18. jun 2019.

ELECTRICITY DEMAND AND SUPPLY

Prof. dr Nikola Rajaković School of Electrical

Engineering, FSDEWES, Beograd, Serbia

18. jun 2019.

Stanje energetike u regionu

• Jaka zastupljenost uglja (energetika bazirana na fosilnim gorivima) • Nizak nivo energetske efikasnosti • Akutni ekološki problemi (klimatske promene) • Stara infrastruktura • Promene na strani potrošnje • ...

18. jun 2019.

Dekarbonizacija: ključni cilj energetske tranzicije u regionu

• Jača zastupljenost obnovljivih • Viša energetska efikasnost • E-mobility • Hibridna modularna rešenja (mikromreže,...) • Uvođenje tehnologija pametnih mreža • Povećano učešće električnog grejanja • ...

18. jun 2019.

Promene na strani potrošnje

• Pored klasične potrošnje (domaćinstva, komercijalni sektor, industrija,...) aktualizuju se dodatni sektori:

• ELEKTRIČNI TRANSPORT • ELEKTRIČNO GREJANJE (toplotne pumpe,...) • Tehnologije bitcoin tipa • ...

18. jun 2019.

Promene na strani proizvodnje

• Obnovljivi izvori kao velike elektrane (vetroelektrane, solarne elektrane, elektrane na biomasu,...)

• Obnovljivi izvori kao distribuirano generisanje (solarni paneli, male hidroelektrane, male vetroelektrane, male elektrane na biomasu i biogas, mikrogenerisanje, geotermalne elektrane,...): potreba za virtuelnom elektranom

• Solarna i vetroelektrana na istoj lokaciji sa skladištenjem energije • Mikromreže

18. jun 2019.

Promene u osnovnom konceptu elektroenergetike

• Klasičan koncept: proizvodnja mora da prati sve zahteve potrošnje (NJENO VELIČANSTVO POTROŠNJA!)

• Varijabilnost proizvodnje iz obnovljivih izvora moguće je rešavati ili izgradnjom skladišta energije ili prilagođavanjem potrošnje varijabilnoj proizvodnji

• PARADIGMA SHIFT: Potrošnja prati proizvodnju (Smart Grids i Internet of Things) • V2G – Vehicles to Grid (baterije električnih automobila kao izvori snage u

sistemu u posebnim okolnostima)

18. jun 2019.

Modelovanje potrošnje

• Zavisnost potrošnje od napona i frekvencije • Eksponencijalni i polinomijalni model • Model konstantne impedanse, struje i snage kao granični slučajevi (koef.

promene akt. snage sa naponom je 2, 1 i 0, respektivno • Dinamičko modelovanje • Modelovanje novih uređaja

18. jun 2019.

Modelovanje potrošnje po pojedinačnim uređajima - 1

• Termički uređaji (koef. je blizak 2) • Osvetljenje (aktivna snaga: flourescentne sijalice koef. blizak 1, LED osvetljenje

koef. oko 1,3 i inkadescentne oko 1,55; reaktivna snaga: flourescentne sijalice koef. blizak 0,6 i LED osvetljenje koef. oko 2)

• Energetska elektronika: akt. snaga - koef. blizak 0,2 (ekrani sa tečnim kristalom,...), dok je reakt. snaga upravljiva

• Indukcioni motori sa modelom konstantne snage imaju koef. promene akt. snage sa naponom blizak 0, a reakt. osetno veći (do 4,5)

18. jun 2019.

Modelovanje potrošnje po pojedinačnim uređajima - 2

• Upravljivi elektromotorni pogoni imaju koef. promene akt. snage sa naponom blizak 0, a reakt. najčešće negativan (do - 3,9), pa do pozitivnih vrednosti od oko 0,35

• Punjači baterija električnih automobila imaju koef. promene akt. snage sa naponom od -2 pa do 1,08, a reakt. od negativnog -2, pa do pozitivnih vrednosti od 2 i preko 2.

18. jun 2019.

Modelovanje potrošnje po agregiranom konceptu -1

• Agregiranje podrazumeva uvođenje kategorija potrošnje: • • 1. Domaćinstva • 2. Komercijalna potrošnja • 3. Industrija • 4. Složena (miks) kategorija

18. jun 2019.

Modelovanje potrošnje po agregiranom konceptu - 2

• 1. Domaćinstva imaju koef. promene akt. snage sa naponom oko 1,55, a reakt. osetno veći (do 4,9) - prema merenjima u Nišu na TS 110/10 kV

• Napomena: razlike postoje za el. i neel. grejanje kao i za sezonu (zima/leto)

• 2. Komercijalna potrošnja ima širok raspon koef. promene akt. snage sa naponom od 0,5 do 1,3, a reakt. osetno veći (od 2,4 do 3,5)

• Napomena: mora se poznavati struktura (udeli) potrošnje ili merenja!

18. jun 2019.

Modelovanje potrošnje po agregiranom konceptu -3

• 3. Industrija ima koef. promene akt. snage sa naponom od 0,8 do 1,2, a reakt. od 3,3 do 3,9

• Napomena: velike razlike u zavisnosti od tipa industrijske proizvodnje

• 4. Složena potrošnja podrazumeva poznavanje udela domaćinstava i komercijalne potrošnje (eventualno i industrije) u ukupnom miksu

• Napomena: bitcoin potrošnja kao potrošnja komercijalnog (kancelarijskog) tipa ima karakteristike visokog faktora korišćenja kapaciteta i mora se meriti da bi se identifikovali koef. promene akt. i reakt. snage sa naponom

18. jun 2019.

Blockchain aplikacije u energetici

• Mnogo učesnika dele ažurirane informacije (nema potrebe za centralnim registrom)

• Informacije se verifikuju i svi učesnici ih kao ažurirane imaju na raspolaganju • Interakcije su sa vremenskim pečatom i međusobno uslovljene • Decentralizacija marketa!

Primena blockchain tehnologija u energetici

• Numerous open questions

• More research is needed (simulations + measurements)

• Optimal solutions are site and size specific

Provera

Provera transakcije i korisnika korišćenjem poznatih algoritama

Verifikovana transakcija može da sadrži kriptovalute, ugovore i druge informacije

Princip rada

Novi blok dodat je u postojeći, tako da je trajan i nepromenljiv Transakcija je

završena

Korisnik pokrene zahtev za transakciju

Transakcija dolazi do P2P mreže koja se sastoji od čvorova

Nakon verifikacije, transakcija u kombinaciji sa ostalim transakcijama stvara blok podataka za blokchain

18. jun 2019.

Karakteristike blockchain primena u energetici

• Nema potrebe za trećom stranom • Novi sistemi naplate na punionicama • Posledica: brža dekarbonizacija • Smanjenje troškova i dupliciranja podataka

18. jun 2019.

Autonomne punionice - prosumers

• Koncept autonomne punionice(1): solarni paneli + skladištenje energije • Koncept autonomne punionice (2): solarni paneli + vetroturbine + skladištenje

energije • Komplementarni profili proizvodnje (solarno generisanje je maksimalno

sredinom dana, dok vetroproizvodnja raste u večernjim satima) • Za slučaj da je punionica vezana na mrežu tada se može smanjiti kapacitet

poveznog voda zbog nejednovremenih vrhova proizvodnje solara i vetra

Complementary generation profile

18. jun 2019.

El. vozila i balansiranje mreže

• Balansiranje je održavanje ravnoteže između proizvodnje i potrošnje • Jak (agregirani) uticaj na potrošnju može se očekivati samo sa velikim brojem

vozila • Broj vozila koja se jednovremeno pune zavisi od: sata unutar dana, tipa dana,

meteoroloških prilika,... • Vehicle to Grid – (V2G) očekivane primene treba da uvaže stanje napunjenosti

baterija da bi se procenio iznos snage (energije) koja se može vratiti u mrežu

Baterije za el. vozila

• Cene su za litijum – jonske baterije pale sa 1000 $/kWh (2010.) na 300 u 2018. (mart 2019. mogu se naći za 150 $/kWh), očekivanja za 2025. su oko 100 $/kWh

• Tipičan energetski kapacitet baterije za el. vozilo je 50 kWh (cca 18 kWh je potrebno za 100 km za TESLU S). Cena ovih 50 kWh je oko 10 000 $

• Gustina energije u baterijama 200 – 240 Wh/kg (najviše 350). To znači da su 50 kWh baterije teške oko 250 kg (težina baterija je ograničenje za avione i teške kamione)

Punjenje baterija

• Tipična baterija od 50 kWh može se na kućnoj (monofaznoj) utičnici sa punjačem od 3,5 kW napuniti za cca 14 h; trofazno sa punjačem od 7 kW za 7 h

• Danas su raspoloživi punjači od 22, 50, 120, 250,... kW. U najavi je punjač od 700 kW! (ovi super punjači već za 5 min omogućavaju dodatnih 120 km)

• Ali: baterija ima ograničenja na brzinu punjenja (dodatno zagrevanje, degradacija ćelija, skraćenje životnog veka,...)

Istraživačke teme u primeni baterija i infrastrukture

• Grupe punjača sa 150 kW (i više) moraju se inteligentno angažovati sa aspekta mreže

• Unapređenje baterija sa aspekta brzog punjenja (termički aspekti,...)

• Razvoj i primena platformi (softvera) i hardvera za optimizaciju punjenja

• Razvoj i primena platformi (softvera) i hardvera za autonomna vozila

• Razvoj i primena platformi (softvera) i hardvera za naplatu punjenja

Cena vožnje el.vozila

• Cena vožnje na 100 km: cca 180 Wh/km, dakle 18 kWh na 100 km (veći el. auto). Za cene u Srbiji (plava zona sa 1/3 potrošnje u nižoj tarifi) od 8,5 din/kWh dobija se 150 din za 100 km

• Cena vožnje dizel auta u Srbiji je oko 1000 din na 100 km.

• S druge strane za benzin sa donjom toplotnom moći od 43,9 MJ/kg i gustinom od 730 g/l i potrošnjom od 6 l na 100 km dobija se da je potrebno 53,4 kWh na 100 km (3 puta neefikasniji)

Eksploatacija baterija

• Proizvođači već sada daju 8 godina garanciju (ili 160 000 km)

• Cirkularna ekonomija – životni vek baterija

• Ograničenost kobalta i litijuma

Energetska efikasnost el.vozila

• En. eff. el. vozila je oko 70% i u poređenju sa vozilima sa

SUS motorom je gotovo 3 puta bolja

• Međutim, koliko el. vozila smanjuju emisije CO2 zavisi od toga koliko je za el. energiju za punjenje baterije bilo emitovano gCO2/kWh.

• U proizvodnji baterija i vozila emituje se CO2 koji se mora uračunati u ukupni bilans

Emisija CO2

• Poređenje emisija dizel auta i električnog auta (Mercedes C220 i TESLA 3 model)

• Krajnji rezultat je da Mercedes S220 emituje 221 gCO po km, a TESLA 3 83 gCO2 po km (2.66 puta emituje više dizel auto)

• Ovo je detaljan odgovor na pogrešan proračun i prezentovan je od strane Auke Hoekstra, Eindhoven Tech. Un.

• Razlozi: unapređenja u tehnologijama proizvodnje baterija i budući energetski miks

Procena:puna elektrifikacija transporta

• Polazne pretpostavke: 2 mil (putničkih) vozila u Srbiji

koja prelaze godišnje oko 10 000 km. Ako je potrebno 200 Wh/km to sledi da je dodatna potrošnja el. energije u Srbiji oko 4 TWh (oko 15% sadašnje ukupne potrošnje)

• Ako se sva vozila jednovremeno pune snagom najmanjih punjača od 3,5 kW tada je vršna jednovremena potrebna snaga za punjenje baterija 7000 MW!!!

• Buduće potrebe za energijom u el. vozilima obezbediti iz niskougljeničnih izvora

18. jun 2019.

Zaključak

• Energetska tranzicija - u osnovi je dekarbonizacija sa puno aspekata

• Brze i gotovo dramatične promene na strani i potrošnje i proizvodnje

• Tehnologije za široku primenu električnih vozila i toplotnih pumpi su raspoložive

• Elektroenergetska mreža može uz modifikacije da odgovori ovim zahtevima

• Digitalizacija sektora sa pametnom infrastrukturom otvara i poslovne ali i istraživačke mogućnosti