ELECTRICITY DEMAND AND SUPPLY Prof. dr Nikola Rajaković School of Electrical Engineering, FSDEWES, Beograd, Serbia
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...
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...
Promene na strani potrošnje Pored klasične potrošnje (domaćinstva, komercijalni sektor, industrija,...) aktualizuju se dodatni sektori: ELEKTRIČNI TRANSPORT ELEKTRIČNO GREJANJE (toplotne pumpe,...) Tehnologije bitcoin tipa...
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
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)
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
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)
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.
Modelovanje potrošnje po agregiranom konceptu -1 Agregiranje podrazumeva uvođenje kategorija potrošnje: 1. Domaćinstva 2. Komercijalna potrošnja 3. Industrija 4. Složena (miks) kategorija
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!
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
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 Princip rada More research is needed (simulations + measurements) Optimal solutions are site and size specific Korisnik pokrene zahtev za transakciju Transakcija dolazi do P2P mreže koja se sastoji od čvorova Provera Provera transakcije i korisnika korišćenjem poznatih algoritama Verifikovana transakcija može da sadrži kriptovalute, ugovore i druge informacije Transakcija je završena Novi blok dodat je u postojeći, tako da je trajan i nepromenljiv Nakon verifikacije, transakcija u kombinaciji sa ostalim transakcijama stvara blok podataka za blokchain
Karakteristike blockchain primena u energetici Nema potrebe za trećom stranom Novi sistemi naplate na punionicama Posledica: brža dekarbonizacija Smanjenje troškova i dupliciranja podataka
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
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
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