Eleffekt 100% förnybart SERO Årsmöte och Seminarium 2016 CCC Karlstad 22 april 2016

Eleffekt 100% förnybart SERO Årsmöte och Seminarium 2016 CCC Karlstad 22 april 2016 Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH

Sveriges elproduktion år 2015, Totalt 159 TWh, export: 22 TWh Vindkraft, 16,5 TWh Kärnkraft Kraftvärme Ind. Kraftvärme Vattenkraft Kondens

Rapport: 22 juni 2014 Studerar: Balansering från timme till timme. Ingen kärnkraft. Hög vind+sol / låg elförbrukning Låg vind+sol / hög elförbrukning Vattenkraftsreglering Effektvärden kommenteras Överföring Kan laddas ner från KTH:s hemsida enligt nedan EXCEL-fil för beräkningar http://kth.diva-portal.org/smash/record.jsf?searchid=1&pid=diva2:727697

Tre utmaningar i ett kraftsystem med stor andel sol- och vindkraft: C1: Håll den kontinuerliga balansen C2: Hantera situationer med stor mängd variabel produktion. C3: Hantera situationer med liten mängd variabel produktion. 4

Om 100% förnybart Svensk Elproduktion: Totalt 145,6 TWh (Framtiden: samma nivå som 2011) 40%

x 10 4 C3: Underskotts-situation låg sol+vind: januari 2.5 2 MWh/h 1.5 1 Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft 0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Förbrukning från 14 januari till 30 januari Hög vind minska kraftvärmen

Energinivå [MWh/h] 5000 4000 3000 2000 1000 C3: Underskotts-situation (årsbasis) Max nivå: 5081.27 MW Antal timmar med behov: 765 h Energi: 1.259 TWh 0 0 500 1000 1500 Antal timmar med behov av mer produktion Kostnad för detta: 1,5 öre/kwh

C2: Överskotts-situation (augusti) 16000 14000 12000 Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft 10000 MWh/h 8000 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Förbrukning från 1 augusti till 10 augusti Inte OK: pga 83% gräns, min-vattenkraft, min-kraftvärme

C2: Överskotts-situation (augusti) 16000 14000 12000 Elförbrukning Vattenkraft Vindkraft Solkraft Värmekraft MWh/h 10000 8000 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Förbrukning från 1 augusti till 10 augusti Nu OK: pga 83% gräns, min-vattenkraft, min-kraftvärme

C2: Överskott under ett år 9000 8000 7000 Max nivå: 9510 MW Antal timmar med behov: 860 h Energinivå [MWh/h] 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Energivolym: 1.63 TWh 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Antal timmar med överskott/möjlighet till export

Marknads-design för 100% förnybart Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH

Effektfrågan fysisk lösning Behov beror på förbrukning och andra kraftverk Flexibel förbrukning Smarta elnät Import Gasturbiner (drivs med, t ex, etanol/biodiesel) Använd batterier Flexibel laddning av elbilar eller V2G Extra kapacitet i kraftvärmen - Fysisk lösning finns!! - Men vem betalar? = marknad

Effekt-toppar 1992-2011 MWh / h De sista 500 MW extra effekt behövdes bara 1 år av 20 Kommer marknaden ta den risk som det innebär att tillföra effekt om man bara får betalt några timmar vart 20:e år? 020327- LS13

Upplägg - 2 Fortsatta diskussioner bygger på tre prognoser: 1. Konsekvens av dagens marknad 2. Förutsättningar för åtgärder 3. Resulterande åtgärder

Prognos 1 konsekvens av dagens marknad 1. Elpriserna kommer vara fortsatt låga under de kommande åren 2. Dock kommer dessa påverkas något uppåt eftersom R1-R2 och O1- O2 stängs (+ 2-4 öre/kwh). (-14 TWh: 2010-2015) (Kärnkr-Finland?) 3. Kärnavfallsavgiften kommer öka med åtminstone det som SSM föreslår, dvs +1,3-2,6 öre/kwh 4. Möjligen sänks effektskatten för kärnkraft något? 5. Dock krävs större investeringar i kärnkraftverken för att få dessa att fortsätta producera el 6. Dessa bedöms inte lönsamma för de två äldsta reaktorerna F1-F2, så dessa stängs också. (endast 4-5 år yngre än R1-R2): (-15 TWh) 7. Detta leder till något högre elpriser, men samtidigt måste då kärnavfallsavgiften ökas ytterligare för övriga kärnkraftverk 8. I omvärlden (Tyskland-UK-Danmark-Finland) fortsätter utvecklingen med fler kraftverk med låga marginalkostnader (ingen vill ha energibrist och de aktuella kraftverken har låg MC).

Prisutveckling för kol och svenskt elpris. Ändrad energibalans i Sverige: Kompenseras med handel Dvs priskänsligheten utomlands är central för priset i Sverige Fossila bränslen på marginalen 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Prognos 2 förutsättningar för åtgärder = resultat av dagens marknads-parametrar Om ca 5+ år, 2021+: O1-O2, F1, R1-R3 stängda: årsproduktion 2010-2015: -29 TWh Vindkraftens årsproduktion (utan vidare åtgärder) + 2 TWh? Vattenkraft: normalår Elpriset har ökat något pga stängda kärnkraftverk (export ändrad till import) samt något högre fossilpriser. Ny kärnkraft i Finland Stängning av O1-O2 + R1-R2 har inte lett till oacceptabelt ökad risk för effektbrist, men att även stänga F1+R3 (2100 MW) leder till en bedömd ej acceptabel risk för effektbrist Kärnkraften går inte lika bra som tidigare (äldre reaktorer). Diskussion om säkerheten pga internationella incidenter Oro för både energi- och effekt-försörjning ( självförsörjning )

Prognos 3 resulterande åtgärder Om ca 5+ år, 2021+: Låga elpriser + risk för energibrist /självförsörjning utökat certifikat-system (annars import-beroende ) Detta leder framför allt till mer vindkraft då denna har lägst kostnad, vilket därmed inte löser effektfrågan Svenska kraftnät får i uppdrag att: Kontinuerligt uppskatta risken för effektbrist Om den inte är acceptabel så ska de göra långsiktiga upphandlingar så att den hålls acceptabel. EI får i uppdrag att se till att inte den övriga marknadens incitament påverkas av SvK:s åtgärder

Vilken påverkan har en ökad andel variabel elproduktion?: Hur gör vi för att säkerställa en fungerande framtida elmarknad med stor andel variabel elproduktion? Norra Latin Stockholm 7 april 2016 Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH

Upplägg - 1 Tre frågor från EI: 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduktion i Sverige med dagens marknadsdesign? 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser?

Tre frågor från EI 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduktion i Sverige med dagens marknadsdesign? 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser?

EI:s fråga 1 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduktion i Sverige med dagens marknadsdesign? Frågeställning 1a: Hur ser ett sådant system ut? Svar: Större mängder sol, vind, bio-kraftvärme Större mängd effektreserv som också används oftare

EI:s fråga 1 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduktion i Sverige med dagens marknadsdesign? Frågeställning 1b: Vad menas med dagens marknadsdesign? Tolkning: Marknad = Energy only + elcertifikat + effektreserv Ja, det är möjligt, men ändrade volymer på elcertifikat + effektreserv, och ändrad upphandling för effektreserven (inte enbart inför kommande vinter)

Tre frågor från EI 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduk-tion i Sverige med dagens marknadsdesign? 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser?

EI:s fråga 2 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? Frågeställning 2a: Vad menas med tillräckliga? Tolkning 1: Vi vill inte ha elbrist (koppla bort kunder), eller vara beroende av import, och inte ändra något annat Nej, elpriserna kommer bli så låga att man lägger ned kraftverk, inget nytt kommer in och aktörerna litar inte på riktigt höga priser (typ 30-40 kr/kwh) så de bygger ingen effektreserv. Det måste bli elpbrist först och innan dess blir vi import beroende.

EI:s fråga 2 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? Frågeställning 2a: Vad menas med tillräckliga? Tolkning 2: Det politiska systemet är flexibelt och ändrar mängden certifikat, storleken och upphandlingsmetoden för effektreserven etc. Ja, elpriserna kommer bli så låga att man lägger ned kraftverk, men systemet är robust så det byggs tillräckligt mycket i Sverige även om priserna ligger under nödvändiga priser för 100% energy only pga elhandel med fossil-satta priser utomlands

EI:s fråga 2 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? Frågeställning 2b: Vad menas med de incitament som finns idag? Tolkning: Incitament (elpris, elcertifikat, effektupphandling) räcker Ja, det är möjligt, men ändrade volymer på elcertifikat + effektreserv, och ändrad upphandling för effektreserven (inte enbart inför kommande vinter)

Tre frågor från EI 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduk-tion i Sverige med dagens marknadsdesign? 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser?

EI:s fråga 3 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser? Frågeställning 3a: Vad menas med tillräckligt med produktionskapacitet Tolkning: Tillräckligt = uppfyller det krav som SvK ska kontrollera samt åtgärda om det inte uppfylls. Ja, det är möjligt, men ändrade volymer på effektreserv, ändrad upphandlingsmetod (inte enbart inför kommande vinter), och ändrad prissättning (högre) vid användning.

EI:s fråga 3 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser? Frågeställning 3b: Vad menas med med dagens marknadsförutsättningar.. Tolkning: Dagens marknadsförutsättningar = energy only + elcertifikat + effektupphandling Ja, det är möjligt, men ändrade volymer på effektreserv, ändrad upphandlingsmetod (inte enbart inför kommande vinter), och ändrad prissättning (högre) vid användning.

Bonus-slides Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH

Effekt-toppar 1992-2011 MWh / h De sista 500 MW extra effekt behövdes bara 1 år av 20 Kommer marknaden ta den risk som det innebär att tillföra effekt om man bara får betalt några timmar vart 20:e år? 020327- LS32

Dagens lagstiftning: Lag (2003:436) om effektreserv Den myndighet som enligt 8 kap. 1 första stycket ellagen (1997:857) har systemansvaret för el (den systemansvariga myndigheten), har ansvaret för att en effektreserv om högst 2 000 megawatt finns tillgänglig. Effektreserven ska skapas genom att den systemansvariga myndigheten ingår avtal dels med elproducenter om att ställa ytterligare produktionskapacitet till förfogande, dels med elanvändare och elleverantörer om minskad elförbrukning. Miljö- och energidepartementet har tidigare i år remitterat ett förslag om att lagen (2003:436) om effektreserv ska förlängas till och med den 15 mars 2025

Dagens lagstiftning: Föreslagen: Förordning om effektreserv Kommentar: Särskilda skäl är inte definierat men troligen (tror Lennart kanske?) så innebär det att Svenska Kraftnät, för att undvika effektbrist, bör fortsätta att upphandla 2000 MW (om det behövs)?

Fråga: Vad betyder Särskilda skäl Kansliråd: Ett uttryck som särskilda skäl är, och ska vara, allmänt hållet och är därför svårt att precisera ytterligare. Bakgrunden till att ett sådant uttryck förs in i en författning är ofta att det är svårt att i förväg ta höjd för alla möjliga fall som inträffar i praktiken. Det är inte ovanligt att regeringen i exempelvis en författningskommentar ger exempel på vad som kan vara särskilda skäl när det gäller en konkret bestämmelse, men det handlar då inte om en uttömmande uppräkning. Det kan i framtiden uppkomma situationer då det framstår som okontroversiellt att effektreserven bör vara större än 750 MW. Genom bestämmelsens utformning skapas en ventil för sådana fall. Mer konkret än så är det svårt att vara. Ordet särskilda markerar dock att det verkligen ska handla om fall där det är tydligt att en större effektreserv är motiverad.

Effekt-toppar 1992-2011 Aktiverad effektreserv: gånger/vinter 0 0 0 0 3 0 5 1 0 0 MWh / h Effektreserven täcker maximalt de sista 2000 MW 020327- LS36

Effekt-toppar 1992-2011 2000 MW MWh / h Om Effektreserven täcker sista 2000 MW : Vilka kraftverk täcker resten? 020327- LS37

Effekt-toppar 1992-2011 2000 MW MWh / h Om Effektreserven täcker sista 2000 MW : Vilka kraftverk täcker resten? Centralt att priset blir högt när effektreserven används! 020327- LS38

Förutsättningar för en energy-onlymarknad och aktiva konsumenter = inte kapacitets-marknad 1. Priset måste tillåtas vara så högt så att: Producenter har ett intresse att investera i produktion som används mycket sällan! Elsäljare har ett intresse att uppmuntra sina slutkunder att vara flexibla = minska konsumtion ibland 2. Om man har strategisk reserv Man måste välja nivå: Ju mer effektreserv desto lägre pris När effektreserven används måste priset vara så högt att det motiverar investeringar.

Kommentar till ny rapport från Svensk Energi Resultat för Sverige: + 12 TWh vindkraft har lett till en elprissänkning om -11 Euro/MWh dvs ca 10 öre/kwh Om detta är sant: - Stängning av R1, R2, O1, O2 (13-18 TWh) kommer leda till en elprisökning om kanske 13 öre/kwh (kompenserar kärnkrafts-skatt med råge). - Konsumerande industri borde starkt stödja ett certifikat-system då kostnaden är MYCKET lägre än prissänkningen. - Om t ex F1 stängs (7 TWh/år) så ökar priset för övrig produktion med 6 öre/kwh. Dvs en mycket lönsam åtgärd.

Tre frågor från EI 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduktion i Sverige med dagens marknadsdesign? 2. Är de incitament som finns för investeringar i elproduktion i Sverige idag tillräckliga, eller behövs det andra? 3. Om andelen variabel elproduktion ökar kraftigt, kommer vi med dagens marknadsförutsättningar att ha tillräckligt med produktionskapacitet så att effekten räcker även en kall vinterdag när det inte blåser?

EI:s fråga 1 1. Är det möjligt att nå 100 procent förnybar elproduktion i Sverige med dagens marknadsdesign? Frågeställning 1a: Hur ser ett sådant system ut? Svar: Större mängder sol, vind, bio-kraftvärme Större mängd effektreserv som också används oftare

Hydro power: Duration curves (test + 2008 + 2011) 14000 12000 10000 Energy level [MWh/h] 8000 6000 4000 solar-wind scenario 2008 2011 2000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Number of hours with hydro power < certain energy level Min level: 1875 MW: Needed during 860 hours Max level: 12951 MW: Needed during 765 hours

General internal transmission challenge A. Voltage stability limits between areas B. Q-control important C. More transmission required, but low utilization time D. Challenge to identify future transmission capacity with less nuclear E. Detailed hydro simulation takes 10 minutes per week.

Surplus situation (August 1-10)

Surplus situation (August 1-10)

Transmission situation (Jan 21 Feb 1)

Concerning value of OCGT a. Possibility of bio fuel essential! b. Possibility to run as synchronous condenser essential! c. Could cover peaks during deficit d. Could supply reactive power + inertia during surplus e. Could reduce need for more transmission f. A discussion currently in Sweden about risk of capacity deficit g. But: Slightly the same service could be obtained in other ways, so OCGT:s have to be cost competitive!

Transmission: Yearly duration : today 7000 MW

On transmission needs A. Increase production in receiving end (= thermal, currently OCGT) B. Capacity is available, small energy increase for first GW. C. Since limit is voltage stability, SVC may be enough D. Discussion on exchange of AC to DC E. Optimization approach may be interesting