Behov for (elektrisk) energilagring Professor Ånund Killingtveit CEDREN/NTNU Seminar om storskala energilagring Status, marked og muligheter for storskala energilagring CIENS Oslo 27 September 2016 Seminar arrangert av CEDREN og Bellona
Storskala energilagring (elektrisitet) Sikre samsvar mellom forbruk og produksjon av el Tradisjonelt har vi sett behov innen to hovedområder Balansering av el-produksjon i varmekraftverk over døgnet Sesonglagring av vannkraft fra vår og sommer til vinter Nå økende fokus på integrasjon av sol og vind Behov for energilagring på mange tidsskalaer Nødvendig for å sikre framtidig fornybar-satsing Ikke alltid lett å se behovet i dag hvorfor?
Balansering over døgnet i et termisk system (variasjon i forbruk) Termiske kraftverk er mest effektive når de kjøres med jevn last. Endringer i forbruk i løpet av døgnet kan med fordel håndteres av andre typer kraftverk, for eksempel pumpekraftverk eller gasskraftverk Tradisjonelt er pumpekraft brukt for å supplere kraftproduksjon i høylastperioder om dagen, mens pumping har skjedd om natta. Dette har endret seg for eksempel i Tyskland på grunn av mye PV-produksjon om dagen
Sesongvariasjon i tilsig og forbruk i Norge (2007)
Norge har vært nødt til å bygge ut stor magasinkapasitet for å sikre utjevning på sesongbasis (sommer/vinter) Samlet magasinkapasitet 84.3 TWh (ca 50% av hele Europa) Største magasin Blåsjø kan lagre 7.8 TWh
Elproduksjon i Europa Status pr 2014 Fossile fuels (coal, gas, oil) 1342 TWh (40.9%) Nuclear 860 TWh (26.2%) Renewables (RES) 1030 TWh (31.5%) Pumped storage hydro 43 TWh (1.3%) Source: Entsoe European Electricity System Data 2014 Sum el-generation in Europe 3244 TWh
Fornybar elproduksjon (RES) i Europa Status 2014 Source: Entsoe European Electricity System Data 2014 Hydropower 565 TWh (54.8%) Wind 250 TWh (24.2%) Solar (PV) 92 TWh (8.8%) Bio 106 TWh (10.2%) Other 17 TWh (1.9%) Sum renewables 1030 TWh (100%) Dispatchable RES (hydro, bio) 65% Non-Disp. VRES (wind, solar) 33% As share of total power system: Dispatchable (hydro, bio) 20% Non-Disp. VRES (wind, solar) 10%
Tre viktige milepeler i EUs energi og klima politikk 2020 The RES Directive Share of RES 20% Electricity 34% Policy in effect VRES (wind, solar) 12.5 % (?) 2030 2030 Framework Share of RES > 27% Electricity 45% Policy in effect VRES (wind, solar) 22.5% (?) 2050 Energy roadmap 2014 85-90% Renewable? Electricity 100% VRES(wind, solar) 55-75% (?)
Ett Scenario: Vi erstatter all termisk el med fornybar innen 2050 Fossile fuels (coal, gas, oil) 1342 TWh Nuclear 860 TWh Renewables (RES) 1030 TWh Existing 2014 Sum el-generation in Europe 3244 TWh Fossile + Nuclear (ca 2200 TWh) replaced by Wind and Solar PV: 40% offshore wind (C f =0.3) 880 TWh 334 000 MW 40% onshore wind (C f =0.2) 880 TWh 440 000 MW 20% solar PV (C f =0.1) 440 TWh 502 000 MW Added by 2050 2015 Hydropower 565 TWh Wind 250 TWh Solar (PV) 92 TWh Bio 106 TWh Sum RES 1030 TWh Sum VRES 342 TWh Share of VRES 10% 2050 Hydropower 565 TWh Wind 2010 TWh Solar (PV) 530 TWh Bio 106 TWh Sum RES 3211 TWh Sum VRES 2540 TWh Share of VRES 76% Total by 2050 2050/2014 * 3.1 * 7.4 * 7.6
Main problem with Wind and Solar Power: - Intermittent - Highly variable - Low predictability - Non-Dispatchable 1600 1400 Solar (PV) Wind 1200 1000 Wind + Solar PV are both highly intermittent and Non-Dispatchable 800 600 400 200 0 01.11.2012 06.11.2012 11.11.2012 16.11.2012 21.11.2012 26.11.2012
Vindkraft i Nordsjø-regionen Case studied: 94 000 MW Wind power Scenario 2030?
Vindkraft er svært variabel (Simulert produksjon på timesbasis data fra prosjekt TradeWind) 90000,00 80000,00 70000,00 60000,00 50000,00 40000,00 30000,00 20000,00 10000,00 0,00 1 184 367 550 733 916 1099 1282 1465 1648 1831 2014 2197 2380 2563 2746 2929 3112 3295 3478 3661 3844 4027 4210 4393 4576 4759 4942 5125 5308 5491 5674 5857 6040 6223 6406 6589 6772 6955 7138 7321 7504 7687 7870 8053 8236 8419 8602 Simulated Wind energy production in a Maximum: 84 448 MW North-Sea system with 94000 MW Minimum: 2 774 MW installed capacity (Stadium 2030) Typical: 40 000 MW
90000 Simulert vindkraftproduksjon i Nordsjø-regionen Juli September 2001 80000 7 x 24 h 7 x 24 h 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 7 x 24 h 7 x 24 h 7 x 24 h 7 x 24 h 7 x 24 h 0 1 35 69 103 137 171 205 239 273 307 341 375 409 443 477 511 545 579 613 647 681 715 749 783 817 851 885 919 953 987 1021 1055 1089 1123 1157 1191 1225 1259 1293 1327 1361 1395 1429 1463 1497 1531 1565 1599 1633 1667 1701 1735 1769 1803 1837 1871 1905 1939 1973 2007 2041 2075 2109 2143 2177
90000 Simulert vindkraftproduksjon i Nordsjø-regionen Januar Mars 2001 80000 7 x 24 h 70000 60000 50000 + 30 000 MW 40000 30000 20000-30 000 MW 7 x 24 h 7 x 24 h 10000 0 1 35 69 103 137 171 205 239 273 307 341 375 409 443 477 511 545 579 613 647 681 715 749 783 817 851 885 919 953 987 1021 1055 1089 1123 1157 1191 1225 1259 1293 1327 1361 1395 1429 1463 1497 1531 1565 1599 1633 1667 1701 1735 1769 1803 1837 1871 1905 1939 1973 2007 2041 2075 2109 2143 2177 One week balancing means Ca 30 000 MW in 168h 5000 GWh energy storage Same as 1000 typical PSP Can Hydropower in Norway supply this storage?
Vindkraftproduksjon i Nordsjø-regionen (DE, DK, GB, IR) i 2012 Observed Wind energy production in a Maximum: 31062 MW system with 45600 MW Minimum: 419 MW installed capacity (Stadium 2012) Typical: 8300 MW Source: Paul-Frederik Bach, DK Capacity Factor: 0.18
Vindkraftproduksjon i Vest-Europa (ES, FR, DE, DK, GB, IR) i 2012 Observed Wind energy production Maximum: 44995 MW In a system with 76013 MW Minimum: 1272 MW installed capacity (Stadium 2012) Typical: 15400 MW Source: Paul-Frederik Bach, DK Capacity Factor: 0.20
Solkraftproduksjon (PV) i Tyskland 5 Mai 2013 Range 17 000 MW in 5 hours
Solar (PV) Power generation in Belgium April 2013 2500 Peak capacity 2211 MW 2000 MW 1500 1000 500 0 1 188 375 562 749 936 1123 1310 1497 1684 1871 2058 2245 2432 2619 2806
Solkraftproduksjon (PV) i Tyskland 3 ulike dager i 2013 System capacity: 30 000 MW Source: Paul-Frederik Bach, DK
Noen konklusjoner utvikling i Europa Økende bidrag av variable fornybare (VRES) energikilder mot 2020 og videre Hovedsakelig Vindkraft i Nord-Europa, men også noe sol Må ha nesten 100% backup pga stille perioder (Capacity Credit typisk 5-8%) Behov for utjevning (balansering) på tidsskala fra minutter til uker Beste teknologi for balansering er avhengig av tidsskala (sekund måneder) Balansering over dager/uker kreves lagring av store energimengder (TWh) Typisk > 5 TWh eller mer for balansering i Nordsjø-området Slike volumer er i dag bare mulig med pumpekraftverk og sesongmagasin Slike lagrings-systemer er (nesten) bare mulig i Norge