Hvorfor vannverdi er viktig for strømpris og forsyningssikkerhet

Strømprisen og underliggende vannverdi er blitt heftig diskutert siden starten av strømpriskrisa. I denne bloggen ønsker jeg å belyse sammenheng mellom driften av kraftsystemet, eksisterende kraftmarkeder, prissetting, vannverdi og hva alt har med forsyningssikkerhet å gjøre. Til slutt vil jeg oppsummere noen viktig momenter i diskusjonen fremover rundt prissetting, vannverdiberegning og driften av det norske vannkraftsystemet.

Det norske kraftsystemet – noen tall og fakta

Det norske kraftsystemet har en normalårsproduksjon på ca. 143 TWh, hvorav 138 TWh er fra vannkraft (ref. Energifakta), samt en forbruk på ca. 138 TWh. Rett i underkant av 1700 vannkraftverk i Norge har en samlet installert effekt på ca. 33 GW.

Det som er viktig for norsk vannkraft er at årlig tilsig kan variere mellom 100 og 150 TWh og at magasinene har en lagringskapasitet på ca. 84 TWh. Dette er størrelser som er viktig for produksjonsplanlegging for vannkraften som jeg kommer tilbake til.

I tillegg er det norske kraftsystemet tett integrert med de andre nordiske landene, og spesielt Sverige, mens det også er forbindelser med andre europeiske land (f.eks. Nederland, Tyskland, Storbritannia).

Kraftsystemet må være i balanse

Når man sammenligner kraftsystemet med andre systemer, så er det én karakteristikk som er avgjørende: kraftbalanse. En av de viktigste kravene i kraftsystemet er kontinuerlig balanse mellom kraftproduksjon og -forbruk. Balansen er grunnleggende for å ivareta driften av systemet dvs. forsyningssikkerhet.

• Les mer om SINTEF sin forskning på forsyningssikkerhet.

Balansen er viktig innen flere tidshorisonter (sanntid, neste dag, uke og år). Tabellen under gir en oversikt over viktige faktorer/usikkerheter som påvirker kraftbalansen.

Horisont	Eksempler på usikkerheter
Tiår	Utviklingsscenarier
År	Tørt, vått, varmt, kaldt år
Sesong	Tilsig, vindkraft sesongvariasjoner
Uke	Variasjon i fornybar produksjon
Dag	Etterspørsel- og vind/sol prognoser
Sanntid	Forbruksvariasjon og utfall (kraftverk, linjer)

Dagens kraftmarked består av flere markedsplasser

I det nordiske kraftsystemet i dag er kraftprisen et viktig styringssignal for å nå kraftbalansen. Kraftprisen oppstår i kraftmarkedet. Kraftmarkedet er et samlebegrep av flere markedsplasser som eksisterer og bidra til å nå balansen.

I det nordiske kraftsystemet i dag er kraftprisen et viktig styringssignal for å nå kraftbalansen.

Kraftmarkedet omfatter:

• Finansielle markeder (forwards, futures, cf. Nasdaq) som adresserer mer langsiktig risikohåndtering med en horisont fra uker til år fremover.
• Fysiske markeder (day-ahead spot og intra-day, cf. NordPool) som resulterer i en fysisk disponering av produksjon og -forbruk i systemet. Dette inkluderer også en re-disponering/Intraday marked basert på ny informasjon som er tilgjengelig underveis. Det fysiske marked har en tidshorisont fra 36 timer til 45 minutt før driftstimen.
• Til slutt finnes det markedet som kalles for balanse- eller reservemarkeder. Det er systemoperatøren Statnett som har ansvar for å drifte det norske kraftsystemet. De bruker balansemarkedet til å drifte systemet og sikre balansen mellom kraftproduksjon og -forbruk i sanntid.

Basert på denne beskrivelsen kan vi betegne kraftmarkedet som et verktøy med målet om å oppnå kraftbalansen mellom tilbud og etterspørsel i alle tidshorisonter. Markedsplassene som er illustrert over representerer kun engrosmarked og omfatter ikke sluttbruker.

Markedskryss i det nordiske kraftmarkedet

I teorien bestå et velfungerende marked av en etterspørsel- og tilbudskurve (med marginal gevinst og kostnad). I krysningspunktet av begge kurvene finner vi markedslikevekt som resulterer i en pris og mengde som klarerer markedet. Figuren under illustrerer dette på en forenklet måte:

Når vi ser på det nordiske kraftmarkedet, så ser tilbuds- og etterspørselskurvene annerledes ut. Figuren under illustrer dette skjematisk. I grønt ser du etterspørselskurvene, som er veldig bratte og kan variere fra år til år avhengig av om det er en kald eller varm vinter. Tilbudskurvene er tegnet i rødt. Ved siden av vannkraften så omfatter tilbudssiden også vind-, sol-, kjerne- (Sverige og Finland), gasskraft (Danmark) og andre kilder. Her ser vi at kurvene er ganske flate på venstre side, men blir bratte på høyre side. Tilbudet varierer også fra år til år basert på om det er et tørr- eller våtår. En kombinasjon av tilbud og etterspørsel, hvor man kommer inn i den bratte delen av tilbudskurven kan fort føre til betydelig økte kraftpriser. I tillegg har vi skissert en tilbudskurve for 2022, som ligger et godt stykke utenfor det som har vært vanlig før, det vil si at vi fikk mye høyere strømpriser enn vi har vært vant til.

Hva er marginalkostnad for vannkraft?

I figuren over ser vi at vannkraften er tegnet inn med en marginalkostnad som del av tilbudskurven. Spørsmålet da er hva er kostnaden for vannkraft?

De fleste norske vannkraftverk er nedbetalt, som betyr at det er ingen kapitalkostnad. Tilsig og vannet som renner inn i magasinene er gratis, dvs. det er ingen brenselskostnad. Drifts- og vedlikeholdskostnader er ca. 5 øre/kWh (ref. NVE). I tillegg finns det en del andre kostnader for kraftprodusenter som f.eks. skatt, nettkostnader, men som ikke er en underliggende kostnad for kraftproduksjon.

Men det er ikke fritt frem å produsere kraft fra vann til en forhåndsbestemt pris

Flere har spurt hvorfor vi ikke bare kan ha strømpris basert på disse underliggende kostnadene for vannkraft. Men det er ikke fritt frem å produsere kraft fra vann til en forhåndsbestemt pris for å dekke etterspørselen, fordi:

• det er en begrenset mengde vann som er tilgjengelig for kraftproduksjon
• og magasin-/lagringskapasitet for vann er begrenset.

Derfor må man finne en strategi for å disponere vann på best mulig måte for kraftproduksjon. Strategien man kommer fram til vil da være grunnlag for kostnaden til vannkraft i tilbudskurven.

• Les mer: Forsyningssikkerhet avgjørende for å lykkes med elektrifisering av Norge.

Beslutning for kraftproduksjon som påvirker forsyningssikkerhet

Figuren under illustrerer på overordnet nivå beslutninger for kraftproduksjon som må tas under ulike usikkerheter. Feil beslutning om kraftproduksjon kan føre til rasjonering eller flomtap på sikt, dette må unngås for å sikre fortsatt høy grad av forsyningssikkerhet i Norge, samt utnytte kraftressursene effektiv.

Figuren illustrer beslutningen for et enkelt kraftverk med et magasin, men i realiteten er vassdragene mye mer komplekse, som for eksempel Ulla-Føre vassdraget.

Produksjonsplanlegging – en prosess i flere steg

For å komme frem til riktige beslutninger og den beste strategien for å unngå rasjonering og flomtap og oppnå samfunnsøkonomisk gevinst, har det gjennom mange tiår vært forsket på og utviklet en metode som kalles for vannverdi. Vannverdier som beregnes beskriver den optimale strategien for bruk av vann lagret i magasin, dvs. hvordan man skal disponere tilgjengelig vann for å maksimere samfunnsøkonomisk overskudd.

Vannverdimetoden har blitt forsket på siden 1950-tallet, først i Sverige og etterpå i Norge. Metoden har blitt videreutviklet gjennom de siste 60 årene og blitt mer omfattende, kompleks og beregningsintensiv. Forskningen på dette feltet gjøres i et norsk fagmiljø som er internasjonalt ledende. Og forskningen finner veien inn i forskningsbasert undervisning. Ved NTNU utdannes de ekspertene som jobber i industri og forvaltning.

Vannverdimetoden er implementert i programvare som SINTEF utvikler og forvalter (som SHOP, ProdRisk, EMPS/Samkjøringsmodellen). Programvaren brukes som beslutningsstøtte av mange aktører i det nordiske kraftmarked.

Vannverdi blir brukt som marginalkostnad for vannkraft og er grunnlag for produksjonsplanlegging og budgivning i det nordiske kraftmarkedet. En beskrivelse av historien for utvikling av vannverdimetoden finns i en rapport skrevet av SINTEF Energis tidligere administrerende direktør Sverre Aam.

Vannverdi blir brukt som marginalkostnad for vannkraft og er grunnlag for produksjonsplanlegging og budgivning i det nordiske kraftmarkedet.

Vannverdien, eller den optimale strategien av å bruke magasinvann, beregnes basert på en fysisk beskrivelse av kraftsystemet, som omfatter:

• usikkerhet i tilsig, vind og sol,
• begrenset lagring i komplekse vassdrag,
• varierende kraftetterspørsel,
• alternativ kraftproduksjon,
• og utveksling mellom naboland.

Følgende figur illustrerer beregningen og den sentrale betydning av vannverdiene.

Vannverdi beskriver den marginale forventede verdien av å lagre vann til senere bruk eller den marginale kostnaden (tapt verdi) ved å bruke vann til kraftproduksjon nå.

Vannverdi er da avhengig av tidspunkt på året og fyllingsgrad i magasinene. Da vannet i seg selv ikke har en direkte kostnad, settes den langsiktige verdien gjennom alternativ kostnad for kraftproduksjon, dvs. f.eks. gasskraft eller forbruksfleksibilitet.

I vår programvare og våre kraftmarkedsmodeller blir vannverdi beregnet basert på stokastiske optimaliseringsproblemer og løst med en rekke ulike metoder. En av metodene er kalt Stokastisk-Dynamisk-Programmering (SDP) og jeg skal forklare den kort etterpå. Metoden er brukt i Samkjøringsmodellen.

I vårt tilfelle er SDP metoden definert som en minimering av systemkostnader, hvor objektivfunksjonen er å minimere de samlede systemkostnader (termiske produksjonskostnader, nettoimportkostnader, rasjoneringskostnader osv.) ved å dekke kraftetterspørsel minus verdien av lagret vann ved utgangen av perioden (vanligvis en uke).

 

 

α             systemkostnader
x             magasinfylling (tilstand)
k             periode (uke)
E             forventningsverdi
U            produksjon (tapping)
C             kostnader (kjøp / salg)
S             sluttverdi (ved slutten av optimeringsperioden)

Minimum for objektivfunksjonen finnes ved:

som fører til at man kan beregne vannverdi til:

Beregningen gjøres for alle magasinfyllinger og på en lang horisont fram i tid, som illustrert i figuren under, basert på et antall stokastiske værscenarier (tilsig, vind, sol og temperatur).

Hvis du virkelig vil gå i dybden så anbefaler jeg å lese denne artikkelen: Hydro reservoir handling in Norway before and after deregulation, skrevet av kolleger her på SINTEF. Den handler om en sammenligning av magasindisponering før og etter Energiloven som kom i 1991 og beskriver vannverdimetoden i detalj.

Vannverdi – en prosess i flere steg

Vannverdiberegning, budgivning og produksjonsplanlegging er ikke en enkelt beslutning, men en prosess i flere steg, skissert i figuren under.

 

Langtidsplanlegging skjer med modeller som har en horisont på fem år eller enda lenger. Dette er nødvendig for å håndtere de største norske magasinene (f.eks. Blåsjø med en lagringshorisont på 3 år) på en god måte. Resultatet fra langtidsplanlegging er prisprognoser og aggregerte vannverdier for det hele nordiske kraftsystemet.

Deretter følger sesongplanlegging med en tidshorisont på opptil 18 måneder for å representere flere årstider og i hvert fall den neste «vårknipen». Fokus er regioner og vassdrag med en høyre detaljeringsgrad enn i langtidsplanlegging. Resultater er siktemagasin (laveste fyllingsgrad som siktes ved vårknipen) og individuelle vannverdier.

Disse verdiene går inn i korttidsplanlegging som gjøres for enkle kraftverk og vassdrag med detaljert representasjon av tekniske og fysiske forhold (generator, vannveier osv.). Dette siste steget er vanligvis grunnlag for budgivning i det fysiske kraftmarkedet og grunnlag for produksjonsplaner for vannkraftverkene.

Hele denne prosessen kjøres ikke bare en gang, men jevnlig og helst hver gang ny informasjon (f.eks. nye vindprognoser eller utfall) er tilgjengelig.

I forskningsprosjekt KPN PriBas er det også gjort en mer detaljert gjennomgang av planleggingsprosessen for vannkraft i det nordiske og andre vannkraftsystemer i verden.

Hva er optimal strategi for bruk av vann – kort oppsummert

Prosessen for beregning av prisprognoser, vannverdier og produksjonsplaner er en beslutningsprosess som krever avansert beslutningsstøtteverktøy (programvare), omfattende data (fysisk systembeskrivelse, tidsserier for tilsig, vind osv.) samt betydelige ressurser og kompetanse for å holde dette oppdatert samt gjennomføre analyser og beslutninger hos de forskjellige aktørene i kraftbransjen.

For å kort oppsummere den optimale strategien for bruken av vann, så gjelder følgende:

• Lagre vann i magasinene når kraftprisen er lavere enn vannverdi, for å unngå at magasiner tømmes for tidlig, slik at vi unngår rasjonering
• Produsere kraft fra vann når kraftprisen er høyere enn vannverdi, for å unngå at magasiner flommer over
• Produsere fra magasinvann når prisen er på det høyeste, for å oppnå høyest kraftproduksjon når etterspørsel er størst og kraftproduksjon er mest verdifull for samfunnet.

Viktige momenter fremover

Til slutt noen viktig momenter i diskusjonen fremover rundt prissetting, vannverdiberegning og driften av det norske vannkraftsystem.

• Forsyningssikkerhet krever kontinuerlig balanse mellom kraftproduksjon og -forbruk
• En god strategi for magasindisponering opprettholder forsyningssikkerhet og fører til samfunnsøkonomisk gevinst
• Vannverdi er et effektivt styringssignal for magasindisponering
• Økt kraftetterspørsel (elektrifisering) utfordrer kraftbalansen og gjør vannet i magasinene enda mer verdifull i fremtiden.

Det omtalte systemet for produksjonsplanlegging har vært en sentral del av beslutningsverktøyet for mange aktører i kraftbransjen, både før og etter innføringen av energiloven i 1990/91. Slik har det bidratt til å håndtere forsyningssikkerheten og foreta effektiv ressursutnyttelse helt siden 1960 tallet.