Medforfatter: Ingeborg Graabak, seniorforsker

Strengere miljøkrav for vannkraft skal gi trivsel for laks, ørret, elvemusling og annet liv så vel som for turgåere, fiskere og båtbrukere i og langs vassdrag. Samtidig fører de nye kravene til at vannkraftprodusentene mister verdifull produksjon og fleksibilitet.

Vi trenger derfor kunnskap om hvordan kraftsystemet påvirkes av summen av de nye miljøkravene. Forskning i SumEffekt-prosjektet har brukt avanserte datamodeller til å analysere scenarioer for kraftsystemet og sammenlikne resultater med og uten nye miljøkrav. Funnene vil hjelpe regulerende myndigheter å forstå de samlede konsekvensene av nye krav, og vannkraftprodusenter å planlegge hvordan de skal bruke og oppgradere sine anlegg.

Norge er forpliktet til å sikre bærekraftig bruk av regulerte vassdrag i tråd med EUs rammedirektiv for vann. Direktivet gjelder i Norge gjennom EØS-avtalen og den norske Vannforskriften. Den nåværende regjeringen har en uttalt ambisjon om å styrke natur- og miljøhensyn i vassdrag påvirket av vannkraft. Når konsesjoner for vannkraftverk skal fornyes, kan myndighetene velge å sette strengere miljøkrav. Norge har nylig gått gjennom en omfattende runde med slike vilkårsrevisjoner.

I forskningsprosjektet SumEffekt har SINTEF Energi brukt avanserte kraftsystemmodeller til å analysere scenarioer for kraftsystemet i år 2030 med og uten forutsetninger om nye miljøkrav. Ved å sammenlikne resultater fra modellkjøringer med og uten miljøkrav, får vi estimater på hvordan summen av miljøkravenes innvirkning påvirker driften av kraftsystemet. Prosjektets brukerpartnere (se faktaboksen nederst) bidro med gode innspill og omfattende kunnskap. Fornybar Norge ved Solgun Furnes var prosjektleder.

Noen av de viktigste resultatene og funnene fra prosjektet er:

• Vi estimerer en reduksjon i vannkraftproduksjon på 3 terrawattimer (TWh) per år og økning i kraftprisen på 1-2 % for Norge i gjennomsnitt som følge av nye miljøkrav.
• Vi observerer økt flomtap i enkelte magasiner som følge av nye miljøkrav i enkelte simulerte høstperioder med mye nedbør.
• Vi observerer relativt markante økninger i kraftprisen som følge av nye miljøkrav i enkelte simulerte vårperioder når det er lite vann i magasinene.

Mer om resultatene senere, men først litt om metoder.

Modellering av kraftsystemet for 2030

Hovedverktøyet var modellen FanSi, en prototype utviklet ved SINTEF Energi for å analysere framtidens kraftsystem på bedre måter sammenlignet med tidligere modeller.

FanSi er en langsiktig markedsmodell basert på stokastisk optimalisering, det vil si den tar hensyn til usikkerhet om framtidig vær når den løser et matematiske problem for en gitt uke. I motsetning til den etablerte langtidsmodellen EMPS, er FanSi basert på formell matematisk optimalisering uten erfaringsbaserte «snarveier» (heuristikker), og beregner individuelle vannverdier per magasin når den optimaliserer utnyttelsen av sammensatte vassdrag. Dette er en positiv egenskap som blir viktigere med økende innslag av ikke-regulerbar vind- og solkraft i kraftsystemet.

• Les også: Slik utvikler vi neste generasjons markedsmodeller for energisystemet

Som supplement til FanSi benyttet vi også den nevnte modellen EMPS, også kalt Samkjøringsmodellen. EMPS har også stokastisk optimalisering og er funksjonelt lik FanSi, men har en annen løsningsmetode som også inkluderer erfaringsbasert heuristikk. EMPS har blitt grundig testet og brukt i en årrekke av SINTEF Energi, kraftprodusenter og andre aktører i det nordiske kraftmarkedet.

I SumEffekt gjorde vi FanSi- og EMPS-analysene med tre timers tidsoppløsning og brukte værdata for 35 historiske år (1981-2015).

Modellene favner hele kraftsystemet og gjør det mulig å analysere mange nye miljøkrav i sammenheng. De fanger samspill mellom elver, magasiner og kraftverk i enkeltvassdrag, mellom vassdrag og med markedet. Resultater fra modellene inkluderer produksjon, priser og utveksling av kraft. Vi definerte og analyserte seksten scenarioer for kraftsystemet i 2030 med ulike forutsetninger når det gjelder miljøkrav, nasjonal kraftbalanse, brenselpriser og kraftoverføring.

Dialog med prosjektets brukerpartnere (se faktaboksen) ga verdifull informasjon for analysearbeidet gjennom hele prosjektet.

Modellering av miljøkrav

Vi analyserte tre kategorier miljøkrav: krav til minstevannføring, magasinrestriksjoner og krav til minste driftsvannføring. For alle de tre miljøkravkategoriene brukte vi NVEs nasjonale gjennomgang (NVE 49:2013) som veileder for å velge steder for nye miljøkrav.

Krav til minstevannføring innebærer at vann tappes forbi en kraftstasjon. Det kan dermed ikke produseres kraft av dette vannet ved denne kraftstasjonen. Magasinrestriksjoner handler om at tilsig må gå til oppfylling av magasinet. Dette reduserer friheten produsenten har i reguleringen av magasinet. Krav til minste driftsvannføring betyr krav til minimumsproduksjon.

Her følger noen flere beskrivelser av modelleringen av miljøkravene. (De som ikke vil lese mer om det, slipper. De kan hoppe direkte til avsnittet Redusert vannkraftproduksjon.)

• Vi la inn 148 krav til minstevannføring i analysene. Vi tok hensyn til faktiske krav vedtatt innen 1. april 2021. I tilfellene hvor vedtak ikke forelå innen denne datoen, estimerte vi kravene med en semi-kvantitativ metode med støtte i informasjon fra NVE 49:2013. Metoden besto i korthet i å ta utgangspunkt i estimert sesongbasert Q95, hvor Q95 betyr den vannføringen som naturlig overstiges 95 % av tiden. Deretter brukte vi et klassifikasjonssystem for å bestemme stedsspesifikke korrigeringsfaktorer, hvor størrelsen på faktorene bestemmes av stedsspesifikke indikatorer for miljøforhold og krafttap.
• Magasinrestriksjonene – 108 i tallet – ble analysert under forutsetningen at fra uke 18 (22 i Nord-Norge) og til og med uke 33 og så lenge fyllingsgraden er under 85 %, må alt lokalt tilsig gå til oppfylling. Vann fra kraftverk oppstrøms kan imidlertid brukes til produksjon.
• Krav til minste driftsvannføring har mindre betydning, da vi kun hadde 29 slike krav.

De tre neste avsnittene beskriver resultater for tre sentrale tema: vannkraftproduksjon, flomtap og kraftpris.

Redusert vannkraftproduksjon

Vi estimerer at Norges vannkraftproduksjon vil reduseres med omtrent 3 TWh per år i gjennomsnitt som resultat av de nye miljøkravene. Dette tilsvarer 2 % av den gjennomsnittlige vannkraftproduksjonen. Krav til minstevannføring er hovedårsaken til reduksjonen. Den estimerte reduksjonen i vannkraft varierer lite på tvers av scenarioene med ulike forutsetninger for kraftsystemet (inkludert forutsetninger om nasjonal kraftbalanse og brenselpriser). Estimatet er omtrent likt med FanSi og EMPS (3.1 TWh og 3.0 TWh).

Metoden vi brukte for å estimere krav til minstevannføring («SumEffekt-metoden»), gir betydelig mindre krafttap enn en enklere tilnærming kun basert på Q95-verdier, altså verdier for den vannføringen som naturlig overstiges 95 % av tiden. Tidligere analyser for å estimere krafttap har også benyttet rene Q95-verdier (NVE 49:2013).

Mens krav til minstevannføring er den viktigste faktoren bak reduksjonen i vannkraftproduksjon, er magasinrestriksjonene årsak til omkring en femtedel av reduksjonen. Dette har sammenheng med flomtap som konsekvens av magasinrestriksjoner i år med mye nedbør. Mer om det i neste avsnitt.

Økt flomtap

Et eksempel på flomtap (overløp på dammen som betyr at noe vann «går til spille» i kraftproduksjonen) som resultat av en magasinrestriksjon for et enkeltmagasin er gitt i de to neste figurene. Eksempelet er for væråret 2015 og er hentet fra modellrepresentasjonen av Gråsjøen i Trollheimen. Denne innsjøen får en ny magasinrestriksjon i analysene våre.

I dette tilfellet påvirker magasinrestriksjonen den modellsimulerte utnyttelsen av magasinet for hele året. Allerede tidlig på våren rundt uke 12, er det vesentlig mer vann i magasinet i simuleringen med miljøkrav sammenliknet med uten miljøkrav. I tillegg har simuleringen med miljøkrav en mye raskere oppfylling av magasinet senere på våren som en direkte konsekvens av magasinrestriksjonen for Gråsjøen som trer i kraft i uke 18.

Den første figuren viser simulerte fyllingsgrader fra simuleringene med og uten miljøkrav. Ut fra figuren kan vi se at maksimal fylling av innsjøen, tilsvarende 225 GWh i energienheter, skjer i uke 25 i simuleringen med miljøkrav. Da er magasinet fullt.

Den neste figuren viser at kraftstasjonen produserer på maksimalt nivå fra og med uke 25 når magasinet er fullt (markørene i figuren representerer kraftproduksjon per uke). Dette er imidlertid ikke tilstrekkelig for å ta unna tilsiget av vann til magasinet, og da inntreffer flomtap i simuleringen med miljøkrav (kolonnene i figuren representerer flomtap).

Disse resultatene illustrerer hvordan magasinrestriksjoner medfører en redusert fleksibilitet som kan føre til flomtap i enkeltmagasiner i våte år. I eksempelet innebærer flommen tap av vann som ellers kunne blitt brukt til kraftproduksjon.

Økt kraftpris

Vi estimerer at kraftprisene øker 1-2 % i gjennomsnitt som resultat av de nye miljøkravene. Denne gjennomsnittlige økningen skyldes hovedsakelig kravene til minstevannføring. Som figuren viser, gir FanSi noe mindre økning i kraftpris enn EMPS. Dette henger sammen med at FanSi optimaliserer utnyttelsen av vannressursene enda bedre enn EMPS. Den estimerte økningen i kraftpris varierer lite på tvers av scenarioene med ulike forutsetninger for kraftsystemet.

Simuleringene viser en jevn økning i kraftpris på 1-2 % i nesten alle tidssteg i den simulerte 35-årsperioden 1981-2015. Noen unntak er det, og mange av disse unntakene har sammenheng med magasinrestriksjonene. Vi observerer noen hendelser i simuleringene hvor vannkraftproduksjonen minker og kraftprisene øker relativt markant som resultat av magasinrestriksjonene.

Slike hendelser skjer i forbindelse med at magasinrestriksjonene trer i kraft i uke 18 og når værsituasjonen i tillegg er utfordrende. Figuren viser et eksempel fra våren 1996. Dette var et år med lite tilsig gjennom vinteren og gjennomgående lite vann i magasinene på våren i simuleringene.

Kompliserte beregninger med usikkerhet

Analysene er kompliserte og omfatter store mengder data, spesielt for vannkraftsystemene., og resultatene har betydelige usikkerheter. Vi vil trekke fram to spesielt viktige kilder til usikkerhet:

• Forutsetningene og estimeringene for å representere miljøkrav i kraftsystemmodellene. Her er det usikkerheter knyttet til både antallet miljøkrav, plasseringen og utformingen av dem.
• FanSi gir en dristigere magasindisponering (tømmer magasinene mer) enn det som er observert historisk. Dette har sammenheng med at FanSi, slik den er brukt i SumEffekt, er risikonøytral og tar ikke spesielle hensyn til ekstreme år. Det er usikkerhet om hvordan den dristige magasindisponeringen påvirker ulike deler av resultatene fra FanSi. Samtidig har EMPS magasindisponeringer som er mer i tråd med observasjoner, og flere hovedresultater – inkludert den estimerte reduksjonen i produksjon på 3 TWh og økningen i kraftpris på 1-2 % – er relativt like for FanSi og EMPS.

Miljøvern, kraftvern og klimavern

Resultatene fra SumEffekt gir innsikter i hvordan summen av mange vilkårsrevisjoner for vannkraft kan virke inn på kraftsystemet. En grundig forståelse av dette er viktig for regulerende myndigheter ved utformingen av nye miljøkrav og konsesjoner.

I et utvidet perspektiv belyser resultatene vanskelige avveininger mellom å verne om miljøet, kraften og klimaet. For samfunnet er det viktig å sikre nok kraft til å forsyne forbruk og dekarbonisere økonomien. Det er også viktig at vi ivaretar fleksibiliteten i vannkraften for å kunne kompensere for variabilitet i økende produksjon fra vind- og solressurser.

Når miljøet, kraftsystemet og klimaet presses og trenger beskyttelse på måter vevd inn i hverandre, blir ny kunnskap viktig. Det hjelper kraftbransjen å gjøre gode tilpasninger og avveininger viktig.

Sammenhengene mellom miljø og kraftsystemet som må utvikles for å få til en grønn omstilling er kompleks. Kunnskapsbasert beslutningsgrunnlag blir da viktig for at myndigheter skal kunne gjøre gode og helhetlige valg for framtiden.

Modelloppsett og simuleringer i SumEffekt er også brukt som grunnlag i forskningsprosjektet HydroConnect som ser på hvilke innvirkninger norsk vannkraft har på CO2-utslipp i Europa, strømpriser i Norge og Europa, samt miljøforhold i norske magasin og vassdrag i 2030 og 2050.