Ankkurvan utmanar det svenska elsystemet

Solenergin står fortfarande bara för en liten del av den svenska elproduktionen men kan redan nu spela roll för effektbehovet, skriver Fredrik Karlsson på Polar Capacity. Solnedgången ger ett kraftigt ökat behov av reglerkraft, vilket återspeglas i den så kallade ”ankkurvan”. Elsystemet kommer relativt snart att behöva hantera en situation där i stort sett ingen annan produktion behövs mitt på dagen, samtidigt behovet ökar med kanske 10 000 MW när solen går ner, påpekar han.

I Sverige har vi stora ambitioner när det gäller att öka användningen av förnybar energi och sol- och vindkraft har blivit allt vanligare och står nu för en betydande del av vår elproduktion. Mer vind och sol i systemet medför mer utsläppsfri produktion, vilket hjälper oss att elektrifiera både transporter och industriprocesser utan negativa effekter för klimatet. Sol och vind producerar också el i stort sett utan rörliga kostnader. De kräver (precis som vattenkraft) inga bränslen, vilket betyder att produktionskostnaden är låg eller till och med obefintlig. Detta är bra både för klimat och elanvändarnas plånböcker.

Det svenska elsystemet har varit känt för sin pålitlighet och hållbarhet. Med en stor andel vattenkraft och en välfungerande nätinfrastruktur, har vi kunnat njuta av ett stabilt energisystem. Men nu hotas denna stabilitet av ett fenomen som sprider sig över världen – ankkurvan. Denna problematik, som uppstår i samband med ökad användning av sol- och vindenergi, kräver aktiva åtgärder för att skydda elsystemet från ansträngningar och dessutom i förlängningen stora kostnader.

Ankkurvan blir allt vanligare även i Sverige? Bild: Office of ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY

Ankkurvan, eller ”the duck curve” på engelska, beskriver det karakteristiska utseendet på ett elbehovsdiagram, när solenergi genereras under soliga dagar. Kurvan får sitt namn eftersom den liknar formen på en anka. Under dagtid, när solen är stark och solenergin produceras i överflöd, minskar behovet av konventionella energikällor som vatten- eller kärnkraft. Detta låter positivt ur ett hållbarhetsperspektiv, men det skapar också utmaningar för elsystemet.

Men när ankkurvan blir mer framträdande, uppstår allt oftare situationen där behovet av tillförd energi från andra kraftslag varierar stort under dygnets timmar. Det är dock ett effektproblem snarare än ett energiproblem.

Den här våren har Sverige för kanske första gången upplevt ankkurvan under några soliga försommardagar i maj. Det stora bekymret med ankkurvan är den snabba nedgången av elproduktionen senare på dagen. När kvällen kommer minskar solenergin vilket ger ett kraftigt ökat behov av snabb reglerkraft. Detta leder till stora kast i elpriserna – som kan vara några få ören på dagen för att stiga med 20-30 gånger på kvällen – men det medför också tekniska utmaningar.

Att solenergi kan ha en så stor påverkan på elsystemet och priserna i ett land som Sverige kan tyckas märkligt. Solel står trots allt bara för 1,5 procent av elproduktionen per år (cirka 2 TWh 2022). Traditionellt sett har energisystemet analyserats utifrån ett energiperspektiv, dvs behovet av TWh per år. Energimässigt kommer det att dröja mycket länge innan solen blir ett stort kraftslag i Sverige. Men effektmässigt kommer solelen snart att spela en stor roll – vissa timmar, vissa dagar. Mellan 2016 och 2022 ökade den installerade effekten 17-falt, från 140 MW till nästan 2400 MW. Fortsätter installationerna i samma takt (cirka 50% ökning per år) så kommer Sverige redan inom fyra till fem år att ha 8000 MW nätanslutna solanläggningar. Det motsvarar 75-80 procent av effektbehovet en typisk sommardag – och mer än så under enstaka soliga helgtimmar på sommaren.

Prismässigt betyder det att systemet relativt snart kommer att behöva hantera en situation där i stort sett ingen annan produktion behövs mitt på dagen, samtidigt som andra kraftslag och energilager måste kunna rampa upp kanske 10 000 MW på några timmar när solen går ner. Effektproblemen har hittills analyserats utifrån hur vi kan hanterar effektbehovet den timme på året då behovet är som allra störst, vilket typiskt sett är en riktigt kall vintermorgon. Men att hantera ett snabbt växlande behov av 10 000 MW är ett lika stort effektproblem oavsett om det är en sommarkväll eller en vintermorgon. Infrastruktur och flexibel produktion måste finnas och fungera – om än med sämre lönsamhet beroende på färre årliga drifttimmar.

I ett samhälle där allt fler sektorer elektrifieras, kommer den totala elanvändningen att kanske fördubblas. Precis som vi vissa sommartimmar inte kommer att behöva särskilt mycket annan produktion än sol, så kommer vi vissa vintertimmar inte att ha effekt så det räcker, när behoven är stora samtidigt som det är mörkt och vindstilla. Gemensamt för dessa situationer är att de traditionella, centraliserade lösningarna inte kommer att hantera någon av dessa effektextremer. Kapitalintensiva satsningar på elnät, kärnkraft eller kombikraftverk blir dyrare och dyrare, ju sämre utnyttjandegrad de har.

När energi allt oftare blir billig eller rent av gratis, gäller det att undvika att systemkostnaderna skjuter i höjden. Om de sista 1 000-5 000 MW kapacitet enbart behövs under 800 timmar per år istället för 8 000, så blir kapitalkostnaden 10 gånger högre per timme de används. Det är en företags- såväl som samhällsekonomisk katastrof om vi tänker oss att använda de traditionella verktygen, alltså centraliserade kraftverk och dyra nätinvesteringar. I stället måste effektproblemen i allt större utsträckning hanteras lokalt. Det gäller både när det blåser mycket och solen skiner, och när efterfrågan är hög mörka vinterdagar. Då hamnar fokus på så låga investeringskostnader per MW som möjligt – kombinerat med mycket tillgänglig och flexibel effekt. Det är ett helt nytt sätt att se på systemet. Men det är en oundviklig följd av att vi går från att fokusera på energi till att fokusera på effekt.

***

Foto: Fortum

11 comments

Av Fredrik Karlsson

Medgrundare Polar Capacity och tidigare VP Fortum

PROFILE Second Opinion drivs på uppdrag av Energiföretagen Sverige. Läs mer

11 Comments

Stefan Själander
5 juni, 2023, 10:09 e m

Bygg vätgasproduktion vid alla större kraftverk. Elektrolysen kan snabbt reglera mängden el som går ut på nätet.
- Johan Montelius@Stefan Själander
  7 juni, 2023, 3:27 e m
  
  Räkna lite på det och se om du kan få någon lönsamhet i projektet. Att installera och drifta dyr elektrolysutrustning som bara används en del av tiden …. är kanske inte så lönsamt?
Klas Roudén
30 maj, 2023, 12:16 e m

En mycket tankeväckande artikel, speciellt appellen på slutet ”Istället måste effektproblemen i allt större utsträckning hanteras lokalt”
Alltså dags nu för att både vind- och solkraftföretagen måste börja investera i lokala (regionala) reservkraftanläggningar, åtminstone med en viss andel enligt nya regelverk.
Detta skulle reducera sönderkörningarna av älvarna vid den ökande korttidsregleringen, minska snittöverföringarna och nätförlusterna.
Men vilken typ av effektinstallationer, väl fossilfria?, kan tänkas i södra Sverige?
Antar att ett svar blir batterier, vilka då med tanke på storleken (energimässigt) dock är tänkbara mest för effekttoppar.
Men nämnda företag måste ju också börja bidra med rotationsenergi (svängmassa). Och till det duger inte batterier, så då måste väl vind- o solkraftföretagen också börja investera i synkronkompensatorer, dvs synkronmaskiner som drivs i motordrift från elnätet. Synkronkompensatorer bidrar även med reaktiv effekt i spänningsregleringen samt med kortslutningseffekt, vilket kan reducera ökande specifika stabilitetsproblem i elnätet p g a kraftelektroniken i vind- och solkraftanläggningar.
- Lars-Göran Johansson@Klas Roudén
  31 maj, 2023, 7:10 f m
  
  Jo, batterier kan användas som rotationsenergi (svängmassa). De brukar i dessa sammanhang kallas för syntetisk svängmassa. Se t ex https://www.tesmanian.com/blogs/tesmanian-blog/tesla-big-battery-begins-providing-inertia-grid-services-at-scale-in-world-in-australia.
  
  Om man lagrar energi som mekanisk rotationsenergi i en tung generatorrotor eller som kemisk energi i ett batteri är nog egalt. Det väsentliga är att energin snabbt kan släppas loss och generera en tillräckligt stor eleffekt vid större avbrott i nätet så att frekvensen inte dippar.
  
  Och reaktiv effekt kan, utöver med synkrongeneratorer/synkronkompensatorer, också produceras med kondensatorer.
  - Klas Roudén@Lars-Göran Johansson
    31 maj, 2023, 8:22 e m
    
    Jag skrev rotationsenergi, dvs äkta sådan, vilken ingriper helt momentant med ljushastighet.
    Batterier kan aldrig ge ett momentant svar på en frekvensändring, men med den nya funktionen sedan 2020, FFR, i Nordelsystemet, så kan med FFR, efter upphandling från Svk m fl, frekvensstöd erhållas efter initiering i tidsintervallet 0.7- 1.3 sekunder, även från batterianläggningar, vilket kompletterar ovannämnda äkta rotationsenergi, vilken inte får underskrida en viss kritisk gräns. Aktuell rotationsenergi i det synkrona Nordelsystemet kan studeras på nätet i ”Fingrid Inertia”.
    Javisst reaktiv effekt från shuntkondensatorer, det är ju det dom är till för, liksom SVC:er o numera STATCOM, där de sistnämnda även kan konsumera reaktiv effekt, steglöst i båda riktningarna och därtill supersnabbt.
Kenneth Nilsson
30 maj, 2023, 7:09 f m

Förstår faktiskt inte att vilken kraftproduktion som helst får kopplas in i nätet var som helst. Det är inte ”hållbart”. Det hållbara borde vara en reglerad plan. Det är kanske billigt med sol och vind men de måste bära sin systemkostnad, alltså betala för systemfunktioner som annan kan leverera.
Den kommande volaliteten i kraftsystemet måste begränsas.
Många har redan sagt att produktion och konsumtion måste finnas nära varann. Förra regeringens totala hjärnsläpp att stänga KKV SE3 får vi lida av länge. Men att täcka den bristen som uppstod görs inte med sol och vind. Systemet blir bara mer instabilt. Och då har vi inte pratat om felsitiationer och hur komma ur dessa utan att det blir mörkt i landet några timmar eller dagar.
Fredrik Bruno
30 maj, 2023, 6:30 f m

Efter Second Opinions rapportering om nätsäkerhetens brister och incidenten den 26 april så blir man mörkrädd. En större nedsläckning skulle ställa till med oöverskådliga skador. All belysning utöver nödbelysning slocknar. Det kommer inget vatten ur kranarna, man kan inte spola toaletterna. Som bergsingenjör tänker jag i första hand på våra stålverk, järnet skulle stelna i konvertrarna, t.ex. Sandviken med tillverkningen baserad på elektrostål. Traverserna i verken skulle stanna där de befann sig, hur kommer förarna ut? Med mobilkran? De flesta processindustrier kommer att få problem med att röja upp och återställa driften. Flisen i massaindustrins kontinuerliga kokare skulle svartkoka, den går knappast att rädda i efterhand. Alla hissar skulle stanna, det finns fler verksamheter, som inte tål en plötslig och oväntad förlust av elmatningen. Hur de elektriska låsen till våra hyreshus och andra inrättningar fungerar vid ett strömavbrott vet jag inte, men det är kanske dags att ta reda på det. När strömmatningen skall återupprättas kommer alla elektriska värmeelement att ha termostaterna påslagna för full effekt. det underlättar knappast en återstart. Hur mycket och vilken reservmatning har vi? Om strömförsörjningen knäcker ryggen i en högtryckssituation en kall vinternatt har vi inte tillräcklig kapacitet för att kunna återstarta nätet. Det är m.a.o. ingen hejd på eländet. Och ändå så satt man i regeringen och jublade när beslutet om att i praktiken lägga ner kärnkraftverken togs 2015.
Johan Montelius
30 maj, 2023, 5:40 f m

Man undrar hur mycket solpaneler som skulle byggts i Sverige om man inte subventionerat verksamheten med statliga bidrag.

Det var bättre på romartiden då de statliga medlen spenderades på bröd och skådespel, nu verkar det mesta gå till gröna drömmar.
- Christer Daleskog@Johan Montelius
  30 maj, 2023, 11:19 f m
  
  Solelsproduktionen märks ju knappt ännu. Maxnoteringen hittills i år dock ca 1500 MW den 22/4. Vid fortsatt utbyggnad lär vi få, som i Tyskland, ”elinfarkt” i lokala matningsområden dvs under nätstationsnivån.
  Vi har haft vårt första fall i Skåne. Nätstationstrafon var inte dimensionerad för överskottet från solcellerna.
  Frågan är hur många nätstationer som elbolagen är beredda att bygga om/byta ut eller om man sätter en gräns för den installerade solcellseffekten under varje nätstation. Nivån ovanför nätstationerna kan ju också ha sina begränsningar.
  Störningssituationen pga alla växelriktare blir också intressant att studera. I min Brf störs hissarnas hjälptelefoner ut, förmodligen av växelriktare.
- Peter Markusson@Johan Montelius
  31 maj, 2023, 7:24 f m
  
  ”Man undrar hur mycket solpaneler som skulle byggts i Sverige om man inte subventionerat verksamheten med statliga bidrag.”
  -> Troligen mer än hälften. Det skulle fortfarande vara en av dom mest lönsamma investeringar en fastighetsägare kan göra.
  
  ”Det var bättre på romartiden då de statliga medlen spenderades på bröd och skådespel, nu verkar det mesta gå till gröna drömmar.”
  -> Om det är ”gröna drömmar” att det går att producera mycket av elen lokalt, till låg kostnad, så är nog dom flesta med på det. Speciellt som det är det snabbaste och kostnadseffektivaste sättet att bekämpa Klimatförändringen.
  - Johan Montelius@Peter Markusson
    31 maj, 2023, 9:43 f m
    
    ”Det skulle fortfarande vara en av dom mest lönsamma investeringar en fastighetsägare kan göra. ”
    
    Vad bra, då kan vi sluta med det statliga stödet ……
    
    ”… kostnadseffektivaste sättet att bekämpa Klimatförändringen.”
    
    Ett utmärkt exempel på gröna drömmar; maken till pengar i sjön får man leta efter.