Framtidig utvikling og sikring av tilstrekkelig rotasjonsenergi i det nordiske kraftsystemet
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2390466Utgivelsesdato
2016Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for elkraftteknikk [2474]
Sammendrag
Denne masteroppgaven omhandler den framtidige utviklingen av rotasjonsenergi i det nordiske kraftsystemet og hvordan tilstrekkelige mengder med rotasjonsenergi kan sikres. Rotasjonsenergi er viktig for frekvensstabiliteten til systemet. Det er ikke utfordringer knyttet til for lave mengder med rotasjonsenergi i dag, men rotasjonsenergien er forventet å bli redusert og mer variabel i framtiden, blant annet grunnet utbygging av flere likestrømsforbindelser. Det er viktig å analysere hvor omfattende denne utfordringen kan bli i framtiden slik at systemansvarlig kan stille mest mulig forberedt, og om nødvendig, sette igang forebyggende tiltak i tide. Hvilke tiltak som er samfunnsmessig mest gunstige, er også viktig å studere.
I denne oppgaven undersøkes utviklingen av rotasjonsenergi for ulike fremtidsscenarier, og situasjoner hvor rotasjonsenergien faller under det systemet er dimensjonert for å kunne tåle, er kartlagt. Ulike tiltak for å øke systemsikkerheten når det oppstår en kritisk situasjon er foreslått, og det er utviklet en metode for å beregne de samfunnsøkonomiske kostnadene knyttet til noen av disse tiltakene.
Timesverdier for mengde rotasjonsenergi er beregnet på grunnlag av simuleringer av en kraftmarkedsmodell. Fem ulike fremtidsscenarier for år 2030 undersøkes; to ulike basisscenarier, et scenario hvor en stor andel av kjernekraftverkene er nedlagte, et scenario hvor fornybarutbyggingen er større enn hva som er forventet og et med økt overføringskapasitet til utlandet. Basert på beregninger av mengde rotasjonsenergi har perioder hvor rotasjonsenergien faller til et kritisk lavt nivå blitt kartlagt for de ulike scenariene. Varighet på de kritiske periodene, hvor hyppig de oppstår og når de oppstår i løpet av året er blitt undersøkt. Scenariet med redusert installert effekt av kjernekraft er det scenariet hvor mengde rotasjonsenergi reduseres mest sammenlignet med dagens situasjon, og hvor det oppstår flest kritiske perioder. Dette scenariet fører til en strukturell endring av kraftsystemet, og mengde rotasjonsenergi vil være kritisk lav en betydelig andel av tiden (12 \% av den simulerte perioden). For de andre scenariene faller rotasjonsenergien under kritisk nivå mindre enn 1 \% av den simulerte perioden.
For alle scenariene oppstår de fleste kritiske periodene i løpet av sommermånedene. Scenariet med redusert kjernekraft har en jevnere fordeling av disse periodene over flere måneder sammenlignet med de andre scenariene.
Det er valgt ut to tiltak som tar sikte på å øke systemsikkerheten under de kritiske periodene. En fremgangsmetode for å beregne den samfunnsøkonomiske kostnaden ved bruk av disse strategiene er blitt utviklet.Den første strategien går ut på å starte opp flere vannkraftverk, slik at rotasjonsenergien øker. For å oppnå energibalanse blir vindkraftproduksjonen nedregulert. Den andre strategien nedregulerer de kraftverkene og likestrømsforbindelsene som, ved et eventuelt utfall, vil føre til at frekvensendringen blir større enn tillatt. Disse enhetene nedreguleres tilstrekkelig til at den potensielle frekvensendringen er innenfor kravet. På denne måten er systemet i stand til å tåle enhver feilhendelse som kan oppstå, selv med en kritisk lav mengde rotasjonsenergi. Igjen sørges det for energibalanse i alle områdene som er påvirket ved bruk av denne strategien, hovedsakelig ved å gjøre endringer i vannkraftproduksjonen.
Den samfunnsøkonomiske kostnaden ved bruk av de to strategiene er beregnet for det ene basisscenariet. På grunn av mindre detaljert data for de andre scenariene, har beregningene kun blitt utført for dette ene scenariet.
Resultatene viser at strategien som tar sikte på å nedregulere kraftverk og/eller kabler er samfunnsøkonomisk mest kostnadseffektiv. Kostnaden ved bruk av denne strategien har en medianverdi på 1 247 \euro /GWs/h. Til sammenligning har strategien hvor flere vannkraftverk settes i drift en medianverdi på 3 645 \euro/GWs/h.
Det har blitt gjort en vurdering om hvorvidt en investering i muligheten til å kjøre vannkraftverk i fasekompensatordrift vil kunne lønne seg. Gitt antakelsen om at kostnaden ved å bruke de to strategiene er lik for alle scenarier, vil investeringen lønne seg kun for scenariet med redusert kjernekraft. For dette scenariet vil investeringen lønne seg i 98 \% av de simulerte årene. For de andre scenariene er investeringen lønnsom kun for 1-7 \% av de simulerte årene.
For scenariet med redusert kjernekraft vil det ofte oppstå perioder hvor rotasjonsenergien faller under kritisk lavt nivå. Det trengs derfor varige tiltak som tar sikte på å øke systemsikkerheten. Av tiltakene som er vurdert i denne analysen vil investering i muligheten til å kjøre vannkraftverk i fasekompensatordrift være det samfunnsøkonomisk mest lønnsomme tiltaket.
For de andre scenariene oppstår perioder hvor rotasjonsenergien faller til et kritisk lavt nivå relativt sjelden. For disse scenariene er det muligens tilstrekkelig at systemansvarlig regulerer systemet idet de kritiske periodene oppstår. Det samfunnsøkonomisk mest lønnsomme tiltaket av de som er undersøkt i denne analysen vil være å redusere produksjonsnivå til kraftverk og kapasitet på likestrømsforbindelser, slik at frekvensendringen ved en feilhendelse reduseres.
Det er gjort flere antakelser i denne analysen, og det er derfor usikkerhet knyttet til resultatene. For å undersøke virkningen strategiene har på systemet, har to kritiske perioder blitt undersøkt nærmere. En nettmodell bør benyttes for en mer deltajert analyse av hvordan strategiene påvirker systemet.