Lønnsomt med el-kjel og lager i nær- og fjernvarme

Monica Havskjold og
Erik Trømborg, NMBU
Energisystemet i Europa er i endring. Mer uregulerbar kraftproduksjon og økt overføringskapasitet til utlandet vil gi større variasjon i kraftprisene i Norge. Samtidig vil kombinasjonen av tørt år og lave temperaturer fortsatt gi høye kraftpriser.  Hvilke konsekvenser får disse kraftprisene få for bruken av el-kjeler i fleksible varmeanlegg?

Vi har modellert fremtidige kraftpriser og effekter av disse i et tenkt fjernvarmeanlegg.

Resultatene viser at vi må forvente økt bruk av elektrisitet til varmeproduksjon i normale og våte år og i perioder med stor produksjon av vindkraft. Bruk av lager gir økt lønnsomhet og mindre bruk av fossile brensler.


Analyser av eksempelanlegg

FIGUR 1Prisen på biomasse er satt til 170 kr/MWh
og gass 7,32 kr/kg + 1 kr/kg CO2. Nettleie ved bruk av elkjel består
bare av et energiledd på 50 kr/MWh i disse analysene.
Hvilke konsekvenser vil endringer vil timesprisene for kraft få for bruken av el-kjeler? 

Vi har analysert et tenkt fjernvarmeanlegg som leverer 64 GWh varme og som kan veksle mellom biomasse i to biokjeler, en elkjel  og to gasskjeler. Fordelingen av varmeleveransene på timesnivå over året er beregnet med utgangspunkt i faktiske varmeforbruk på timesnivå hos Statkrafts kundemasse i Trondheim i 2012. 

Varmeleveransene og prisen på biomasse og er forutsatt å være de samme i alle analysene. Fjernvarmeprisen varierer med el-prisen i det enkelte år/scenarie.  Eksempelanlegget er fremstilt skjematisk i Figur 1.

Kraftprisen vil variere i og mellom år

FIGUR 2: Observert gjennomsnittlige døgnpriser i 2012 og modellerte
priser i normalt, vått og tørt år i Norge NO3 i 2030. Valutakursen
NOK/€ for 2014 er brukt for 2030. Fra Kirkerud (2016)
Vi har brukt energimarkeds-modellen Balmorel som dekker Nord-Europa for å modellere kraftpriser på timesnivå i år 2030 under ulike tilsigscenarier og under forutsetninger om vindkraftproduksjon, overføringskapasitet, CO2 priser og forbruksutvikling.

Figur 2 viser observerte daglige gjennomsnittspriser i Norge (prisområde NO3) i 2012, samt modellerte priser for normal, vått og tørt år i 2030.

Gjennomsnittsprisen var 235 kr/MWh i 2012 (10% høyere vannkraftproduksjon i Norden enn normalt), mens modellerte priser er kr 287, kr 199 og kr 406 for hhv normalt, vått og tørt år i 2030.

I det våte året er vannkraftproduksjonen 16% høyere enn normalt, i det tørre 19% mindre enn normalt i Norden.  Disse resultatene er baserte på flere forutsetninger hvor blant annet fremtidig CO2 -pris er avgjørende for kraftprisnivået og er her satt til 35 €/t.


Bruk av el-kjel reduser bruken av fossil spisslast

FIGUR 3: Fordeling av varmeleveranser på kjeltype
på årsbasis og driftsresultat pr scenarie.
Figur 3 viser hvordan bruk av el-kjel mv påvirkes av kraftprisscenariene.

Bruken av gass reduseres fra 5% til under 1% i 2012 dersom el-kjel installeres.

I et vått 2030-år vil el-kjelen levere mer enn 30% av varmen, mens i et tørt år reduseres andelen til 7%.

Bruken av biomasse redusere med ca 5% i et normalt år, 20% i et vått år og med 2,5% i et tørt år.

Dette viser en ønsket fleksibilitet i forhold til kraftmarkedet.

Bruk av elkjel over året 

Resultatene viser at det vil være lønnsomt å erstatte bruken av fossile brensler med elektrisitet det meste av tiden.

I normale år vil bruk av biomasse være mest lønnsomt størsteparten av tiden, mens i våte år vil bruk av el-kjeler redusere bruken av biomasse. Denne el-bruken vil bidra til å holde el-prisen oppe og derfor gi økt lønnsomhet for ny fornybar kraft.

Bruken av fossil spisslast kan begrenses til svært anstrengte perioder med høye priser og høyt effektbehov og denne fleksibiliteten i fjernvarmeanlegget bidrar derfor til økt forsyningssikkerhet.

I eksempelanlegget blir det en viss økning i bruk av gasskjel i et vått år sammenlignet med et normalt år (fra 0,6 til 2,5% av varmeleveransen). Dette skyldes at gass-kjelen brukes istedenfor å starte opp bio-kjel nr to i dette eksempelet. Figur 4 viser fordelingen av varmleveransene på kjeltype og måned i de ulike kraftprisscenariene for 2030.

FIGUR 4: Leveranse av varme fra ulike kjeltyper i et biobasert fjernvarmeanlegg i 2030.
Vått år i venstre figur og tørt år i høyre figur.
Dersom vi legger kraftprisutviklingen i et normalår til grunn for kalkylen, vil investeringen i elkjel være lønnsom for fjernvarmebedriften.

Vi fant også tilsvarende resultat for et varmepumpebasert fjernvarmesystem hvor varmepumpen dekker 60% av effektbehovet og 90% av varmeleveransene; Bruk av en supplerende el-kjel reduserer bruken av gass fra 10% til 2% og gir økt lønnsomhet. Selv om varmepumpen er mer effektiv enn el-kjelen, vil brukstiden på en varmepumpe som dekker hele effektbehovet bli så lav at bruk av el-kjel for spisslast gir bedre lønnsomhet.

Termisk lager er aktuell teknologi

Vi har også undersøkt hvordan bruk av termisk lager påvirker resultatene. En trykkløs akkumulatortank kan lagre varme fra en til tre dager med et varmetap på 10%. Vi fant at optimal størrelse på en slik tank i eksempelanlegget var på 2000 m3.

Bruk av lager og el-kjel fjerner behovet for gass, reduserer bruken av el og øker bruken av biomasse i alle scenariene. Bio-kjelene og lager tar effekt-toppene. El brukes i første rekke som sommerlast og ellers når kraftprisene er lave.

Investering i lager er mer lønnsomt enn investeringer i el-kjel. Samtidig er investering i både el-kjel og lager mindre lønnsomt enn investering bare i lager eller bare el-kjel i er biomasse-basert anlegg. Lager alene reduserer behovet for fossil spisslast, men gir ikke samme fleksibilitet mot kraftmarkedet som el-kjel.

Fleksibel el-bruk

CO2-pris, pris på fossile brensler, kjernekraftproduksjonen i Sverige, fremtidig kraftforbruk og investeringene i ny fornybar energi er usikre faktorer som påvirker prisnivået på kraft og fossile brensler. Trenden med høyere prisvariasjon som følge av mer variabel kraftproduksjon nokså klar.

Analysene visere at både nivået og den kortsiktige variasjonen i kraftprisene bestemmer faktisk bruk av elkjeler i fjernvarmeanlegg. I tillegg er en nettleie som legger til rette for fleksibel bruk av elektrisitet avgjørende. Studien viser at varmesektoren kan tilby fleksibelt elektrisitetsforbruk og effektiv energilagring som det er et økende behov for i energisystemet.