Når er det riktig å bruke fleksibilitet i kraftsystemet?

Overgangen til nye fornybare energikilder, mer digitalisering, flere elektriske løsninger og et stadig større strømforbruk, setter nye krav til strømnettet. En kostnadseffektiv måte å håndtere disse kravene på er å ta i bruk det vi kaller for «fleksibilitet i kraftsystemet». Men er det alltid riktig å ta i bruk fleksibilitet? Eller er det situasjoner hvor andre tiltak er mer samfunnsøkonomiske?

Leser du videre, får du vite hva fleksibilitet egentlig er og eksempler på hvordan det kan brukes i systemtjenester (tjenester som brukes for å sikre et stabilt kraftsystem og ivareta systemsikkerheten) som for eksempel spenningsregulering, håndtering av flaskehalser i distribusjonsnettet og balansetjenester.

Hva er fleksibilitet i kraftsystemet?

De fleste er enige om at fleksibilitet er viktig både for å håndtere endringene som skjer i kraftsystemet og for å legge til rette for elektrifisering.

Det finnes ingen fastsatt definisjon på fleksibilitet, men når vi snakker om fleksibilitet i dette blogginnlegget og i forskningen vår i CINELDI (Centre for Intelligent Distribution Grids), mener vi enkelt forklart en aktør (kunde eller produsent) sin evne og vilje til å tilpasse produksjon og/eller forbruk av strøm for å tilby en tjeneste til kraftsystemet, for eksempel for å bidra til å opprettholde god spenning i strømnettet. Fleksible ressurser kan være produksjon (fra fornybare kilder), lagring (batterier, elbil, elkjele eller pumpekraft) eller forbruk av kraft.

• Dette kan også være interessant for deg: Forsyningssikkerheit i framtidas fleksible og intelligente nett

Fleksibilitet kan benyttes av både TSO (Statnett i Norge) og DSO (nettselskaper) til flaskehalshåndtering på kort sikt og nettplanlegging med lengre sikt, og/eller Balanseansvarlig enhet (BRP) for porteføljeforvaltning på både kort og lengre sikt.

Utvalgte systemtjenester og markedsarkitekturer

Koordinering mellom DSO og TSO er viktig for å sikre at fleksible ressurser i distribusjonsnettet blir tilgjengelig for balansetjenester uten at det introduseres nye flaskehalser som kan påvirke det lokale nettet. Vi har utarbeidet use case for spenningsregulering, flaskehalshåndtering og balansetjenester for å vise eksempler på hvordan fleksibilitet kan benyttes i ulike tjenester i kraftsystemet.

I SmartNet-prosjektet ble det utviklet og diskutert flere alternativer for markedsbasert organisering av koordineringen mellom DSO og TSO på, knyttet til kjøp og aktivering av fleksible ressurser, for å håndtere flaskehalser og balansetjenester:

1. Sentralisert fleksibilitetsmarked
2. Lokalt fleksibilitetsmarked
3. Delt balanseansvar
4. Felles fleksibilitetsmarked for Statnett og nettselskapene
5. Integrert fleksibilitetsmarked

Alternativ A kan på flere måter ses på som dagens løsning i Norge, mens alternativ B er kanskje mest aktuelt med en tidshorisont 2030-2040, siden den omhandler flaskehalser i distribusjonsnettet og krever ikke store endringer i dagens regulering. I dette alternativet (B) gjøres fleksibilitet først tilgjengelig for nettselskap, og resterende ressurser omsettes videre til markeder operert av Statnett.

Spenningsregulering

I eksempelet med spenningsregulering styres reaktiv effekt for å opprettholde spenningen i kraftsystemet. Statnett (TSO) er ansvarlig for at spenningen i transmisjonsnettet har en viss kvalitet, mens nettselskapene (DSO) er ansvarlige for spenningskvaliteten hos kundene lokalisert i distribusjonsnettet. Med økende andel kraftelektronikk tilknyttet kraftnettet, og varierende innmating fra lokal produksjon, øker utfordringene knyttet til spenningskvalitet. Derfor er det en økende interesse for å ta i bruk styrbare og fleksible ressurser for å håndtere spenningsproblemer.

Dette use caset har som formål å utnytte levering av strøm fra blant annet lokal produksjon fra fornybare energikilder og fleksible ressurser i distribusjonsnettet, for å øke nettkapasiteten og bedre spenningsprofilen både i transmisjons- og distribusjonsnettet. Dette innebærer koordinering mellom optimal lastflytanalyser i sanntid, gjennomført både hos Statnett og nettselskapene.

I initialiseringsfasen utarbeides nettmodeller og nettekvivalenter. Det neste trinnet er vurdering av hvor mye reaktiv effekt som fleksible ressurser i nettområdet kan levere til nettselskapene. Basert på melding fra nettselskapene om tilgjengelig fleksibilitet, vil Statnett gjennomføre lastflytanalyse for å beregne optimalt settpunkt for enheter som leverer reaktiv effekt, inkludert utnyttelse av fleksibilitet fra nettselskapene. Etter at optimalt settpunkt er bestemt av Statnett, vil nettselskapene gjennomføre lastflyt for å optimalt fordele hvordan ulike enheter leverer forventet reaktiv effekt.

Flaskehalshåndtering

Det er økende sannsynlighet for flaskehalser i distribusjonsnettet i de neste tiårene, blant annet på grunn av elektrifisering av transport og oppvarming, og økt andel distribuert produksjon. Flaskehalsproblemer i distribusjonsnettet vil kunne gi spenningsproblemer og problemer med overbelastning. For å unngå at disse problemene skal spre seg videre, bør disse problemene løses lokalt. Dette arbeidet har fokusert på fysiske flaskehalser, som er definert som en nettsituasjon hvor blant annet prognosert eller faktisk lastflyt overstiger termiske grenser og påvirker nett- og spenningsstabilitet.

Dette use caset viser hvordan flaskehalser i distribusjonsnettet kan dempes ved bruk av fleksible ressurser, hvor fleksibiliteten er kjøpt gjennom en totrinns markedsprosess. Use caset beskrives for følgende faser knyttet til flaskehalshåndtering: Prognoseringsfase (planlegge nettutnyttelse, identifisere mulige flaskehalser), markedsfase (samle bud, evaluere tilbud), overvåkings- og aktiveringsfase (aktivering av bud), og måling- og avregningsfase (validering av levert fleksibilitet).

Markedsarkitektur B «Lokalt fleksibilitetsmarked» er valgt i dette use caset. Denne markedsarkitekturen inneholder flere lokale markeder som opereres av nettselskapene, og ett sentralt marked for systemtjenester, operert av Statnett. Handel med fleksible ressurser for flaskehalshåndtering krever at fleksibilitetsbud har informasjon om lokaliseringen til de ulike fleksible ressursene, slik at de kan relateres til den enkelte flaskehals. I dette use caset adresseres dette ved bruk av metode for nodeprising, hvor bud tilknyttes den enkelte node.

Med denne markedsløsningen, prioriteres det å løse lokale flaskehalser og balanseutfordringer. Etter at handel er gjennomført i det lokale markedet, holder derfor nettselskapene bud tilbake for å løse lokale problemer. Resterende bud blir omsatt av nettselskapene på vegne av andre aktører i det sentrale markedet, som opereres av TSO. Basert på mottak av klarert volum og pris fra TSO, vil det lokale markedet fordele utpekt volum til de ulike fleksible ressursene og aggregerte porteføljer, med utgangspunkt i bud gitt til det lokale markedet.

TSO er eneste kjøper av reserver i markedet tilknyttet transmisjonsnettet. Videre vil prosesser for aggregering og disaggregering av bud ivareta lokale begrensninger i nettet. Med andre ord, lokal fleksibilitet som overføres fra nettselskapene til TSO, og brukes til nytte for TSO, må garantere at ingen nye lokale problemer knyttet til balansering eller flaskehalser inntreffer.

Use caset består av følgende trinn:

• System prekvalifisering: nettselskapene verifiserer om porteføljen faktisk kan levere fleksibilitet, gitt gjeldende nettforhold.
• Innsamling av bud: Markedsaktører leverer bud til nettselskapet (DSO), som opererer som markedsoperatør. Markedet klareres etter at tidsfrist for budgiving er passert.
• Planlegging og prognosering: Basert på tilgjengelig informasjon (informasjon fra Statnett, nettinformasjon o.l.) skal nettselskapet foreta lastflytanalyser for å avdekke mulige flaskehalser. Markedsaktører mottar informasjon om plan for aktivering, dvs. tid og volum.
• Aktivering og overvåking: Basert på plan for aktivering, dvs. tid, lokalisering og volum, kan markedsaktører aktivere hensiktsmessige ressurser i egen portefølje.
• Overføring av gjenværende ressurser til TSO: Nettselskapene leverer bud for gjenværende fleksible ressurser til fleksibilitetsmarkedet for TSO.
• Verifisering av aktivert respons: Nettselskapene overvåker endringer i kraftsystemet før, under og etter aktivering av fleksibilitet, og kommuniserer dette til markedsaktører.
• Avregning: Basert på resultatene fra markedsklareringen i det lokale fleksibilitetsmarkedet, aktiveringsplan og verifisert respons, kan nettselskapene betale markedsaktører for leverte tjenester.

Balansetjenester

For å opprettholde et stabilt kraftsystem, er det viktig at det er balanse mellom produksjon og forbruk til enhver tid, men økende grad av produksjon fra fornybare energikilder tilknyttet kraftsystemet, gjør det stadig med utfordrende å opprettholde denne balansen. I dag er Statnett (TSO) ansvarlig for kraftbalansen, med i fremtiden kan man se for seg at balansetjenester også blir nødvendige i distribusjonsnettet. Dette innebærer at fleksible ressurser lokalisert i distribusjonsnettet bør kunne brukes i ulike systemtjenester – både av nettselskapene og TSO.

Flere systemtjenester med formål å holde kraftsystemet i balanse, har ulike krav knyttet til respons. Dette gjelder blant annet

• Fast Frequency Reserves (FFR) aktiveres innen 1 sekund, når systemfrekvensen faller under et visst nivå (49.5 Hz eller 49.7 Hz).
• Primærreserver (Frequency Containment Reserves – FCR) (ofte roterende reserver i kraftverk) aktiveres automatisk når frekvens er lavere enn 49.9 Hz eller høyere enn 50.1 Hz.
• Sekundærreserver (Automatic Freqiency Restoration Reserves – aFRR) aktiveres for å frigjøre primærreserver (slik at de gjøres tilgjengelig for å håndtere nye feil og ubalanser). Responsen skal være innen 2 minutter. I Norge i dag er det hovedsakelig generatorer som tilbyr denne tjenesten, men det er planlagt at også forbruk inkluderes.
• Tertiærreserver (Manual Frequency Restoration Reserves – mFRR) aktiveres hvis det er ytterligere behov for frekvensregulering, eller ved regionale flaskehalser eller ubalanser i nettet. Dette er typisk manuelle reserver som aktiveres innen 15 minutter.

Et use case for å beskrive et eksempel på hvordan fleksible ressurser kan inkluderes i balansetjenester (bruk av fleksible ressurser som tertiærreserver), er presentert i figur 3.

Det første trinnet er kapasitets-(opsjons-)marked for reserver, som er et marked etablert for å sikre tilstrekkelig likviditet på reserver til tertiærregulering. Reserver fra både produksjon og forbruk kan inkluderes i budene.

Etter at bud(ene) i kapasitetsmarkedet har blitt akseptert, kan de inkluderes i bud til det daglige balansemarkedet. Budene aktiveres ut fra pris – hvor budet med den laveste prisen blir aktivert først.

Når et bud er aktivert, skal tilhørende reserve respondere innen 15 minutter – som en aktivering direkte mot enkeltressurser i en portefølje med aggregert fleksibilitet fra flere mindre ressurser. I fremtiden er det forventet økt tilgang på fleksible ressurser fra forbrukssiden.

Avhengig av hvilket nettnivå et balansemarked er implementert på, vil kjøper av fleksibilitet enten være TSO eller DSO. I dag er kapasitets- og balansemarkeder implementert på transmisjonsnettsnivå og Statnett er kjøper av fleksibilitet. Hvis nettselskapene i fremtiden er ansvarlig for balansetjenester i distribusjonsnettet, kan disse også bli kjøper av fleksibilitet. Avhengig av hvilke av de tidligere beskrevne markedsarkitekturene som blir relevante, vil ha innvirkning på hvordan dette vil bli organisert og koordinert.

Oppsummering

Denne bloggen fokuserer på fremtidens kraftsystem i 2030/2040, med økende utnyttelse av fleksible ressurser for systemtjenester, på ulike nettnivå. Når flere aktører er interesserte i å ta i bruk den samme fleksible ressurser, øker behovet for koordinering mellom TSO og DSO, for både planlegging og drift av nettet, og for å unngå at aktivering av fleksibilitet introduserer nye ubalanser. Geografisk lokalisering av fleksible ressurser er viktig for noen tjenester (spenningskontroll), men ikke for tjenester relatert til frekvensregulering. Use casene er ikke ment som en endelig løsning, men heller som eksempler på hvordan fleksibilitet kan tas i bruk i ulike systemtjenester.