#Energi Vannkraft

SHOP: Hvordan vannkraftplanlegging gir verdi nå og i fremtiden

SHOP (Short-term Hydropower Optimization Program) er et planleggingsverktøy for vannkraft, utviklet av SINTEF og NTNU. Det brukes til å planlegge produksjonen av vannkraft en til to uker frem i tid, og sørger for optimal bruk av vannkraftressursene.

En ny studie fra Impello Management og Menon Economics viser at SHOP har økt verdien av vannet i norske kraftreservoar med to prosent, dvs. 6,8 milliarder kroner på 10 år.

shop, team,
SHOP-gruppa på SINTEF møtes hver dag for å diskutere forskningsprosjekt og andre aktiviteter knyttet til SHOP. Fra venstre Per Eilif Wahl, Hans Ivar Skjelbred, meg, Bjørnar Vassøy og Hans Olaf Hågenvik. Ikke tilstede: Jiehong Kong.

I denne bloggen kan du finne ut enda mer om SHOP, Norge som energinasjon, verdien av vannkraft, vannnkraftplanlegging, pågående forskning og fremtiden for vannkraftplanlegging internasjonalt.

Vannkraft skapte store verdier i Norge allerede før oljeeventyret

Norge er en energinasjon. De fleste nordmenn vet hvor mye funnene av olje og gass på norsk sokkel har betydd for samfunnsutvikling og verdiskapning i Norge, men vi var en energinasjon allerede før oljeeventyret.

Vi har nemlig en annen naturressurs, vannkraft, som har vært – og fremdeles er – et viktig grunnlag for verdiskapning og en drivkraft for samfunnsutviklingen. Hjemfallsretten og andre lover som ble aktualisert i forbindelse med oppdagelsen av olje, har sin begynnelse fra da norsk vannkraft ble bygget ut på starten av 1900-tallet.

Utbygging av vannkraft fortsatte utover forrige århundre og ble grunnlaget for kraftintensiv industri. Vannkraftutbyggingen ble starten på en elektrifisering som spredde seg til resten av det norske samfunnet, til husholdninger og i senere tid også i stor grad persontransport.

I dag er Norge godt på vei til å bli verdens første helelektriske samfunn.

Energi er den største bidragsyteren til klimaendringer

Nærmest alt vi gjør i vår moderne tid er avhengig av stabil tilgang til elektrisitet. Tilgang til energi står i sentrum av så nær som alle utfordringer og muligheter vi møter i dag. Det kan dreie seg om jobber, sikkerhet, klimaendringer, matproduksjon eller muligheter for økt inntekt. Derfor er «Ren energi for alle» mål nummer 7 i FNs bærekraftsmål. 

Samtidig er energi den største bidragsyteren til klimaendringer, gjennom utslipp av CO2 og andre klimagasser. Et fremtidig, bærekraftig energisystem må derfor ha mer energi fra fornybare energikilder som vannkraft, vindkraft og solkraft.

Vi glemmer ofte at vannkraft er fornybar energi med en spesiell rolle

Vindkraft og solkraft blir ofte trukket fram som løsninger for klimakrisen. Dette er nye, spennende teknologier som må utvikles og implementeres i stor skala. I denne sammenheng blir vannkraften ofte glemt.

Faktum er at vannkraft i stor grad kan bidra til å redusere de negative effektene av økt energibruk verden over. Grunnen til det er at vannkraft kan lagres som vann i magasiner og brukes når den trengs.

Energisystemet må ha momentan balanse – derfor trenger man en buffer

I energisystemet må det være en momentan balanse mellom det som produseres og det som forbrukes fordi elektrisitet ikke kan lagres i særlig stor grad. Elektrisitet, fra vind og sol kan bare produseres og forbrukes når forholdene ligger til rette for det; det vil si når solen skinner og vinden blåser.

Det er derimot nesten aldri slik at forbruket er perfekt korrelert med sol- og vindforhold. Dermed trengs det en buffer i fremtidens fornybare energisystem. Vannkraften med sin lagringskapasitet er en slik buffer.

Vannkraft er spesiell fordi den kan komplementere de andre fornybare energikildene og dermed bidra til at nye fornybare energikilder kan tas i bruk i den utstrekningen som er nødvendige for å nå bærekraftsmålene.

Lang erfaring med vannkraftplanlegging på SINTEF og NTNU

Gitt en lang historie for utbygging og drift av vannkraftanlegg i Norge, har det vært nødvending å utvikle kompetanse på nettopp vannkraftplanlegging. SINTEF har i samarbeid med NTNU forsket og utviklet metoder for produksjonsplanlegging for vannkraft i over 40 år.

Metoder og verktøy utviklet hos oss har stor utbredelse blant vannkraftprodusenter i Norden og er en integrert, forretningskritisk del av driften hos de fleste store kraftselskapene. Særlig er verktøyet SHOP, som er utviklet gjennom en rekke forskningsprosjekt ledet av SINTEF, en viktig byggestein for å forvalte norske og nordiske vannkraftressurser på best mulig måte.

SHOP – Programvareverktøy for vannkraftplanlegging

SHOP er et programvareverktøy med avanserte algoritmer som utarbeider detaljerte produksjonsplaner basert på informasjon om tilsig, markedspris og last. SHOP gjør at man til enhver tid får mest mulig verdi av vannressursene som er tilgjengelige i magasinene. I Effektstudien som jeg nevnte i starten av bloggen vises det at SHOP bidrar til 2 % verdiøkning av vannkraftproduksjon gjennom optimal produksjon og flyt i vassdragene.

SHOP, vannkraft, programvare, SINTEF, NTNU

Samarbeidet mellom vannkraftindustri, SINTEF og NTNU har allerede realisert verdier som mangedoblet tilbakebetaler de midlene som har vært investert i forskning og utvikling. Vi har utviklet verdensledende kompetanse i Norge gjennom en rekke forskningsprosjekter; Alt fra grunnforskning rundt matematiske metoder for å beregne verdien av vann som lagres i magasin, til utviklingsprosjekter som gjør det mer strømlinjeformet for industrien å ta i bruk nye verktøy og metoder.

Effektstudien beskriver et fremtidig verdipotensiale på 12 milliarder kroner som realiserbart hvis flere nordiske kraftprodusenter tar i bruk SHOP. Ytterligere verdier kan skapes når det tette samarbeidet mellom industri og forskningsinstitusjoner finner nye løsninger, som svarer på utfordringer og muligheter knyttet til vannkraftens rolle i fremtidens bærekraftige energisystem.

Vannkraftplanlegging krever flere fagdisipliner

Planlegging av vannkraft er et eget forskningsfelt fordi det involverer store matematiske problem kombinert med teknisk kunnskap om drift av turbiner og generatorer, samt strømninger i hydrauliske koblinger og prognosering av tilsig og markedspriser.

Det er et felt som kombinerer kunnskap fra flere disipliner og er utfordrende fordi det krever modeller som både håndterer lange tidshorisonter og fin tidsoppløsning.

Å bestemme optimale uttak fra vannkraftmagasin er ingen rett-frem oppgave fordi man alltid må vurdere alternativkostnaden ved et uttak nå framfor å spare vannet til senere bruk.

Å beregne denne alternativkostnaden krever at man ser på alle fremtidige muligheter for å ta ut vannet. For store magasin hvor vannet kan lagres over flere år, betyr det at uttak og produksjon av kraft nå må sammenlignes med uttak og produksjon kanskje 2 år fram i tid.

Samtidig vil de produksjonsmønstrene man velger nå ha betydning på kort sikt fordi det kan involvere endring av flyt i elver og vannstand i magasin som vil påvirke dyre- og fiskelivet og miljøet i og rundt vassdraget. Derfor må man også håndtere fin tidsoppløsning i planleggingsverktøyene. At det må være balanse mellom produksjon og forbruk til enhver tid påvirker også den tidsoppløsning man kan ha i modelleringen.

For å håndtere disse komplekse problemstillingene har forskningen ved SINTEF og NTNU resultert i flere verktøy som til sammen løser produksjonsplanleggingsproblemet for vannkraft. Ulike deler av dette modellhierarkiet er i skarp drift i norsk og nordisk vannkraftindustri.

SHOP: Et verktøy for korttidsplanlegging (1-2 uker fram i tid)

Verktøyet SHOP, som blir trukket fram i effektstudien, brukes for planlegging av produksjonen 1-2 uker fram i tid. Grunnideen er et verktøy som optimaliserer produksjon fra vannkraft basert på en detaljert beskrivelse av vassdragene og installert teknisk utstyr.

SHOP tar hensyn til en rekke forskjellige mulig topologier for vassdragene, samt tekniske og konsesjonspålagte restriksjoner. Resultater er produksjonsplaner som med lite eller ingen bearbeiding kan implementeres i praksis.

SHOP har sin begynnelse på 1990-tallet

Hovedprinsippene for programmet ble etablert i av Olav B. Fosso i 1989 og videreutviklet i Michael B. Belsnes sin doktoravhandling i 2008. I år leveres en ny doktoravhandling som beskriver dagens moderne SHOP, skrevet av Hans Ivar Skjelbred . Selv disputerte jeg 1. februar 2019 hvor tema var hvordan SHOP kan gi støtte for handel i flere samtidige markeder for elektrisitet.

SHOP er utviklet i tett samarbeid mellom NTNU og SINTEF siden 1989.

Ut i fra denne forskningen har vi utviklet et verktøy som brukes i daglig drift hos nordisk kraftindustri. Dette gir konkurransefortrinn for norsk industri og næringsliv. Å forvalte fornybare energikilder på en fornuftig måte er viktig kunnskap for å gjennomføre de endringer som må til for å bærekraftsmålene på verdensbasis.

Nye SHOP-utfordringer og muligheter med mer vind, sol og big data

SHOP og vannkraftmodellene fra SINTEF og NTNU har en lang og stolt historie, samt ustrakt bruk i nordisk kraftindustri. Betyr det at dette feltet er ferdig forsket?

Svaret er nei. SINTEF har pågående forsknings- og utviklingsprosjekt i samarbeid med nordiske – og i senere tid også europeiske – kraftprodusenter. Disse prosjektene bidrar til forbedring av eksisterende kunnskap og verktøy for å imøtekomme nye utfordringer knyttet til et energisystem i endring.

Stadig tettere integrasjon mellom land, samt økt andel av uregulerbar, fornybar kraft som vind og sol skaper nye utfordringer og muligheter for vannkraften.

Et viktig spørsmål er hvordan markedet for kraft utvikler seg og hvordan dette påvirker drift av vannkraftanleggene.

Markedet for kraft bør tilpasses de produksjonsteknologiene som finnes. Et energisystem basert på vind-, sol- og vannkraft vil ha andre egenskaper enn et energisystem basert på konvensjonelle teknologier som kull-, gass og kjernekraftverk.

Nye forskningsspørsmål som er langt i fra er løst er for eksempel:

  • Hvilken tidsoppløsning er det og hvilke produkter vil omsettes i det fremtidige energi- og kraftmarkedet?
  • Hvilke av disse produktene kan vannkraften tilby og hvordan vil dette påvirke driften av anleggene?

Da det nordiske kraftmarkedet ble deregulert på 90-tallet skapte det en rekke nye utfordringer for både kraftprodusenter og systemoperatørene. Modellene som utvikles av SINTEF og NTNU ble tilpasset og utformet for å kunne svare på disse nye problemstillingene.

Vi har dermed kunnskap om både markedsløsninger og drift av vannkraft i et energisystem i endring. Erfaringer fra dereguleringen er et viktig utgangspunkt for fremtidig forskning innen vannkraftplanlegging og markedsløsninger for kraft.

I tillegg til overgangen til et fornybart energisystem, er det andre trender som også vil gjøre seg gjeldene i nær fremtid. Økt overvåkning og innhenting av store mengder data fra kraftsystemet gjør det svært interessant å utforske potensialet for å kombinere data-drevne metoder med eksisterende kunnskap og metoder for vannkraftplanlegging og energisystemanalyse.

Å finne anvendelsesområder for data-drevne metoder inn mot vannkraftplanlegging kan ytterligere øke potensialet for verdiskapning gjennom bedre forvaltning av ressursene.

Stort potensiale i å løse internasjonale energiutfordringer

I Norge er vi i en særstilling fordi elektrisitetsforsyningen stort sett kommer fra vannkraft, som er en fornybar ressurs. Effektstudien viser at bruk av SHOP har ført til økt verdiskapning i Norge fordi optimal produksjonsplanlegging øker utnyttelsen av vannkraft.

Internasjonalt er situasjonen en annen: For å nå bærekraftsmålene må en mye større andel av energien som brukes produseres fra fornybare kilder.

Med vår unike kompetanse på vannkraftplanlegging og markedsløsninger for energi, kan modellverktøy utviklet i samarbeidet mellom norsk vannkraftindustri, SINTEF og NTNU bidra til å fremme utviklingen av et bærekraftig energisystem i større deler av verden. I FN’s bærekraftsmål er tilgang til elektrisitet beskrevet som en viktig faktor for blant annet økonomisk vekst, helse og sikkerhet.

Samarbeid med forskningsinstitusjoner og kraftindustri i andre land hvor det er potensiale for vannkraft er derfor neste steg. Da kan vi sammen løse utfordringer og finne muligheter for vannkraften i samspill med andre fornybare energikilder i framtidens bærekraftige kraftsystem.

 

0 comments on “SHOP: Hvordan vannkraftplanlegging gir verdi nå og i fremtiden

Legg inn en kommentar