Modeling Swedish Hydropower and Intermittent Production Variability in TIMES

Abstract

This thesis considers the representation of intermittent and flexible power production in long-term energy system models, and more specifically at the Swedish hydropower's capability of balancing the variations from increased shares of power from intermittent energy sources. The thesis aims to investigate how a present national TIMES model can be improved to better capture the technical, physical, legal and market related restrictions controlling the flexibility of hydropower. The analysis is carried out in three steps. Firstly, a short literature review is conducted to describe the restrictions. Based on the review findings a TIMES-based model is thereafter developed. Finally, the model's calculations of the future energy systems optimal composition are compared to the ones of the conventional long-term energy system model TIMES-Sweden. The results indicate that models with lower temporal resolution overestimate the power system’s ability to balance an increased share of power generation from intermittent sources due to the models’ inability to account for the increased occurrences of situations with a high power demand and low intermittent production availability. They also highlight the importance of accounting for the power systems ability to balance unexpected production decreases due to forecast errors of intermittent production. When it comes to estimating the Swedish hydropower's flexibility the scope of the case study limits the number of conclusions than can be drawn. However, the results do indicate that the biggest challenges of balancing high shares of intermittent production with hydropower probably do not concern the hydropower system's ability to follow the increasing variability in residual load, but rather other limitations such as transmission capacities or restrictions stemming from production uncertainties.

Popular Abstract (Swedish)

Energisystemsmodellering med fokus på den svenska vattenkraftens förmåga att balansera en ökad andel vind- och solelproduktion

Det pågår idag en global omställning av elsystemet, från fossila till förnybara energikällor. Den nya elproduktionen väntas till stor del utgöras av variabel produktion, vilket medför nya utmaningar för elsystemet. I examensarbetet utvecklas en modell för att undersöka hur den svenska vattenkraften möjliggör för en sådan utveckling.

Långsiktiga energisystemsmodeller är verktyg som kan användas för att studera hur energisystemet kan utvecklas på sikt, med hänsyn till samhälleliga faktorer såsom ekonomi och politik. Modellerna gör det möjligt att beakta komplexa samspel inom energisystemet och hitta den mest kostnadseffektiva sammansättningen av konkurrerande alternativ utifrån antaganden om efterfrågan av varor och tjänster samt tekniska, fysiska och politiska restriktioner. De möjliggör alltså studier av energisystemet ur ett helhetsperspektiv.

Historiskt sett har modellerna fokuserat på behovet och tillgången av energiproduktion över längre tidshorisonter. Eftersom energisystemet nästan helt och hållet har utgjorts av teknologier vars produktion går att planera har tillfälliga variationer inte haft någon central betydelse för systemets utformning. I och med omställningen till förnybar energi sker det dock idag en stor utökning av variabel elproduktion. Detta leder till att betydelsen av systemets förmåga att hantera tillfälliga variationer ökar, eftersom sol- och vindkraftsproduktion inte går att planera i samma utsträckning som traditionella kraftkällor.

I examensarbetet har en energisystemsmodell utvecklats i vilken variationerna från vind- och solelproduktion samt vattenkraftens förmåga att balansera dessa representeras i större detalj. Detta gjorde det möjligt att undersöka hur dessa faktorer påverkar energisystemsmodellernas beräkningar av det framtida energisystemet, och i vilken utsträckning en flexibel användning av den svenska vattenkraften möjliggör en utökning av förnybar el från vind och sol.

Resultaten visar att den svenska vattenkraften är mycket flexibel när det gäller att balansera variabel elproduktion. I det studerade fallet klarar vattenkraftsystemet i Luleälven av att balansera merparten av variationerna i ett elsystem bestående av 20 TWh vindkraft, motsvarande 50 % av systemets totala elproduktion. Om resultatet skulle kunna appliceras på hela landet skulle detta innebära att kärnkraften i princip skulle kunna ersättas av vindkraft. Alternativt skulle vattenkraftens balanskraft kunna exporteras och leda till globala utsläppsvinster. Resultaten tyder alltså på att det finns stora möjligheter till att använda den svenska vattenkraften till att balansera för en utbyggnad av förnybar, variabel elproduktion. De stora utmaningar som kan finnas ligger snarare i faktorer som inte tagits med i detta arbete, som till exempel begränsningar i elnätet.

Examensarbetet kan ligga till grund för vidare studier av det svenska elsystemets utveckling i scenarier med höga andelar variabel elproduktion. En utveckling av modellen kan även användas till att titta närmare på specifika åtgärder som har med leveranssäkerhet i ett förnybart elsystem att göra, så som till exempel ombyggnationer av den svenska vattenkraften, investeringar i transmissionsledningar eller potentialen av nya flexibla energilagring- och användningsteknologier.

• author: Rundqvist Yeomans, Gustaf
• supervisor: Max Åhman
• organization: Environmental Engineering (M.Sc.Eng.); Environmental and Energy Systems Studies
• course: FMI820 20171
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: TIMES, Energy Flow Optimization Model, Dispatch Modeling, Hydropower, Wind Power, Intermittency, Variability, Balancing Production Variations, Hydro-Thermal System
• report number: LUTFD2/TFEM--17/5123--SE + (1-59)
• ISSN: 1102-3651
• language: English
• id: 8926332
• date added to LUP: 2017-09-28 13:21:49
• date last changed: 2017-09-28 13:21:49