Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst
Prof. dr. ir. Jan Desmet Hoogleraar - Manager Lemcko
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 1
Inleiding PV – installaties in België 3000
PV-Vermogen [MW]
2500 2000 1500
Jaarlijkse groei [MW] Gecumuleerd vermogen [MW] Prognose Totaal volgens prognose
Stijgende implementatie van DP (zon, wind, …) Zon en wind hebben variabel opbrengstprofiel
1000 500 0 Voor 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Jaartal 2006
Oplossing voor onvoorspelbaarheid = opslag, balancing…
Bron: Rapport 2015/1 –Vlaams energieagentschap VREG – Evolutie van het aantal PV installaties Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 2
Inleiding PV-installaties vormen (over)belasting voor distributienet Huidige LS - netten zijn ontworpen voor hoofzakelijk afname Gelijktijdigheid afname: 0,25 à 0,3 voor LS-klanten Gelijktijdigheid productie in feeder: ± 1 Injectie PV-installaties in LS vooral éénfasig! Respecteren limieten EN50160 254 252
Spanning [V]
250 248 246 244 242 240
15 kW injectie einde feeder 5 kW begin, 5 kW midden, 5 kW einde 0
50
100
150
200 250 300 Afstand van de transformator [m]
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 3
350
400
450
500
Inleiding
Vermogensmanagement – OLTC (On load tap changer)
• Aanpassing spanningsniveau transformator afhankelijk van hoeveelheid geïnjecteerd en afgenomen vermogen • Huidige transformatoren hebben tussenaftakkingen, maar kunnen enkel bijgesteld worden als ze belastingvrij zijn (Off Circuit Tap Changers -OCTC)
– DSM • Groot potentieel zowel residentieel als industrieel om piekbelasting te verlagen • Residentieel is vooral toekomstgericht, maar onzeker…, consument belangrijke spil…
– Opslag • Integratie mogelijk op vandaag! • Prosumenten hebben kant en klaar systeem zonder actief bij te sturen van hun kant 237
237
Injectieprofiel woning 18 - 4 kW Injectieprofiel woning 2 - 2,5 kW Injectieprofiel woning 1 - 3,8 kW
236
235
Spanning [V]
Spanning [V]
235
234
233
234
233
232
232
231
231
230
Injectieprofiel woning 18 - 4 kW Injectieprofiel woning 2 - 2,5 kW Injectieprofiel woning 1 - 3,8 kW
236
0
2
4 Tijd [Uren]
6
230 0
2
4 Duur [Uren]
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 4
6
Net-interactieve Systemen AC model 2
AC model 1
DC model
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 5
Net-interactieve Systemen • Keuze van het model – AC-systeem + + + -
Bestaand PV-systeem eenvoudig uit te breiden AC 1: Geen productieverlies bij stroomonderbreking AC 2: Geen beperking op vermogen van PV Rendement lager: Opslaan: 66% - Direct verbruik: 96%
– DC-systeem + + + -
Beste rendement: Opslaan: 71% - Direct verbruik: 88% Geen productieverlies bij stroomonderbreking Goedkoper Toepasbaar op bestaande PV mits aanschaf DC/DC omvormer Beperking op vermogen van PV Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 6
Componenten Net-interactieve Omvormer PV-omvormer Klassieke PV-omvormer of DC/DC omvormer
Ontkoppelingsrelais Moet vermeld zijn op C10/21 lijst synergrid
Batterijen Capaciteit, spanning, DOD, milieu-impact, levensduur/cycli, C-rate, BMS?
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 7
PV productie vs. verbruik Zelfconsumptie - Zc
Optimalisatie
Zelfvoorziening - Zv
Zelfconsumptie Opgewekte energie dat ogenblikkelijk verbruikt wordt – daalt naarmate de installatie wordt overgedimensioneerd
Zelfvoorziening Gevraagde energie die ogenblikkelijk zelf kan voorzien worden stijgt naarmate de installatie wordt overgedimensioneerd
Onderdimensioneren
Overdimensioneren
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 8
PV productie vs. Verbruik met opslag Optimalisatie - evenwicht met opslag
Zelfconsumptie Zc
Zelfvoorziening Zv 5 kWh/MWh 4 kWh/MWh 3 kWh/MWh 2 kWh/MWh 1,5 kWh/MWh 1 kWh/MWh 0.5 kWh/MWh 0 kWh/MWh
Volledige onafhankelijkheid?!
0.35
0.3
Batterijcapaciteit (P.U.)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
1
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 9
2
3 Tijd (10 minuten basis)
Benodigd voor volgend jaar 4
5
6 x 10
4
Dimensioneringsaanpak Hoe dimensioneren?
Vermogen van de panelen [kWp]
Vermogen van de PVomvormer [kW]
Vermogen van de netinteractieve omvormer [kVA] Capaciteit van de batterijbank [kWh/MWh] [Ah] Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 10
Dimensioneringsaanpak Wat is de optimale opslagcapaciteit? • Volledige onafhankelijkheid financieel en technisch niet haalbaar Zoeken naar economisch evenwicht!
• Probleem: op heden in Vlaanderen geen financiële reden om zelfconsumptie te verhogen Uitgangspunt:
prijs geïnjecteerde kWh
1 kWh
<
kostprijs afgenomen kWh
1 kWh
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 11
Dimensioneringsaanpak Evaluatiecriteria? • Zelfconsumptieverhouding
≈ Economisch rendement van de zonne-energie
Zc ↗ ↗ • Zelfvoorzieningsgraad
≈ 1 / Waarde van betaalde kWh (omgekeerd evenredig)
Zv ↗ ↗ Zoeken naar evenwicht Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 12
Dimensioneringsaanpak Parameters? Ten opzichte van jaarlijks verbruik in MWh • Grootte van de PV-installatie Jaarlijkse opbrengst in MWh/MWh of p.u. (geen kWp)
• Opslagniveau Effectieve (!) opslagcapaciteit in kWh/MWh Omrekenen naar bruikbaar gebied batterijen (DOD)
Modellen?
• Jaarprofielen van 25 woningen (Data Leest/Hombeek)
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 13
Dimensioneringsaanpak Nieuwe installaties Resultaat optimaal afstemmen PV en opslagcapaciteit 25 woningen: – Richtwaarden: Opslagcapaciteit: PV-opbrengst: Zc, Zv:
1 kWh/MWh
±
0,35
1,11 p.u.
±
0,08
55%
±
0,03
– Voorbeeld: • Gemiddeld verbruik woning: 4,5MWh Batterijcapaciteit: 1 kWh/MWh x 4,5MWh = 4,5kWh PV-opbrengst: 1,11 x 4,5MWh = 5MWh Zc, Zv = 55%
(Bruikbare capaciteit!!)
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 14
Dimensioneringsaanpak Bestaande PV-installaties Opslagcapaciteit aanpassen in functie van grootte PV-installatie Gemiddelde curve voor 25 woningen:
0,6 5
Opbrengst/verbruik [p.u.]
– Voorbeeld: • Gemiddeld verbruik woning: 4,5MWh • Gemiddelde PV-opbrengst: 2,7MWh (2,7 / 4,5 = 0,6 p.u.) Batterijcapaciteit: 0,65 kWh/MWh x 4,5MWh ≈ 2,9kWh (Bruikbare capaciteit!!) Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 15
Dimensioneringsaanpak Bestaande PV-installaties Zc, Zv afhankelijk van grootte PV-installatie: 0,7
0,4
– Voorbeeld: • Gemiddeld verbruik woning: 4,5MWh • Gemiddelde PV-opbrengst: 2,7MWh (2,7 / 4,5 = 0,6 p.u.) Batterijcapaciteit: 0,65 kWh/MWh x 4,5MWh ≈ 2,9kWh (Bruikbare capaciteit!!) Zc ≈ 70% Zv ≈ 40% Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 16
Uitbreiding: Back-Up Autonomie met PV-opslagsysteem Net-interactieve omvormer vervult UPS-functie Belasting wordt gevoed PV-installatie blijft energie leveren
Uitgangspunt: Stroomonderbreking van 3 uur, tussen 17 en 20u
Onderzoeksvragen: Welke energie is benodigd tijdens een geplande stroomonderbreking? Volstaat een opslagcapaciteit van 1kWh/MWh? Impact opslagstrategie? Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 17
Uitbreiding: Back-Up Parameters: – Optimaal batterij-opslagsysteem: • Effectieve batterijcapaciteit: 1 kWh/MWh • PV-installatie met jaarlijkse opbrengst van 1,11 MWh/MWh
– Opslagstrategie omvormer? ‘Zelfconsumptie’: standaard, belasting net minimaal ‘Pro-actief’: batterijen op het maximum van die dag houden ‘Pro-actief met net’: batterijen preventief opladen met stroom van het net
Hoeveel dagen van het jaar is er autonomie gedurende gegeven periode?
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 18
Uitbreiding: Back-Up Analyse autonomie voor 25 woningen voor een volledig jaar
Autonomie in dagen
Gemiddelde
Standaarddeviatie
Zelfconsumptie
227
20
Pro-actief
255
15
Pro-actief met netstroom
336
26
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 19
Testing in “Live” Lab
15*1kW PV installations
Ev ent De tails/Wav ef orms 20000
Volts
10000
0
-10000
-20000
A V
B V
CV
B I
CI
1.0
Amps
0.5
0.0
-0.5
-1.0 A I 16:38:31,1 30/10/2014 Thursday
16:38:31,2
16:38:31,3
16:38:31,4
16:38:31,5
Free programmable power sources 240kVApeak 3Phase AC
Event #107 at 30/10/2014 16:38:31,100 Waveforms C re ate d wi th Dr an V iew 6 .1 5.3
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 20
Back-Up: Validatie Simulatiemodel – 13 maart 2013
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 21
Back-Up: Validatie Vergelijking simulatie/werkelijk – 13 maart 2013
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 22
Back-Up: Validatie Vergelijking simulatie/werkelijk – 13 maart 2013 Zc
Zv
Zonder PV-batterijsysteem
17,1%
19,3%
Simulatiemodel
78,6%
73,7%
Werkelijk
60,5%
27,9%
Evaluatie – Groot verschil tussen simulatie en werkelijkheid – Oorzaak grotendeels te wijten aan laadcyclus batterij • • • •
Laadstroom gelimiteerd (60A dc) Opladen volgens IUoU-curve Energie bulkfase lijkt aan de lage kant Rendement batterijen? Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 23
Conclusies PV-batterijsystemen bieden oplossingen voor zowel DNB als prosument Onafhankelijkheid stijgt, decongestie van het distributienet,…
Systemen evolueren continue Systemen komen intelligenter, bieden betere klantgerichte oplossingen,… Batterij opslag zal ook verder evolueren in toekomst
Optimale opslag Relatief kleine batterijbank behaalt optimum Eilandwerking met enkel batterijopslag praktisch niet haalbaar!
Financiële analyse Continue opvolging noodzakelijk door variatie in prijzen van zowel leveranciers van producten als van elektriciteit en prosumententarief ‘Optimale capaciteit’ is niet noodzakelijk economisch optimum Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 24
Conclusies Effect van opslag op Zc, Zv vooral afhankelijk van het lastprofiel Verschillend van gebruiker tot gebruiker Afhankelijk van jaar tot jaar
Dimensioneren van PV-batterijsystemen geen exacte wetenschap, dus enkel richtwaarden voor optimale capaciteit De keuze en het gebruik van de batterijen is cruciaal Bij implementatie werkelijk PV-batterijsysteem: Uitvoeren van metingen is aan te raden om het systeem zo goed mogelijk aan te passen aan het huishouden van de klant PV-batterijsysteem kan instaan als back-up
Relatief beperkt opslagsysteem van 1kWh/MWh kan toch al ± 3 uur autonomie voorzien Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 25
Prof. dr. ir. Jan Desmet Full Professor - Manager Lemcko
Ghent University – Faculty of Engineering and Architecture Department Energy and Systems Research group EELAB Campus Kortrijk Graaf Karel de Goedelaan 34 B-8500 Kortrijk Tel.: +32 56 24 12 39 Fax: +32 56 24 12 34
[email protected] www.lemcko.be
Smart Grid School - Opslag en technische vereisten voor het net van de toekomst - 14/10/2015 – 26
