Orkuskipti eru ein af stærstu áskorunum samtímans, þar sem lönd um allan heim leita leiða til að minnka losun gróðurhúsalofttegunda og auka sjálfbæra orkunýtingu. Ísland er í einstakri stöðu hvað þetta varðar, þar sem nánast öll raforkuframleiðsla í landinu kemur frá endurnýjanlegum orkugjöfum, einkum vatnsorku og jarðvarma. Hins vegar hefur vindorka hingað til gegnt takmörkuðu hlutverki í íslenska orkukerfinu þó að ýmislegt bendi til að það sé að breytast.
Þrátt fyrir að á Íslandi séu hagstæðar aðstæður fyrir vindorkuframleiðslu, eins og hár meðalvindhraði og nægt rými fyrir vindmyllugarða, eru margar tæknilegar og rekstrarlegar áskoranir fylgjandi stórfelldri innleiðingu vindorku. Helstu áskoranir tengjast einangruðu, ófullnægjandi flutningskerfi, lágum kerfisstyrk og eðli annarra orkugjafa á Íslandi, en innleiðing breytilegra orkugjafa í öðrum löndum byggir á því að hefðbundin eldsneytisorkuver og millilandatengingar geti séð um þá jöfnun sem nauðsynleg er á móti vindorkunni. Einnig fylgja innleiðingu vindorku ýmsar tæknilegar áskoranir tengdar nettengingu vindorkuvera og rekstri raforkukerfisins.
Staða íslenska raforkukerfisins
Íslenska raforkukerfið er tiltölulega lítið og einangrað. Það einkennist helst af svæðisbundinni orkuvinnslu og stórnotkun tilltölulegra fárra notenda sem eru vel tengdir við orkuvinnslusvæðin. Hins vegar eru tengingar á milli orkuvinnslusvæða veikar, samanstanda af um hálfrar aldar gamalli byggðalínu sem rekin er á 132 kV spennu. Takmörkuð flutningsgeta byggðalínunnar milli landsvæða setur skorður á nýtingu núverandi virkjana og vatnasvæða og stendur frekari uppbyggingu nýrrar orkuvinnslu fyrir þrifum. Sökum smæðar kerfisins og skorts á tengingum við önnur kerfi hefur það lágan kerfisstyrk, eða skammhlaupsafl (low short-circuit ratio, SCR), samanborið við stærri raforkukerfi í Evrópu og Norður-Ameríku. Vatnsafl hefur hingað til verið burðarás íslenska orkukerfisins, en það er ekki eins sveigjanlegt og oft er talið. Það gæti því orðið erfitt að bregðast hratt við sveiflum í orkuframleiðslu vindorkuvera eingöngu með því að stjórna vatnsaflsvirkjunum, sérstaklega þegar lítið vatn er í miðlunarlónum og takmarkanir eru á vatnsrennsli í lónin.
Mynd 1: Vaðölduver. Mynd frá Landsverkjun.
Tæknilegar áskoranir innleiðingar vindorku og mögulegar lausnir
Vindmyllur tengjast raforkukerfinu með hjálp hálfleiðaratækni eða svokallaðra breyta (inverters), sem venjulega eru áriðlar sem stilla tíðnina og spennuna af við netið í tengipunktinum. Þessir hefbundnu breytar eru svokallaðir „grid-following“ breytar (GFL) og geta þeir valdið vandamálum í veikum raforkukerfum eins og því íslenska. Í slíkum kerfum, þar sem skammhlaupaflið er lágt, getur tenging vindorku á stórum skala valdið sveiflum og óstöðugleika í spennu og tíðni. Eitt helsta vandamálið við aukna notkun vindorku er skortur á svokallaðri tregðu. Í hefðbundnum raforkukerfum má finna stórar og þungar rafala- og hverfilsamstæður sem dempa breytingar og truflanir og veita stöðugleika.
Vindmyllur, sérstaklega þær sem nota hefðbundna GFL breyta, hafa hins vegar mjög litla eða enga tregðu og gera þannig kerfið viðkvæmara fyrir snöggum breytingum á tíðni. Þær geta einnig valdið sérstökum tegundum sveiflna, sem kallast undirsamstilltar sveiflur (sub-synchronous oscillations), eða öðrum tegundum óstöðugleika sem draga úr áreiðanleika og afkastagetu kerfisins. Ef margar vindmyllur eru á sama svæði getur samspil þeirra einnig valdið óvæntum spennu- og straumsveiflum. Að lokum skiptir hlutfall viðnáms (R) og reaktans (X) í kerfinu máli. Í kerfum með hátt X/R hlutfall aukast líkur á spennusveiflum, sem krefst sérstakrar hönnunar á stýrikerfum vindmylla til að tryggja stöðugan rekstur.
Til að auka stöðugleika raforkukerfisins eru nokkrir möguleika til staðar og má þar nefna:
- Grid-forming (GFM) inverters: Til að bæta stöðugleika kerfisins er hægt að nota GFM breyta í stað GFL breyta. GFM breytar búa til sína eigin spennu og tíðni og geta hermt eftir hegðun hefðbundinna snúningsvéla (sýndarsnúningsvélar, virtual synchronous machine), sem bætir tíðnistjórnun og spennustöðugleika með því að bæta sýndartregðuvægi við kerfið. Þessi eiginleiki er sérstaklega mikilvægur í einangruðum kerfum eins og því íslenska.
- Orkugeymslur (BESS): Orkugeymslur (Battery Energy Storage System) geta hjálpað til við að jafna sveiflur í vindorkuframleiðslu og bjóða upp á hraða tíðnileiðréttingu. Ef þær eru settar upp samhliða GFM breytum geta þær einnig veitt kerfinu sýndartregðuvægi og aukið skammtímaaflgetu þess.
- Synchronous condenser: Synchronous condenser er samfasavél sem er í raun keyrð eins og mótor en veitir aukinn kerfisstyrk og möguleika á spennustýringu í kerfinu. Dregur þar með úr erfiðleikum vegna óstöðugrar spennu. Munurinn á þessu og sýndarsnúningsvélinni, sem lýst er hér að ofan, er sá að synchronous condenser veitir raunverulegt viðbótartregðuvægi, enda er þar um að ræða massa sem snýst.
- Snjallnet og háþróað stjórnunarkerfi: Landsnet hefur lengi verið í fararbroddi á heimsvísu í að nýta snjallstýringar við rekstur kerfisins. Þróa mætti þá tækni enn frekar til þess að auðvelda innleiðingu vindorkunnar, t.d. með vöktun og greiningu á orkuflæði (og breytingum á því) og gera með því kerfið sveigjanlegra.
Aðrar áskoranir sem tengjast innleiðingu vindorku felast í þeim breytileika sem felst í orkugjöfum sem háðir eru veðri hverju sinni og er fyrirsjáanlegt að breytileikinn í vindinum kemur til með að auka áraun á flutningskerfið. Breytingar á aflflæði milli landshluta, frá einni klukkustund til annarrar, verða mun meiri en nú er. Það er áskorun fyrir Landsnet að takast á við það svo tryggja megi öruggan kerfisrekstur. Staðsetning jöfnunarúrræða, s.s. sveigjanlegs álags eða vatnsafls, er þannig afar mikilvæg. Það er til að mynda ekki heppilegt að eigandi vindorkuvers á Norð-Austurlandi geri jöfnunarorkusamning við eiganda vatnsorkuvers á Suðurlandi.
Þau verkfæri sem Landsnet hefur yfir að ráða eru í grófum dráttum þrenns konar:
- Kerfisuppbygging, ljúka nýjum 220 kV byggðalínuhring sem nú er í byggingu
- Tæknilausnir, eins og taldar eru upp hér að ofan
- Breyttur kerfisrekstur, m.a. markaðslausnir
Landsnet vinnur nú að því að ljúka byggingu nýrrar 220 kV byggðalínu frá Hvalfirði til Akureyrar. Stefnt er að spennusetningu 2030 og er þá komin 220 kV tenging milli Hvalfjarðar og Fljótsdals. Eigi kerfið að ráða við framtíðaráskoranir tengdar vindorkunni er nauðsynlegt að hefja undirbúning að því að loka hringnum, þ.e. halda áfram með 220 kV tengingu frá Fljótsdal suður um til Sigöldu. Svo þarf þróunin að leiða í ljós hvort það nægi, eða hvort huga þurfi að enn frekari möskvun kerfisins.
Áhrif innleiðingar vindorku á orkumarkaðinn og samfélagið
Innleiðing fleiri orkugjafa og þá sérstaklega vindorku sem þriðju stoðarinnar í íslenska orkuöflun eykur fjölbreytni í orkubúskapnum og getur dregið úr áhættu sem fylgir vatnsaflsvirkjunum í þurrum árum. Vindorka getur þannig hjálpað til við að viðhalda framleiðslu þegar vatnsmiðlun er lág og aukið þannig nýtingu miðlunarlóna.
Með tilkomu vindorkunnar eykst þörfin fyrir sveigjanleika í kerfinu. Með því er átt við sveigjanleika í notkun, orkuvinnslu og rekstri kerfisins. Umræða um staðsetningarhvata fer vaxandi í Evrópu, þ.e. að beina notendum og orkuvinnsluaðilum á ákveðna staði umfram aðra sem eru heppilegri með tilliti til reksturs og uppbyggingar flutningskerfisins. Orkugeymslur munu án efa ryðja sér til rúms í íslenska kerfinu, verði skapaður markaðsgrundvöllur fyrir slíkt. Á Írlandi hefur til að mynda orðið til sterkt umhverfi fyrir orkugeymslur til að taka þátt í raforkumarkaðnum.
Þessi þróun mun skapa ný atvinnutækifæri og laða að sér fjárfestingar í uppbyggingu og rekstri vind- og síðar sólarorkuvera, en einnig þróun tækni fyrir orkugeymslur og sveigjanlegt raforkukerfi. Það er mikilvægt að leikreglurnar (þ.e. kröfur til aðila á markaði) séu skýrar. Landsnet, eins og önnur flutningsfyrirtæki, hefur sinn netmála (e. grid code) sem gerir grein fyrir þessum kröfum. Það er ljóst að netmálavinnan þarf að vera í stöðugri þróun, sérstaklega nú þegar framtíðin knýr dyra. Orkugeymslur falla til að mynda bæði undir reglur um orkunotanda og orkuframleiðanda og munu kalla á sérstakar reglur. Sem betur fer er Landsnet virkur þátttakandi í ýmsu erlendu samstarfi, m.a. í samtökum evrópskra flutningsfyrirtækja (ENTSO-E). Á þeim vettvangi fer fram mikil vinna tengd breytingum á reglum og kröfum og Landsnet nýtur góðs af því.
Niðurstaða
Að bæta vindorku við raforkukerfið á Íslandi felur í sér ákveðnar áskoranir, en þær er hægt að leysa með réttri tækni. Lausnir eins og „grid-forming“ breytar, sýndarsnúningsvélar, orkugeymslur og samfasavélar geta styrkt kerfið og bætt stöðugleika.
Það þarf líka að huga að daglegum rekstri kerfisins og tryggja að raforkumarkaðurinn virki vel. Skilvirkur raforkumarkaður er þannig lykilatriði fyrir farsæla innleiðingu vindorku. Þá er einnig nauðsynlegt að styrkja flutningskerfið, því það er forsenda þess að raforkukerfið og markaðurinn virki rétt.
Með skýrri stefnu og markvissum aðgerðum er hægt að nýta vindorku á öruggan og hagkvæman hátt og tryggja að hún verði mikilvægur hluti af orkuframleiðslu framtíðarinnar.
Myndin sem fylgir greininni er frá byggingu Kröflulínu 3, 220 kV flutningslínu á NA-landi.
Greinin birtist fyrst í Upp í vindinn, blaði umhverfis- og byggingarverkfræðinema 2025.