Fremtidens nett – hva, hvordan
Kjell Sand
Prof. II Institutt for elkraftteknikk, NTNU
2
Bestillingen
• Hvordan ser framtidens kraftnett ut?
• Finnes teknologien?
• Er den kvalifisert/klar til anvendelse?
• Er utvikling og implementering av ny teknologi i kraftnettet koordinert godt nok?
• Hvilke evt. hindringer finnes for at ny teknologi faktisk tas i bruk?
3
Hvordan ser framtidens kraftnett ut?
Fremtidens kraftnett (anno 2030, 2050, 2070..) blir formet av
• den rollen elektrisk energi spiller i energisystemet på de ulike stadier
• hvordan og hvor elektrisk kraft generes
• hvordan og til hva elektrisk kraft brukes
• og hvilke teknologier som er til disposisjon og som er lønnsomme for å løse tjenestene kraftnettet skal levere til kraftnettskundenes produksjon, last og energilagre.
4
Kommentar
• Kraftnettet er konsekvens av at produksjon og forbruk av elektrisk kraft ikke skjer på samme sted.
• Langdistanse overføring av elektrisk kraft oppsto fordi
gunstige, naturgitte, storskala kraftutbyggingsprosjekter lå langt unna belastningssentra
• Tendensen i dag er et skala-fordelene ikke nødvendigvis er de samme som før gjennom den revolusjonen som skjer innen distribuert kraftproduksjon. Selv om
storskalaproduksjon fortsatt vil være billigere, kan fordelen bli spist opp av nettleien.
Space power
Kilde: The Japan Times
5
Noen viktige drivere:
• Energipolitikk
• Klimapolitikk
• Økonomi
– Samfunnsøkonomi – Bedriftsøkonomi – Incentiver
– Restriksjoner
• Når og i hvilket omfang ville f.eks. AMS blitt innført i Norge om det ikke hadde vært et myndighetskrav?
6
Fremtidens kraftsystem er mer:
• Bærekraftig
• Klimavennlig
• Miljøvennlig
• Naturvennlig
• Fornybart
• Smart
• Digitalt
• Fleksibelt
• Automatisert
• Forsyningssikkert
• Pålitelig
• Anvendelig
• Personsikkert
• Økonomisk
• …..
Bidrar til FNs bærekraftmål
7
Noen overordnede trender som påvirker utviklingen
(“ Smart ” innebærer en vesentlig grad av digitalisering)
Smarte byer Smart
Grid/
Smart Energi
Smarte bygg/
Internet of things-
ZebInternet of ser vices
Smart Trans-
port
Smart Grids – en viktig del av utviklingen mot fremtidens kraftnett.
• Et kvantesprang i integrasjon av IKT på alle nivåer i det elektriske kraftsystemet – kombinert med anvendelse av nye teknologier:
– AMS
– Smarte termostater – Smarte nettstasjoner – Smarte batterier – Smarte bygg
– Smarte dashboards
• Utnyttelse av gamle og nye - interne og eksterne data – i tradisjonelle og «nye» løsninger - agentløsninger, neurale nett, baysian networks, big data, AI, cloud, fog, block chain..
• Et system hvor ”alle” anlegg og apparater har en ”IP-adresse” (Internet Protocol Address) slik at de stadig kan observeres og styres via ”internett”/fog/sky – i «sann tid» - og delta i automatiserings- og robotløsninger.
Dette er Smart Grids:
Generation
Transmission
Distribution DER
Customer Premise
Process Field
Station
Operation Enterprise
Market
Domains
Zones Component Layer
Communication Layer Information Layer Function Layer
Protocol Protocol
Data Model Data Model
Outline of Usecase
Subfunctions Business Layer
In te ro pe ra bility
2017.10.23
Marked
Nett auto- DMS matisering
Trafostasjons automatisering
MV linje automatisering
Nettstasjons automatisering
Smart måling
Styring av smarte apparater
NIS
ERP MDM/HES
(KIS) SCADA Storskala Produksjon
Sentralnett
Distribusjon
Kunder/ Plusskunder/Smarte hus
V e r n
Mikronett Smarte nettstasjoner
Ladestasjoner EV
MV Distribuert produksjon
Last/produksjon/ Energilagring/EV MV Energilagring
LV Distribuert produksjon LV Energilagring
Home automation Apparater
Smart grid domener Smart grid soner/ kontrollhierarki Sentrale IT systemer Nettselskap (DSO)
Mobile løsninger/
verktøy Flåtestyring
Kommunikasjon I
n t e g r a s j o n e r
Kommunikasjon
Kommunikasjon
Landssentral Region sentral
S t y r i n g
Elhub
C I Regionalnett D M
S O
Kommunikasjon
Fremtidens smarte kraftsystem
inneholder gamle og nye
elementer i et nytt og komplisert
samspill
Digitale stasjoner Digitale stasjoner
Digitalisering av kraftnettet vil spille en betydelig rolle:
Bruke ny teknologi med innebygd «intelligens» til å fornye,
forenkle og forbedre.
12
Fremtidens kraftnett blir altså en kombinasjon av hardware og software
Kilde: Trygve Kvernland, Smartgridkonferansen 2014
13
Smart grid teknologer treffer ulike deler av den elektriske verdikjeden
Produksjon Transmisjon Distribusjon Industri Næring Bolig
Wide-area monitorering & kontroll WAMS, PMUs
FACTS, HVDC nett
DMS Overvåking, styring AMS/ Elhub
Energi-/ laststyringssystemer for Industri, Kontorer, Boliger EV ladeinfrastruktur
Integrasjon intermitterende distribuert produksjon/ / plusskunder
Informasjonsutveksling /network codes/ pålitelig og sikker kommunikasjon
Smarthus teknologi Energilagring/ batterier
Mikronett
Lokale kraftmarked/ nabolagsstrøm/ block chain
S m a
r t g r
i d
14
Fremtidens nett må forholde seg til utviklingen innen
storskala og distribuert kraftproduksjon – vann, vind, sol
15
Bygningsintegrert PV
Fremtidens nett må forholde seg til elektrifisering av transport:
Private biler: 2,4 mill.
Lastebiler: 0,4 mill.
PHEVs/EVs (august 2017): 175.000
EV PHEV
17
Energilagring gir nye muligheter i utviklingen av
fremtidens nett: F.eks. smarte batterier – kombinert
med smarte omformere
18
Mange lagringsteknologier:
Pluss termisk lagring i bygninger, vannkraft, varmt vann, hydrogen……
Kilde: Ravi Seethapathy, ICEF 2017
19
Mange anvendelser
20
Mikronett blir en del av fremtidens kraftnett
Kilde: IEC/TS 62898-1(CD-utkast)
IEC-definisjon:
Group of interconnected loads and
distributed energy resources with defined electrical boundaries that acts as a single controllable entity and is able to operate in both grid connected or island mode.
21
Mikronett, plusskunder, PV - utviklingen akselererer
Eksempel Powerhouse Brattøra – 500 MWh – 450 kW Brattørkaia mikronett: PV, ladestasjon buss, hurtigbåt, batteri++
22
Fremtidens nett bør bidra til å fremme fleksibilitet i kraftsystemet
• Potensialet er betydelig – 5000 MW
• Har betydning for kraftpriser
• Gir reduserte behov for nettinvesteringer
Load Original demand Price/unit
p0
p1
V0 V1
23
Eksempel: Statnetts pilot i Nord-Norge
Lastobjekt/
Smart måler AMS
Front-end
Load Control Load
Control Drifts- sentral-
system
Drifts- sentral-
system
SYSTEMOPERATØR NETTSELSKAP SLUTTBRUKER
Klasse 3 Klasse 2 ?
24
DMS – et viktig hjelpemiddel
• Implementeres av stadig flere DSOer
• Reduserer KILE og øker servicenivået
• AMS ny datakilde som kan utnyttes – problemstillinger m.h.t.
båndbredde – tidsforsinkelser avhengig av «innsamlingssystem» og kommunikasjonsløsninger
• Ikke all DG er på nett – og dette blir viktigere fremover – også i forhold til network codes og tilhørende «real time»-krav
25
Self healing blir en del av fremtidens nett
http://www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/6041/Grid-Heal-Thyself.aspx
26
Finnes teknologien? Er den kvalifisert/klar til anvendelse?
• Det mangler ikke teknologi – og det er mange teknologier som vi ikke har tatt i bruk.
• Noen teknologier er for dyre ennå
• Noen teknologier er umodne, men prøves ut i ulike test og demonstrasjonsprosjekt
• Systeminnovasjon og interoperabilitet er komplekst og krevende.
• Informasjonssikkerhet og personvern - en evig kamp.
27
Systeminnovasjon
• System innovation is a concept used to illustrate a horizontal policy approach that mobilises technology, market mechanisms, regulations and social innovations to
solve complex societal problems in a set of interacting or interdependent components that form a whole ‘socio-technical system’
Interoperabilitet:
Evnen som to eller flere innretninger fra samme eller ulike leverandører har til å
utveksle informasjon og utnytte denne informasjonen til ønsket funksjon eller samvirke.
29
Forhåpentligvis fører utviklingen til «plug and play», men der er vi ikke ennå.
Kilde: https://www.youtube.com/watch?v=4x0TiSX2e68
Kilde: PCworld
Standardisering er
avgjørende for å løse dette på en kostnadseffektiv måte
30
Er utvikling og implementering av ny teknologi i kraftnettet koordinert godt nok?
Hvilke evt. hindringer finnes for at ny teknologi faktisk tas i bruk?
• Omlegging til fremtidens kraftsystem krever investeringer:
– I kraftnettet
– Hos nettkundene (produksjon, last, plusskunder..) – Hos nye aktører (aggregatorer, energikollektiv,….)
• Investeringsviljen til aktørene vil være påvirket av forventninger om
– Inntekter – Kostnader
– Risiko - usikkerhet
31
Når fremtiden sannsynligivis blir digital og kompleks:
• Komplekse problemstillinger innebærer usikkerhet m.h.t. fordeling av kost, nytte, risiko mellom aktørene.
• Usikkerhet hemmer investeringslysten
• Myndighetskrav viktige for å fremme evt. hemme utviklingen
– Krav om måndelig måleravlesning i Sverige – AMS krav Norge, EU…
– FASIT
– Plusskundeordning…
– Økonomisk regulering – Beredskapsforskriften – Personvernlovgiving – …
32
Nettreguleringen og TSO/DSO rollene blir viktige
• Hva blir den optimale balansen mellom marked og monopol gitt de teknologiendringene som kommer:
– Mer eller mindre vertikalintegrering
– Eierskap til ny teknologi (batterier, ladeinfrastruktur..) – Hvilke tjenester får/bør/kan nettselskapene levere – Og hvilke får de kjøpe og hvordan skal de sikre seg
at tjenestene f.eks. fra aggregatorer blir levert
• Fremtidens smarte nett vil kreve smart regulering for å redusere faren for
samfunnsøkonomiske tap.
– Pålegg og restriksjoner koster gjerne noe – Incentiver fremmer gjerne noe.
http://www.willett-ink.co.uk/
33
Fremtidens kraftnett – to ytterpunkter
• Det meste blir omtrent som det vi kjenner nå med innslag av HVDC-
forbindelser, plusskunder, batterier , DG, mye EV og andre utfordrende laster.
– De nye behovene blir i det alt vesentlige møtt med tradisjonelle nettinvesteringer.
• Fremtidens kraftnett er en samling autonome til dels off-grid mikronett.
– Med stor grad av digitalisering, fleksibilitet, automatisering, energilager, maskin-maskin handel…. hvor storkraftsystemet er back-up for langvarig svikt i lokale ressurser samt at det spiller en viktig rolle i det europeisk supernettet.
34
