Elkjeler i fjernvarme øker verdien av ny fornybar kraftproduksjon

Torjus Folsland Bolkesjø,
Jon Gustav Kirkerud og
 Erik Trømborg, NMBU
Med innfasing av uregulerbar fornybar kraft og utfasing av termiske verk øker behovet for løsninger som kan bidra med fleksibilitet i energisystemet.

I denne artikkelen viser vi hvordan økt bruk av el-kjeler i nær- og fjernvarme i framtiden kan gi økt lønnsomhet for de fornybare kraftprodusentene dersom elavgifter og nettleie ikke hindrer fleksibel bruk.


Økt behov for fleksible energiløsninger

Som påpekt i forrige artikkel vil overgangen til et mer fornybart europeisk energisystem innebære en kraftig vekst i regulerbar vind- og solkraftproduksjon og en tilsvarende reduksjon i regulerbar termisk kraftproduksjon.

Det finnes flere løsninger som kan bidra til økt fleksibilitet slik som økt nettutbyging, lagring av energi i varmetanker eller batterier og mer fleksible løsninger på sluttbrukersiden.

Forskningsprosjekter i Finland (Aalto University) og Norge (NMBU) finner at en bedre integrasjon mellom kraft- og varmesystemet er en lavthengende frukt for å oppnå økt fleksibilitet. Nær- og fjernvarme kan yte både kortsiktig og langsiktig fleksibilitet.

Fleksibiliteten oppstår ved at man anvender elektrisitet i oppvarmingssystemet når kraftprisen er lav og for eksempel biobrensel når kraftprisen er høy. Anlegg for kombinert kraft- og varmeproduksjon (CHP) kan i tillegg produsere elektrisitet når kraftprisen er normal eller høy.

Fjernvarme på nordisk basis kan gi mye fleksibilitet

FIGUR 1: Fjernvarmebruk i Norden 2008-2013 (TWh per år).
Fjernvarmebruken i Norden er ca 120 TWh per år (figur 1). For å analysere effektene av et bedre samspill mellom el- og varmesektoren har vi anvendt en detaljert analysemodell for det nordiske kraft- og fjernvarmesystemet.

Modellen (Balmorel) er en såkalt partiell likevektsmodell som er kalibret for en antatt kraftproduksjonskapasitetsmiks i 2030. Den har en detaljert beskrivelse av kraft- og varmesystemet i Nord-Europa og den simulerer markedet time for time – noe som er en styrke ved analyser av kraftmarkeder med store andeler variabel fornybar kraftproduksjon.

I Flexelterm har har vi sammenlignet priser og produksjon i modellen ved ulik bruk av elkjeler i det nordiske fjernvarmesystemet. I alle scenariene har vi antatt at det er 70 TWh vindkraft i Norden i 2030, og at fjernvarmesektoren øker til 128 TWh per år.

Økt bruk av elkjeler løfter kraftprisen i våte år og gir mindre variabilitet 

FIGUR 2: Modellert fjernvarmeforbruk, vindkraftproduksjon
og bruk av elkjel i fjernvarmesystemet i 2030 
Den grå kurven i figur 2 viser hvordan etterspørselen etter nordisk fjernvarme varierer over året når vi forutsettere temperaturer over året som i 2012. Videre viser den orange kurven vindkraftproduksjonen i det samme året og den blå viser hvordan fjernvarmeanleggene vil anvende strøm i elkjeler over året, gitt at de minimerer kostnadene for å levere den etterspurte mengden varme (modellresultat).

Figuren viser et klart mønster der elkjelbruken er høy i perioder med mye vindkraftproduksjon, fordi elprisene da er relativt lave, mens det, med noen unntak, er relativt lav elkjelbruk ved lite vindkraftproduksjon.

Vi ser også at elkjelbruken er lav i topplastuken (uke 5), fordi en høy el-pris da presser bruken av elkjeler ut av markedet. Dette mønsteret illustrerer en systemmessig og samfunnsøkonomisk gunstig utnyttelse av elektrisitet – høy utnyttelse når krafttilbudet er høyt og prisene er lave og vice versa når krafttilbudet er lavt og prisene er høye.

De økonomiske effektene 

Økt bruk av elkjeler vil også øke kraftprisene. Som det går fram av figur 3 vil en fleksibel elkjelbruk gi størst kraftprisøkning når prisene ellers er lave (typisk sommer halvåret), mens det gir liten eller ingen prisøkning når prisene ellers er høye – med våre modellforutsetninger.

Prisøkningen er relativt moderat når vi forutsetter et normalt nedbørsår, men betydelig større når vi forutsetter et våtår. Elkjelbruk i fjernvarmen er dermed en såkalt «hedge» mot lave sommerpriser for ikke-regulerbar småkraft og elvekraft.

I våre modellanalyser finner vi en årlig elkjelbruk i fjernvarmeanleggene på ca ca 10 TWh i et normalår.  I et normalår øker gjennomsnittlig kraftpris øker med ca 5 prosent på årsbasis i forhold til et scenario hvor vi utelukker bruk av el i fjernvarme. I et vått år øker elforbruket med 16-17 TWh og kraftprisen øker bortimot 40 prosent. I kalde perioder er elkjelen lite konkurransedyktig i et fjernvarmeanlegg, og den brukes bare sporadisk. Prisøkningen er derfor svært marginal i tørrår.

FIGUR 3: Modellert pris over året 2030 med (grå) og uten (blå) bruk av elkjeler i fjernvarmesystemet. Grafen til venstre representerer et normalt nedbør år. Grafen til høyre representerer et våtår. 
Elkjelbruken vil ha en spesielt gunstig effekt på de nye fornybare teknologiene siden elkjelbruken er størst når tilbudet er høyt (og prisen lav). Med våre forutsetninger øker markedsverdien (mottatt pris ganger produsert mengde) for småkraft og vindkraft med 5-10 prosent i et normalår.

I et våtår vil særlig sommerprisene løftes betraktelig og markedsverdien av ny fornybar kraft øker med mange titalls prosentpoeng. Elkjelbruk i fjernvarmesektoren bidrar dermed til at fornybarteknologier blir mer konkuransedyktig mot andre teknologier.

Mange fordeler ved fleksible oppvarmingssystemer

Resultatene viser at fleksibel bruk av kraft til oppvarming gir økt forsyningssikkerhet og mer stabile kraftpriser. Siden inntektene ved kraftsalg i markedet øker mest for de fornybare kraftteknologiene, vil en slik fleksibel bruk av elektrisitet i varmesektoren også innebære redusert behov for støtte til ny fornybar kraftproduksjon for å oppnå fornybarmål og utslippsmål i Europa. 

Resultatene viser også at fleksibiliteten som termiske systemer kan bidra med er særlig viktig i regioner med en sårbar kraftforsyning og i regioner med stort kraftoverskudd, mye uregulert kraftproduksjon og begrenset overføringskapasitet. 

En forutsetning for dette er at netttariffene utformes slik at de ikke hindrer fleksibel bruk av elektrisitet. Dette skal analyseres i en senere artikkel.