Hybrid power production for a grid with limited capacity

Abstract

There is an urgent need to reduce CO2 emissions in Sweden, primarily caused by industry and the transport sector, which together accounted for nearly 65% of the country's total CO2 emissions in 2023. A key solution to this challenge is the rapid and effective implementation of green electrification, which involves transitioning industry and transportation to electricity and electricity-based fuels. As a result, Sweden is projected to experience a dramatic increase in electricity demand by 2030. This raises crucial questions, including how the grid will handle this surge and which electricity sources are best suited to meet the demand. The thesis explores how hybrid parks, a relatively new power source combining photovoltaic (PV) panels, wind turbines, and battery energy storage systems (BESS), can be an important part of this transition.

This study investigates the advantages and disadvantages of hybrid parks by designing a hypothetical case study. It guides the reader through the challenges and solutions a hybrid park can offer through four steps in park development: screening, technology selection and park design, energy production analysis, profitability analysis, and the Swedish electricity market analysis. The methodology involves literature studies, interviews, production simulations, and economic analysis.

Given the rapid changes in the Swedish electricity market and technology, particularly in recent years, it is important to note that literature older than five years may already be outdated. With this in mind, the results presented in this report should be viewed as a snapshot of the current electricity system.

The study highlights several critical measures and challenges that are important to consider when designing future hybrid and energy parks. The results also support the future relevance of hybrid parks as a production source in Sweden's energy mix. Some of these key findings are as follows:


* Grid capacity, a major obstacle slowing Sweden's electrification, necessitates prioritizing grid availability over land area or geology in the screening process to facilitate production connections.
* The significant reduction in the costs of Variable Renewable Energy (VRE) and BESS technologies increases their profitability, positioning them and hybrid parks for important roles in the future electricity mix.
* The negative correlation between solar and wind power generation helps stabilize overall power output.
* Flexibility in output power and electricity provided by BESS allows for strategies such as curtailment and load shifting, which integrate more production and substantially boost profitability through various revenue streams and cost savings.


The findings suggest that hybrid parks represent a promising investment opportunity, enabling the expansion of variable renewable energy sources with minimal compromise to grid stability compared to wind power and solar pV alone. These facilities are expected to become more common, establishing themselves as the new standard for VRE development. VRE installations lacking flexibility will quickly become obsolete.

Abstract (Swedish)

Med 2024 officiellt uppmätt som det varmaste året hitills är klimatförändringarna och behovet av att minska utsläppen är mer aktuella än någonsin. Sveriges viktigaste uppgift i denna utmaning är att effektivt elektrifiera sina två största källor till koldioxidutsläpp: industrin och transportsektorn. Dessa två sektorer står tillsammans för hela 65 % av landets utsläpp. Elektrifieringen förväntas leda till en fördubbling av elförbrukningen fram till 2050. Detta innebär att vi måste kraftigt öka produktionen av grön energi för att möta framtidens behov.

Samtidigt har det inte undgått någon att elfrågan har blivit en het fråga på agendan. Vi kan läsa dagliga nyhetsartiklar om rekordstora variationer i elpriserna, och ett elnät som brottas med kapacitetsbrist.

Detta ställer krav på att snabbt utveckla nya och flexibla produktionsanläggningar som kan anpassa sig både till nätoperatörernas behov och till hur vi som konsumenter använder el. Om vi inte lyckas riskerar Sverige att tappa sin konkurrenskraft och missa viktiga möjligheter att bromsa klimatförändringarna.

En av de lösningar som har dykt upp är hybridparker, en relativt ny typ av anläggning som kombinerar solpaneler, vindkraftverk och batterilagringssystem (BESS). Tanken är att solkraften ska generera el under dagen, vindkraften nattetid eller vid molniga dagar, och tillsammans ger de här källorna en jämnare produktion av el. Med batterier som lagrar överskottsenergi kan hybridparkerna dessutom leverera en mer stabil elförsörjning när efterfrågan ökar.

Batterierna i en hybridpark gör mycket mer än att lagra överskottsenergi – de gör även att vi kan minska risken för elbrist när vi förlitar oss allt mer på förnybar energi, som kan vara mer ojämn i sin produktion. Dessutom är batterier bra för att minska den maximala produktionen vid behov, så att vi inte överbelastar systemet. Man kan kortfattat säga att batteriet fungerar som hybridparkens tvättsvamp, som både kan suga upp och släppa ifrån sig el till nätet. Detta gör dessutom att hybridparkerna blir mer lönsamma då de öppnar upp för fler intäktsströmmar genom att delta i stödtjänstmarknader och genom att köpa billig el och sälja när priserna är höga.

Men hybridparker möter också utmaningar. En sådan utmaning är de nya effektavgifterna, som har införts för att uppmuntra till effektivare elanvändning. Eftersom det är ganska ovanligt att både sol och vind producerar mycket energi samtidigt, kan det faktiskt vara mer ekonomiskt fördelaktigt att begränsa produktionen från en hybridpark till cirka 50 % av dess maxkapacitet, för att undvika att nätavgifterna blir högre än intäkterna från elförsäljningen.

För att förstå potentialen och utmaningarna med hybridparker har vi genomfört en studie som fokuserar på en hypotetisk referenspark. Genom att titta på olika faser av utvecklingen – från val av plats och teknik till analys av elproduktion och lönsamhet – har vi kunnat identifiera både möjligheter och utmaningar som kan uppstå längs vägen. Detta tillvägagångssätt ger en helhetsbild och hjälper till att förstå vad som behöver göras och när det är bäst att göra det i utvecklingsprocessen.

Sammanfattningsvis visar vår studie att det finns stor potential i att kombinera BESS, vind- och solkraft i hybridparker, och det kan bli en viktig del för att uppnå Sveriges elektrifieringsmål. Genom att öka flexibiliteten och balansen i elnätet kan hybridparker hjälpa oss att bättre utnyttja den förnybara energin och elnäten mer effektivt. Arbetet ämnar att bidra med vägledning för att förbättra lönsamheten hos hybridparker samt lyfta de fördelar de kan erbjuda för Sveriges elsystem.

• author: Wahlström, Oscar and Andersson, Filip
• supervisor: Lars J Nilsson; Hannes Sonnsjö
• organization: Environmental and Energy Systems Studies
• alternative title: Co-location of solar and wind power with shared battery storage in the Swedish electricity system
• alternative title: Samlokalisering av sol- och vindkraft med delad batterilagring i det svenska elsystemet
• course: FMIM01 20242
• year: 2025
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Energy, Batteries, Solar PV, Wind power, Power, Hybrid, Hybrid park, Tariffs, GreenGo Energy, Grid, Flexibility, Electricity, BESS, DSO, TSO, Curtailment, Electricity markets
• report number: ISRN LUTFD2/TFEM—25/5222–SE + (1-136)
• ISSN: 1102-3651
• language: English
• id: 9185433
• date added to LUP: 2025-02-26 07:29:40
• date last changed: 2025-02-26 07:29:40