Bevisst nedregulering av havvind i fremtidige vinddominerte strømnett

I Norge er det planlagt å installere en stor mengde havvind. Fra 2030 til 2040 skal det tildeles arealer for installering av totalt 30 GW med ny kapasitet på norsk sokkel. Havvind som industri i Norge har stort potensial, men står ovenfor en rekke utfordringer. En av utfordringene er inkluderingen av en økt mengde variabel kraft i strømnettet og nedsatt levetid på turbinene som følge av slitasje. Nedregulering av vindkraft brukes i dag som løsning til ubalanse mellom produksjon, forbruk og transmisjon, men det har blitt nylig påvist at nedregulering kan føre til økt slitasje.

Horizon Europe-prosjektet WILLOW handler om å forbedre hvordan denne nedreguleringen skjer med hensyn levetiden til turbinene. Det er dette prosjektet som står bak studien presentert her. I denne bloggen skal jeg skrive litt om bakgrunnen for nedregulering av havvind og min oppgave som sommerforsker i SINTEF Energi.

Strømnettet og variabel fornybar energi

Vindkraft er en variabel fornybar energikilde. Vinden blåser når den blåser, helt utenfor vår kontroll. Det betyr at vi må være fleksible med hensyn på hvilke energikilder vi benytter oss av til generering i strømnettet. Dersom det blåser mye og sola skinner, burde vi prioritere disse kildene fremfor å for eksempel brenne naturgass. Dette både fordi vind og sol som energikilde er gratis, men også utslippsfrie under bruk. Inkluderingen av variabel fornybar kraft og utenlandskabler har ført til store endringer i kraftmarkedet. Som mange har erfart, har strømprisene blitt langt mer uforutsigbare de siste årene og perioder med negative priser er blitt mer vanlig.

Hvorfor nedregulere havvind?

Nedregulering av vindkraft er i dag et godt kjent fenomen. Årsaken til at en vindpark nedreguleres er derimot både sammensatt og varierende. Typisk må en vindpark nedreguleres på bakgrunn av begrensninger og balanse i nettet. Dersom en vindpark produserer mer enn nettet klarer å ta imot, må parken redusere produksjonen sin. Fra strømnettets side kan disse begrensningene være både være lokaliserte eller komme fra lengre ut i systemet. En nettoperatør styrer kraftbalansen og utnyttelsen av strømnettet i et område og kan derfor kreve at en vindpark reduserer produksjonen. Fremover kommer det flere slike krav om at produsenter skal kunne bidra til fleksibilitet for å ivareta strømnettets behov.

Inkluderingen av variabel fornybar kraft fører også til utfordringer for en annen side av strømnettet; frekvensstabilitet. Frekvensen i nettet er koblet til balansen mellom produksjon og forbruk. Dersom vi produserer mer enn vi forbruker, går frekvensen i nettet opp. Det motsatte gjelder ved for lite produksjon. Å opprettholde en konstant frekvens i nettet er kritisk for stabil og pålitelig levering av kraft. I tider hvor mye av strømmen som produseres kommer fra vind og sol, er man avhengig å ha reserver klar til å ta over dersom det slutter å blåse og sola ikke lenger skinner. Ettersom at større deler av samfunnet elektrifiseres, vil også forbruket variere mer. Et nytt marked ble etablert hvor produsenter får betalt for å være fleksible. Produsenter får altså betalt for å kunne på kort varsel skru opp eller ned produksjonen sin. Dette markedet kalles helt enkelt for «balansemarkedet».

En vindpark som nedreguleres, går glipp av energi. Vind som kunne ha blitt utnyttet, gikk i stedet til spille. Dette er som regel første intuisjon når man hører om slik begrensning. På den andre siden, er det viktig å se for seg strømnettet i perspektiv og merke seg at her kreves et samarbeid for å drifte et strømnett som stadig er under press. Fremover kan det tenkes at vindkraft kan spille en mer aktiv rolle med å stabilisere og regulere nettet etter behov, på bakgrunn avsnittet over. Å utforske hvilken rolle vindkraft kan spille i fremtidens strømnett er gunstig for å kunne garantere ren elektrisk energi for alle.

Dagens konsekvens av å nedregulere havvind

Havvindparker nedreguleres i dag hovedsakelig på én av to måter:

1. Stoppe enkelte turbiner helt og la resten produsere ved maksimal kapasitet
2. Regulere ned alle turbiner likt

Vindturbiner utsettes for mye stress når de reguleres opp og ned. I tillegg forekommer det økt slitasje som følge av at turbinene opererer utenfor sitt design-vindu. Dette bidrar til å senke levetiden og øke vedlikeholdskostnader. Spesielt havvind-turbiner befinner seg allerede i et veldig krevende og værhardt miljø. Den økte påkostningen av slitasje som følge av nedregulering er dermed uønsket. Mer kunnskap og forskning rundt årsaker og en revidering av metoder for nedregulering kan derfor bidra til å senke vedlikeholdskostnader og forlenge levetiden. Et konkret tiltak er å utvikle kontrollsystemer som styrer hvordan hver enkelt turbin skal bidra til nedregulering til enhver tid.

Min oppgave i sommer – Kvantifisere nedregulering av havvind i fremtiden

Ettersom at nedregulering av havvind (på den måten det gjøres i dag) har negative konsekvenser på levetiden til turbinene, er det ønskelig å kvantifisere hvor mye dette vil skje i fremtiden. For å analysere dette har jeg brukt en open-source Python pakke kalt «PowerGAMA», utviklet av SINTEF. Dette programmet optimaliserer flyten av kraft i et nett basert på et ideelt kraftmarked. Det innebærer at de produsentene som kan levere billigst strøm, får produsere.

Fremtidens strømnett er vanskelig å predikere, det er derfor gunstig å ta for seg flere ulike scenarioer. Disse scenarioene varierer ulike aspekter ved et fremtidig kraftsystem. Faktorer som overføringskapasitet, mengde variabel fornybar energi og forbruk er elementer som kan ha en påvirkning på kvantifiseringen av nedregulering. Ved å simulere og analysere ulike scenarioer kan man danne et bilde på hvilke faktorer som gjør seg gjeldende for nedregulering av havvind. Kartet under viser et utklipp av hvordan nettet ser ut i et av scenarioene i analysen. Grafen under viser hvordan nedreguleringen kommer til syne i simuleringen. Den blå grafen viser «inflow». Dette viser hvor mye det blåser og dermed hvor mye kraft som er tilgjengelig for den enkelte havvindpark. Den røde grafen viser hva vindparken produserer. I de områdene hvor den røde grafen avviker fra den blå, blir vindparken nedregulert.

Resultater

Jeg har i løpet av min tid i SINTEF Energi i Trondheim skrevet kode med en struktur og en fremgangsmåte som gjør det mulig å predikere hvor mye nedregulering av havvind som kan skje i fremtiden. Resultatene består blant annet av mengde tapt energi, hvor ofte nedregulering finner sted og enkle analyser knyttet til årsakene for nedregulering. Slike resultater kan bidra til å avdekke omfanget og behovet for utvikling av eksempelvis kontrollsystemer. Resultatene i skrivende stund er ment som bevis for at resultater kan produseres. For mer presis kvantifisering kreves mer arbeid og finpuss på scenarioene benyttet i analysen. Under finner du eksempler på hvilke resultater som kan produseres.

Les mer om SINTEF Energis Sommerforskerprosjekt

Sommerjobben for et bedre samfunn