En introduksjon til mikronett

De fleste har sikkert hørt om mikronett, og har et inntrykk av hva det er. Men hvorfor er det mer snakk om dette nå enn før, og har det egentlig noe for seg? Denne artikkelen, som er basert på en gjesteforelesning PQA holdt på NMBU i Ås, går gjennom viktige driverer bak mikronett, ulike typer mikronett, og forskjellen i dimensjonering og styring av mikronett sammenlignet med kraftsystemet ellers.

Fremveksten av smarte nett

Det foregår en endring rundt planlegging og drift av strømnettet,  særlig distribusjonsnettet, drevet av følgende trender:

• Forventet høyt investeringsnivå, delvis grunnet lavt investeringsnivå etter dereguleringen i 1991. I følge NVE er forventede investeringer i nettet 140 milliarder mellom 2016 og 2025.
• Politiske føringer relatert til fornybar energi, som gir stor økning av distribuert produksjon. I Norge ga dette utslag i Elsertifikater og småkraftverk (og noe vindkraft), i resten av Europa har diverse støtteordninger for sol og vind blitt viktig (etterhvert også noe i Norge).
• Endringer i kundeoppførsel. Effektforbruket hos kundene øker raskere enn energiforbruket, kunder blir produsenter i tillegg til forbrukere, og økt mulighet for fleksibelt forbruk og kundemedvirkning gir nye muligheter.
• Ny og billigere teknologi. Prisen på PV-paneler har rast og fortsetter nedover, batteripriser faller dramatisk, sensorer og utstyr til kommunikasjon blir billigere og enklere å ta i bruk. Digitalisering av strømnettet gir svært mange nye muligheter.

Alt dette bidrar til fremveksten av det smarte nettet, med økte muligheter for observasjon, kommunikasjon og automasjon.

Mikronett

Det finnes ulike definisjoner på mikronett, men de fleste er enige om at det er snakk om en samlet gruppe laster og produksjonsenheter, som ikke er avhengig av en nettilknytning.

Mikronett kommer i mange ulike former, blant annet:

• Kundeeide mikronett – f.eks. smarthus med øydriftsmuligheter, kjøpesentre, industriområder, campuser, forsvarsleire, osv.
• Nettområder- og nabolagsmikronett – f.eks. en avgang i på en trafostasjon, et område under en nettstasjon, osv.
• Offgrid mikronett – f.eks. på øyer uten tilknytning til nettet ellers. Noen kaller dette øynett, og mener det ikke er mikronett
• Virtuelle mikronett – felles styring av laster og produksjonsenheter, som ikke trenger å være i nærheten av hverandre. Fortsatt lite utbredt, og strengt talt ikke et mikronett.

En god oversikt over ulike mikronettprosjekter finnes her: https://building-microgrid.lbl.gov/about-microgrids

Spesifikke drivere for mikronett

Mikronett har muligheten til å kontrollere effektflyten mot resten av nettet, som kan være nyttig i nett med begrenset kapasitet. Her kan mikronett brukes som et kostnadseffektivt alterantiv til nettforesterkning. Det samme gjelder ved integrasjon av fornybar produksjon, som begge deler ser ut til å bli økende aktuelt basert på trendene nevnt over.

Spenningsvariasjoner i løpet av året med lettlast i rødt (typisk om sommeren) og tunglast i blått (typisk kaldeste vinterdag). Stiplede kurver viser innvirkning av plusskunder og økt effektforbruk (t.v.) og småkraftverk (t.h.), som gjør at spenningsvariasjonene blir større enn tillatt uten andre tiltak / regulering.

På sikt er bygningsforskrifters krav om nullenergihus en viktig driver. Disse blir vanskelig å tilfredsstille uten lokal energiproduksjon, hvor solcelleanlegg inntil videre er mest aktuelt. Etterhvert som batterier blir mer rimelig, og nettselskap begynner å prise effektuttak vil også batterier bli mer utbredt – og alle komponentene som trengs for et byningsmikronett er dermed til stede. Resterende utstyr, som kontrollsystemer, er forholdsvis billig.

Det finnes også en rekke andre drivere, som økt pålitelighet (og i noen grad spenningskvalitet) i områder med dårlig leveringskvalitet, økt bruk av fornybar energi i områder med behov for nødnett eller som er avhengig av dieselgeneratorer, bedre kontroll over systemer med stor variasjon i produksjon (som Hawaii, som allerede har bygd store mikronett), og ikke minst elektrifisering av områder som i dag er uten elektrisititet, uten at en er avhengig av å utvide sentralnettet til nye områder.

Dimensjonering

For fem til ti år siden var det å bygge et mikronett et lite forskningsprosjekt, og kostnadene ofte høye. Nå er det oftere kommersielle interesser involvert, og lave energirpriser har blitt mer viktig. I et mikronett kan det være viktigere at produksjonsenhetene er tilpasset lastene enn at de er så store som mulig. Det finnes derfor spesialisert programvare for å optimalisere størrelse på produksjonsenheter, batterier og andre komponenter  som skal gjøre investerings- og energikostnader så lave som mulig, innenfor valgte kriterier for pålitelighet, driftsmarginer, osv.

I et prosjekt gjorde PQA dimensjonering av et rumensk mikronett med programmet HOMER. Mikronettet ble bygd for et kloster i et naturreservat uten nettilknytning, i et samarbeid et universitet og skogsadministrasjonen. Mikronettet hadde solcelleanlegg, vindturbiner, en liten vannturbin, batterier og et dieselaggregat. Enhetsoptimaliseringen viste mange interessante resultater:

• PV-anlegget bør overdimensjoneres for å redusere bruken av dieselaggregatet. Sistnevnte vil likevel være nødvendig.
• Små vindturbiner vil alltid være ulønnsomme. De er mange ganger dyrere enn PV-paneler, og yter mye dårligere. Større vindturbiner (>100 kW) vil kunne være kostnadseffektive avhengig av turbinhøyde, topografi og vindressurser, og vil også ofte produsere ved tidspunkt hvor solcelleproduksjonen er lav.
• Lithium batterier har høyere innkjøpspris enn blybatterier, men større driftsområde og lengre levetid gjør likevel kostnadene over levetiden til mikronettet lavere.

HOMER – populært program for dimensjonering av mikronettkomponenter. Bruker ennummereringsprinsippet, og er dermed best egnet til mindre nett.

Det forskes på nye måter å drive enhetsoptimalisering, for å gjøre simuleringene så raske og treffsikre som mulig. En måte å gjøre dette på er å benytte kunstig intelligens heller enn ennumereringsprinsippet (hvor alle teoretisk mulige løsninger beregnes og så sammenlignes). Ved dimensjonering er det fortsatt en utfordring å skaffe underlag til å estimere produksjon- og forbruksprofiler godt nok.

Se også PQAs kompetanse innen smarte nett og mikronett

Kontroll og drift av mikronett

Et mikronett er et kraftsystem i miniatyr, hvor både spenning- og frekvensregulering, releplanlegging, stabilitet, spenningskvalitet og mer skal i hensyntas. Dette stiller høye krav til prosjektering, og av kontrollsystemet til mikronettet.

I dag er det to hovedkategorier av kontrollsystem som det er greit å være klar over: Distribuerte- og sentraliserte systemer.

Distribuerte kontrollsystemer kan enten fungere ved bruk av statikkinnstillinger i hver enkelt produksjonsenhet, eller ved bruk av såkalt agentbaserte mikronett (multi agent systems / MAS). Fordelen med slike systemer er at de er raske, modulære, robuste, uavhengige av kommunikasjonssystemer og billige (MAS-systemer kan være vanskelige og dyre og konfigurere, og trenge noe kommunikasjon men er billige i drift). Ulempen er at de ikke gir like god kontroll som sentraliserte systemer.

Sentraliserte kontrollsystemer er konseptuelt enklere. Det kjøres beregninger i en sentral modell, og så sendes valgte settpunkter til alle enheter. Dette gir god oversikt og kontroll, men systemet blir tregere, mindre robust (avhengig av fungerende kommunikasjon og hovedenhet), mer kostbart, og det er vanskeligere å gjøre endringer i systemet (tilkobling av nyhet krever fullstendig rekonfigurasjon av systemet).

Kontroll og drift av mikronett (og dimensjonering) er fortsatt temaer med utfordringer, og interessante forskningsspørsmål. Det blir uten tvil mye interessant som skjer her fremover.

Norske prosjekter

Det meste innen mikronett har til nå skjedd internasjonalt, men det er i det siste kommet flere norske mikronettprosjekter. Se lenkene for mer informasjon:

• Sandbakken mikronett
• Skagerak Energilab
• Utgard mikronett

Tilbake til forsiden.