En flermålsanalyse av batterisystemer for balansering av det norske kraftsystemet

Abstract

Norge skal de neste årene bygge ut en stor mengde uregulerbar energiproduksjon, for å møte dagens og fremtidens energibehov. Dette skjer i en tid hvor Norge i større grad er påkoblet et Europa som også i stor grad skal lene seg på uregulerbar energiproduksjon fremover. Kraftsystemet må til enhver tid være i balanse, og det er nettopp denne balansen som vil bli en stor utfordring å opprettholde i fremtidens kraftsystem. En av løsningene, på denne utfordringen, er å benytte stasjonære batterisystemer til å bidra til balansering av det norske kraftsystemet.

I denne oppgaven har det blitt prøvd å finne ut hvilket batterisystem som er best egnet til å kunne balansere det norske kraftsystemet. For å balansere kraftsystemet, skulle batterisystemet levere raske frekvensreserver (FFR) til Statnett og utnytte arbitrasje i kraftprisen. For å finne det beste batterisystemet ble det i denne oppgaven gjennomført en flermålsanalyse. En flermålsanalyse kan bidra til å forenkle bildet for beslutningstakere, når det er mye informasjon å ta inn over seg. Det ble lett etter batterisystemer som aktører kan investere i, og det ble identifisert fire alternative batterisystemer som ble inkludert i flermålsanalysen. Disse fire batterisystemene var li-ionbatterisystem, vanadium redoks flytbatterisystem (VRFB), saltvannsbatterisystem og li-ionbatterisystem basert på brukte li-ionceller.

Et målhierarki ble etablert. De fire alternativene hadde ulike verdier på evalueringskriteriene pris, effekt, levetid, DoD (Depth of Discharge) , usikkerhet, energitetthet, effektivitet, degradering og miljøkonsekvenser. Disse verdiene til evalueringskriteriene påvirket på hver sin måte hvor godt egnet de ulike batterisystemene var til å levere FFR og utnytte arbitrasje i kraftprisen. Det ble satt sammen en flermålsmodell hvor alle verdiene til de ulike evalueringskriteriene oppnådde ulik score. Hvert evalueringskriterie ble vektet etter hvor mye en endring i score var estimert å påvirke netto nåverdi (NNV). Pris fikk en vekt på 10, levetid fikk en vekt på 2,0, effekt fikk en vekt på 1,3, DoD, effektivitet og usikkerhet fikk en vekt på 1,0, degradering fikk en vekt på 0,50, energitetthet eller volum fikk en vekt på 0,20 og miljøkonsekvenser fikk en vekt på 0,13.

Li-ionbatterisystemet basert på bruke li-ionceller ble i analysen rangert øverst med en total score på 215. Li-ionbatterisystemet med nye celler fikk en total score på 167, VRFB-systemet fikk en total score på 133 mens saltvannsbatterisystemet fikk en en total score på 90 poeng og ble rangert dårligst. Av evalueringskriteriene var det den lave prisen som gjorde at li-ionbatterisystemet (brukt) skilte seg markant ut og sørget for å bli rangert øverst. Alle batterisystemene hadde minst et kriterie de scorte best på. Til tross for den høye totalscoren til vinneren, anbefales ingen av batterisystemene i denne flermålsanalysen til balansering av det norske kraftsystemet, på grunn av negativ NNV. Det er første gang en slik flermålsanalyse av batterisystemer til balansering av det norske kraftsystemet er gjennomført, som undertegnede kjenner til. Videre undersøkelse og optimalisering av flermålsanalysen kan bidra til å øke tilliten til en fremtidig modell, som kan føre til en ny rangering og anbefaling.

Over the next few years, Norway will expand a significant amount in the production of unregulated energy in order to meet future energy demand. This is happening at a time when Norway is increasingly interconnected with Europe, which will rely heavily on unregulated energy production. The power system must always be in balance, and maintaining this balance will be a significant challenge in the future power system. Part of the solution to this challenge could be to use stationary battery systems to help balance the Norwegian power system.

This study has tried to determine which battery system is best suited to help balance the Norwegian power system. To balance the power system, the battery system should provide FFR to Statnett and exploit arbitrage in the electricity price. To find the best battery system, a multi-criteria decision analysis (MCDA) was carried out in this study. A MCDA can simplify the picture for decision-makers when there is a lot of information to digest. The study looked for battery systems that decision-makers could invest in, and four battery systems were identified and included in the MCDA. These four battery systems were li-ion battery systems, vanadium redox flow battery (VRFB) systems, saltwater battery systems and li-ion battery systems based on used li-ion cells.

A goal hierarchy was established. The four alternatives, li-ion battery system, VRFB system, saltwater battery system, and used li-ion battery system had different values for each evaluation criteria, including price, power, lifetime, depth of discharge (DoD), uncertainty, energy density, efficiency, degradation, and environmental impact. These evaluation criteria values influenced how well-suited the battery systems were to provide FFR and exploit arbitrage in the electricity price. A MCDA model was put together where all values of the various evaluation criteria achieved different scores. Each evaluation criterion was weighed according to how much a change in score was estimated to affect net present value (NPV). Price received a weight of 10, lifetime received a weight of 2.0, power received a weight of 1.3, DoD, efficiency, and uncertainty received a weight of 1.0 each, degradation received a weight of 0.50, energy density or volume received a weight of 0.20, and environmental impact received a weight of 0.13.

The li-ion battery system based on used li-ion cells was ranked highest in the anlysis with a total score of 215. The li-ion battery system with new cells received a total score of 167, the VRFB system received a total score of 133, while the saltwater battery system received a total score of 90 and was ranked the lowest. Among the evaluation criteria, it was the low price that made the used li-ion battery system stand out significantly and ensured it was ranked highest. All battery systems had at least one criterion they scored highest on. Despite the high total score of the winner, none of the battery systems in this MCDA are recommended for balancing the Norwegian power system. This is due to negative NPV. This is the first time such an analysis of battery systems for balancing the Norwegian power system has been conducted to the best of my konwledge. Therefore further investigation and optimization of the MCDA can contribute to increasing trust in a future model, potentially leading to a new ranking and recommendation.