Slik bør ein planlegge framtidas aktive distribusjonsnett

I takt med utfordringane knytt til økt elektrifisering blir såkalla aktive tiltak som bruk av batteri eller andre fleksible ressursar stadig meir diskutert som alternativ til tradisjonelle tiltak som nettforsterking. Nettforsterkning kan vere ganske kostbart, og den tradisjonelle måten å planlegge nett er lite tilpassa utfordringane og moglegheitene i dagens og framtidas distribusjonsnett. Vi i forskingssenteret CINELDI har derfor føreslått eit nytt rammeverk for nettplanlegging av aktive distribusjonsnett som gjer det mogleg å rekne på aktive tiltak og vurdere dei opp mot tradisjonelle (passive) tiltak som nettforsterking.

Medforfattarar: Oddbjørn Gjerde og Eivind Solvang

I dette blogg-innlegget fortel vi om korleis vi har testa det nye rammeverket og vist korleis det kan gje betre avgjerder og løysingar i nettplanlegginga. Gjennom demonstrasjonen har vi også identifisert behov for nye metodar og ny kunnskap som kan brukast som del av rammeverket for å planlegge framtidas distribusjonsnett.

Utgangspunktet vårt er det tradisjonelle rammeverket for nettplanlegging i Norge (i Planleggingsbok for kraftnett, som har blitt utvikla av SINTEF Energi). Det tradisjonelle og det føreslåtte rammeverket er samanlikna i Figur 1 nedanfor.

Kva meiner vi eigentleg med aktive og passive tiltak?

Nettforsterking kan ein kalle eit passivt tiltak i nettet, for etter at ein kabel er lagt ned i bakken så trengs det truleg ikkje gjerast noko med kabelen på mange år. Når vi derimot kallar eit tiltak for eit aktivt tiltak så inneber det at noko gjerast aktivt under drifta av distribusjonsnettet: I staden for å berre byggje meir nett så satsar ein på å handtere utfordringar i nettet gjennom korleis nettet blir drifta. For eksempel kan ein handtere problem med for høg spenning ved å lade opp eit batteri når det er for mykje solkraftproduksjon. Aktive tiltak medfører dermed at det vil vere sterkare samspel mellom planlegginga og drifta av nettet: Når ein planlegg med eit aktivt tiltak må ein også ta omsyn til korleis tiltaket kjem til å driftast.

• SINTEF forskar også på fleksibilitet som alternativ til tradisjonell nettplanlegging i EU-prosjektet FlexPlan: https://blogg.sintef.no/sintefenergy-nb/nettplanlegging-kan-fleksibilitet-vaere-et-alternativ-til-tradisjonell-nettforsterkning/

Planlegging av framtidenes aktive distribusjonsnett i praksis

Vi har testa rammeverket for planlegging av aktive distribusjonsnett på eit reelt norsk distribusjonsnett (Figur 2) der vi har anteke at det vil bli installert meir solceller på hustaka dei neste 10 åra. På sommaren når det er mykje sol kjem spenninga i nettet til å bli for høg. Nettselskap må planlegge nettet på ein samfunnsøkonomisk rasjonell måte samtidig som dei syrgjer for akseptabel spenningskvalitet for sluttbrukarane. Her må det derfor gjerast tiltak, og vi vurderer tre alternativ:

1. Nettforsterking (eit passivt tiltak i nettet)
2. Eit batteri i nettet (eit aktivt tiltak i nettet)
3. Aktiv reduksjon i solkraftproduksjon når det er nødvendig (eit aktivt tiltak hjå sluttbrukar).

Nullalternativet er å behalde eksisterande nett og ikkje utføre tiltak. Sjølv om dette alternativet ikkje vil gje akseptabel spenningskvalitet tek vi det med i analysen for samanlikninga si skuld.

Rammeverket i seg sjølv er generelt og kan nyttast for ulike case for ulike nettnivå. Men det er viktig at valet av metodikk som brukast i rammeverket er tilpassa problemstillinga. I denne casen bruker vi metodikk som er vald for å få testa så mange delar av rammeverket som mogleg.

Er aktive tiltak alltid det luraste?

For å estimere nytteverdien til batteri som eit aktivt tiltak må vi simulere korleis batteriet kan kome til å bli drifta gjennom dei 10 åra i analysehorisonten vår. For å gjere det byggjer vi vidare på ein såkalla dynamisk (eller multi-periode) optimal lastflytmodell vi har utvikla tidlegare.

• Les meir i dette blogginnlegget: Kva er verdien av å spare på sol- og vindenergien lagra i batteriet?

Vi samanlikna deretter dei samfunnsøkonomiske nytteverdiane og kostnadane av nettplanlegging-alternativa. Resultata er oppsummert i Figur 3, som illustrerer at det er slett ikkje er alltid at batteri er eit aktuelt alternativ til nettinvestering.

Med batterikostnaden som er anteke er dei totale samfunnsøkonomiske kostnadane for batterialternativet langt høgare enn for dei andre alternativa i dette tilfellet. Ein kunne fått meir nytte ut av batterialternativet for eksempel ved å samtidig bruke det til andre tenester. Men for å kunne estimere denne nytteverdien måtte vi utvikla meir avanserte metodar. I staden vil vi nedanfor bruke rammeverket til å demonstrere korleis ein kan forbetre batterialternativet ved å vurdere det aktive tiltaket (batteriet) som eit midlertidig tiltak.

• SINTEF forskar også på integrasjon av batteri i distribusjonsnettet i innovasjonsprosjektet IntegER. Les om demoprosjekter for batterier.

Ved å bruke aktive tiltak som midlertidige tiltak kan vi handtere risikoen knytt til usikkerheit i den langsiktige utviklinga i forbruk eller produksjon. Dette er vist i Figur 4 for tilfellet vårt, der utviklinga i kor mykje solcellepanel (PV) som blir installert i nettet er usikker: Det kan hende at låg-scenarioet for PV blir realisert (venstre), eller det kan hende at basis-scenarioet blir realisert og utviklinga skjer raskare (høgre). Dersom mengda PV overstig den nedste stipla linja vil det vere stor risiko for spenningsproblem i nettet. Men nettselskapet kan handtere denne risikoen ved å implementere eit aktivt tiltak som f.eks. eit batteri. Det er eit visst sannsyn for at mengda PV fortset å auke (forbi den øvste stipla linja, som til høgre i Figur 4) og at batteriet ikkje er nok til å unngå spenningsproblem. Men om nettet til slutt må forsterkast så har ein utsett denne nettinvesteringa, og etterpå kan ein flytte batteriet til ein annan stad i nettet der det er meir bruk for det.

Figur 5 viser korleis det å modifisere batterialternativet og vurdere batteriet som eit midlertidig tiltak reduserer dei samfunnsøkonomiske kostnadane. Denne figuren viser også tapt solkraftproduksjon for alternativa langs x-aksen for tre scenario for korleis mengda solcellepanel i nettet utviklar seg. Resultata viser at midlertidige tiltak også reduserer risikoen for tap av solkraftproduksjon. På den andre sida blir risikoen ein har redusert bytta ut med nye typar risiko og usikkerheit knytt til aktive tiltak.

For eksempel: Vil det aktive tiltaket i praksis bli drifta slik som vi har anteke i modellen? Vil det alltid vere tilgjengeleg og respondere når det trengs? Kan nettselskapet avtale med sluttbrukar eller tredjepartsaktørar å få det aktive tiltaket levert som ein teneste så lenge dei treng det? Slike usikkerheiter unngår nettselskapa med tradisjonelle (passive) tiltak, og slike formar for risiko er heller ikkje synlege i resultat som dei vist i Figur 5.

Behov og anbefalingar for planleggingsmetodikk for framtidas aktive distribusjonsnett

Vi har her demonstrert rammeverket for planlegging av aktive distribusjonsnett på ein enkel case. Vi har vist korleis det gjer det mogleg å vurdere aktive tiltak på lik linje med tradisjonelle (passive) tiltak og samanlikne kostnadar, nytteverdiar og risiko for ulike alternativ. Samtidig har vi identifisert behov for nye metodar og ny kunnskap som kan brukast som del av rammeverket for å planlegge framtidas distribusjonsnett:

• Vi treng sannsynsbaserte metodar for å ta omsyn til spenningsproblem for eksempel på grunn av solkraftproduksjon og elbil-lading; desse bør vere basert på tidsseriar og ha høgare tidsoppløysing enn gjennomsnittlege timesverdiar.
• Vi bør ha betre kunnskap om kva aktive tiltak som kan vere aktuelle for forskjellige utfordringar i nettet.
• Vi må forstå korleis ein spesifiserer tenester frå fleksible ressursar som aktive tiltak og korleis avtaler om slike tenester (inkludert samtidige tenester) inngår i nettplanlegginga.
• Vi må forstå betre kva nye usikkerheiter aktive tiltak medfører.
• Vi treng metodar for å prognosere utvikling i last, produksjon og fleksibilitetspotensial (inkludert usikkerheita i desse) på ein konsistent måte.
• Vi treng betre metodar og kunnskap for å tolke, visualisere og kommunisere usikkerheit og risiko knytt til dei ulike nettplanlegging-alternativa.

Og sist men ikkje minst må ein fortsetje å ta i bruk ny metodikk for nettplanlegging i praksis og teste ut korleis rammeverk og metodar kan tilpassast ulike problemstillingar på ulike nettnivå. Dette vil skaffe meir erfaring om korleis ein best planlegg framtidas aktive distribusjonsnett.