On-demand Flexibility Utilization in a Transmission System : Analysis of technical, economic and economic regulatory aspects to establish the methodology deployment

Abstract

Puhdas energiasiirtymä haastaa sähkön siirtoverkonhaltijoita vastaamaan uusien verkkoliityntöjen kysyntään, tarjoamaan riittävää siirtokapasiteettia, ja lisäksi hallinnoimaan sekä operoimaan sähköjärjestelmää, jossa sähkön tuotanto on merkittävästi sääriippuvaista ja sähkön kulutus olennaisesti hintariippuvaista. Fyysisiin investointeihin perustuva sähköverkon kehitys kestää tyypillisesti 3–10 vuotta, eikä se pysty vastaamaan tehokkaasti ajankohtaiseen haasteeseen.

Tässä väitöskirjassa esitetään tarpeeseen tilattavan jouston hyödyntämistä sähkönsiirtoverkossa ratkaisuksi uusien verkkoliityntöjen mahdollistamiseen, käytön suunnitteluun ja siirtorajoitusten hallintaan. Esitettävä tarpeeseen tilattavan jouston hyödyntämismenetelmä koostuu kolmesta osasta: dynaamisesta lyhytaikaisesta komponenttien kuormitettavuudesta, menetelmästä tarpeeseen tilattavan jouston toimituksen varmistamiseksi, ja siirtorajoitusten hallintamenetelmästä käyttövarmuuden turvaamiseksi vaaditussa aikaikkunassa. Tutkimuksessa analysoidaan tekniset, taloudelliset ja taloudellisen sääntelyn näkökulmat.

Väitöskirjassa todetaan, että tarpeeseen tilattavan jouston hyödyntäminen on teknis-taloudellisesti tehokas menetelmä sähkönsiirtojärjestelmän käyttöasteen nostamiseksi. Menetelmää voidaan pitää yleisesti soveltuvana sähköjärjestelmissä, joiden komponenteilla on lämpöhitautta. Vastakohtaisesti taloudellisen sääntelyn analyysissä todetaan, että siirtoverkonhaltijan pyrkimykset jouston hyödyntämiseen investointien lykkäämiseksi aiheuttavat todennäköisesti negatiivisen tai parhaillaan neutraalin vaikutuksen yhtiön tulokseen. Sen vuoksi nykyistä Suomen taloudellista sääntelymallia esitetään muutettavaksi, jotta kaikki sidosryhmät saisivat kohtuullisen osuuden tuotetusta lisähyödystä. Muutetun sääntelymallin myötä siirtoverkonhaltija kykenisi tarjoamaan palveluita kustannustehokkaammin ja monipuolisemmin.

Jouston hyödyntämisen päätarkoitus tulisi olla kokonaishyvinvoinnin kasvu. Siksi jouston hyödyntämiseen tulisi kannustaa aina, kun se on tehokkain tapa kasvattaa verkkopalvelutuotantoa. Tarpeeseen tilattavan jouston hyödyntäminen on teknis-taloudellisesti tehokas menetelmä, jonka valtava potentiaali odottaa täyttä hyödyntämistä. Menetelmä kasvattaa nykyisen sähköjärjestelmän käyttöastetta, nopeuttaa puhdasta energiasiirtymää, ja pienentää sähkösiirtojärjestelmän ympäristövaikutuksia kustannustehokkaasti.

Clean energy transition challenges transmission system operators (TSOs) to meet the demand for new grid connections, to provide adequate transmission capacity, and subsequently to manage and operate a power system with a high share of weather dependent stochastic power generation and essentially price sensitive power consumption. Conventional grid development through physical investments takes typically 3–10 years and it cannot efficiently meet the timely challenge.

This thesis presents and analyzes utilization of on-demand flexibility in a transmission system as a solution for relieving the challenge in grid integration, operational planning and congestion management. The novel on-demand flexibility utilization methodology consists of three elements: dynamic short-term thermal rating of power system components, method for securing on-demand flexibility delivery, and congestion management method to ensure system security in a required timeframe. Technical, economic and economic regulatory aspects are analyzed.

The thesis asserts that the on-demand flexibility utilization is a techno-economically efficient method to increase the utilization factor of the existing power transmission system. The method can be considered generally applicable to power systems which components (e.g. power transformers or overhead lines) have thermal inertia. On a contrary, the economic regulation analysis concludes that TSO’s efforts for flexibility utilization to defer investments would likely have a negative or at best a neutral impact on its profit. Therefore, the current Finnish economic regulation model is proposed to be amended to establish a fair share of welfare to the stakeholders. The amended regulation would enable the TSO to provide grid services with a more cost-efficient and diverse portfolio mix.

The prime driver for the flexibility utilization should be an increase in total welfare. Therefore, flexibility utilization should be incentivized whenever it is the most efficient method to increase grid service output. The on-demand flexibility utilization is a techno-economically efficient method that holds tremendous clean potential waiting to be fully leveraged. Thus, the method utilization would increase the utilization factor of the existing power system, speed up the transition to a more sustainable future, and reduce cost-efficiently the environmental impact of the whole transmission system infrastructure.