Smart Grids - The Playground of Energy Transition

SIIT

TOMORROW TODAY

Smart Grids

...die Spielwiese der Energiewende

DI Dr. Wolfgang Hribernik

Head of Business Unit Electric Energy Systems Energy Department

Austrian Institute of Technology

I n h a l t

■ Vorstellung

■ Smart Grid Forschung am AIT

■ Was sind Smart Grids?

■ Europäische Treiber und Rahmenbedingungen

■ Auswirkungen von EE Integration auf die Verteilnetze

■ Smarte Technologien für Verteilnetze:

■ Intelligente Planung/Intelligenter Betrieb vs. Netzausbau

■ Bewirtschaftung von Flexibilitäten

■ Smart Grids Forschungsinfrastruktur und Entwicklungsmethoden

■ Beitrag des Stromsektors an der Energiewende - wie weit sind wir?

■ Schlussfolgerungen

I n t r o d u c t i o n W o l f g a n g H r i b e r n i k

■ 2009 - today: Head of Business Unit Electric Energy System, AIT Energy Department (Deputy Head of Department)

■ 2005 - 2009: scientific fellow Arsenal Research, development and testing of power system components

■ 2002, 2003: research studies at Boneville Power Administration (BPA), Portland, Oregon, model-based determination of switching transients

■ 2000 - 2005: PhD student and research assistant Swiss Federal Institute of Technology Zürich (ETH Zürich), High Voltage Laboratory, model-based diagnosis of power transformers

■ 1994 - 2000: diploma study “Elektrotechnik” im Studienzweig

“Automatisierungs- und Regelungstechnik” TU Wien, Diploma Thesis at ETH Zurich, graduation with Distinction.

29.09.2016 3

y i n ^AUSTRIAN OF TECHNOLOGY^INSTITUTE

AIT Austrian Institute of Technology

The AIT is Austria's largest non-university

Ownership structure

50

46

Republic of Austria

49

54

of Austrian Industries

Funding Research and

Technology Organisation

Ä

Scientific community Public authority

Employees

1,150

AIT focuses on Infrastructure- Research

Energy

s in

A\T

Smart Grids @ AIT

Planning & Operation

• Integration D E R , D SM /R D , e-mobility, storage

• Interaction distribution sy ste m s & transm ission sy ste m s

• Interaction electricity system with other

ICT & Controls

• Control A rch itectu res

• ICT for m onitoring &

autom ation

• S m art m etering

• D ata A n a ly tics

Power Electronics &

System Components

• P o w e r E le ctro n ics for grid- connected sy ste m s

• High current a p plicatio n s &

insulation sy ste m s

• G rid integration

W a s s i n d S m a r t G r i d s ?

■

A S m a r t G r i d i s a n e l e c t r i c i t y n e t w o r k t h a t c a n i n t e l l i g e n t l y i n t e g r a t e t h e a c t i o n s o f a l l u s e r s c o n n e c t e d t o it -

g e n e r a t o r s , c o n s u m e r s a n d t h o s e t h a t d o b o t h - i n o r d e r t o e f f i c i e n t l y d e l i v e r s u s t a i n a b l e , e c o n o m i c a n d s e c u r e e l e c t r i c i t y s u p p l i e s .

Quelle: European Technology Platform Smart Grids

■ A s m a r t g r i d u s e s d i g i t a l t e c h n o l o g y t o i m p r o v e r e l i a b i l i t y , s e c u r i t y , a n d e f f i c i e n c y ( b o t h e c o n o m i c a n d e n e r g y ) o f t h e e l e c t r i c s y s t e m f r o m l a r g e g e n e r a t i o n , t h r o u g h t h e d e l i v e r y s y s t e m s t o e l e c t r i c i t y c o n s u m e r s a n d a g r o w i n g

n u m b e r o f d i s t r i b u t e d - g e n e r a t i o n a n d s t o r a g e r e s o u r c e s

Quelle: US Department of Energy

6

s m U S T R IA N INSTITUTE iF TECHNOLOGY

Europe 2020 Strategy and 2050 Roadmap

Climate change and energy - the “20-20-20 targets”

■ Reduce GHG-emissions by 20%

■ Increase share of renewables in ELI energy consumption to 20%

■ Achieve an energy-efficiency target of 20%

AXt

E u r o p e : D e v e l o p m e n t o f i n s t a l l e d c a p a c i t y ( T Y N D P )

taken from ENTSO-E ten-year network development plan 2012

29.09.2016 8

D E : N e t z a n s c h l u s s e b e n e d e r E E - E r z e u g u n g ( S t a n d 2 0 1 3 )

Installierte Erzeugungskapazität

HöS HS MS NS

Verteilnetze

■ Wind on-shore

■ Photovoltaik

■ Biomasse sonst. reg.

Erzeugung

Quelle:

EEG-Anlagenregister Juni 2013

D E : K o n v e n t i o n e l l e r A u s b a u b e d a r f

■

■

■

■

Relativer Ausbaubedarf für die Stützjahre 2017, 2022 und 2032

Berücksichtigung der aktuellen Regularien für das Blindleistungsmanagement

Mittelspannung Niederspannung

P 100%

S

(D >

N

40%

80%

60%

20%

Cö 0%

a:

10%

2017 2022 2032 2017 2022 2032

■ thermischer Ausbau ■ Spannungsbedingter Ausbau

Mittelspannungsnetze werden um ca. 80% bis 2032 erweitert Hoher thermischer und spannungsbedingter Ausbaubedarf

■ Niederspannungsnetze werden um ca. 9% bis 2032 erweitert

■ Ausschließlich spannungsbedingter Ausbau ^Quelle:

aus A. Moser, „Netzintegration Erneuerbarer Energien - Konsequenzen für Übertragungs- und Verteilnetze“

1: Bezogen auf die Netzlänge

A IT

Maßnahmen zur Integration von erneuerbaren Energien

P la n e ris c h e A n s ä tze

Verstärkung Strukturelle Änderungen

Spannungs­

regelung

-is t

O p e ra tiv e A n s ä tze

Wirk-/Blind- leistungs-

regelung

/'VTV^

L J

Schaltmaß­

nahmen

p

(

) I HQ(

)

♦ Verringerung der Netzimpedanz

♦ Erhöhung der therm. Grenze

♦ Reduzierung Abgangslänge

♦ Verringerung der Netzimpedanz

♦ Anpassung des Spannungsniveau

♦ Steuerung von Lasten und Einspeisungen

♦ Kompensation

♦ Steuerung des Flusses

Quelle:

aus A. Moser, „Netzintegration Erneuerbarer Energien - Konsequenzen für Übertragungs- und Verteilnetze“

W e c h s e l r i c h t e r f ü r d i e B e r e i t s t e l l u n g v o n B l i n d l e i s t u n g

MorePV2Grid

12

P a s s i v e r V e r t e i l n e t z b e t r i e b

Funktionsübersicht zur derzeitigen Praxis

Die Spannungsregelung des

Verteilernetzes erfolgt durch Regelung der Sammelschienenspannung im

Umspannwerk durch Beeinflussung des Stufentransformators.

Die Sollwertvorgabe für die

Sammelschienenspannung kann saisonal unterschiedlich sein.

Im V e rte iln e tz w a r d e r N e tz b e tre ib e r b is h e r p ra k tis c h „ b lin d “

13

A\T

DG Demonetz Ansatz

Funktionsweise der koordinierten Spannungsregelung

Die koordinierte Spannungsregelung im Verteilernetz erfolgt durch eine

Kombination der Beeinflussung des

Stufentransformators unter Zuhilfenahme von Messdaten aus dem Netz mit einer

lokalen Blind- und in letzter Instanz einer Wirkleistungsregelung bei geeigneten

Erzeugeranlagen.

110 kV

W ic h tig e Faktoren:

In fo rm a tio n e n au s dem N etz und ins N etz

In fo rm a tio n s - und K o m m u n ik a tio n s te c h n o lo g ie n sin d n o tw e n d ig

M3

14

>IIT

Spannungsregelung Mittelspannungsnetz

Konventionelle Netzverstärkung 100%

Smart Grid Fallstudie A 20% 80% Einsparung

Smart Grid Fallstudie B 45% 55% Einsparung

Smart Grid Fallstudie C 95% 5%

und in Bezug zu konventioneller Netzverstärkung

15

A IT

Spannungsregelung Niederspannunsnetz (I)

Kostenbarwertvergleiche: Köstendorf

Koordinierte Regelung Fernregelung Autonome Regelung - Q-Regelung + RONT

Autonome Regelung - Q-Regelung Referenz (110 €/m)

Referenz (75 €/m) Referenz (40 €/m)

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 Barwert in [€]

Zeitraum: 25 Jahre Zeitraum: 50 Jahre

Kostenbarwertvergleiche: Eberstalzell

Koordinierte Regelung Fernregelung Autonome Regelung - Q-Regelung + RONT

Autonome Regelung - Q-Regelung Referenz (110 €/m)

Referenz (75 €/m) Referenz (40 €/m)

0 20000 40000 60000 80000 100000

Barwert in [€]

■ Zeitraum: 25 Jahre Zeitraum: 50 Jahre

S c a l a b i l i t y a n d T r a n s f e r a b i l i t y o f S o l u t i o n s

a)w

nsa)

oc Ö>(0

Q .(0 OO)c '5

tn

x

O

X

<1

AsIs V V C W A C W A C & V V C O P F FixCurt S ystem U n d er Test

VVC - Volt Var Control - Reactive Power Control at Photovoltaic inverters

WAC - Wide Area Control - Control with adjustable

Transformer based on remote measurements

OPF - Optimal Power Flow - System optimisation

calculated in central management system

FixCurt - Fix curtailment of renewable infeed, e.g. 75% of rated power

17

U t i l i z a t i o n o f F l e x i b i l i t y

■ D rivers

■ Increasing sh a re of intermittent generation

■ Inherent flexibility in com po ne n ts (EV, B E S S , DR)

■ P o ten tial

■ R e d u ce d co sts for additional distributed generation

■ N ew se rvice p o ssib ilitie s for utilities and other m arket actors (Retailer, Aggregator, D S O )

■ T h re a ts

■ A dditional stre ss for the distribution grid through uncoordinated operation

■ Interaction betw een D S O and T S O

■ P riva cy and security risks

■ U ncertainty of m arket developm ent

© Fronius International GmbH

29.09.2016 18

F l e x i b i l i t y - B a r r i e r s t o e n t r y / K e y Q u e s t i o n s / I s s u e s

■ T e c h n ic a l

■ R e a d in e s s of com ponents

■ Interoperability & Interfaces

■ Control a p p ro a ch e s & system setup

■ R e g u la to ry

■ M arket d esign

■ S ta ke h o ld e r roles

■ E c o n o m ic

■ B u s in e s s c a s e s a sse sm e n t

■ Longterm investm ent strategies

■ S o cial

■ A c ce p ta n c e

■ W illin g n e ss to participate

© Fotolia

© Fronius International GmbH

© Fotolia

© Fronius Internati i\ GmbH

29.09.2016 19

C o o r d i n a t e d u s e o f F l e x i b i l i t y

Level 1

P

A

Level 2

p

Level 3

p

A u to n o m o u s optim ization A u to n o m o u s optim ization Integration in grid control

A u to n o m o u s optim ization Integration in grid control

M a rk e t participation

29.09.2016 20

A IT

Use Case Aspern: Utilization of Flexibility from Buildings - Participation of buildings in manual frequency reserve

market in Austria (tertiary reserve): Concept

DEMS (Demand Energy Management System)

Wien Energie:

Aggregator mit Marktzugang

S U T ^AUSTRIAN OF TECHNOLOGY^INSTITUTE

Implementation MV

■ Interaction between markets and grids

■ Impact of simultaneous flex behaviour on grids

■ Active DSO support with flexibility

■ Proof of concept

■ Integration of flexibility from customers and generators

■ Diverse grid problems: different generator types (hydro, PV, wind), rural/urban grid architecture, country characteristics from AT and SI

(2) Grid state (boundary conditions)

(3) Requestsfor P-activation

(0) grid data (0) Resource DB

(1) Initial PF calculation ind. Q-optimization

Server 1: AIT PowerFactory (0) time (g) re-calc, of PF, comparison (0) resource

data

Server 2:

cyberGRID (0) Market data (4) VPP Operation

(7) Avoided costs (5) P-activation of resources

(4) Activations from tert.

market (5) Market revenues

(8) Final economic evaluation

■ Business cases

■ Realistic hybrid use cases with combination of grid and market

■ Co-simulation of market and grid business cases

" Regulatory analysis

■ Possibility for hybrid flexibility from regulatory perspective

■ Framework analysed in AT and SI

■ In d u stry c u s to m e rs

■ Assessment of acceptance from industry customers

■ Positive and interested feedback from industry customers

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Implementation LV

■ A p p ro a c h

■ Common system architecture to coordinate grid integration and market services

■ Development of extended grid integration functions for PV-BESS

■ P ro o f o f c o n c e p t

■ Real world applicability for flexibility provision scheme is shown in three different setups

■ Integration into existing infrastructure and control approaches of the DSOs

■ D iversified Use C a s e s

■ Components: photovoltaic inverter, storage, electric vehicles, home automation, etc.

■ Communication: narrowband, broadband

■ Grid topologies: village, rural, mixed

■ Control approach: direct, indirect, monetary motivation

■ Installation: central storage, distributed storage

^IT

On Load Tap Changer

Dash- Resi- Sub- Agri- baard dental station culture

electricity grid poweriine communication broadband communkatior

CASE 1 KÖSTENDORF

CASE 2 EBERSTALZELL LITTRING

0@@leafs

Integration o f Loads and Electric Storage Systems into Advanced Flexibdity Schemes for LV Networks

S IE M E N S N jE T Z p O

E j SALZBURGNETZ

IS S i l l *

<88SB p t l ;

SS#™

'

S m a r t G r i d s F o r s c h u n g s i n f r a s t r u k t u r : s m a r t E S T l a b o r a t o r y

29.09.2016

>ilT

smartEST approach: Hardware-in-the-loob (HIL) simulations for electricity grids

Electrical integration of simulation and testing power-hardware-in-the-loop (PHIL)

■ Combination of powerful computer hardware and comprehensive software complex models of devices and systems Real-time simulation of power system networks and data analysis.

Physical laboratory network and

Realtime components

29.09.2016 25

Kosimulationsumgebung

Real Components

C on troller

D ata concentrator

P o w erlin e C om m unication

Modelling

26

Simulation Message Bus (SMB)

E n e r g i e w e n d e - w i e w e i t s i n d w i r ?

Energetisch bedingte Emissionen; Mio. t C02-Äqui valente

Sektor umfasst Emissionen aus: 1990 2005 2014

Industrie V erbrennung 9,39 11,35 10,54

V e rke h r 13,79 24,62 21,73

K le in verb rau ch er Raum w ärm e 13,13 12,54 7,60

Energieversorger S tro m , Fernw ärm e, Raffinerie und Eigenverbrauch 13,95 16,16 8,32 Flüchtige Em issio­

nen 0,70 0,43 0,49

Landw irtschaft M aschinen 1,34 1,10 0,90

Albfallw irtschaft Abfall Verbrennung 0,12 0,53 1,34

G esam t 52,92 6 7,34 51,42

Quelle: Um Weltbundesamt; Stand Januar 2016

■ Nicht energetisch bedingte Emissionen: 24.9 Mt Co2 equ

■ Davon Stahlerzeugung: 11.8 M t C O2 equ

27

S t r a t e g i c R e s e a r c h A g e n d a : E n t w i c k l u n g e i n e s i n t e l l i g e n t e n E n e r g i e s y s t e m s i n u n d a u s Ö s t e r r e i c h

■ Domänenübergreifende Lösungen sind zentral für gesamtheitlich gedachtes Energiesystems

■ Komplexe Wirkungsforschung braucht große Real-Labore

■ Wir benötigen starke

österreichische Forschung

eingebettet in europäische und internationale Entwicklungen

4/2016

Strategie Research Agenda

zur Entwicklung eines

intelligenten Energiesystems

in und aus Österreich

Bericht a u s Energie- und Umweltforschung

4/2016

Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie

28

A\T

Schlussfolgerungen

■ In te g ra tio n von E rn e u e rb a re n (und Maßnahmen zur Umsetzung von Energieeffizient) sind DIE T re ib e r fü r S m a rt G rid s in E u ro p a

■ Die Erfüllung von Erneuerbaren und Effizienzzielen erfordert notwendig

In v e s titio n e n in N e tz in fra s tru k tu r

■ Der Einsatz smarter Netztechnologien im Verteilnetz v e rm in d e rt den A u fw a n d an N e tzv e rs tä rk u n g

■ Integration von F le x ib ilitä te n (wie z.B. Speichersysteme) erfordert die Einbettung in das R e g u la to ris c h e U m feld und einen B e trieb an den Schnittstellen Markt - Netz sowie Übertragungsnetz - Verteilnetz

■ Die Umsetzung einer Energiewende im Sinner der 2050 Roadmap erfordert

g a n z h e itlic h e s E n e rg ie s y s te m d e s ig n und e in e in te g ra tiv e B e tra c h tu n g d e r (s m a rte n ) E n e rg ie in fra s tru k tu r

29

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Wolfgang Hribernik

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