SIITAUSTRIAN IN S T IT U T E O F T E C H N O L O G Y

TOMORROW TODAY

Smart Grids...die Spielwiese der Energiewende

DI Dr. Wolfgang HribernikHead of Business Unit Electric Energy SystemsEnergy DepartmentAustrian 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 INSTITUTEOF TECHNOLOGY

AIT Austrian Institute of Technology

The AIT is Austria's largest non-university

Ownership structure

50.46%Republic of Austria

49 .54% Federationof Austrian Industries

Funding Research and Technology Organisation

ÄScientific community Public authority

Employees

1,150

AIT focuses on Infrastructure- Research

Energy

sinMobility

Safety & Security

Health & Environment

Innovation Systems

A\TUSTR IA N INSTITUTEiF TECHNOLOGY

Smart Grids @ AIT

Planning & Operation• Integration DER, DSM/RD,

e-mobility, storage

• Interaction distribution system s & transm ission system s

• Interaction electricity system with other

ICT & Controls• Control Architectures

• ICT for monitoring & automation

• Smart metering

• Data Analytics

Power Electronics & System Components• Power E lectronics for grid-

connected system s

• High current applications & insulation system s

• Grid 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 i t - 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 USTR IA N INSTITUTEiF 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%

AXtAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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 201229.09.2016 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%

Sco(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 ITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

Maßnahmen zur Integration von erneuerbaren EnergienPlanerische Ansätze

Verstärkung StrukturelleÄnderungen

Spannungs­regelung

-is t

Operative Ansätze

Wirk-/Blind-leistungs-regelung

/'VTV̂

L J

Schaltmaß­nahmen

p(u) IHQ(u)

♦ 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 gMorePV2Grid

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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 Verteilnetz w ar der Netzbetreiber bisher praktisch „b lind“

13

A\TAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

DG Demonetz AnsatzFunktionsweise 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 ichtige Faktoren:Inform ationen aus dem Netz und ins Netz Inform ations- und Kom m unikationstechnologien sind notwendig

M3

14

>IITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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 ITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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 90000Barwert 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 100000Barwert 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)wnsa)oc>Ö(0Q .(0OO)c'5tnox

OX<1

AsIs VVC W AC W AC&VVC OPF FixCurt

System Under 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

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

■ Drivers■ Increasing share of intermittent generation

■ Inherent flexibility in components (EV, BESS , DR)

■ Potential■ Reduced costs for additional distributed generation

■ New service possibilities for utilities and other market actors (Retailer, Aggregator, DSO)

■ Threats■ Additional stress for the distribution grid through

uncoordinated operation

■ Interaction between D SO and TSO

■ Privacy and security risks

■ Uncertainty of market development

© Fronius International GmbH

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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

■ Technical■ Read iness of components

■ Interoperability & Interfaces

■ Control approaches & system setup

■ Regulatory■ Market design

■ Stakeholder roles

■ Econom ic■ Business cases assesm ent

■ Longterm investment strategies

■ Social■ Acceptance

■ W illingness to participate

© Fotolia

© Fronius International GmbH

© Fotolia

© Fronius Internati i\ GmbH

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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

Autonom ous optim ization Autonom ous optim ization

Integration in grid control

Autonom ous optim ization

Integration in grid control

Market participation

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A ITAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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 INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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

■ Industry custom ers■ Assessment of acceptance from industry customers■ Positive and interested feedback from industry customers

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Implementation LV

■ Approach■ Common system architecture to coordinate grid

integration and market services■ Development of extended grid integration functions

for PV-BESS

■ Proof of concept■ Real world applicability for flexibility provision scheme

is shown in three different setups■ Integration into existing infrastructure and control

approaches of the DSOs

■ Diversified Use Cases■ 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 AUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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@@leafsIntegration of Loads and Electric Storage Systems into Advanced Flexibdity Schemes for LV Networks

S IE M E N S N jE TZpOE 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

>ilTAUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

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

KosimulationsumgebungReal Components

Controller

Data concentrator

Powerline Communication

Modelling

26

Sim

ulatio

n M

essa

ge

Bu

s (SM

B)

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 Verbrennung 9,39 11,35 10,54

Verkehr 13,79 24,62 21,73

Kleinverbraucher Raumwärme 13,13 12,54 7,60

Energieversorger Strom , Fernwärme, Raffinerie und Eigenverbrauch 13,95 16,16 8,32

Flüchtige Em issio­nen

0,70 0,43 0,49

Landwirtschaft Maschinen 1,34 1,10 0,90

Albfallwirtschaft Abfall Verbrennung 0,12 0,53 1,34

Gesamt 52,92 67,34 51,42

Quelle: Um Weltbundesamt; Stand Januar 2016

■ Nicht energetisch bedingte Emissionen: 24.9 Mt Co2 equ■ Davon Stahlerzeugung: 11.8 Mt CO2 equ

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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 Agendazur Entwicklung einesintelligenten Energiesystemsin und aus Österreich

Bericht aus Energie- und Umweltforschung

4/2016

Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie

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A\T.iUSTRIAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY

Schlussfolgerungen

■ Integration von Erneuerbaren (und Maßnahmen zur Umsetzung von Energieeffizient) sind DIE Treiber für Sm art Grids in Europa

■ Die Erfüllung von Erneuerbaren und Effizienzzielen erfordert notwendig Investitionen in Netzinfrastruktur

■ Der Einsatz smarter Netztechnologien im Verteilnetz verm indert den Aufw and an Netzverstärkung

■ Integration von Flexibilitäten (wie z.B. Speichersysteme) erfordert die Einbettung in das Regulatorische Um feld und einen Betrieb an den Schnittstellen Markt - Netz sowie Übertragungsnetz - Verteilnetz

■ Die Umsetzung einer Energiewende im Sinner der 2050 Roadmap erfordert ganzheitliches Energiesystem design und eine integrative Betrachtung der (sm arten) Energieinfrastruktur

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Wolfgang Hribernik wolfgang.hribernik@ait.ac.at