Advanced

Power-to-Heat as a flexibility resource to facilitate introduction of intermittent renewable energy sources

Da Costa Stranne, John LU and Josefsson, Christoffer LU (2016) FMI820 20161
Environmental Engineering (M.Sc.Eng.)
Electrical Engineering (M.Sc.Eng.)
Environmental and Energy Systems Studies
Abstract (Swedish)
Fossilbaserad elproduktion i Sverige fasas ut allt mer och ersätts med förnybara energikällor. Omställningen till ett mer förnybart energisystem fortgår redan nu eftersom intermittenta förnybara energikällor, såsom vindkraft, driftsätts varje år. Denna omvandling innebär utmaningar för elnätet eftersom tillgång och efterfrågan inte alltid sammanfaller. Flexibilitetsåtgärder kan mildra dessa effekter och anses därför vara värdefulla för elnätsoperatörer. Power-to-heat kan potentiellt vara en sådan flexibilitetsåtgärd.

Inom detta sammanhang är power-to-heat ett concept för att producera värme i ett fjärrvärmesystem under ett nät med elektricitetsöverskott. Överskottsenergin kan under elproduktionstoppar leda till en överträdelse av... (More)
Fossilbaserad elproduktion i Sverige fasas ut allt mer och ersätts med förnybara energikällor. Omställningen till ett mer förnybart energisystem fortgår redan nu eftersom intermittenta förnybara energikällor, såsom vindkraft, driftsätts varje år. Denna omvandling innebär utmaningar för elnätet eftersom tillgång och efterfrågan inte alltid sammanfaller. Flexibilitetsåtgärder kan mildra dessa effekter och anses därför vara värdefulla för elnätsoperatörer. Power-to-heat kan potentiellt vara en sådan flexibilitetsåtgärd.

Inom detta sammanhang är power-to-heat ett concept för att producera värme i ett fjärrvärmesystem under ett nät med elektricitetsöverskott. Överskottsenergin kan under elproduktionstoppar leda till en överträdelse av kapacitetesabonnemang på grund av kapacitetsbegränsningar. Dessa kapacitetsabonnemang är avtal mellan elsystemansvariga för inmatning eller uttag av elektricitet till och från det överliggande nätet. Överträdelser har relativt höga kostnader och användarflexibilitet kan vid dessa tillfällen vara fördelaktig för elnätsoperatörer.

Syftet med detta examensarbete är att undersöka den tekniska, ekonomiska och de praktiska aspekterna av power-to-heat för att kunna reducera överföringskapacitetsbehovet under tider med stor lokal elproduktion.

Genomförbarheten av power-to-heat uppskattades genom en specifik fallstudie i norra Sverige. Fallstudien berör sub-transmissionselnätet som E.ON Elnät äger och E.ON Värmes fjärrvärmenät i Sollefteå. De båda systemen var först analyserade separat för att bedömma de tekniska begränsningarna och de nödvändiga praktiska förutsättningarna. De två systempotentialerna var sedan kombinerade för att finna ekonomiska fördelar och nackdelar för en helhetsbedömning av den ekonomiska potentialen.

Det finns ett fåtal nyckelfaktorer som bestämmer den ekonomiska genomförbarheten för power-to-heat. De ekonomiska fördelarna har sitt ursprung i kostnadsreduktioner som följer minskningen av energimängden ovanför abonnemangsgränsen, genom att använda den för power-to-heat. Kostnadsreduktionen är beroende av kapacitetsavtalens kostnadsmodell. Enligt studien är energibaserade avtalsmodeller mest fördelaktiga för power-to-heat. I en sådan modell är kostnaderna kopplade till energimängden som ligger ovanför abonnemangsgränsen, snarare än den högsta effekten. Den energibaserade modellen är mer gynnsam för power-to-heat eftersom energivolymen lättare kan hanteras än effekttoppar. De ekonomiska nackdelarna är nästan uteslutande beroende av elpriset. Eftersom de rörliga kostnaderna är baserade på den faktiska energivolymen använd i power-to-heat, påverkar inte investeringarna resultatet mycket.

Det har visat sig att de rörliga kostnaderna skapar en olönsam affärsmöjlighet eftersom besparingarna från kostnadsreduktion av överträdelserna är för liten.

Power-to-heat ser däremot ut att vara en lämplig flexibilitetsresurs ur ett tekniskt pespektiv eftersom det verkar finnas få hinder vid användning. Fjärrvärmenätet har interna flexibilitetsmekanismer så som möjligheten att tillfälligt lagra värmeenergi. Denna förmåga kan leda till tillfällen med överproduktion av värme som kan potentiellt bidra med ökade förluster.

Det störta hindret för power-to-heat i fjärrvärmenätet är framledningstemperaturen. Under tider med låg värmeefterfrågan samt värmeöverproduktion kan framledningstemperaturen överstiga de fysiska begränsningarna vilket kan vara en fara för systemet.

Det finns utmaningar angående ramavtal och förutsättningar som behöver uppmärksammas för att kunna implementera power-to-heat. Ett problem är personalens tillgänglighet, speciellt den bristande närvaron på Nord Pool's intraday marknad. Tillräcklig insyn, osäkerheten i elproduktion samt hanteringen av värmepannors reglertid är andra utmaningar som bör hanteras. En fulländad överträdelsecykel sträcker sig från planneringsfasen innan en faktiskt överträdelse till och med en avslutad överproduktion. För att kunna hantera en fullständig cykel, samt hantera de power-to-heat relaterade utmaningarna, har två stycken modeller presenterats som möjliga lösningar.

Till slut dras slutsatsen att det finns potential för power-to-heat i samtliga aspekter i fallstudien bortsett den ekonomiska. Kapacitetsavtalsmodellen fungerar i förmån för power-to-heat och fjärrvärmenätet verkar ha teknisk potential, däremot saknas en lönsamhet. Författarna påvisar dock att det finns faktorer som kan påverka lönsamheten så som ett mer volatilt elpris och en möjlig framtida situation utan möjlighet till tillfälliga abonnemang.

Den miljömässiga aspekten och de konsekvenser som följer användandet av power-to-heat verkar vara positiva. Ett optimerat användande av transmissionssystemt kan leda till att mer intermittent elproduktion introduceras i det svenska energisystemet. Motsatsen må däremot leda till begränsningar i befintlig intermittent elproduktion.

För framtida undersökning rekommenderar författarna fortsatt analys av de ekonomiska balanser för varje involverad part, och i långa loppet undersöka konsekvenserna och möjligheterna som följer användandet av flera koordinerade flexibilitetsresurser. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Problemen kring oregelbunden elproduktion kan delvis lösas genom att använda fjärrvärmenätets flexibilitet. Oregelbunden elproduktion medför att elnätets belastning kan bli ojämn och svårhanterlig, vilket leder till ökade kostnader för såväl marknadsaktörer som samhället. Den föreslagna lösningen bygger på att lokal vindkraftsel används till lokal fjärrvärmeproduktion under tider med extra stor elproduktion. Denna el skulle annars ha kunnat begränsa eller överbelasta elnätet och på så vis bidra till ett instabilt elsystem. Lönsamhet för denna åtgärd saknas i dagsläget, men framtida användning är inte otrolig då problemen väntas öka.
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Da Costa Stranne, John LU and Josefsson, Christoffer LU
supervisor
organization
alternative title
a case study of how to optimize the power distribution system using the district heating system
course
FMI820 20161
year
type
H3 - Professional qualifications (4 Years - )
subject
keywords
DSO, Flexibility, Power-to-Heat, P2H, District Heating, Electricity, Potential
report number
ISRN LUTFD2/TFEM-- 16/5113--SE + (1-106)
ISSN
1102-3651
language
English
id
8880897
date added to LUP
2016-07-08 10:40:12
date last changed
2016-07-08 10:40:12
@misc{8880897,
  abstract     = {Fossilbaserad elproduktion i Sverige fasas ut allt mer och ersätts med förnybara energikällor. Omställningen till ett mer förnybart energisystem fortgår redan nu eftersom intermittenta förnybara energikällor, såsom vindkraft, driftsätts varje år. Denna omvandling innebär utmaningar för elnätet eftersom tillgång och efterfrågan inte alltid sammanfaller. Flexibilitetsåtgärder kan mildra dessa effekter och anses därför vara värdefulla för elnätsoperatörer. Power-to-heat kan potentiellt vara en sådan flexibilitetsåtgärd.

Inom detta sammanhang är power-to-heat ett concept för att producera värme i ett fjärrvärmesystem under ett nät med elektricitetsöverskott. Överskottsenergin kan under elproduktionstoppar leda till en överträdelse av kapacitetesabonnemang på grund av kapacitetsbegränsningar. Dessa kapacitetsabonnemang är avtal mellan elsystemansvariga för inmatning eller uttag av elektricitet till och från det överliggande nätet. Överträdelser har relativt höga kostnader och användarflexibilitet kan vid dessa tillfällen vara fördelaktig för elnätsoperatörer.

Syftet med detta examensarbete är att undersöka den tekniska, ekonomiska och de praktiska aspekterna av power-to-heat för att kunna reducera överföringskapacitetsbehovet under tider med stor lokal elproduktion.

Genomförbarheten av power-to-heat uppskattades genom en specifik fallstudie i norra Sverige. Fallstudien berör sub-transmissionselnätet som E.ON Elnät äger och E.ON Värmes fjärrvärmenät i Sollefteå. De båda systemen var först analyserade separat för att bedömma de tekniska begränsningarna och de nödvändiga praktiska förutsättningarna. De två systempotentialerna var sedan kombinerade för att finna ekonomiska fördelar och nackdelar för en helhetsbedömning av den ekonomiska potentialen.

Det finns ett fåtal nyckelfaktorer som bestämmer den ekonomiska genomförbarheten för power-to-heat. De ekonomiska fördelarna har sitt ursprung i kostnadsreduktioner som följer minskningen av energimängden ovanför abonnemangsgränsen, genom att använda den för power-to-heat. Kostnadsreduktionen är beroende av kapacitetsavtalens kostnadsmodell. Enligt studien är energibaserade avtalsmodeller mest fördelaktiga för power-to-heat. I en sådan modell är kostnaderna kopplade till energimängden som ligger ovanför abonnemangsgränsen, snarare än den högsta effekten. Den energibaserade modellen är mer gynnsam för power-to-heat eftersom energivolymen lättare kan hanteras än effekttoppar. De ekonomiska nackdelarna är nästan uteslutande beroende av elpriset. Eftersom de rörliga kostnaderna är baserade på den faktiska energivolymen använd i power-to-heat, påverkar inte investeringarna resultatet mycket.

Det har visat sig att de rörliga kostnaderna skapar en olönsam affärsmöjlighet eftersom besparingarna från kostnadsreduktion av överträdelserna är för liten. 

Power-to-heat ser däremot ut att vara en lämplig flexibilitetsresurs ur ett tekniskt pespektiv eftersom det verkar finnas få hinder vid användning. Fjärrvärmenätet har interna flexibilitetsmekanismer så som möjligheten att tillfälligt lagra värmeenergi. Denna förmåga kan leda till tillfällen med överproduktion av värme som kan potentiellt bidra med ökade förluster. 

Det störta hindret för power-to-heat i fjärrvärmenätet är framledningstemperaturen. Under tider med låg värmeefterfrågan samt värmeöverproduktion kan framledningstemperaturen överstiga de fysiska begränsningarna vilket kan vara en fara för systemet.

Det finns utmaningar angående ramavtal och förutsättningar som behöver uppmärksammas för att kunna implementera power-to-heat. Ett problem är personalens tillgänglighet, speciellt den bristande närvaron på Nord Pool's intraday marknad. Tillräcklig insyn, osäkerheten i elproduktion samt hanteringen av värmepannors reglertid är andra utmaningar som bör hanteras. En fulländad överträdelsecykel sträcker sig från planneringsfasen innan en faktiskt överträdelse till och med en avslutad överproduktion. För att kunna hantera en fullständig cykel, samt hantera de power-to-heat relaterade utmaningarna, har två stycken modeller presenterats som möjliga lösningar.

Till slut dras slutsatsen att det finns potential för power-to-heat i samtliga aspekter i fallstudien bortsett den ekonomiska. Kapacitetsavtalsmodellen fungerar i förmån för power-to-heat och fjärrvärmenätet verkar ha teknisk potential, däremot saknas en lönsamhet. Författarna påvisar dock att det finns faktorer som kan påverka lönsamheten så som ett mer volatilt elpris och en möjlig framtida situation utan möjlighet till tillfälliga abonnemang.

Den miljömässiga aspekten och de konsekvenser som följer användandet av power-to-heat verkar vara positiva. Ett optimerat användande av transmissionssystemt kan leda till att mer intermittent elproduktion introduceras i det svenska energisystemet. Motsatsen må däremot leda till begränsningar i befintlig intermittent elproduktion.

För framtida undersökning rekommenderar författarna fortsatt analys av de ekonomiska balanser för varje involverad part, och i långa loppet undersöka konsekvenserna och möjligheterna som följer användandet av flera koordinerade flexibilitetsresurser.},
  author       = {Da Costa Stranne, John and Josefsson, Christoffer},
  issn         = {1102-3651},
  keyword      = {DSO,Flexibility,Power-to-Heat,P2H,District Heating,Electricity,Potential},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Power-to-Heat as a flexibility resource to facilitate introduction of intermittent renewable energy sources},
  year         = {2016},
}