HUVA-dagen 18 mars, 2010 Korttidsplanering av vatten-värmekraftsystem vid stora mängder vindkraft Lennart Söder Professor, KTH 1
Disposition Om förnybara energislag Generellt om vattenkraftsplanering Transmissionsläget Vindkraftens uppförande Förändring av korttidsplaneringen pga vindkraften 2
Förnybara energisystem Energi produceras där resursen finns Energin måste transporteras till där konsumtionen finns Energi inflödet varierar, vilket kräver lager och/eller flexibla systemlösningar Detta gäller för vattenkraft, vindkraft, solkraft. 3
Nordisk vattenkraft (inflöde)kan variera 86 TWh mellan olika år Transport från NV Norden till SÖ Norden + kontinenten Energibalansering med värmekraft i Da+Fi+Ty+Po+NL Vindkraft ger samma typ av variationer/osäkerheter (och lösningar) som vattenkraft. Men: tidsperspektivet är mycket kortare! Exempel 4
Vattenkraftsbalansering Vatten-värme -snittet 1: ca 1700 MW (inkl Norned) 2: ca 2100 MW 3: ca 7000 MW 4: ca 1500 MW? 4 Totalt 12300 MW. I en riktning 100 TWh/år. 1 2 3 5
Vattenkraftsbalansering 1 mycket vindkraft inom vattenområdet Kräver bättre förbindelser inom området för att jämna ut variationer Medför att detta område blir (ännu mer) ett exportområde (eventuellt lägre priser) 4 Medför att balanseringsbehov utanför området till viss del får klaras på annat sätt. Ökar intresset att förstärka snittet ut från vattenområdet 1 2 3 6
Vattenkraftsbalansering 2 mycket vindkraft utanför vattenområdet Mer effekttransport genom vatten-värme-snittet (dvs varierande timprisskillnader mellan de två områdena) 4 Troligen rationellt att förstärka detta snitt Inkluderar vindkraft i Tyskland-Danmark som kan utnyttja nordisk vattenkraftsbalansering 1 2 3 7
Vattenkraftsplanering Säsongsplanering Uppdateras regelbundet Många osäkerheter Ofta stokastisk optimering 8
Vattenkraftsplanering Dygnsplanering/spot + Elbas (korttidsplanering) Steg 1: Budplanering, ev beakta bud till reglermarknad. Steg 2: Driftsplanering Idag ganska säker planering Mer vindkraft större osäkerheter 9
Vattenkraftsplanering Timdrift + ekonomisk obalanshantering Idag ganska små volymer Enpris/tvåpris-system för obalanser Mer vindkraft större osäkerheter större volymer på reglermarknaden 10
Transmissionskapacitet - idag Sve-Nor: 3500 MW Sve-Fin:2000 MW Sve-Dan: 2600 MW Sve-kontinenten: 1200 MW Sverige-grannländer: ca 9300 MW (kontinuerligt 80 TWh/år) Norden-grannländer: ca 5500 MW Balansering av vindkraft är en nordisk (nordeuropeisk) utmaning 11
Transmissionskapacitet - planer Sverige-grannländer: ca 9300 MW (kontinuerligt 80 TWh/år) Norden-grannländer: ca 5500 MW Planer: Järpströmmen-Nea, S-N, ~1000 MW Sydvästlänken, S-N, 2x600 MW Fenno-Skan 2, S-F, 800 MW Nordbalt, S-L, ~600 MW Ny ledning till Gotland Förstärkning i norr till Finland Ny snitt 2 ledning, ev. DC Sverige-grannländer: +~3600 MW 12
13
Prognoser och osäkerheter Prognoser: Allt tyder på mer vindkraft i Sverige ~ 13 TWh 5500 MW Existerande kärnkraftverk kommer få högre effekt Mer förbindelser till omvärlden medför att, t ex, elpriserna kommer få en starkare koppling till omvärlden, dvs starkare dygnsvariation. Ökningen i kärnkraft + vindkraft leder till ökad export. Osäkerheter: Hur bra kommer den svenska kärnkraften gå? Blir det någon ny kärnkraft? Hur fort går det att få in ny vindkraft? Var kommer vindkraften byggas ut? Hur lång tid tar nätutbyggnaderna? 14
Registerade vindkraftsprojekt under utveckling Totalt: 24 400 MW Motsvarande ~ 60 TWh 6400 MW 26 % 5340 MW (*) 22 % Ett av dessa projekt är 4000 MW 5580 MW 23 % Snitt 1 Snitt 2 7080 MW 29 % Snitt 4 15
Tre utmaningar vid stora mängder vindkraft 1. U1: Hur sköts den kontinuerliga balanshållningen Två viktiga specialfall: 2. U2: Vad gör man vid lite vindkraft och hög elförbrukning (dimensionering) 3. U3: Vad gör man vid mycket vindkraft och låg elförbrukning (dimensionering) 16
U1: Hur sköts den kontinuerliga balanshållningen? 1. Man måste först utgå från att det system man studerar är rätt dimensionerat. 2. Störst behov av produktionsökning finns vid hög vindproduktion (som minskar) då andra kraftverk körs vid låg produktion. 3. Ju mer vindkraft, desto mer reserver finns det 4. Utmaningen är då att övrig produktion ska kunna ändras tillräckligt snabbt I Norden finns det 48776 MW vattenkraft 17
U2: Vad gör man vid lite vindkraft och hög elförbrukning? Detta är effektbalansfrågan: Hur vanlig är situationen? Tillräckligt med installerad effekt Flexibel elförbrukning vid mycket höga elpriser. Sannolikheten för vind vid hög förbrukning? Kort utnyttjningstid. Effektreserven idag av Svenska Kraftnät Med mer kärnkraft blir detta knappast den stora utmaningen 18
U3: Vad gör man vid mycket vindkraft och låg elförbrukning? 1. Vid dessa situationer kan det bli mycket låga elpriser. 2. lönsamt med, t ex Mer transmission ut från området Pumpkraft i älvar? Flexibel elförbrukning (elpatroner i fjärrvärmen) Ladda elbilar. 3. Punkt 1-2 samverkar till en ekonomisk balans Snitt 2 Snitt 1 4. Detta är, som jag ser det, en central utmaning! Snitt 4 19
Vissa forskningsutmaningar vid stora mängder vindkraft 1. Effektiva metoder för att få fram rätt dimensionering av det totala elsystemet inklusive transmission, pumpkraft, flexibel elförbrukning etc 2. Effektiva metoder för driften av elsystemet som kommer innehålla mer osäkerheter än tidigare 3. Effektiva marknadsregler så att systemet byggs/utnyttjas på ett bra sätt 20
Vissa systemfrågor vid större mängder vindkraft: Är det rationellt att bygga ut näten ur balanseringssynpunkt? Behöver marknadsreglerna ändras? Hur förändras vattenkraftens planering? Är det rationellt att utnyttja pumpkraftverk? Det är ekonomiska överväganden som bestämmer behov av utbyggnad 21
00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Vindkraftens balansering Timmar-Dygn: Behov Variationer betydligt större än inom ett par minuter. Relativt dåliga prognoser 1400 1200 1000 800 600 400 200 0-200 -400-600 -800-1000 -1200-1400 WMPP average quarter-hour power output as at December 11 2000 Forecast calculated on December 10 at 11:00 Measurement Forecast Deviation 22
00:00 03:00 06:00 09:00 12:00 15:00 18:00 21:00 Vindkraftens balansering Timmar-Dygn nya prognoser! 1400 1200 1000 800 600 400 200 0-200 -400-600 -800-1000 -1200-1400 WMPP average quarter-hour power output as at December 11 2000 Forecast calculated on December 10 at 11:00 Measurement Forecast Deviation Faktiskt beslut för balansering: Ny finns bättre prognoser! 23
MWh/h Vindkraftens balansering : Stormfront 2000 1750 1500 1250 1000 750 8 Januari 2005 500 250 0-250 -500-750 -1000 Överföring DK1 -> NO1 Balanskraft (NO1) Vindkraft DK1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Timme Källa: ELTRA / NORDPOOL 24
Om korttidsplanering av vattenkraft! Planeringen blir osäkrare! Oftare uppdatering av planeringen kan löna sig. Olika utfall bör beaktas vid planeringen, på samma sätt som vid säsongsplaneringen. Marknadsregler måste eventuellt ändras. Prisbilden kommer ändras: Om inte priserna ändras, så ändras inte driften! Priserna kommer variera mer! Såväl Spanien som Portugal har stora mängder vindkraft redan idag (samt egen vattenkraft). 25
KTH-studie från i höstas: Balansering av vindkraft och vattenkraft i norra Sverige Elforsk rapport 09:88 Amelin et. al 26
KTH-studien: En modell (norr om Dalälven) har byggts upp och använts Modellen omfattar 154 vattenkraftverk med en sammanlagd effekt på 13,2 GW, ungefär 80% av all vattenkraft. Vattenkraftsmodellen tar hänsyn till vattendomar, rinntider mellan kraftverk och andra fysiska begränsningar. Vindkraft, elförbrukning, övrig produktion = tidsserier Överföring = dagens kapacitetsnivåer Enskilda veckor simuleras 27
KTH-studien: En modell (norr om Dalälven) har byggts upp och använts Modellen har använts för att studera hur stor reglerförmåga vattenkraften har vid en vindkraft på 1000, 4000, 8000 respektive 12000 MW. Eftersom elförbrukning och annan produktion antogs given blir resultatet export (om man inte orsakar spill). Vindprognos = produktion Magasinsinnehåll i slutet av veckan antas oberoende av mängden vind i veckan 28
KTH-studien: Resultat Det spill som uppstår i fallstudierna består till en överväldigande del av sådant spill som kan undvikas om man använder effektiva verktyg för framför allt säsongsplaneringen. Med studiens förutsättningar är det möjligt att balansera 30 TWh vindkraft i Norrland. Mer studier behövs om effektiva planeringsmetoder och marknadsregler Resultatet från studien är snarast av typen U3 (lämplig dimensionering vid hög vind låg last). 29
Nya projekt på KTH 1 januari 2010 startade 3 nya doktorander: 1. 1 ska arbeta med förbättrade modeller för korttidsplanering av vattenkraft när det finns mycket vindkraft (timbaserat) 2. 1 ska arbeta med hur marknadsreglerna ska se ut för att doktorand 1:s arbete ska bli verklighet 3. 1 ska arbeta med hur man inom timmen ska upprätthålla en effektiv balans vid stora mängden vindkraft 30
KTH-studie 2001, Sveca-Söder Avser överföring snitt 2 31
KTH-studie 2001, Sveca-Söder Utrymme Utrymme Antag: Nätet byggs inte ut Vindkraft balanseras lokalt i Norrland Man kan då bygga ut så mycket att energin kan överföras söderut Detta utrymme är ca 25 TWh Men: Då måste all balansering av last och vind i södra Sverige ske lokalt! 32
KTH-studie 2001, Sveca-Söder Exempel 7% spill 3000 MW vindkraft 33
KTH-studie 2001, Sveca-Söder Kommentarer: Studien visade att det inte är ekonomiskt lönsamt att bygga ut nätet ens vid 4000 MW vindkraft i Norrland. Dock enbart modell av Sverige Endast spillkostnad beaktad Relativt dyr nätkostnad Relativt låga spillkostnader 34