EM4000 W-4.0, 2010-11-17 1 (7) MARKAL-Nordic beskrivning och utvecklingsmöjligheter Kort beskrivning av MARKAL-Nordic MARKAL-modellen (MARketALlocation) är en så kallad dynamisk optimerande energisystemmodell. Det innebär att modellen, utifrån en detaljerad beskrivning av det tekniska energisystemet 1, optimerar en det beskrivna energisystemets framtida utveckling sett över hela den beskrivna modellperioden till den lägsta kostnad. En principskiss över modellens funktionssätt presenteras i nedanstående figur där de olika energibehoven återfinns till höger i figuren och de olika tillgängliga resurserna till vänster. Mellan dessa bägge delar återfinns de tekniska komponenterna (storskaliga och centraliserade såväl som småskaliga och användarnära) som genererar nyttig energi ur de använda resurserna. Emissions Emissions Fuel input Efficiency Inv cost O&M cost Availability Exist cap. Electricity Input (fuel,elec,dh) Efficiency Inv cost O&M cost Availability Exist cap. Useful energy Condensing power Households Supply /MWh Nuclear Biof. Coal CHP Service TWh Demand TWh Gas Heat plant TWh Year Oil Industry Hydro Fuel conversion Season Wind Export Import Figur 1 Principbild för hur det tekniska energisystemet är representerat i en MARKALmodell. Det finns MARKAL-modeller som beskriver hela världens, enstaka länders eller andra avgränsade regioners energisystem. I MARKAL-Nordics fall omfattar databasen en detaljerad beskrivning av det nordiska energisystemet samt elproduktionen i Tyskland och Polen. Detaljeringsgraden är särskilt stor i beskrivningen av Sverige. Systemgränsen är också skälet till att modellen fått namnet MARKAL-Nordic. Det pågår arbete med att övergå från MARKAL-Nordic till TIMES-Nordic vilket finns beskrivet nedan. Båda modellerna kommer dock att nämnas i texten. 1 Det tekniska energisystemet avser energisystemets olika tekniska komponenter och de energiflöden som förbinder dessa, alltifrån energibehov till resursuttag i form av t.ex. olika bränslen.
2 (7) Styrkor Den stora styrkan i modellen är helhetssynen på energisystemet (exklusive transportsektorn), det vill säga systemperspektivet. Alla viktiga delar i ett energisystem finns representerade och därmed kan man jämföra kostnadseffektiviteten hos enskilda åtgärder för att exempelvis reducera koldioxidutsläpp och väga dessa mot andra åtgärder. I modellresultatet får ett optimerat system som kan jämföras med det verkliga systemet där olika grader av suboptimering av förklarliga skäl ingår. Alla sektorer i det stationära energisystemet (exklusive transportsektorn) i hela Norden beskrivs, enligt Figur 1, samt elproduktionen i Tyskland och Polen. Det betyder att t.ex. el- och fjärrvärmeproduktionen optimeras och samtidigt sätts i ett sammanhang. Scenarioantagandena påverkar användningsnivåer och import/export av el är möjlig. Man kan också studera hur de olika sektorerna är kopplade och hur de påverkar varandra. Systemperspektivet gör det möjligt att studera hur en begränsad resurs, t.ex. inhemsk biomassa, kan användas på ett effektivt sätt. Målfunktionen i modellen är minimering av systemkostnaden. Det gör att modellen gör de investeringar som är ekonomiskt motiverade och att systemet utvecklas över tid på ett kostnadseffektivt sätt (inte bara hur ett givet system körs). Det ger en bild av en möjlig utveckling av energisystemet utifrån satta antaganden om omvärldsutvecklingen som gjorts. I verkligheten kan energisystemet naturligtvis utvecklas på ett annat sätt, dels beroende på att det inte utvecklas optimalt som i modellvärlden och dels beroende på all den komplexitet och alla de beslutsparametrar som finns i verkligheten, men som en modellbeskrivning inte förmår täcka in fullständigt. Det är viktigt att man till modellanalysen kopplar kunskap om hur det verkliga systemet ser ut och fungerar, och att man förmår bedöma i vilken utsträckning som modellsvaret kan skilja sig. En modellberäkning ger omfattande resultat. Energiflöden och kapaciteter för sektorerna, både användning och tillförsel av energi, är några nyckelresultat. Handel med el mellan olika länder, utsläpp av CO 2 från olika sektorer/tekniker, priser på till el, fjärrvärme och biomassa är andra resultat. Olika villkor som exempelvis begränsningar av utsläpp eller krav på vissa mängder förnybar produktion kan göras som då ger ett s.k. skuggpris, dvs. priset som ett resultat av begränsningen/kravet. Detta kan ge prisindikationer för marknadsbaserade styrmedel. Genom att ändra indata för en enskild parameter eller förutsättning fås en bild av betydelsen av just den parametern eller förutsättningen, givet att allt annat är oförändrat. Det ger en bild av orsak och verkan. Då kan man exempelvis bedöma kostnaden av att.ex.kludera ett visst energislag (eller en viss teknik), effekter av förändringar i styrmedelsuppsättning men även bedöma värdet av gemensamma energimarknader i exempelvis Norden istället för separata nationella marknader. Modellen beskriver en bild av en komplex verklighet kopplat till energi och miljö. Genom att använda modeller sker även en läroprocess om det verkliga energisystemet, både i själva resultatet men även i arbetet med förutsättningar.
3 (7) Svagheter/begränsningar Både MARKAL-Nordic och TIMES-Nordic är modellverktyg som är utvecklade för analyser av den långsiktiga utvecklingen av stora och omfattande energisystem. Även om de i några avseenden fungerar på kortare sikt så lämpar de sig bäst för det långa och inte det korta tidsperspektivet. MARKAL-Nordic saknar möjligheten till en finare tidsupplösning inom ett år. För elsystemet gäller sex tidssteg och modellen lämpar sig därför mindre bra för att beskriva situationer som präglas av korta tidsförlopp. Genom övergången till TIMES-Nordic har detta förbättrats till 12 tidssteg och därmed ökar precisionen i hanteringen av variationer i last (användning) och produktion. Även om det inte finns någon egentlig övre begränsning av tidsupplösningen i TIMES, så blir en allt högre upplösning snabbt opraktisk och medför bland annat långa beräkningstider. Perfect foresight innebär att modellen redan vet alla förutsättningar i framtiden. Till exempel om fossilbränslepriserna antas stiga kraftigt framtiden så kan modellverktyget redan en bra bit före detta inträffar förbereda sig för detta genom att delvis konvertera bort från fossila bränslen och valen blir samhällsekonomiskt lönsamt. De verkliga besluten som fattas i energisystemet baseras inte på samma antaganden som i modellen eller utifrån vad som är samhällsekonomiskt lönsamt. Modellen strävar efter ett enda globalt optimum där alla aktörer/tekniker samverkar mot den bästa helhetslösningen. I själva verket finns ett mycket stort antal aktörer som alla strävar efter att maximera sin egen nytta. Enligt klassisk nationalekonomisk teori så menar man att detta leder till samma sak. Verkligheten är mer komplicerad än så. Oavsett vilket så underskattas många verkliga skeenden i energisystemet som inte syftar till ett gemensamt optimum i modellverktyget. Alla styrmedel ingår inte i modellbeskrivningen. De styrmedel 2 som är viktigast för utvecklingen av energisystemet ingår. Saknas gör t.ex. de tidigare konverteringsbidragen, PFE, ROT-bidrag och stöd till solvärme eller solel (utöver elcertifikat). Energimärkning, byggnormer, informationskampanjer ingår inte i en teknisk-ekonomisk modellansats. Varje energiomvandlingsalternativ eller teknik beskrivs med genomsnittskostnader. Det billigaste alternativet väljs fullt ut även om det endast är något billigare än ett konkurrerande alternativ. I verkligheten varierar kostnaderna för alternativen beroende på en mängd lokala förhållanden och därför blir valen mellan olika alternativ i verkligheten inte så entydiga som modellresultaten visar. Det finns en mycket omfattande teknikbeskrivning, och för de allra flesta tekniker finns även flera olika storleks-, kostnads- och prestandaklasser. I modellen utnyttjas samma kalkylränta för alla delar av energisystemet vilket inte speglar verkligheten. Om exempelvis oljeeldning blir marginellt dyrare än alternativen så ersätts den omgående i modellberäkningen men inte nödvändigtvis 2 Energi- och koldioxidskatter, elcertifikat och EU ETS
4 (7) i verkligheten. Viljan att konverter kan överskattas vilket delvis kan förbättras genom att använda sektors- eller teknikspecifika kalkylräntor. I TIMES-Nordic har specifika kalkylräntor börjat användas i viss begränsad omfattning. Energiefterfrågan i modellerna uttrycks antingen som slutlig energianvändning (behovet av el, fjärrvärme och olja) eller som nyttig energianvändning (t.ex. uppvärmning). För bägge fallen är energibehovet fastlagt, det vill säga det kan inte minskas eller ökas till följd av prisförändringar vilket det gör i verkligheten. Priskänsligheten kan beskrivas som priselasticiteter, hur mycket efterfrågan på en energibärare ändras till följd av en viss förändring i pris. Sådana priselasticiteter utnyttjas normalt inte i MARKAL/TIMES-modelleringar. Det kan betyda att modellen underskattar skillnaderna mellan olika beräkningsfall som t.ex. har stor skillnad i styrmedelspåverkan. Andra systemavgränsningar kan utvecklas. Transportsektorn saknas i modellen, vilket gör att en viktig energi- och utsläppssektor faller bort. I takt med att den nordeuropeiska elmarknaden integreras alltmer kommer de nordiska ländernas elsystem att påverkas även av förhållandena i andra länder. Idag saknas några kablar i modellen, t.ex. överföringsförbindelsen mellan Norge och Nederländerna och kommande kabel mellan Sverige och Baltikum. Modellen hanterar inte heller delar utanför det tekniska energisystemet, t.ex. arbets- och kapitalmarknaderna, som ju också påverkar och påverkas av energisystemet. En del avgränsningar kan åtgärdas mer eller mindre enkelt och visst sådant arbete har redan inletts (se mer i kommande avsnitt). Men i många fall finns goda skäl att inte fortsätta utvidga det modellerade systemet eftersom det ökar komplexiteten och hämmar därmed både transparens och, i vissa avseenden, användbarheten. Aktuellt utvecklingsarbete av modeller samt övriga förslag Från MARKAL-Nordic till TIMES-Nordic Även internationellt pågår en övergång från MARKAL till dess efterföljare TIMES (The Integrated Markal EFOM System) 3. I praktiken konverteras databasen i MARKAL-format till en motsvarande databas i ett TIMES-format. Konverteringen är ett omfattande arbete. Både analyspotentialen och frihetsgrader är större i TIMES även om princip och metodansats i stort är densamma som i MARKAL. Till de viktigare förbättringarna hör bland annat större detaljeringsgrad i beskrivningen av en investering (t.ex. ledtider, avvecklingskostnader), flexiblare processbeskrivning, skillnad mellan ekonomisk och teknisk livslängd, åldersberoende variabler och åldersmärkning av investeringar osv. Den flexiblare tidsindelningen inom ett år är särskilt värdefull vid analyser av t.ex. variabel elproduktion eller energianvändning med ett starkt tidsberoende. 3 EFOM-modellen (Energy Flow Model) utvecklades ursprungligen på uppdrag av Europeiska kommissionen och användes som ett alternativ till Markal. EFOM-modellen användes t.ex. både i Danmark och i Finland under 1990-talet medan man i Sverige och Norge istället valde Markal som huvudspår. När sedan arbete med att utveckla TIMES inleddes såg man till att inkludera element från både Markal och EFOM (som i sin tur var tämligen närbesläktade).
5 (7) Övergången är så gott som genomförd. De båda modellerna kommer att köras parallellt som ett led i kvalitetssäkringen under en tid framåt men så småningom är tanken att MARKAL-Nordic helt ska ersättas av TIMES-Nordic. I stor utsträckning är modellerna relativt lika varandra men några viktiga skillnader finns: Fler tidssteg per år för fjärrvärme och el i TIMES-Nordic. Därmed ökar precisionen i hanteringen av variationer i last och produktion. Fler teknikklasser för vissa teknikslag, t.ex. biobränslekraftvärme (liten, mellanstor och stor anläggning), avfallskraftvärme (liten och stor anläggning) samt naturgaskraftvärme (liten och stor anläggning). Förbättrad beskrivning av vissa biobränslefraktioner inom fjärrvärmesystemet, t.ex. biooljor. Förbättrad beskrivning av marknadsandelar för olika tekniker på användarsidan i TIMES-Nordic. En något mer detaljerad beskrivning av distributionsnäten för el, fjärrvärme och naturgas. En högre detaljeringsgrad för den energiintensiva industrin genom t.ex. en mer explicit processbeskrivning. Fortsatt och löpande arbete med modellutveckling kommer att ske i TIMES- Nordic och inte i MARKAL-Nordic. Vilken utveckling som görs och i vilken ordning är inte bestämt men nedan finns några utvecklingsexempel: Inkludera fler länders elproduktionssystem i modellbeskrivningen Länder att inkludera är de baltiska staterna och Nederländerna som Norden idag har ett elutbyte med men som inte ingår. Förbättra beskrivningen av den svenska fjärrvärmen Den svenska fjärrvärmen beskrivs och modelleras som ett enda Sverigesystem i modellen. En uppdelning av Sverigesystemet i några typsystem representerar bättre fjärrvärmeproduktionen i Sverige. Dela upp värmebehovet i uppvärmning och varmvattenberedning Idag beskrivs värmebehovet som en post i varje behovssektor (småhus, flerbostadshus, lokaler och övrigt). En utveckling innebär att olika profiler över året kan beskrivas och fler kombinationer av uppvärmning blir möjliga. Viktigt för att kunna titta på exempelvis effektiviseringspotential. Om dataunderlag finns tillgängligt bör detta vara en relativt begränsad åtgärd i utvecklingsarbetet. Inkludera effektiviseringsåtgärder Idag omfattar modellbeskrivningen en rad konverteringsåtgärder på användarsidan som byte från el till fjärrvärme osv men inte effektiviseringsåtgärder som byte av kyl/frys och belysning. Effektiviseringstakter
6 (7) ligger istället med exogent genom att den energianvändning som Energimyndigheten levererar som input till modellen och ändras då inte om förutsättningar ändras. Inkludera transportsektorn I tidigare försök att inkludera transportsektorn i MARKAL visade det sig att det globala kostnadsminimeringsparadigm (på vilken modellen bygger) inte var tillämplig som beskrivning av hur besluten inom transportsektorn fattas. Antalet beslutsfattare är mycket stort och köp av fordon bygger inte endast på energikostnaderna. Modellresultaten för transportsektorn tenderade därmed att bli svårförklarliga med tanke på den verkliga utvecklingen. Men det finns ändå skäl att på nytt överväga att inkludera en enklare beskrivning av transportsektorn och då med utgångspunkt från de lärdomar som dragits tidigare. Att inkludera transportsektorn på detta sätt ger också fördelen att hela energisystemet därmed ingår i beräkningen. Profu har tillgång till en egenutvecklad simuleringsmodell för det svenska transportsystemet. De data som finns förs över till TIMES-Nordic. Beskrivningen av den svenska energiintensiva industrin I TIMES-Nordic är beskrivningen av basindustrin mer detaljerad. Antalet industribranscher kan ökas (idag fyra) och uppdelningen mellan den industri som ingår i EU-ETS och inte kan förbättras. Arbetet gör lämpligast löpande i mindre steg och i samband med olika uppdrag. Uppskattad arbetsinsats: mycket svårbedömd. Görs lämpligen i samband med olika beräkningsuppdrag med visst industrifokus. Fyra elprisområden i Sverige I modellen beskrivs de fyra nordiska länderna (samt Tyskland och Polen) som fyra (sex) energisystem som binds samman av en möjlighet att utbyta el. Sverige ses här som ett nationellt system trots indelningen i fyra elområden som tidvis skiljer sig åt p.g.a. begränsningar i eltransmissionen. Det är möjligt att göra denna uppdelning om underlag av data finns tillgänglig men kräver mycket arbete. Elprisskillnaderna mellan elområdena har varit små, varför en sådan uppdelning kan vara onödig. Större skillnader i scenarioanalysen I samband med scenarioarbeten och känslighetsanalyser kan man välja indata så att det blir större skillnad i resultaten från scenarierna. Detta ökar förståelsen för vilka antaganden som har stor påverkan på beräkningsresultaten och vilka antaganden som har mindre betydelse. Förfina beskrivningen av vissa områden och använda en större del av beräkningsresultaten I Energimyndighetens energiscenarier är det framförallt beräkningsresultaten för el- och fjärrvärme som används. Dock ingår även andra viktiga sektorer inom energisystemet såsom industrin och värmemarknaden. Resultat för dessa sektorer får man på köpet vid modellberäkningarna och skulle i högre grad kunna användas som komplement till för analyser av dessa sektorer.
7 (7) Analysera avvägningen mellan tillförsel och effektivisering Tidigare fanns ett stort fokus på att med hjälp av MARKAL balansera energitillförsel och effektiviseringsåtgärder vilket fortfarande är möjligt exempelvis för analys av byggnadsuppvärmning. Dock inte möjligt med nuvarande prognosmetodik då energibehov för olika sektorer går in som indata i modellberäkningen. Avvägningen mellan tillförsel och sparande är då redan gjord av Energimyndigheten vilket gör det olämpligt att i modellen optimera effektiviseringsåtgärder. Behovet att analysera balansen mellan energitillförsel och effektiviseringsåtgärder kan ändå finnas. För att bibehålla flexibiliteten bör effektiviseringsåtgärderna läggas in på ett sådant sätt att man enkelt kan koppla bort dem om så önskas. Ta med andra utsläpp än CO 2 I modellen ingår beskrivningar av de CO 2 -utsläpp som är förknippade med användningen av olika bränslen. Detta utnyttjas både som en redovisning av CO 2 - utsläpp som energianvändningen ger upphov till och för att låta utsläppen påverka optimeringen (exempelvis genom ett CO 2 -pris eller genom en utsläppsbubbla ). Det är möjligt att beskriva andra utsläpp på motsvarande sätt. Uppströmsansatser Det är möjligt att utveckla modellen till att även ta in uppströmseffekter av energianvändningen. Man kan då inkludera relaterade utsläpp i utvinning, förädling och transport av bränslena. Därmed får man en mer komplett bild av de utsläpp som orsakas av energiförsörjningen. Förnybar energi Man skulle kunna ange modellen om energislag betraktas som förnybara eller ej. Genom det kan man få mängden förnybar energi som en konsekvens av beräkningen. Man kan också i modellen lägga in villkor på hur mycket förnybar energi som ska användas vid olika årtal och därefter göra en beräkning där detta villkor styr optimeringen (huvudoptimeringsmålet är fortfarande kostnadsminimering). Samkör MARKAL(TIMES)-Nordic med delsystemmodeller Modellens stora omfång medför att detaljeringsgraden, t.ex. med avseende på tidsupplösning, är begränsad. För att ytterligare förbättra resultaten från modellberäkningar kan det vara värdefullt att samköra modellen med mer detaljerade beräkningar av olika delsystem i en iterativ process. Exempel på sådana delområden kan vara elproduktion (särskilt med stort inslag av variabel produktion), fjärrvärmeproduktion (för att beskriva olika typer av fjärrvärmeproduktionsuppbyggnad) och värmemarknadsanalyser. Samkörning med andra nordiska länder Även om de olika länderna har olika prognosmetodik kan det finnas intresse av att göra samordnade analyser, t.ex. genom att beräkna scenarier med likartad definition.