Sammanfattning Ett internationellt forskningssamarbete kallat Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power (Design och drift av kraftsystem med stora mängder vindkraft) startades 2006 inom IEA Implementing Agreement on the Co-operation in the Research, Development and Deployment of Wind Turbine Systems (www.ieawind.org) såsom Task 25. Detta forskningssamarbete samlar in och sprider information och erfarenheter från studier rörande vindkraftens inverkan på kraftsystemet, samt granska olika metoder, beräkningsverktyg och använda data. Resultaten från den första 3-årsperioden presenteras i denna rapport. Arbetet kommer att fortsätta med en andra 3-års-period. Följande länder och forskningsinstitut har deltagit i samarbetet. (TSO = Transmission System Operator, dvs driftansvarig organisation för transmissionsnätet): Danmark: Risø-DTU; TSO Energinet.dk EWEA (European Wind Energy Association) Finland: VTT Technical Research Centre of Finland (Operating Agent) Tyskland: ISET; Transmissionssystemoperatörerna RWE and E.ON Netz Irland: SEI; UCD; ECAR; TSO Eirgrid Norge: SINTEF; Statkraft Nederländerna: ECN; TUDelft Portugal: INETI; TSO REN; INESC-Porto, IST Spanien: University Castilla La Mancha Sverige: KTH Storbritannien: Centre for Distributed Generation & Sustainable Electrical Energy USA: NREL; UWIG. Forskningssamarbetet har producerat ett antal state-of-the-art rapporter vilka har publicerats som VTT Working Papers series sedan 2007. I dessa rapporter, liksom i denna rapport presenteras endast slutsatser från nyligen genomförda, avslutade studie. Samarbetet har även startat arbetet med att utveckla rekommendationer för lämpliga metoder där syftet är att bedömma systeminverkan och kostnader orsakade av integration av store mängder vindkraft. I denna rapport presenteras endast de överordnade slutsatserna från slutrapporten från fas 1 i samarbetet. Hela slutrapporten (209 sidor) finns tillgänglig på http://www.ieawind.org/annexxxv.html Vindforsk har finansierat den svenska medverkan i detta samarbete. Denna medverkan har inneburit att personer från avdelningen för Elektriska Energisystem, KTH, Stockholm har deltagit vid möten samt presenterat forskningsresultat från KTH och andra studier rörande integration av vindkraft i Sverige.
Följande är en översättning av Executive summary från slutrapporten. Utbyggnaden av vindkraft innebär att en varierande och endast delvis prognoserbar energikälla ska integreras i kraftsystemet i vilket det hela tiden måste upprätthållas en balans mellan produktion och konsumtion. Stora mängder vindkraft har en inverkan på såväl anslutning, integration av produktionen, planeringen av transmissionsnätet samt driften av elsystemet och elmarknadens uppbyggnad. Denna slutrapport av Task 25, fas 1, presenterar en sammanfattning av några utvalda, nyligen publicerad studier av integration av vindkraft från de deltagande länderna. De olika studierna jämförs, trots att detta inte är en trivial uppgift beroende på olika metoder, olika data samt olika antaganden rörande, t ex, tillgänglig transmissionskapacitet. Det finns redan idag flera kraftsystem där större mängder vindkraft integrerats. Flera aspekter vilka påverkar mängden vindkraft som kan integreras har identifierats. Sammanlagring innebär att den totala variationen från vindkraft i olika geografiska områden minskar relativt sett på samma sätt som att koordinering av balanseringsresurser i flera områden reducerar kostnaden för balanseringen. Ett alternativ till att ha större områden för balansering är att tillåta handel mellan olika areor för balansering inom timmen eller inom dagen. Att tillåta drift och planering av elmarknaden på en kortare tidshorisont än dygnet före hjälper till att minska behovet av driftsreserver. Ett bra transmissionssystem är nyckeln till en effektiv sammanlagring av vindkraften och till ett effektivt utnyttjande av tillgängliga balanseringsresurser. För vindkraftnivåer på 10-20% av total energikonsumtion är kostnadseffektiviteten att använda ny lagringskapacitet relativt låg (förutom vattenkraft med magasin eller pumpkraftverk). Vid större mängd vindkraft kan den extra flexibilitet som lagring innebär vara rationell för driften av elsystemet förutsatt att den är konkurrenskraftig gentemot annan typ av flexibilitet. Det bör dock påpekas att all form av lager skall användas för hela systemets behov. Det är inte kostnadseffektivt att erbjuda speciell back-up just för vindkraften i större kraftsystem där den totala variationen från elförbrukning och produktionsanläggningar sammanlagras, på samma sätt som det inte är effektivt att ha speciella lager för haverier i enskilda värmekraftverk, eller ha speciella kraftverk som följer variationen i en specifik elförbrukning. Integrationskostnad för vindkraft: Många studier tar upp frågan om integrationskostnad. Denna kostnad är den extra kostnad för utbyggnad och drift av icke-vind-delen av kraftsystemet som orsakas av utbyggnaden av vindkraften. Integrationskostnaden kan delas upp i olika delar som härrör från balanseringskostnaden samt förstärkning av elnätet. Det är dock viktigt att beakta huruvida man uppskattar en marknadskostnad eller en fysisk kostnad för kraftsystemet. En marknadskostnad kan innebära överföring av medel från en aktör till en annan, medan en fysisk kostnad innebär att kostnaden för hela systemet ökar. De flesta studierna har hittills inriktats på kostnaden för integration, medan det även finns ett behov av att också göra kostnad-nytta-analyser. Det finns också en nytta med att integrera vindkraft: den reducerar den totala driftskostnaden och dessutom reduceras utsläppen om vindkraften ersätter fossila bränslen. Integrationskostnad för vindkraft måste även jämföras med något, t ex produktionskostnaden eller marknadsvärdet för vindkraft, eller alternativt integrationskostnaden för andra produktionsslag. För att erhålla en rättvis jämförelse mellan kraftsystem med olika mängder vindkraft, bör dessa system i princip ha
samma CO2-utsläpp, tillförlitlighet etc. Vindkraftens effektvärde måste därmed även bli fastställt. Ökning av korttidsreserver beroende på vindkraft: Vindkraft kan öka kraven på systemoperatören att hålla mer driftsreserver. Både statistik och studier visar att den huvudsakliga utmaningen är vindkraftens variation inom 1-6 timmar. Frekvensregleringen (tidsskala sekunder) och systemets elektromekaniska tröghet är inte den stora utmaningen för närvarande, men kan bli en utmaning för små system med hög andel vindkraft i framtiden. Ökningen av behovet av korttidsreserver uppskattas ofta med statistiska metoder där man kombinerar variationen i prognosfel för elförbrukning och vindkraft för att få fram den nettovariation som systemet ser. Inverkan av vindkraft kan noteras från tidsskalan 10 minuter upp till några timmar, men endast lite i tidsskalan sekund till sekund vilket är tidsskalan för den automatiska frekvensregleringen. Den uppskattade ökningen av behovet av korttidsreserver i de i denna rapport summerade studierna har en stor spridning: 1-15% av installerad effekt vid en vindkraftsandel om 10% av elförbrukningen samt 4-18% av installerad effekt vid en vindkraftsandel om 20%. Det är här centralt att separera mellan flexibiliteten vid längre tidsskalor från flera timmar upp till ett dygn (kraftverk som följer elförbrukningen) och behovet av reserver vilka kan aktiveras inom sekunder eller minuter (kraftverk som följer oprognoserade variationer i nettoförbrukningen). En viktig slutstats är att ökat behov av reserver inte nödvändigtvis behöver betyda behov av nya investeringar. Ett exempel är att behovet av vindorsakade reserver är störst när vindkraften producerar mycket. Vid dessa situationer producerar de andra kraftverken vid en lägre nivå, vilket innebär att de kan fungera som reserver och öka produktionen om vindkraften minskar. Detta måste beaktas när ökat behov av reserver ska uppskattas. Från kostnadsuppskattningar som presenterats i studierna följer att vid en vindkraftsandel om upp till 20% av elförbrukningen (årsenergi), kommer systemkostnaden för vindkraftens balansering och osäkerhet att vara ungefär 1-4 Eurocent/MWh vindkraftsproduktion. Detta är 10% eller mindre av försäljningsvärdet för vindkraften. Den faktiska inverkan av att integrera mer vindkraft kan bero på flera olika lokala förutsättningar. Viktiga faktorer för att reducera integrationskostnaden är sammanlagring av vindkraften över större regioner, större geografiska områden för balansering, samt att planera driften av kraftsystemet närmare inpå faktisk driftstimme då det finns tillgång till bättre prognoser för faktisk vindkraftsproduktion. Transmissionsplanering med vindkraft: Med dagens teknik har nya vindkraftverk möjlighet att möta nätägarnas krav/önskemål avseende att fortsätta producera även efter ett kostvarigt spänningsfall (fault ride through); att leverera reaktiv effekt till systemet; att styra spänningen; och att via Scada-system styra ökning och minskning av effekten. Nätförstärkningar kan behövas för att hantera större effektflöden och för att bibehålla en stabil spänning. Detta kan vara nödvändigt när större mängder vindkraft ansluts till svaga nät, när det finns flaskhalsar mellan produktion och elförbrukning eller där det inte finns nät, som vid havsbaserad vindkraft. Transmissionskostnad är här den extra kostnad i transmissionssystemet somm uppstår när vindkraft integreras. Antingen hänförs all denna extra kostnad till vindkraften eller också endast en viss del nätförstärkningar och nya ledningar gynnar ofta andra konsumenter och producenter och kan användas för många syften, som att öka tillförlitligheten och/eller öka elhandeln. Kostnaden för nätförstärkningar är beroende på var vindkraften lokaliseras relativt elförbrukningen och den existerande nätstrukturen, och man kan därmed förvänta sig att kostnaden varierar mellan olika länder.
Kostnaden för nätförstärkningar i enligt de studier som sammanställts inom IEA task 25 visar på en variation från 0 Euro/kW till 270 Euro/kW. Kostnaden ökar inte kontinuerligt, för vissa enstaka fall kan kostnaden vara mycket hög. Det är också skillnader mellan hur olika länder väljer att hänföra kostnaden till vindkraft, eller om transmissionsledningarna även kan användas för andra ändamål. Det är viktigt att notera att nätförstärkningar ska vägas mot alternativet att styra vindkraftsproduktionen eller ändra produktionen i andra kraftslag i de fall nätkapaciteten inte är tillräcklig i vissa situationer. För transmissionsplanering kan den mest kostnadseffektiva lösningen innebära att man bygger ut nätet från början för den mängd vindkraft man kommer att se i framtiden, istället för att bygga ut nätet successivt. Vindkraftens effektvärde: Vindkraften bidrar också till ett visst effektleverensvärde, dvs elförbrukning kan öka med bibehållen systemtillförlitlighet tack vare vindkraften. Detta värde kan vara upp till 40% av installerad vindkraftseffekt om vindkraften producerar mycket vid hög elförbrukning, och ner till 5% vid hög vindkraftsmängd och/eller om lokala vindar har en negativ korrelation till elförbrukningen. Sammanlagring av vindkraft i större områden ökar vindkraftens effektvärde. När det gäller uppskattning av vindkraftens effektvärde används flera olika metoder. Att uppskatta elsystemets risk för effektbrist (Loss-of-Load-Probability, LOLP) är den mest noggranna metoden. En viktig faktor är om ägarna till vindkraftverken erhåller betalning för effektvärdet eller inte. Detta gäller även andra kraftslag och beror på marknadsstrukturen. Vissa studier använder termen effekt-kostnad. Definitionen av denna term är kostnaden för att kompensera skillnaden i effektvärde mellan vindkraft och ett konventionellt kraftverk. Termen effekt-kostnad används inte så ofta men det är viktigt att notera att när nivån på denna ska uppskattas ska kompensationen ske i kraftverk med mycket låg utnyttjningstid, t ex gasturbiner (open cycle gas turbines, OCGT). Ett alternativ är att kompensera med frivillig lastreduktion. Båda dessa alternativ har en relativt låg effektkostnad. Rekommendationer för integrationsstudier: (i) (ii) (iii) (iv) (v) beakta sammanlagringen av vindkraften över större geografiska områden vilket ger en utjämnad variation av total vindkraft i använda tidsserier. Förutsätt även att bästa möjliga prognosmetoder för vindkraftsproduktionen kommer att finnas tillgängliga. undersök vindkraftens variation tillsammans med elförbrukningens variation. Utgå från historiska data för vindkraften samt elförbrukning och prognos för denna för att på detta sätt få med en korrekt beskrivning av samvariationen. beakta elsystemets karakteristik och reaktion på balansförändringar genom modellering och simulering undersök faktiska kostnader istället för design av tariffer jämför kostnader och nytta för vindkraften. I de flesta fall är frågan om huruvida extra investeringar är lönsamma i ett elsystem med större mängd vindkraft inte bara att konstatera att en viss mängd extra reserver och/eller nya kraftledningar etc är en förutsättning för att få in mer vindkraft. För integration av stora mängder vindkraft ska möjligheten till optimering av det integrerade elsystemet studeras. Modifiering av system-konfigurationen och drift-praxis för att få ett effektivt elsystem kan vara nödvändigt. Inte alla metoder som används idag är designade för att på
ett korrekt sätt införliva kraftslag såsom vindkraft och metoderna var ursprungligen heller inte utvecklade för detta ändamål. Genom att öka systemets flexibilitet genom t ex transmission till angränsande elsystem, produktionens flexibilitet, elförbrukningens flexibilitet (demand side management, DSM) och optimalt användande av lager (t ex pumpkraft eller bränslelager) i kombination med samarbete mellan olika marknader och driftsplanering närmare faktisk timme påverkas mängden vindkraft som kan integreras på ett kostnadseffektivt sätt. Det finns en ökad insikt om att studier av vindkraftens integration bör ske på en internationell nivå för att på så sätt identifiera behovet och nyttan av internationella kraftförbindelser och på detta sätt uppnå politiskt satta mål rörande större mängder förnybar energi. Framtida arbete: Integration av vindkraft har studerats upp till andelar om 10-20% av årsenergiförbrukningen (upp till 50% av max förbrukning). Vad som händer vid större andel vindkraft, när vindkraft blir än mer dominerande del av kraftsystemet, är inte uppenbart det framtida kraftsystemet kan i framtiden mycket väl erbjuda olika möjliga alternativ för flexibilitet i efterfrågan som inte finns idag. Dessutom bör framtida integrationsstudier beakta en förmodad högre andel av solenergi eller vågenergi och på många ställen kommer sammanlagring från olika teknologier att minska den totala variationen. Generalisering av slutsatser för att erhålla grövre uppskattningar om inverkan av större mängder vindkraft och dess kostnader i olika typer av kraftsystem kommer att fortsätta vara uppgiften i nästa fas av Task 25.