Nettplanlegging: Kan fleksibilitet være et alternativ til tradisjonell nettforsterkning?

Teknologiutvikling og behovet for å redusere klimagassutslipp gjør at kraftsystemet er i endring. Flere typer apparater og sektorer skal ha strøm og strømmen skal produseres med fornybar energi. Dette gir behov for å øke kapasiteten i strømnettet.

Men samtidig gjør teknologiutvikling at forskjellige former for energilagring og forbrukerfleksibilitet blir både bedre og billigere.

Hvordan kan vi planlegge fremtidens strømnett og ta hensyn til de nye mulighetene og utfordringene fornybar strømproduksjon, lagringsteknologier og nytt strømforbruk gir? Det forsker vi på i prosjektet i EU-prosjektet FlexPlan.

I dette blogginnlegget kan du lese om hva nettplanlegging og fleksibilitet er. Du får også et innblikk i hva vi forsker på i FlexPlan for å gjøre det enklere å ta hensyn til fleksibilitet i nettplanleggingen.

Mange ting skal klaffe for at vi skal få strøm i stikkontakten

Nettselskapene utvikler, planlegger og drifter nettet for at vi skal få strøm i stikkontakten når vi trenger det. For å ivareta forsyningssikkerheten i kraftsystemet er det mange ting nettselskapene passer på. Blant annet må det alltid være balanse mellom hvor mye strøm som produseres og hvor mye som forbrukes for at frekvensen skal holdes på 50 Hz. I tillegg kan ikke strømmen som flyter i transformatorer, linjer og kabler være større enn det komponentene er dimensjonert for å tåle. Videre må spenningen i nettet holdes innenfor gitte grenser for å ivareta stabilitet i systemet og for å oppfylle krav til leveringskvalitet.

Å opprettholde forsyningssikkerheten er en del av den daglige driften av kraftsystemet, time for time, minutt for minutt. Samtidig må nettet stadig vedlikeholdes og utvikles ettersom ny produksjon og nytt forbruk skal kobles til nettet og gamle komponenter må byttes ut med nye.

For klimapolitikken er det viktig at elektrifisering av transport og andre sektorer skjer i tilstrekkelig høyt tempo og at fossil energiproduksjon byttes ut med fornybar produksjon. Derfor er «nettplanlegging» en av nettselskapenes viktige oppgaver for å sørge for at forsyningssikkerheten opprettholdes også i fremtiden.

• Les mer om SINTEFs kompetanse innen forsyningssikkerhet. 

Hva er nettplanlegging?

Strømnettet kobler strømforbrukere og strømprodusenter sammen og består hovedsakelig av kraftlinjer, kabler, transformatorer og brytere. Alle komponentene i nettet må være dimensjonert slik at de tåler strømmen som flyter gjennom dem, både i normale driftssituasjoner og ved feil i nettet.

Komponentene i nettet har lang levetid, men må etter hvert byttes ut. I tillegg kan økt strømforbruk eller endringer i hvor strøm forbrukes og produseres gi behov for økt kapasitet i strømnettet.

Nettplanlegging og nettutvikling handler blant annet om å bestemme når og hvor man skal bygge ut ny kapasitet og når man skal bytte ut gamle komponenter med nye.

Både produksjon, omforming, overføring, omsetning, fordeling og bruk av energi skal foregå på en samfunnsmessig rasjonell måte (ref. Energiloven §1.2). Derfor er samfunnsøkonomiske analyser en viktig del av nettplanleggingen. Minimering av kostnader knyttet til drift og investeringer er et viktig kriterium i planlegging og utvikling av nettet. Samtidig må man sørge for at forsyningssikkerheten ivaretas.

Siden planlegging og utbygging av nye linjer og kabler tar lang tid og nettkomponentene har lang levetid, må man se flere år eller tiår frem i tid når man planlegger nettet. Tidshorisonten for planleggingen avhenger blant annet av spenningsnivå og hva slags komponenter som fornyes eller bygges ut.

• Les mer om SINTEFs kompetanse innen fleksible distribusjonsnett.

For å vite hvor mye nett man behøver i fremtiden, må man kunne si noe om hvor stort behovet for strømnett blir. Hvordan kommer strømforbruket til å endre seg? Hvor mye ny kraftproduksjon vil bygges ut, og hvor vil denne produksjonen knyttes til nettet?

Å lage prognoser for fremtidig forbruk og produksjon er en del av nettplanlegging og nettutvikling. Når nettplanlegging involverer mange endringer som kan skje langt frem i tid, eller når nettområdet man ser på er veldig stort, må man utvikle scenarier for hvordan fremtiden kan komme til å se ut og bruke disse scenariene i nettutviklingen.

FlexPlan ser mot 2030, -40 og -50

I  FlexPlan, som vi i SINTEF Energi jobber med, ser vi på nettplanlegging frem mot 2030, 2040 og 2050. Vi ser både på transmisjonsnettet og distribusjonsnettet.

Transmisjonsnettet omfatter de høyeste spenningsnivåene som binder landsdeler og land sammen. Distribusjonsnettet er de lavere spenningsnivåene hvor husholdninger og de fleste industriforbrukere er tilknyttet. Siden lagringsteknologier og forbrukerfleksibilitet i stor grad er aktuelt på distribusjonsnettsnivå, er det viktig å se utviklingen i distribusjonsnettet og transmisjonsnettet i sammenheng i nettplanleggingen.

Hva er fleksibilitet?

En måte å definere fleksibilitet på er at det er en ressurs som kan brukes til å oppnå balanse mellom forbruk og produksjon eller gjøre andre justeringer i forbruk/produksjon for å ivareta forsyningssikkerheten. Forskjellige fleksible ressurser kan brukes til ulike formål avhengig av energi- og effekt-kapasitet, responstid og andre tekniske og økonomiske karakteristikker. I FlexPlan ser vi hovedsakelig på fleksible ressurser som kan brukes til å unngå overbelastninger av linjer/kabler (flaskehalser i nettet).

Tre typer av fleksible ressurser som kan brukes til håndtering av flaskehalser er:

1. Fleksibilitet på produksjonssiden. Produksjon fra regulerbare kraftverk som kull, gass og regulerbar vannkraft kan justeres opp eller ned for å flytte produksjon mellom ulike punkt i nettet for å unngå flaskehalser. Når man har en flaskehals et sted i systemet, gjøres det endringer i hvilke kraftverk som produserer strøm, slik at forbrukerne på «baksiden» av flaskehalsen får strøm fra et annet kraftverk enn det som isolert sett ville vært optimalt for å minimere kostnadene knyttet til strømproduksjon.
2. Fleksibilitet på forbrukssiden, såkalt «forbrukerfleksibilitet». Dette kan være forbruk hos industrikunder, husholdninger og andre som kan forskyves i tid, slås av eller endres. For eksempel:
   1. Kjølelager. Når belastningen i nettet er stor, kan kjøleelementene i kjølelageret slås av for en periode siden det tar en viss tid før temperaturen i kjølelageret stiger. Det slås på igjen når temperaturen i lageret er blitt for høy eller når belastningen i nettet er mindre. Strømforbruket flyttes dermed i tid. Termiske laster som varmtvannstanker, romoppvarming, fjernvarmesystemer og liknende kan fungere på tilsvarende måte.
   2. Smart elbillading. Istedenfor at ladingen begynner idet du plugger laderen i stikkontakten når du kommer hjem fra jobb, kan ladingen utsettes til et tidspunkt hvor belastningen i nettet er lavere, for eksempel om natten.
3. Energilagringsteknologier som batterier, pumpekraftverk, trykkluftlagring og hydrogen kan gi fleksibilitet ved at strøm mellomlagres gjennom konvertering til andre energiformer. Om man har et energilager på baksiden av en flaskehals, kan lageret fylles opp når belastningen på linja liten og tappes når belastningen er stor slik at noe av strømforbruket kan forsynes fra energilageret istedenfor gjennom linja.

I dagens nett er det fleksibilitet på produksjonssiden som er mest brukt. Etter hvert som det bygges ut mer ikke-regulerbar energi som vindkraft og solkraft i Europa og kullkraftverk og gasskraftverk tas ut av produksjon, blir det større behov for andre typer fleksibilitet. Altså blir fleksibilitet i form av energilager eller forbrukerfleksibilitet stadig mer aktuelt.  Samtidig gjør den ikke-regulerbare energien i kombinasjon med elektrifisering av nye sektorer at man en del steder vil ha behov for ny overføringskapasitet i strømnettet. Et interessant spørsmål blir da:

• Kan fleksibilitet være et alternativ til tradisjonell nettoforsterkning?

Hvordan ta hensyn til fleksibilitet i nettplanlegging?

I tradisjonell nettplanlegging er spørsmålet hvor man skal bygge ut ny nettkapasitet og når dette bør gjøres for å minimere totale investerings- og driftskostnader og ivareta forsyningssikkerheten. Alternativene man vurderer og sammenlikner har tradisjonelt vært å øke kapasiteten på eksisterende overføringstraseer og å bygge nye traseer for å gi sikker strømforsyning.

I FlexPlan jobber vi med å utarbeide en metode hvor man kan vurdere fleksibilitet som alternativ til nettkapasitet i nettplanleggingen. Målet er fortsatt å ivareta forsyningssikkerheten og minimere investerings- og driftskostnader. I tillegg skal vi i FlexPlan ta hensyn til miljøpåvirkning av ulike alternativ. Aktuelle miljøvirkninger som skal hensyntas er naturinngrep, klimagassutslipp gjennom livsløpet og luftkvalitetsparametere.

For noen typer begrensninger i nettet (for eksempel kortvarige overbelastninger i nettet), kan lagring eller forbrukerfleksibilitet være et godt alternativ til utbygging av nytt nett. I andre tilfeller, for eksempel der overbelastningene varer over lengre tid slik at det vil kreve store mengder lagringskapasitet for å bøte på problemet, vil utbygging av nett være mest lønnsomt både med tanke på miljøbelastning og kostnader.

Planleggingsverktøyet som utvikles i FlexPlan skal optimere nettplanleggingen, slik at man velger riktig løsning til riktig problem.

Figuren nedenfor illustrerer hva vi skal utvikle i FlexPlan og hvordan resultatene fra de forskjellige deler av prosjektet henger sammen. Det skal utvikles et planleggingsverktøy som skal brukes i regionale studier for forskjellige scenarier for 2030, 2040 og 2050. Vi skal se på seks regioner som til sammen dekker nesten hele Europa. Det nordiske nettområdet er en av regionene som skal studeres.  Resultatene fra de regionale studiene kan si oss noe om hvilken rolle fleksible ressurser vil kunne komme til å spille i fremtidens nett. Basert på resultatene skal vi utarbeide anbefalinger og retningslinjer til reguleringsmyndighetene og nettselskapene.

Før vi kommer så langt må vi lage teknisk-økonomiske modeller av lagringsteknologiene og fleksibilitetsressursene som skal inngå i planleggingsverktøyet. Vi skal også lage scenarier for hvordan utviklingen av strømforbruk og strømproduksjon kan bli for de tidshorisontene som skal studeres (2030, 2040 og 2050). Scenariene brukes i pan-europeiske studier og i de regionale studiene.

FlexPlan er finansiert av EU gjennom forsknings- og innovasjonsprogrammet Horizon 2020 (nr. 863819). Prosjektet startet i 2019 og avsluttes i 2022. Mer informasjon om prosjektet kan du finne her: https://flexplan-project.eu/