Överföring av vindkraftgenererad el från norra till södra Sverige, Sveca- Söder december 22 Vid konferensen VIND-22 i Malmö 6-7 november, 22 presenterade Julija Sveca resultatet av en studie om konsekvenserna av integration av större mängder vindkraft i norra Sverige. Rapporten hade titeln Wind Power Integration in Power Systems with Bottleneck Problems - J. Sveca, L. Söder, Royal Institute of Technology. Här sammanfattas och kommenteras denna rapport, samt en del ytterligare studier som gjorts under novemberdecember 22. 1. Sammanfattning: I studien har verkliga data för överföringen från norra Sverige till Södra Sverige för perioden januari-november 21 funnits tillgängliga. Dessutom har vinddata och vind-effekt-kurva för vindkraftverket vid Suorva för perioden januari-december 21 använts. Vid analysen har utgångspunkten varit att man överför vindkraften till södra Sverige när det finns utrymme och man spiller vindkraften när det inte finns utrymme. Detta innebär att man utgår från att det inte sker någon ytterligare motreglering i Norrland samt att det alltid finns avsättning i södra Sverige. Detta innebär att enbart överföringsproblematiken har studerats. De slutsatser som kunna dras från analysen är: A. Om man installerar mycket vindkraft i Norrland så måste man spilla oftare eftersom det då inte finns så mycket utrymme. Om man utgår från dagens överföringssystem och att ingen vindkraft kan motregleras med norrländsk vattenkraft, blir det uppkomna spillet i procent av produktionen: Mängd vindkraft Spill 1 MW 2 % 2 MW 5 % 3 MW 1 % 4 MW 17 % Kommentar A: Nivån på spillet kan ses som en kostnadsökning för vindkraften på motsvarande nivå som spillet, eftersom mindre energi erhålls från den installerade mängden vindkraft. I verkligheten kan vindkraft motregleras med vattenkraft på så sätt att när det blåser så sparas vatten i magasinen istället för att användas direkt. Hur stor denna möjlighet är studeras för närvarande. I princip bör dock möjligheten vara större vid små mängder vindkraft än vid större mängder. B. För att öka möjligheten att använda vindkraften kan ny överföringskapacitet installeras från Norrland till södra Sverige. Detta bör dock göras först om det kan motiveras ekonomiskt, dvs ledningen är billigare än värdet av den energi som spills. Svenska Kraftnäts har uppskattat vad nya ledningar kostar: Övergripande förutsättningar för storskalig utbyggnad av vindkraft i havs- och fjällområden, Slutrapport 22-8-21, sid 19, 4 MW överföringskapacitet kostar 2 miljarder vilket med 1% ränta och 4 års livslängd ger 2 miljarder kr per år. Om man utgår från denna kostnad och att värdet på spilld vindkraft är 3-4 öre/kwh, så är det inte ekonomiskt motiverat att bygga ut överföringskapaciteten ens vid t ex 3 MW vindkraft.
Kommentar B: Slutsatsen bygger på Svenska Kraftnäts kalkyl som bland annat innebär en ränta om 1%. Om man räknar med en lägre ränta, vilket är relativt vanligt, så blir också ledningen billigare, vilket innebär att det blir ett mer attraktivt förslag och den bör därmed byggas vid en lägre mängd vindkraft. Å andra sidan så utgår denna kalkyl från att ingen vindkraft kan motregleras i Norrland. Om detta är möjligt så blir spillet mindre och därmed stiger den nivå på vindkraft vid vilken det är motiverat att bygga ny kapacitet på stamnätet. En sammanvägning av denna analys är att man ur stamnätets synpunkt säkert kan tillåta mer än 3 MW vindkraft innan det är ekonomiskt motiverat att bygga ut detta enbart ur vindkraftens synpunkt. Kommentar C: Vi har här enbart studerat en fråga vad gäller vindkraft i Norrland och det är behov och kostnad för nya förbindelser från Norra till Södra Sverige orsakad av en större vindkraftinstallation i Norra Sverige. För att avgöra om detta är ekonomiskt jämfört med andra alternativ måste man förstås även ta hänsyn till: Vindsituationen Kostnad för lokalnät/regionnät Möjlighet och värdering av att avsätta vindproduktionen i södra Sverige Möjligheten att även handla med Norge och Finland, eftersom Norra Sverige även har förbindelser dit (Norge ca 11 MW, Finland ca 16 MW) Kostnader för vindkraft, t ex kostnad för att vindkraftverken skall klara sträng kyla. 2. Beräkningar av spill orsakat av stor vindkraftinstallation i Norrland Utgångspunkten har varit den faktiska överföringen i snitt 2 för tidsperioden januarinovember 21. Denna kan beskrivas med en varaktighetskurva enligt figur 1. Vindkraft (MW) 9 8 7 6 5 4 Överföringsbegränsning WPC+TDC TDC 3 2 WPC 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Antal timmar Figur 1: Varaktighetskurvor för vindkraft (WPC) och överföring (TDC) I figuren visas varaktigheten för överföringen (TDC) samt för vindkraften (WPC). För överföringen har faktiska data använts. För vindkraften har vinddata använts samt överföringsfunktionen för vindkraftverket i Suorva. Den totala produktionen har sedan skalats om så att en total kapacitet om 2 MW erhålls. Som framgår av figuren så antas en
överföringskapacitet om 7 MW. Om man antar att vindhastigheten och överföringen är totalt korrelerade (förenklade ), dvs max överföring samtidigt som max vind, och min överföring vid min vind, så erhålls varaktigheten för vindkraft+överföring (WPC+TDC) enligt figur 1. Detta innebär att man måste spilla en viss mängd vind (arean ovanför överföringskapaciteten om 7 MW) eftersom det vid hög vind inte finns något utrymme för överföring. I figur 2 visas hur det totala spillet (uttryckt i procent av total vindkraftproduktion) ökar när mängden vindkraft ökar. Den översta kurvan visar denna ökning när man gör det förenklade antagandet enligt ovan om full samvariation mellan vindstyrka och utnyttjande av överföringen. Spill % 35 3 25 2 15 Förenklade Sanolikhetsmetoden 1 5 med data från 21 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 Vindkraft (MW) Figur 2: Nödvändigt spill vid olika antagande om koppling mellan överföring och vindstyrka Ett andra antagande man kan göra (sannolikhetsmetoden) är att överföring och vindhastighet är okorrelerade. Detta innebär i princip att det är lika vanligt med höga vindar vid hög överföring som vid låg överföring. Antagandet innebär alltså ingen koppling mellan dessa storheter. Nödvändigt spill vid detta antagande visas som den undre kurvan i figur 2. Ett tredje antagande man kan göra är att den koppling som fanns under 21 är representativ. Med detta antagande erhålls de punkter som visas i figur 2. Som framgår av detta ligger verkligheten under detta år under kurvan baserat på ett okorrelerat samband. Detta innebär att det under detta år fanns en viss tendens till att det blåste mycket i Norrland samtidigt som det var relativt liten överföring, dvs en negativ korrelation. I tabellen nedan visas värdena i figur 2 för den nedre kurvan i figur 2 samt för punkterna. Mängd vindkraft Spill (oberoende) Spill (21) 1 MW 1,9 %,8 % 2 MW 5 % 3,4 % 3 MW 1,1 % 7,4 % 4 MW 16,7 % 12,4 %
Tabell 1: Nödvändigt spill vid olika antagande om koppling mellan överföring och vindstyrka I sammanfattningen i inledningen samt i analysen nedan har antagandet om ett oberoende (=okorrelerat) använts. Detta innebär ett något större spill än om data för 21 använts. 3. Uppskattning vid vilken nivå det är ekonomiskt motiverat att förstärka nätet från Norrland för att minska vindkraftspillet. En viktig frågeställning är vid vilken nivå som det är motiverat att bygga ut mer transmissionskapacitet. I princip är det motiverat att bygga ny överföringskapacitet när värdet av denna överstiger kostnaden. I detta fall innebär värdet att man kan minska vindkraftspill, dvs värdet på spilld vindenergi. Den cost-benefit-analys som görs är därmed att väga kostnaden för kraftledningen mot värdet på spillet. Svenska Kraftnäts har uppskattat vad nya ledningar kostar i rapporten Övergripande förutsättningar för storskalig utbyggnad av vindkraft i havs- och fjällområden, Slutrapport 22-8-21, sid 19. Där framgår att 4 MW överföringskapacitet kostar 2 miljarder vilket med 1% ränta och 4 års livslängd ger 2 miljarder kr per år. Detta motsvarar 5 st 4 kv-ledningar. Om man bygger en 4 kvledning, dvs ca 8 MW, måste alltså denna minska värdet på vindkraftspillet med minst 4 Milj kr per år. Mkr/år 14 12 1 Förenklade 8 6 4 Sanolikhetsmetoden 2 1 2 3 4 5 6 Vindkraft (installerad effekt), MW Figur 3: Värdet av spillet vid en antagen kostnad om 3 öre/kwh I figur 3 har spillet i procent enligt figur 2 värderats i Mkr/år. Antagandet har varit en utnyttjningstid om 2257h (gäller för aktuella vinddata och data för vindkraftverket i Suorva) och att spillet kostar 3 öre/kwh. Den nedre kurvan visar resultatet vid oberoende och den övre kurvan vid full korrelation. Vid na nedan används endast den nedre kurvan eftersom data för 21 tyder på att den ligger närmare verkligheten. Vid detta antagande kostar spillet vid 4 MW vindkraft ca 455 Mkr/år och vid 32 MW vindkraft ca 26 Mkr/år (spill 11.6 % vid 32 MW vindkraft). Om man vid vindkraftnivån 4 MW vindkraft bygger en ny 4 kv-ledning (kapacitet ca 8 MW) från Norrland,
skulle spillet från vindkraft minska till nivån vid 32 MW vindkraft (utan ledning). Detta innebär att en ny ledning skulle minska spill-kostnaden med 455-26= 195 Mkr/år. Kostnaden för denna ledning är enligt SvK:s uppskattning ca 4 Mkr/år. Det är alltså inte motiverat att bygga denna ledning ens vid 4 MW vindkraft med ovan givna antaganden. Antag nu att spillet istället värderas till 4 öre/kwh. Motsvarande spillkostnaden blir då enligt figur 4. Mkr/år 2 18 16 14 12 Förenklade 1 8 6 4 Sanolikhetsmetoden 2 1 2 3 4 5 6 Vindkraft (installerad effect), MW Figur 4: Värdet av spillet vid en antagen kostnad om 4 öre/kwh Om man utgår från detta antagande om spillkostnad så kan en förstärkning av överföringen med 8 MW vid en installerad vindeffekt om 4 MW minska spillkostnaden med 6 (vid 4 MW vindkraft) 346 (vid 32 MW vindkraft, ej ny ledning) = 254 Mkr/år. Det är alltså inte heller vid dessa antaganden ekonomiskt motiverat att bygga ut förbindelsen ens vid 4 MW vindkraft i Norrland. 4. Diskussion om analysresultaten Analysen är relativt enkel och bygger på ett relativt litet underlag. Här följer några kommentarer till hur andra antaganden skulle påverka resultatet. 1. I analysen har endast vinddata från ett vindkraftverk använts vilket har skalats om till flera 1 MW. I verkligheten skulle flera 1 MW vindkraft utsättas för olika vindstyrkor. Detta skulle göra att nivåerna MW och nivån installerad effekt skulle bli betydligt mer ovanliga än i den här gjorda analysen. Detta skulle troligen medföra att spillet blev något mindre eftersom spill framför allt sker vid höga vindeffekter och dessa skulle bli ovanligare vid en mer korrekt analys. 2. I analysen har antagits utnyttjningstiden 2257h för vindkraften. Om platser med sämre vindstyrkor skulle användas skulle utnyttjningstiden bli lägre. Detta skulle troligen öka spillet något eftersom mer effekt skulle behövas för samma energimängd. I analysen har också antagits att vindkraftverken är 1% tillgängliga. Om begränsad tillgänglighet i kraftverken ska beaktas så har det samma effekt på resultatet som en försämrad
utnyttjningstid. Det kan påpekas att utnyttjningstiden för många lägen också kan vara högre än 2257h. 3. I analysen har antagits att det inte finns någon motreglering i vattenkraften. Om denna skulle utnyttjas (vilket man självfallet skulle göra i verkligheten eftersom spilld vindkraft ger gratis el och vatten som sparas vid spillsituationer kan ge viss inkomst) skulle spillet minska. Detta har troligen en relativt stor betydelse, framför allt vid lägre nivåer (1-2 MW) på mängd installerad vindkraft. Vid större mängder vindkraft finns troligen inte alltid utrymme i magasinen vid spillsituationer. 4. Om det blir lägre spill än det som anges i analysen ovan (figur 1-5) så innebär det att ekonomin för en ny ledning försämras ytterligare. 5. Vad som dock möjligen skulle kunna motivera en ny ledning är att man t ex räknar med en lägre ränta (1% anses av många som något högt). Vad som också kan tänkas är att man även kan motivera ledningen av andra skäl, t ex förbättrad konkurrens eller förbättrad överföringskapacitet för att minska risken för effektbrist. 6. Sammantaget tyder dock denna analys på att det knappast är motiverat att bygga en ny ledning vid t ex 3 MW vindkraft i Norrland. 7. En viktig konsekvens av detta är att det är lönsammare att spilla vind än att bygga ut överföringskapacitet för att klara samtliga situationer. Om man gör följande antaganden (som nog inte är helt orimliga): a) 3 MW vindkraft, b) oberoende mellan vind och överföring, c) hälften av spillet i analysen ovan kan motregleras med vattenkraft, så blir resultatet att 5% (1,1 / 2) av producerad vindkraft kommer att spillas. Detta innebär i princip att vindkraften blir 5% dyrare än vad den annars skulle bli. Detta är dock ekonomiskt motiverat eftersom utökad överföringskapacitet blir ändå dyrare. Det kan tilläggas att spill i vattenkraftverk ses som ett naturligt inslag vid hög vattenföring och fulla magasin. 8. Vad som studerats här är enbart om det skulle vara ekonomiskt motiverat att bygga ut en kraftledning för att minska spillet från vindkraften. Om 3 MW skulle byggas ut i Norrland utan att transmissionen skulle byggas ut måste förstås spill-frågan behandlas inom elmarknadens ramar. Det finns olika alternativ här till exempel a)vindkraft får bara byggas ut om man går med på att kopplas bort vid transmissionsbegränsningar, b)man använder motköp på samma sätt som nu, c)man gör en speciell prisarea för Norrland. Det finns också andra möjliga metoder. Beroende på vilken metod som väljs så får det olika inverkan på vilket elpris som erhålls samt inkomster/utgifter för bland andra vindkraftägare, vattenkraftägare och Svenska Kraftnät. Denna fråga kommer att studeras vidare.