Dette indlæg blev oprindelig bragt i GridTech PRO og er gengivet her med tilladelse.
Politikere lokalt og globalt skal træffe de rette energivalg, hvis vi skal nå FN's verdensmål nummer syv om adgang til pålidelig, bæredygtig og moderne energi. I dette synspunkt forklarer Bo Tranberg, ph.d i ingeniørvidenskab, hvordan fundamentale systemmodeller kan være et godt redskab i den energipolitiske beslutningsproces.
I skrivende stund har 159 lande og knap 10.000 virksomheder meldt sig ind i kampen om at nå FN's 17 verdensmål for bæredygtig udvikling. Blandt disse mål går nummer 7 ud på at sikre, at alle har adgang til pålidelig, bæredygtig og moderne energi til en overkommelig pris, med 5 delmål, som alle skal nås inden 2030.
Hvordan skal vi nå dette mål? Der er bred enighed om, at det kræver integration af store mængder af vedvarende energikilder som fx vind og sol i vores elnet. En stigende integration af disse variable teknologier kræver desuden investeringer i transmissionsnet og lagerkapaciteter for at udjævne den variable produktion over tid og geografiske områder.
Samspillet mellem disse teknologier i jagten på et fremtidigt system, som på samme tid skal være stabilt, billigt og udlede minimalt CO2, er ikke ligetil. Her kan fundamentale systemmodeller være et skridt på vejen.
Planlægning af fremtidens elnet
Det primære formål med fundamentale modeller for energisystemet er at planlægge både nuværende og fremtidige systemer. Da der er høj variabilitet i produktion fra vedvarende energikilder og forbrugsmønstre, skal denne slags modeller være i stand til på samme tid at planlægge produktion, op-/afladning af lagre, samt import og eksport mellem markedsområder.
Fundamentale systemmodeller kan hjælpe med at svare på spørgsmål som: Hvor meget skal der investeres i produktions-, transmissions- og lagerkapaciteter? Hvilke teknologier er at foretrække? Hvad er den optimale geografiske placering af forskellige teknologier?
Systemmodeller er særdeles brugbare til at udforske pragmatiske løsninger til det overordnede design af det fremtidige europæiske elsystem, men giver ingen vejledning til individuelle aktører i systemet. Her kommer politikere på nationalt og europæisk niveau ind i billedet.
De kan bruge resultaterne fra systemmodeller som inspiration til at implementere de rette incitamenter for investorer og andre aktører i systemet således, at det nuværende europæiske elsystem udvikler sig mod det optimale, fremtidige, bæredygtige system.
Udforskning af fremtidige scenarier
I et nyt studie har vi anvendt en fundamental systemmodel til at undersøge samspillet mellem forskellige teknologier i et fremtidigt scenarie for Europas elnet. Studiet indgår i øvrigt i en nyligt afsluttet ph.d.-afhandling . En samlet optimering af drift på timeniveau med investeringer i form af placering og mængde af produktions-, lager- og transmissionskapaciteter leder til layoutet vist i figur 1. Her viser venstre panel produktionskapaciteter, og højre panel viser lagerkapaciteter. Modellens netværk består af 64 knudepunkter i 33 lande, som derfor gør den i stand til at beskrive interne regionale forskelle i større lande. Modellen gør brug af en såkaldt 'green field'- fremgangsmåde, som ikke tager højde for det nuværende system, men i stedet opbygger det optimale fremtidige system fra bunden.
Figur 1: Optimalt layout af produktions- og lagerkapaciteter som resultat af en fundamental systemmodel.
Figur 1 viser et overblik over systemets overordnede layout. Det ser bl.a. ud, som om batterier har en tendens til at blive installeret sammen med solceller og brintlagre sammen med vindmøller.
For at finde koblingen mellem produktion og oplagring kan vi gøre brug af flow tracing. Flow tracing er en metode, der matematisk kan spore strømmens retning på transmissionsnettet og dermed kortlægge vejen mellem producenter, lagre og forbrugere.
En afgørende, dybere forståelse for elsystemet
Resultatet af flow tracing med fokus på udnyttelse af lagre kan ses i figur 2. Figuren viser, hvilke produktionsteknologier der bruges til at oplade forskellige lagre. Vi kan se, at det stort set udelukkende er sol, der lader batterier op, mens det stort set kun er vind, der bliver brugt til at fylde brintlagre.
Figur 2: Gennemsnitlig flow af strøm ind i tre forskellige lagerteknologier fordelt på seks forskellige produktionsteknologier som resultat af flow tracing.
Det er mere blandet for hydroelektriske lagre. Her får vi altså bekræftet vores intuition fra figur 1 om, at der er en stærk kobling mellem solceller og batterier, som går på at udjævne den daglige rytme i solproduktionen. Brintlagrene bliver derimod brugt til at udjævne udsving i vindproduktion på en tidsskala fra få dage til hele uger.
Kombinationen af en fundamental systemmodel og efterfølgende sporing af det resulterende flow af strøm kan give en dybere forståelse for de underliggende mekanismer i elsystemet, som er vigtige, når der skal træffes beslutninger om investeringer i fremtidens system.
Fundamentale systemmodeller er ikke kun interessante inden for den akademiske verden. Fremgangsmåden præsenteret her er fleksibel mht. rumlig og tidslig opløsning af tilgængelige datasæt, der muliggør denne slags analyse på alle skalaer, fra meget lokalt plan, som kunne være interessant for enkelte virksomheder, til regionalt og globalt plan, som eksemplet i figur 1.
Det er endda muligt at inkludere alle tænkelige eksisterende og mulige fremtidige teknologier og få indblik i deres samspil. Et nyttigt værktøj, når den rette vej til at nå verdensmålene skal vælges.
Der er givet en detaljeret beskrivelse af de præsenterede resultater i følgende artikel:
Bo Tranberg et al., "Flow-Based Analysis of Storage Usage in a Low-Carbon European Electricity Scenario," 2018 15th International Conference on the European Energy Market (EEM), Lodz, 2018, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/EEM.2018.8469951. Preprint på arXiv.
Artiklen udgør kapitel 5 i min ph.d.-afhandling:
Bo Tranberg, “Cost allocation and risk management in renewable electricity networks”, Ph.d.-afhandling, 2019, https://doi.org/10.7146/aul.311.210.