Hva er fleksibilitet og hvordan kan det bidra til nytte i kraftsystemet?

Fleksibilitet handler om smarte strømnett. Det grønne skiftet og elektrifisering har ført til økt forbruk og økt utbredelse av lokal produksjon (f.eks. solcellepanel hos kunder). Elektrifiseringen medfører at vi bruker mer elektrisitet for å redusere CO2-utslipp, både fra transport og industri. Ifølge NVE vil planlagte elektrifiseringstiltak gjøre at kraftforbruket i Norge øker med om lag 23 TWh mot 2040. Det grønne skiftet og denne elektrifiseringen gir en stor økning i antall nye tilknytninger i strømnettet, og i perioden 2018-2021 behandlet Statnett 26.000 MW omsøkt volum, hovedsakelig forbruk. Dette er en stor andel datasenter, elektrifisering av olje- og gassindustri og ny grønn industri.

Fleksibilitet er en muliggjører for det grønne skiftet. Økt fleksibilitet fra forbruket kan bidra både til å frigjøre nettkapasitet og at eksisterende nett utnyttes mer effektivt. I tillegg kan fleksibilitet legge til rette for raskere nettilknytning av nytt forbruk mens man bygger nytt eller oppgrader strømnettet. Ifølge NVE vil man uten en betydelig økning i forbrukerfleksibilitet eller ny regulerbar produksjonskapasitet, kunne få timer og perioder med importbehov og/eller svært høye priser på kraft og reserver i 2030.

Fleksibilitet har en verdi hvis det bidrar til besparelse eller forbedret kvalitet i kraftsystemet, og verdien av fleksibilitet er knyttet til hva den brukes til. For å kunne vurdere hva fleksibilitet kan bidra med inn i kraftsystemet, er det viktig å vite hva fleksibilitet er.

• Les også: Fleksibilitet i strømnettet: hva er det og hvorfor trenger vi det?

Hva er fleksibilitet?

CINELDI, et forskningssenter for miljøvennlig energi, har definert fleksibilitet som evne og vilje til modifisering av produksjons- og/eller forbruksmønster, på et individuelt eller aggregert nivå, ofte som en reaksjon på et eksternt signal, for å kunne tilby en tjeneste til kraftsystemet eller opprettholde stabil nettdrift (1).

Dette kan f.eks. være utkobling av en elkjele eller stans/reduksjon i lading av elbiler i perioder med ellers stort strømforbruk i nettet, reduksjon i hvor mye strøm solcellepanel mater inn på strømnettet hvis spenningen i tilknytningspunktet blir for høy eller kortvarig endring i utveksling mot strømnettet (mate inn strøm eller lade opp basert på strøm fra nettet) fra et batteri for å bidra til å holde frekvensen i kraftsystemet på 50.0 Hz.

Karakterisering av fleksible ressurser

En fleksibel ressurs kan enten være forbruk, produksjon eller energilager. Karakterisering av fleksible ressurser beskriver hvordan en ressurs kan besvare et behov i strømnettet, bl.a. For en elbil kan dette være knyttet til ladekapasitet og tidspunkt for lading, men også samtidig hvilke begrensninger som ligger i bruk av denne som en fleksibel ressurs – dvs. hvis ladinga stoppes i en periode, må den kunne gjennomføres på et senere tidspunkt, slik at bilen er ferdig ladet til den skal brukes. For et batteri som bidrar til å opprettholde frekvensen i kraftsystemet, vil egenskaper være knyttet til rask respons og hvor mye omformeren kan redusere eller øke utvekslingen av strøm mot nettet.

Karakterisering av fleksible ressurser kan grupperes inn i tekniske og økonomiske karakteristikker. Videre kan tekniske karakteristikker deles inn i undergruppene kvantitative, kvalitative og kontrolltekniske karakteristikker, og økonomiske karakteristikker kan deles inn i investeringskostnader (CAPEX) og driftskostnader (OPEX). Dette er vist i Figur 1. Eksempler på hva som inngår i de ulike grupperingene er beskrevet under figuren.

Tekniske karakteristikker

Kvantitative tekniske karakteristikker – beskriver den tekniske muligheten en ressurs har til å være fleksibilitet, og dette kan beskrives i numeriske enheter med definerte enheter. Sammenhengen mellom de viktigste kvantitative egenskapene ved fleksible ressurser er illustrert i Figur 2. En forklaring på de ulike punktene i figuren er listet opp nedenfor.

Kvantitative tekniske karakteristikker:

• Retning [+/-]. Hvorvidt fleksibel ressurs tilfører netto økning i innmatet effekt (+; økt produksjon eller redusert forbruk) eller netto reduksjon i innmatet effekt (-; reduksjon i produksjon eller økt forbruk). Enkelte ressurser kan yte fleksibilitet i begge retninger
• Effektkapasitet [MW, (MVAr)). Fysisk evne til å levere endringer i innmatet effekt, også kalt mengden fleksibilitet. For en fleksibel ressurs kan effekt-kapasitet være forskjellig avhengig av retning. En ressurs kan også ha en minimum effektkapasitet, og denne kan i tillegg spesifiseres for aktiv (MW) og reaktiv (MVAr) effekt
• Rampekapasitet [MW/s]. Maksimal endring i effekt per tidsenhet
• Energikapasitet [MWh]. Evnen til en fleksibel ressurs til å lagre eller levere energi, dvs maksimal energiinnhold assosiert med en ressurs, evt grense på tidsintegral av effektkapasitet
• Sekunder [s]. Tid fra aktivering begynner til oppramping av effekt til maksimal effekt er oppnådd. Her kan man differensiere mellom opprampings-og nedrampingstid
• Sekunder [s]. Hvor lenge fleksibilitet kan tilbys før energien forbundet med den fleksible ressursen er brukt opp, eller tida forbundet med overlast-ratingen til en komponent
• Sekunder [s]. Tidsforsinkelsen fra et aktiveringssignal sendes til tidspunktet der oppramping starter
• Rebound-effekt [MW]. Gjeninnkoblingseffekt fra fleksibel ressurs etter aktiveringsperioden for den fleksible tjenesten er omme
• Sekunder [s]. Tiden etter en aktivering som kreves for fleksibel ressurs til å igjen være klar for neste aktivering; minimumstid mellom aktiveringsperioder
• Rampefrekvens . Gjentakende forekomster av opp-og nedramping. Antall ganger som hendelser av ulike størrelser og med ulike reaksjonstider forekommer per tidsenhet
• Tidsperioden hvor fleksibilitet er tilgjengelig
• Minimum oppe/nedetid. Sekunder [s]. Minimum varighet ved aktivering av fleksibilitet
• Reaksjonsevne [%]. Sannsynligheten for at en fleksibel ressurs responderer på et aktiveringssignal (eller prissignal) – Denne er relatert til kvalitative karakteristikker som forutsigbarhet og troverdighet
• Effektivitet [%]. Andelen energi som konverteres fra elektrisk energi til energi¬formen som lagres i den fleksible ressursen (eller motsatt)
• Energitap [MWh/s]. Energitap per tidsenhet grunnet andre prosesser enn konvertering til/fra elektrisk energi
• Kalenderlevetid [år]. Levetiden til en fleksibel ressurs, tatt alderen i kalenderår i betraktning (ikke degradering som følge av aktivering)
• Antall tillatte aktiveringer av fleksibel tjeneste i en gitt tidsperiode.

Kvalitative tekniske karakteristikker – beskriver den fleksible ressursen sammenlignet med andre tilsvarende ressurser. Det gjelder bl.a. hvor i kraftsystemet den fleksible ressursen er lokalisert (geografisk), og eierskap til fleksibel ressurs (og dermed også hvor mye informasjon om ressursen som er tilgjengelig).

Andre relevante kvalitative tekniske karakteristikker er knyttet til forutsigbarhet og troverdighet. Forutsigbarhet er prognosert tilgjengelighet av fleksibel ressurs, og vanligvis knyttet til prognosert produksjon og etterspørsel. Dette kan være relatert til nøyaktigheten av fleksibel tjeneste, en kvantitativ karakteristikk definert som den akseptable forskjellen mellom behov for fleksibilitet og levert fleksibilitet. Troverdigheten til en fleksibel ressurs innebærer tilliten som driftsoperatør eller andre interessenter har til å motta fleksibel tjeneste på aktiveringssignal.

Kontrolltekniske karakteristikker – beskriver hvordan en fleksibel ressurs kan styres. Det kan være eksplisitt respons som beskriver evnen ressursen har til å respondere på eksterne kontroll-signaler (f.eks. fjernstyring fra nettselskapet sin driftssentral eller styring av tidspunkt for lading av elbil gjennom app til kraftleverandør). Dette vil først og fremst være avhengig av ekstra kommunikasjons- og kontrollteknologi. Alternativt kan det være implisitt respons, hvor den fleksible ressursen hovedsakelig er kontrollert indirekte gjennom prissignaler, og systemoperatøren har ikke direkte kontroll over tilgjengelighet eller reaksjonstid.

En kontrollteknisk karakteristikk kan også være straffekostnad for ikke levert fleksibilitet. Denne kostnaden omfatter straff for ikke-levert fleksibilitet som man har blitt enig om ved en bindende markeds- eller kontraktsavtale.

Økonomiske karakteristikker

Investeringskostnader (CAPEX) – beskriver både nødvendige investeringskostnader knyttet til det å muliggjøre aktivering av fleksibilitet (Kostnad av muliggjørende teknologi som: kommunikasjon, forsinkelsesbryter, smarte kontrollsystemer, etc.), men også investering i selve den fleksible ressursen (f.eks. kostnaden av et batterisystem).

Driftskostnader (OPEX) – beskriver ulike kostnader knyttet til aktivering av fleksibilitet, dvs. både aktiveringskostnader og aldring/slitasje (som følge av aktivering). Aktiveringskostnaden for hver MWh av fleksibilitet som ytes. Det kan også være aktiverings-uavhengige kostnader ved å ha fleksible ressurser tilgjengelig. Kostnader assosiert med slitasje på fleksibel ressurs som følge av syklisk drift, for eksempel oppladning og utladning av et batteri. I tillegg inngår også kostnader relatert til priselastisitet og kundenes vilje til å være fleksible/bidra med fleksibilitet.

Fleksibilitetstiltak = fleksibel ressurs + muliggjører(e)

Karakteriseringen som er beskrevet tidligere, fokuserer hovedsakelig på enkeltressurser. For at fleksibilitet skal kunne tilbys til, og bidra til verdi for kraftsystemet, trengs både en fleksibel ressurs (eller en portefølje med flere fleksible ressurser) og en muliggjører som sikrer et formål å bruke fleksibiliteten til. Et fleksibilitetstiltak består av fleksibilitetsressurser og muliggjører, som vist i Figur 3.

En fleksibel ressurs kan som tidligere nevnt, enten være forbruk, produksjon eller energilager. Fleksibilitet kan være knyttet til at forbruket flyttes i tid eller kobles ut (styring av elektriske apparater), produksjonen reguleres eller strupes, eller bruk av energilagre, enten stasjonære (elektrisk batteri installert hos kunde eller som egen komponent i strømnettet) eller mobile (elbil eller flyttbare). Dette er vist øverst i Figur 3.For å etablere et fleksibilitetstiltak til nytte for kraftsystemet, er det behov for mekanismer som gir insentiv til at fleksibilitet aktiveres. Dette er vist som fire ulike «muliggjørere» nederst i Figur 3. Muliggjørerne er gruppert i kategoriene nett, IKT-systemer, rammebetingelser (regelverk) og aggregatorer (aktører).

En muliggjører relatert til nett kan være teknologi som gjør det mulig å koble om i nettet, slik at fleksibiliteten ligger i at strøm forsynes til kunder fra andre nettområder eller fleksibilitet gitt fra nettkomponenter (omformere). IKT-systemer for mer aktiv nettdrift er også muliggjørere for aktivering av fleksibilitet. Eksempler på slik teknologi er styringsteknologi for aktivering av fleksibilitetsressurser og støttesystem på nettselskapets driftssentral hvor f.eks. tilgjengelig fleksibilitet vises i samme grensesnitt som strømnettet og hvor det kan være behov for aktivering av fleksibilitet. En slik løsning er under utarbeidelse i FlexOps-prosjektet. En muliggjører for aggregatorer (tredjeparter) er en aktør som kan inngå avtale med flere kunder om aktivering av fleksibilitet, og deretter tilby dette samlet f.eks. bilateralt til nettselskap eller i et lokalt fleksibilitetsmarked.

En viktig mulighet for aktivering av fleksibilitet er å ha rammebetingelser som gir tilstrekkelig insentiver til dette. I Figur 3 er det presentert fire alternative avtaler med kunder som kan stimulere aktivering av fleksibilitet. Disse er hentet fra CEER-rapporten om » Procedures of Procurement of Flexibility». Det første er nettariffer, hvor fleksibilitet kan aktiveres implisitt ved at kunder endrer forbruk ut fra en effektbasert nettleie, eller eksplisitt respons ved at forbruk med avtale om utkoblbar tariff kobles ut. Fleksibilitet kan også realiseres gjennom egne avtaler om tilgang og tilknytning (f.eks. tilknytning med vilkår). Den siste rammebetingelsen er relatert til markedsbasert tilgang for fleksibilitet, enten gjennom bilaterale avtaler (f.eks. avtalt gjennom auksjoner) eller lokale fleksibilitetsmarkeder (Bl.a. testet i et pilotprosjekt: «Tester handerlmed fleksibilitet»).

Karakterisering av systemtjenester – krav til responstid og krav til varighet

Videre i arbeidet med å vurdere hvilke fleksible ressurser som kan brukes til hvilke(t) formål i kraftsystemet, har systemtjenester blitt karakterisert ut fra krav til tjenestens varighet (langs horisontal akse) og krav til responstid (langs vertikal akse). Dette er vist i Figur 4. Plasseringen av de ulike tjenestene er basert på en kvalitativ vurdering.

Figuren viser bl.a. at fleksible ressurser som skal bidra inn i frekvensreserve (FFR – Fast Frequency Response) må reagere raskere (responstid innen millisekund- sekund/varighet millisekund-sekund) enn hva tilfellet er for fleksibilitetstjenester som skal brukes for å avhjelpe flaskehalser (flaskehalshåndtering) for å unngå å overskride den termiske grense på en komponent i kraftsystemet (responstid innen minutter/varighet minutter-timer).

Kilder og referanser

Denne bloggen er basert på artikkelen «Comprehensive classifications and characterizations of power system flexibility resources«, av Merkebu Zenebe Degefa, Iver Bakken Sperstad, Hanne Sæle, publisert i Electric Power Systems Research 194 (2021) 107022

Figurene er også hentet fra denne artikkelen.

[1] CINELDI-rapport (2020) «Scenarier for fremtidens elektriske distribusjonsnett anno 2030-2040», H. Vefsnmo, T. Hermansen, G. Kjølle, K. Sand