The Potential of Power-to-Gas for Congestion Management: Utilising Synthetic Natural Gas in Redispatch

Abstract

Kapasiteten av fornybar energi i det tyske elsystemet øker stadig, og det setter press på høyspenningsnettet: Mens vindmøllene i Nord-Tyskland producerer en betydelig mengde strøm, trenges den i Sør-Tyskland. Dette fører til en overbelastning i strømnettet og resulterer i at fornybar energi blir begrenset ved dyre tiltak fra nettselskapene. På grunn av manglende nettutvidelser må andre fleksibilitetsalternativer utforskes som er i stand til å balansere etterspørsel og elproduksjon i en tidsmessig og romlig dimensjon. Teknologien Power-to-Gas presenterer en mulighet til sektorintegrasjon og åpner for fleksibilitet ved å skifte belastning fra elnettet til gassystemet. I to innsendte tidsskriftsartikler vurderer vi potensialet av Power-to-Gas som redispatch teknologi. I stedet for å begrense fornybar elektrisitet, kan nettselskaper bruke Power-to-Gas for å produsere syntetisk naturgass. Ved bruk av det eksisterende gasnettet kan gasskraftverkene omdanne syntetisk naturgass til strøm, og dermed unngå elnettet i perioder med høy last. Med målet om høystbruk av fornybar energi, presenterer vi svar til 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 teknoøkonomisk modell som representererdet tyske markedet med spotmarkedet sitt og den påfølgende styringen flaskehalshåndtering. Med et begrenset framsyn på 24 timer etterligner vi den sekvensielle interaksjonen mellom markedsklaring og kraftoverføring. Basert på aktuelle resultater fra Power-to-Gas-prosjekter implementerer vi teknologien som et alternativ for ytterligere fleksibilitet i redispatch. Etter vår modellbaserte evaluering undersøker vi om liberaliserte strømmarkeder i dag tillater bruk av Power-to-Gas for nettselskaper. Vi analyserer potensialet til Power-to-Gas og eksisterende barrierer i to forskjellige 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. Med fleksibiliteten til å produsere syntetisk naturgass i tider med høy fornybar tilførsel kan overbelastning i høyspenningsnettet reduseres. Dette muliggjør en frakobling av fornybar strøminnsprøytning fra flaskehalser i strømnettet. Samtidig kan vi oppnå høyere effektive andeler av fornybar energi i strømblandingen. Fra et geografisk perspektiv finner vi ut at en 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 lokalisere Power-to-Gas innenfor det eksisterende regelverket: Manglende klare definisjoner og juridiske klassifiseringer begrenser bruket av Power-to-Gas av nettselskapene etter at det foreligger adskillelsesregler.

The increase of renewable energy infeed in the German electricity system is pushing the transmission grid to its limit. Large amounts of wind generation from the north need to be transported to high demand centres in the south. This causes congestion in the transmission grid, resulting in vast amounts of renewable energy to be curtailed and calls for expensive measures by system operators. Due to lagging grid expansions, other flexibility options capable of balancing load and generation on a temporal and spatial dimension need to be explored. As a sector-coupling technology, Power-to-Gas may provide the required flexibility 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-Gas to generate synthetic natural gas. By utilising transmission capacities of the gas infrastructure, connected gas-fired power plants can use synthetic natural gas to generate electricity behind congested lines. With the goal of reducing curtailment measures and increasing the infeed 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 congestion management? Our strategy to answer these questions is twofold: First, we formulate a techno-economic model, incorporating the German electricity day-ahead spot market and subsequent congestion management. With a limited foresight of 24 hours, we imitate the sequential interaction of market clearing and power transmission. Using findings from state-of-the-art Power-to-Gas projects, we implement the technology as an option for additional flexibility in redispatch. Following our model-based evaluation in our first submitted article, we investigate in a second article whether liberalised electricity markets of today allow for the incorporation 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 regulatory environments, i.e., Germany and the United States. Based on our holistic research approach, including Power-to-Gas in redispatch measures may reduce renewable energy curtailment by 12 % over the course of a year. With the flexibility of generating synthetic natural gas in times of high renewable infeed, congestion in the transmission grid can be alleviated. This enables the decoupling of renewable electricity injection from bottlenecks in the transmission grid. At the same time, we can achieve higher effective shares of renewables in the electricity mix. On a geographical level, we find that a small set of locations in the grid may strongly benefit from additional flexibility through Power-to-Gas. While attractive from a flexibility perspective, positioning Power-to-Gas within existing regulatory frameworks is challenging: A lack of clear definitions and legal classifications limits the utilisation of Power-to-Gas by the system operators under unbundling rules in place.