilösningar i sina lokalnät. Troligen kommer denna teknik att spela en stor roll i framtidens elnät på grund av sin förmåga att utjämna effektbelastningen både i regionala och lokala nät. Uteffekten från sol-­‐ och vindkraftstationer skiftar på ett okontrollerbart sätt på grund av variationer i solljus och vind. Detta gör att elkvaliteten från nätet blir sämre på grund av den skiftande belastningen, som i extremfallet skulle kunna leda till avbrott om solen och vinden försvinner vid högbelastning. Därför är kraftbatterier mycket viktiga för att utjämna spänningsdippar och övertoner och garantera en avbrottsfri kraftförsörjning (UPS). Flera olika typer av batterier har utvecklats beroende på tillämpningsområdet. I figur 9 visas en jämförelse mellan olika batterityper och deras användning för olika slags energilager. Batteritypernas verkningsgrad varierar beroende på deras materialegenskaper (4). 12 1
Figur 9. Jämförelse av olika batterier kapacitet och urladdnings tid (4). Omriktas av Zaw San Laphai. Falbygdens Energi AB har byggt det första energilagret i Sverige för lågspänningsnät. Lagret är byggt av litium-­‐
jonbatterier och består av tjugo moduler om nio celler vardera. Det kan ge en effekt på 75 MW som är tillräckligt stor kapacitet för deras lokalnät. En fjärdedel av energin till elnätet hos Falbygdens energi kommer från vindkraft. Lagret laddas under tre timmar på natten när det är låg belastning i nätet, och levererar tillbaka sin energi när belastningen är hög. Den kan på så sätt förbättra elkvaliteten på den vindkraft som matas in i nätet (34). Figur 10 visar hur olika energilagringteknikerer kan tillämpas i elnätet som tar emot förnybar energi. Figur 10. Schema för olika energilagringstekniker tillämpningars i förnybar elnät (35). Tagen med tillstånd från Fraunhofer Institute for Solar Energy System ISE. Val av energilagringtekniker kan bero på tillämpningsområdet och priset. Tabell 6 visar kortfattat vilka problem som kan lösas genom att använda energilagringsteknik. Tabell 6. Problemet i elsystem som kan lösa med energilagringsteknik (28). Elproduktion Otillräcklig toppkapacitet Otillräcklig belastningsföljning Ökad tillgänglighet Snabb aktiv störningsreserv produktion optimering Momentan aktiv störningsreserv Elöverföring Spänning-­‐och frekvensreglering Stabilitet För hög/för låg kapacitet Ökad tillgänglighet Dämpning av elektromekaniska pendlingar i kraftsystemet Distribution kapacitetsbrist Ökad tillgänglighet Integration av lokal produktion Ökad elkvalitet 1
Li-­‐ion för litium-­‐jon, NiCd för Nickel-­‐kadmium, NiMH för Nickel-­‐metallhydrid, CAES för kompress luft energi lagra, SMES för superconducting Magnetic energy storage, VRB för Vanadin redox-­‐batteri, ZnBr för Zinc-­‐bromine batteri, Na-­‐S för sodium-­‐
sulfur batteri, Zebra battery för High temperature battery(över 270°C), super cap för supercapacitors. 13 4. El-­‐nät Slutten av 1800-­‐talet begynte Sverige elektrifisering. Elektrisitet vokste fort ved hjelp av vann kraft i begynnelsen av 1900-­‐tallet og kraftverk ble transportert til over hele landet. Sverige total nett lengde er nesten 14 ganger rundt om i verden. Det videre kobles til rutenett over hele landet. Energibehovet i framtiden kommer til å være væravhengig ettersom kraften som nytter kommer fra sol og vind. Det skal kreves ny nettverk eller modernisering. Regjeringen har utført en del arbeid perioden 2013-­‐2014 for å ha oversikt om modernisering av nettverk (36). I dag nett består av tre nivåer: rutenett, regionalnett og lokalnett. 4.1. Stamnät (Rutenett) Rutenettet er høyspentlinjer som går over hele landet og består av 15 000 km slik som vi ser i figur 11. Med høyspentlinjer transporteres eller kjøpes energi med nabolandet. Spenningen på rutenettet kan være høy til 400 kV (37). Figur 11. Svenske Kraftnät (37). Fikk tillatelse fra Svenskenergi. 4.2. Regionala elnät (Regionale nettverket) Elektrisiteten bli transportert til regionale nettverk linjer fra rutenettet. Spenningen på linjer er mellom 130kV -­‐ 20kV. Noen av store industrifabrikker får sin spenning direkte fra det regionale nettverket (36). Fortum AB er ansvarlig for regionale strømnettet rundt i Karlstad. 14 4.3. Lokala elnät (Lokalnett) Elektrisiteten blir videre transportert fra regionale nettverk til lokalnettet. Her sendes strømmen videre til mindre industri, huset over hele byen og andre brukere. Strømmen blir gradvis transportert helt ned til 230V før det leveres til huset. Lokalnett ansvarlig firma i Karlstad er Karlstads El och stadsnät AB i det området vi ser i figur 12. Hvis flere hus skal levere strøm til el-­‐nett fra solceller, det skal stortsett påvirke på lokalnettet. Derfor modernisering av lokalnett må skje raskere enn andre rutter (36). Figur 12. Karlstads El og Statsnåt AB lokalnett ansvarlig området (36). Fikk tillatelse fra Karlstads El och Stadsnät AB. Det finnes forskjellige typer lavspenningsanlegg nettverk i Sverige, men vi tar for seg de to mest aktuelle. Første et radielt nettverk, hvor kundene er koblet til en avgrening som strekker seg fram til siste kunde. Det andre er sløyfe nettverk, hvor kundene er koblet i en lang strekning og får strøm fra to retning. Hvis det oppstår et problem i en del av sløyfe nettverket, vil resten av husholdningene fortsatt kunne få forsyning til feilen rettes. Sløyfe nettverk har flere fordeler enn andre nettverk, ulempen er at det er mer kostbart. Andre nettverkstype fungerer ikke like effektiv, da alle kunder som er koblet til sløyfe nettverket får like strømkvalitet, mens i andre nettverkstyper synker strøm kvaliteten til de husene er lengst fra nettstasjonen. I Sverige begge nettverk typen blir brukt (38). Dagens nettstasjoner og kabler er tilpasset best for nåværende strømbehov fra kunder. Når det er mye/høg belastning i et område, utvides nettet med en ny transformatorstasjon. Transformatorene er vanligvis 500 eller 800 kVA generelt. Lavspenningsbryter i stasjonen er en effektbryter og høyspenning er med relevern. Lavspentkabler som er installert vanligvis 240 kvadrat til distribusjonskabler (målinger fra transformatorstasjonen til kabel boks). Kablene er festet ved trigger betingelser (henvist fra Karlstads El och Stadsnät AB). 5. Utförande Prosjektet er gjennomført som en gruppeoppgave, hvor gruppen består av to personer. Hver av oss skrev på sitt eget språk norsk og svensk. Vi møtet en gang i uka for å samle arbeidet vi hadde utført og planlegge videre arbeid, slik at prosjektet ble jevnt fordelt mellom oss. Det har blitt brukt mange forskjellige metoder for å oppnå prosjektets mål. Metodene kan dels inn i tre deler, litteraturstudier, studiebesøk og kurs. 15 5.1. Litteraturstudier Vårt prosjekt er basert på forskning og fakta. Vi undersøkte fakta fra tidligere prosjekterer som har blitt gjort i forskjellige land, Norge, USA, Sverige, Tyskland og mer. Alle prosjektene hadde forskjellige innhold, hvor vi brukte og henviste til den del av prosjektet var nyttig for oss. En del bøker ble også brukt for å få mer kunnskap om solseller. Alt materieller som ble brukt i prosjektet har blitt referert til, og ligger i referanse delen. En del figurer og grafer ble brukt i prosjektet fra forskjellige nettsider og prosjekter, hvor vi tokk kontaktet med de respektive selskapene/personene for å få tillatelse til å bruk deres figurer i vårt prosjekt, se på appendix D. Før vi begynte å skrive oppgaven, hadde vi ingen kunnskap om solenergi eller solceller. Vi fant en nett basert kurs om solenergi ved Delft University of Technology, Nederland, hvor de underviste grundig om sol, solstråling og solenergi. 5.2. Studiebesök Prosjektet ble utført i samarbeidet med Karlstads El och Stadsnät AB. Vi møtet jevnlig med ansvarlig personen Sune Bergerland i selskapet. Der ble vi veiledet, fikk ideer, tips og hjelp når det var nødvendig. Gjennom Sune møtet vi også med Christer Bergerland som jobber i Fortum, Corporate Technology & Innovation. Han har forsket på solceller og hadde kunnskap å bidra med i det området. Han presenterte oss for Fortum og deres solcellerinvesteringer, videre prosjekter, fordeler og ulemper med solcelleanlegg, samtidig som vi fikk flere eksempelprosjekter som ble nyttig for vårt prosjekt. 5.3. Kurs om elsstörningar Det ble arrangert kurs av Karlstads El och Stadsnät AB for sine ansatte, hvor vi også ble invitert. Kurset ble gjennomført av Metrum Sweden AB, som omhandlet grunnleggende vurdering av nettkvalitet og de svenske forskrifter om god kvalitet EIFS2012. Videre i kurset gikk de gjennom av Metrum’s måleinstrumenter, instrumentkonfigurasjon, systemadministrasjon og databaseanalyse. 6. Analys av olika faktor, simuleringar, mätningar, rapporter från olika källor Simuleringar och mätdata har hämtats från rapporter från examenarbeten, PECAN STREET (forsknings och utvecklingsorganisation i USA), Glava Energy Center, boken Integration of distributed generation in the power system, EV27, NEPP och från olika webkällor. 6.1. Analys av Mikrosolpanelers påverkan på elnät Data från ”Analys av solcellsanläggningars påverkan på elnätet” rapporten (39). I tabell 7 visas en sammanfattning av simuleringsdata från rapporten. Analysen bygger på data från två områden under tiden 22 juli 2012 klockan 12 till 15 med olika solcellseffekter. Simuleringarna visar liknande resultat från båda områdena med skillnaden för solcellsanläggningars acceptans gräns, vilket innebär att Hagalundsområdet 16 har mer kapacitet för att installera solcellanläggningar än Zakrisdalsudden. Kortslutningseffekten vid Hagalund är dubbelt så stor som på Zakrisdalsudden vilket är en avgörande faktor för solcellsanläggningarnas acceptansgräns, se tabell 7. Det finns inte mycket skillnad i resultaten om man kopplar solceller med olika inkopplingsmönster. Nätlayoutschema för Zakrisdalsudden kan ses i appendix C. Tabell 7. Sammanfattade simuleringsdata för Zakrisdalsudden och Hagalund i Karlstad. Transformator beteckning Transformator märkeffekt(kVA) Antalhus anslutna solcellsanläggningar(st) med simuleringar Medelenergiförbrukning per år och hus i området (kWh/år) Minsta energiförbrukning per år och hus i området (kWh/år) Största energiförbrukning per år och hus i området (kWh/år) Trefas skenbar Kortslutningseffekt (kVA) Simulerad solcellpaneleffekt med trefas växelriktare (kW) Simulera solcellpaneleffekt med enfas växelriktare (kW) Simulerings datum och klockan för last profiler Simulerings program Zakrisdalsudden T477 315 31 Hagalund T255 800 68 14030 8214 13230 21543 28109 6770 5, 10, 15, 14727 5,10,15,20 2,3,4,5 2,3,4,5 2140 22juli 2012, kl.12:00–15:00 dpPower dppower Resultaten från rapporten visar att överspänning uppstår när många solcellsanläggningar med trefas växelriktare kopplas in i det lokala elnätet. Störst överspänning drabbar de hus som ligger längst från transformator-­‐
stationen medan de hus som ligger närmast transformatorn får minst överspänning. Figur 13. Jämförelse av spänningsnivå mellan kabelskåp 3352-­‐1 (vänster) och 3397-­‐8 (höger). Tagen med tillstånd från Ulf Jansson och Johan Andersson. I figur 13 visas en jämförelse av spänningsnivån i två kabelskåp med olika avstånd till den matande transformatorn på Zakrisdalsudden. I kabelskåp 3352-­‐1 (vänster), som befinner sig närmast transformatorn, ligger spänningsnivån under gränsvärdet 253 V, medan den i kabelskåp 3397-­‐8 (höger), som befinner sig längst från transformatorn, passerar överspänningsgränsen när antalet solcellanläggningar är över 28 st med en effekt på 15 kW. I Hagalund klarar nätet däremot överspänningen när solcellernas effekt är lägre än 15 kW men inte om den uppgår till 20 kW. Resultatet av simuleringarna visar att man kan ansluta större solcellsanläggningar till ett starkare nät, dvs. ett nät med högre kortslutningseffekt, utan att det inträffar överspänning. Samtidigt visar resultatet att man inte kan ansluta hur stora solcellsanläggningar som helst till ett elnät utan att det uppträder överspänning. Dessutom visar resultat från simuleringar att transformators belastning ökar när elförbrukningen i nätet var som lägst medan elproduktion från solcellerna var som högst. 17 Figur 14. Transformatorbelastningens prestanda vid inkoppling av olika solcellseffekter på Zakrisdalsudden. Tagen med tillstånd från Ulf Jansson och Johan Andersson. I figur 14 visas att den lila linjen för transformatorbelastningen var betydligt bättre jämfört med andra linjerna, eftersom elförbrukningseffekten var hög i nätet under den dagen och installerad solcellseffekt i området inte var större än transformatorns effekt. Transformators belastningstillstånd är avgörande faktor för livslängden på transformatorn. Resultat från simuleringen för Hagalunds transformatorbelastning visar liknande resultat som Zakrisdalsudden. Simuleringsresultat visar vidare att användningen av enfas växelriktare för solcellanläggningar har betydligt större påverkan på det lokala elnätet än användningen av trefas växelriktare. Enfasväxelriktare kan orsaka väsentligt större obalanser i spänningen mellan fasledarna på grund av att effektmatningar har skett i en enda fasledning. Detta kan vi se i figur 15. Figur 15. Enfas växelriktares påverkan i området Zakrisdaludden. Tagen med tillstånd från Ulf Jansson och Johan Andersson. Av figur 15 framgår att spänningsnivån i fas U3 är 248 V (grön) medan fas U2 (röd) och fas U1 (blå) är under 241 V. Skillnaden i fas-­‐till-­‐jord-­‐spänning mellan U3 och de två andra faserna är alltså 7 V om vi antar att U2 och U1 är lika. Den lila linjen i figur 15 visar en obalans i spänningsnivån upp till 0,5 % i det aktuella kabelskåpsområdet. Obalans i spänningen börjar uppträda när antalet anslutna solcellsanläggningar är över 17 st. Dessutom visar resultat att osymmetrin i spänningen blir betydligt mindre när man kopplar växelriktare i olika faser för olika anläggningar i turordning. Då blir obalansen i spänningen mindre än 0,2 %, och systemet klarar 31 st anslutna anläggningar på Zakrisdalsudden. 18 PECAN STREET simuleringsdata (40) PECAN STREET är en forsknings-­‐ och utvecklingsorganisation som drivs av Texas universitet i USA. Deras huvudforskningsområde är vatten-­‐ och energiförsörjningssystem, och de har bland annat studerat olika energiförsörjningssystem för framtiden. I studierna ingår hur solcellsanläggningar påverkar elnätet under olika säsonger, men i denna rapport redovisar vi bara simuleringsdata för sommarsäsongen. Simulering har gjorts för Austinområdet i USA och antalet anslutna hus är 50 st. Varje solcellsanläggnings effekt är 5,5 kW. Simuleringsperiod är 1 juni – 31 augusti 2013. Simuleringarna har gjorts för att efterlikna ett verkligt scenario så nära som möjligt vilket innebär att de har räknat ut hur mycket el som faktiskt används i hemmet och hur mycket el som skickas tillbaka till nätet. Resultat från simuleringen visas i figur 16. Figur 16. Inverkan av solcellanläggningar på det elnätets förbrukningseffekter (kW) i under dagen från 1 juni-­‐31 augusti 2013 i Austin området. Tagen med tillstånd från Pecan Street Research Organization. Den blå kurvan i figur 16 visar hur mycket effekt varje hus drar från elnätet utan inkopplade solcellsanläggningar, medan den bruna kurvan visar hur mycket effekt som dras när husets solcellsanläggning kopplats in. De högsta elförbrukningstiderna i Austin visas med fyrkantigt skuggade området från klockan 15:00 till 18:00. Resultat från simuleringen (brun kurva) visar att det nästan inte dras någon effekt alls från elnätet mellan klockan 9:00 och 15:00 eftersom solcellsanläggningen genererar mer el än vad huset förbrukar under det tidsintervallet. Detaljer om hur mycket el solcellsanläggningen genererar, hur mycket som förbrukas i huset och hur mycket som levereras till elnätet framgår av tabell 8. Tabell 8. Solcellsanläggningarnas elproduktion, förbrukningar och pris data 2013 för sommaren i Austin. Månader Sol-­‐elproduktion/dag(kWh) Effekt levererad tillbaka till nätet Elförbrukning/dag (kWh) Effektförbrukning i hus från solcellsanläggningar Summan av pris sol-­‐el produktion($) Kostnaden($) för elförbrukning i hemmet Juni Juli Augusti 25,77 24,44 24,86 39 % 37 % 35 % 41,23 41,59 45,77 38 % 36 % 35 % 91,20 86,39 87,78 55.89 54,35 57,37 Tabell 8 visar att effektförbrukningar i hus från solcellsanläggningar är ca 36 % och den effek som levereras tillbaka till elnätet från solcellsanläggningar är ca 37 % vilket medför att man kan minska kostnaden för el under sommaren för privatpersoner. 19 Glava Energy Center mätningar (41) Under 2009 byggde Glava Energy Center (GEI) tre olika solcellsanläggningar och använde tre olika växelriktare i undersökningssyfte. Fortum AB är en av 11 samarbetspartners inom GEI, och de har gjort mätningar år 2011 för att undersöka solcellparkens påverkan på elnätet. Total består solparken av 500 solcellsmoduler med en effekt på 200 till 220 W vardera. Den sammanlagda effekten uppgår till 108,2 kW. I figur 17 visas solparkens layout med olika växelriktare. Växelriktare från ABB har kopplats till 400 solcellsmoduler med en total effekt på ca 86 kW. Av figuren framgår att ABB-­‐växelriktarna har större effekt än solcellsmodulerna. SMA-­‐växelriktare har kopplats till 20 solcellsmoduler med en sammanlagd effekt på 4,6 kW och Eltek-­‐växelriktare till 80 solcellsmoduler med en sammanlagd effekt på 17,6 kW. I denna rapport har vi bara tagit med mätningsdata från ABB-­‐växelriktarna eftersom data från de två andra anläggningarna saknas. Figur 17. Solparkens layout med olika växelriktare. Tagen med tillstånd från Christer Bergerland. Metrum instrument har används i mätningarna, och mätdata är från perioden 1 maj 2011 till 12 maj 2011. En solcellsanläggning på 87 kW är stor om man jämför med en solcellsanläggning på en villa, men vi kan anse att resultatet av mätningarna illustrerar hur ett antal solcellsanläggningar på villor tillsammans påverkar det lokala elnätet. Mätningarna har utförts under riktigt scenario och kommer därför att ge en mer tydligt bild av händelser vid anslutning av solcellsanläggningar. Andelen uppmätta övertoner i spänningen framgår av figur 18. Figur 18. Totala övertoner i spänningen på det lokala elnätet vid anslutning av solcellsanläggning. Tagen med tillstånd från Christer Bergerland. 20 Den högsta övertonsnivån inträffade i ledning U3 med 2,7 % den 5 maj, och alla andra spänningsövertoner var mindre än 2,5 % i figur 18. Vi ser också att övertoner varierar under olika dagar, vilket innebär att vissa dagar kan ha mindre övertoner och andra dagar kan ha mer övertoner, men alla övertoner som uppträder under mätningarna ligger under gränsvärdet 8 % vilket innebär att solcellsanläggningen inte orsakar oacceptabelt mycket övertoner på elnätet. Mätningarna visar vidare att det finns flimmer på elnätet vid anslutning av solcellsanläggningar. Spänningsflimmer på långtid och korttid vid anslutning av solcellsanläggningar kan ses i appendix C. Flimmervärdet varierar under olika dagar, men både långt och kort flimmer ligger under värdet 0,8 vilket innebär att de ligger inom acceptabla gränser. Solceller producerar inte bara aktiv effekt utan också reaktiv effekt på grund av att elektronikkomponenter som transistorer från växelriktare genererar reaktivt effekt. Därför har det visats i mätningarna hur mycket som levereras av aktiv effekt, reaktiv effekt och skenbar effekt till elnät från växelriktare. Dessa mätresultat kan ses i figur 19. Figur 19. Mätresultat för solparkens effektpåverkan i lokalnätet. Tagen med tillstånd från Christer Bergerland. I figur 19 ser vi att solcellsanläggningen har producerat aktiv effekt (röd) och förbrukat viss reaktiv effekt (blå). Den totala skenbara effekten (grön) uppgår till 87 kVA, vilket är något mer än märkeffekten på ABB:s växelriktare. Det är viktigt att notera hur växelriktares storlek påverkar det lokala nätet. Dessutom visar kurvorna hur stora effektvariationer som har förekommit under dagen beroende på växlande molnighet. Variationerna är mindre under perioden 7 maj och 10 maj än under de andra dagarna. Simuleringsdata från ”Hosting capacity for photovoltaics in Swedish distribution grids ” av Tobias Walla (42) Tobias Walla har använt Matlab och Power Grid program som är från Fortum AB i rapporten. Däremot har han tagit verkliga kabelimpedanser i sina simuleringar med hjälp av Fortum AB för att få mer exakta bilder av verkligheten vid anslutning av solcellsanläggningar i elnätet. Simulering har gjorts på tre olika områden med worst case scenario där nätet har minsta belastning medan elproduktion från solcell är max. Dessutom är väderdata, kabeltemperaturdata och solcells optimala läge också inkluderade i simuleringen. Områdets information och data visas i tabell 9. 21 Tabell 9. Sammanfattaning av simulerings områdes data. Data Antal hus Antal lägenheter Mean el-­‐konsumtion(kWh/yr) Antal noder Antal branches Växelriktare verkningsgrad Solcell Array tilt och verkningsgrad Array förlust Albedo(reflexionsförmåga) Simulering Datum och timmer Last effekt faktor Stadsnät(Stockholm Royal seaport) 8 400 3,5 11 10 97 % °,
30 90 % 10 % 0,2 Juni den 30, mellan 12 till 13 0,95 Villors nät(Bromma/Stockholm) 176 Inget 19,1 215 214 97 % °
30 , 90 % 10 % 0,2 Juni den 30, mellan 12 till 13 0,95 Landsbygdsnät(Värmland) 312 inget 13,5 73 72 97 % °,
30 90 % 10 % 0,2 Juni den 30, mellan 12 till 13 0,95 I figur 20 redovisas resultatet från simuleringen, nämligen spänningsnivån som funktion av avståndet från transformatorn. Där framgår att spänningen ökar mest i de områden som ligger längst från transformatorn och passerar gränsvärdet 1,1 pu inom villabebyggelsen (suburban grid) och landsbygdsnätet (rural grid), medan stadsnät (city grid) bara utsätts för måttliga överspänningar. Figur 20. Spänning i ledningar som funktion av avståndet från transformator. Tagen med tillstånd från Tobias Walla. Av simuleringarna framgår att spänningsökningen beror på den installerade solcellseffekten uttryckt i procent av den genomsnittliga effektförbrukningen under året inom respektive område. Kurvorna i figur 21 visar tydligt att ju mer solcellsanläggningar man installerar desto högre spänning uppträder i områdena. På den horisontella axeln är solcellsanläggningarnas kapacitet i procent avsatt. Den röda linjen anger gränsen för acceptabel överspänning. När solcellsanläggningar är över 60 %, börjar spänningen passera den röda linjen både inom villaområdet och i landsbygdsnätet men i stadsnätet passeras gränsen inte i det här fallet. Figur 21. Spänningsnivå som funktion av solcellsanläggningar i procent. Tagen med tillstånd från Tobias Walla. 22 Simuleringsresultaten visar att det inte bara är överspänning utan att ledningar också får överbelastning och övervärmeproblem när solcellsanläggningar ökar i de respektive områdena. I figur 22 visas att stadsnätets och villaområdets nät drabbas hårdast av överbelastning och överhettning medan landsbygdsnätet klarar värmeproblemen i ledningar så länge de installerade solcellsanläggningars effekt inte överstiger 70 %. Kablarna i landsbygdsområdet är tydligen större och därmed tåligare för övervärmen än vad som är fallet i de andra två områdena. Figur 22. Överbelastning och övervärmen i ledningar visas som funktion av ökande solcellsanläggningars effekt i procent. Tagen med tillstånd från Tobias Walla. Resultaten visar att solcellsanläggningar påverkar på det lokala elnätet på olika sätt beroende på valet av nätverksparameter som prestandaindex. I figur 23 visas en sammanfattning av solcells effekt acceptansgräns i de respektive områden som procent beroende på olika val av prestandaindex såsom spänning och överbelastning. När man väljer överspänning som prestandaindex, uppnås acceptansgräns för solcellsanläggningas effekt på 325 % i stadsnätet medan villors nät och landsbygdsnät uppnår bara har 60 % acceptansgräns. När man väljer överbelastning och övervärmen i kabel som prestandaindex, uppnår solcellsanläggningars effektacceptansgräns i landsbygdsnät på 70 % medan stadsnät och villors näts hamnar i intervallet mellan 20 % och 30 %. Figur 23. Sammanfattning av solcells acceptansgräns för olika prestandaindex. Tagen med tillstånd från Tobias Walla. Analys från Integration of distributed generation in the Power system Bok (43) Hur mycket solcellseffekt som kan inkopplas på det lokala elnäts område utan att försämra elkvalitet beror på kabelns tvärsnittsarea och längden från 400 V skenan vilket innebär att man kan koppla mer solcellsanläggningar 23 effekt i de områden som har stora kablar och korta avstånd från 400 V skenan än i de områden som har mindre kablar och långa avstånd från 400 V skenan. I tabell 10 visas hur kablars tvärsnittsarea och avstånd från 400 V skenan medför spänningsökning på 1 % i enfas ledning. Tabell 10. Spänning ökning med 1 % och Solcells effektacceptansgräns per fas i olika ledning beroende på tvärrsnittarea och avståndet från 400 V skenan. 2
Area (mm ) 25 50 120 240 50 m 16 KW 32 KW 76 KW 150 KW 200 m 3,9 kW 7,9 kW 19 KW 38 KW 500 m 1,6 KW 3,2 KW 7,6 KW 15 KW 2 km 390 W 790 W 1,9 W 3,8 W Belastning effekt 33 KW 47 KW 80 KW 120 KW I tabell 10 visas tydligt att ju längre från 400 V skenan desto mindre acceptansgräns på solcellseffekten. Hur mycket övertoner som uppstår vid inkoppling av 100 kW solceller med växelriktare på det elnätet kan ses i figur 24. Det är tredje och femte övertonerna som är dominerande men de är mycket mindre än de som alstras av vanlig lågspänningsutrustning (t.ex. tv) så resten av spektrumet har en brusliknande karaktär med jämna och udda övertoner av samma storleksordning. Figur 24. Övertoner spektrum av solceller system (44). Omriktas av Zaw San Laphai. Anslutning av solcellsanläggningar på lokala nät kan orsaka fel i skyddssystemen för lokalnätet på olika sätt. De traditionella systemen i distributionsnät är dimensionerade baserade på överströmsskydd. I vissa fall bryter inte dvärgbrytare på fel och i andra fall bryter dvärgbrytare utan att fel uppstått i nätet. Dessutom är inställningar av skyddsutrustning inte gjort för tvåvägarseffektflödet så detta gör att det blir svårare att detektera fel för skyddsutrustningen (43). Vi har även skickat våra frågor om solcellsinverkan till Kraftpojkarna AB och Glava Energicenter via Sune Bergerland. Dessa frågor kan läsa i appendix A. 6.2. Analys av tillämpningen av elbilbatteri som effektreserv. Analys av tillämpning av elbilbatteri som effektreserv gäller bara för privata hus vilket innebär att man vill lagra el-­‐energi i batteri när solceller producerar överskott av el på dagen och förbruka den energin på natten när solceller inte producerar el. Det finns tre olika scheman för solcellskraft. Om man vill använda elbilbatterier som reservenergi med solceller, behöver man dimensionera solcellers system enligt figur 25. Det är ett lite annorlunda system jämfört med nätanslutna solcellsanläggningar och självförsörjande solcellssystem (1). 24 Figur 25. Schema för hybrid solcellssystem (1). Tagen med tillstånd från Deft university of Technology. Den här typen av system består av en särskild växelriktare (Bimodal inverter) som är annorlunda mot nätkopplade växelriktare (Grid-­‐tie-­‐inverter) för att kunna använda batteri som effektreserv. Dessutom måste man ha en laddningskontrollutrustning för att skydda batteri och blockera backström för solceller. Hur många batterier som behövs för att leverera el till hus beror på solcells utspänning och batteriets storlek vilket innebär att om man har 24 V utspänning från solceller, behöver man 2 stycken batterier som är 12 V. Batterier kan kopplas i serie eller parallell beroende på husets elförbrukningfaktor. Om man kopplar batterier i serie, kan man höja spänningsnivån medan strömen är konstant (45). Man kan höja strömnivån om man kopplar batterier parallellt medan spänningen är konstant vilket innebär att komponenter i huset kan få elenergi under längre tid (46). Växelriktarens effekt ska vara i samma storlek som uteffekt från batterier men ibland använder man även Boost växelriktare när utspänning från batterier är låg. De flesta elbilbatterier består av flera batterimoduler som kopplas i serie för att få så hög spänning som mjöligt. Spänningen och urladdnings ström från bilbatterier är beroende på bilstorleken och bilmärken. I tabell 11 visas olika elbilars batteristorlek och typ (47) (48) (49) (50) (51) (52). Tabell 11. Elbilsbatteriers utspänning och batterietyp hos olika bilmärken (47) (48) (49) (50) (51) (52). Bilmärken Toyota Prius Toyota highlander Ford Escape Honda insight Nissan leaf BMW i3 Tesla S Batteris Typ Nickel-­‐metallhydrid Nickel-­‐metallhydrid Nickel-­‐metallhydrid Nickel-­‐metallhydrid Litium-­‐jon Litium-­‐jon Litium-­‐jon Antal celler 168 240 250 120 192 12 7104 Utspänning(V) 201,6 288 330 144 364,8 360 402 Vikt(kg) 53,3 69 50 34,4 294 230 544 Vi kan se att utspänningen från elbilsbatterier varierar med olika storlek i tabell 11 vilket innebär att urladdningsström också varierar eftersom batteriers effekt beror på spänning och ström. De flesta elbatterier är fastmonterade kompakt under bilens kabin för skyddsändamål. Högspänning från elbatterier gör att man ska ha extra försiktighet vid underhåll på grund av att batteriers effekt kvar upp till 10 minuter (48). Därför är det en anledning att elbil är utrustad med plug-­‐in kontakt för att ladda batterier med hög säkerhet syfte. Dessutom finns elbilfordons plug-­‐in kontakt för enfas och trefas vilket gör att laddningstid, ström och spänning varierar mellan elfordon. Många elbilstillverkare är intresserade av att bygga en elbil som kan användas både för transport och som effektreserv för hus. Nissan i Kanada har samarbetat med kanadensiska elbolaget PowerStream och visat i verkliga livet hur en Nissan Leaf utrustad med rätt laddstationen kan kommunicera 25 mellan elnät och ett hus för att fungera som en reservkraftkälla. Dessutom påstår Nissan att 24 kWh el som lagras i ett Leaf batteri, kan driva ett typiskt hus cirka 24 timmar utan att husägaren behöver spara på strömmen. Den speciella laddstationen som används för detta klarar nog att köra hushållsapparater såsom kylskåp, mikrovågsugn, vattenkokare, hårtork och torktumlare på samma gång (53). Tesla är också intresserad av att tillverka sådana elbilar så de har redan börja testa sin bil och påstår att den kan komma på marknaden inom några år (54). 6.3. Påverkan av elbil på elsystemet EVS 27 data analys (55) Rapporten har använt Excel programmet med olika parameterinställningar för att få inblick om hur elbilbatteriladdningsmönster påverkar det lokalelnät. Simuleringsmodellen består av anslutningspunkter, transformator, kablar storlek, batterieffekter och kopplingsschema och kan ses i figur 26. Figur 26. Simulering modell och koppling schema för elbilsbatterier påverkan på det lokala elnätet. Tagen med tillstånd från Gillian Lacey, Northumbria University. Simuleringen har gjorts på olika tider på grund av att belastningen varierar med tiden i elnät. Högst belastning i elnät antas mellan klockan 18:00 och 19:00. Första simuleringsresultatet visar att spänning faller under gränsvärdet i punkterna (node) 5,6,7 medan ström stiger över gränsvärdet vid punkt 2 där kabeln är utformad för att ha störst storlek som är ca 300 mm2, och transformator överbelastas när 20 procent av 3 kW batterier laddas vid 18:00 under tid med hög belastning. Andra gångens simuleringsresultat visar att spänning faller under gränsen i nästan alla punkter utom punkt 2 och strömmen stiger över gränsen i punkterna 2, 3, 4 och transformator överbelastas när ytterligare tillägg av 20 procent av 7 kW batterier tillsammans i första simuleringen och laddar batterier vid kl. 22:00 under tid med låg belastning. Tredje simuleringsresultatet visar likadant som första simuleringsresultatet när 20 procent av 20 kW batterier laddas i områdena. Sista simuleringsresultatet visar också likadant resultat som första gången. Spänningsfall uppstår vid de punkter som är längst från transformator och överström uppstår vid de punkter som är nära till transformator när 50 kW batterier laddas på snabbt sätt i områden. Resultatet blir annorlunda när man gör simulering vid låg belastning vid 23-­‐tiden för 20 % av 3 kW batterier, då nätet har klarat sig med endast smärre påverkan av elkvalitet (55). Om antalet elbilar ökar i framtiden, så kommer förbrukning av el också att öka i elsystem på grund av behov att ladda elbilbatteri. Enligt analyser från NEPP-­‐rapport i december 2013, kan 600000 elfordon leda till effektbehov på 1000-­‐1500 MW, om elbilar laddas på icke-­‐styrt sätt. Därför kan en icke-­‐styrd laddning av elfordon orsaka 26 problem, såsom spänningsfall och överström, för distributionssystemet i vissa områden. Det visas i studier av David Steen från Chalmers. Icke-­‐styrd laddning innebär att man laddar sin bil under högbelastningstider (28). Vissa elbilsägare laddar sin elbil i enfas-­‐uttag och vissa ägare laddar med trefas-­‐uttag. Dessutom kan några hus ha egen mini-­‐laddstation såsom dubbelladdare från Tesla vilket är det största problemet för elnät som har dimensionerats för en liten belastning, enligt Kevin Bullis på MIT Teknologi Review. Dessutom påstår han att sådan laddningsbox kan förbruka effekt som motsvarar tre villahus effektförbrukning i vissa fall (56). Effektbehovet i de områdena kommer att blir väldigt stort så att andra delar av området kan drabbas av detta. Laddningsgrad och ström för dubbelladdare från Tesla kan ses i tabell 12. Tabell 12. Laddningsstations information från Tesla (57). Laddningseffekt (kW) 3,7 7,4 11 22 Räckvidd i kilometer per laddningstimme 18 36 55 110 Spänning (AC) 230 230 400 400 Faser 1 1 3 3 Ström (A) 16 32 16 32 Tabell 12 visar hur en snabbladdning behöver mycket större ström. De högre strömmarna gör att elnätet kan bli överbelastat och kan medföra obalans i de områdena. Dessutom belastas transformator och termiska problem i kablar. Normalladdning, vilket innebär att man laddar sakta under hela natten, ställer inte till större problem på det el-­‐nätet, visar Kevin Lorenzos rapport (58). 6.4. Analys av solcellsframtiden i Sverige. Om vi ser på figur 27 och 28 från Energimyndigheter, ser solcells framtid lovande ut i Sverige. Figur 27. Installerad solcellskapacitet i Sverige (57). Tagen med tillstånd från Johan Lindahl. Figur 28. Prisutvecklingen för solcellsystem i Sverige (58). Tagen med tillstånd från Johan Lindahl. Solceller har en exponentiell tillväxt. Solcellskapaciteten fördubblas för fjärde året i rad. Under 2014 installerades det totalt 36,2 MW solcelleffekt i Sverige, varav 1,1 MW var fristående system och 35,1 MW nätanslutna. Den totala kapaciteten uppgick till 79,4 MW i slutet av 2014, av vilket 9,5 MW är fristående och 69,9 MW är nätanslutna system. Investeringsstöd till solceller och skattereducering från myndigheter är faktorer som ger en ökning av solcellssystem, se i figur 27. Dessutom ser vi i figur 28 solcellers pris per Watt också har sjunkit rejält under senaste året. Elproduktion från solceller är bara drygt 0.06 % vilket är väldigt lågt jämfört med vindkraft som har 6 % elproduktion i 2014, vilket ses i figur 29 (59) (60) (61). 27 Figur 29. Total elproduktion från olika kraftstationer i Sveriges (61). Riktas av Zaw San Laphai. I figur 29 ser vi att den totala elproduktionen i Sverige 2014 var ca 150,9 TWh. Elproduktionen från kärnkraft är ca 38 % av totala elproduktionen i Sverige vilket är 2,2 % mindre än 2013 (61). Denna ändring av kärnkraftens elproduktion är ett resultat av att politikerna vill ha ett mer hållbart energisystem i Sverige. Bortom 2020 är ett mål för Sverige och Norge för att ha mer hållbart energisystem. I figur 30 ses att detta gemensamma mål är att förnybar elproduktion ska vara 26,4 TWh till 2020. Detta är en anledning till att fortsätter bygga förnybar elkraft trots att elpriset har gått ner. Under 2014 producerades ca 3,3 TWh förnybar el i Sverige (62). Energimarknadsinspektionen (Ei) fattade ett beslut i början av mars 2015 om anslutning av mikroproduktion. Beslutet innebär att elnätföretaget inte har rätt att kräva kostnaderna för förstärkning av nätet, i detta fall cirka 100000 kronor utan det ska vara kostnadsfritt med inkoppling av solcellsanläggning up till 25 kW till elnätet (Energimarknadsinspektionen, 2015). Stödnivå från och med den 1 januari 2015 är maximalt 30 % till företag och högst 20 % till övriga vilket är väldigt negativt för privatpersoner som skall installera solcellssystem i sitt hus. Dessutom är stödet rambegränsat vilket innebär att det kan ges så länge de avsatta pengarna räcker. Priset på solcell och växelriktare från Vattenfall Ab visas i figur 31. Privatpersoner som levererar el till nätet kan få 60 öre extra per KWh enligt 2015 skattereduktionsregler nya vilket kan motivera privatpersoner som vill installera mer solceller i sitt hus i framtiden (65). Figur 30. Energimål Bortom 2020 för Sverige och Norge (Ebenå). Tagen med tillstånd från Energimyndigheten. Figur 31. Solcellspaket pris för olika effekt hos Vattenfall AB (Vattenfall). 28 7. Lösningsförslag för elnät kvalitetsproblem Alle elektriske apparater som er koblet til el-­‐nettet påvirker strømkvaliteten som blir levert fra kraftsystemet. Innvirkning av solceller i el-­‐nettet er avhengig av produksjonens kvalitet, plassering, mengden av tilbakeført strøm og hvor mange hus som leverer (21) (66). Derfor finnes det lover og regler for riktig installasjon av solceller. Det er en rapport i Sverige som heter ”Anslutning av mikroproduktion till konsumtionsanlaggningar – MIKRO”. Der kan man finne regler og anbefalinger for de som skal installere solceller (16) (19). Alle som planlegger å installere solceller må ta kontakte med det lokale el-­‐nettet for gi informasjon om anleggets kapasitet og tilkoblingsinformasjon. Det stilles krav om at montasje skal utføres av fagarbeidere. El-­‐nett kvaliteten bør kontrolleres før det kobles til nettet slik rapporten anbefaler, se i figur 32. Følgende informasjon fikk vi fra Karlstad El och stadsnät AB om nett; ”Dagens el-­‐nett blir kontrollert hvis det oppstår noe problem hos kunder”. Videre anbefales det at framtidens el-­‐nett kvalitet bør kontrolleres regelmessig eller at det kan installeres målere på utvalgte plasser som sender data direkte til kontoret hvor det kan kontrolleres med en gang. Da kan lokalnett ansvarlige medarbeidere få rask kontroll over problemer når det oppstår. Hvis ikke det nødvendige tiltakene blir utført kan konsekvensen blir store, hvor dårligere spenningskvalitet kan føre til redusert levetid ellers ødeleggelser for elektriske utstyr (16) (19). Figur 32. Tilkoblingskjema for ny plusskunder (16). Tegnet av Sedat Polat. 7.1. Trefase eller en-­‐fase El-­‐nett systemet består av trefase vekselstrøm. Tre-­‐fase er nyttig og har flere fordeler i forhold til energioverføring. Derfor er det vanlig at boligers elektriske system består av tre-­‐fase, noe som gjør tilkoblingen til el-­‐nettet lettere. En-­‐fase nettilkobling er ikke så enkelt hvor det harmoniseres med spenningen, også har det 29 en lavere virkningsgrad (67). Det samme gjelder for solcelleanlegg. Strømoverskudd kan leveres til el-­‐nett i en-­‐
fase eller i tre-­‐fase. Hvis flere en-­‐fase produksjonssystemer skal koblet til samme abonnement, bør de deles likt mellom fasene. Å fordele produksjonen på flere faser gir en bedre fordel når større mengder av produksjonen forbrukes lokalt i sin egen lokaler. Samtidig reduserer risikoen for spenningsproblem når produksjonen er koblet til flere faser. For å unngå spennings-­‐asymmetri bør en-­‐fase produksjons anlegg unngås i framtiden (16). 7.2. Växelriktare Vi har nevnte vekselretterens funksjon i et tidligere kapitel. Vekselretteren føler på el-­‐nettet og harmoniserer frekvens og spenningen. Derfor er valget av riktig velselretter veldig viktig for unngå støy i el-­‐nettet. En tradisjonell vekselretter produserer effekt med cos∅ = 1. Derfor har nettselskapene blitt mer opptatt av produksjon av reaktiv effekt fra solceller. I over 95 % av tiden, konverterer vekselretteren DC solenergi til AC aktiv effekt. I framtiden kan det kreves en slags smart vekselretter, hvor det omformer resten av kapasiteten til reaktive effekt. Reaktiv effekt er viktig for kraftsystemet for å forbedre maktfaktor og energieffektivitet. Derfor det kan være nyttig for nettselskapene den benytte reaktive effekten til å kontrollere spenningsnivået og dermed oppnå ønsket kvalitet effekt og sikkerhet (68) (69). Øydrift (Islanding) er en tilstand hvor en del av kraftnettet som solceller produsenter forbruker strøm og samtidig leverer strøm til el-­‐nettet. Et eksempel er at solceller fritt leverer strøm uten å ta hensyn til det er feil i nettet. Øydrift kan være farlig både for hjelpearbeidere hvis det skal reparere avbrudd i nett, og kan føre til elektriske skader i andre hus som er koblet til nettet. Det er derfor viktig at vekselretteren har anti-­‐Islanding for å avbryte strøm produksjon ved en feil tilstand i nettet. Vekselretteren kan oppdage dette på forskjellige metoder, for eksempel under-­‐ og over spenninger, under-­‐ og overfrekvenser, harmoniske forstyrelser eller et signal fra nettselskapet hvor de har to-­‐veis kommunikasjon til vekselretter (68) (69). For framtiden el-­‐nett sikkerhet bør installeres en type vekselretter som har slike spesifikasjoner. 7.3. Strömkabel och säkring Som nevnte tidligere er det Karlstads El och Stadsnät AB som har ansvar for lokalnettet i Karlstad. De gav oss informasjon om typiske kabler, sikringer og transformatorer som blir det brukt i dagen kraftnett, se i appendix B: 1, 2, 3, 4, 5, 6). Vi fikk også utlevert statistisk om tre privat bolig som har installert solanlegg i Karlstad, hvor vi ser strømforbruk og ingen innlevert strøm i el-­‐nettet, se i appendix B: 7, 8, 9, 10). Material liste : Ledning til stasjonen : N1XV-­‐AS 4X240 aluminiumledere. Sikring til stasjonen : GL-­‐GG 315. Transformator i stasjonen : 800 kVA, D YN11-­‐kobling .2 Ledning til bolig : N1XV-­‐U 4X10 kopperledere. Sikring til bolig : 25A IEC. Normalt solceller oppsett for en bolig : •
•
•
•
•
•
•
•
20 paneler, utgjør 35m2 35-­‐45 grader mot sør produserer 5kWh 30 Dagens el-­‐nett blir installert slik at det tåler maksimalt forbruk i hele året rundt. Hvis en bolig forbruker mer enn den skal, så går i verstefall sikringer av. Det samme kan skje andre veien også. Når det settes en sikring på utgangen til solanlegg som produserer og leverer strøm til el-­‐nettet, skal sikringen gå av hvis det leverer høyere strøm enn det sikringen tåler. I praktisk er det dyrt å installere en solcelleanlegg på et bolig takk for en privat person, og enkelte boligtak har begrenset plass. Det betyr at tydeligvis en privat person skal installere en solcelleanlegg hvor det er lønnsom for å dekke en del av sin energibehov. Samtidig må eieren ta hensyn til husets elektriske installasjon og sikringer. Derfor en privat person muligens ikke skal installere stor solcelleanlegg som kan fører til stor belastning i el-­‐
nettet enn tåler. Henviser til et eksempel fra Karlstads El och Stadsnät AB. For eksempel på en vinterdag ligger strømforbruket i en bolig på maksimalt ca. 8 kW, se i appendix B: 10. Ett typisk solcellepanel produserer ca. 5 kW på en solskinnsdag, se i opplysningene ovenfor. Når dette sammenlignes, ser man at strømforbruket er kjempe høyere enn eventuelt produksjonen. Tre av de solselleanleggene som er installert i Karlstad har ikke levert noen strøm til el-­‐nettet, til og med ikke på i sommertid. De har kun produsert strøm for eget forbruk, se i appendix B: 8, 9, 10. Konklusjon er at kraftnett har maksimal belastning på vintertid, og klarer fortsatt å levere riktig strøm kvalitet til kunder. Dette betyr at hvis flere boliger installerer solceller, vil nok kraftnettledninger og transformatorer skal tåle belastningen. 7.4. Spänningsvariation Tyskland er revolusjonerende på solcellesystemer. De er den første nasjonen som tilførte innmatningstariffer. Nettselskaper er pliktet å prioritere fornybar energikilder. I 2013 dekket solceller 5.8 % av strømproduksjon til landets energiforbruk. Tysklands solcellesystemer er tilknyttet til lokalnett slik som Sverige. På steder hvor det er mye produksjon og lite forbruk på dagen må det sendes videre til høyspenning, noe som kan føre til at generatoren leverer dårlige spenningskvalitet (69) (70) (71). Spenningsvariasjon er noe av det mest utfordrende for el-­‐kraft systemet. Produksjon fra solceller kan variere fort helt fra maksimum til null i løpet at noe sekund avhengig av når det går en sky forbi solcellene. Pluss produksjon fra solceller fører til økt spenning i nettet, og belastningen fører til lavere spenning. Elektriske apparater fungerer ikke riktig i lavspenning og kan bli ødelagt i høyspenning (69) (70) (71). Forskning fra Tyskland viser at økning av solcelleproduksjon ikke har påvirket planlegging av kraftmarkedet. Når solpanelsystemer blir mer utbrett, kommer det nok til å påvirke en eller annen måte. Derfor finnes det forskrifter slik at nettselskapene kan ha kontroll over dette. I Tyskland er det tillat med maksimalt 3 % spenningsøkning i lavspenning på grunn av solceller, i resten av nettet er spenningvariasjonen tillat ± 10 % slik som Sverige (69) (70) (71). Figur 33 viser en oversikt over den totale nettplanleggingen i praksis for spenningsfall og økning i alle nettnivåer. Forsterke nettet er en løsning for å minske mulig spenningsvariasjonen i nettet. Dette kan gjøres ved å bytte transformatoren med en større transformator med høyre kortslutningseffekt i det området der problemet finnes. En anen måte er å redusere nettverkets indre impedans (impedansen hos kunden vil da være bedre), og så redusere spenningsfallet i kabelen. Dette kan gjøres enten ved å bytte til en tykkere ledning eller legge en ny kabel parallelt med den eksisterende. En lavere impedans vil hjelpe nettet å tåle mer produksjon uten at spenningsvariasjonen blir for stor. Dette er en kostbart løsning for et nettselskap, derfor finnes det andre alternativer. 31 Trinning av transformatorene med spenningsregulerende distribusjonstransformatorer er et annet alternativ. Slike transformatorer kan justere spenningen innenfor tillate grenser uavhengig av belastede spenningsøkning fra solcellerproduksjon. Figur 34 viser fram hvordan spenningsendringer endres ved hjelp av slik transformatorer (69) (70) (71) (72). Framtidens el-­‐nett kanskje skal ha behov en slags transformator, hvor endrer spenningen døynrundt for å tilpasse etter produksjon fra solceller. Figur 33. Spenningsfall og økning for kraftnettet i Tyskland. Fikk tillatelse fra Reinhausen. Figur 34. Spenningsfall og-­‐ økning for kraftnettet i Tyskland med transformatortrinning. Fikk tillatelse fra Reinhausen. For eksempel en slik spenningsregulerende distribusjonstransformator kan finnes fra Reinbausen, med reguleringssystemet GRIDCON iTAP. Ved hjelp av spenningsmålinger kan det justere forholdet mellom øvre og nedre spenning i transformatorer under last og gjøre trinning av transformatoren for å endre spenningsnivået. En slik reguleringssystemet tar ikke så stor plass, muligens kan installeres i det nåværende nettstasjonen (69) (70) (71) (72) En annet alternativ for høg produksjon av solceller er automatisk utkobling av anlegget hvis det oppstår frekvens-­‐ eller spenningsavvik. I tyske forskrifter tillat frekvensutkoblingsgrensen på solcelleproduksjon i lavspenningsnett 50.2 Hz. Dersom produksjon av solceller blir så stor del av totale produksjonen, det må tas hensyn til slike påvirkninger (69) (73) (74). Static Var Compensators (SVC) er en annen alternativ for å benytte spenningsregulering, regulering av reaktiv effekt og pluss kan benyttes å unngå flimmer. SVC apparatet kobles der koblingspunkt solcellen til en-­‐nett (19). 32 7.5. Smart nät Tradisjonelle kraftnett ble bygget for cirka 100 år siden, og ble laget for å transformere strøm fra store kraftstasjoner til forbrukere. Med store kraftverk var det lettere å regulere produksjonen. Dagens strømproduksjon og forbruksmetode er helt ny, noe som gjør at det er behov for oppgradering og innføring av ny teknologi. Dette øker behovet for samspill mellom produksjon og forbrukere og fleksibilitet. Energi produksjon fra solceller forventes å øke. Smartnett skal hjelpe fremtidige utfordringer kraftmarkedet (75). Smartnett er et modernisert nettverk med toveiskommunikasjon, nye IT-­‐løsninger og teknisk utstyr som gjør det lettere for forbrukerne å ha kontroll over sitt eget energiforbruk, og kunne leverte strøm til el-­‐nett. Strømpriser er varierende både ved forbruk og salg til el-­‐nett. Kunder kan dermed benytte avanserte teknologien i smartnettet til å unngå bruke strøm på den mest dyreste tiden, og kunne regne ut om det lønner seg å levere strøm til el-­‐nett i det billigste tid. Smartnettet kan være med på å endre folks strømforbruksvaner. Folk kommer til å bruke strøm mere effektiv, noe som kommer til å føre varierende strømforbruk og belastningen på el-­‐nettet. Det kommer derfor til å bli lettere for lokalnett å regulere strømkvaliteten, og vil redusere nødvendigheten til å sende videre resten av strømmen til andre delen av landet når strømproduksjonen fra solceller blir høyere enn forbruket i lokalnettet. Slik kan de redusere egne kostnader, redusere behovet for ny kraftutbygging og spare miljøet. Derfor er smartnettet en god løsning for framtiden energioverføring (75). 8. Resultatet och diskussion Inverkan av solceller på det lokala elnätet från avsnitt 6 kan sammanfattas som: •
Överspänning •
Överbelastning av infrastrukturen (transformator och kabel) •
Osymmetrispänning •
Spänningsövertoner och flimmer •
Skyddssystemet kan indikera felaktigt avseende fel i elnät Av vår studie framgår tydligt att man inte kan ansluta hur mycket solceller som helst till ett lokalt elnät utan att få problem. Hur mycket solceller man kan ansluta innan något eller några av ovanstående störningar upträder beror på flera olika faktorer. Dessa faktorer är de anslutna solcellsanläggningarnas effekt, typ av växelriktare, antal soltimmar, belastningseffekt för ansluten bebyggelse och nätets infrastruktur (transformator, kabelskåp, kabeldimensioner och längder). Generellt kan man säga att överspänningar i högre grad drabbar de nätdelar som ligger långt från den matande transformatorn, medan överbelastning med påföljande överhettning oftare uppträder i nätdelar närmare transformatorn. Felindiaktioner från skyddsystemen vid anslutning av solceller är mycket vanliga eftersom de flesta skyddsutrustningar inte är gjorda för effekt som matas i båda riktningarna. Felidikaionerna kan i vissa fall leda till obefogade bortkopplingar med påföljande avbrott för anslutna kunder, i andra fall till utebliven bortkoppling trots att fel uppstått i systemet. För att undvika faror är det alltså viktigt att kontrollera skyddssystemen för det lokala nätet noga i samband med anslutning av solceller. Effektvariationer 33 hos solcellerna vid växlande molnighet kan orsaka övertoner och flimmer på elnätet, men i de fall vi studerat ligger dessa inom acceptabla gränser. Att ansluta solceller via enfas växelriktare med hög effekt kan orsaka osymmetrisk spänning i nätets faser och leda till överbelasning av kablar. Sammanfattningsvis har solceller förutom att de producerar elektrisk energi fördelen att de kan minska effektförlusterna i det lokala elnätet och avlasta den matande transformatorn när effektförbrukning i nätet är hög. Nackdelarna med solceller är att de är svåra att reglera, att de ställer nya krav på skyddssystemen och att de på olika sätt kan försämra kvliteten på spänningen i elnätet vilket i värsta fall kan leda till att hushållselektroniska apparater som TV och datorer går sönder i närliggande villaområden. Vilka åtgärder som kan vidtas för att undvika sådna problem har diskuterats i avsnitt 7. Framtiden för solceller i Sverige är osäker. Statligt stöd i form av skattereduktion för installation av solceller kommer enligt uppgift från Energimyndigheten bara att ges till och med år 2016. Detta kan leda till en minskning av investeringar i solceller och därmed till minskad omsättning för de företag som säljer solceller. När vi frågade ett antal personer om deras uppfattning om solceller, var de flesta skeptiska. De svarade att solen inte lyser så mycket i Sverige som i andra länder i Europa, och därför vill de inte investera i solceller trots att de kan få statligt stöd. Några tyckte att det är fult att ha solceller på taket. Sammanfattningsvis tror vi att ökningen av antalet privata solcellsanläggningar kommer att gå trögt i framtiden. Däremot kan solcellsinvesteringar på regional nivå komma att bli ett av de alternativ som används för att möta en minskad kärnkraftsproduktion. Resultat av elbilars påverkan på det lokala nätet från avsnitt 6.3 kan i korthet sammanfattas: •
Spänningen faller i de områden som är långt från transformator •
Snabb laddningstid belastar nätet mer •
Ökat effektbehov Analysdata pekar på att om laddning av elfordon sker utan någon kontroll avseende tid på dygnet eller laddningshastigheten så kan elnätets spänning falla under de föreskrivna gränsvärdena om laddningen sker vid den tid som har toppbelastning. Effektflöden kan orsaka termisk överbelastning av komponenter. Dessutom kommer effektbehovet att öka proportionellt mot elfordonsutvecklingen. Det innebär att ju fler elfordon i landet desto större effektbehov jämfört med idag och ändå mer om alla elbilar laddas utan att kontrollera tid, vilket kan medför sämre elkvalitet i vissa områden. Den viktigaste faktorn att ha kontroll på är snabbladdningens inverkan på elnätet, eftersom den kan leda till mycket sämre elkvalitet med avseende på spänning. Om antalet elbilar ökar i Sverige, kommer att öka förbrukning effekt i elsystemet. Därför ska man dimensionera framtidens elnät med avseende på snabbladdningens inverkan på elnätet Elfordonsutvecklingen har många fördelar, framförallt att den icke ersätter förnybara fossila bränslen med förnybar elkraft. Den kärver dock att man dimensionerar framtidens elnät för att klara snabbladdning av ett stort antal elfordon. Som vi har nämnde i avsnitt 3.2.3 pågår forskning om att använda elfordons batterier som effektreserv. Tanken är att elbilen som står på parkeringen utanför villan ska kunna leverera el till huset vid effektbrist, men för att det ska fungera krävs speciella elbilar som har byggts för detta syfte. Därför strävar dagens elbilstillverkare efter att tillverka bilar som både ska fungera som transportfordon och kraftreserv. Bilföretaget Nissan har i ett projekt i Kanada redan visat att det är praktiskt genomförbart. Som vi påpekade i avsnitt 6.2 ett problem när det gäller att använda elbilars batteri som effektreserv att utspänning och kapacitet hos batteriet inte motsvarar villans elförbrukningsmönster. Enligt data från Karlstad El och Stadsnät AB är energiförbrukningen hos en villa med elvärme under en dag ca 40 kWh, så elbilens batteri med sin lagringskapacitet på typiskt 16 kWh är för litet för att klara villans energibehov ens under en hel dag. Dessutom motsvarar urladdningsströmmen från ett 34 elbilsbatteri inte villans strömförbrukning, vilket ställer särskilda krav på dimensioneringen av kopplingskretsen om man ska använda elbilsbatteriet som reserv. Det finns andra möjligheter att använda elbilsbatterier som reservenergi genom att demontera elbilsbatterier från elbilen och montera dem i hybridsolcellssystem när elbilsbatterierna åldras och börjar ge sämre effekt (figur 25). Hybridsolcellssystem har stora fördelar både privat och för nätföretag eftersom överskottsenergi från solceller kan lagras i batterier och man kan ta ut energi när det finns ett behov. Dessutom kan elbilsbatterier bidra till att minska övertoner i nätet och öka stabiliteten. Nackdelen är kostnaden för komponenter och att det behövs plats för batteribank i huset. 9. Rekommendation Konklusjonen med kapitel 6 er det best å anbefale og kreve til solcelleanleggeierne for å føle forskrifter og regler ved solcellemontering. En slik rapport ble nevnt i kapital 7 Anslutning av mikroproduktion till konsumtions-­‐
anlåggningar – MICRO. Der finnes det alt om regelverk, standarder, krav til metning, dimensjonering av elnett og beregningsmetoder. En som skal installere solselle bør føle en slik rapport for unngå dårlig påvirkning i elnettkvaliteten. Etter privat personer installerer solcelleanlegg bør det kontrolleres om det har noe negativ innvirkning i elnettsystemet. I framtiden kommer antallet solselleinstallasjoner til å stige, men det er ingen garanti for at det påvirkes jevnt i alle området. Derfor må kraftnettet kunne tilpasse sitt system i forhold til påvirkninger i forskjellige områder. Slik som vi nevnte i kapitel 7, anbefales det at instrumenter installeres i de nødvendige områdene for å ha kontroll over at spenningsvariasjonen og frekvensen er innenfor kravet. Når det oppstår uforventede problemer noen steder, blir det lettere å grippe inn og finne en løsning. Videre nevnte vi i kapitel 7 en del løsningsforslag. Nettforsterkning var en av dem. Det kan gjøres ved å bytte til større transformatorer eller erstatte ledninger i nødvendige situasjon. En annen alternativ er trinning av transformatorene med spenningsregulerende hvor det kan justere spenningen innenfor tillate grenser. I framtiden kan det anbefales til staten om å forandre kravet om vekselretter. De kan krave en type vekselretter som leverer strømoverskudd i trefase og produserer en del reaktiv effekt. Pluss det bør inneholde sikkerhet spesifikasjon for øydrift (Islanding) tilstand og automatisk utkobling av anlegget hvis det oppstår frekvens-­‐ eller spenningsavvik. Et slik krav skal minske solceller negativ påvirker i el-­‐nettet i beste måte. 10. Slutsatser Elbiler og solceller påvirker forskjellige måter i elnett systemet. En som har elbil lader det storsett opp på kveldstid og solcelle produksjonen skjer på dagen. Elbiler er en belastning for el-­‐nett systemer og solceller påvirker med sin produksjon. Grunnen til at folk kjøper el-­‐biler er med hensyn på miljøvennlighet og kostnadsreduksjon. Hvis elbileierne får tildelt informasjon og anbefalinger om når er det best å lade opp bilen, hadde de sikkert fulgt de anbefalte tidene. Lader de opp bilen sin på dagen, vil solcellerproduksjons bidra til en lavere belastning på el-­‐nettet enn om de hadde ladet på kvelden. Samtidig det er vanskelig å bruke elbiler batteriet som reserveenergi. Fordi elbiler ladeuttak er ikke bygget for at slik belastning og pluss elbiler sin spenning og battarikapasitet er annerledes enn bolig strømforbruk makt. Omforme elbiler spenning til husforbruk skal være kostbart og farlig på grunn av batteriet høyspenningskapasitet. Så det kan planlegges å bruke elbiler batterier for å regulere elnettbelastnigen når solceller er på maksimum produksjon. 35 Vi henviste til resultater fra simuleringsprogrammer om solceller. Samtidig er det vanskelig å sammenligne teorien med reelle situasjon. Vi henviste i kapitel 7.3 til resultatet av 3 solcelleanlegg som har blitt installert av private personer i sin egen bolig. De har ikke klart å levere noe strøm overskudd til el-­‐nett, og har derfor kun produsert for eget strømforbruk. Med dette faktum bør det tas hensyn til hvordan de skal dimensjonere framtidens lokalnett. Vi tror det beste alternativet til en løsning er å installere overvåkningsutstyr på hvert tilkoblingspunkt, siden det kan hjelpe med å forebygge oppståtte problemer og unngå med kostbare investeringer i elektrisitetsnettverket. Framtiden el-­‐nett kommer til å bestå av smartnett. Overvåkningsutstyr skal også brukes i smartnettet. Derfor en slik investering skal forebygge oppståtte problemer nå tiden og samtiden gjøres el-­‐nettet klar for framtiden forventninger. 36 11. Referenser 1. Arnosmets. ET3034TUX:solar Energy Course från Delft university of Technology. Netherland : edx online course, 2014. 2. PVeducation. [Online] http://pveducation.org/. 3. Wurfel, Peter. Physics of solar cells. Germany : Wiley-­‐Vch, 2009. 9783527408573. 4. Gönen, Turan. Electric Power Distribution Engineering. 3. FL : CRC press, 2014. 9781482207002. 5. Andren, Lars. Solenergi. 4. Stockholm : Bulls Graphics AB, 2011. 9789173334730. 6. Madsen, Morten Vesterager. plasticphotovotaics. [Online] http://plasticphotovoltaics.org/lc/lc-­‐solarcells/lc-­‐
introduction.html. 7. Elforsk. Snabbguide för den intersserade. sweden : Svensk solenergi, 2011. http://www.svensksolenergi.se/upload/pdf/Solceller-­‐snabbguide-­‐rev20110503.pdf. 8. Solar Power. [Online] http://www.mpoweruk.com/solar_power.htm. 9. Nettilknyttet solcelleranlagg. Getek. s.l. : Net74, 2012. http://www.getek.no/brosjyrer/NettilknyttetSolcelleanlegg.pdf. 10. Teknologi-­‐Fornybar. [Online] http://www.fornybar.no/solenergi/teknologi. 11. energi, Skolelaboratoriet for fornybar. Solceller . s.l. : Universitet for miljö-­‐ og biovitenskap. 12. Nilsen, Jannicke. Solcellerpanel kan gi livsfarlige stöt og hindre redningsarbeid. tu.no. 01 19, 2015. 13. Björn Thorun, Siv Helene Nordahl. Solström i Norge. s.l. : enova.no, 2012. 14. Marsh, George. Partner in Pawer. 2011. 15. Lars. Norges störste oppläringsbedrift innen elsikkerhet. [Online] Trainor, 09 01, 2010. https://www.trainor.no/servlet/nettsted.forum?function=visheletraaden&forid=28034&start=0. 16. Anslutning av mikroproduktion till konsumtionsanlaggningar-­‐ MIKRO-­‐ pdf. 17. www.fortum.com. Installation av småskaliga anlaggningar for. [Online] http://www.fortum.com/countries/se/SiteCollectionDocuments/broschyr_vind-­‐solel.pdf. 18. sintef.no. [Online] 09 21, 2011. https://www.sintef.no/projectweb/handbok_spenningskvalitet/kort-­‐
innforing/langsomme-­‐spenningsvariasjoner/. 19. Ellingsen, Anette Saltnes Skram. Analyse av spenningskvalitet i lokalt byningsnett med solcellepanel tilknyttet. s.l. : Universitet for miljö-­‐ og biovitenskap, 2013. 20. Forskrift om leveringskvalitet i kraftsystemet. [Online] 01 01, 2014. https://lovdata.no/dokument/SF/forskrift/2004-­‐11-­‐30-­‐1557. 1 21. www.nve.no. [Online] http://www.nve.no/Global/Energi/Kraftsystemet/Leveringskvalitet/Definisjoner,%20spenningskvalitet_v2.pdf?e
pslanguage=no. 22. The impact of Distributed Generation and Electric Vehicles. 2010. 23. ABB. [Online] Lösningar för att minska flimmer. http://www.abb.se/industries/db0003db004058/c088d7b5f85cab9cc12573f3003a0435.aspx. 24. Unipower. [Online] http://www.unipower.se/om-­‐elkvalitet/vad-­‐ar-­‐elkvalitet/transienter/. 25. Veiledning om harmoniske med frekvensomformere. s.l. : ABB, 2011. 26. Eriksson, David. Utredning om förekomsten och inverkan av övertoner i Uneås centrala elnät. s.l. : Emeå Universitet, 2012. 27. Master, Hans thomas Bjørnstad. Elnett kvalitet. NTNU Universitet. 28. Stefan Montin, Anders Björck , Monika Adsten, Harald Haegermark. North european power perspectives. http://www.swedishsmartgrid.se/wp-­‐content/uploads/2014/02/NEPP1-­‐
Teknikutveckling_elfordon_vind_sol_lager.pdf#page=1&zoom=100. 2013. p. 63. 29. Elbilsstatistik. [Online] http://elbilsstatistik.se/. 30. Battery University. [Online] Cadex Electronics. http://batteryuniversity.com/. 31. Nissan Motor Coporation. [Online] Nissan. http://www.nissan-­‐
global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/li_ion_ev.html. 32. Aswin Kumar. http://www.waste-­‐management-­‐world.com/. Waste management World. [Online] http://www.waste-­‐management-­‐world.com/articles/print/volume-­‐12/issue-­‐4/features/the-­‐lithium-­‐battery-­‐
recycling-­‐challenge.html. 33. Wikipedia. [Online] april 30, 2015. http://en.wikipedia.org/wiki/Vehicle-­‐to-­‐grid. 34. kraftsamlning nät. [Online] Fallbygdens Energi AB. http://www.kraftsamlingsmartanat.se/case/tidigare-­‐
projekt/falbygdens-­‐energilager/. 35. Wirth, Harry. Recent facts about photovotaics in Germany. Fraunhofer institute for solar Energy system. Germany : s.n., 2015. p. 92. 36. Tapper, Matz. Elnätet-­‐ mer än 13 varv runt jorden. s.l. : Svensk Energi, 2015. 37. —. Svenskenergi. [Online] 2012. http://www.svenskenergi.se/Elfakta/Elnatet/. 38. Lindholm, Kalle. www.svenskenergi.se. [Online] 10 27, 2014. http://www.svenskenergi.se/Elfakta/Statistik/Elaret/. 39. Ulf Jansson, Johan Andersson. Analys aav solcellanläggningar påverkan på elnätet. karlstad : s.n., 2014. 40. Net impacts of rooftop solar panel generation on homer grid demand. Austin : PECAN STREET, 2013. 41. Glava Energy center. s.l. : Fortum, Glava Energy Center, 2011. http://www.glavaenergycenter.se/. 2 42. Walla, Tobias. Hosting capacity for photovoltaics in Swedish distribution grids. Uppsala : UPPSALA UNIVERSITET, 2012 juni. 43. Math H.J.Bollen, Fainan Hassan. Intergration of Distributed Generation in the Power System. canada : Wiley & Sons, Inc, 2011. p. 507. 9780470643372. 44. IEEE transactions on Power dekuvery. J.C.Balda, A.R.Oliva and. 08858977. 45. Elseries. Electricaltechonlogy. [Online] 05 12, 2012. http://www.electricaltechnology.org/2012/12/series-­‐
connection-­‐of-­‐batteries-­‐with.html. 46. electricaltechology. electricaltechology. [Online] electricaltechology, 5 12, 2012. http://www.electricaltechnology.org/2012/12/how-­‐to-­‐wire-­‐12-­‐v-­‐solar-­‐panel-­‐to-­‐two-­‐12v.html. 47. Berman, Brad. hybridcars. [Online] november 6, 2008. http://www.hybridcars.com/hybrid-­‐car-­‐battery/. 48. Corporation, Toyota Motor. Technical information system. [Online] https://techinfo.toyota.com/techInfoPortal/staticcontent/en/techinfo/html/prelogin/docs/hlanderhvdisman2nd
.pdf. 49. Wikipedia. [Online] http://en.wikipedia.org/wiki/Ford_Escape. 50. Bumblebeebatteries. [Online] http://bumblebeebatteries.com/hybrid-­‐batteries/honda-­‐insight-­‐battery/. 51. Energy.Gov. [Online] 2011. http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/avta/pdfs/fsev/battery_leaf_0356.pdf. 52. ROPER, L.DAVID. Roperld. [Online] http://www.roperld.com/science/TeslaModelS.htm. 53. Chamber, Nick. autotrader. [Online] Nissan. http://www.autotrader.com/research/article/car-­‐
news/170267/nissan-­‐shows-­‐another-­‐use-­‐for-­‐the-­‐electric-­‐car-­‐emergency-­‐power.jsp. 54. Reisinger, Don. cnet. [Online] tesla, febuary 12, 2015. http://www.cnet.com/news/tesla-­‐to-­‐make-­‐battery-­‐
for-­‐in-­‐home-­‐use-­‐production-­‐to-­‐begin-­‐in-­‐6-­‐months/. 55. A modelling tool to investigate the effect of electric vehicle charging on low voltage networks. Lacey G, Putrus G, Bentley E, Johnston D, Walker S and Jiang T. Barcelona : s.n., 2013. http://archive.northsearegion.eu/files/repository/20140805151604_AModellingTooltoInvestigatetheEffectof_B
arcelona_EVS27.pdf. 56. Bullis, Kevin. technologyreview. [Online] MIT Techology Review, August 16, 2013. http://www.technologyreview.com/news/518066/could-­‐electric-­‐cars-­‐threaten-­‐the-­‐grid/. 57. Tesla. [Online] Tesla. http://www.teslamotors.com/sites/default/files/pdfs/installation-­‐guides/wall-­‐
box/SE_installation_guide_wallbox_Jan15.pdf. 58. Lorenzo, Kevin. Harmonics propagation and impact of electric vehicles on the electrical grid. KTH. Stockholm : s.n., 2014. 59. Johan Lindahl, Carolina Fröberg , Sara Bargi. Energimyndighetern. [Online] 03 25, 2015. http://www.energimyndigheten.se/Press/Pressmeddelanden/Sverige-­‐fordubblar-­‐solcellskapaciteten-­‐-­‐for-­‐fjarde-­‐
aret-­‐i-­‐rad/. 3 60. Energimyndigheten. [Online] 03 11, 2014. http://www.energimyndigheten.se/Press/Pressmeddelanden/Fortsatt-­‐starkt-­‐intresse-­‐for-­‐solceller-­‐gav-­‐
solcellseffekt-­‐pa-­‐431-­‐MW-­‐under-­‐2013/. 61. Andersson, Anna. Energimyndigheten. [Online] https://www.energimyndigheten.se/Press/Pressmeddelanden/2014-­‐blev-­‐annu-­‐ett-­‐ar-­‐med-­‐lag-­‐elanvandning-­‐
och-­‐stor-­‐elexport/. 62. Ebenå, Gustav. Energimyndigheten. [Online] https://www.energimyndigheten.se/Press/Pressmeddelanden/Fortsatt-­‐hog-­‐utbyggnad-­‐av-­‐fornybar-­‐el-­‐trots-­‐
lagre-­‐certifikatpris-­‐/. 63. Vattenfall. [Online] http://www.vattenfall.se/sv/file/Solcellspaket_Produktblad.pdf_51062490.pdf. 64. Energimarknadsinspektionen. [Online] mars 2015. http://ei.se/sv/nyhetsrum/nyheter/nyheter-­‐2015/ei-­‐har-­‐
beslutat-­‐om-­‐anslutning-­‐av-­‐mikroproduktion/. 65. Gustasson, Andreas. Energimyndigheten. [Online] 03 27, 2015. http://www.energimyndigheten.se/Hushall/Aktuella-­‐bidrag-­‐och-­‐stod-­‐du-­‐kan-­‐soka/Stod-­‐till-­‐solceller/. 66. Astrid Petterteig, Olve Mogstad, Thor Henriksen,. Tekniske retningslinjer for tilknytning av produksjonsenheter, med maksimum aktiv effektproduksjon mindre enn 10 MW, til. s.l. : Sintef, 2006. 67. Duijsen, P. J. van. Modeling Grid Connection for Solar and Wind. Nederland : www.integratedsoft.com. 68. Wholesalesolar. [Online] http://www.wholesalesolar.com/solar-­‐information/anti-­‐islanding. 69. Granum, Christian Mögster. PV systemer i distribusjonsnettet. Trondhim/Norge : NTNU, 2014. 70. Reinhausen. [Online] http://www.reinhausen.com/Portaldata/1/Resources/microsites/pd/downloads/Flyer_iTAP_EN.pdf. 71. Wirth, Dr. Harry. Aktuelle Fakten zur Photovoltaik in Deutschland. German : Fraunhofer ISE, 2015. 72. Eldrup, Martin. OPTIMAL PRODUKSJON AV REAKTIV EFFEKT I REGIONALNETTET I TELEMARK & VESTFOLD. Trondheim/Norge : NTNU univerisitet, 2009. 73. VDE. [Online] http://www.vde.com/en/fnn/pages/50-­‐2-­‐hz.aspx. 74. Ellis, Abraham. IEEE 1547 and High Penetration PV. s.l. : EERE Energy. 75. The Norwegian Smartgrid Centre. [Online] http://smartgrids.no/senteret/about-­‐smartgrid/. 4 Appendix A.
Frågor och Svar från karftpojkarna AB om solceller 1. Solcellsproduktion och solcellsförsäljning i Sverige a. Hur stor är den (eller vad kan man säga om den?) i. Produktion ii. Försäljning b. Vad tror man om framtiden i. Produktion ii. Försäljning 2. Prisutveckling på solceller (grov överblick räcker) För tillfället stabil, om man ser till pris/watt STC. 3. Utveckling av levererad energi från en solcell (effektivitet, verkningsgrad) Den kommersiella verkningsgraden ökar något (”vanlig 60 cells kiselpanel” är nu på 260-­‐270Watt mot 250Watt 2014). 4. Hur många solcellspaneler brukar installeras på en villa och hur stor är förväntad energiproduktion på ett år fördelat per månad? Normalt villapaket ca: 5kW eller 20 paneler ungefär 35m2 med en förväntad produktion med SolarEdge optimering i söderläge och 35-­‐45 graders lutning om ca: 5 kWh i Mellansverige. a. Är det stor variation? Ungefär +-­‐10% solinstrålning per år (SMHI) b. Varför i så fall? 5. Hur påverkar en mindre solcellsanläggning (till villa) elnätet vid enstaka eller många anslutna i samma punkt i nätet (nätstation)? a. Påverkan på spänning? Rent tekniskt liten ökning om än ringa. b. Påverkan på nätkvalitet (t.ex. övertoner)? Under den normerade gränsen, ju fler enl. leverantör dess bättre. 6. Vilken typ av solcellspaneler är mest populära? Monokristalint kisel 7. Vilka problem bör man vara uppmärksam på som nätägare när mindre solcellsanläggningar ansluts till elnätet? 8. Hur stor maxström och maxspänning ska en solcellsanläggning monterad på en villa dimensioneras för? Strömmen beror ju bara på ägarens mätarsäkring och hur stor anläggning han/hon vill ha. Max spänningen kan vi ju inte göra så mycket åt den bestäms ju av TK8 9. Vad kan hända i elnätet vad gäller nätkvaliteten när en solcellsanläggning ansluts ifall den levererade frekvensen inte är 50 Hz (syftar på omriktaren – invertern och omvandlingen från DC till AC)? Små anläggningar har ingen möjlighet att påverka vårt stabila nät men inbyggda skydden följer ju TK8 för min och max frekvens. 10. Vad är det värsta som kan hända när en solcellsanläggning ansluts till elnätet? Att de går en säkring. 11. En solcellsanläggning kan skapa övertoner i elnät. Hur stor kan den vara i procent THD? <3% 12. Vad är för-­‐ och nackdelar med att ansluta en solcellsanläggning till elnätet? Nackdelar: övertoner, återmatning till nät om skydd inte fungerar vid strömavbrott. Fördelar: lokal produktion, minskad förlust i nät. 13. Vilka frågor som du anser viktiga har vi missat att ställa? Komplettera gärna med egna frågeställningar och svar. Avsaknad av bra takintegrerade lösningar som ersätter befintlig t eller nytt tätskikt. 5 1 Appendix B.
Opplysninger om kraftnett og solcelle anlegg 6 2 7 3 8 4 9 5 10 6 11 7 12 8 13 9 14 10 15 Appendix C.
Analys data Nätlayout på Zakrisdalsudden. Tagen med tillstånd från Ulf Jansson och Johan Andersson Flimmer variationer Pst (korttid) och Plt(långtid) från GIEs mätningar. Tagen med tillstånd från Christer Bergerland 16 Appendix D.
Kontakter för figur tillstånd Figur 2A och 2B tele: 011-­‐495 8200, Lune Berglund Figur 3 Barrie Lawson, [email protected]
Figur 4 Figur 5, 6 Figur 7 Figur 8 och Figur 25 Figur 11 Figur 12 Figur 13, 14, 15 Figur 16 Figur 17, 18, 19 Figur 20, 21, 22, 23 Figur 26 Figur 27, 28 Figur 30 Figur 33, 34 Christopher, Handlinger, [email protected] Astrid B. Lundquist, tele: 924 42 270 Power Circle, [email protected] Delft University of Technology, [email protected], CC Matz Tapper, [email protected] Sune Bergerland, [email protected] [email protected], [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] tele: 016-­‐544 2036, Olle Westberg [email protected] 17