Slimme energienetten voor een duurzamere energievoorziening

Intelligente netten voor een duurzamere energievoorziening

Lessen XXI eeuw, 17 nov 2014

Slimme energienetten voor een duurzamere energievoorziening Lessen XXIste eeuw, 17 november 2014 prof.dr.ir. Geert Deconinck KU Leuven – ESAT/ELECTA & EnergyVille

International Panel on Climate Change [ipcc.ch] • presentatie AR5 (assessment report #5), 2 november 2014 o o

klimaatverandering door antropologische invloed kost van niet-actie >> kost van nodige acties

2

(c) prof.dr.ir. Geert Deconinck

1

KU Leuven ESAT/ELECTA & EnergyVille



EU: 20-20-20 doelstellingen tegen 2020 • EU Strategic Energy Technology (SET) plan [2007] vermindering uitstoot broeikasgassen

efficiëntieverhoging aandeel hernieuwbare energiegebruik energiebronnen

100%

-20%

-20%

+20% 8,5% 3

[2011] EU 2050: koolstofarme economie

4


2




Tussentijdse EU-doelstellingen tegen 2030 (24 oktober 2014) • vermindering uitstoot broeikasgassen -40% t.o.v. 1990 bindend o vertaald in target per lidstaat • aandeel hernieuwbare energieopwekking: 27 % o bindend, lidstaten mogen geld vrijmaken voor meer o nu +/- 14% • verhoging energie-efficiëntie: - 27% t.o.v. referentie o indicatief •  geen business as usual o

Willen we aan comfort inleveren? 5

Elektriciteit als (een) energiedrager • belangrijke energiegebruikers o o o

industrie transport residentieel en tertiair • verwarming, verlichting, motoren, ICT, …

• energiedragers o o

aardgas aardoliederivaten • mazout, benzine, diesel, kerosine, …

o

elektriciteit

conveniënte energiedrager

6


3




Overzicht • Europa’s keuze voor een koolstofarme samenleving • elektriciteitsvoorziening vandaag • veranderingen aan vraag- en aanbodzijde • intelligente energienetten • uitsmijter: winterafschakeling voorkomen?

7

Elektriciteit – een secundaire energiebron • elektrische energie bestaat niet in de natuur in een nuttige vorm • secundaire energiebron: opwekking / productie / omzetting o uit primaire energiebronnen o

• fossiele brandstoffen •

steenkool, bruinkool, olie, aardgas, schaliegas, hout, …

• nucleaire brandstof (uranium, …) o

uit primaire energiestromen • • • •

zonnestraling wind water (run-of-river, reservoir, golfslag, getijden, …) warmte, …

• niet efficiënt reversibel op te slaan in grote hoeveelheden 8


4




Elektriciteitssysteem in marktcontext • productie (opwekking) opwekken van elektriciteit uit andere energiebronnen levering o ‘verkopen’ van elektrische energie transmissie o transport op hoge spanningen en over lange afstanden distributie o transport op lage spanningen en verdeling verbruik o industrie, residentieel, … o

• • • •

concurrentie

natuurlijk monopolie (+ regulator)

9

Systeemoverzicht Producent 1 Producent 2

Distributienet EANDIS / INFRAX

Leverancier 1

verbruik 1

verbruik 2

Energiestroom

Producent 3

Transmissienet ELIA

verbruik …….

verbruik n

Contract

Leverancier 2

verbruik n+1

verbruik ……

verbruik m

Informatie

10


5


Centrales op transmissienet



Doel, kerncentrales

Seraing, STEG-centrale

Trois-Ponts, pompcentrale

WKK, Zwijndrecht

11

Elektriciteitsopwekking grote en kleine centrales, op transmissienet • nucleaire eenheden

500-1000 MW

uranium thermische centrales o steenkool, aardgas, hoogovengas STEG-eenheden (stoom- en gas) o aardgas, hoogovengas pompcentrale o waterkracht WKK (warmte-krachtkoppeling) o aardgas windmolenparken o off-shore, on-shore o

• • • • •

200-300 MW 150-400 MW 165-1000 MW 50-100 MW 75-200 MWpiek

12


6




Centrales op distributienet

windturbines Kluizendok

vlakte-waterkrachtcentrale Ampsin-Neuville op de Maas

fotovoltaïsche installatie, Katoennatie, Antwerpen 13

Elektriciteitsopwekking kleinere eenheden, typisch op distributienet • waterkrachtcentrales

5-20 MW

vlaktecentrales • WKK (warmte-krachtkoppeling) o aardgas • windturbines o on-shore • zonnepanelen o residentieel o industrieel o

1-50 MW 1-5 MWpiek

3-5 kWpiek 100-500 kWpiek

14


7




dus 100 000 residentiële PV-installaties leveren evenveel vermogen als 1 STEG maar ook: per 100 000 PV-installaties is 1 STEG-centrale nodig voor als de zon niet schijnt…

3 - 5 kWpiek

1-3 MWpiek

100 grote windturbines leveren evenveel vermogen als 1 STEG per 100 windturbines is 1 STEG-centrale nodig voor als het niet waait…

300 MW

15

Broeikasgassen (vnl. CO2) • geen CO2-uitstoot nucleaire centrales o waterkrachtcentrales o windturbines o fotovoltaïsche installaties • CO2-uitstoot uit hernieuwbare bronnen o biomassa, biobrandstof, biogas o

hernieuwbaar

• “CO2 neutraal”

• CO2-uitstoot uit fossiele bronnen o o

steenkool, aardgas, aardolie  CCS: carbon capture & storage

16


8




Off-shore wind België • situatie 11/2014: 605 MWpiek o

Belwind • 171 MW: Electrabel

o

Northwind • 108 MW: Electrabel (2013)

o

C-power • 178 MW: Thornton SW •

Eneco Energy Trade

• 148 MW: Thornton NW •

RWE Supply and Trading Netherlands

• 7 domeinconcessies o

toegekend door CREG

http://www.elia.be/en/grid-data/power-generation/wind-power 17

Capaciteit (vermogen) vs. elektriciteitsproductie (energie) Aandeel in geïnstalleerde capaciteit en geproduceerde elektriciteit door centrales aangesloten op het ELIA-net [%] 100%

7,2

8,8

capaciteit: 15 325 MW

90% 6,0

80% 5,1

70%

Andere productie: 71 400 GWh Hydro Autoproductie Fuel Steenkool Aardgas Kernenergie

24,7

60% 31,5

50% 40% 30%

57,3

20%

38,7

[CREG, 2013]

10% 0%

Capaciteit


18 Elektrische energie

9




Marktspelers in België Geïnstalleerde capaciteit [MW]

Energieproductie [GWh]

18000

100000

16000

90000

14000

80000 70000

12000

60000

10000

50000 8000

40000

6000

30000

4000

20000

2000

10000

0

0 2007

2008

Electrabel Enel

2009

2010

2011

EDF Luminus T-Power

2012

2013

2007

E.ON Andere (< 2%)

Electrabel Eneltrade

2008

2009

2010

2011

EDF Luminus T-Power

2012

2013

E.ON Andere (< 2%)

[CREG, 2013]

Interconnecties [ENTSO-E]

19

20


10




Interconnectie met buurlanden • Nederland + Frankrijk o

3500 MW in winter • 3000 MW in zomer

• import of export o

of doorvoer

• projecten o o o o

ALEGrO: B-D NEMO: B-UK Brabo: versterking havengebied + verhoging NL …

21

Distributienetten (30 kV .. 400V) • middenspanning en laagspanning Transform atorstation openbare distributie

150 of 70 kV H oogspanning

230/400V laagspanning

G root transform ator station

Transform atorstation openbare distributie

15 of 10 kV

ondergrondse leidingen

230/400V laagspanning

22


11




Hernieuwbare elektriciteitsopwekking in Vlaanderen (oktober 2014, VREG) • VREG, oktober 2014 o

http://www.vreg.be/maandelijkse-statistieken-groene-stroom

3,4 GWpiek in Vlaanderen

23

Hernieuwbare elektriciteitsopwekking in Vlaanderen (oktober 2014, VREG)

3,4 GWpiek: PV, wind, biogas, biomassa

24


12




Variabele hernieuwbare in België [CREG, 2013] Energieproductie [GWh]

Geïnstalleerde capaciteit [MW] 450

3000

400 2500

350 300

2000

250 1500

200 150

1000

100 500

50 0

0 mrt

apr

PV

mei

jun

jul

Onshore

PV

aug

sep

okt

nov

jan

dec

feb

mrt

apr

PV

Offshore

mei

jun

jul

Onshore

jan [MW]

dec [MW]

[GWh]

FLH [h]

2 211

2 501

2 424

975

1 810

2 051

1 239

3 542

Onshore

736

Offshore

195

997 490 25

5,5 TWh

feb

4 GW

jan

aug

sep

okt

nov

dec

Offshore

[CREG, 2013]

FLH: full load hours

Evenwicht elektriciteitsvraag en -aanbod op elk moment • productie (stuurbaar aanbod) in evenwicht met

o

(rest)vraag variabel aanbod import/export

o

verliezen

o o

26


13

[elia]




Residentiële belasting – 17 november 2014 (SLP synthetisch lastprofiel, [VREG]) middagpiek

start daltarief

avondpiek

0,0000600000

0,0000500000

nachtdal

0,0000400000

0,0000300000

0,0000200000

0,0000100000

0,0000000000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95

CET

00:00

12:00

06:00

18:00

24:00

27

Productieprogramma per brandstoftype • basislast – middenlast – pieklast • [elia]

28


14




Opdrachten • rendementen van elektriciteitsopwekking ? van primaire energiebron/stroom naar elektriciteit • dynamiek van klassieke centrales ? o hoe snel opstarten/stilleggen ? o hoe snel vermogen verhogen/verlagen • hernieuwbare bronnen o welke zijn variabel ? hoe voorspelbaar ? o welke zijn stuurbaar ? • combineer tot een aanbod dat de vraag afdekt o welke hernieuwbare eenheden + welke centrales om aan elektriciteitsvraag te voldoen ? o

29

Vermogen versus energie • vermogen o o o

ogenblikkelijk eenheid: watt [W], kilowatt [kW], megawatt [MW], … nu opgewekt, gebruikt, etc.

t d P

o



vermogen, geïntegreerd over de tijd eenheid: kilowattuur [kWh], [MWh], …

0

o

t

E

• energie

• 1 kWh = 1 kW . 1 h = 1000 W . 3600 s = 3,6 MJ o

residentieel: wat je betaalt voor een maand, jaar, …

zon en wind is 20-25% van het geïnstalleerd vermogen, maar slechts 6-7% van de geleverde energie 30


15




Elektriciteit – grootteordes • verbruik België per jaar: +/- 80 à 85 TWh (TWh=1012 Wh) residentieel verbruik ongeveer 20 TWh • vermogensvraag varieert sterk o van 7 GW op een zomerse nacht o tot ruim 14 GW op een koude wintervooravond • jaarlijks elektriciteitsgebruik ‘doorsneegezin’ : 3500 kWh o 51% kleine verbruikers (<2350 kWh) o 32% middelgrote verbruikers (2350-5500 kWh) o 15% grote verbruikers (>5500 kWh) • prijs (residentiële klant): 15-25 €ct/kWh o energieprijs + nettarieven + heffingen o

31


32


16




Belangrijke veranderingen op distributienetniveau – vraagzijde • toenemende elektrificatie o o o o o o

warmtepomp elektrische bijverwarming in lage-energiewoningen ventilatie, airconditioning warmwaterboiler (als bijverwarming bij zonneboiler) koken (inductie) wit- en bruingoed • wasmachine, droogkast, vaatwasser, diepvries, microgolf, …

o o o o

meer verlichting ICT & ontspanning (computer, tv, hifi, gadgets, …) elektrische auto’s …

minder energiegebruik is meer elektriciteitsverbruik! 33

Belangrijke veranderingen op distributienetniveau – vraagzijde • toenemende elektrificatie •  stijgend elektriciteitsverbruik, hogere pieken moeilijker voorspelbaar •  sterker net nodig o gedimensioneerd op piekverbruik •  nood aan meten en flexibel sturen o ENG: monitoring & control o

34


17




Belangrijke veranderingen op distributienetniveau – aanbodzijde • windturbines, fotovoltaïsche systemen gekoppeld via omvormers: weinig inertie o moeilijk voorspelbaar (p~v3), niet stuurbaar • andere hernieuwbare bronnen: biogas, biomassa, water, … o redelijk voorspelbaar, weinig stuurbaar • warmtekrachtkoppeling o vaak warmte-gedreven o

•  variabele elektriciteitsproductie o

niet gecorreleerd aan elektriciteitsvraag

35

Variabiliteit: sterk veranderend opgewekt vermogen PV‐power 5,2 kWp installatie – 10’ data [W]

[eigen data] 36


18




Wind & zon

[elia] 37

Belangrijke veranderingen op distributienetniveau – aanbodzijde • meer variabele elektriciteitsproductie  overspanning en –stromen, hogere transformatorbelasting, tweerichtingsenergiestroom… •  sterker net nodig (dimensioneren op piekverbruik) •  nood aan meten en flexibel sturen •  andere netbeveiliging (foutdetectie, selectiviteit, …) o

grid net lokale opwekking

~

meer energie uit hernieuwbare bronnen vereist ook netinvesteringen! 38


19





39

Intelligente energienetten [ENG: smart grids] • intelligente integratie van leveranciers, verbruikers, ‘prosumenten’, om efficiënt elektriciteit te leveren, in de context van o duurzaamheid o economie o bevoorradingszekerheid •

[smartgrids.eu] smart grid = “an electricity network that can intelligently integrate the actions of all users connected to it generators, consumers and those that do both - in order to efficiently deliver sustainable, economic and secure electricity supplies.”

40


20




41

Visie [smartgrids.eu] • Een intelligent net benut innovatieve producten en diensten,

samen met intelligent meten, regelen en sturen om: o de aansluiting en uitbating van allerhande soorten en groottes van elektriciteitsproductie beter te faciliteren o consumenten toe te laten een rol te spelen bij de optimale uitbating van het systeem o consumenten meer informatie en betere keuzes te geven qua elektriciteitsleverancier o de milieu-impact van het elektriciteitssysteem te verkleinen o het hoge kwaliteitsniveau en de bevoorradingszekerheid minstens te behouden o bestaande diensten te verbeteren o de werking van een geïntegreerde, Europese markt te bevorderen

42 visie onderschrijven opdracht: geef voorbeelden die deze


21




Intelligent energienet • elektriciteitsnet • meet- en stuursystemen (IED) • communicatie-infrastructuur

 toepassingen

IED IED

IED

IED

elektriciteitsinfrastructuur onderstation

Regelinfrastructuur

IED

Communicatieinfrastructuur

IED IED

IED slimme meter

43

verspreide energieopwekking

IED=intelligent electronic device

Smart-gridtoepassingen meten, sturen en regelen • meettoepassingen verbruiks- en belastingsmeting o data-aggregatie en -profilering, … • stuur- en regeltoepassingen o netwerkregeling o

• spanningscontrole, beveiliging, configuratie, … o

spanningscontrole

sturen & beheren van opwekking • aanpassen van aanbod t.o.v. vraag (WKK)

o

sturen & beheren van opslag • statische batterijen, elektrische voertuigen, …

o

sturen & beheren van elektriciteitsvraag • aanpassen van vraag t.o.v. aanbod (WKK)

44


22




Aanpassen van vraag aan aanbod  actieve vraagsturing vermogen [kW]

zonne-opbrengst (aanbod) elektriciteitsvraag na vraagsturing

elektriciteitsvraag

tijd [h] 00:00

06:00

18:00

12:00

24:00

netto elektriciteit van/naar net

45

Aanpassen van vraag aan aanbod  actieve vraagsturing • voordelen o o o o

lager piekvermogen betere lokale benutting hernieuwbare energie minder externe elektrische energie nodig (over netwerk) minder elektriciteitsoverschot aan netwerk teruggeleverd opdracht: Bij terugdraaiende elektriciteitsmeter gebeurt facturatie o.b.v. energie, niet o.b.v. vermogen. Quid vergoeding voor netwerkgebruik?

46


23




Sturen en beheren van de elektriciteitsvraag • actieve vraagsturing (demand side management, DSM) o

piekafvlakking, lastverschuiving, belastingsvervlakking, …

47

Sturen en beheren van elektriciteitsvraag • hoe? via energiebeheerssysteem o

automatisch (niet manueel) • bvb. verbonden aan domotica

o o

getriggerd door elektriciteitsprijzen, netproblemen of eigen elektriciteitsopwekking zonder comfortverlies • volgens gebruikersvoorkeur

o

rekening houdend met externe omstandigheden • temperatuur, zon, aanwezigheid/activiteit, etc.

• voorbeelden o

energybox (electrabel), nest (google), toon (eneco), slimme meter, …

Kito http://www.youtube.com/watch?v=rKRDc7X7nlk


48

24




Actieve vs. passieve vraagsturing • passieve vraagsturing: geen directe aansturing o

bewustmaking: meten & informeren • vereist gedragsverandering

o

via tarieven • tijdsgebaseerd, of marktgebaseerd (reële tijd)

• actieve vraagsturing: automatische aansturing o o o

autonoom (energybox) centraal (bij netproblemen) decentraal •  nieuwe marktspelers: aggregator, energiedienstenleverancier, …

49

Voor sturing is flexibiliteit nodig • flexibel elektriciteitsverbruik koudeopslag (koelcellen, diepvriezers, …) o warmteopslag (gebouwinertie, warmwaterboiler, …) o warmtepompen met buffers o residentieel witgoed: vaatwas, wasmachine, droogkast, … • flexibele opwekking o “klassieke” opwekking (gasturbine, stroomgenerator) o WKK met of zonder buffervat, … • flexibiliteit via omzetting en opslag o elektrische opslag E  X  E (batterijen, vliegwielen, …) o warmteopslag (W  X  W) o elektriciteit  warmte, … o

50


25




Intelligente energienetten - illustratie (EU Joint Research Centre) • http://ses.jrc.ec.europa.eu/smart-grid-interactive-tool

51

Slimme meter: potentiële hoeksteen van intelligent energienet • ferrarismeter  digitale meter + communicatiemodule

• alleen uitlezing-op-afstand? o

of ook monitoring en sturing…

52


26




Opdracht • welke additionele functionaliteit is nodig in slimme meters om volop deel uit te maken van intelligente netten? o classificatie volgens CEN/CLC/ETSI TR50572 Functie Beschrijving F1

Uitlezing op afstand

F2

Tweewegscommunicatie

F3

Ondersteuning geavanceerde tarief- en betalingsystemen

F4

Op afstand aan- en afschakelen, of dimmen van vermogen

F5

Meetdata rechtstreeks exporteren om gebruiker te informeren of 3de partij te laten verwerken

F6

Info via webinterface opvragen naar thuisdisplay of hulpapparatuur

extra

Lokale communicatie voor aansturing energie-efficiëntie en vraagsturing 53

Status Vlaanderen - slimme meters • Eandis, Infrax, “Piloot slimme meters – Eindrapport Eandis/Infrax”, 156 p, maart 2014 o 4000 meters o

http://www.eandis.be/eandis /pdf/2-20140317-143456.pdf

• VREG, status regelgeving o

o

http://www.vreg.be /functionaliteiten-slimme-meters Q1/2014

opportuniteit voor uitbouw intelligent energienet 54


27





55

Konden intelligente netten afschakeling voorkomen? • Europese richting uitgezet sinds meer dan 20 jaar • inconsistent beleid, geen omvattende visie o

(over)subsidiering hernieuwbare energieopwekking • ook wanneer markt was opgestart, (cfr. 2+ GW PV Vlaanderen)

o

zeer beperkte investeringen in netten (vergunningen …) • transmissienet, distributienet

o

onduidelijkheid over openhouden nucleaire centrales • kernuitstap is beslist in 2003, aangepast 2013

o o

geen vervangcapaciteit (cleancoal, aardgas) trage aanpassing markten aan nieuwe spelers • onduidelijk en onstabiel regelgevend kader

o

… 56


28




Wat voorafging… • sluiting economisch onrendabele centrales o

900 MW minder t.o.v. 2012-2013 • Ruien 5, 6, les Awirs 5

• plan Wathelet o

850 MW als strategische reserve • STEG Seraing en Vilvoorde blijven open • industriële grootverbruikers schakelen af

• sinds begin 2013: +1800 MWpiek hernieuwbare bronnen o o o

800 MWpiek wind 500 MWpiek PV 500 MW WKK o.b.v. biomassa 57

Huidige crisissituatie

De Standaard, 11 sep 2014

• 3 GW minder nucleair o

Doel 3 en Tihange 2 • microscheuren in reactor

o

Doel 4 • turbine drooggelopen

58


29




Bij meer vraag dan aanbod… 1. inschakelen strategische reserve 2. schaarsteplan overheid neemt sensibiliserings- en verbodsmaatregelen

o

• •

openbare verlichting doven geen wasmachine, droogkast, … tijdens avondpiek

3. afschakelplan o

grote groepen verbruikers afschakelen (6x500 MW)

[De Standaard, 7 Nov 2014]

59

2005: in tempore non suspecto

60


30




[offon.be]

Deze winter… • waarschijnlijkheid afschakeling ? piekvraag (koude winteravond) o periode met weinig wind en zon, noch import o bij incidenten op het net (niet meer N-1 veilig) • konden intelligente netten afschakeling voorkomen? o nee, wel kans op afschakeling beduidend kleiner maken o

• actieve vraagsturing

• grote opportuniteit voor bewustmaking o o

i.v.m. energie-efficiëntie, bewust energiegebruik, … niet voor paniekzaaierij verschil tussen nood- en duurzame maatregelen 61

Lessen voor de XXIste eeuw • consistent energiebeleid, conform EU-visie 2050 o o o

vermindering uitstoot broeikasgassen verhoging energie-efficiëntie meer energie uit hernieuwbare bronnen

• consistent handelen van consument en maatschappij • kan niet zonder technologische totaalaanpak  intelligente energienetten voor duurzamere energievoorziening 62


31




Lessen XXIste eeuw, 17 november 2014 prof.dr.ir. Geert Deconinck KU Leuven – ESAT/ELECTA & EnergyVille


32


Slimme energienetten voor een duurzamere energievoorziening

Recommend Documents