Svängmassan är central för att energisystemet ska vara stabilt och inte kollapsa. Vind- och solkraft tillför inte energisystemet svängmassa till skillnad från kärnkraft och vattenkraft. Därför blir svängmassan en avgörande faktor för utbyggnaden av förnybart.

Johan Lundqvist på Svensk Energi förklarar vad svängmassa är och varför den är fundamental.

Daniel Löfstedt på uppdrag av Svensk Energi

Sedan några veckor tillbaka har det på Second Opinion Energi debatterats om behovet av baskraft. Lennart Söder, professor i elkraft vid KTH, initierade frågan och sedan har flera perspektiv lyfts fram. När Erik Ek, driftchef på Svenska kraftnät, ville ge sitt perspektiv lyfte han fram problematiken med minskad svängmassa i ett kraftsystem med mycket sol- och vindkraft. Han skriver:

Den förnybara elproduktionen har andra tekniska egenskaper än dagens konventionella produktion i vatten- och värmekraft. Exempelvis skulle kraftsystemet inte tåla ett byte av konventionell elproduktion till vindkraft om inte samma mängd svängmassa (naturlig tröghet) förs in i systemet.

Och vad är då svängmassa och varför är det så intressant när den förnybara kraftproduktionen ska diskuteras?

Johan Lundqvist, teknisk licentiat och ansvarig för Network Codes på Svensk Energi förklarar att svängmassan är fundamentalt avgörande för stabiliteten i energisystemet. Om det finns mycket svängmassa i systemet är det stabilt och tål störningar. Om det finns lite svängmassa så är systemet instabilt och hamnar lätt i ett okontrollerat läge – vilket snabbt riskerar att resultera i en total kollaps.
– Jag brukar likna de två lägena med att balansera en blyertspenna på två olika sätt. Ett system med mycket svängmassa är ett läge där du håller blyertspennans ände mellan tummen och pekfingret hängande nedåt, du har alltså ett stabilt tag om pennan. I ett system med lite svängmassa balanserar du i stället pennan på pekfingret rakt uppåt, säger han.

Dagens energisystem är uppbyggt utifrån att det ska finnas mycket svängmassa i systemet. Det är främst kärnkraften och vattenkraften som förser systemet med svängmassan, därför att de är uppbyggda kring fysiskt stora generatorer. Rotationsenergin i generatorerna ger nämligen svängmassa och en tröghet mot snabba förändringar av rotationshastigheten. Sol- och vindkraft är inte byggd på samma sätt med den här typen av generatorer och levererar därför inte heller rotationsenergi och tröghet till systemet.

Johan Lundqvist jämför trögheten med ett cykelhjul: ett stort cykelhjul är svårare att förändra hastigheten på än ett mindre cykelhjul. Det stora blir därmed trögare att förändra hastigheten på. Vissa moderna vindkraftverk kan dock bidra med en konstgjord, syntetisk, tröghet – men bara när det blåser.

Och varför är det då viktigt med ett trögt och stabilt system – att balansera pennan med hjälp av pekfingret o c h tummen? Jo, A och O för ett energisystem är att frekvensen ligger på 50 Hz, all användning av el, från hårtorken i badrummet till bilfabrikens robotar, kräver detta. Men även själva elsystemet och inte minst produktionsenheterna har samma krav för att fungera. Och när frekvensen avviker från 50 Hz beror detta på obalans i systemet mellan produktion och användning, vilket omgående måste regleras.

Detta görs automatiskt i så kallad lugndrift och ordning återställs inom kort. Normalt sker dessa förändringar och variationer hela tiden i systemet. – Vid stora momentana, det vill säga hastiga, förändringar i form av bortkopplingar av produktion, till exempel ett kärnkraftsblock eller ett större vattenkraftverk, eller kortslutningar, eller tillkoppling av stora volymer förbrukning efter en kortslutning, så utsätts systemet för en störning som ett stabilt system klarar av – och måste klara av, men som det system med lite svängmassa inte klarar av, säger Johan Lundqvist och jämför störningen med en knäpp mot pennan som gör att pennan du balanserar på ditt pekfinger trillar och systemet kollapsar:

– Det beror på att frekvensen sjunker, alternativt stiger, väldigt snabbt från 50 Hz och då följer en automatisk frånkoppling av produktion och även av vissa industrilaster och även i vissa nätdelar runtom i hela systemet, allt för att skydda anslutna apparater och produktionsenheter från skador. Allt sker fort och på ett okontrollerat sätt. Om du i ett sådant här läge med en momentan förändring har mycket svängmassa i systemet, det vill säga tröghet i form av rotationsenergi, får berörda enheter i systemet längre tid på sig att kompensera frekvensförändringen och hinner därför parera obalansen genom att till exempel tillföra produktion. Den tiden har du inte i ett system med lite svängmassa och effekten blir en kaskadhändelse som snabbt leder till kollaps av systemet, säger Johan Lundqvist.

De mest utsatta situationerna är sannolikt perioderna med lite elanvändning, till exempel under sommaren, för då används de stora generatorerna i mindre utsträckning och andelen vindkraft är då stor, men detta måste studeras menar Johan Lundqvist. Hittills har vi inte upplevt någon kollaps på grund av för lite svängmassa i det nordiska systemet och inte heller i Europa, enligt Johan Lundqvist, men där är frågan mer aktuell än här.

– I Europa är det mycket mer fokus på det här problemet och läget är också mer kritiskt där i till exempel Tyskland och Spanien. De tillhör ju dock det kontinentala synkrona systemet och kan använda svängmassan i länder som de är sammankopplade med. Frågan är oerhört högt upp på agendan, också i EU:s arbete med att ta fram network codes, som är regelverket för att skapa en gemensam marknad för el, säger Johan Lundqvist och tillägger:

– Om inte de mest grundläggande fysikaliska/tekniska systemkriterierna kan uppfyllas kan sannolikt heller inte omställningen till de stora planerade volymerna förnybart med vind- och solel hysas i systemet. Det som ytterligare komplicerar frågan ur flera aspekter är att merparten av den tilltänkta förnybara kraften kommer att anslutas i lokala och regionala elnät, till skillnad mot den så kallade baskraften som är ansluten direkt eller nära direkt mot transmissionsnätet. Sammanfattningsvis kan man bara konstatera att elkraftsystem är mycket komplexa system, och det man gör i ena änden påverkar något annat i den andra.

Generator på Forsmarks kärnkraftverk. Foto: Vattenfall