Towards zero-emission power systems – A generation expansion study of the North Sea region 2040

Abstract

Nylig publiserte FN klimasrapporten 2021, som konkluderte med at verden ligger bak mål for å bekjempe klimaendringene. Data viser at klimagasskonsentrasjonene i atmosfæren fortsetter å stige til rekordnivåer. Den europeiske union sikter mot klimanøytralitet innen 2050, som betyr en økonomi med netto null klimagassutslipp. Det er nødvendig med betydelige investeringer innenfor en rekke sektorer for å nå dette målet. Overgangen til fornybar energiproduksjon er en av de kritiske faktorene for å nå en bærekraftig fremtid

Denne masteroppgaven benytter en deterministisk optimaliseringsmodell, PowerGIM, for kraftsystemsimuleringer i Nordsjøen. Modellen simulerer et driftsår med mål om å minimere investerings- og driftskostnader. Hovedmålet med masteroppgaven er å analysere optimal produksjonsutvidelse av kraftsystemet i Nordsjøen for 2040 i scenarier med fleksible kraftetterspørsel og krav til null utslipp. Planlegging av generasjonsutvidelse viser den optimale plasseringen, kapasiteten og generatorteknologien til fordel for hele kraftsystemet. Transmisjonsutvidelsesplanlegging er inkludert for å gi en realistisk kraftsystemutvikling. Kraftsystemer med høy andel fornybare kraftkilder (RES) har et betydelig fleksibilitetsproblem fordi produksjonseffekten fra RES varierer og ikke er kontrollerbar. Effektene av fleksibel etterspørsel i et nullutslippskraftsystem analyseres i forskjellige kraftsystemkonfigurasjoner. TYNDP 2020-scenariorapporten for 2040 er den primære kilden til forutsetninger og inputdata i denne masteroppgaven.

De første basisresultatene viser at batterier og utvidet overføring delvis vil balansere kraftnettet og effektivt utnytte kraftuttaket, slik at det ikke er behov for produksjonsutvidelse. Investeringer i overføringen er mer fordelaktig når tilført fornybar produksjon fører til mer fleksibilitet problemer enn kraftsystemet kan håndtere. Casestudiene viser at et integrert internasjonalt kraftsystem og en blanding av variable kraftproduksjonskilder bidrar til å balansere kraftsystemet. Det er imidlertid mindre behov for overføring når fleksibel etterspørsel inkluderes, og resultatene viser at utbygging av vindkraft på land i Norge er den mest kostnadsgunstige utvidelsen. En andel på 26 prosent fleksibel etterspørsel gir 94 prosent reduksjon i utslipp sammenlignet med utgangsscenarioet. Likevel blir det vanskeligere å konvertere de resternde prosentene. Variasjonen i fornybar kraftproduksjon er hovedhindringen for å nå et bærekraftig kraftsystem. Med nullutslippskrav opplever kraftsystemet mer betydelige fleksibilitetsproblemer og perioder med strømmangel. For å nå et fungerende, fullt fornybart kraftsystem, trengs det ytterligere energilagring og fleksibel etterspørsel enn det som er undersøkt i denne oppgaven.

Recently the UN published the Climate Change report 2021, concluding that the world is off-track to fight climate change. Data shows that greenhouse gas concentrations in the atmosphere continue to rise to record levels. The European Union is targeting climate neutrality by 2050, meaning an economy with net-zero greenhouse gas emissions. Significant investment within a variety of sectors is needed to reach this goal. The transition to renewable energy generation is one of the critical factors in reaching a sustainable future.

This master thesis utilizes a deterministic optimization model, PowerGIM, for power system simulations in the North Sea. The model simulates a year of operation with the objective of minimizing investment and operational costs. The main objective of the master thesis is to analyse the optimal generation expansion of the North Sea power system in 2040 in scenarios with flexible demand effects and zero-emissions requirements. Generation expansion planning showcases the optimal location, capacity, and generation technology to benefit the whole power system. Transmission expansion planning is included to give a realistic power system development. Power systems with a high share of renewable power sources(RES) have a considerable flexibility problem because the generation output from RES varies and is not controllable. The effects of flexible demand in a zero-emission power system are analysed in different power system configurations. The TYNDP 2020 scenario report for 2040 is the primary source of assumptions and input data in this master thesis.

The initial basis results show that batteries and expanded transmission will partly balance the power grid and efficiently exploit the power output, such that no generation expansion is needed. Investments in the transmission are more beneficial when added renewable generation leads to more flexibility issues than the power system can handle. The case studies show that an integrated international power system and a mix of variable power generation sources contribute to the balancing of the power system. However, less transmission is needed when flexible demand is included, and the results show that onshore wind generation expansion in Norway is the most cost-beneficial expansion. A share of 26 percent flexible demand results in a 94 percent reduction in emissions compared with the initial scenario. Nevertheless, reaching a zero-emission power system is increasingly more difficult. The variability of renewable power generation is the main obstacle to reaching a sustainable power system. With zero-emission requirements, the power system is experiencing more significant flexibility problems and periods of power shortages. In order to reach a functioning, fully renewable power system, additional energy storage and flexible demand are needed than what is investigated in this thesis.