Tarkvõrgud ja elektrivarustuse tulevikuvisioone

2. Tarkvõrgud ja elektrivarustuse tulevikuvisioone Tõnu Lehtla TTÜ elektrotehnika instituut

3. Maa energia-, hapniku-, joogiveebilanss … Säilitada looduse tasakaal dünaamiliselt muutuvas maailmas kilo 103, mega 106, giga 109, tera1012, peta 1015, eksa 1018, zetta 1021

4. Valikud • Traditsiooniline fossiilkütuste põletamine • TaastuvenergiaVeevoolustTuulestPäikesestMerelainetestMaasoojusestBiokütustestTehiskütustest (vesinikust) • Tuumaenergia (nuclear fission) • Termotuumaenergia (nuclear fusion)Täna ainus reaalselt töötav seade on vesinikupomm http://cerncourier.com/cws/article/cern/43505http://fire.pppl.gov/ http://fire.pppl.gov/NIF_NIC_rev6_Koonin_2012.pdf

5. Taastuvenergia allikad Taastuvenergia genereerimise tüüpilised hinnad 2012 • Suured hüdrojaamad: 1…18,000 MW 50-100 $/MWh • Väikesed hüdrojaamad: 0,1…1 MW 50-400 • Maismaa tuulepargid: 1.5…3.5 MW 52-165 • Meretuulepargid: 1.5…7.5 MW 114-224 • Biomassi põletusjaamad: 25…100 MW 79-176 • Maasoojusjaamad: 1…100 MW 62-107 • PV päikesejaamad katustel: 5…500 kW (max) 220-440 • Suured PV päikesejaamad: 2,5…100 MW (max) 200-370 • Päikese kontsentratsioonijaamad: 50…500 MW 180-290 Renewables 2012 Global Status Report

6. Vesinikenergeetika • Vesinik on tehiskütus ja seepärast tuleb vesiniku tootmist vaadelda energia salvestamisena • Kütuseelement (fuel cell) on väga pika ajalooga leiutis, mille hinda ja töökindlust pole seni suudetud viia vastavaks tänapäeva energeetika nõuetele http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_challenges.html

7. Fuel cells plans for cars

8. Technical Targets100 kW–3 MW Combined Heat and Power and Distributed Generation Fuel Cell Systems Operating on Natural Gas

9. Energia Energy conversion efficiency Energiamuundamise tõhusus ehk kasutegur Energy efficiencyehk energiatõhusus mille eesmärk on vähema energiaga saavutada rohkem kasu Energy conservationehk energia säästmine tähistab jõupingutusi energiatarbimise vähendamiseks

10. Energia ja SKT Kaubalise energia eritarbimise ja sisemajanduse erikogutoodangu vahekord Maailma riikides Arengu eest võlgneme tänu energiale

11. Inimarengu indeks ja elektri tarbimine http://www.interacademycouncil.net/CMS/Reports/11840/11901/11907.aspx

12. Energia ja iseorganiseeruv areng Fundamentaalne põhjus, miks energiakasutust ei saa piirata Ainult energia ja ressursside pidev juurdevool võimaldab avatud süsteemis iseorganiseeruvat arengut! Order out of Chaos! (Ilja Prigogine, Nobeli laureaat, 1977)

13. KAOD !!! Energiavoo diagramm vooluhulga reguleerimisel ventiiliga või ventilaatori õhuvoo reguleerimisel siibriga Energia korduv muundamine ühes muundamisahelas tekitab suuri kadusid

14. Kasutegurid Paljudel juhtudel on kasuteguritel fundamentaalsete loodusseadustega määratud piirväärtused Sisepõlemismootor 10 – 50 % Gaasiturbiin 40 – 60 % Hüdroturbiin < 90 % Tuuleturbiin < 50 % Päikesepaneel täna enamik u 15 % Kütuseelement < 85 (elekter + soojus) % Vee elektrolüüs 50 – 70 % Elektrimootor väikesed 50-90% suured kuni 99 % Hõõglamp 5 – 10 % (nähtav kiirgus) Leedlamp (LED) u 35 % (nähtav kiirgus) Naatriumlamp u 40 % (nähtav kiirgus) Pooljuhtmuundur üle 95 % Fotosüntees kuni 6 % Lihas 14 – 27 %

15. Muutused elektroenergeetikas • Taastuvenergiaallikad • Elektrituru teke • Tark tarbija • Soojuspumbad • Elektriauto

16. Taastuvenergia = “roheline energia” • Taastuvenergia kasutuselevõtu suurim probleem on võimsusbilansi tagamine elektrisüsteemis • Elekter on kaup, mida ei saa suures koguses “lattu hoiule” panna ehk salvestada; seepärast muutub ka elektrituru hind suurel määral. • Turul võidab see kellel on pakkuda elektrit siis, kui seda on vaja!

17. Missugused on tagajärjed? 1. Võimsusbilansi hoidmine on üha raskem (kiired juhuslikud muutused) 2. Jaotusvõrkude koormuse iseloomu muutumine (soojuspumbad, elektriauto, regenereerivad ajamid, hajageneraatorid) 3. Kaitseaparaatide töökeskkonna muutumine (kahesuunaline energiavahetus, suur ja juhuslik tipukoormus) 4. Uued elektriohutuse probleemid (tarbijapoolne genereerimine) 5. Võrgukadude suurenemine (reguleerimiskaod, lisavõimsused nõrkades võrkudes) 6. Võrguhäiringute suurenemine (palju pulsimodulatsiooniga muundureid) 7. Elektrihinna suur kõikumine (avatud elektriturg ja salvestus- või reguleerimisvõimaluse puudumine)

18. Mida ette võtta? 1. Viia elektrivõrgud vastavusse uue olukorraga (uued ühendused, jaotusvõrkude uuendamine, läbilaske suurendamine) 2. Ehitada ja rakendada energiasalvesteid (sh ka elektriautot) 3. Kasutada tarbijat energiabilansi hoidmiseks uuel viisil (demand response – tarbija hinnareaktsioon ehk nõudluskaja) 4. Optimeerida energiatootmine ja -tarbimine (võimsuste prognoosid, koormuste ajaline nihutamine, salvestamine, tõhusamad tarvitid) 5. Luua arenenud mõõte- ja juhtimissüsteem (AMI – arenenud mõõtetaristu, uued andmesidekanalid, -protokollid, andme- ja küberkaitse rakendamine, uut tüüpi reguleerivad muundurid) 6. Vähendada võrguhäiringuid (filtrite jaalalisvoolu kasutamine)

19. Tarkvõrgu põhimõttemudel Allikas: EU

20. Teenindus-valdus Talitlusvaldus Turuvaldus Suur-tootmisvaldus Kliendivaldus Edastusvaldus Jaotusvaldus Tarkvõrgu põhimõttemudel USA Allikas: DOE NIST

21. Kliendivaldus ja teolised Soojus-salvestus Teenindus-valdus Elamu- või ärivaldus Hoone-automaatika Päikese-elekter Nutikas mõõteriist Campus Hajatuulik Talitlusvaldus Koostootmisjaam Andmelüüs Korter-elamu Hajatuulik Automaatika Elektri-auto Tööstus Päikese-elekter Jaotusvaldus Valgus-tus Termostaat Kodu Robot-süsteem Automaatika Nutikas mõõteriist Turuvaldus Tööstuse andmelüüs Nutikad kodumasinad Nutika kodu andmelüüs Allikas: DOE NIST

22. Suurtootmisvaldus Possible energy balancing in Estonia Geotermaal-elektrijaam Biomassi elektrijaam Hüdro-akumulatsioonijaam Talitlusvaldus Turuvaldus Tuumaelektrijaam Hüdro-elektrijaam Söeelektrijaam Tuule-elektrijaam Püsivõimsusega taastuvad Gaasielektrijaam Püsivõimsusega mittetaastuvad Muutuva võimsusega taastuvad Päikese-elektrijaam Juhtimine Mõõtmine Kaitse Registreerimine Edastusvaldus

23. Hüdroakumulatsioonijaam • Planeeritud võimsus 500 MW • Kõrguste vahe 500 m (muutus 65 m) • Hinnanguline investeering 304 miljonit EUR: 608 tuhat EUR/MW Allikas: L. Vali; Energiasalv.ee

24. Teenindusvaldus Possible energy balancing in Estonia Kliendi-haldus Raamatu-pidamine Uued teenused Arveldamine Talitlusvaldus Turuvaldus Paigaldamine ja hooldamine Elamu/kodu-haldus Hoone-haldus Kliendivaldus

25. Talitlusvaldus Possible energy balancing in Estonia Rikete analüüs Talitlus-järelevalve Juhtimine Turuvaldus Koormuse juhtimine Aruandlus ja statistika Analüüs Teenindus-valdus Võrguoperatsioonid Hooldamine ja ehitamine Finantsid Varustuskett ja logistika Operatsiooni plaanid Laiendus plaanid Registrid ja varad Turvasüsteemi haldus Andmevõrgu haldus Kliendivaldus Mõõteandmete käitlemine Edastusvaldus Jaotusvaldus

26. Edastusvaldus Talitlusvaldus Turuvaldus Energia salvestamine Jaotusvaldus Suur-tootmisvaldus Alajaam Alajaam Pingelohkude tuvastamine Juhtimine Mõõtmine Kaitse Registr. Stabilis. Optimeer.

27. Jaotusvaldus Talitlusvaldus Turuvaldus Lüliti (NO) Energia hajasalvestus Elektri hajatootmine Sektsiooni lüliti Edastusvaldus Var konden-saatorid Alajaam Releekaitse ja taaslülitusautomaadid Juhtimine Mõõtmine Kaitse Registr. Optimeer. Kliendivaldus

28. Funktsionaalsed eelistused Federal Energy Regulatory Commission (FERC, DOE, US) ja National Institute of Standards and Technology, NIST määrasid kindlaks elektri tarkvõrgu 6 funktsionaalset eelistust: 1. Geograafiline oluteadmus (Wide Area Situational Awareness, WASA) 2. Nõudluskaja (Demand Response, DR) 3. Elektri salvestamine (Electricity Storage, ES) 4. Elektertransport (Electric Transportation) 5. Jaotusvõrgu haldus (Distribution Grid Management Initiatives) 6. Nüüdistasemel mõõtesüsteem (Advanced Metering Infrastructure, AMI)

29. Geograafiline oluteadmus Häiringute analüüs (Contingency Analysis) Regioonidevaheliste võnkumiste summutamine(Inter-Area Oscillation Damping) Võrgu isetaastamise kaugjuhtimine(Wide Area Control System for Self Healing Grid Applications), Pingekatkestuste vältimine (Voltage Security), Jaotusoperatsioonide talitlusjärelevalveMonitoring Distribution Operations as a Part of WASA, Pinge, aktiiv- ja reaktiivenergia juhtimineVoltage, Var, and Watt Control (VVWC)

30. Suurtootmine Klient Võrgutalitlus Mõõte- ja juhtimis-süsteem Elektrijaama juhtimissüst. Süsteemi juhtimis-keskus Kliendi energia-haldus Põhivõrgu juhtseade Hulgimüügi turg Jaotusvõrk Põhivõrk Turud Teenindusettevõte Geograafilise oluteadmuse saavutamine Teolised (actors) ja loogilised liidesed

31. Nõudluskaja • Koormuse otsene juhtimine (Direct Load Controlenabled devices) • Nõudluskaja juhib koormust vastavalt hinnasignaali muutumisele • Klient vähendab teadlikult, eelneva vabatahtliku kokkuleppe kohaselt või vastuseks hinnasignaalile, oma tippkoormust • Nüüdismõõtetehnika kasutamine kaugtoimeks (mõõta ja juhtida) kliendi nutikate elektritarvititega • Klient kasutab energiahaldussüsteemi või talitlusjärelevalve kuvarit • Teenindusettevõte hangib energiat ja kaupleb hulgimüügiturul • Teenindusettevõtte dünaamiline hinnakujundus ja energiavarude koondamine (virtuaalelektrijaam) • Klient kasutab nutikaid kodumasinaid ja –seadmeid • Pinge ja võimsuse juhtiminenõudluskaja, hajaressursside, elektriautode ja elektrisalvestuse abil(DR, DER, PEV, ES)

32. Võrgutalitlus Energiajaotuse haldamine Võrgu-operatsioonid Nõudluskaja teenindus-ettevõte Klient Koduvõrgu HAN elektritarvitid Teenindusettevõte Nutikas või liht- mõõteriist Turud Energia-haldus-süsteem Nutikad kodumasinad Energia hajatootmine Kuvar Jaeturg Nõudluskaja Teolised (actors) ja loogilised liidesed

33. Elektri salvestamine • Energiasalvesti omanik laeb võrgust energiat salvestisse • Energiasalvesti omanik tühjendab salvestit võrku • Hoone energiavarustuse optimeerimine salvesti abil • Süsteemi- või edastusoperaator (RTO/ISO) (dispetšer) korraldab nõudluse rahuldamiseks otseselt elektrisalvestite tööd • Teenindusettevõte (dispetšer) korraldab süsteemi ootamatu saarestumise korral elektrisalvestite tööd • Elektri salvestamist kasutatakse pingelohkude kiireks kõrvaldamiseks • Võrku lülitatud elektrisõidukite kui elektrisalvestite mõju jaotusvõrgu operatsioonidele

34. Võrgutalitlus Turud Energia-haldus-süsteem Energiahaldussüsteemi teenindus Agregaator, Elektri jaemüügi korraldaja Klient Energia-haldus-süsteem Salvestus- süsteem Elektri salvestamine Teolised (actors) ja loogilised liidesed

35. Elektertransport PEV klient ei kuulu ühtegi energiaprogrammi Teenindusettevõte pakub PEV klientidele erinevaid teenusprogramme. PEV laetakse võrgust pärast seda kui klient sätib laadimisparameetrid. PEV laetakse võrgu eri kohtadest: PEV uitamine (Roaming Scenarios) PEV uitamine, eeldusel, et toimub hajutatud elektri korduv jaemüük PEV toidetakse kinnistul asuvast varutoiteallikast või salvestist Teenindusettevõte osutab PEV kliendile arveldusteenust PEV kui koormuse mõju jaotusvõrgu operatsioonidele PEV võrguülene testimine, diagnostika ja hooldamine

36. Võrgutalitlus Riiklik energiaagentuur Sõltumatu süsteemioperaator (ISO), regionaalne edastuoperaator (RTO) Energiaturg, nõukoda (Clearing house) Teenindus Turud Mõõtmis- ja arveldusteenus Teenindusettevõte, agregaator Energia-teenuse liides Elektertransport: TEOLISED PEV – Plug-in Electric vehicle ISO – Independent System Operator RTO – Regional System Operator ESI – Energy Service Interface (Gateway) EMS – Energy Management System EUMD – End use Measurement Device EVSE – Electric Vehicle Service Element Kliendi EMS Kliendi mõõte-seade EUMD Elektersõiduk, EVSE Klient

37. Nüüdistasemel mõõtesüsteem (AMI system) • Nüüdismõõtetehnikat kasutatakse kaugtoimeks (mõõta ja juhtida) kliendi nutikate elektritarvititega • Nõudluskaja juhtimissüsteem juhib otseselt koormust • Hooneautomaatikasüsteem (tarkvara) kasutab energiatarbe optimeerimiseks elektri salvestamist • Rikete tuvastamine ja rikete kõrvaldamine nüüdistasemel mõõtesüsteemi abil

38. Mõõtesüsteem: Teolised (actors) ja loogilised liidesed

39. Jaotusvõrgu haldus • Nõudluskaja, energia hajaressursside, elektertranspordi ja elektrisalvestite jaotusoperatsioonide talitlusjärelevalve • Nõudluskaja, energia hajaressursside, elektertranspordi ja elektrisalvestite kasutamine varustuskindluse suurendamiseks ja võrgu lähituleviku prognoosimiseks • Nõudluskaja, energia hajaressursside, elektertranspordi ja elektrisalvestite kasutamine pinge aktiiv- ja reaktiivvõimsuse juhtimiseks • Jaotusvõrgu operatsioonide koordineerimine hädaolude või avariijärgse taastamise korral (koormuste ajastamine ja juhtimine) • Elektertranspordi kui koormuse ja salvesti mõju jaotusvõrgu operatsioonidele

40. Energiaturg, nõukoda (Clearing house) Jaotusvõrgu haldus Teolised (actors) ja loogilised liidesed

41. Tarklinnad (smart cities) • 21. sajandi linnaautod • Elektrirollerid ja -rattad • Mobiilsusnõudluse järgi “Mobility on demand” ehk Võtad ja jätad • Raudtee ja maanteeliikluse kombineerimine Autod muutuvad väiksemaks, mootorid asuvad ratastes, liitium-ioon akud ja alumiiniumist raam. Eesmärk on vähendada auto parkimise jalajälge, hakatakse kasutama ka peale parkimist ennast kokkupakkivaid mudeleid. Smart CitiesINTERREG project. EuropeanSmartCities, project Smart Cities research group at MIT; http://cities.media.mit.edu/ European Green Car Initiative.

42. Aitäh!