Intermittency of renewable energy; review of current solutions and their sufficiency
Kosonen, Ilari (2018)
Kandidaatintyö
2018
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801302634
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801302634
Tiivistelmä
Intermittency of renewable energy causes operational difficulties, unexpected imbalance between energy demand and supply, and lowered power quality. This thesis reviews the solution methods for emerging problems and their sufficiency, and describes how different renewable energy sources are posed to it. From solution methods, the main focuses are energy storage technologies and usage of conventional energy sources as an adjusting power.
Drawbacks of intermittency can be mitigated with the energy storage solutions, redesigning of the grid, demand management, and by using conventional energy sources as an adjusting power. The mechanical storages form the major part of the grid-connected energy storage capacity but the thermal storages are the best off-grid solution. To properly use conventional energy sources in intermittency mitigation, the power plant needs a quick start-up, ability to increase or decrease power quickly, and a low minimum power output to maximize the adjusting range. However, varying load functioning causes operational and physical difficulties for the system.
From renewable energy sources, solar, wind, tidal and wave energy are considered intermittent. Solar and tidal energy have more predictable intermittency and do not produce energy at certain times of the day or at certain months, whereas wind and wave energy have larger variations. However, they are not so dependent on the season or is it noon or night.
Currently, the intermittency of the renewable energy sources is mainly handled by using the conventional energy sources as an adjusting power, but in the future, demand management and storage technologies will have the major role in intermittency mitigation. In this regard, the operation of conventional energy generation systems has been changed from the baseload and peaking plants towards flexible load plants, intending to meet the difference between energy demand and generation.
Challenges of solar energy in Finland are low annual irradiation values, solar radiation concentration to summer months, and large locational differences in solar radiation within the country. However, central Europe has succeeded in large-scale solar energy deployment with nearly the same annual irradiance values as in Finland. In Finland, high market prices and minimalistic financial support for solar energy technologies are the main reasons why solar energy is not growing at the same pace as in central Europe. Germany has proven over the last decade that solar energy growth comes from market-oriented thinking by offering photovoltaic cells for low initial investment and allowing solar electricity prices to follow typical electricity prices. Uusiutuvan energian ajoittaisuus aiheuttaa ongelmia energian kysynnän ja tarjonnan tasapainottamisessa, energiajärjestelmien ohjauksessa ja sähkön laadussa. Työn tarkoituksena on tarkastella ratkaisumenetelmiä ajoittaisuuden aiheuttamiin ongelmiin, pohtia niiden riittävyyttä ja kertoa kuinka eri uusiutuvan energian muodot ovat altistuneita energiantuotannon vaihteluille. Ajoittaisuuden ratkaisumenetelmistä keskitytään erityisesti energian varastointiteknologioihin ja tavanomaisten energialähteiden rooliin säätövoimana.
Ajoittaisuuden vaikutuksia voidaan vähentää energian varastoinnilla, sähköverkon muokkauksella, kysynnän hallinnalla ja käyttämällä muita energialähteitä säätövoimana. Energian varastointiteknologioista sähköverkkoon kytketty kapasiteetti on melkein kokonaan katettu mekaanisilla varastoilla, mutta sähköverkon ulkopuolella toimivimpia ratkaisuja ovat lämpövarastot. Tavanomaisten energialähteiden käyttö säätövoimana vaatii voimalaitokselta vaivatonta käynnistystä, kykyä lisätä tai vähentää tehoa nopeasti ja alhaista minimikäyntitehoa. Vaihteleva kuormitus ja lisääntyneet käynnistykset kuitenkin aiheuttavat järjestelmälle toiminnallisia ja fysikaalisia ongelmia.
Ajoittaisia energialähteitä ovat aurinko-, tuuli-, vuorovesi- ja aaltoenergia. Aurinko- ja vuorovesienergialla ajoittaisuus on ennustettavampaa, mutta ne eivät tuota energiaa tiettyyn aikaan päivästä tai tiettyinä vuodenaikoina. Tuuli- ja aaltoenergialla tuotannossa taas on suuremmat vaihtelut, mutta ne eivät ole niin riippuvaisia ajankohdasta.
Nykyisessä energiajärjestelmässä ajoittaisten energialähteiden integroiminen sähköverkkoon on hoidettu lähinnä käyttämällä säätövoimaa, mutta tulevaisuudessa varastointiteknologiat ja kysynnän hallinta ovat merkittävässä osassa ajoittaisuudesta aiheutuvien ongelmien vähentämisessä. Tässä mielessä tavanomaisten energialähteiden rooli on muuttunut yhä enemmän peruskuorma- ja huipputuotannosta kysyntää ja tarvetta täyttävään voimalaitosluokkaan.
Aurinkoenergian haasteet Suomessa ovat vähäiset säteilyarvot, säteilyn keskittyminen kesäkuukausille ja suuret alueelliset säteilyerot maan sisällä. Keski-Euroopan maat ovat kuitenkin onnistuneet suurimittakaavaisen aurinkoenergian käyttöönotossa lähes samoilla vuotuisilla säteilyarvoilla. Tärkeimmät syyt siihen miksi aurinkoenergia ei ole kasvamassa samaan tahtiin Suomessa kuin Keski-Euroopassa ovat korkeat markkinahinnat aurinkopaneeleille ja minimalistinen taloudellinen tuki aurinkoenergiateknologioille. Saksa on viimeisen vuosikymmenen aikana osoittanut, että aurinkoenergian kasvu perustuu markkinalähtöiseen ajattelutapaan, jossa aurinkokennoja tarjotaan alhaisilla alkuinvestoinneilla ja aurinkoenergialla tuotetun sähkön hinta pyritään pitämään normaalin sähkön hinnan tasolla.
Drawbacks of intermittency can be mitigated with the energy storage solutions, redesigning of the grid, demand management, and by using conventional energy sources as an adjusting power. The mechanical storages form the major part of the grid-connected energy storage capacity but the thermal storages are the best off-grid solution. To properly use conventional energy sources in intermittency mitigation, the power plant needs a quick start-up, ability to increase or decrease power quickly, and a low minimum power output to maximize the adjusting range. However, varying load functioning causes operational and physical difficulties for the system.
From renewable energy sources, solar, wind, tidal and wave energy are considered intermittent. Solar and tidal energy have more predictable intermittency and do not produce energy at certain times of the day or at certain months, whereas wind and wave energy have larger variations. However, they are not so dependent on the season or is it noon or night.
Currently, the intermittency of the renewable energy sources is mainly handled by using the conventional energy sources as an adjusting power, but in the future, demand management and storage technologies will have the major role in intermittency mitigation. In this regard, the operation of conventional energy generation systems has been changed from the baseload and peaking plants towards flexible load plants, intending to meet the difference between energy demand and generation.
Challenges of solar energy in Finland are low annual irradiation values, solar radiation concentration to summer months, and large locational differences in solar radiation within the country. However, central Europe has succeeded in large-scale solar energy deployment with nearly the same annual irradiance values as in Finland. In Finland, high market prices and minimalistic financial support for solar energy technologies are the main reasons why solar energy is not growing at the same pace as in central Europe. Germany has proven over the last decade that solar energy growth comes from market-oriented thinking by offering photovoltaic cells for low initial investment and allowing solar electricity prices to follow typical electricity prices.
Ajoittaisuuden vaikutuksia voidaan vähentää energian varastoinnilla, sähköverkon muokkauksella, kysynnän hallinnalla ja käyttämällä muita energialähteitä säätövoimana. Energian varastointiteknologioista sähköverkkoon kytketty kapasiteetti on melkein kokonaan katettu mekaanisilla varastoilla, mutta sähköverkon ulkopuolella toimivimpia ratkaisuja ovat lämpövarastot. Tavanomaisten energialähteiden käyttö säätövoimana vaatii voimalaitokselta vaivatonta käynnistystä, kykyä lisätä tai vähentää tehoa nopeasti ja alhaista minimikäyntitehoa. Vaihteleva kuormitus ja lisääntyneet käynnistykset kuitenkin aiheuttavat järjestelmälle toiminnallisia ja fysikaalisia ongelmia.
Ajoittaisia energialähteitä ovat aurinko-, tuuli-, vuorovesi- ja aaltoenergia. Aurinko- ja vuorovesienergialla ajoittaisuus on ennustettavampaa, mutta ne eivät tuota energiaa tiettyyn aikaan päivästä tai tiettyinä vuodenaikoina. Tuuli- ja aaltoenergialla tuotannossa taas on suuremmat vaihtelut, mutta ne eivät ole niin riippuvaisia ajankohdasta.
Nykyisessä energiajärjestelmässä ajoittaisten energialähteiden integroiminen sähköverkkoon on hoidettu lähinnä käyttämällä säätövoimaa, mutta tulevaisuudessa varastointiteknologiat ja kysynnän hallinta ovat merkittävässä osassa ajoittaisuudesta aiheutuvien ongelmien vähentämisessä. Tässä mielessä tavanomaisten energialähteiden rooli on muuttunut yhä enemmän peruskuorma- ja huipputuotannosta kysyntää ja tarvetta täyttävään voimalaitosluokkaan.
Aurinkoenergian haasteet Suomessa ovat vähäiset säteilyarvot, säteilyn keskittyminen kesäkuukausille ja suuret alueelliset säteilyerot maan sisällä. Keski-Euroopan maat ovat kuitenkin onnistuneet suurimittakaavaisen aurinkoenergian käyttöönotossa lähes samoilla vuotuisilla säteilyarvoilla. Tärkeimmät syyt siihen miksi aurinkoenergia ei ole kasvamassa samaan tahtiin Suomessa kuin Keski-Euroopassa ovat korkeat markkinahinnat aurinkopaneeleille ja minimalistinen taloudellinen tuki aurinkoenergiateknologioille. Saksa on viimeisen vuosikymmenen aikana osoittanut, että aurinkoenergian kasvu perustuu markkinalähtöiseen ajattelutapaan, jossa aurinkokennoja tarjotaan alhaisilla alkuinvestoinneilla ja aurinkoenergialla tuotetun sähkön hinta pyritään pitämään normaalin sähkön hinnan tasolla.