Simulering av Sveriges elförsörjning med Whats Best Sammanfattning Projektet gick ut på att simulera elförsörjningen med programmet Whats Best för att sedan jämföra med resultaten från programmet Modest. Det som undersöktes var ekonomi, produktionsfördelning samt koldioxidutsläpp för de båda lösningarna. Simuleringarna visade på liknande resultat så när som på två punkter, mer kraftvärme och mer export för lösningen med Whats Best. Whats Best hittar en lösning med en kostnad 3 miljarder lägre än Modest under analysperioden 15 år. Whats Best ger även ett lägre utsläpp av koldioxid motsvarande 20 %. Slutsatsen blir att Whats Best ger en bättre optimering för detta simuleringsfall. Av: Tomas Nilsson Niklas Lundkvist Handledare: Lars Bäckström
Innehållsförteckning Inledning...2 Teori...3 Metod...4 Behov...4 Ekonomi...5 Bränslepriser...5 Avgifter och investeringskostnader...5 Import och export...6 Begränsningar...6 Effektbegränsningar...7 Energibegränsningar...7 Resultat...8 Energifördelning...8 Produktionsfördelning...9 Bränslen...11 Ekonomi...11 Koldioxid...11 Diskussion och slutsats...12 Referenser...13 1
Inledning Modest är en energisystemmodell som bland annat gör det möjligt att optimera elproduktionen för ett nationellt system. Modellen används för att försörja energibehovet för en så låg kostnad som möjligt. Modest beräknar de mest lämpade investeringarna samt den optimala driften av de olika anläggningarna. I den här rapporten jämförs simuleringar i Modest med simuleringar med samma förutsättningar i programmet Whats Best för fallet att Sverige skulle behålla sin kapacitet för kärnkraftsproduktion och ingen koldioxidbegränsning. 2
Teori För att beräkna värdet av en kostnad som uppkommer under ett bestämt antal år till ett värde vid en viss tidpunkt används nuvärdesmetoden. [1] N = Nuvärde f k = Kapitaliseringsfaktor K = Kostnad eller intäkt r = Realränta n = Antal år q = 1 + r N = f k f k K n q 1 = n r q (1) (2) 3
Metod I programmen simuleras elförsörjningen för att uppnå en så låg total kostnad som möjligt. Simuleringarna i Whats best ger en optimal årlig kostnad. Denna kostnad måste nuvärdesberäknas till det första året för att kunna jämföras med resultatet från Modest. Elbehovet ska alltid kunna täckas med de olika produktionsanläggningarna och import. Om det är möjligt och om det visar sig vara billigare är det fördelaktigt med en överproduktion för export under vissa tidsintervall. Systemet begränsas av maximalt uttagbara effekt- och energimängder hos de olika anläggningarna. Behov Elbehovet i Sverige är variera dels underdygnet från timme till timme och är dels säsongsberoende med en högre efterfrågan under vinterhalvåret. För simuleringarna används tabell 1 som en uppskattning av behovet under året. Tabell 1: Uppskattat elbehov för Sverige säsong dygnsperiod timmar/år dagar/år Behov 01 November-mars 01 mon-fre 22-06 840 105 14358.00 01 November-mars 02 mon-fre 06-07 105 105 23647.00 01 November-mars 03 mon-fre 07-08 105 105 25842.00 01 November-mars 04 mon-fre 08-12 420 105 23405.00 01 November-mars 05 mon-fre 12-16 420 105 24033.00 01 November-mars 06 mon-fre 16-22 630 105 20524.00 01 November-mars 07 lör,sön,helg 22-06 328 41 13785.00 01 November-mars 08 lör,sön,helg 06-22 656 41 17728.00 01 November-mars 09 mon-fre 22-06 40 5 17803.00 01 November-mars 10 mon-fre 06-07 5 5 28073.00 01 November-mars 11 mon-fre 07-08 5 5 30415.00 01 November-mars 12 mon-fre 08-12 20 5 27864.00 01 November-mars 13 mon-fre 12-16 20 5 28522.00 01 November-mars 14 mon-fre 16-22 30 5 24554.00 02 Apr,sep,oktober 01 mon-fre 22-06 512 64 12178.00 02 Apr,sep,oktober 02 mon-fre 06-22 1024 64 20505.00 02 Apr,sep,oktober 03 lör,sön,helg 22-06 216 27 10957.00 02 Apr,sep,oktober 04 lör,sön,helg 06-22 432 27 14340.00 03 Maj-augusti 01 mon-fre 22-06 712 89 10533.00 03 Maj-augusti 02 mon-fre 06-22 1424 89 17395.00 03 Maj-augusti 03 lör,sön,helg 22-06 272 34 9158.00 03 Maj-augusti 04 lör,sön,helg 06-22 544 34 12195.00 4
Ekonomi Simuleringarna optimeras efter hur energibehovet ska tillgodoses till lägsta möjliga kostnad. Kostnaderna består av bränslekostnader, eventuella avgifter och investeringskostnader samt kostnader för import. Intäkter sker till följd av möjlig exportkapacitet. Bränslepriser För att undersöka vilka anläggningar som är lönsamma att använda sig av är det av vikt vilka priser på bränsle man anger. Simuleringarna har utförts med priserna i tabell 2. Priset på vatten till vattenkraft uppskattas till 20 kr/mwh. Tabell 2: Bränslepriser Pris Bränsle (kr/mwh) Olja (tung) [2] 335 Olja (lätt) [2] 365 Naturgas [2] 274 Biobränsle (MI) [3] 145 Biobränsle (BB) [3] 195 Avgifter och investeringskostnader För gasturbinanläggningen uppstår en avgift på årets maxeffekt till 50 000kr/MW och år förutom bränsleförbrukningen. För kondenstillägg är avgiften på årets maxeffekt 100 000kr/MW och år. För kondens i malpåse finns en investeringskostnad på 2000 000kr/MW samt en avgift på årets maxeffekt på 100 000kr/MW och år. 5
Import och export Priser på el varierar ständigt. För simuleringarna används följande kostnader och intäkter för export och import av el under året. Tabell 3: Kostnader för import och export Totalt effektbehov (GW) Elimport (kr/mwh) Elexport (kr/mwh) 30,415 316000-300000 28,522 316000-300000 28,073 316000-300000 27,864 316000-300000 25,842 316000-300000 24,554 316000-300000 24,033 316000-300000 23,647 316000-300000 23,405 316000-300000 20,524 316000-300000 20,505 211000-200000 17,803 158000-150000 17,728 158000-150000 17,395 211000-200000 14,358 158000-150000 14,34 158000-150000 13,785 158000-150000 12,195 158000-150000 12,178 158000-150000 10,957 158000-150000 10,533 158000-150000 9,158 158000-150000 För att se vilken kostnad som motsvarar vilken period jämför med tabell 1. Notera att effektbehovet är ornat i storleksordning. Begränsningar Simuleringarna begränsas av villkor för varje produktionsenhet. De består av effektbegränsningar för varje delperiod under året och kan också bestå av en gräns för total tillåten energiproduktion under hela året. 6
Effektbegränsningar Anläggningarnas maximala möjlighet att producera effekt under året varierar för vissa anläggningar och är konstant för andra. I tabellen nedan visas anläggningarna som har tidsberoende effektbegränsningar. Tabell 4: Tidsberoende effektbegränsningar Totalt effektbehov (GW) KA (GW) MI (GW) BB (GW) FB (GW) VI (GW) 30,415 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0232 28,522 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0232 28,073 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0232 27,864 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0232 25,842 9,2 0,85 0,54 1,8 0,087 24,554 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0232 24,033 9,2 0,85 0,54 1,8 0,087 23,647 9,2 0,85 0,54 1,8 0,087 23,405 9,2 0,85 0,54 1,8 0,087 20,524 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0841 20,505 7,82 0,85 0,13 0,432 0,0667 17,803 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0232 17,728 9,2 0,85 0,54 1,8 0,087 17,395 4,692 0,6 0,059 0,198 0,0551 14,358 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0783 14,34 7,82 0,85 0,13 0,432 0,0667 13,785 9,2 0,85 0,54 1,8 0,0783 12,195 4,692 0,6 0,059 0,198 0,0551 12,178 7,82 0,85 0,13 0,432 0,0551 10,957 7,82 0,85 0,13 0,432 0,0551 10,533 4,692 0,6 0,059 0,198 0,0435 9,158 0,6 0,059 0,198 0,0435 0,0435 Maximala uttagbara effekten från vattenkraften anses vara konstant 16,2 GW under året. Maxeffekten för gasturbiner, kondens tillgänglig och kondens i malpåse är också konstant under året, 1,2 GW, 0,8 GW respektive 1,8 GW. Energibegränsningar För vattenkraftsanläggningarna gäller förutom begränsningarna för varje intervall att den totala mängden producerad energi under året ej får överstiga 63 700 GWh/år. För biobränsleanläggningarna gäller förutom de tidsberoende effektbegränsningarna att den totala mängden producerad energi under året för både mottrycksindustri och BB kraftvärme sammanräknat maximalt får vara 110 000 GWh/år. 7
Resultat Energifördelning Ett bra sätt att jämföra modellerna är att kolla på hur dom producerar sin el. Alltså kolla på fördelningen mellan produktionsanläggningarna. Man kollar även på totala kostnaden under de 15 år som simuleras. Tabell 5: Jämförelse av energifördelningar Produktions anl. Whats Best (GWh) Modest (GWh) Vattenkraft 63 700,00 63 700,00 Kärnkraft 64 270,46 64 270,46 Vindkraft 584,11 584,11 Kraftvärme all 9 132,03 6 839,87 Gasturbiner 0 0,01 Kondenskraft 0 0 Elexport 3 005,70 901,23 Elimport 11 639,06 11 866,99 Totalt 146 319,97 146 360,20 I tabell 5 och diagram 1 visas hur fördelningen på de olika produktionsanläggningar samt exporten och importen är för att klara av elbehovet. Den stora skillnaden är att Whats Best modellen producerar mer kraftvärme som den sedan exporterar. I övrigt har modellerna löst uppgiften på i princip samma sätt. Jämförelse av energifördelningar 70000 60000 Energimängder [GWh] 50000 40000 30000 20000 10000 Whats Best Modest 0 Vattenkraft Kärnkraft Vindkraft Kraftvärme all Gasturbiner Kondenskraft Elexport Elimport Produktions anl. Figur 1: Stapeldiagram över energimängder för de två simuleringarna 8
Varaktighetsdiagram Varaktighetsdiagrammen visar effektfördelningen av anläggningarna ordnat efter sjunkande behov. I figur 2 ser vi optimeringen av driften för lösningen med Whats Best. Behovskurvan representerar allt effektbehov utom elexporten. Varaktighetsdiagram för Whats Best 35 30 Effekt[GW] 25 20 15 10 Elexport Elimport Kraftvärme all Kärnkraft Vattenkraft 5 0 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 Tid[h] Figur 2: Varaktighetsdiagram för Whats Best Figur 3 visar hur effektbehovet täcks under året för optimeringen i Modest. Figur 3: Varaktighetsdiagram för Modest Vid en jämförelse mellan diagrammen ses att Whats Best använder mer vattenkraft samtidigt som den behåller kraftvärmeproduktionen under perioden med störst behov. Detta gör att det finns möjlighet att exportera el under denna period. Vattenkraften täcks upp av kraftvärmen under perioden med lågt behov. 9
Produktionsfördelning Om man vill få en lite överskådligare blick över fördelningen på produktionen för de bägge modellerna kan man se för Whats Best i figur 4 att vattenkraften och kärnkraften står för ungefär lika mycket av produktionen d.v.s. dryga 46 procent medan kraftvärmen ligger på drygt 6 procent och övriga är i princip noll. Fördelningen av energiproduktionen med Whats Best 46,68% 0,42% 6,63% 0,00% 0,00% 46,26% Vattenkraft Kärnkraft Vindkraft Kraftvärme all Gasturbiner Kondenskraft Figur 4: Cirkeldiagram över produktionsfördelningen med Whats Best För Modest, enligt figur 5, blir fördelningen dryga 47 procent för vattenkraft och kärnkraft och ungefär 5 procent för kraftvärme. Även för Modest uteblir i princip produktionen från övriga anläggningar. Fördelningen av energiproduktionen med Modest 47,47% 0,43% 5,05% 0,00% 0,00% 47,05% Vattenkraft Kärnkraft Vindkraft Kraftvärme all Gasturbiner Kondenskraft Figur 5: Cirkeldiagram över produktionsfördelningen med Modest 10
Bränslen Om man ser på bränsleförbrukningen för de olika anläggningarna enligt tabell 6 ser man att förbrukningen av biobränsle är större för Whats Best modellen. Tabell 6: Jämförelse av energimängder bränsle Bränslen Whats Best (GWh) Modest (GWh) Biobränslen (BB) 2 542,16 1 761,73 Biobränslen (MI) 7 710,34 5 927,85 Olja (tung) 9,98 10,00 Olja (lätt) 0,00 0,04 Naturgas 0 0 Kärnbränslen 64 270,46 64 270,464 Totalt 74 532,95 71 970,07 Ekonomi Tabell 7 visar hur kostnaden för varje anläggning är fördelad. Där ser man att kärnkraften står för den största kostnaden och på drygt 6 miljarder kronor. Exporten är självklart minst med en inkomst på nästan 1 miljard. Tabell 7: Kostnad för energiförsörjning med Whats Best Produktions anl. Kostnad (miljoner kr) Vattenkraft 1274 Kärnkraft 6427 Kraftvärme all 1617 Vindkraft 49 Elimport 2028 Elexport -902 Totalt 10493 Den nuvärdesberäknade kostnaden för Whats Best under 15 år blir då 101,9 miljarder kronor. Kostnaden för 15 år enligt Modest blir 104,9 miljarder kronor. Koldioxid Om man till sist jämför koldioxiden ser man att Whats Best modellen släpper ut nästan 2 miljoner ton mindre enligt tabell 8. Tabell 8: Utsläpp av koldioxid för Modest och Whats Best Modest Modest energimängd massa CO2 (MWh) (ton) Whats Best energimängd (MWh) Whats Best massa CO2 (ton) CO2- utsläpp Innehåll (ton/mwh) Tung olja 0,28 10000 2800 9982 2795 Lätt olja 0,28 36 10 0 0 Naturgas 0,2 0 0 0 0 Kol 0,33 0 0 0 0 Elinport 0,868 11 866 986 10 300 544 11 639 065 10 102 708 Elexport -0, 825 901 229-743514 3 005 700-2479703 Totalt 9 559 839 7 625 801 11
Diskussion och slutsats Produktionen från vattenkraften, kärnkraften och vindkraften blev samma för de båda modellerna. Den stora skillnaden mellan Whats Best och Modest kommer av kraftvärmen och exporten där Whats Best producerar mer kraftvärme som sedan exporteras. Rent ekonomiskt ser man att Whats Best ger en bättre lösning med en total kostnad under 15 år på 3 miljarder lägre än Modest. Detta måste bero på att vi kan sälja elen dyrare än vad den kostar att tillverka med kraftvärmen. Tittar man på utsläppen ser man att Whats Best släpper ut nästan 2 miljoner ton mindre koldioxid per år än Modest vilket är drygt 20 procent. Detta ger både miljömässiga och ekonomiska vinster på grund av att utsläppsrätter inte medtagits i kostnadsberäkningarna. Minskning beror på att kolkraft minskar i andra länder när vi exporterar mer. Bränslepriserna vi använt oss av hittades på Internet och kan ses som lite osäkra men detta är inget problem för projektet då samma priser används i bägge simuleringarna. 12
Referenser 1. Wizelius, T, (2002). Vindkraft i teori och praktik Lund: Studentlitteratur 2. www.spi.se 3. www.stem.se 13