Napredne mreže ‐ novi koncepti prijenosa i distribucije električne energijeNapredne mreže ‐ novi koncepti prijenosa i distribucije električne energije

Prof.dr.sc. Igor KuzleSveučilište u ZagrebuFakultet elektrotehnike i računarstva

III. REDOVITA SKUPŠTINAZNANSTVENOGA VIJEĆA ZA NAFTNO‐PLINSKO GOSPODARSTVO I ENERGETIKUZagreb, 18.04.2019.

Najvažnije promijeneNajvažnije promijene

2

Povećanje fleksibilnosti EES-a

Uzroci promjena u EES‐uUzroci promjena u EES‐u

3

Izazovi povezani s EES‐omIzazovi povezani s EES‐om

• Potrošnja električne energije konstantno se povećava (porast stanovništva, životni standard, dominacija prema ostalim oblicima energije i sl.).

• Međunarodna agencija za energiju– do 2020. g. više od 30 gradova većih od 10 milijuna stanovnika– digitalna ekonomija: podatkovni centri će 2030. g. u SAD‐u trošiti oko 

20% električne energije– globalna potrošnja električne energije će se utrostručiti do 2050. g.

• Starenje elektroenergetske infrastrukture– kvarovi– raspadi

• Zahtjevi za energetskom učinkovitosti• OIE, električna vozila, spremnici energije itd.

4

Europska energetska strategijaEuropska energetska strategija

– Ciljevi za 2020 i 2030

– EU najveći uvoznik energije na svijetu

5

EES se mijenjaEES se mijenja

6

“The Stone Age did not end for lack of stone, and the Oil Age will end long before the world runs out of oil”Ahmed Zaki Yamani (Organization of the Petroleum Exporting Countries)

U ukupnoj proizvodnji električne energije u svijetu u 2019. godini:VE 4% i SE 4 %

Instalacija solarnih elektrana po zemljamaInstalacija solarnih elektrana po zemljama

FN u JapanuFN u Japanu

Pomrčina sunca 20.03.2015.Pomrčina sunca 20.03.2015.

11

9:00      9:30           10:00             10:30      11:00        11:30           12:00

12 GW

26 GW

17 GW

Njemačka

Europa

Primjer utjecaja SE na EESPrimjer utjecaja SE na EES

12

Više OIE…Više OIE…• …raste potreba za dodatnom fleksibilnosti u sustavu:

– veća varijabilnost i nepredvidivost u sustavu,– veći skokovi u neto opterećenju,– kraći trajanje vršnog opterećenja, niže bazno opterećenje,– veći zahtjevi za fleksibilnosti (rampingom), rezervom…

• …opada broj fleksibilnih (upravljivih) jedinica…• …cijena fleksibilnosti raste! Nepredvidivost

Varijabilnost

Fleksibilnost – pojamFleksibilnost – pojam

14

• Fleksibilnost sustava:– tehnička: sposobnost EES‐a da dovoljno brzo i na odgovarajući način 

odgovori na nagle promjene u proizvodnji i potrošnji u sustavu;– tržišna: sposobnost TEE da na odgovarajućoj vremenskoj skali omogući 

trgovanje EE kako bi se izbjegle neravnoteže.• Fleksibilnost korisnika mreže: 

– sposobnost pravovremene i dovoljno brze promjene radne točke postrojenja korisnika mreže;

– kao odgovor na vanjski signal: tržišni ili mrežni;

– bez stvaranja značajnijih dodatnih troškova korisnika. 

Pružatelji fleksibilnostiPružatelji fleksibilnosti

15

• Prema smjeru snage i tehnologiji

Odgovor ‐ Napredne elektroenergetske mrežeOdgovor ‐ Napredne elektroenergetske mreže

• U tijeku je značajan preustroj prijenosnih sustava (inovativne tehnologije temeljene na ICT uz primjenu novih materijala i konstrukcijskih rješenja). Predmetne tehnologije povećavaju kapacitet, učinkovitost i pouzdanost postojećih i novih elemenata EES‐a

• Koncept naprednih elektroenergetskih mreža često se povezuje samo s distribucijskim mrežama i integracijom distribuirane proizvodnje te aktivno upravljanje potrošnjom (mikromreže). 

• Napredne mreže uključuju i prijenosni sustav kao i integraciju OIE (izbjegavaju se velika pojačanja mreže uz određene investicije u nadzornu i upravljačku opremu.).

• Napredne elektroenergetske mreže čini skup različitih multidisciplinarnih elektrotehničko‐informacijsko‐komunikacijskih tehnologija koje se međusobno nadopunjavaju

16

Razlika između klasične i napredne mrežeRazlika između klasične i napredne mreže

17

Klasični telefon

Napredni telefon

Koncept današnje i napredneelektroenergetske mrežeKoncept današnje i napredneelektroenergetske mreže

18

Central GeneratingStation

Step-Up Transformer

DistributionSubstation

ReceivingStation

DistributionSubstation

DistributionSubstation

Commercial

Industrial Commercial

Gas Turbine

RecipEngine

Cogeneration

RecipEngine

Fuel cell

Micro-turbine

Flywheel

Residential

Photovoltaics

Batteries

Residential Data Concentrator

Control Center

Data network Users

2. Information Infrastructure

1.Power Infrastructure

Source: EPRI

Integriranje elektroenergetske iIC infrastruktureIntegriranje elektroenergetske iIC infrastrukture

19

Trendovi i tehnologije u prijenosuTrendovi i tehnologije u prijenosuHVDC

Uzroci za razvoj naprednih prijenosnih mrežaUzroci za razvoj naprednih prijenosnih mreža

• Dva glavna trenda u Europi koji utječu na razvoj prijenosnih mreža:– Učinak liberalizacije Europskih tržišta električne energije

• Izgradnja nadzemnih vodova (ograničenja).

– Masovna integracija OIE (posebice s varijabilnom proizvodnjom) u EES• Potreba za smanjenjem emisija CO2• Utjecaj politike i regulatora

21

Trendovi u prijenosnom sustavuTrendovi u prijenosnom sustavu• Povećanje prijenosnih kapaciteta

– nove tehnologije i materijali• visokotemperaturni vodiči, nove izvedbe stupova

– nadzor u realnom vremenu• WAMS, LINET, različiti senzori za nadzor elemenata rasklopnih postrojenja ili nadzor vodova

• Prijenos električne energije na velike udaljenosti (HVDC i HVAC)• Upravljanje tokovima snaga (PST, FACTS)• Skladištenje električne energije

• Pokušava se povećati sigurnost prijenosa električne energije uz istovremeno veće iskorištenje prijenosnih kapaciteta

22

• DV 2x110 kV Samobor – Rakitje i DV 2x110 kV Rakitje – Botinec (2004/2011)

Poligonalni čelični dalekovodni stupoviPoligonalni čelični dalekovodni stupovi

23

DV 2x110 kV Samobor‐Rakitje‐BotinecDV 2x110 kV Samobor‐Rakitje‐Botinec

24

Trendovi u prijenosnom sustavuTrendovi u prijenosnom sustavu

• Pojednostavljenje konstrukcije primarne opreme i produljenje životnog vijeka

• Novi načini izvedbe i međuveze između zaštitnih i upravljačkih funkcija• Upravljanje potrošnjom• Napredni programski sustavi• Informacijska sigurnost (cyber security)• Postroženje ekoloških zahtjeva (smanjenje buke)• Temelj naprednih elektroenergetskih mreža

– dvosmjerna komunikacija u realnom vremenu– treba odabrati odgovarajuću strategiju razvoja komunikacijske 

infrastrukture  širokopojasne tehnologije

25

Trendovi i poboljšanje funkcionalnostiTrendovi i poboljšanje funkcionalnosti

26

WAMSWAMS

• Wide Area Monitoring System je sustav preciznog mjerenja amplituda i faznih kuteva napona i struja uz sinkronizaciju procesa korištenjem GPS signala.

• Osnova sustava su međusobno povezane mjerne jedinice za mjerenje fazora (engl. Phasor Measurement Unit ‐ PMU).

• Moćan alat za nadzor, vođenje i zaštitu, čime se poboljšava sigurnost i pouzdanost sustava

RAČUNALO

telekomunikacijskamreža

telekomunikacijskamreža

MJERNAJEDINICA

MJERNAJEDINICA

GPS

RAČUNALO

telekomunikacijskamreža

Praćenje vremenskih podataka u realnomvremenu – Sustav za registraciju munjaPraćenje vremenskih podataka u realnomvremenu – Sustav za registraciju munja

• Krajem 2008. u RH je uspostavljen sustav za registraciju munja (engl. Lightning Location System – LLS) ‐ dio Europskog sustava LINET. Šest senzora je instalirano na području RH.

• Antena za mjerenje elektromagnetskog polja i GPS antena (TS Zadar 1) 

28

Europski sustav LINETEuropski sustav LINET

29

• Temelj istosmjernog prijenosa su usmjerivači.– ispravljači s kojima se izmjenična struja pretvara u istosmjernu – izmjenjivači, koji služe za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu.

• Usmjerivači se zasnivaju na tiristorima.• Osnovne komponente: 

– istosmjerna veza,– konvertorske (pretvaračke) stanice na krajevima istosmjerne veze, 

HVDC sustaviHVDC sustavi

30

Primjena HVDCPrimjena HVDC

31

HVDC nasuprot HVACHVDC nasuprot HVAC

32

Usporedba HVAC i HVDC vezeUsporedba HVAC i HVDC veze

33

AC koridorAC koridor

34

DC koridorDC koridor

35

Usporedba troškova izgradnje HVAC i HVDC vodaUsporedba troškova izgradnje HVAC i HVDC voda

36

DC vod ima 30-40% niže troškove izgradnje od AC voda

Supermreža budućnostiSupermreža budućnosti

Europska super mreža ‐ detaljEuropska super mreža ‐ detalj

38

Euro‐Afričko‐Azijska super mrežaEuro‐Afričko‐Azijska super mreža

39(source: desertec)Projekt DESERTEC

FN+solarni kolektori700 GW8000 km290 x 90 km

Europa

Afrika

Azija

Oceanija JužnaAmerika

SjevernaAmerika

Arktička petlja

Ekvatorijalna pelja

Istok – Zapad:    Interval 8 sati, bez zalaska sunca.Sjever – Jug:  Istovremeno zima i ljeto.

Planovi za globalnu mrežuPlanovi za globalnu mrežu

40

Danas‐5000 god. +5000 god.Vrijeme

Razvoj obnovljivih izvora energije

Prirodno korištenje obnovljivih izvora energije

Fosilna energija će se koristiti oko 300 godina, a više od pola tog vremena je već prošlo (nafte ima za oko 50 godina,  a ugljena za oko 100 godina) .

Potrošnja energije od stane ljudi

Globalna mreža će se realizirati u sljedećih 100 

godina

200

100

Obnovljivi izvori energije za ±5000 godinaObnovljivi izvori energije za ±5000 godina

41

Trendovi i tehnologije u distribucijiTrendovi i tehnologije u distribuciji

• Elektro Ljubljana Grupa– VPP (12 MW)– Dizel agregati– Pruža uslugu tercijarne rezerve

odziv je u roku 15 minuta, 2 sata– 100 % raspoloživa za vršno i min.

Opterećenje– Maksimalno djeloanje 2x dnevno– Nakon aktivacije neraspoloživa 10 h– U pogonu od studenog 2013.– 3x mjesečno se korisiti u prosjeku

• Stadtwerke München GmbH– VPP (20 MW)– 6 kogeneracijskih postrojenja– 5 malih hidroelektrana– 1 vjetroelektrana 

Virtualne elektraneVirtualne elektrane

43

MikromrežeMikromreže

• Mikromreža se sastoji od lokalizirane, uglavnom samodostatne skupine potrošača i proizvođača. 

• Skup:– Trošila– Distribuirane proizvodnje– Spremnika energije

• Koordinirano upravljanje s ciljem pouzdane razmjene s ostatkom sustava preko mjesta spoja na mrežu (PCC – Point of Common Coupling)

• Velika penetracija OIE stvara probleme i potrebu za:– Raspodjelom opterećenja u uvjetima nesigurnosti– Ostvarenje pouzdanog i ekonomičnog rada uz visoku penetraciju OIE– Definiranje novih tržišnih signala i modela

• Definicija prema IEEE Std 1547.4‐201144

EE mreža

PCC

Trošila i elektronika

DC razvod

MikromrežeMikromreže

45

AC razvod

PCC ‐ susretno mjesto priključka(engl. Point of Common Coupling) 

Električna vozila – cestovna vozilaElektrična vozila – cestovna vozila

• Smanjenje zagađenja stakleničkim plinovima– 13,5% stakleničkih plinova u svijetu, osobna vozila 44,5% od tog 

postotka;• Smanjenje ovisnosti o fosilnim gorivima,

posebice ako koriste OIE za punjenje;• Povećavaju nacionalnu energetsku sigurnost• Mogu se koristiti i kao distribuirani

spremnici energije

• Podjela EV– hibridna vozila– punjiva hibridna vozila– baterijska električna vozila 

46

PunionicePunionice

• prosječni dnevni put automobila iznosi oko 30 km uz potrošnju energije od 0,2 kWh/km dnevno je potrebno 6 kWh energije po vozilu

• Podjela punionica– Spore (nekoliko sati)

nekontrolirano– Brze (do sat vremena)

kontrolirano– Zamjena baterija– G2V, V2G, B2B

• Velika fleksibilnost EV– 95% vremena nisu u

upotrebi– Kapacitet stotinjak i više

km gradske vožnje47

Odziv potrošnje (engl. demand response)Odziv potrošnje (engl. demand response)

DistributionOperations

EnergyStorage

Advanced Monitoring, Communications & Control

AdvancedMonitoring,Communications& Control

Adapted from EPRI source image

PHEV

CustomerPortal or Meterand Control

LG Electronics

“High Demand Period” “Delay wash 2 hours?”“Please respond Yes or No”

Distributed generation

Smart appliances

Djelovanje potrošača da bi postigli određeni cilj, korisnik bira koja će trošila kontrolirati.  Različito od upravljanja potrošnjom (engl.  Demand Side Management (DSM) gdje su trošila kontrolirana od elektroprivredne kompanije.

48

Odziv potrošnjeOdziv potrošnje• Odziv potrošnje ili aktivno upravljanje korisničkim uređajima 

podrazumjeva djelovanje korisnika kako bi postigao željeni cilj, najčešće motiviran cjenovnim signalima.

• Stoga se upravljanje potrošnjom u najvećoj mjeri primjenjuje upravo smanjenjem potrošnje tijekom vršnih sati ili kroz realokaciju (pomicanje) potrošnje energije izvan vršnih sati, odnosno u period manjeg opterećenja. 

Upravljanje trošilimaUpravljanje trošilima

Source: Dr. Kayarvizhy N. – Introduction to IoT

Internet stvariInternet stvari

51

Internet stvari (Internet of Things ‐ IoT) je računalni koncept temeljen na ideji da se svi uobičajeni fizički objekti priključe na Internet pri čemu imaju sposobnost vlastite identifikacije ostalim uređajima.

Uređaji povezani na InternetUređaji povezani na Internet

52Izvor: Cisco IBSG

50% svih umreženih uređaja između 2015 i 2025 bit će industrijski uređaji

IoT napredna kućaIoT napredna kuća

53

Napredni gradoviNapredni gradovi

54

• Smart City je koncentracija ljudi i uređaja.• Trenutno 72% EU populacije živi u urbanim područjima i koristi 70% energije. • Većinu podataka generiraju ljudi/građani i procesi/strojevi.• IoT/big data mogu unaprijediti energetski sustav, poboljšati mobilnost, ublažiti 

klimatske promjene, povećati kvalitetu vode i zraka, smanjiti kriminal, omogućiti autonomna vozila i sl.

Višeenergijski sustaviVišeenergijski sustavi

55

• Interakcija više energetskih infrastruktura – plin, toplina, električna energija, voda, rashladna energija, transport…

• Virtualno spremanje električne energije– Power to gas, power to heat

• Višeenergijski sustavi– Troškovi pogona niži i do 50%– CO2 emisije niže i do 40%– Veća učinkovitost i do 40%

Integrirana infrastrukturaIntegrirana infrastruktura

56