Analysing flexibility in energy system investment planning - Impact of variable renewable energy, temporal structures and operational constraints

Tuulivoiman ja aurinkoenergian yleistyminen lisää sähköjärjestelmien joustotarpeita useissa aikaja paikkariippuvissa mittakaavoissa. Joustojen tarjontaan on olemassa ja kehitteillä erilaisia teknologioita. Jotta uusien ja olemassa olevien teknologioiden vuorovaikutuksia ja rooleja joustojen tarjonnassa voitaisiin tutkia, tarvitaan kuitenkin investointien suunnittelumalleja, jotka pystyvät huomioimaan ajallisen, alueellisen, sektorikohtaisen ja teknologisen moninaisuuden ja yksityiskohtaisuuden. Tärkeimpien yksityiskohtien ja parhaina pidettyjen mallintamismenetelmien huomioiminen auttaa saamaan laadukkaampia suunnittelutuloksia ja välttämään virheellisiä investointipäätöksiä. Tämä väitöskirja keskittyy tutkimaan ja kehittämään menetelmiä ja mallinnuskehikoita joustojen tarpeen ja tarjonnan arvioimiseksi energiajärjestelmäinvestointien suunnittelussa. Menetelmien on pystyttävä huomioimaan sekä tärkeät ajalliset vaihtelut että energiajärjestelmien käyttöön liittyvät olennaiset rajoitukset. Väitöskirjassa tehtiin lisäksi useita tarkasteluja, joissa selvitettiin sähkön hinnan herkkyyttä, perinteisten lämpövoimaloiden roolia ja eri energiateknologioiden etuja tulevaisuuden energiajärjestelmissä. Tarkastelut auttavat hahmottamaan, minkä tyyppistä joustavuutta sähköjärjestelmissä tarvitaan tuulivoiman ja aurinkoenergian osuuden kasvaessa. Lisäksi tarkastelut auttoivat hahmottamaan lisämallinnustarpeita. Investointisuunnittelumallin ajallisen kuvauksen osoitetaan vaikuttavan merkittävästi suunnittelun tuloksen perusteella saataviin järjestelmän kokonaiskustannuksiin. Sään ääriilmiöiden ja vuosittaisten vaihteluiden edustava kuvaaminen on tärkeää energiajärjestelmän resurssien riittävyyden huomioimisen kannalta. Vastaavasti vuosien sisäiset vaihtelut on huomioitava esimerkiksi tarkoin valittujen edustavien päivien tai viikkojen avulla. Tulosten perusteella paras valintatapa ja valittujen jaksojen riittävä määrä riippuu järjestelmän ominaisuuksista. Tulokset viittaavat myös siihen, että voimalaitosten ylösajojen, alasajojen ja tehotason muutosten mallinnus sekä joidenkin yksinkertaistettujen stabiiliusrajoitteiden ja reservivaatimusten huomioiminen vaikuttavat järjestelmän kokonaiskustannuksiin yleensä vähemmän kuin erilaiset aikarakenteen mallinnustavat. Sektorikytkentäteknologioiden joustavuuden kuvauksella osoitetaan kuitenkin olevan merkittävä vaikutus. Väitöskirjassa kehitettiin energiajärjestelmien mallinnukseen tarkoitettua Backbone-työkalua lisäämällä mahdollisuus investointien suunnitteluun ja lisäominaisuuksia joustavuuden huomioimiseen. Työkalu on saatavilla avoimen lähdekoodin ohjelmistona. Työkalun avulla voidaan luoda malleja sekä laajojen että pienten energiajärjestelmien suunnittelun ja käytön tutkimiseen eri näkökulmista.