The Potential of Power-to-Gas for Congestion Management: Utilising Synthetic Natural Gas in Redispatch
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2777033Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Kapasiteten av fornybar energi i det tyske elsystemet øker stadig, og det setter press påhøyspenningsnettet: Mens vindmøllene i Nord-Tyskland producerer en betydelig mengdestrøm, trenges den i Sør-Tyskland. Dette fører til en overbelastning i strømnettet og resultereri at fornybar energi blir begrenset ved dyre tiltak fra nettselskapene. På grunn avmanglende nettutvidelser må andre fleksibilitetsalternativer utforskes som er i stand til åbalansere etterspørsel og elproduksjon i en tidsmessig og romlig dimensjon. TeknologienPower-to-Gas presenterer en mulighet til sektorintegrasjon og åpner for fleksibilitet ved åskifte belastning fra elnettet til gassystemet.I to innsendte tidsskriftsartikler vurderer vi potensialet av Power-to-Gas som redispatchteknologi. I stedet for å begrense fornybar elektrisitet, kan nettselskaper brukePower-to-Gas for å produsere syntetisk naturgass. Ved bruk av det eksisterende gasnettetkan gasskraftverkene omdanne syntetisk naturgass til strøm, og dermed unngå elnetteti perioder med høy last. Med målet om høystbruk av fornybar energi, presenterer vi svartil to forskningsspørsmål:1. I hvilken grad kan Power-to-Gas introdusere fleksibilitet til karbonnøytrale energisystemer?2. Gjør gjeldende regelverk det mulig for Power-to-Gas utnyttelse i flaskehalshåndtering?Vår strategi for å svare på disse spørsmålene er todelt: Først formulerer vi en teknoøkonomiskmodell som representererdet tyske markedet med spotmarkedet sitt og denpåfølgende styringen flaskehalshåndtering. Med et begrenset framsyn på 24 timer etterlignervi den sekvensielle interaksjonen mellom markedsklaring og kraftoverføring.Basert på aktuelle resultater fra Power-to-Gas-prosjekter implementerer vi teknologiensom et alternativ for ytterligere fleksibilitet i redispatch. Etter vår modellbaserte evalueringundersøker vi om liberaliserte strømmarkeder i dag tillater bruk av Power-to-Gasfor nettselskaper. Vi analyserer potensialet til Power-to-Gas og eksisterende barrierer i toforskjellige reguleringsmiljøer, Tyskland og USA.Basert på vår helhetlige forskningstilnærming, inkludert Power-to-Gas i flaskehalshåndtering,kan redusere fornybar energi reduseres med 12 % i løpet av et år. Medfleksibiliteten til å produsere syntetisk naturgass i tider med høy fornybar tilførsel kanoverbelastning i høyspenningsnettet reduseres. Dette muliggjør en frakobling av fornybarstrøminnsprøytning fra flaskehalser i strømnettet. Samtidig kan vi oppnå høyere effektiveandeler av fornybar energi i strømblandingen. Fra et geografisk perspektiv finner vi ut aten liten andel av steder i nettet kan godt profitere av ekstra fleksibilitet gjennom Power-to-Gas. Selv om det er attraktivt fra et fleksibilitetsperspektiv, er det utfordrende å lokaliserePower-to-Gas innenfor det eksisterende regelverket: Manglende klare definisjoner og juridiskeklassifiseringer begrenser bruket av Power-to-Gas av nettselskapene etter at detforeligger adskillelsesregler. The increase of renewable energy infeed in the German electricity system is pushing thetransmission grid to its limit. Large amounts of wind generation from the north need to betransported to high demand centres in the south. This causes congestion in the transmissiongrid, resulting in vast amounts of renewable energy to be curtailed and calls for expensivemeasures by system operators. Due to lagging grid expansions, other flexibility optionscapable of balancing load and generation on a temporal and spatial dimension need tobe explored. As a sector-coupling technology, Power-to-Gas may provide the requiredflexibility by shifting load from the electricity to the gas system.In two submitted journal articles, we assess the potential of Power-to-Gas in redispatch.Instead of curtailing renewable electricity, system operators may use Power-to-Gasto generate synthetic natural gas. By utilising transmission capacities of the gas infrastructure,connected gas-fired power plants can use synthetic natural gas to generate electricitybehind congested lines. With the goal of reducing curtailment measures and increasing theinfeed of renewables, the following research questions arise:1. To what extent can Power-to-Gas provide flexibility in low carbon energy systems?2. Do current regulatory frameworks enable Power-to-Gas utilisation in congestionmanagement?Our strategy to answer these questions is twofold: First, we formulate a techno-economicmodel, incorporating the German electricity day-ahead spot market and subsequent congestionmanagement. With a limited foresight of 24 hours, we imitate the sequential interactionof market clearing and power transmission. Using findings from state-of-the-artPower-to-Gas projects, we implement the technology as an option for additional flexibilityin redispatch. Following our model-based evaluation in our first submitted article, weinvestigate in a second article whether liberalised electricity markets of today allow for theincorporation of Power-to-Gas facilities by system operators. For a deeper understanding,we examine the potential of Power-to-Gas and existing barriers in two different regulatoryenvironments, i.e., Germany and the United States.Based on our holistic research approach, including Power-to-Gas in redispatch measuresmay reduce renewable energy curtailment by 12 % over the course of a year. With theflexibility of generating synthetic natural gas in times of high renewable infeed, congestionin the transmission grid can be alleviated. This enables the decoupling of renewableelectricity injection from bottlenecks in the transmission grid. At the same time, we canachieve higher effective shares of renewables in the electricity mix. On a geographicallevel, we find that a small set of locations in the grid may strongly benefit from additionalflexibility through Power-to-Gas. While attractive from a flexibility perspective, positioningPower-to-Gas within existing regulatory frameworks is challenging: A lack of cleardefinitions and legal classifications limits the utilisation of Power-to-Gas by the systemoperators under unbundling rules in place.