Forsyningssikkerheit i framtidas fleksible og intelligente nett

Medforfattere: Gerd Kjølle og Merkebu Zenebe Degefa

Energisystemet endrar seg etter kvart som elektrifiseringa av transport og andre sektorar går framover. I eit framtidig full-elektrisk samfunn vil ein sikker forsyning av elektrisitet vere særs viktig. Endringane fører med seg nye utfordringar og moglegheiter for korleis vi ivaretek og evaluerer forsyningssikkerheita i framtida.

Endringane som pågår

Det elektriske kraftsystemet er i hovudsak hierarkisk: Det er ein einvegs flyt av elektrisk kraft frå sentraliserte produksjonseiningar, gjennom transmisjonsnettet og til distribusjonsnettet, og det er avgrensa med vekselverkingar mellom nettnivåa. Men vi er på veg mot eit meir desentralisert og komplekst kraftsystem som har meir distribuert produksjon, aktive sluttbrukarar og tovegs kraftflyt på distribusjonsnivå. (Sjå Figur 1.) Behovet for fleksibilitet aukar, og fleksible ressursar blir i aukande grad teke i bruk i distribusjonsnett så vel som i transmisjonsnett.

Desse pågåande endringane i kraftsystemet kan ha verknadar på forsyningssikkerheita for elektrisk kraft.  Den hurtige elektrifiseringa av samfunnet gjer det enda meir viktig å forstå kva dette vil bety. Forskingssenteret CINELDI har derfor gjennomført ein kritisk gjennomgang av den forskinga som finst på den verkinga fleksible ressursar har for forsyningssikkerheita. I dette blogg-innlegget samanfattar vi funna og diskuterer behovet for grundigare og meir heilskaplege evalueringar av forsyningssikkerheita som tek omsyn til verkinga av fleksible ressursar. Vi diskuterer også kva dette kan ha å seie for korleis forsyningssikkerheita handterast i framtida.

Korleis forstår vi forsyningssikkerheit?

Forsyningssikkerheita for elektrisk kraft kan definerast som kraftsystemets sin evne til å kontinuerleg levere elektrisk kraft av ein gitt kvalitet til sluttbrukar. Det kan forståast som eit konsept som omfattar fire hovudaspekt: i) Energisikkerheit, ii) effektsikkerheit, iii) leveringspålitelegheit, og iv) spenningskvalitet. Denne firevegs-definisjonen er illustrert i Figur 2.

Leveringspålitelegheit-aspektet er knytt til hyppigheita og varigheita til avbrot i den elektriske kraftforsyninga til sluttbrukarar på grunn av feil og uplanlagte utfall i kraftsystemet. Spenningskvalitet-aspektet omfattar effektivverdien til spenninga, spenninga sin kurveform (dvs. avvik frå ein rein sinus-form) og frekvenskvalitet (dvs. mangel på avvik frå 50 Hz, for eksempel).

Kva meiner vi med fleksible ressursar?

Fleksibilitet i kraftsystemet er eit konsept som kan definerast på mange forskjellige måtar. Ein forenkla måte å definere det på er å seie at ein fleksibel ressurs kan modifisere produksjon- og/eller forbruksmønster for å yte ei teneste i kraftsystemet. I dette arbeidet har vi fokusert på tre typar fleksible ressursar som er i ferd med å bli vanlegare i distribusjonsnett, som vist i Figur 3: 1) fleksibelt forbruk (forbrukarfleksibilitet), 2) stasjonære energilagringssystem, og 3) mobile energilagringssystem (typisk elbilar).

Så kva er eigentleg samanhengen mellom fleksible ressursar og forsyningssikkerheit? Eit nærliggande eksempel i Norge er vasskraftverk med magasin. Desse fleksible ressursane kan modifisere produksjonsmønster både over lange tidsskalaer (sesonglagring) for å handtere energisikkerheita, og over kortare tidsskalaer (sekundar eller minutt) som korrektive tiltak etter uplanlagte utfall i kraftsystemet. Men i hovudsak er dette ressursar som er knytt til transmisjonsnettnivået i kraftsystemet.

Trenden er at distribusjonsnett blir meir like transmisjonsnett: Distribuerte fleksible ressursar fører med seg nye fridomsgradar som blir tilgjengeleg for å kunne handtere forsyningssikkerheita også på distribusjonsnettnivå. I tillegg har ein overgangen frå sentralisert til eit meir desentralisert produksjon og frå einvegs til tovegs kraftflyt, og vekselverking og samspel mellom ulike nettnivå blir meir kompleks. Som illustrert i Figur 4 så kan ein fleksibel ressurs på sluttbrukar-nivået (f.eks. ein elbil) påverke forsyningssikkerheita på høgare nettnivå (f.eks. gjennom å bidra til frekvensregulering) så vel som sluttbrukaren sin eigen forsyningssikkerheit (f.eks. for reservekraftforsyning ved avbrot).

Kvifor gjere ein litteraturstudie?

Dette blogginnlegget presenterer resultat frå ein litteraturstudie der vi har vurdert hundrevis av forskingsarbeid. Føremålet med ein litteraturstudie er å finne ut kva som ein allereie veit frå tidlegare forsking og kva det er ein framleis ikkje veit. Med andre ord skal litteraturstudien bidra både til å samanfatte og systematisere eksisterande kunnskap og å identifisere behov for meir kunnskap og vidare forsking. I vårt tilfelle visste vi allereie at det var gjort temmeleg mykje forsking, men tidlegare forsking framsto som ganske fragmentert og var sjeldan utført med eit forsyningssikkerheitsperspektiv. Eit spørsmål vi stilte gjennom studien var derfor «korleis burde ein evaluere forsyningssikkerheita i framtida?», gitt at fleksible ressursar i distribusjonsnett kan spele ei viktig rolle i framtidas kraftsystem.

Korleis kan fleksible ressursar påverke forsyningssikkerheita?

Litteraturstudien viste korleis fleksible ressursar i distribusjonsnett kan ha ei positiv verknad på fleire aspekt ved forsyningssikkerheita: Energilagringssystem, elbilar og forbrukarfleksibilitet kan alle bidra med tenester til nytte for leveringspålitelegheita, spenningskvalitet og effektsikkerheita i kraftsystemet. Figur 5 klassifiserer og oppsummerer tenestene relatert til forsyningssikkerheit som fleksible ressursar kan yte. Kor nyttig ein fleksibel ressurs er kjem an på karakteristikkar som kor hurtig respons ressursen har når han aktiverast og kor langvarige tenester han kan yte. Kva krav ein bør stille til slike karakteristikkar avheng av kva aspekt ved forsyningssikkerheita tenesta rettar seg mot. Krava kan for eksempel vere veldig forskjellig for hurtige frekvensreservar samanlikna med reservekraftforsyning ved utfall i distribusjonsnett.

Men fleksible ressursar kan også ha negative verknadar for forsyningssikkerheita. For eksempel kan forbrukarfleksibilitet ha den effekten at lasttoppar flyttast i tid på ein slik måte at dei utilsikta skapar enda større og meir alvorlege lasttoppar. Andre potensielle problem er knytt til samspelet mellom nettnivå: Lading av elbilar kan bidra med ein teneste til transmisjonsnettnivået (med positiv verknadar på frekvenskvaliteten, for eksempel), men på same tid kan elbilane ha negativ verknad på andre aspekt ved forsyningssikkerheita på eit meir lokalt nivå (for eksempel spenningskvaliteten i lågspennings distribusjonsnett).

Korleis burde ein evaluere forsyningssikkerheita i framtida?

Eit framtidig kraftsystem med meir aktive sluttbrukarar og distribusjonsnett og fleire distribuerte fleksible ressursar medfører nye krav til metodikk for å evaluere forsyningssikkerheit. I studien vår konkluderte vi at for å kvantifisere driftsnytta til fleksible ressursar så må ein simulerere korleis dei aktiverast og yter tenester i drifta av kraftsystemet. Tidssekvensiell simulering trengs for å fullt ut fange opp tidsavhengigheitar, variabilitet, kronologi og restriksjonar knytt til energilagring, flytting av lasttoppar, og så vidare. Variabilitet og usikkerheit gjer det meir relevant å ta i bruk sannsynsbaserte (probabilistiske) metodar for å kvantifisere forsyningssikkerheita. Ein bør også vurdere karakteristikkar og usikkerheiter knytt til aggregering og aktivering av fleksible ressursar, blant anna kor tilgjengelege dei er til å respondere når dei trengs, så fort som trengs, og så lenge som trengs.

I framtida kan det truleg at deler av distribusjonsnett i større grad enn i dag er i stand til å driftast i øy-modus (separatdrift) og som mikronett. Det utfordrar den konvensjonelle tilnærminga til å handtere forsyningssikkerheita dersom distribusjonsnett og sluttbrukarar har moglegheita til å handtere si eiga forsyningssikkerheit lokalt (vist skjematisk i Figur 6a) i staden for å satse på å bli forsynt gjennom eit sentralisert produksjons- og transmisjonssystem (Figur 6b). Men nokre sluttbrukarar kan vere meir sjølvforsynte enn andre og kan verdsetje (sentralisert) forsyningssikkerheit mindre enn andre. Dette opnar for spørsmål om meir differensierte behov for forsyningssikkerheit i framtida.

Litteraturstudien vår indikerer at det er mangel på forsking som har eit heilskapleg  syn på forsyningssikkerheit ved å vurderer verknadane for fleire aspekt ved forsyningssikkerheita og på fleire nettnivå ved å ta omsyn til samspelet mellom fleire fleksible ressursar. Dessutan neglisjerer tidlegare arbeid ofte avvegingane mellom ulike tenester: Den same ressursen kan på same tid yte tenester til nytte for forskjellige aktørar og sluttbrukarar. Dette gjev grunn til å spørje om ein ressurs faktisk kjem til å vere tilgjengeleg for den forsyningssikkerheit-relaterte tenesta på eitkvart tidspunkt. Om ein satsar på fleksible ressursar og lokale løysingar for å handtere forsyningssikerheita så vil desse usikkerheietene føre med seg nye potensielle sårbarheiter. Slike sårbarheiter er viktige å forstå når ein gjer avvegingar mellom løysingar for å handtere forsyningssikkerheit lokalt og (tradisjonelle) sentraliserte løysingar for å sikre straumforsyninga til sluttbrukarane i framtidas kraftsystem.