Udgivet af: Tonne Kjærsvej 65 DK-7000 Fredericia Tlf. 70 10 22 44 Rapporten kan downloades på: www.energinet.dk 28. januar 2011 Dok.6357/11, sag 10/3378 2/39
Indholdsfortegnelse 1. Sammenfatning... 4 1.1 Baggrund... 4 1.2 Integration mellem el, gas og de øvrige energisystemer... 5 1.3 Elsystemet... 6 1.4 Tidsperspektiver og relation til forskning og udvikling... 7 2. Baggrund... 8 2.1 Visionen om uafhængighed af fossile brændsler... 8 2.2 Læsevejledning... 8 3. Energisystemet i en samlet betragtning... 9 3.1 Ressourcer og behov for energitjenester... 9 3.2 Behov for energieffektivitet...10 3.3 Behov for fleksibilitet...12 4. Gassystemet...15 4.1 Gas til spidslastelproduktion...15 4.2 Gas til industriel proces og andre formål...15 4.3 Produktion af gas fra el...15 4.4 Forgasning af biomasse...16 4.5 Lagring af gas...16 4.6 CO 2 -håndtering i et gassystem...17 4.7 Integration af gas i el- og varmesystemet...17 4.8 Erhvervsperspektiver...19 4.9 Sammenfatning...19 5. Elsystemet...20 5.1 Elforbrug og produktion i det analyserede vindspor...20 5.2 Indpasning af den fluktuerende elproduktion...21 5.3 Infrastrukturkapacitet til at transportere store mængder el...25 5.4 Kapacitet på eludlandsforbindelser...26 5.5 Systemstabilitet i timer uden produktion på termiske værker...26 5.6 Intelligens i elsystemet Smart Grid...27 5.7 Marked...28 5.8 Sammenfatning af budskaber for elsystemet...29 6. Transportsektoren integration med el og gas...30 6.1 Sammenfatning...31 7. Opvarmning integration med el og gas...32 7.1 Fjernvarmeområder...32 7.2 Områder uden kollektiv forsyning, område 4...33 7.3 Naturgasområder...33 7.4 Samlet forbrug af el, gas og fjernvarme...33 7.5 Sammenfatning varme...34 8. Perspektivering til forskning, udvikling og demonstration...35 8.1 Smart Grid til fremtidens energisystem...35 8.2 Stærk elinfrastruktur med brug af nye teknologier...35 8.3 Øget integration af elsystemet med de øvrige energisystemer...36 Bilag 1: Kilder Bilag 2: Elkapacitet, produktion og forbrug Dok.6357/11, sag 10/3378 3/39
1. Sammenfatning 1.1 Baggrund Der er en politisk vision om på lang sigt at gøre Danmark uafhængig af fossile brændsler. har i rapporten "Energi 2050 Udviklingsspor for energisystemet" beskrevet fire alternative udviklingsspor for energisystemet, hvoraf de to af sporene illustrerer en udvikling frem mod uafhængighed af fossile brændsler, vindsporet og biomassesporet. Denne rapport fokuserer og uddyber de særlige aspekter, der er relevante i "vindsporet". Udviklingen af vindkraft i dette spor er sammenligneligt med Klimakommissionens ambitiøse scenarie for 2050 1. Rapporten beskriver strategiske aspekter for el- og gassystemerne ved en udvikling frem mod en uafhængighed af fossile brændsler i 2050 og ved en udvikling, hvor vindkraften får en bærende rolle i energiforsyningen. De forudsatte rammebetingelser for energisystemet i vindsporet kan sammenfattes som: Vision for energiforsyningen i vindsporet - Uafhængighed af fossile brændsler og et forbrug af biomasse på niveau med det indenlandske biomassepotentiale. - Forsyning af en forventet solid vækst i energitjenester frem mod 2050 - En økonomisk effektiv og konkurrencedygtig energiforsyning. - Forsyningssikkerhed på niveau med den eksisterende. Med denne rapport ønsker at fremhæve nogle udfordringer, perspektiver og muligheder for el- og gassystemerne, hvis denne vision skal realiseres. Fokus er på el- og gassystemerne, men en effektiv integration med de øvrige energisystemer er en væsentlig del af løsningen, og samspillet med disse berøres derfor også i rapporten. For at realisere visionen om at gøre vindkraften bærende i energiforsyningen er der behov for en række nøgle-egenskaber i fremtidens energisystem. Nøgleegenskaber i fremtidens energisystem Den fluktuerende elproduktion fra store mængder vindkraft skal integreres over i de energiforbrug, der i dag ikke er elbaserede. Integrationen skal ske med: - Høj energieffektivitet. - Høj fleksibilitet, så der opnås fleksibilitet i elforbruget. - Omkostningseffektive løsninger, så Danmark kan fastholde en konkurrencedygtig energiforsyning. Med baggrund i rapportens analyser peges der på, at følgende elementer er vigtige at inddrage for at løse Vindsporets systemudfordringer. Dok.6357/11, sag 10/3378 4/39
Vigtige elementer i at løse vindsporets systemudfordringer - En effektiv integration af elsystemet med gas, varme og transport - En forstærket integration med elmarkederne i udlandet - Udvikling af et intelligent elsystem, Smart Grid. 1.2 Integration mellem el, gas og de øvrige energisystemer Integration af elsystemet med udlandet er et bærende element i håndtering af vindkraften og en omkostningseffektiv løsning. Men der er behov for også at integrere vindkraften ind i forbrug, der i dag ikke forsynes med el. Integration af elsystemet med varmesystemet og på lidt længere sigt transportsektoren i form af el- og plug-in hybridbiler kan give nogen indpasning af vindkraften. Men ved en kraftig udbygning af vindkraften er disse virkemidler ikke tilstrækkelige til at håndtere de meget store effekt-fluktuationer og sikre forsyningssikkerhed. Der er behov for at integrere vindkraften sammen med biomasse til typer af brændsler, som er let håndterbare og kan lagres billigt og anvendes til forsyningsområder, der ikke hensigtsmæssigt kan forsynes med el, og til produktion af el, når der er lav vindkraftproduktion. Analyserne af Vindsporet viser, at gas kan være et væsentligt element i at løse denne integration. Gas kan levere billig spidslastkapacitet til elsystemet ved lav vindkraftproduktion. Ved høj vindkraftproduktion er gas et vigtigt element i brændselsproduktion til områder, der ikke kan forsynes med el. Inden for de kommende 10-15 år forventes både en væsentlig reduktion i prisen på brændselsceller og en udvikling af en række processer til håndtering og konvertering af forskellige energigasser 1. Disse forhold skaber tilsammen nye muligheder for på lang sigt at integrere elektrolysegas og biomasseforgasning sammen med traditionel metangashåndtering, kendt fra naturgas. Eksempelvis ved at nyttiggøre forgasningsgas fra biomasse sammen med elektrolysegas til produktion af metan, som kan indfødes på naturgasnettet og lagres i de store lagringsfaciliteter, der er til stede i gassystemerne. Disse teknologier åbner potentielt også mulighed for at fjerne CO 2 inden anvendelsen af gassen. Rapporten udgør en ikke-udtømmende analyse af en række perspektiver med denne integration af el- og gassystemet. Varme er en forholdsvis simpel energivare og forekommer som restprodukt ved en række processer i energisystemet. I takt med etablering af store mængder vindkraft reduceres kraftvarmeproduktionen, som i dag er bærende for fjernvarme væsentligt. Varmen kan på lang sigt i vidt omfang hentes som overskudsprodukt fra øvrige processer, suppleret med varmepumper og til visse formål direkte elvarme, så opvarmning kan baseres på et lavt energi-ressourceforbrug. Transportsektoren er i dag et af de områder, hvor der er størst potentiale for energieffektivisering. Det er samtidig det område, hvor der forventes den største vækst 1 Technology data for energy plants, Energistyrelsen og, juni 2010. Dok.6357/11, sag 10/3378 5/39
i energitjenesteforbruget. Omlægning til mere energieffektive løsninger er derfor vigtig for at realisere den politiske vision om uafhængighed af fossile brændsler. En direkte anvendelse af el i batteri-elbiler giver den bedste udnyttelse af el fra vindkraft. Fremtidig anvendelse af brændselsceller giver mulighed for hybridløsninger, hvor energigas og biofuels, produceret med input fra vindkraft, kan være vigtige elementer. 1.3 Elsystemet I takt med udbygningen af vindkraften og elintegrationen, som er beskrevet i "Vindsporet", vokser elproduktion og elforbrug fra et niveau i dag på ca. 40 TWh årligt til et niveau på ca. 80 TWh i det analyserede Vindspor. De nye elforbrug er primært i gas-, varme- og transportsektoren. Samtidig bliver elproduktionen omlagt fra i dag ca. 20 % fluktuerende elproduktion og 80 % regulerbar brændselsbaseret elproduktion, til et modsatrettet forhold, hvor hovedparten af elproduktionen er fluktuerende. Denne massive omlægning skaber en forandret situation for elsystemet og dermed forsyningssikkerheden med følgende kerneudfordringer: Elsystemets hovedudfordringer i vindsporet - Infrastrukturkapacitet til at transportere de meget store mængder el. - Fleksibilitet i forbruget til at indpasse fluktuerende elproduktion. - Systemtilstrækkelighed i form af elproduktionskapacitet i timer med lav vindkraftproduktion. - Systemstabilitet i mange timer uden produktion på centrale værker. 1.3.1 Elinfrastrukturkapacitet Analysen viser, at den planlagte struktur for transmissionssystemet er hensigtsmæssig. Inden for den planlagte struktur er der muligheder for at udvide kapaciteten. Strategi ved ilandføring af de store mængder vindkraft og fordelingen af denne i de store forbrugsknudepunkter er afgørende for belastningen af transmissionsnettet. Samtidig er placering af de nye typer elforbrug til syntetisk brændselsproduktion af gas og biofuels af stor betydning for transmissionsnettet. vil arbejde videre med at analysere nettets belastning ved en så kraftig udbygning med vindkraft. Udbygning af forbindelser mod udlandet er et vigtigt element i at indpasse vindkraften. Der er væsentlige økonomiske gevinster ved at integrere Danmark yderligere mod både Norden og Tyskland/Holland. Disse forbindelser kan eventuelt være i et "Nordsø-net". En langsigtet satsning på international elinfrastruktur er derfor vigtig. Dette skal dog ses i lyset af, at landene omkring Danmark også forventes at etablere store mængder vindkraft og eventuelt udbygge med a-kraft, som kan have begrænset fleksibilitet og således lægge pres på de meget fleksible vandkraftressourcer i Norden. 1.3.1 Fleksibilitet i forbruget Analyserne viser, at et effektivt samspil med de øvrige energisektorer kan levere nødvendig fleksibilitet til indpasning af den fluktuerende energi. Samspillet med elforbrug til varme og transport er meget centralt i forhold til at opnå fleksibilitet inden for driftsdøgnet. Et intelligent elsystem, Smart Grid, er en nøglebrik i at akti- Dok.6357/11, sag 10/3378 6/39
vere denne fleksibilitet. Ved store mængder elproduktion over længere perioder er specielt integrationen med gassystemet meget væsentligt. 1.3.3 Systemtilstrækkelighed I timer med lav vindkraftproduktion er der behov for alternativ elproduktionskapacitet. Det vil være en risikovurdering, i hvilket omfang denne skal baseres på udlandsforbindelser, herunder ved vandkraft og/eller sikres ved dansk spidslast elproduktionskapacitet. Ved etablering af indenlandsk produktionskapacitet er det markant billigere at etablere spidslastkapacitet, der er baseret på gas, end øvrige brændsler, hvorfor gassystemet er væsentligt for at sikre adgang til billig spidslastkapacitet til elsystemet, placeret centralt og decentralt. 1.3.4 Systemstabilitet De centrale værkers drift er i dag afgørende for at sikre elsystemet stabilitet. Den øgede produktion fra vindkraft medfører et stigende antal timer med lave elpriser. I disse timer vil drift af termiske værker, som i dag leverer systembærende egenskaber, ikke være rentabelt. Der er derfor behov for at udvikle et elsystem, hvor andre enheder kan levere systembærende egenskaber. I takt med, at meget store mængder elproduktion og elforbrug er tilknyttet elnettet via effektelektronik (konverterteknologi), skabes der nye muligheder for at sikre disse systembærende egenskaber. Udvikling af disse muligheder er tæt knyttet til udvikling af et intelligent elsystem (Smart Grid). 1.4 Tidsperspektiver og relation til forskning og udvikling Rapporten afrundes med en overordnet vurdering af behovet for udvikling af centrale teknologier. Analyser viser, at Smart Grids vil være en samfundsøkonomisk effektiv løsning allerede frem mod 2020 2. Smart Grid er derfor et af de tiltag, der indgår som et centralt element i 's strategi for udvikling af elsystemet frem mod 2025. Udvikling af elinfrastruktur med nye teknologier som HVDC-VSC-multiterminal er væsentligt i en langsigtet satsning i international sammenhæng og ved fremtidig ilandføring af vindkraften. Øget viden om lange 400 kv AC-kabler er tilsvarende helt centralt for at håndtere udfordringen med de store effekttransporter. Ved brug af el til varme og på længere sigt el til transport er udfordringen for i høj grad i perioden frem til 2025 at få gjort løsningerne "Smart Grid ready". På det længere sigt rummer gassystemet med VE-baserede energigasser og brug af elektrolyse og brændselsceller nogle vigtige elementer til at løse udfordringen. Der er behov for, at indsatsen med at integrere fremtidens VE-ressourcer med energigasteknologier forsat styrkes, da disse løsninger kan balancere meget store effektfluktuationer og sikre energisystemet den nødvendige forsyningssikkerhed. 2 Smart Grid i Danmark, Dansk Energi &, sept. 2010. Dok.6357/11, sag 10/3378 7/39
2. Baggrund 2.1 Visionen om uafhængighed af fossile brændsler Der er en politisk vision om på lang sigt at gøre Danmark uafhængig af fossile brændsler. Denne rapport beskriver strategiske aspekter for el- og gassystemerne ved en udvikling frem mod en uafhængighed af fossile brændsler i 2050 og ved en udvikling, hvor vindkraften får en bærende rolle i energiforsyningen. har i rapporten "Energi 2050 udviklingsspor for energisystemet" beskrevet fire alternative udviklingsspor for energisystemet, hvoraf de to af sporene illustrerer en udvikling frem mod uafhængighed af fossile brændsler, vindsporet og biomassesporet. Denne rapport fokuserer og uddyber de særlige aspekter, der er relevante i "vindsporet". Udviklingen af vindkraft i dette spor er sammenligneligt med Klimakommissionens ambitiøse scenarie for 2050 1. I "Vindsporet" antages det, at Danmark er tæt integreret i et internationalt energimarked. Både biomasse, el, gas og CO 2 handles i et velfungerende marked. Danmark har i 2050 etableret så stor en egenproduktion af energi fra vind, sol og bølgekraft, at dette sammen med en biomassemængde på niveau med det nationale potentiale kan forsyne Danmarks energibehov på et gennemsnitsår. Samtidig er det et politisk ønske, at Danmark tilstræber en energiforsyning til konkurrencedygtige priser. De forudsatte politiske rammebetingelser for energisystemet i vindsporet kan sammenfattes som: Vision for energiforsyningen i vindsporet - Uafhængighed af fossile brændsler og en anvendelse af biomasse på niveau med det indenlandske biomassepotentiale. - Forsyning af en forventet solid vækst i energitjenester frem mod 2050 (ca. 170 % i forhold til niveau 2010). - En økonomisk effektiv og konkurrencedygtig energiforsyning. - Forsyningssikkerhed på niveau med det eksisterende. Med denne rapport ønsker at fremhæve nogle perspektiver og muligheder for el- og gassystemet, hvis denne vision skal realiseres. Fokus er på el- og gassystemerne, hvor en effektiv integration med de øvrige energisystemer er en væsentlig del af løsningen, og samspillet med disse berøres derfor også i rapporten. 2.2 Læsevejledning Rapporten har en introduktion til det samlede energisystem i relation til el- og gassystemerne i kapitel 3 samt en introduktion til de overordnede problemstillinger omkring fleksibilitet og energieffektivitet, som er vigtige parametre for et elsystem med store mængder fluktuerende produktion. Perspektiverne for 's kerneaktiviteter i gassystemet er yderligere uddybet i kapitel 4 og for elsystemet i kapitel 5. Samspillet med el- og gassystemet for henholdsvis varme- og transportsektoren samt perspektiverne for disse to sektorer beskrives i kapitlerne 6 og 7. En oversigt over det energisystem, der er analyseret fremgår af bilag 1. Dok.6357/11, sag 10/3378 8/39
3. Energisystemet i en samlet betragtning 3.1 Ressourcer og behov for energitjenester Rapporten tager afsæt i en betragtning af energisystemets værdikæde fra de rå energiressourcer som vind, sol og biomasse, som via energisystemet omdannes til nyttige energitjenester. Omsætningen fra energiressource til energitjeneste foregår via energisystemerne, el, gas, varme og transport af flydende og faste brændsler. Behovet for energitjenester frem til 2050 er vurderet ud fra en fremskrivning foretaget af Risø 3. Klimakommissionen har i deres baggrundsrapport anslået de nationale VEressourcer. Potentialerne og den andel, der i dag er udnyttet, fremgår af figur 3.1. 1400 1200 Ressource (PJ/år) 1000 800 600 400 Energiforbrug 2010 200 0 Vind Sol Bølge Biomasse og affald Udnyttet i dag Potentiel Biogas (gylle etc.) Figur 3.1: VE-energiressourcer anslået af Klimakommissionen excl. energiafgrøder Som det fremgår af figur 3.1 er de nationale VE-ressourcer på over 1.500 PJ, hvilket kan ses i forhold til et bruttoenergiforbrug på 830 PJ i dag. Den helt store ressource er vindkraft, som alene udgør over 1.200 PJ. Derudover er der væsentlige ikke-udnyttede potentialer i solceller og solvarme. Som det fremgår af figur 3.1, er hovedparten af de potentielle VE-ressourcer fluktuerende og elproducerende, hvor produktionen afhænger af vind og sol. Ikkeudnyttede biomasseressourcer i Danmark er derimod relativt begrænsede set i forhold til det samlede behov for energi. Udfordringen i vindsporet er at integrere de meget store mængder fluktuerende el ind i det samlede energisystem, så energitjenesterne kan forsynes stabilt med fastholdt høj forsyningssikkerhed og økonomisk effektivitet. Biomassen skal samtidig bruges effektivt, så den som "stabil" energiressource kan supplere de fluktuerende energiressourcer. 3 Fremskrivning er foretaget med Adam- og Emma-modellen og er udarbejdet af RISØ. Dok.6357/11, sag 10/3378 9/39
Af figur 3.2 fremgår værdikæden for energisystemet fra energiressource til energitjeneste i et energisystem, hvor der ikke bruges fossile brændsler i 2050. Figuren viser de tre store energisystemer el, gas og fjernvarme, og hvordan samspillet med disse systemer kan ske. Ressourcer med biomasse og affald er tilknyttet via konverteringsanlæg. Herunder biomasse kraftvarmeanlæg og biomasse forgasningsanlæg. En del af disse biomassekonverteringer og konverteringer mellem gas, el og fjernvarme uddybes nærmere i kapitel 4. Ressource Fluktuerende el (vind, bølge, sol) Biomasse system El udland El-system Bio KV VP/elpatr. CO2 Fjernvarme Elprod FC,GT Energi-gas system Gaslagring Forgasning Elektrolyse Katalyse Gas udland tjenester Elbiler Øvrigt EL Indiv. VP Opvarmning Transport Hybridbiler etc. Industri, proces etc. Figur 3.2 Samspillet fra energiressourcer til energitjenester i de tre energinet el, gas og varme. Figuren indikerer, hvor der ligger potentiel "lagring/fleksibilitet" i energisystemet. Herunder i varme, gas og transport markeret med rødt. 3.2 Behov for energieffektivitet Danmark har en politisk vision om globalt at ligge blandt de tre bedste lande med hensyn til energieffektivitet. Historisk har Danmark unikt fremvist en vækst i BNP uden en tilsvarende vækst i energiforbruget. En af de meget store energieffektiviseringer, som Danmark historisk har opnået, har været ved at sammentænke el og varme til én kraftvarmeforsyning. Brændselsforbrug til varmeforsyning blev erstattet af overskudsvarme fra elproduktion, der tidligere blev lukket ud i havet. En termodynamisk, ineffektiv proces blev erstattet af en effektiv proces. Der er i dag teknologier til at lave tilsvarende tigerspring i energieffektiviteten. Frem mod 2030 forventes en yderligere modning af en række teknologier. Nogle af de meget markante prisreduktioner på teknologi, der forventes frem mod 2025 i forhold til energisystemerne, er prisen på brændselsceller, højeffektiv elektrolyse og elbiler. Der er naturligvis stor usikkerhed på vurdering af en sådan prisudvikling 4 Eksempel på teknologiudvikling for brændselsceller fremgår af figur 3.3. Denne teknologi er illustreret, fordi den i særlig grad "booster" mange af de muligheder, 4 I vurderingen af vindsporet er der som helhed taget udgangspunkt i datagrundlag fra "Teknologidatakataloget" suppleret med en række andre kilder, herunder rapporten "Alternative drivmidler. Dok.6357/11, sag 10/3378 10/39
som nævnes i integrationen mellem el, gas, transport og varme. Men den er ikke afgørende for de perspektiver, som illustreres, idet der på alle anvendelsesområder er eksisterende teknologier, som kan løse opgaven med en mindre effektivitet. 80 70 60 mio Kr/MW el 50 40 30 20 10 0 2010 2020 2030 Brændselscelle SOFC Brændselscelle HTPEM Figur 3.3 Udvikling i pris på brændselsceller ifølge teknologikataloget. SOFC-teknologi til brændselsceller kan også anvendes til effektiv elektrolyse (benævnes i så fald SOEC-celler). For at opnå en langsigtet god energieffektivitet er det vigtigt, at energisystemet bevæger sig i en retning af at bruge processer, som har en høj energieffektivitet. Dette skal naturligvis ses i sammenhæng med omkostningen. Hvis det forudsættes, at biomasseforbruget er på niveau med det danske potentiale, er der ved en høj effektivitet i energisystemet behov for ca. 15-20 GW vindkraft. Hvis den eksisterende energieffektivitet fastholdes, vil behovet for vindkraft blive over 35 GW. En udbygning til 35 GW vindkraft skal ses i forhold til, at der i dag er installeret godt 3 GW vindkraft i Danmark. Omkostningen til offshorevindkraft vokser væsentligt ved installeret kapacitet over 10-12 GW 5. Det skyldes, at områder med større havdybder skal tages i brug. Samtidig stiger omkostningen til infrastruktur og effektbalancering, herunder energilagring, markant ved stigende mængder vindkraft. Figur 3.4 illustrerer netto-energiforbrug (energitjenester) og brutto-energiforbrug, hvis der foretages en effektivisering af energisystemet ved brug af energieffektive teknologier samtidig med omlægning til uafhængighed af fossile brændsler. I effektiviseringen er der antaget en række omlægninger i både gassystem, varmesystem og transportsektor svarende til Vindsporet. Disse er nærmere uddybet i kapitlerne 5-7. 5 Grøn energi, Klimakommissionen, Dokumentationsdel, september 2010. Dok.6357/11, sag 10/3378 11/39
900 800 Brutto-energiforbrug Ved dagens effektivitet! 700 PJ/år 600 500 400 300 200 Nettobehov (energitjenester) Nat. potentiale biomasse,affald mv. 17 GW vind 100 0 2010 2020 2030 2040 2050 Varme Transport Klassisk elforbrug Bruttoforbrug Nettobehov Figur 3.4: Brutto- og nettoenergiforbrug opdelt på de enkelte energitjenester (varme, klassisk elforbrug og transport). Nødvendig vindmøllekapacitet til produktion af energi til transport og opvarmning ved eksisterende virkningsgrader og ved ny, energieffektiv elbaseret teknologi. Ved varmeproduktion er ikke medregnet omgivelsesvarme (jordvarme mv.), og bruttoproduktion bliver således mindre end nettobehov i 2050. For at sikre en høj energieffektivitet og en økonomisk effektiv løsning er det vigtigt, at energiforsyningen, i værdikæden fra produktion til energitjeneste hos forbrugeren, er energieffektiv, hvis vindkraft skal være den bærende energiforsyning. 3.3 Behov for fleksibilitet En væsentlig udfordring i et elsystem med store mængder fluktuerende elproduktion er at balancere elproduktion og elforbrug. Selv om energieffektiviteten øges, er 17 GW vindkraft fortsat en meget voldsom udfordring for elsystemet. Nedenstående figur 3.5 viser effektubalancerne for hver time i løbet af året ved 17 GW vindkraft, 1 GW bølgekraft og 4 GW solceller. Der er i illustrationen af elforbruget ikke vist fleksibelt elforbrug til integration med de øvrige sektorer, varme, transport og gas, og import/eksport fra udlandsforbindelser. Dok.6357/11, sag 10/3378 12/39
20 18 16 14 El (GW) 12 10 8 6 4 2 0 1 67 133 199 265 331 397 463 529 595 661 727 793 859 925 991 1057 1123 1189 1255 1321 Time Klassisk elforbrug Vind-Bølge-Sol Figur 3.5 Figuren viser elproduktion fra fluktuerende elkilder (vind, bølge, solceller) og det "klassiske elforbrug", det vil sige eksklusive forbrug til transport, varme og syntetiske brændsler for en periode på 60 dage. Som det fremgår af figuren, er der meget store ubalancer i forholdet mellem fluktuerende produktion og klassisk elforbrug. Det er teknisk muligt at lagre el i store batterier, men selv på lang sigt frem mod 2050 forventes omkostningen ved batterier eller lagring i trykluftlager (CAES) at være på over 300 kr./kwh 6. Et egentligt ellager, der alene kan balancere vindkraften i 2050, henover årets variation, estimeres til at koste over 1.000 mia. kr., hvilket markant overstiger omkostningen til vindkraftanlæggene. Batterier til håndtering af ubalancen over længere perioder vil derfor næppe være hensigtsmæssigt. For at imødekomme den politiske vision er der derfor behov for en række nøgleegenskaber. Nøgle-egenskaber i fremtidens energisystem - Den fluktuerende el skal integreres i sektorerne gas, transport og varme, så biomasse frigøres til at skabe den fleksibilitet, som er nødvendig til at supplere den fluktuerende elproduktion. Integrationen skal ske med: - Høj energieffektivitet - Høj fleksibilitet, så der opnås fleksibilitet i elforbruget. - Omkostningseffektiv, så Danmark kan fastholde en konkurrencedygtig energiforsyning. Det vurderes i rapporten, at det er muligt at udvikle et energisystem, som energieffektivt og økonomisk effektivt kan levere disse nøgle-egenskaber og dermed kan integrere de store mængder fluktuerende elproduktion. Det vurderes, at nogle af de vigtigste løsningselementer i at opnå disse nøgleegenskaber er: 6 Technology data for energy plants, Energistyrelsen og, juni 2010. Dok.6357/11, sag 10/3378 13/39
- En effektiv integration mellem energisektorerne. - En effektiv integration med internationale elmarkeder. - Et intelligent styret elsystem. I afsnittene 4-6 beskrives integrationen mellem elsystemet og de øvrige energisystemer. I afsnit 7 beskrives analyser og vurdering af de samlede konsekvenser for elsystemet. Dok.6357/11, sag 10/3378 14/39
4. Gassystemet Gassystemets opgave er i dag transport af gas fra den danske del af Nordsøen til slutforbrugere i bolig, industri, service og el/fjernvarme. I takt med omlægningen til et energisystem, der primært forsynes fra vindkraft, ændres perspektiverne for gassystemets rolle markant. Gas identificeres i dag typisk med naturgas. I rapporten her betegner gas de centrale energigastyper metangas og syntesegas (i form af primært H 2 og CO). Betegnelsen gas bruges således her også om gas, der er baseret på vedvarende energiressourcer. Gas har nogle unikke egenskaber som energibærer og energilager. Disse egenskaber er centrale i forhold til indpasning af vindkraft. Gas er et brændsel, der billigt og med høj effektivitet kan omsættes til og fra de forskellige energiformer som el og flydende brændsler som fx metanol og andre biofuels. 4.1 Gas til spidslast elproduktion I et vindkraftdomineret elsystem vil der være meget fluktuerende elpriser, og den økonomiske basis for grundlastværker med driftstimer på 5.000-7.000 årstimer vil ikke være til stede. Der vil derimod være behov for produktionskapacitet med lave investeringsomkostninger, der kan levere elproduktion i 500-1.500 timer om året. Spidslast elproduktion er væsentligt billigere at producere på gas end andre brændsler. I den forventede udvikling med brændselsceller vil omkostning til spidslastkapacitet på storskala combined cycle-anlæg og mindre brændselscellebaserede anlæg blive mere ligestillede. Decentral kraftvarme, hvor der er etableret både varmepumpe og spidslastkapacitet på gas, kan således fortsat være relevant i fjernvarmeområderne. Forbruget af gas til spidslast elproduktion vil afhænge af, i hvilket omfang elsystem balanceringen leveres fra internationale elforbindelser. 4.2 Gas til industriel proces og andre formål I det omfang industrielle processer skal bruge brændsel (højtemperatur processer), kan det, som i dag, være økonomisk hensigtsmæssigt at bruge gas. I anvendelsesområder i transportsektoren, hvor el ikke er hensigtsmæssigt, kan det potentielt være relevant at bruge gas som drivmiddel. 4.3 Produktion af gas fra el Elektrolyse af vand, hvorved der produceres gas (brint og ilt), er en gennemprøvet teknologi (traditionel alkalisk elektrolyse). Virkningsgraden fra el til brint er i dag typisk 70 % og forventes frem mod 2020 at blive forøget til 80-85 %. I strategiarbejdet for elektrolyse 7 er målsætningen at nå 90 % systemvirkningsgrad i 2018. 7 Elektrolyse i Danmark, Strategi for forskning, udvikling og demonstration 2010-2018, Partnerskabet for Brint- og brændselsceller, August 2009. Dok.6357/11, sag 10/3378 15/39
Elektrolyseprocessen afgiver derudover varme, som kan anvendes til fjernvarme eller anden proces. Nye typer af elektrolyse, eksempelvis brændselscelleteknologien SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) kan potentielt bringe forholdet mellem el til elektrolysegas tæt på 100 %, hvis der tilføres varme til processen. En integration mellem el-, varme- og gassystemet er derfor en forudsætning for effektiv energiudnyttelse. SOEC-elektrolysecellen kan endvidere producere syntesegas, H2 og CO, hvis den tilføres CO 2. Der forskes i at bruge denne proces til at opgradere biogas med indhold af CO 2 til ren metan. 4.4 Forgasning af biomasse Biomasse og affald kan forgasses til syntesegas. Processen har i dag typisk en energivirkningsgrad fra biomasse til gas på 80 %, hvoraf resten afgives som varme. Varmen kan bruges til fjernvarme eller kan anvendes til andre processer, eksempelvis SOEC-elektrolyse. Den producerede gas er syntesegas. I forhold til brug af biomasse til kraftvarmeanlæg giver forgasning af biomasse mulighed for at bruge gassen til spidslast elproduktion. Samtidig når brugen af biomasse op på de virkningsgrader, som kendes fra gasbaserede anlæg. Endvidere giver forgasningsprocessen mulighed for at genanvende nogle kritiske næringsstoffer fra biomasse, eksempelvis fosfor. Forgasningsteknologi har været kendt i mange år i produktionen af bygas og som generatorgas til biler. Forskningsindsatsen er i dag at få omkostningen til anlæggene ned i pris, øge virkningsgraden og at håndtere og opgradere gassen til den ønskede kvalitet. 4.5 Lagring af gas Der er i dag etableret gaslagre i form af udskyllede saltkaverner ved Ll. Torup og aquifer, hvor gassen lagres i underjordiske formationer med særlige tætte lag (Stenlille). Der er i dag lagerkapacitet til 1 mia. Nm 3 metan, svarende til en kapacitet på 11 TWh energi. I hvilket omfang, brint kan lagres i kaverner, er ikke afklaret. Der er i Frankrig gode erfaringer med at lagre brint i kaverner 8. Gaslagring i form af metan i kaverner har en omkostning på ca. 1 kr./kwh gas, hvilket er en meget lav omkostning i forhold til ellager i et batteri, målt pr. energienhed. Der er et energitab ved konvertering fra gas til el. Det er derfor vigtigt at få denne konvertering integreret i det samlede energisystem, så tabet kan reduceres og udnyttes mest effektivt. Eksempelvis ved at tilknytte konverteringsanlæggene til fjernvarmenet. 8 "Technology data for energy plants", Energistyrelsen og, juni 2010. (se fodnote 15 Dok.6357/11, sag 10/3378 16/39
4.6 CO 2 -håndtering i et gassystem En række af processerne, der konverterer gas, giver mulighed for at fraskille CO 2 - delen i brændslet. Herunder ved reformeringen ved brændselsceller og en række øvrige katalytiske processer. Specielt ved stationære anlæg rummer det perspektiver for at styre kulstofkredsløbet og potentielt tage denne CO 2 ud og anvende eller deponere. 4.7 Integration af gas i el- og varmesystemet De enkelte processer omkring gas kan integreres via et gasmarked eller industrielt samarbejde. Gas kan således potentielt give stor fleksibilitet i energisystemet. En sammenstilling af de enkelte processer er illustreret i figur 4.1. Konverteringen giver en varmeproduktion i flere af procestrinene. For at sikre en god effektivitet er det hensigtsmæssigt, at konverteringen sker i tilknytning til et fjernvarmesystem, så varmen kan nyttiggøres. Det skal bemærkes, at i 2050 antages produktionen af fjernvarme fra kraftvarmeanlæg at være meget reduceret i forhold til i dag. Dette skyldes, at produktionen af el i høj grad sker fra vindmøller. Der er derfor et godt fjernvarmegrundlag, der kan nyttiggøre varmen fra øvrige energikonverteringsprocesser. El-transmission El ved lav pris Biomasse og affald H 2 FjV FjV Biomasseforgasning Elektrolyse Gassystem/ lagre El spidslast Gasturbine, CC, Brændselscelle mv. Katalyse til Biofuel Metanol DME etc. Opgradering Fjernvarme Biofuel til transport Fjernvarme Fjernvarme til metan Gas-transmission Figur 4.1 Gassystemet integreret med produktion af syntesegas og biofuelproduktion. Produktion og forbrug af gas i et eksempel på et udviklingsforløb frem mod Vindsporet i 2050 fremgår af figur 4.2. Dok.6357/11, sag 10/3378 17/39
300 250 200 Gas (PJ/år) 150 100 50 0 2010 2020 2030 2040 2050 År Naturgas prod. DK Biogas Forgasning Elektrolyse Gas-forbrug Figur 4.2 Produktion og forbrug af gas eksempel frem til 2050. Som det fremgår af figur 4.2 ligger forbruget i en periode fra 2030 til 2050 over produktionen. I denne periode importeres en vis mængde gas. I det analyserede scenarie for 2050 er døgnforbrug af gas simuleret. Det skal bemærkes, at figuren viser hele produktionen og forbruget af gas, hvilket vil sige både elektrolyse og forbrug til elproduktion og øvrige anvendelser. Gas (TWh) 0,1 0,05 Gas (GW) 0 1 16 31 46 61 76 91 106 121 136 151 166 181 196 211 226 241 256 271 286 301 316 331 346 361-0,05-0,1-0,15-0,2 Figur 4.3 Gasproduktion og forbrug pr. dag i 2050. Dag Forbruget vurderes overordnet set at ligge inden for rammerne af, hvad gassystemet kan håndtere. Det akkumulerede forløb af gaslager hen over året er simuleret for 2050. Forløbet er for beregning med moderat udbygning af elforbindelser til udlandet og fremgår af figur 4.3. Dok.6357/11, sag 10/3378 18/39
Gas akkumuleret lager (TWh) 4 3,5 3 Gas (GWh) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 Dag Figur 4.4 Eksempel på akkumuleret mængde af gas (gaslager) i 2050. De eksisterende gaslagre er på 11 TWh gas, svarende til energi-indholdet i en overskudsproduktion fra vindkraft på 11 GW i 1.000 timer. Som det fremgår af figur 4.4, ligger den akkumulerede kurve inden for den samlede gaslagerkapacitet på 11 TWh. Ved integration af gassystemet med udlandet, kan balanceringen endvidere i et vist omfang ske via international handel med gas. 4.8 Erhvervsperspektiver Danmark har en række styrkepositioner på områder inden for biogas, biomasseforgasning, brint/brændselsceller, biofuels og katalytiske processer. Dette kan sammen med den særlige udfordring, som et vindspor medfører, give et samspil mellem erhvervsperspektiver og løsning af energisystemets udfordringer. 4.9 Sammenfatning Gas har en række særlige styrkepositioner i et fremtidigt vindkraftdomineret energisystem. Betegnelsen gas dækker over metan og syntesegas. Der er således ikke alene tale om naturgasbaseret metan. Perspektiver for gassystemet - Gas udgør mulighed for et stort energilager, som kan bidrage effektivt til indpasning af vindkraften. - Gas er et centralt brændsel i forhold til energiforsyning af fremtidens meget energieffektive brændselsceller. Enten direkte som gas eller som energivej til metanol, DME mv. - Samfundsøkonomisk er gas et effektivt brændsel til: - Spidslastproduktion af el, centralt og decentralt. - Procesvarme i industri og service og eventuel transport i sektorer, hvor el ikke er hensigtsmæssigt. - Ved at sammentænke el-, gas- og fjernvarmesystemet kan tabene ved konvertering mellem el og gas, kraftvarme og elektrolyse udnyttes relativt effektivt. - Gas giver gode muligheder for at styre kulstofkredsløbet i brændselsforsyningen og potentielt tage CO 2 ud med henblik på anvendelse eller deponering. - Danmarks styrkeposition på brint/brændselscelle/katalyseområdet er centralt i forhold til realiseringen af en energiforsyning uafhængig af fossile brændsler og synergien i forhold til "Grøn Vækst". Dok.6357/11, sag 10/3378 19/39
5. Elsystemet I vindsporet sker der generelt en omlægning af energiforsyningen, så elsystemet får en mere central rolle. Denne udvikling skyldes i høj grad, at en direkte anvendelse af el i vidt omfang vil være mest hensigtsmæssig i et vindkraftdomineret energisystem. Herved opnås typisk den højeste virkningsgrad 9. Dette skyldes en række forhold, der gør elanvendelse til energiforsyning hensigtsmæssig. - Energieffektivitet: Realiseringen af visionen om uafhængighed af fossile brændsler eller CO 2 - neutralitet kræver en omstilling til en effektiv udnyttelse af energiressourcerne, det vil sige høj termodynamisk effektivitet. Elbaserede løsninger er helt centrale i at opnå denne høje energieffektivitet. - Øget miljøfokus: I takt med et stigende fokus og værdisætning af omkostning ved lokale emissioner er der en øget værdi i ren energiomsætning ved slutforbruget. El kan sammen med fjernvarme i særlig grad levere en energiforsyning uden lokale emissioner. - Høj forsyningssikkerhed og fleksibilitet i energikilde: En høj forsyningssikkerhed kan opnås ved at etablere en ledningsbåret energiforsyning, hvor der er mange kilder til energiforsyningen. 5.1 Elforbrug og produktion i det analyserede vindspor Udviklingen i elforbrug til varmeforsyning og transportområdet er beskrevet i kapitlerne 6 og 7. Endvidere er nøgletal for energisystemet beskrevet i bilag 1. Frem mod 2050 vokser elproduktion og elforbrug i vindsporet markant i forhold til i dag, selv om der er indregnet væsentlige elbesparelser i det klassiske forbrug. Fra et niveau på i dag ca. 40 TWh årligt til et niveau på ca. 80 TWh. 350 300 250 Pj pr år 200 150 100 50 0 2010 2020 2030 2040 2050 Landvind Havvind Solcelle Bølgekraft Kul Kul central CCS Olie central Biomasse KV Naturgas VE-gas Biogas Affald Figur 5.1.a Årlig elproduktion frem til 2050. 9 Energi 2050-udviklingsspor for energisystemet. Dok.6357/11, sag 10/3378 20/39
350 300 250 Pj pr.år 200 150 100 50 0 2010 2020 2030 2040 2050 Opvarmning Process-varme Klassisk Transport Centrale VP Elektrolyse Nettab Figur 5.1.b Årlig forbrug af el frem til 2050. Som det fremgår af figur 5.1 ændres produktionen fra at være 20 % fluktuerende og 80 % regulerbar elproduktion til i 2050 at være 80 % fluktuerende og 20 % regulerbar. Forbruget af el udvikler sig fra primært i dag at være ufleksibelt til på lang sigt at indeholde meget store mængder fleksibelt elforbrug til transport, varme og elektrolyse. Denne massive omlægning skaber en forandret situation for elsystemet og dermed forsyningssikkerheden. I de følgende afsnit er følgende udfordringer beskrevet: - Fleksibilitet i forbruget til at indpasse fluktuerende elproduktion. - Systemtilstrækkelighed i elproduktionskapacitet ved lav vindkraft. - Infrastrukturkapacitet til at transportere de meget store mængder el. - Systemstabilitet i mange timer uden produktion på termiske værker. 5.2 Indpasning af den fluktuerende elproduktion Et væsentligt succeskriterium for energisystemet er, at den fluktuerende elproduktion kan nyttiggøres omkostningseffektivt. Analysen 10 omfatter en case med kraftig udbygning til udlandet og en case med en moderat udbygning. Udbygning af forbindelser mod udlandet er et vigtigt element i at indpasse vindkraften. Den kraftige udbygning til udlandet giver i de gennemførte analyser den mest omkostningseffektive udnyttelse af den fluktuerende energi. Da det ikke er givet, at der bliver mulighed for at udbygge elkapaciteten til udlandet i et så stort omfang, er en mere moderat udbygning også analyseret. 10 Bilag 1: Data for det analyserede system. Dok.6357/11, sag 10/3378 21/39
Nedenstående kurve viser et årsforløb for forskellen mellem fluktuerende produktion og klassisk elforbrug. Kurven viser fluktuerende produktion fratrukket klassisk elforbrug, det vil sige de effekter, som skal håndteres med import/eksport på udlandsforbindelser, fleksibelt elforbrug, herunder el til varme, transport/elbiler og produktion af syntetiske brændsler. Figuren viser derudover en varighedskurve sorteret med faldende overskudskapacitet. Analysen er baseret på casen, hvor der er antaget moderat udbygning af eludveksling til udlandet. 15 10 5 El (GW) 0 1 429 857 1285 1713 2141 2569 2997 3425 3853 4281 4709 5137 5565 5993 6421 6849 7277 7705 8133 8561-5 -10-15 Time Time-forløb Varigheds-kurve Figur 5.2: Årskurve, der viser forskel mellem fluktuerende elproduktion og klassisk elforbrug. Perioder med særlige udfordringer er markeret. Herunder situation med meget høj, fluktuerende elproduktion (grøn cirkel) og en situation med lav elproduktion fra fluktuerende el (rød cirkel). Nedenstående figur viser fokus på dage med særlige udfordringer for indpasning af vindkraft. 20000 18000 16000 14000 Effekt MW 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 11 22 9 20 7 18 5 16 3 14 1 12 23 10 21 8 19 6 17 4 15 2 13 0 11 22 9 20 7 18 Vind Bølge Solcelle Kraftværker Mangel Figur 5.3.a Elproduktionen i 2 uger. Periode med høj produktion af vindkraft og sol. Dok.6357/11, sag 10/3378 22/39
20000 15000 10000 Effekt (MW) 5000 0 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16 0 8 16-5000 -10000 Time Klassisk forbrug VP Elvarme Erhverv Elbil Elektrolyse Export Produktion nedregulering af vindkraft Import Figur 5.3.b Effektbalance i to uger. Periode med høj produktion af vindkraft og sol. Som det fremgår af figur 5.3.b, håndteres perioder med høj produktion ved en kombination af både udlandsforbindelser eksport, forbrug til elbiler, varmepumper og syntetisk brændselsproduktion. Figuren viser også, at der reelt laves syntetisk brændselsproduktion i timer, hvor der ikke er massive vindkraftproduktioner i Danmark, med import af el fra omgivende markeder med lav elpris. Med de antagne forudsætninger har elektrolyseanlæggene ca. 2.000 årlige driftstimer. Fleksibiliteten i elforbruget i Danmark kan således være relevant, uanset om der etableres store vindkraftproduktioner. Perioder med lav vindkraftproduktion og stort elforbrug er illustreret i figur 5.4. Som det fremgår, er der ud over udlandsforbindelserne behov for 6 GW brændselsbaseret spidslast elproduktionskapacitet. Denne type spidslast får relativt få driftstimer og kan tænkes etableret som gasbaseret spidslast. 20000 18000 16000 14000 Effekt MW 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1 12 23 10 21 8 19 6 17 4 15 2 13 0 11 22 9 20 7 18 5 16 3 14 1 12 23 10 21 8 19 Vind Bølge Solcelle Kraftværker Spidslast Figur 5.4.a Elproduktion, forbrug og udveksling i en periode med højt elforbrug og lav produktion på fluktuerende el (vindkraft og solceller). Dok.6357/11, sag 10/3378 23/39
25000 20000 15000 Effekt (MW) 10000 5000 0 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17 1 9 17-5000 -10000 Time Klassisk forbrug VP Elvarme Erhverv Elbil Elektrolyse Export Produktion nedregulering af vindkraft Import Figur 5.4.b Effektbalance i en periode med højt elforbrug og lav produktion på fluktuerende el (vindkraft og solceller). Det ligger uden for rapportens afgrænsning at lave detaljerede analyser af nettet, men har fokus på de langsigtede aspekter i systemanalyserne. For at sikre fleksibilitet til integration af vindkraften er det væsentligt, at der er betydelig lagerkapacitet i det samlede energisystem. Mængden af lagerkapacitet i elbiler, varmepumper, fjernvarme- og gassystemet er grafisk illustreret i nedenstående figur. Energiindhold ved lagring som metan (eksist. gaslager) Gas-system (Energiindhold ved alt. lagring som brint) VP i fjernvarme Sæson-lager Indiv. VP Elbiler Energi-indhold =100 GWh Figur 5.5: 0 sekunder 0,2 minutter 0,4 timer 0,6 dage 0,8 uger 1 måneder 1,2 Fleksibilitet angivet som lager kapacitet (vist ved figurareal) i de forskellige energisystemer, herunder transport/elbiler, individuelle varmepumper, fjernvarmesystemer og gaslager ved eksisterende kapacitet. De enkelte kapaciteter er nærmere uddybet i afsnittene om henholdsvis gas, transport og varme. Som det fremgår af Figur 5.5 er lagerkapacitet i elbiler og individuelle varmepumper relativt lille, typisk 30-50 GWh, selv om der er en meget kraftig udbygning. Lagring i fjernvarmesystemet er væsentligt større, specielt hvis systemet udbygges med et sæsonlager svarende til 10 % af det årlige varmebehov. Ved metan er gaslagerets kapacitet i størrelsesordenen 11 TWh og er således markant større. Figuren viser også kapaciteten, hvis lageret bruges til brint, hvorved kapaciteten reduceres til under 1/3 i forhold til lagring som metan. Det er muligt at Dok.6357/11, sag 10/3378 24/39
udvide lagerkapaciteten. Forhold omkring lagring af brint kræver nærmere udredning. 5.3 Infrastrukturkapacitet til at transportere store mængder el har sammen med Energistyrelsen, Dansk Energi og netselskaberne mfl. udarbejdet en plan for elinfrastrukturen frem mod 2040 11. Med udgangspunkt i principperne for elinfrastrukturen og det beskrevne eksempel på udviklingsforløb for energisystemet frem til 2050 har foretaget en overordnet netberegning på belastningen af transmissionssystemet. Analysen viser, at den planlagte struktur for transmissionssystemet er hensigtsmæssig. Inden for den planlagte struktur er der muligheder for at udvide kapaciteten. Strategi ved ilandføring af de store mængder vindkraft og fordelingen af denne i de store forbrugsknudepunkter er afgørende for belastningen af transmissionsnettet. Samtidig er placering af de nye typer elforbrug til syntetisk brændselsproduktion af gas og biofuels af stor betydning for transmissionsnettet. vil arbejde videre med at analysere nettets belastning ved en så kraftig udbygning med vindkraft. Behovet for forstærkning afhænger i høj grad af, hvordan fleksibiliteten udnyttes i de nye typer af fleksible elforbrug. I tilfælde af et udfald af en transmissionsforbindelse skal der være alternativ transmissionskapacitet, der kan opretholde forsyningen ved uændret forbrug, såkaldt n-1 kriterium. Dette betyder, at der skal allokeres reservekapacitet i transmissionsnettet for at opretholde en tilfredsstillende forsyningssikkerhed. I en situation med store mængder fleksibelt elforbrug er driftsmulighederne for elsystemet potentielt væsentligt anderledes end i dag, hvor næsten alt elforbrug er ufleksibelt. har analyseret tilgængelighed af de fleksible forbrug på timebasis i forhold til driften af elsystemet. Med Smart Grid-drift af de fleksible elforbrug kan de principielt agere i forhold til et driftsudfald af produktions- eller transmissionskapacitet. Derved vil de fleksible forbrug principielt kunne danne grundlag for en højere udnyttelsesgrad af transmissionsnettet og dermed reducerede omkostninger til transmissionskapacitet. Disse aspekter er ikke nærmere vurderet i denne sammenhæng. Omkostningen og mulighederne for at udbygge transmissionssystemet er væsentlige aspekter. En forstærkning, ud over det allerede fastlagte, skal formodentlig ske i form af relativt dyre 400 kv-kabler. I forhold til udvikling af elsystemet skal følgende derfor prioriteres: - En aktiv indsats med at udbygge det danske elsystem mod det nordiske elmarked og markedet mod syd (Tyskland, Holland mv.). Udbygningen kan både være 11 "Teknisk redegørelse om fremtidig udbygning og kabellægning i eltransmisionsnettet" Elinfrastrukturudvalget april 2008 og "Kabelhandlingsplanen for 132 kv og 150 kv." marts 2009. Dok.6357/11, sag 10/3378 25/39
i form af forbindelser mellem de enkelte lande, eller som en del af et sammenhængende offshoregrid i Nordsøen. - Udvikling af Smart Grid-driftskoncept, så det fleksible forbrug kan understøtte en højere udnyttelsesgrad af transmissions- og distributionssystemet. - Øget videnopbygning om 400 kv-kabler til eltransmission, så langsigtet forstærkning kan ske uden etablering af nye luftledninger. I takt med øget elforbrug til elbiler og individuelle varmepumper vil mange af distributionsområderne komme over kapacitetsgrænsen og kræve ganske omfattende forstærkninger, hvis det nye elforbrug ikke kan agere fleksibelt under hensyn til kapacitetsbegrænsninger i distributionsnettet. Analyser 12 viser, at et intelligent elsystem, Smart Grid, vil øge udnyttelsen af distributionsnettet, idet forbruget til nye forbrug kan flyttes væk fra spidsbelastningstidspunkter. Derved kan de samlede omkostninger ved øget elforbrug reduceres. 5.4 Kapacitet på el-udlandsforbindelser Der er i analysen foretaget simuleringer med både en meget kraftig udbygning til udlandet og en mere moderat udbygning til udlandet. Jf. beskrivelse af det analyserede system i bilag 1. Ved den kraftige udbygning til udlandet er etableret 3.500 MW til Norge. Tilsvarende er antaget en markant forstærkning mod Tyskland/Holland. I den moderate udbygning af eludlandsforbindelser er der antaget en udbygning svarende til prognosen frem mod 2020, herunder en Skagerrak 4 og en forbindelse til Holland og en forstærkning mod Tyskland. Analysen viser, at der er god samfundsøkonomi i at foretage den kraftige udbygning til udlandet. Men analysen viser også, at det er vigtigt at udnytte de indenlandske virkemidler til at håndtere store mængder fluktuerende energi. 5.5 Systemstabilitet i timer uden produktion på termiske værker De centrale elproduktionsværker er i dag rygraden i at sikre elsystemets stabilitet i driftsøjeblikket. Værkerne leverer systemydelser i form af stabilitet (svingmasse/inerti), kortslutningseffekt og stabilisering af spænding og frekvens. I takt med, at der indfases mere vindkraft, som har meget lave marginale produktionsomkostninger, typisk 2-5 øre/kwh, vil der forekomme mange timer med meget lave priser på elmarkedet. De centrale værker har relativt høje tomgangsomkostninger. I disse timer vil værkerne ikke være i drift, hvis ikke de får en særlig betaling for at være i drift af hensyn til systemstabiliteten. 12 har sammen med Dansk Energi analyseret samfundsøkonomien i at etablere Smart Grid frem mod 2020. "Smart Grid i Danmark", og Dansk Energi, september 2010. Dok.6357/11, sag 10/3378 26/39
I timer med lave elpriser betaler i dag omkostninger til såkaldt tvangsdrift af centrale værker. Ved et faldende antal driftstimer og indtægtsgrundlag vil flere af de centrale grundlastværker potentielt blive skrottet. De centrale værkers roterende svingmasse er naturligt direkte koblet til elsystemet, når værket er i drift. Tilsvarende er anden svingmasse, generatorer på decentrale værker og elmotorer i industri også naturlig svingmasse i systemet. I fremtiden vil store mængder af både produktion og forbrug ikke være direkte koblet til elsystemet, men reguleres igennem en frekvensomformer (konverter), som regulerer strøm og spænding. Den mekaniske svingmasse, og dermed systemstabiliteten, er således ikke naturligt tilgængelig på samme måde, men bestemmes af, hvordan konverteren reguleres. Dette giver nye udfordringer for elsystemet. Styringen af konverteren kan principielt agere kunstig svingmasse (inerti) og levere aktiv regulering af reaktiveffekt og spændingsstøtte. Det er derfor vigtigt, at der udvikles styringsløsninger og driftskoncepter for elsystemet, så de nødvendige, systembærende egenskaber kan fastholdes i de mange timer uden centrale værker i drift. Dette forudsætter både et intelligent elsystem, Smart Grid, der kan facilitere de nødvendige informationer mellem elsystemets elementer og elmarkedet, og et elmarked, som understøtter, at disse ydelser leveres via et effektivt marked. Der er i dag krav til et relativt højt niveau af kortslutningseffekt i elsystemet. Dette blandt andet af hensyn til de "klassiske" HVDC-forbindelsers funktion (kommutering) og for at sikre funktionen af relæbeskyttelsen. Etablering af synkronkompensatorer ved de eksisterende HVDC-forbindelser kan sikre den nødvendige kortslutningseffekt. På lang sigt er det sandsynligt, at både HVDC-anlæggene og relæbeskyttelsen vil være af en anden type, som stiller mindre krav til kortslutningseffekt. 5.6 Intelligens i elsystemet Smart Grid Det er afgørende, at der udvikles et elsystem, hvor den fluktuerende elproduktion og det fleksible elforbrug teknisk og markedsmæssigt kan aktiveres. I forhold til dagens elsystem er der behov for et mere intelligent elsystem i form af Smart Grid 13. Smart Grid kan betragtes som den intelligens, der kan binde anlæggene til forbrug og produktion sammen med et elmarked, hvor ressourcerne i konkurrence bruges effektivt. Smart Grid består i hovedtræk af følgende elementer: - Onlinemålinger i elsystemet med et løbende overblik over systemets tilstand. - Styring/regulering, der giver en omsætning af elsystemets tilstand til markedssignaler. - Et standardiseret interface til kommunikation mellem elsystem og forbrugs- og produktionsanlæggene. Dok.6357/11, sag 10/3378 27/39
2 4 1 3 Figur 5.6 Skematisk model af Smart Grid-systemet. Ved etablering af Smart Grid understøttes forbrugsanlæg til at agere hensigtsmæssigt i forhold til vindproduktion og elsystemets belastningstilstand. På lang sigt kan det blive nødvendigt at forstærke den interne elinfrastruktur. Ved at udvikle et intelligent elsystem, Smart Grid, kan den eksisterende infrastruktur på både transmission og distribution udnyttes markant mere effektivt, hvilket samtidig reducerer behovet for yderligere udbygning. Udvikling af Smart Grid er centralt i forhold til at opnå en effektiv udnyttelse af det nye, fleksible forbrug og få det indpasset til den fluktuerende elproduktion fra vindkraft. Derved kan elnettet styres stabilt ved mere vindkraft og uden tvangskørsel af centrale værker. 5.7 Marked Markedet sikrer, at der i international konkurrence er elproduktion fra mange typer af anlæg med forskellige styrkepositioner. Herunder termiske værker, vindkraft og vandkraft. Set i forhold til markedet medfører udviklingen med store mængder vindkraft sandsynligvis et behov for, at markedsmodellen styrkes på en række felter. Markedet skal understøtte følgende tendenser: - Øget pres på elinfrastruktur giver incitament til effektiv allokering af infrastrukturkapacitet, fx med dynamiske tariffer. Det kan have betydning for udvikling af markedsmodeller, der enkelt lader sig integrere med dynamiske tariffer, eksempelvis et mere onlinemarked med lavere tidsopløsning (5-15 min). - Øget behov for levering af regulerkraftydelser og systembærende egenskaber fra andre typer anlæg end traditionelle termiske værker. - Mulighed for bedre kommunikation mellem elsystemets mindre forbrugs- og produktionselementer og dermed mulighed for at integrere forbrugsfleksibilitet Dok.6357/11, sag 10/3378 28/39
til at balancere den fluktuerende vindkraft. Dette gælder både i korte og længere tidsperioder, fra sekund til måneder. - Integration af elbiler i elsystemet medfører et behov for, at mobile enheder kan afregnes og håndteres i et markedssetup. arbejder med en række projekter, hvor fremtidens Smart Grid udvikles og afprøves i samspil med markedet. Herunder EcoGrid-projektet på Bornholm. 5.8 Sammenfatning af budskaber for elsystemet Perspektiver for elsystemet - Udfordringen for transmissionssystemet er markant. Store mængder VE skal transporteres, og der skal ske øget overgang til kabellagte løsninger. Transmission i 400 kv-kabler på land er et vigtigt vidensområde i forhold til den overordnede elinfrastruktur. - International integration af vindkraften ved udbygning af udlandsforbindelser eventuelt som en del af et internationalt offshoregrid. - En sammentænkning af elsystemet med de øvrige energisystemer, transport, varme og gas kan give den nødvendige fleksibilitet til indpasning af vindkraft. Transport og varme kan give fleksibilitet på dagsniveau, varme på ugeniveau, og gassystemet kan give høj fleksibilitet og integrere sæson- og årsvariationer. Udvikling af et intelligent elsystem, Smart Grid, er en nøgleposition i forhold til at opnå: - Effektiv udnyttelse af nye, store fleksible forbrug til at indpasse den fluktuerende elproduktion fra vindkraft. - En mere effektiv udnyttelse af transmission og distributionsnettet og dermed begrænse behovet for yderligere udbygning - At kunne styre elnettet stabilt ved mere vindkraft og uden tvangskørsel af centrale værker. Dok.6357/11, sag 10/3378 29/39
6. Transportsektoren integration med el og gas Transportsektoren er i dag et de områder, hvor et meget stort potentiale for energieffektivisering. Samtidig er det området, hvor der forventes den største vækst i energiforbruget. Omlægning til mere energieffektive løsninger kan markant reducere fremtidens energiforbrug til transport. Elbiler kan give en tredobling af effektiviteten og være konkurrencedygtige efter 2020. På lidt længere sigt kan brændselsbaserede biler være konkurrencedygtige og give en forøgelse af energieffektiviteten. En langsigtet, høj energieffektivitet kan realiseres med elbiler suppleret med el-hybridbiler med brændselsceller, der kan sikre uafhængighed af opladning ved tungere/længere transport. Jf. figur 6.1. Benzinbil Dieselbil Biofuel, anden generation Brændselscelle Plugin hybrid elbil Afhængig af batteristørrelse Elbil (fra el til Hjul) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% Virkningsgrader Figur 6.1 Energieffektivitet ved forskellige energiforsyninger af transportsektoren. Elbiler giver en høj fleksibilitet med hensyn til energikilde, idet el kan produceres på de fleste energikilder. Selv med en markant udbygning med elbiler, 1,5 mio. elbiler i 2050, vil energilageret i elbiler antageligt være af størrelsesordenen 30-50 GWh, svarende til 3 timers overskud på 10 GW vindkraft. Elbilerne kan således ikke løse udfordringen med lagring af flere dages overproduktion med vind. Men elbilen er en unik ressource for elsystemet i forhold til indpasningen af døgnvariationen i elforbrug, vindkraftens uforudsigelighed og systemydelser til stabilisering i driftstimen og opretholdelse af forsyningssikkerhed. Det er nødvendigt, at elbilens interface til elsystemet udvikles, så dens ressourcer kan bidrage til elsystemets drift. Danmark kan med sin viden om vindkraft i elsystemet bidrage til standardiseringen af samspillet mellem elbil og elsystem, så disse egenskaber udvikles i den internationale standardisering. Ved en udvikling mod brændselscellebaserede plug-in hybridbiler vil der være behov for et brændsel til disse biler. Metangas, metanol, DME eller brint kan være et relevant brændsel til disse biler. Det kan ikke give den samme energieffektivitet Dok.6357/11, sag 10/3378 30/39
som elbiler, men er et godt bud på et brændsel til de anvendelsesområder, hvor det er uforholdsmæssigt dyrt at bruge el. I Vindsporet er der frem mod 2050 antaget, at el til transport bliver ca. 11 TWh el. 6.1 Sammenfatning I forhold til integration af vindkraft er budskaberne for transportsektoren, at elbiler kan give en høj energieffektivisering. Perspektiver for transportsektoren - Elbiler er meget energieffektive og er en ressource til balancering af elsystemet i driftstimen og op til et døgn. Men elbilen kan ikke indpasse store mængder vindkraft over flere dage. - Brændselsceller i hybridbiler er på lang sigt (efter 2025) et meget energieffektivt supplement til elbilen. Brændsel kan være metan, metanol eller eventuelt brint, der produceres i samspil med el- og gassystemet. - Standardisering af intelligent interface mellem elsystem og elbil via Smart Grid er vigtigt for at opnå balancering af nettet. Dok.6357/11, sag 10/3378 31/39
7. Opvarmning integration med el og gas Varmesektoren er en af de sektorer, hvor der er et stort potentiale for effektivisering i brændselsanvendelse. Varme er en lavværdi energiform. Behovet for varme er af en størrelse, så ved en simpel anvendelse af biomasse til opvarmning med biokedler, kan det meste af Danmarks biomasse blive forbrugt til opvarmning. En høj energieffektivitet opnås ved dels at basere opvarmning på overskudsvarme fra de øvrige processer i energisystemet, dels ved at bruge varmepumper til at nyttiggøre omgivelsesvarme til opvarmning af bygningerne. Danmarks varmeforsyning er delt op i tre typer områder: Fjernvarme, naturgas og områder uden kollektiv forsyning, område 4. Opdelingen i de fire områder i dag og forsyningen frem mod 2050 fremgår af figur 7.1. Område IV Område IV Naturgas individuel Naturgas individuel Fjernvarme Fjernvarme Figur 7.1 Opdelingen af Danmark i områdetyper med fjernvarme, naturgas og område IV (uden kollektiv forsyning). 7.1 Fjernvarmeområder Fjernvarmesystemet er afgørende for at anvende overskudsvarme fra øvrige processer til opvarmning. Øvrige processer er her både kraftvarme fra elproduktion i perioder med lav vindkraft og overskudsvarme fra konvertering af vindbaseret el til VE-gas og biofuel. Fjernvarmen giver samtidig mulighed for at bruge el til store varmepumper eller elpatroner. Fjernvarmeværker kan i kraft af storskala-anlæg få økonomi i at have flere alternative forsyninger, eksempelvis kraftvarme og varmepumper kombineret med et Dok.6357/11, sag 10/3378 32/39