Titel: Förstudie Energilager anslutet till vindkraft
Författare: Pia Borg
Utgivare: Elforsk (12:44)
Årtal: 2012
Ämnesord: smarta elnät, smart grids, nätägare, ägandemodeller, balanskraft
Rapport (Pdf)
Sammanfattning: Energilager har egenskaper och tillämpningsområden som kan möjliggöra ytterligare vindkraftsutbyggnad i de lokala elnäten. Den här rapporten tittar
främst på energilager och dess funktion från en nätägares perspektiv och är tänkt att användas som en instruktion vid en eventuell upphandling av ett energilager anslutet till intermittent produktion. För projektet studeras ett verkligt nät inom Falbygdens Energis (Feab) område genom mätningar och simuleringar.
Acceptansgränsen är ett sätt att kvantifiera påverkan av ny konsumtion eller produktion på ett elnät. Det är möjligt att höja acceptansgränsen genom förändringar i nätet. Exempel på sådana åtgärder kan vara att bygga nya/byta ut existerande ledningar eller transformatorer, förbättra spänningskontrollen, koppla in filter eller ansluta energilager. Vilken metod som kan användas beror på vilket kraftsystemsfenomen som begränsar
mängden vindkraft samt nätets utseende. Genom att studera acceptansgränsen för några olika nätområden och titta på vilka prestandaindex som i ett exempelnät begränsar mängden ansluten vindkraft,ger man här förslag på hur man kan dimensionera ett energilager. Prestandaindex kan exempelvis vara långsamma spänningsändringar, överbelastning, övertoner, flimmer och snabba spänningsändringar, förluster och antalet händelser i nätet.
Fem olika tillämpningar för ett energilager beskrivs i förstudien, det är ökad acceptansgräns i nätet, minskade nätavgifter mot överliggande nät, kapacitetsutjämna och balansera elproduktion från intermittenta energikällor,nätförluster och energilager som reservkraft vid avbrott. Olika tillämpningar ställer olika krav på ett energilager. Beroende på vilken tillämpning för lagret som man avser är olika lagringsteknologier mer eller mindre lämpliga. I rapporten ges därför även en översikt över ett antal andra energilagerlösningar som vätgaslager med bränslecell, pumpkraft, tryckluft,
svänghjul, superkondensatorer och batterilager.
I projektet studerades främst litium-jon batterilager eftersom en mindre sådan installation finns under utvärdering inom det studerade exempelnätet hos Feab. För att få en helhetsbild över vilka möjligheter man har som nätägare beskrivs även alternativ till energilager i rapporten. Syftet är att ge perspektiv på vilka andra möjligheter som står till buds för ett nätbolag som överväger en investering i form av ett energilager. Sex olika alternativ för att kunna utöka
mängden förnyelsebar energi i ett nät diskuteras, det är traditionell nätplanering, reaktiv effektreglering, nedstyrning av vindproduktion, styrbara laster, dynamisk kapacitetsgräns och utökning av tillåten överlast/ överspänning. Tre olika anslutningspunkter har konkret studerats. Anslutningspunkterna representerar olika intressanta platser för placering av energilager. Anslutningspunkt 1 – är vid en fördelningsstation i ett landsbygdsnät, punkt 2 – är i nära anslutning till en vindkraftpark och anslutningspunkt 3 – är i en svagare punkt längre ut i distributionsnätet. För anslutningspunkt 1 och 3 har beräkningar för dimensionering av batterilager genomförts. Resultatet från kartläggning av det aktuella nätet visade att överlast är det som tenderar vara begränsande vid inkoppling av mer distribuerad generering i relativt starka punkter i nätet. Därför studerades anslutningspunkterna främst med ELFORSK avseende på överlast. För anslutningspunkt 1 och 3 studerades även påverkan av långsamma spänningsförändringar, samt möjligheten att med hjälp av lagret minska förluster i överliggande nät. Dimensionering av batterilager gjordes för tillämpningen att öka acceptansgränsen med avseende på överlast. För anslutningspunkt 2 gjordes ingen dimensionering.
För anslutningspunkt 1 och 3 dimensionerades batterilager efter att 6 MW respektive 3 MW extra vind anslutits till distributionsnätet. Då en lagerkapacitet för att täcka all överlast skulle medföra ett orealistiskt stort batterilager som ofta skulle stå outnyttjat, valdes en lagerstorlek i en brytpunkt där ytterligare ökning av batterikapacitet endast gav mindre ökning av tillvaratagen energi från vindkraft. Detta innebär att användandet av lagret kombineras med att spilla energi vid långa perioder av maximal vindproduktion. Nätnyttan vid installation av batterilager beror till stor del på de parametrar som finns i elnätet, men resultaten i denna rapport pekar mot att det är bättre att installera ett batterilager långt ut i elnätet i anslutning till ett vindkraftverk, om batterilager skall användas för att omhänderta överlast. Denna rapport har även visat att ett batterilager delvis kan kompensera sina egna omvandlingsförluster genom minskning av förluster i överliggande nät.Samt att en ökning av acceptansgränsen med hjälp av ett batterilager medför att man kan eliminera andra investeringar i nätet, som annars hade varit nödvändiga.
Regelverket för ett energilager är inte helt tydligt, men det finns två möjligheter för ett elnätsföretag att använda lagring för att effektivisera nätverksamhet. Antingen genom att själv äga lagret eller genom att köpa nättjänster från någon annan som äger lagret. I det sistnämna fallet finns det flera affärsmöjligheter för lagrets ägare. Om lagret ägs av en annan än ett elnätsföretag eller en balansansvarig, behöver balansansvaret lösas. Det finns dock i dagsläget inte tillräckligt med erfarenhet av denna typ av fall för att man ska kunna bedöma hur problematiken kring lager och balansansvar kan vara ett hinder mot kostnadseffektiv nätdrift. Två affärsmodeller belyser den ekonomiska aspekten med ett batterilager i rapporten. Dels om ägaren är en nätägare och dels om ägaren är en elhandlare med balansansvar. I affärsmodell Balanskraft ingår inköp och försäljning på Nord Pool Spot, där även kostnaden för lagrets förluster ingår. Batteriernas kapacitet laddas i och ur på en timme och lagret cyklas en gång per dygn. I affärmodell Nätägare används lagret i första hand till att öka acceptansgränsen och cyklas därför i första hand med avseende på överlast. I simuleringarna ingår inte några ekonomiska beräkningar eller antaganden för den nätnytta eller tillämpning som energilagret bidrar med.
För bägge affärsmodellernas simuleringar användes historiska spotpriser från 2011. Resultatet skulle även med all sannolikhet bli något helt annat om man simulerade lagret för andra tillämpningar eller andra affärsmodeller. Då energilager fortfarande är i forsknings- och utvecklingsfasen är det naturligt med höga investeringskostnader,
men även låga prisskillnader under ett dygn på Nord Pool Spot bidrar till att det för närvarande inte är en lönsam investering. Rapporten pekar dock på att det finns en något större möjlighet till lönsamhet med affärsmodellen Balanskraft än med affärsmodellen Nätägare.
ELFORSK
De framräknade investeringskostnaderna från affärsmodellerna ligger till grund för en översiktlig jämförelse mellan batterilager, annan energilagringslösning och alternativ till energilager. Syftet med att redovisa olika kalkyler är att visa den ekonomiska skillnaden som finns om man väljer mellan att investera i batterilager, i vätgaslager med bränslecell eller med traditionell nätplanering. Att investera i batterilager eller vätgaslager är en dyrare lösning än traditionell nätplanering. Man bör dock beakta att energilager har vissa fördelar som inte traditionell nätplanering har t ex möjligheten att jämna ut och balansera vindkraftens intermittenta elproduktion eller fungera som reservkraft i det lokala nätet. Man kan därför inte titta enbart på vilken investeringskostnad som respektive lösning medför, utan även på vilken funktion för nätet man önskar. Ur en nätägares perspektiv är troligtvis den enklaste lösningen i dag att genom avtal med vindkraftsproducenten ha möjlighet att styra ned elproduktionen. Det är sällan som maximal vindproduktion i kombination med låga laster inträffar. Under de få tillfällen det ändå sker under ett år, ska man kunna styra ned produktionen, vilket ger den lägsta investeringskostnaden utav dessa alternativ. Dock kan kraftelektronik i laddare för elfordon eller omriktare för motorer i framtiden komma att skapa problem i nätet. Om det på grund av dynamiska laster uppstår resonansproblem i nätet kan reaktiv effektkompensering ensamt inte lösa problemet, utan tvärt om, det kommer att förvärra problemet under vissa förutsättningar. Batterilager kopplat till en dämpningsstyrningsenhet typ STATCOM, s.k. E-STATCOM, kan då vara nödvändig för att stabilisera nätet. Vid ytterligare utbyggnad av vindkraft och inför en förestående investering i elnätet är det några frågor man bör ställa sig. Vilket problem i nätet är det som man vill lösa? Är det för att erhålla god leveranssäkerhet av el till sina
kunder? Eller spara vindel i lager för att slippa spilla den? Är det kanske för att kunna leverera godkänd spänning? Eller finns det något annat skäl? En fråga som inte är utredd här är vem som ska ta kostnaden för utökningar i elnäten som vindkraftsutbyggnaden orsakar. Elnätsbolagen, vindkraftsägarna eller ska samhället i stort bekosta de investeringar som kanske kommer att bli nödvändiga i framtiden?
Kommentar av Lars-Eric Andersson, VD Falbygdens Energi Nät AB (Fenab), ”Av förstudien konstaterar jag att det inte är elnätsägaren som har nytta av energilager utan möjligen producenter, balansansvariga eller elhandlare som kan buffra och sälja till bättre pris efter någon timma. En nytta ett energilager kan ha i ett elnät är att förbättra spänningskvalitéten, orsaken till tex övertoner kommer normalt från olika kunders utrustningar och det är dessa kunders skyldighet att inte ”smutsa ner” på nätet.” Problemet i anslutningspunkt 1 och 3 kommer Fenab att lösa genom avtal med vindkraftsägare om nedstyrning av elproduktionen under de timmar då överproduktion sker under ett år.
Innehållet i rapporten:
S. 1-31
Förstudie Energilager anslutet till vindkraft (12:44)
S. 32-56
Acceptansgräns vid anslutning av distribuerad generering
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 1”
S. 57-88
Förutsättningar för Energilager i lokalnät
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 2”
S. 89-135
Teknisk dimensionering – exempel
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 3”
S. 136-171
Regelverk för Energilager
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 4”
S. 172-233
Affärsmodeller energilager
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 5”
S. 234-272
Ekonomiska kalkyler
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 6”
S. 273-361
Energy Storage Equipped STATCOM for Power Quality Improvements in Distribution Grids
Elforsk rapport ”12:44 – Bilaga 7”
S. 362-376
PPT: Förstudie Energilager anslutet till Vindkraft, Elforsk rapport 12:44