Image
Vindmøller i solnedgang

Det er en risiko for at det ikke blåser når vi trenger strøm. For å sikre strømforsyningen må vi ha strøm fra flere kilder. Illustrasjonsfoto av Nuno Marques på Unsplash.com

Strømmarkedet er en interessant lab for matematikere

Hvordan kan vi sikre energiforsyningen når vi går over til fornybar kraft? Slike spørsmål gir spennende matematiske problemstillinger.

Risiko høres i utgangspunktet ut som noe for gamblere og fallskjermhoppere. I matematikken er risiko knyttet til interessante problemstillinger, som for eksempel hvordan strømprisene endrer seg som en følge av at forbrukerne endrer adferd. 

Enkelt forklart: Når strømmen blir dyr begynner folk å bruke mindre energi, men det frigir energi som gjør den billigere igjen. Det høres banalt ut, men prissvingninger, klima, vær og forbrukeradferd skal med i likningen for å forstå hva som påvirker strømmarkedet. 

Professor Fred Espen Benth er en av dem som forsker på risiko. Han ønsker å lage verktøy som kan forstå slike mekanismer i strømmarkedet. Dette er viktig i overgangen til grønn energi, fordi denne energitypen er mer utsatt for svingninger i pris som følge av været. Når den fornybare energien er så værutsatt, er det viktig å spre risikoen. 

Ulike strømkilder minker risikoen for en black out

– I økonomien kan det være lurt å diversifisere investeringene dine. Det vil si at du investerer i litt ulike ting slik at det er lav risiko for at alt går dårlig samtidig, sier professor Benth. Vi har behov for å gjøre det samme i strømmarkedet og få enda mer vind og sol i Norge. 

Benth understreker at for at diversifiseringen skal ha noe for seg er det viktig at strømnettet virker, og at det finnes kabler som kan frakte strømmen dit den trengs. Dette minker risikoen for strømrasjonering, og i verste fall en black out, altså at det ikke finnes tilgjengelig strøm. Kabler, både innenlands og utenlands, er en viktig del av det å sikre tilgangen på energi.

At strømleveransene blir sikret og diversifisert er viktigere jo mer strøm som kommer fra fornybare kilder. Kull, gass og atomkraftverk kan levere strøm uavhengig av været og produksjonen kan økes når behovet er stort. Til sammenlikning har vi i dag få muligheter til å lagre vindkraft. Det betyr at strømmen må brukes når det blåser. Solkraft må brukes når det er sol. Sol og vind er krafttyper som i dag gir store svingninger i pris. Det er en utfordring for alle som ikke kan endre adferd etter når strømmen er billig. For eksempel vil t-banen kjøre etter rutetabellen og ikke endre den med tanke på pris.

– Det som er skummelt når vi må installere mer fornybar kraft er at det vil føre til store variasjoner i prisen, forklarer Benth.

Fakta

Forskningsprosjektet SPATUS jobber med å lage modeller for hvordan klima og vær vil påvirke strømmarkedet innen fornybar energi.

Vannkraft følger markedsprinsippet

Vannkraft er en type fornybar energi som er litt mindre væravhengig. 

– Vannkraft kan til en viss grad lagres i magasiner, men der trer en annen mekanisme inn, forklarer Benth. Strømselskapene opererer etter markedsprinsipper.

Ifølge Benth forventer vannkraftselskapene mye vann inn i løpet av høsten. Om vinteren er vannet bundet opp av snø samtidig som etterspørselen etter strøm øker. 

– For strømselskapene er det om å gjøre å få solgt mest mulig av strømmen i løpet av sommer og høst for at magasinene ikke skal renne over. Blir det for mye vann er det tapt inntekt, forklarer Benth.

Det er ikke i strømselskapenes interesse å tappe så mye vann at de går tomme heller. Da får de en situasjon hvor det er høye priser, men uten at de har noe å selge. Selv om det ville være mulig å lagre mer vann enn det selskapene har valgt å gjøre i år er det grenser for hvor mye energi som kan lagres på denne måten. 

Batterier kan bidra til energisikkerhet

Når vannkraften følger et markedsprinsipp er det vanskelig å la magasinene være rene energibanker til kalde, vindstille og overskyede dager. Derfor trengs det en annen måte å lagre energi på. Mange typer batterier inneholder grunnstoffer som er begrensede i mengde eller vanskelige å utvinne. 

– Det går an å regne på hvor mange batterier vi faktisk kan lage basert på teknologien og ressursene vi har i dag og hvor mange vi kommer til å trenge i følge alle planene for fremtidens samfunn, sier Benth.

Ifølge Benth kommer vi ikke uten en eller annen form for sikker energi i overgangen til grønn energi. 

– Samspillet mellom typene fornybar kraft og det at de er sensitive for vær og vind, i tillegg til det faktum at vi er tvunget til å gjøre det for å redde klimaet har store effekter på markedet, forklarer han.

Regulerbar strømproduksjon fra sol og vind må kompenseres med regulerbar strøm fra for eksempel vann.

– Hvis vi ser på de kalde dagene i januar kommer de ofte samtidig med at det er vindstille. Vi må klare å designe energisystemet for å sikre strøm når vi får sammentreff mellom de to tingene, forklarer Benth.

Må ta høyde for fremtidsværet og økt strømbruk

I forskningen til Benth ser de blant annet på ulike scenarioer for hvordan været og klimaet blir i fremtiden, men også for hvordan elektrifiseringen utvikler seg. 

– Det er en voldsom planlagt økning i strømforbruk vi snakker om, forklarer han. 

I Norge skal vi gå fra å bruke 130 TWh til 250-270 TWh. Det vil si at vi skal nesten doble strømbruken innen 2050 i Norge. Energien vi får fra olje, kull og gass, og muligens atomkraft skal i EU etter hvert komme fra fornybar energi. Dette skal skje samtidig som industriprosesser skal elektrifiseres. 

– Det er til å bli deprimert av, sier Benth. Vi er kanskje for sent ute, men det løser seg på et vis. Kanskje vil høye strømpriser regulere ned forbruket, men jeg blir betenkt når vi ser de store endringene som skal dekkes inn med vind og sol. 

Modellene som forskerne lager skal bidra til å forstå dynamikken mellom vær og kraftproduksjon. I tillegg må de ta hensyn til at forbrukernes adferd også endrer seg med vær og vind – og pris. 

– Det skjer vanvittig mye i strømmarkedet akkurat nå. Kabler til Tyskland og England i kombinasjon med en tørr vinter og lite vind i Europa fikk mange effekter som slo til på samme tid. Så har vi fått voldsomt høye priser med krigen i Ukraina som følge av at gassprisene stiger, sier Benth.

Dagens problemer kan kanskje bidra til løsninger i fremtiden

Noe av problemet med modeller er at de ofte baserer seg på historiske data, ifølge Benth.

– Nå ser det ut som vi er inne i et nytt regime. Om ti år vil vi kanskje kunne se om dette er et avvik eller om det vil vare. Vi kan ikke beregne hvor lang tid en tilpasning tar, men vi kan beregne en feed back-effekt. 

Derfor er noe av det som skjer i kraftmarkedet nå vanskelig å forutse. Likevel kan denne perioden bidra til kunnskap som kan stabilisere fremtidens kraftmarked. 

– Maskinlæring og tilgang til data åpner opp for et nytt univers med modellering. Vi kan bruke nevrale nettverk til å forstå matematiske funksjoner som har med prising å gjøre, sier Benth optimistisk.

Les forskningsartiklene her:

Simon Elias Schrader, Fred Espen Benth,
A stochastic study of carbon emission reduction from electrification and interconnecting cable utilization. The Norway and Germany case, Energy Economics, Volume 114, 2022

Fred Espen BenthNils DeteringLuca Galimberti, Pricing options on flow forwards by neural networks in Hilbert space,
arXiv:2202.11606
 [q-fin.PR]
, 2022

Aleksander GrochowiczKoen van GreevenbroekFred Espen BenthMarianne Zeyringer, Intersecting near-optimal spaces: European power systems with more resilience to weather variability,
arXiv:2206.12242
 [math.OC]
, 2022