Samlokalisering med vindkraft

En översikt om samlokalisering av vindkraft med solenergi och batterier

Introduktion

Förnybar elproduktion växer allt mer och förväntas även göra så framöver. De energiteknologier som växer mest och har störst tillväxtpotential är vindkraft och solel. Dessa är väderberoende elproducenter och alltså inte planerbara på samma sätt som andra förnybar eltekniker som vattenkraft, kraftvärme och el från biogasanläggningar. Å andra sidan är det idag relativt enkelt att göra prognoser på kort sikt utifrån lokala och regionala väderprognoser vilket underlättar för planering av elproduktion och elsystemet. Vidare finns en stark så kallad komplementaritet mellan sol och vind. När solen lyser som mest brukar det inte vara så blåsigt och vinden tilltar eller avtar i samband med gryning och skymning.

Denna vetskap leder till några frågor som:

Hur kan elproduktion från sol och vind samlokaliseras för att få ut bästa möjliga systemnytta?
Hur kan aktörer få ökad kostnadseffektivitet och nyttjandegrad av sina investeringar?
Hur kan delning av resurser som nätanslutning, batterier och annan infrastruktur fungera?

En internationell trend är så kallade hybridparker, sol- och vindkraft samlokaliseras. Ofta kombineras elproduktionen även med någon form av energilagring, som batterier eller vätgasproduktion. På så sätt kan hybridparken ge en jämnare elleverans till nätet. Dessutom är det kostnadseffektivt att dela på samma infrastruktur, till exempel tillgången till elnät.

Viktigaste fördelarna

Samlokalisering mellan vindkraft, solparker och/eller batterier kan ge en rad fördelar som:

Kostnadsbesparingar – både kapital- och driftskostnader kan minskas genom att dela befintlig infrastruktur och mark. Att kombinera lagring och produktion tillåter effektivare utnyttjande av ansluten nätkapacitet eller mindre ansluten nätkapacitet.
Snabbare nätanslutning – för närvarande kan processen för nätanslutning ta lång tid om nätet är ansträngt. Genom samlokalisering kan man eventuellt ansluta mycket tidigare genom att använda en befintlig nätanslutning.
Intäktsstapling – batterier eller annan energilagring kan användas för att undvika överkapacitet mot nätanslutning eller flytta elproduktion till nätet från när priserna är låga till tider när priserna är högra. Med hybridparker med batterier ökar också möjligheten att delta inom flexibilitets- och stödtjänster
Tillstånd – en gemensam process för tillstånd genom samlokalisering kan både förenkla och minska resurser för tillstånd än vad som skulle varit fallet för separata anläggningar. Detta gäller både för energiaktören och tillståndsmyndigheten.

Utmaningar att övervinna

Trots dessa fördelar finns det fortfarande vissa utmaningar för att öka potentialen med samlokalisering:

Prissäkerhet – För samlokalisering bör alla tillgångar vara ekonomiskt bärkraftiga och affärsmässiga skäl för samlokalisering måste klargöras. En av tillgångarna kommer sannolikt att begränsas till följd av samlokalisering, så fördelarna måste överväga kostnaden för denna begränsning.

Optimering – kopplat till prissäkerheten kräver samlokaliserade tillgångar optimering för att producera enligt den mest kostnadseffektiva och lönsamma ”energiproduktionsprofilen” i linje med priser och avtal.

Komplementaritet mellan vind och sol

Över längre tid och säsonger kan man tydligt se skillnader i elproduktion från vindkraft respektive solelsanläggningar. Bilden nedan påvisar tydligt detta. Anledningen är naturligtvis årstider samt skillnad mellan dag och natt men det finns även samband mellan sol och vind dagtid. När solen lyser som starkast blåser det mindre och när det är blåsigt väder är det ofta molnigt och i samband med gryning eller skymning.

Detta samband ses tydligare ju större områden man analyserar data från. Bilden nedan visar exempelvis hela Europa.

För att undersöka den så kallade komplementariteten på mindre geografiska områden har företaget Solkompaniet analyserat data för olika geografiska områden där det finns tillräcklig med kapacitet installerad både för vindkraft och solenergi. Datan har hämtats från Energy-Charts.info vilket är en databas som drivs av Fraunhofer Institutet.

Bilden nedan visar hur den sammanlagda effekten för sol och vind i Tyskland 2021 fördelar sig. Data är inhämtad med 15 minuters intervall. Den totala installerade effekten för sol och vind är ca 120 GW fördelat enligt: 54-59 GWp sol och 62,5-64 GWp vind. (GWp = GigaWatt peak capacity)

Mätdatan (de röda prickarna) visar den sammanlagda effekten vid just det mättillfället. Trots den totala installerade effekten om ca 120 GW visar datan att:

Total effekt överstiger 40 GW vid 5,51% av mättillfällena
Total effekt överstiger 50 GW vid 1,13% av mättillfällena
Total effekt överstiger 60 GW vid 0,03% av mättillfällena

I Tyskland skulle man alltså, teoretiskt klarat sig med enbart den installerade näteffekten för vindkraftverken för att också kunna nyttja effekten från solcellsanläggningarna.

Gör man samma analys för ett mindre område, nätområdet 50Hertz får man följande resultat.

Den totala installerade effekten för sol och vind är ca 35 GW fördelat enligt: 13,5-16,4 GWp sol och 20,2-20,8 GWp vind. Mätdatan visar att:

Total effekt överstiger 16 GW vid1,29% av mättillfällena
Total effekt överstiger 18 GW vid 0,22% av mättillfällena
Total effekt överstiger 20 GW vid 0,01% av mättillfällena

I Sverige (2022) har vi:

12,1 GWp vindkraft, ca hälften i södra Sverige (elprisområden SE3 och SE4)
1,6 GWp solkraft, potential för ca 10x mer

I Västra Götalands har vi ca1 GW befintlig vindkraft men denna kommer troligtvis att öka markant då flera havsbaserade vindparker förväntas ansluta in mot regionens västkust. Detsamma gäller utbyggnaden av solparker som sker just nu.

Det är därför intressant att se hur komplementariteten mellan sol och vind ser ut under svenska förhållanden och inom ett lokalnät. Bilden nedan visar mätdata för sol och vindkraft utanför Varberg under 2019. Datan är inhämtad med 1 timmes intervall (jämför med 15 minuter i exemplen ovan).

Installerad effekt per kraftslag är 2,7 MWp sol och 6 MWp vind, alltså 8,7 MW totalt.

Mätdatan visar att:

Total effekt överstiger 6 MW vid 4,16% av mättillfällena
Total effekt överstiger 7 MW vid 1,03% av mättillfällena
Total effekt överstiger 8 MW vid 0,03% av mättillfällena

Detta påvisar att under 95% av årets timmar skulle man klarat av att hantera solelsproduktion inom ramen för nätets anslutningseffekt för vindkraft. Resterande 5% skulle man behöva hantera genom att minska vindkrafts- eller solelsproduktionen eller genom energilagring som till exempel batterier.

Komplementariteten mellan sol och vind är alltså inte bara viktigt att beakta i elsystemets planering och design utan kan också vara en viktig faktor för att få kostnadseffektivitet och bättre ekonomi för både elmarknadens aktörer och samhället.

Samlokalisering

Samlokalisering är en mycket allmän term och kan komma i en mängd olika former. Här kommer vi att fokusera på samlokalisering av flera elproduktions- eller lagringstillgångar med en enda nätanslutning. Samlokalisering syftar till att öka flexibiliteten i energiförsörjningen och maximera värdet från kostnader för nätanslutningar och mark. De samlokaliserade tillgångarna som delar en nätanslutning kan mätas separat eller tillsammans.

De kan också antingen dela samma mark eller vara på olika platser (inom en relativt liten radie) men anslutna via privat infrastruktur. Alla tillgångar kan ägas av ett enda företag eller av separata företag.

En av de mest enkla typerna av samlokalisering är kombinationen av flera elproduktionsanläggningar. En version av detta är kombinationen av solenergi (PV) och landbaserad vind. Kombinationen av sol-PV och landbaserad vind kan ge en jämnare sammanlagd energiproduktion, med solel- och vindkraftsproduktion som toppar vid olika tidpunkter på dygnet och olika årstider (se ovan).

I Sverige tenderar en solpark enbart att generera ca 1 000 fullasttimmar per år, medan en samlokaliserad solcellsanläggning och landbaserad vindkraftstillgång kan generera cirka 4 000 fullasttimmar per år.

Solceller och vindkraft på land kan antingen samlokaliseras av separat installerade vindkraftverk och solpaneler som delar en nätanslutning eller genom att integrera de två. Men det kommer också med begränsningen av potentiell skuggning av solpanelerna från turbinbladen och begränsningar baserat på tillgängligt utrymme.

Att kombinera flera produktionstyper som sol och vindkraft ökar svårigheten att dimensionera nätanslutningen korrekt för platsen. De två kommer sällan båda att producera 100 % och därför skulle en nätanslutning för hela kapaciteten för båda tillgångarna till stor del vara underutnyttjad.

Förutom samlokaliseringen av solpark och landbaserad vind, finns det fler nya kombinationer av lösningar som undersöks. Det mest utforskade alternativet är tillägget av batterilagring vilket ger intermittent (ojämn) förnybar produktion klara fördelar.

Genom batterilagring kan man få bättre nyttjande av nätanslutningen och spara på kostnader. Samlokalisering med batterilager kan också ge fler intäktsströmmar. Det är här viktigt att planera för potentiella krockar med behovet av lagring från vindkrafts- och solelsproduktionen och dess nyttjande av batterilagret. En samlokaliserad batterilagring kan ge fördel av lägre kostnader och eventuellt snabbare anslutning till nätet, men i gengäld ger den troligtvis lägre intäkter än ett fristående batteri.

Det samlokaliserade batteriet kan laddas antingen från solcellerna eller vindkraftverken eller från nätet och används för ”peak shaving” och arbitrage, vilket skapar en jämnare energiproduktion till nätet eller intäkter via nättjänster.

Peak shaving använder batteriet för att undvika minskning av produktionen på grund av nätbegränsningar. Detta genom att ladda batteriet med el som annars skulle gå förlorad för att sedan tillföra denna till nätet vid en annan mer lämplig tidpunkt.

Arbitrage är import och lagring av energi när det är billigt och export när energipriserna är högre. Arbitrage är vanligtvis inriktat på att leverera lagrad energi under höglast när priset är högre. Detta kan antingen vara energi som importeras från nätet eller från den egna produktionen. Detta scenario kommer vi säkert se mer av ju mer sol och vindkraft som installeras och till och med negativa elpriser.

Den minskande trögheten i Sveriges energiproduktionsmix med mer förnybara och väderberoende teknologier har ökat behovet av snabbverkande frekvenssvarstjänster som kan tillhandahållas av batterilagring.

Ser vi framåt kan det finnas det en stor mängd av samlokaliserade anläggningar under det kommande decenniet, med en ökande trend av storskaliga energiparker.

Lägre kostnader

Den primära fördelen med samlokalisering är de kostnadsbesparingar som kan göras inom flera områden. Det första området är det minskade kapitalet och operativa kostnader genom att använda befintlig infrastruktur som exempelvis vägar, nätanslutning och transformatorstationer. Lägre specifika kostnader för markanvändningen kan också uppnås då delar av marken annars skulle vara outnyttjad utifrån arrendeavtal.

På liknande sätt, som nämnts ovan, resulterar intermittent elproduktion att det kan finnas extra nätanslutningskapacitet, som skulle kunna utnyttjas, särskilt i kombination med energilagring.

Nätanslutningskostnaden baseras på kapacitet snarare än hur mycket ström som går genom den, det finns därmed möjligheter till kostnadsbesparingar med samlokalisering.

En ytterligare fördel med att exempelvis lägga till en solpark eller batteri till en befintlig vindkraftspark är snabbare anslutning till nätet, genom den redan existerande anslutningen.

Samlokalisering kan också ge minskade finansiella risker. När olika typer av teknik som kompletterar varandra kombineras får man diversifiering och därmed också lägre risknivåer för parken som helhet.

Intäkter

För närvarande är en stor utmaning för investeringar samlokalisering hur man bäst optimerar de olika tillgångarna (sol, vind, energilagring) och prissäkerheten på intäktsströmmarna. Det är viktigt att båda tillgångarna är ekonomiskt bärkraftiga var för sig rätt och att business casen för deras samlokalisering är tydlig.

De platsspecifika egenskaper måste analyseras och beaktas innan investeringsbeslut. Är affärsfallet inriktat på att undvika nätbegränsning eller arbitrage av förnybar generation? Eller är affärsfallet att behandla de två tillgångarna separat samtidigt som man drar fördel av kostnadsbesparingarna som tidigare nämnts?

Stapling av enskilda affärscase kommer sannolikt att innebära ”en begränsning av den ena eller andra av tillgångarna” och optimering är beroende av avtalsmekanismer och marknadspriser och därför prioriterad användning av nätverksanslutningen och hur detta ändras vid olika tidpunkter.

Högbelastningstider när elnätet är mest begränsat är perioder med störst chans av de olika delarna begränsar varandra, och noggrant övervägande krävs för att få intäktsfördelar genom samlokaliseringen.

En del av optimering genom samlokalisering innebär att identifiera det ideala förhållandet mellan stor produktionskapacitet i förhållande till investeringar i anläggningar. Detta kan innebära att man inte kan producera maximalt eller att man under stora delar av tiden underutnyttjar nätanslutningens kapacitet. Med kombination av batterilagring finns det mycket mer flexibilitet.

Eftersom vind- och solkraft kompletterar varandra vad gäller produktionsperioder är det möjligt att utnyttja tillgänglig nätkapacitet på ett bättre sätt. Batterier och annan energilagring som t ex elektrolysanlägning kan dessutom användas för att förhindra kraftreduceringar, se till att produktionsomställning kan göras i tid och tillhandahålla nätstabiliserande tjänster.

Tillstånd & planering

En av fördelarna med samlokalisering minskningen i tillståndshanteringen jämfört med att sätta upp varje enhet separat. Detta gäller framför allt om samlokalisering upprättas vid en redan befintlig vindkraftspark.

Effektivare markanvändning i och med att de olika teknikslagen byggs på samma plats blir allt viktigare eftersom mark är en begränsad resurs.

Utsikter för framtiden

Sammantaget finns det många kostnadsbesparingar som uppnås genom samlokalisering av elproduktion, energilagring samt en rad möjliga intäktsströmmar. Vidare kan samlokalisering innebära nyttor för elsystemet som helhet, minskade totala investeringar och andra mervärden för samhället.

För att utveckla samlokalisering behövs mer engagemang från både investerare/projektutvecklare och nätägare. Komplexiteten i att optimera en samlokaliserad plats och vilken ”kombination” och styrning som kan vara eller bli mest lönsam är viktig.

Mer samverkan mellan nätoperatören och utvecklarna behövs för att identifiera behov av nätförstärkningar och eventuellt minimera dessa genom rätt typ av samlokalisering och dess ingående olika anläggningar.

Det finns också en trend som växer fram på marknaden att anlägga energiparker, där en stor nätanslutning används för att ansluta en serie produktionsanläggningar och energilagring som en del av en stor installation. Se exempel nedan.

De viktigaste utmaningarna för samlokalisering är risken förknippade med att optimera energiproduktionen och intäkterna från flera olika tillgångar. Detta kompliceras ytterligare av behovet av att navigera i befintliga och kommande avtalsmässiga, skattemässiga och ekonomiska ramar.

Utsikterna för samlokalisering ser dock positiva ut, med ett stort intresse och flera projekt under planering eller genomförande. Det finns också en ökande trend mot storskaliga energiparker (solparker och vindkraftsparker) och olika möjligheter på marknaden genom till exempel hybrid-PPAer (Power Purchase Agreements) vilket kan möjligheterna till och efterfrågan av samlokalisering.