Nordiske markedsløsninger for et fornybarintensivt pan-Europeisk kraftsystem : en litteraturstudie i tre hovedutfordringer for det nordiske synkronområdet : langsiktig ressurstilstrekkelighet, kortsiktig balanse og effektiv nettbruk

Abstract

En politisk beslutning om subsidiering av uregulerbar fornybar energi (UFE) og en klar dreining mot et mer harmonisert og integrert pan-Europeisk kraftsystem danner grunnlaget for nye utfordringer for kraftsystemet. UFE har en spesiell karakteristikk som ikke passer godt med dagens kraftmarked som ble designet for konvensjonelle og sentraliserte kraftstasjoner. Spesielt viktig er prognoseusikkerhet, elektrisk frikobling fra nettets frekvens og lave marginalkostnader. Subsidiering gir grunnlaget for et hybridmarked med ”to-stegs konkurranse” der UFE først konkurrerer om å få subsidier, og deretter konkurrerer i energimarkedet mot konvensjonelle aktører, som må få full inntjening i energimarkedet alene. Samtidig gjennomføres det en stadig tettere integrering mellom kraftsystem i hele Europa gjennom harmonisering av regler og utbygging av overføringskapasitet mellom land. Dette kombinert med UFE fører til stadig større og hyppigere flytendringer som gir en større usikkerhet i systemet.

På bakgrunn av dette er det foretatt en litteraturundersøkelse for å gjennomføre en helhetlig behandling av utfordringene. Målet er å identifisere hovedutfordringer for Norden og markedsdesign som er forslått i litteraturen for å møte disse. Statnett og NVE er ansvarlige for markedsdesignet i Norge og deres publikasjoner er et naturlig utgangspunkt, men litteraturstudiet har i tillegg søkt i internasjonale publikasjoner for å videre belyse problemstillingen. Målet er en helhetlig behandling av et komplekst system, med anbefalinger mot videre arbeid. Oppgaven har identifisert tre utfordringer for dagens kraftsystem på nevnt bakgrunn; sikre langsiktig ressurstilstrekkelighet, kortsiktig stabilitet og effektiv nettbruk.

Langsiktig ressurstilstrekkelighet trues av manglende prisinsentiver for viktige aktører i markedet som tilbyr kapasitet i perioder med lite UFE. Samtidig planlegger mange Europeiske land i stadig større grad å dekke fremtidig kraftunderskudd med import. Denne oppgaven identifiserer markedsløsninger som kapasitetsmarked og strategiske reserver for å møte utfordringen, men avdekker også at disse løsningene har problemer med å levere ressurstilstrekkelighet på en kostnadseffektiv måte. Oppgaven anbefaler derfor å fortsette å overvåke utviklingen og søke felleseuropeiske løsninger som unngår at nasjonale kraftsystem optimaliserer sitt eget system uten å se på helheten.

Kortsiktig stabilitet trues av større flytendringer og et skift i kraftmiksen som tilbyr mindre rotasjonsenergi og kontrollerbar kraftproduksjon. Oppgaven fokuserer på frekvenskvalitet som utfordres av både strukturelle og stokastiske ubalanser. Samtidig identifiseres det en effektiv uelastisk etterspørsel blant husholdninger som gjør at produksjonssiden må stå for brorparten av fleksibiliteten selv om det tekniske potensialet i forbrukerfleksibilitet er stort. For å møte de strukturelle og stokastiske ubalansene anbefaler oppgaven å fortsette arbeidet med å implementere 15 minutters oppløsning i energimarkedet og utforske muligheten for minuttoppløsning. En annen løsning som det anbefales å følge opp er kontinuerlig ramping på mellomlandsforbindelsene som utredes av ENTSO-E. Med tjenester som AMS og Elhub virker også tiden moden for å utnytte den potensielle forbrukerfleksibiliteten gjennom Time-of use prising eller effekttariffer for husholdninger, og det anbefales å arbeide videre med å utrede utfordringer og løsninger for best mulig utnyttelse av denne fleksibiliteten.

Effektivt nettbruk blir utfordret av større og hyppigere flytendringer samtidig som dagens områdeinndeling er for grov til å speile den sanne verdien av ressursene der de er lokalisert. Statnett må også estimere tilgjengelig overføringskapasitet før markedsklarering, som byr på effektivitetsutfordringer. Løsninger behandlet i denne oppgaven som det anbefales å arbeide videre med er flytbasert markedskobling og nodeprising. Flytbasert markedskobling introduserer en enkel nettverksmodell i markedsklareringsalgoritmen til Nord Pool som kan gi et bedre beslutningsgrunnlag for effektiv nettbruk, og er i disse dager ute på høring. Nodeprising deler nettet inn i noder istedenfor budområder og klarerer markedet basert på mer detaljert informasjon. Den strengt teoretiske utgaven av nodeprising kan være vanskelig å innføre praktisk på grunn av vanskelig modellering, men en tilnærmelse til nodeprising anses som en potensiell god løsning for effektiv nettdrift som det anbefales å utrede for mulig implementering i Norden.

Det er en bred enighet i litteraturen om at dagens markedsløsninger er utdaterte samtidig som det ikke er enighet om hvilke problemer som er mest trykkende, og hvilke løsninger som er mest passende. Det er mye forskning på delproblematikk i kraftsystemet, men markedet er såpass komplekst at forfatter mener problemer og løsninger ikke kan bli separert fra hverandre og suboptimalisert. Det er viktig å se på helheten, noe som er forsøkt gjort i denne oppgaven.

A political decision to subsidize renewable energy and a clear turn towards a more harmonized and integrated pan-European power system form the basis for new challenges for the power system. The renewables has a special characteristic that does not fit well with today's power market, which was designed for conventional and centralized power stations. Particularly important is forecasting uncertainty, electrical decoupling from the network frequency and low marginal costs. Subsidies provide the foundation for a hybrid market with a "two-stage competition" where renewables first competes for subsidies, and then competes in the energy market against conventional players, who must receive full earnings in the energy market alone. At the same time, an even closer integration of power systems across Europe is being implemented through harmonization of rules and the development of power transmission lines between countries. This combined with the higher penetration of renewables leads to increasing and frequent fluctuations that cause greater system uncertainty.

With this in mind, a literature survey has been conducted to carry out a comprehensive treatment of the challenges. The aim is to identify the main challenges for the Nordic region and identify market design proposed in the literature to meet these challenges. Statnett and NVE are responsible for market design in Norway and their publications are a natural starting point for the literature study. It has been found that their treatment of the challenge is often partial. This assignment is based on their analyzes, but has also searched international publications to analyze the problem and find available market solutions. The goal is a comprehensive treatment of a complex system, with recommendations for further work. This paper has identified three challenges for today's power system; Ensure long-term resource availability, short-term stability and efficient use of the transmission system.

Long-term resource adequacy is threatened by lack of price incentives for players who offer important production resources to the market, while many countries on the continent are increasingly expected to cover their power deficit with imports. This paper identifies market solutions like capacity and strategic reserves to meet the challenge, but these solutions have trouble delivering resource adequacy in an efficient manner. This paper therefore recommends continuing to monitor development and seeking common European solutions that avoid national power systems optimized for each country, but not as whole.

Short-term stability is threatened by major power fluctuations and a shift in production technology that offers less rotational energy and controllable power generation. This paper focuses on frequency quality challenged by both structural and stochastic imbalances. At the same time, an efficient inelastic demand for households is identified, which means that the production side must account for the majority of flexibility, although the technical potential of consumer flexibility is high. In order to meet the structural and stochastic imbalances, this paper recommends continuing the work of implementing 15-minute resolution in the energy market and exploring the possibility of a minute resolution. Another solution that is recommended to follow is continuous ramping on the HVDC-cables connecting countries, as investigated by ENTSO-E. With services such as smart metering and Elhub, the time might be right to exploit potential consumer flexibility through time-of-use pricing or power tariffs for households, and it is recommended to continue working on addressing challenges and solutions for the best possible use of this potential flexibility.

Efficient use of the transmission system is challenged by larger and more frequent fluctuations while the current area division is too rough to reflect the true value of the resources where they are located. Statnett must also estimate available leased lines before market clearance, which offers efficiency challenges. Solutions addressed in this assignment that it is recommended to continue with are flow-based market linking and nodal pricing. Flow-based market link introduces a simple networking model in Nord Pool's Market clearance algorithm, which provides a better decision-making basis for efficient use of the system. Nodal pricing divides the network into nodes instead of bid areas and clears the market based on more detailed information. The strictly theoretical version of nodal pricing can be difficult to introduce practically due to difficult modeling, but an approximation of nodal pricing is considered as a potentially good solution for efficient use of the transmission system and it is recommended to investigate further for possible implementation in the Nordic region.

There is a broad unanimity in the literature that current market solutions are outdated while there is no consensus on which problems are most pressing and which solutions are most appropriate. There is a lot of research on parts of the issue in the power systems, but the market is so complex that this author believes problems and solutions to be inseparable from each other. It is important to look at the whole, which has been attempted in this paper.