Bølgjekraft vs. vind- og solkraft

Potensialet for bølgjekraft er stort, og det gjer at denne krafttypen kan vere godt eigna til å dekkje ein viktig del av energietterspurnaden i verda i ei berekraftig framtid. Likevel er bølgjekraftteknologien framleis på eit tidleg stadium, og produksjonsforma er mindre moden enn vind- og solkraft (med solkraft meiner vi fotovoltaisk teknologi i dette blogginnlegget). Ny teknologi er dyr, og det gjeld også bølgjekraftgeneratorar (så langt). Dette er verken overraskande eller viktig – det viktige spørsmålet er om bølgjekraft kan konkurrere med vind- og solkraft i framtida.

Kor konkurransedyktig er bølgjekraft samanlikna med vind- og solkraft?

Dette spørsmålet har to delar – det handlar for det første om kostnader og for det andre om verdi. Kostnadsdelen handlar om kor billeg bølgjekrafta (med dei fordelane som ligg i gjentekne designoptimaliseringar og masseproduksjon) kan bli i framtida. I MegaRoller-prosjektet (der ein utviklar og viser fram ein prototyp for bølgjekraftgeneratorar) er det eit mål å redusere kostnadene ved bølgjekraft gjennom betring av teknologien. Men spørsmålet vi skal sjå på her, er dette:

«Kor store verdiar kan vi få frå bølgjekrafta?»

Dersom vi kan hente ut store verdiar frå bølgjekraft (høgare enn frå vind- og solkraft), kan den høge kostnaden vere eit mindre problem enn først venta.

Den vanlege tilnærminga

Det enkle svaret på energiverdien av bølgjekraft vil vere:

totalverdi = effekt * utnyttingsgrad * levetid * straumpris

Denne likninga gjev eit forenkla uttrykk for totalinntektene til eit kraftverk. Effekten er den maksimale krafta ei eining kan produsere (med ideelt vêr), utnyttingsgraden er det langsiktige gjennomsnittet av forvente kraftproduksjon i prosent (med faktisk vêr), levetida er kor lenge eininga er venta å vere i drift, og straumprisen er inntekta ein får når ein sel elektrisiteten på marknaden.

• Du vil kanskje også vere interessert i: AW-Energy hosts a workshop for VTT experts on MegaRoller development

Dette er ei enkel og grei tilnærming, men ho gjev oss eit problem: «Straumprisen» eksisterer ikkje i denne forma. Det er freistande (og vanleg praksis) å bruke den gjennomsnittlege straumprisen (uvekta tidssnitt), men dette er svært problematisk. Det fungerer berre når svingingane i kraftproduksjon (som er avhengige av bølgjehøgd, vindfart og solstråling) ikkje er korrelerte med svingingane i straumprisen på marknaden. Dette er ikkje tilfellet (lenger) – det finst korrelasjon i dette forholdet.

Vind-, sol- og bølgjekraft er vêrdrivne kraftkjelder som ikkje kan lagre den primære energiberaren (i motsetnad til mellom anna eit vasskraftverk med stort magasin). Desse vêrdrivne kraftverka justerer tilgangen til produktet sitt på marknaden ut frå kor tilgjengeleg ressursen er.

Sterk vind og/eller solstråling gjev med ein gong større tilbod på marknaden. Desse svingingane i tilbodet på marknaden skaper svingingar i marknadsprisen. Både vind- og solkraft er store nok marknadsaktørar til at tilbodet deira verkar mykje inn på marknadsprisen, medan det ikkje er slik for bølgjekrafta no (og det vil heller ikkje bli slik i næraste framtid).

Dette kan vi sjå av figuren nedanfor. Den grøne kurva viser tilbodet, og den raude viser etterspurnaden. Gunstig vêr gjev større produksjon, og det vil flytte den grøne kurva mot høgre. Dette vil gje eit lågare skjeringspunkt og dermed ein lågare marknadspris på straumen.

Korrelasjonen mellom vêrdriven kraftproduksjon og marknadsprisen (og svingingane i marknadspris generelt) blir stadig større etter kvart som prosentdelen vind- og solkraft aukar. Denne aukande korrelasjonen vil dermed i stadig større grad undergrave premissane som den enkle økonomiske vurderinga ovanfor byggjer på. I ei berekraftig framtid vil ikkje denne tilnærminga fungere i det heile teke.

Konkurransefordel for bølgjekraft

Den nemnde korrelasjonen er negativ (større tilgang til kraft gjev lågare prisar), og dette er ei ulempe for dei store vêrdrivne marknadsaktørane, altså for vind- og solkraft. Samtidig er det ein konkurransefordel for bølgjekraft og andre typar ny teknologi som ikkje er avhengig av vindfarten eller solstrålinga.

• Du vil kanskje også vere interessert i: Identifying key environmental effects of wave energy deployments

Sjølvsagt er det vinden som skaper bølgjene, så bølgjekrafta er til sjuande og sist avhengig av vind, på same måten som vinden er avhengig av solstråling, som er den viktigaste årsaka til at det oppstår vind. Samtidig er det i dette tilfellet snakk om globale forhold. Lokalt er denne samanhengen svakare; i det lokale vêrmønsteret er dei nesten uavhengige av kvarandre. Det er ikkje alltid vind sjølv om det er sol, og det kan vere vind om natta også. Store havbølgjer kan kome inn over kysten sjølv om det ikkje er vind i området. Desse bølgjene kan vinden ha skapt langt vekke og for mange dagar sidan. Dette avgrensar seg sjølvsagt til bølgjer på dei store hava. På små vassoverflater som innsjøar er korrelasjonen mellom vind og bølgjer sjølvsagt mykje større.

Døme: Når det er mykje vind, vil det vere stor tilgang til vindkraft på straummarknaden, og prisane vil gå ned. Når det ikkje er vind, er krafttilbodet mindre, og marknadsprisane vil stige. Når eit vindkraftverk produserer mykje, blir produktet verdsett lågare på marknaden, og i periodar då inntektene teoretisk sett kunne vore høge, kan det ikkje produsere kraft. Vindkraftverk har derfor ei gjennomsnittsinntekt som kan vere vesentleg lågare enn det uvekta snittet av marknadsprisen.

Med den enkle tilnærminga, som ikkje tek omsyn til korrelasjon, får ein ikkje rekna inn denne konkurransefordelen som ligg i bølgjekrafta. Bruk av denne tilnærminga kan altså gje feilaktige resultat. Hypotesen her er denne:

Dersom bølgjekraft gjev større verdi per kilowattime enn vind- og solkraft, kan det framleis vere økonomisk konkurransedyktig sjølv om det er dyrare.

Gjennomsnitts energikostnad (LCoE)

Kostnadene ved produksjonsteknologi for fornybar energi blir vanlegvis vurderte økonomisk ved å bruke eit enkelt mål: gjennomsnitts energikostnad (Levelised Cost of Energy, LCoE). Dette målet er meint å skildre den energi-gjennomsnittlege kostnaden med å produsere elektrisitet (inkludert både investeringar og driftskostnader) for heile levetida til eit anlegg. Med andre ord er det snakk om den totale levetidskostnaden dividert med den totale mengda elektrisk energi som blir produsert gjennom levetida. Ved å bruke dette målet kan vi samanlikne ulike typar produksjonsteknologi og finne ut kva typar teknologi som er billege og dyre per produserte kilowattime.

Dette er ei attraktiv tilnærming fordi ho er enkel, men ho gjev oss også nokre utfordringar: Tilnærminga fungerer ikkje godt for brennstoffbasert produksjonsteknologi fordi levetidskostnaden og levetidsproduksjonen ikkje er kjend på førehand. Desse faktorane er svært sensitive for prognosar om framtidige straum- og brennstoffprisar. Ei brennstoffbasert eining vil vere avhengig av desse prisane fordi ho berre vil produsere når inntektene dekkjer brennstoffkostnadene. Låge straumprisar og høge brennstoffprisar fører til at eininga ikkje produserer. Dette aukar den gjennomsnitts energikostnaden fordi investeringskostnadene blir fordelte på færre driftstimar. Tilnærminga er derfor problematisk når ein skal samanlikne til dømes vindkraftverk med kombinerte kraftverk med gassturbinar. Likevel er slike samanlikningar svært vanlege.

Gjennomsnitts energiverdi (LVoE)

For å samanlikne bølgjekraft med vind- og solkraft treng vi eit betre mål for forventa inntekt enn tidssnitt av straumprisen. Eit mål som tek omsyn til korrelasjonen mellom produksjonsmønster og svingingar i straumprisen på ein korrekt måte. Det er ikkje eit tidssnitt vi må rekne ut, men eit energisnitt:

«Til kva pris kan vi selje den gjennomsnittlege kilowattimen?»

Det veletablerte målet LCoE gjev eit slikt energisnitt. Eit liknande mål treng vi for å rekne på marknadsverdien av berekraftig energi. Dette kan vi kalle gjennomsnitts energiverdi (Levelised Value of Energy, LVoE). Når vi brukar LCoE, reknar vi på snittkostnaden ved å produsere éin kilowattime, medan LVoE viser til snittinntekta ved å selje éin kilowattime. Det er likevel ikkje ukomplisert å kome fram til LVoE.

Eksempelstudien

For å finne LVoE for vind-, sol- og bølgjekraft har vi gjennomført ein eksempelstudie. Denne studien er basert på eit scenario i 2030 for den vestlege Middelhavsregionen (henta frå EuroSunMed EU FP7-prosjektet). 2030 er valt som året for studien, sidan det kan omtrent passe som året for kommersiell oppstart av bølgjekraftverk. Den vestlege Middelhavsregionen er vald fordi det er i Portugal vi finn MegaRoller-prototypen. I studien har vi brukt verktøyet PowerGAMA, som er utvikla ved SINTEF.

PowerGAMA (Power Grid and Market Analysis) er ein Python-programpakke som er basert på open kjeldekode. Det er eit lettvekts simuleringsverktøy for analyse av integrasjon av fornybar energi i store kraftsystem. Det gjer bruk av ein forenkla representasjon av kraftsystemet og kraftmarknaden, og det tek også omsyn til kraftlagring for at ein skal kunne rekne på variasjonen over tid.

I tillegg optimaliserer det elektrisitetsproduksjonen basert på marginalkostnadene for kvart tidssteg i ein bestemt tidsperiode, til dømes eitt år. Dessutan tek det omsyn til variasjonen i tilgjengeleg kraft frå sol-, vass- og vindkraftgeneratorar, og variasjonen i etterspurnad. I tillegg blir effektflyten i vekselstraumnettet rekna ut ved hjelp av fysiske effektflytlikningar. Sidan nokre kraftverk kan lagre energi (vasskraft), er den optimale løysinga i eit tidssteg avhengig av det førre tidssteget. Problemet blir derfor løyst sekvensielt.

Simuleringane genererer ein tidsserie for straumpris med korrekt korrelasjon til den tidsserien for vêr som blir lagd inn. Ved hjelp av desse korrelerte tidsseriane reknar ein ut LVoE. Utrekninga er langt frå perfekt, fordi ho er basert på ein forenkla modell, berre eitt år med vêr, ikkje-optimale vêrdata, prognostiserte brennstoffprisar, usikker mengd vind- og solkraft i framtida og så vidare. Likevel gjev ho eit mykje betre resultat enn om ein berre nyttar den gjennomsnittlege marknadsprisen (tidssnitt), som sjølvsagt er den same for vind-, bølgje- og solkraft.

Resultata frå studien – stort potensial for bølgjekraft

Resultata frå eksempelstudien støttar klart hypotesen om at bølgjekraft skaper større verdiar enn vind- og solkraft. Dette kjem av den (no talfesta) negative korrelasjonen for vind- og solkraft som er nemnd ovanfor, og ein positiv korrelasjon for bølgjekraft. Bølgjekrafta følgjer ikkje eit tydeleg dag–natt-mønster (slik solkrafta gjer), men ho har eit tydeleg sommar–vinter-mønster: Bølgjene er større om vinteren. Dette er positivt korrelert med at straumprisane ofte er høgare om vinteren (mindre solkraft, større energiforbruk).

Desse korrelasjonane gjer at bølgjekrafta vil gje litt større inntekter (102 %), medan vind- og solkrafta vil gje litt mindre inntekter (93 % / 95 %). Referansen (100 %) er den uvekta gjennomsnittlege straumprisen slik han er brukt i den enkle tilnærminga som er skildra ovanfor.

I dømet vi har studert, er verdien av bølgjekraft rundt 8 prosent større enn vind- og solkraft.

Dette talet vil variere frå tilfelle til tilfelle. Det kan bli vesentleg høgare dersom

• vi ser på eit mindre kraftsystem enn det kontinentale Europa (til dømes Irland)
• vi ser vidare inn i framtida (med større prosentdel vêrdrivne kjelder)

I eit mindre kraftsystem er utfordringane med vêrsvingingar generelt meir tydelege. Det vil samtidig seie at verdireduksjonen for vind- og solkraft etter alt å dømme blir større, slik at bølgjekrafta vil få ein tydeleg konkurransefordel. Når vi utvidar tidshorisonten (og til dømes ser fram til 2040), viser meir eller mindre alle prognosar at prosentdelen vind- og solkraft vil auke vesentleg. Dette vil gradvis styrke bølgjekraft som energikjelde.

• Du vil kanskje også vere interessert i: Keeping solar and wind energy stored in the battery: What is the value?

Totalt sett vil konklusjonen dermed bli slik: Bølgjekraft treng ikkje kome ned i same kostnadsnivå som vind- og solkraft for å bli konkurransedyktig. Fordi det gjev høgare verdi til kraftmarknaden enn dei to sistnemnde, toler det også høgare kostnader. Likevel er effekten ikkje sterk nok til at bølgjekraft er konkurransedyktig ut frå dagens LCoE. Men det viser at konkurransekrafta, som ein kan auke ved å redusere kostnader, ikkje er så dårleg som ein kan få inntrykk av. Dette gjeld spesielt på lengre sikt og i mindre kraftsystem.

Dersom ein verkeleg lykkast med bølgjekraft, slik at det blir teke i bruk i stor skala, vil marknadskrafta til denne energitypen etter kvart bli så stor at ho vil påverke marknadsprisane og redusere konkurransefordelen. Dette er likevel ikkje eit problem – fordi det berre kan skje dersom bølgjekrafta allereie er konkurransedyktig.

Denne studien kan på ingen måte bevise at bølgjekraft vil vere lønsamt, men han gjev ei god påminning om at det ikkje er meiningsfylt å berre vere sjå på LCoE. I ei berekraftig framtid vil vi måtte leggje meir vekt på LVoE. Det er – og vil alltid vere – dagar med lite vind og sol.

Vind- og solkraft er gode energikjelder, men kraftsystemet vil stå stødigare på tre føter.