Mer fornybar kraft utfordrer energisystemet i Europa

Torjus Folsland Bolkesjø, Åsa Grytli Tveten,
Eirik Trømborg (NMBU)

Europas energisystem er i rask endring, med utfasing av fossile kraftverk og en kraftig vekst i uregulerbar fornybar kraft. Hvilke konsekvenser har dette for kraftsystem og produsenter? Og hvilke løsninger kan bidra til å balansere varierende krafttilgang med forbruk er avgjørende for å sikre forsyning og lønnsomme investeringer?

Kraftrevolusjonen i Nord-Europa

Kraftsektoren i Nord-Europa har det siste tiåret opplevd en dramatisk vekst i produksjon fra fornybare energikilder. Danmark satte ny verdensrekord i andel vindkraftproduksjon i 2015, da vindkraften utgjorde 42 prosent av det samlede elforbruket. I Tyskland var samlet sol- og vindkraftproduksjon i 2015 like stor som den norsk vannkraftproduksjonen. EUs mål for 2030 er en samlet fornybarandel på 40%. Ressurstilgang, virkemiddelbruk og kostnadsnivå tilsier at det vesentlige av dette vil komme i form av uregulerbar vind- og solkraft.

Ren, men ustyrlig

FIGUR 1: Normaliserte sesongprofiler for forbruk, tilsig, solkraft og vindkraft i Norge 2000-2012.  Fra Grønborg (2016).

Energisystemer med høye andeler vind- og solkraft møter utfordringer knyttet til balansen mellom produksjon og forbruk av kraft.

Vindkraft har en sesongprofil som er i relativt godt samsvar med kraftforbruket over året (figur 1), men store kortsiktige variasjoner gjør at vindkraften ofte samsvarer dårlig med kraftforbruket over døgnet.

Solkraft har en døgnprofil som er i godt samsvar med forbruket, men solkraftproduksjonen er størst om sommeren, i motsetning til forbruket.

Små vannkraftanlegg har liten lagringsevne og produksjonen følger dermed tilsigsforløpet i elven, med lav produksjon om vinteren når kraftforbruket er høyest.

FIGUR 2: Forbruk (grønt areal) og residualforbruk (blått areal) ved 30% vindkraftandel over en uke.

Noen av de viktige utfordringene knyttet til ny fornybar kraft er eksemplifisert med vindkraft i figur 2.

Det blå arealet viser et typisk forbruksmønster over en uke. Vi antar her et at vindkraft i snitt utgjør 30% av produksjonen i markedet. Det grønne arealet viser da hvor mye av totalforbruket som må dekkes av andre teknologier enn vindkraft i en vanlig uke fordi vindmengden varierer. Figuren illustrerer tre hovedutfordringer:

• Regulering og balansering:  Raske kortsiktige svingninger i vind- og solforhold gir behov for rask opp- og nedregulering av øvrig produksjon for å holde systemet i balanse. 
• Overkapasitet: Perioder med svært mye vind- og/eller solkraftproduksjon gir overproduksjon og økonomiske tap knyttet til avkortning i nettet 
• Reservekapasitet: Perioder med lite fornybar kraft innebærer at vi må opprettholde nesten like mye reservekapasitet som i et system uten disse teknologiene. I Norge er det kalde januardager med høyt forbruk, lite vind, lavt tilsig og lav solintensitet som avgjør reservekapasitetskravet.
   

Mye uregulerbar fornybar kraftproduksjon byr også på utfordringer for eksisterende kraftprodusenter:

• Lav brukstid:  Brukstiden, og dermed inntektene, for grunnlast- og mellomlastteknologier synker fordi vind- og solkraft har svært lav kortsiktig marginalkostnad og gjerne også prioritet i nettet. 
• Synkende enhetsinntekter: Inntektene til fornybarprodusentene synker med økende markedsandel fordi kraftprisen presses ned i perioder med høy produksjon. I Tyskland var vindkraftprodusentenes mottatte pris i 2015 14 % lavere enn gjennomsnittlig kraftpris, og den var hele 25% lavere enn produsentprisen for gass- og kullkraftverk. Med økende markedsandeler for vind vil dette inntektsgapet øke.

De totale økonomiske kostnadene knyttet til de systemmessige utfordringene og redusert lønnsomhet for eksiterende produsenter er betydelige. De kan sågar tenkes å bli like høye som, eller overstige, utbyggingskostnadene i markeder med høye fornybarandeler.

Behov for fleksible hjelpere

Utfordringene beskrevet over kan løses ved å velge mekanismer som øker fleksibiliteten i energisystemet. Økt fleksibilitet kan oppnås på flere måter:

• Øke overføringskapasiteten  – slik at man kan eksportere kraft i overskuddsperioder og importere ved underskudd 
• Øke lagringskapasiteten  – slik at overskuddskraft kan lagres i batterier, varmelager eller vannkraftreservoarer 
• Øke forbrukerfleksibiliteten  – slik at forbruket i større grad følger produksjonen 
• Forbedre samspillet mellom kraft- og varmesystemet  – slik at el brukes til oppvarming i vannbårne systemer i overskuddsperioder, og andre energikilder brukes ved kraftunderskudd

Norge står i en særstilling med den store andelen regulerbar vannkraft, men med økt overføringskapasitet til resten av Europa er det grunn til å ta hensyn til den europeiske energirevolusjonen.

Det innebærer å planlegge ut fra at fleksibilitet blir mer verdifullt i framtiden og å velge fleksible, men kostnadseffektive løsninger. Det innebærer også å ta høyde for at det norske kraftoverskuddet kan avta.

Mange peker på at Norge vil ha et betydelig kraftoverskudd de neste ti årene. Historien har imidlertid vist at det er vanskelig å forutsi utviklingen i kraftmarkedet. Mulige nedleggelser av svensk kjernekraft kombinert med befolkningsvekst, økt kraftforbruk i transport, varme og industri kan gi en annen forsyningssituasjon på sikt. I tillegg har vi lokale utfordringer i kraftsystemet som må tas hensyn til i planleggingen.