Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet Cursus Windenergie Sessie 3 Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende - 28 februari 2007 - Joris Soens

Inpassing van windenergie in het elektriciteitsnet: inhoud DEEL I: ELEKTROTECHNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”) Windenergie: basistypes windturbines DEEL II: WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE Overheidssteun: groenestroomcertificaten in Vlaanderen Waarde van windenergie

ELEKTOTECHNNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE DEEL I ELEKTOTECHNNISCHE ASPECTEN VAN WINDENERGIE

Verspreide generatie (“Distributed Generation”) = Ingebedde Generatie (“Embedded Generation”)

Van ‘top-down supply’ naar ‘embedded generation’

Verspreide Generatie: Motivaties Productie uit hernieuwbare energiebronnen en warmtekrachtkoppeling wordt sterk aangemoedigd overheidssteun meestal kleinschalige installaties (uitzonderingen: offshore windpark, STEG...) Belang van ononderbroken elektriciteitslevering (ziekenhuizen...) Liberalisering van de energiemarkt

Verspreide generatie: definities – eigenschappen geen centrale planning geen centrale dispatching netgekoppeld op laag- of middenspanning (ca. 400V tot 36 kV) relatief laag vermogen (1 kW  10 MW) types: fotovoltaïsch wind biogas/stortgas WKK op fossiele of hernieuwbare brandstoffen

Invloed van DG op werking van het net Netbelasting Netuitbating en netondersteuning Netveiligheid Power Quality & Communicatie

Invloed van DG op werking van het net Netbelasting Lijnverliezen Thermische grenzen van geleiders en transformatoren

Lijnverliezen gelijkmatige belasting langs distributiekabel HS-post stroom afstand tot HS-post

Lijnverliezen gelijkmatige belasting langs distributiekabel HS-post DG stroom afstand tot HS-post

Lijnverliezen Lijnverliezen ongeveer kwadratisch evenredig met getransporteerd schijnbaar vermogen Theoretisch optimum voor 1 generator (bij gelijkmatige lijnbelasting): generator op 2/3 van de kabellengte, en generatorvermogen = 2/3 van de totale last aan distributiekabel Werkelijke lijnverliezen sterk afhankelijk van ogenblikkelijke lastverdeling

Thermische grenzen van geleiders en transformatoren Op distributienet-niveau DG vermindert meestal thermische belasting van geleiders en transformatoren in normaal bedrijf Maar dimensionering van geleiders wordt bepaald door extreme scenario’s: volle belasting en lage productie van DG lage belasting en hoge productie van DG

Thermische grenzen van geleiders en transformatoren Op transmissienet-niveau Gevalstudie: Offshore Wind in de Belgische Noordzee Lijnbelasting afhankelijk van productie- en belastingsverdeling in België internationale vermogensstromen injectie van offshore windenergie Overbelasting van transmissienet mogelijk tot diep in binnenland

Belgisch Hoogspanningsnet 150 kV 220 kV 400 kV

Belgische Elektriciteitscentrales

Overbelasting (‘congestion’) door off-shore windenergie

Invloed van DG op werking van het net Netuitbating en netondersteuning Impact van DG op stationaire netspanning Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie Dynamisch gedrag bij netstoringen

Wat is ‘netondersteuning’? Netondersteuning of ‘ancillary services’ = diensten die netgebruikers (producenten & verbruikers) leveren voor veilige betrouwbare stabiele (technisch en economisch) werking van het net Gecoördineerd door netbeheerder Omvat: spanningscontrole frequentiecontrole ‘black-start‘-mogelijkheid ondersteuning voor financiële transacties en economische dispatch

Enkele netbeheerders in Europa met specifieke richtlijnen voor netondersteuning door gedecentraliseerde productie-eenheden Energinet.dk (Denemarken) http://www.energinet.dk E.ON (deel van Duitsland) http://www.eon-netz.com/ Svk (Zweden) www.svk.se ESBNG (Ierland) www.eirgrid.com Scottish Power (Schotland) www.scottishpower.com

Impact van DG op stationaire spanning: theoretische beschouwing ZGRID ~ Iload - IDG Iload IDG UPCC UGRID PCC meest eenvoudig netmodel ‘point of common coupling’ belasting aan PCC gedecentraliseerde generatie aan PCC spanning UPCC op point of common coupling:

Kortsluitvermogen aan PCC (vóór installatie DG) ZGRID ~ Isc = UGRID / ZGRID UGRID kortsluiting PCC (point of common coupling) Kortsluitvermogen (1 - fasig): Gebruikelijke waarden in België (3-fasig): 2,5 GVA (70 kV); 1,3 GVA (30 kV); 500 MVA (15 kV); 400 MVA (10 kV)

Kortsluitvermogen - Netsterkte groot kortsluitvermogen aan PCC (i.e. ZGRID klein) betekent dus: weinig impact van DG op UPCC met PDG = totaal vermogen aan gedecentraliseerde productie op PCC vuistregel: netsterkte moet > 50

Vuistregel: netsterkte > 50 Vuistregel gecombineerd met typische waardes voor kortsluitvermogens leidt tot: richtwaarden voor maximaal geïnstalleerd vermogen op radiale lijnen verbonden met PCC, afhankelijk van spanningsniveau 70 kV 30 kV 15 kV 10 kV 50 MW 26 MW 10 MW 8 MW d.i. bovengrens i.v.m. stationaire impact op spanningsprofiel veronderstelt voldoende stroombeschikbaarheid in alle leidingen

Spanningscontrole en reactieve-energiecompensatie Spanningsval langs stroomvoerende geleider: R = lijnweerstand X = lijnreactantie P = getransporteerd actief vermogen Q = getransporteerd reactief vermogen R X P + j · Q U1 U2

Spanningscontrole d.m.v. reactieve energie Openluchtlijnen (HS-netten): X >> R doeltreffende spanningscontrole d.m.v. reactieve energie Q Ondergrondse kabels (MS-en LS-netten) X ≈ R spanningscontrole d.m.v. reactieve energie minder doeltreffend veroorzaakt bovendien extra joule-verliezen in lijn Q-controle nuttig voor compensatie van reactieve belastingen Sommige netbeheerders schrijven bereik voor waarbinnen reactieve energie van DG-eenheden regelbaar moet zijn

Voorschriften i.v.m. reactieve-energiebereik power factor (anno 2004) DK (Eltra&Elkraft, nu Energinet.dk) DE (E.ON) Schotland (voor 2003) Schotland (voor 2007) Schotland (na 2007) IE (ESBNG) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

Gedrag van generatoren bij netstoringen (1) voorbeeld: gedrag van windturbine met inductiegenerator, in geval van spanningsdip: spanningsdip (op t = 4s) ongecontroleerd versnellen van generator generator wordt losgekoppeld (‘tripped’) van het net door eigen beveiliging

Gedrag van generatoren bij netstoringen (2) Vroeger: elke generator kon willekeurig vroeg uitschakelen bij netstoring om eigen veiligheid te waarborgen Nu: stijgend aandeel aan gedecentraliseerde productie: Netstoring (spanning, frequentie…) leidt tot uitschakeling van een generator Dit veroorzaakt nieuwe spanningsdip bij nabije generatoren… Cascade-effect met mogelijk groot verlies van productie Netbeheerder legt ‘ride-through capability’ op aan DG-eenheden, voor spannings- en frequentiestoringen

Ride-through bij spanningsdips (1) vb. E.ON spanningsdip-curve (E.ON = een netbeheerder in Duitsland) oorspronkelijk: specifieke curve voor windturbines nu voor alle generatoren met lage bijdrage tot netkortsluitvermogen Elke spanningsdip boven rode lijn mag niet leiden tot uitschakeling van generator In grijze zone moet generator extra reactieve energie leveren voor spanningsondersteuning

Ride-through bij spanningsdips (2) (anno 2004) SE (Svk) ( > 100 MW) SE (Svk) ( < 100 MW) Schotland IE (ESBNG) DE (E.ON) DK (Eltra) DK (Elkraft) Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

Ride-through by frequentie-storingen Matevosyan J., Ackermann T., Söder L., ‘Comparison of International Regulations for Connection of Wind Turbines to the Network,’ Nordic Wind Power Conference (NWPC04), Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, March 1-2, 2004;

Invloed van DG op werking van het net Netveiligheid Werking van beveiligingsrelais Foutstromen en detectie

Werking van beveiligingsrelais Selectiviteit: Beveiliging dichts bij netfout reageert eerst Als beveiliging faalt: volgende beveiliging op hoger niveau reageert Wees waakzaam met gedecentraliseerde productie-installaties net

Foutstromen en detectie Foutdetectie: Kortsluitstroom wordt gedetecteerd door alle beveiligingsrelais Met DG: kortsluitstroom wordt geleverd door lokale generatoren Kortsluiting wordt niet meer gedetecteerd door alle relais wordt foutstroom gedetecteerd? net

Invloed van DG op werking van het net Power quality Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen Flikker en spanningsvariaties

Overgangsverschijnselen bij in- en uitschakelingen Overgangsverschijnselen afhankelijk van generatortype Netgekoppelde inductiegenerator (WKK, windturbines): grote aanloopstromen machine werkt als motor tijdens aanloop: verbruikt energie Koppeling via omvormer (PV, wind, WKK…) overgangsverschijnselen kunnen gecontroleerd en beperkt worden

Voorbeeld: windturbine in distributienet van Haasrode Onderzochte generatortypes voor windturbine: inductiegenerator met kooirotor (squirrel cage) dubbelgevoede inductiegenerator HS-post Heverlee 70kV – 10 kV Windturbine

Gesimuleerde windsnelheid en generatortoerental

Actief en reactief generatorvermogen

Spanning op knopen 408 en 2 overgangsverschijnsel na inschakeling

Flikker en snelle spanningsvariaties Gedecentraliseerde productie (zon, wind, WKK) fluctueert en kan niet gepland worden Snelle vermogenfluctuaties veroorzaken ‘flikker’: kleine periodische spanningsvariaties (0,5 … 25 Hz) Typisch geval: ‘tower effect’ bij windturbines vóór de mast van windturbine is windsnelheid lager dip in generatorkoppel, telkens als turbineblad voor mast komt Flikker is zelden schadelijk voor apparatuur, maar veroorzaakt irritatie bij mens wanneer gloeilamp met flikkerende spanning gevoed wordt

Kwantisatie van flikker Gestandaardiseerd: IEC 61000-4-15 Gewogen gemiddelde van laagfrekwente spanningscomponenten over 10 minuten (Pst) of 2 uur (Plt) Ponderatiefactoren gebaseerd op irritatiegevoel bij mensen spanningsfluctuatie van 8 – 9 Hz is meest storend

Flikker en DG Gebruikelijk flikkerniveau op middenspanning: 0.35 Pst 0.25 Plt Plt moet < 1 Impact van gedecentraliseerde generator op flikker wordt gemeten en berekend volgens standaardprocedures vb voor windturbines: IEC 61400-21

Besluit Wat is bovengrens voor DG? geen éénduidig antwoord mogelijk afhankelijk van: beschikbare netinfrastructuur gewenste power quality en betrouwbaarheid hoe streng zijn aansluitingsvoorwaarden door netbeheerder Richtwaarden: PDG < 2/3 van lastvermogen op één radiale lijn (voor minimalisatie netverliezen) netsterkte > 50 Plt < 1

Windenergie: basistypes windturbines

Geïnstalleerd windvermogen in Europa Geïnstalleerd [MW] eind 2005 Niew [MW] 2006 Geïnstalleerd [MW] eind 2006 Duitsland 18.415 2.233 20.622 Spanje 10.028 1587 11.615 Denemarken 3.128 11 3.136 ... Nederland 1219 356 1.560 België 167 26 193 Europa (EU25) 40.500 7.588 48.027 http://www.ewea.org

Controle-opties voor wind turbines Toerentalregeling vast toerental variabel toerental beperkt bereik variabel toerental breed bereik Controle op reactief vermogen Controle op bladhoek en actief vermogen vaste bladhoek verstelbare bladhoek (“pitch”) Kruien (“yaw”) sterk afhankelijk van type generator

Generatortypes voor windturbines (I) inductiegenerator met kooirotor (bijna) constante toerental altijd inductieve belasting Turbine shaft & gearbox ~ wind Net generator

Turbine generator types (II) dubbelgevoede inductiegenerator regelbaar toerental – beperkt bereik reactief vermogen is regelbaar Turbine Crowbar Converter shaft & gearbox ~ Net generator

Turbine generator types (III) synchrone generator, “direct drive” variabel toerental – breed bereik → geen tandwielkast reactief vermogen is regelbaar Introduction Permanent Magnet OR Field Winding Turbine Converter ~ Grid SG

Dynamische modellering van windturbines voor ‘power system simulation software’ voor gebruik in software voor dynamische simulatie van elektriciteitsnetten (vb Eurostag, Digsilent...): simulatie van kortsluitingen, belastingsstrappen, schakelmanoeuvres... interactie windturbine-model en net-modelm wind speed injected current controlled wind turbine grid voltage at turbine node reference P and Q controlled grid parameters grid dispatch & control

Voorbeeld: dynamisch model van windturbine met dubbelgevoede inductiegenerator uturb iturb vwind pref qref

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen stapsgewijze toename van windsnelheid spanningsstoring aan de turbinegenerator

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid input voor simulatie: stapsgewijs toenemende windsnelheid wind speed at hub height 20 10 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 time [s]

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid turbine power for increasing wind speed power [p.u.] fixed speed & pitch control 1 fixed speed & no pitch control 0,5 variable speed & pitch control 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 time [s]

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid turbine speed for increasing wind speed speed [p.u.] 1 constant speed turbine 0,5 variable speed turbine 400 600 800 1000 1200 1600 1800 2000 time [s]

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: toename windsnelheid zoom on turbine speed speed [p.u.] fixed speed: propeller speed 1,05 fixed speed: generator speed 1 variable speed: propeller speed 0.95 variable speed: generator speed 995 1000 1005 1010 1015 1020 1025 time [s]

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: spanningsstoring input voor simulatie: spanningsdip aan generator van winturbine voltage at turbine generator 1 0.8 0.6 0.4 0.2 1000 1001 1002 time [s]

Simulatievoorbeelden met windturbinemodellen: spanningsstoring propeller and generator speed during voltage dip, for fixed-speed turbine with induction generator speed [p.u.] generator speed 1.2 propeller speed 1.1 1 0.9 1000 1005 1010 1015 time [s]

Detailed turbine model: simulation example II (3) propeller and generator speed during voltage dip, for variable-speed turbine with doubly fed induction generator speed [p.u.] generator speed 1.2 1.1 1 propeller speed 0.9 1000 1005 1010 1015 time [s]

WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE DEEL II WINDENERGIE: OPBRENGSTEN EN WAARDE

Groenestroomcertificaten in Vlaanderen Overheidsondersteuning voor productie van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen - Groenestroomcertificaten in Vlaanderen

Overheidsondersteuning voor hernieuwbare energieprojecten Europese Richtlijn 2001/77/EC Richtlijn 2001/77/EG van het Europees Parlement en de Raad van 27 september 2001 betreffende de bevordering van elektriciteitsopwekking uit hernieuwbare energiebronnen op de interne elektriciteitsmarkt Legt doelstellingen vast voor elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen, per lidstaat Manier om doelstellingen te bereiken via ondersteuningsmechanismen: lidstaten hebben keuze

Doelstellingen elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen

Verschillende types overheidsondersteuning

Het systeem van groenestroomcertificaten (1) Producenten van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen krijgen groenestroomcertificaten toegekend 1 groenestroomcertificaat per netto MWh elektriciteit uit HEB uitreiking gebeurt in Vlaanderen door VREG Leveranciers van elektriciteit hebben verplichting om een hoeveelheid groenestroomcertificaten in te leveren bij de VREG hoeveelheid = % van totale elektriciteitslevering boete per certificaat tekort: 125 euro

Het systeem van groenestroomcertificaten (2) Leveranciers moeten voldoen aan verplichting door zelf groene elektriciteit te produceren door groenestroomcertificaten te kopen van andere producenten handel in certificaten gebeurt op vrije markt: marktprijs functie van boetewaarde (125 euro) aantal beschikbare certificaten op de markt Producenten hebben twee bronnen van inkomsten: verkoop van elektriciteit (aan gewone marktprijs) verkoop van groenestroomcertificaten handel in certificaten en elektriciteit is volledig apart

Groenestroomcertificaten: de quotumverplichting Aantal in te leveren groenestroomcertificaten als % van totale elektriciteitslevering in dat jaar 0,80% in 2002 1,20% in 2003 2,00% in 2004 2,50% in 2005 3,00% in 2006 3,75% in 2007 4,50% in 2008 5,25% in 2009 6,00% in 2010

Het systeem van groenestroomcertificaten Meer uitleg over groenestroomcertificaten actuele marktprijs van groenestroomcertificaten wordt het quotum gehaald? groenestroomcertificaten en garantie van oorsprong www.vreg.be  groene stroom

De waarde van windenergie

De waarde van windenergie vier referentiescenario’s (voor eigen berekeningen) capaciteitsfactor capaciteitskrediet enkele bedenkingen

Scenario I Gelijk verspreid

Scenario II Geconcentreerd

Scenario III Eén windpark in zee

Scenario IV Scen. II + Scen. III

capaciteitsfactor [%] equivalent aantal vollasturen Voor afzonderlijke windturbines of voor grotere gebieden Belangrijke waardemeter voor projectontwikkelaars, wanneer inkomsten ~ totaal geproduceerde energie capaciteitsfactor = jaarlijkse energieproductie [MWh] geïnstalleerd vermogen [MW] x 8760 [h] Scenario capaciteitsfactor [%] equivalent aantal vollasturen I 20 1752 II 26 2278 III 31 2715 IV 29 2540

Capaciteitskrediet: definitie betrouwbare capaciteit de hoeveelheid geïnstalleerde capaciteit in een energiesysteem die met een gegeven betrouwbaarheid ogenblikkelijk beschikbaar is om de totale energievraag te dekken; loss of load probability (LOLP) de waarschijnlijkheid dat de totale energievraag groter is dan de betrouwbare capaciteit; capaciteitskrediet van windenergie de hoeveelheid conventionele generators die kunnen vervangen worden door windturbines, zonder dat de LOLP toeneemt.

Capaciteitskrediet: berekening Aanname: waarschijnlijkheid dat Totale energievraag > (betrouwbare capaciteit + D MW ) H( 0 ) = LOLP = 4 h/year Invloed van bijkomende generator, met productiewaarschijnlijkheid p( Pplant )

LOLP grafisch H (D ) LOLP [hour/year] l = 30 Qpeak = 13.5 GW 4 H(0) = 4 h/year LOLP 4 3 2 1 500 D (Demand not served) [MW]

Capaciteitskrediet grafisch H (D ) & H2 (D) [hour/year] 4 3 2 1 500 D (Demand not served) [MW]

Capaciteitskrediet voor windenergie in België Capacity credit [MW] 400 300 200 100 1000 2000 3000 4000 5000 Installed wind power [MW]

C-power offshore windpark (Thorntonbank) op www.c-power.be vinden we volgende gegevens terug: 300 MW geïnstalleerd vermogen (eindfase) 1000 GWh/jaar 450.000 ton/jaar vermindering van CO2-emissies (in vergelijking met de milieuvriendelijkste gascentrales) hieruit leiden we af: capaciteitsfactor: 38% of 3333 equivalente vollastuen capaciteitskrediet ca. 100 MW CO2-uitstoot van milieuvriendelijkste gascentrales: 450 kg/MWh

Enkele bedenkingen bij capaciteitsfactor en capaciteitskrediet als waardemeter Capaciteitsfactor en –krediet gebaseerd op jaartotalen Veronderstellen steady-state van elektriciteitssysteem MAAR Elektriciteit is moeilijk stockeerbaar Elektriciteitsproductie beantwoordt aan vraag a.d.h.v. base- load en peak-load centrales Rendement, CO2-emissies en kosten van elektriciteitsproductie zijn tijdsafhankelijk !!

Tijdsafhankelijkheid van elektriciteitsproductie CO2-emissies kosten ... van elektriciteitsproductie wordt geïllustreerd door twee voorbeelden simulatie PROMIX (K.U.Leuven) BELPEX - energieprijs

Gemiddelde elektriciteitsproductie en CO2-emissie in België http://www.mech.kuleuven.be/energy/

BELPEX – elektriciteitsprijs/MWh http://www.belpex.be

De echte waarde van windenergie Hoofddoel moet zijn: niet: een zo groot mogelijk aandeel groene stroom (dit is een middel !!) maar wel maximum besparing op grondstoffen en emissies een juiste meting van de waarde van windenergie is quasi onmogelijk vereist perfecte kennis van totale elektriciteitssysteem inclusief marktwerking (nationaal en internationaal) energievraag andere bepalende parameters

Slotbeschouwingen Kan “creatieve marktwerking” windenergie opwaarderen? integratie van windenergie in elektriciteitsbeurzen (bvb BELPEX) controle van de elektrische verbruiken ifv ogenblikkelijk aanbod windenergie dag- en nachttarief voor eindverbruikers  “windtarief”? vele marktspelers zijn samen inventiever dan één overheid

Slotbeschouwingen Aspecten die waarde van windenergie beïnvloeden besparing op fossiele brandstoffen reductie CO2-emissies maar ook... economisch exportproduct: windturbines + alle know-how tewerkstelling toerisme invloed op fauna en flora op land en zee