Nyheder

Balancering af el-systemet med varmepumper

Hvert eneste sekund døgnet og året rundt skal forbruget af strøm passe med produktionen af strøm. Men hvordan fungerer el-systemet, og hvilke forsvarsmekanismer sikrer el-systemet mod kollaps?

English version

Gennem de sidste to årtier har vi i Danmark været i gang med udfasning af de stabilt producerende kraftværker til fordel for mere CO2-venlig – men også mere fluktuerende og dermed vanskelig integrerbar – elproduktion fra vind og sol.

Derfor har der også været en stigende behov for på en ny måde at "balancere" elproduktionen med det øjeblikkelige elforbrug, da de stabile kraftværker jo ikke længere står til rådighed til selve balanceringen.

Her kommer blandt andet DIN Forsynings nye anlægsportefølje til sin ret, da den er skræddersyet til dette formål.

Varmepumper og fyldte badekar
Vi skrev for nylig en artikel om, hvordan havvandsvarmepumperne i Esbjerg er designede til at indgå i fremtidens energiforsyning. Vi beskrev blandt andet varmepumpens reguleringsevne og lastfleksibilitet, som blev sammenlignet med accelerationen på en Formel 1-bil — dvs. hvordan den skal kunne bremse kraftigt op for et øjeblik efter igen at accelerere voldsomt.

Varmepumperne spiller også en essentiel rolle i balancering af el-systemet. Ordet balancering betyder kort sagt, at forbruget af strøm hvert eneste sekund døgnet og året rundt pinedød skal passe med produktionen af strøm. Det vil helt konkret sige, at forbruget fra f.eks. elpærer, pumper, kaffemaskiner, TV, varmepumper osv. altid skal stemme nøjagtigt overens med elproduktionen fra kraftværker, solceller, vindmøller osv. Hvis disse ikke stemmer overens ned på sekundet, vil el-systemet populært sagt enten blive overfyldt eller tømt for strøm. Det resulterer i, at netfrekvensen afviger fra de 50 Hertz, som den skal være.

Det er så vitalt at holde denne balance, at lastfordelerne på kraftværkerne faktisk læser TV-programmer for at vide, hvornår danskerne pludseligt ændrer elforbrug: Når Danmark spiller landskamp, og 1. halvleg er slut, så stiger elforbruget til kaffemaskiner typisk markant de næste 15 minutter, og derfor står kraftværkerne forberedte til netop at levere denne øgede effekt-efterspørgsel i det øjeblik, dommeren fløjter halvlegen af.

Man kan sammenligne el-balanceringen med et fyldt badekar, som hele tiden skal holdes helt fyldt til randen med vand, samtidig med at der konstant er en flok børn (eller voksne), som forstyrrer vandniveauet ved at åbne/lukke for vandhane og proppen i afløbet. Den ansvarlige for vandstanden i badekarret (altså den balanceansvarlige) forsøger samtidig frustreret at holde karret helt fyldt ved at åbne/lukke vandhaner og afløb.

Ét fælles, forbundet elnet kræver reguleringshåndtag
Hele kontinental-Europa – fra Danmark i nord til Portugal i syd – er bundet sammen i ét fælles elnet. Det vil sige, at en ubalance mellem elforbrug og produktion i f.eks. Portugal i princippet kan måles/”mærkes" som en forstyrrelse i Danmark. Det betyder altså, at hvis elproduktionen fra vind eller sol i f.eks. Danmark eller Tyskland uventet falder eller stiger i kortere eller længere tid – som den selvfølgelig gør, da vores vind- og solprognoser jo er unøjagtige – er der behov for et øjeblikkeligt modsvar fra et kraftværk og/eller en elforbruger.

Lad os lege med et eksempel, hvor vi antager, at elforbruget er konstant den næste time. Nu kommer der skyer for solcellerne, og vinden løjer af, så solceller og vindmøller producerer mindre. Dermed er der mangel på effekt; dvs. mangel på strøm i nettet. Tidligere ville der øjeblikkeligt være et kraftværk, som giver et modsvar og leverer den manglende effekt fra solcellerne og vindmøllerne, så der igen er balance. Sådan har systemet fungeret i mange år uden store problemer, eftersom alle kraftværker var skræddersyede og trimmede til netop dette.

I de senere år er de store centrale kraftværker dog blevet skrottet både i Danmark og i udlandet, og der er derfor ikke længere umiddelbart den samme stabilitetsreserve, som der tidligere var. I stedet har vi indført andre smarte ”reguleringshåndtag”, som kan kompensere for de manglende kraftværker: Disse ”håndtag” er for eksempel den store havvandsvarmepumpe og dens ” hjælpende kollegaer”, som er et sammensurium af elkedler, gasmotor samt evt. store pumper og/eller andre elforbrugere.

Sådan hjælper håndtagene, hvis der ikke er et kraftværk til rådighed
Som tidligere nævnt skal der altid være fuldstændig balance mellem elforbrug og elproduktion. Hvis elproduktionen så falder på grund af vejret, kan vi jo i stedet skrue ned for – eller helt slukke for – elforbruget fra en varmepumpe eller en pumpe. Dermed produceres der godt nok mindre fjernvarme, men fjernvarmesystemet kan alligevel fungere i et vist stykke tid, eftersom fjernvarmen i den periode kan komme fra en 40.000 m3 stor varmeakkumulatortank, hvor der konstant er lagret 90 °C varmt vand. Der er altså en buffertank klar til den slags situationer. En vinterdag er der til ca. 8 timers fjernvarmeforbrug, og en sommerdag vil tanken kunne række til ca. en hel weekend.

artikel-/balancering-af-el-systemet/oversigt-med-bygninger.png

Det omvendte sker, når vindmøllerne pludselig producerer mere, fordi vinden i stedet tiltager. Hvis der således bliver pumpet for meget effekt/strøm ind i elnettet, så tænder vi bare for en stor elkedel og øger elforbruget. Den overskydende varme pumpes ind i varmeakkumulatoren og gemmes der, indtil den omvendte situation igen opstår.

Added Values designer hjernen i balancereguleringen
Nu har vi overblik over de ”reguleringshåndtag”, som DIN Forsyning har til rådighed for at hjælpe med at balancere elnettet. Nu skal det så bare fungere i praksis. I Added Values er vi netop nu i gang med at designe denne balanceregulator, som er hjernen i hele balanceringsproblematikken både på el- og fjernvarmesiden. Systemet udvikles i Modelica, som er et avanceret modelleringssprog, hvor procesdynamikken i kedler, varmepumper, varmeakkumulatortanken, gasmotorer, pumper osv. kan simuleres.

artikel-/balancering-af-el-systemet/modelica-plot-2.png

Balanceregulatoren holder løbende øje med elnettets tilstand, dvs. om der er for lidt eller for meget el-effekt (sort kurve). Når der er ubalance, træder balanceregulatoren øjeblikkeligt ind og justerer i den ønskede retning: Det vil sige, at den øger eller sænker lasten på havvandsvarmepumpen (rød kurve), den starter måske elkedlen op, eller den udnytter batteriet i nødforsyningsanlægget. Alle balanceregulatorens indgreb sker for at stabilisere elnettet, så der ikke ultimativt forekommer et blackout.

For at balanceregulatoren kan ”rykke” i reguleringshåndtagene på varmepumpe, elkedel, gasmotor osv. skal den vide, hvor meget reguleringsevne der hele tiden er til rådighed fra de forskellige enheder. Regulatoren skal således kende enhedernes arbejdsdiagrammer; altså hvor meget kan de køres op eller ned i last, uden at en motor løber varm, en beholder fyldes op, en ventil ikke fungerer mere osv. Med andre ord styres disse helt konkrete komponenter på en bestemt måde for at kompensere for eksempelvis unøjagtigheder i vejrudsigter.

Systemydelser kommer samfundet til gode
Funktionen af balanceregulatoren er således et vitalt element i el-nettets stabilitet. Når regulatoren er færdigudviklet, implementeret og kvalitetstestet af os i samarbejde med Picca A/S og DIN Forsyning, skal det også testes og godkendes af Energinet. Herefter vil balanceregulatoren blive frigivet til daglig drift og dermed bidrage til at sikre elnettets stabilitet. Det vil sige bidrage med systemydelser til Energinet.

Brugen af disse systemydelser – altså at man øjeblikkeligt kan tænde og slukke for en varmepumpe, en elkedel, en gasmotor osv. for at balancere el-systemet – er essentielt for samfundet. Systemydelser er med andre ord en forsvarsmekanisme mod blackout.

Systemydelser har værdi, og DIN Forsyning kan således tjene penge ved at bidrage med disse systemydelser, og indtægterne er med til at reducere varmeprisen.

Ganske vist skal vi spare på det varme vand, men når du næste gang lægger dig i et (lunkent) karbad, kan du måske fundere lidt over, hvor vigtig balancering af el-systemet er, og hvad der er med til at bestemme, hvorfor det er fordelagtigt at tænde for opvaskemaskinen på bestemte tidspunkter af døgnet.

Torkild Christensen og Rene Just Nielsen / Added Values

Relaterede artikler:

Related articles:

 

 

 

bubble