Samhället måste inte välja ny kärnkraft för att klara stabiliteten i elsystemet. Ett driftsäkert elsystem kan också åstadkommas om man bygger ny omriktaransluten elproduktion. – Fler omriktare gör inte kärnkraften mindre utmärkt till elproduktion, säger Daniel Karlsson på DNV.
Sett från elnätets driftssäkerhetsperspektiv är inte kärnkraft enda alternativ för ny storskalig elproduktion. Det är fullt möjligt att med utbyggnad av ny omriktaransluten elproduktion drifta det svenska elsystemet inom dagens krav på tillförlitligt och driftsäkert. Därför kan ny storproduktion också vara vindkraft, till havs eller på land.
– Den tröghet som de roterande generatorerna i kärnkraftverkens synkronmaskiner bidrar med kan åstadkommas på annat sätt, med känd teknik och till rimlig kostnad, säger Daniel Karlsson, senior chefsingenjör på DNV och adjungerad professor i elkraftssystem vid Chalmers.
Stabilitet i fokus, inte kärnkraft
Kärnkraftens betydelse för elsystemet är en återkommande fråga i energidebatten. Den 13 oktober 2024 ställdes den till flera experter i Sveriges Radios Godmorgon världen. En var Daniel Karlsson, som vände sig mot ”att det i den politiska debatten ibland framstår som att det är nödvändigt med just kärnkraft för att systemet ska fungera väl”.
Daniel Karlsson
– Missförstå mig inte, kärnkraft är en alldeles utmärkt elproduktionskälla ur ett kraftsystems stabilitetsperspektiv. Kärnkraften har tjänat oss väl under snart ett halvt sekel, men tillkommande ny produktion måste inte vara kärnkraft av stabilitetsskäl, säger Daniel Karlsson.
De osynliga omriktarna
Omriktare är ett samlingsbegrepp för bland annat frekvensomriktare och spänningsomriktare (växelomriktare, strömomriktare). Energiföretagen Sverige uppdaterade nyligen sin lista över växelriktare för solceller och energilager. I ett systemperspektiv har omriktare stor strategisk betydelse för elsystemet.
Omriktare har inte varit särskilt synliga i debatten kring elsystemets tillförlitlighet. Ändå finns de runt oss i allt från mobilladdare till elnätens batterilager för flexmarknaden, och stora omriktarstationer för HVDC-kablar från andra elsystem i utlandet.
Omriktare bidrar också till betydligt mindre variationer i väderberoende elproduktion. De kan ersätta den klassiska rotationsenergin (svängmassan) som i traditionell kraftproduktion skapar ett nödvändigt tidsutrymme så regleråtgärder hinner återställa en plötsligt uppkommen obalans, till exempel att en större produktionsenhet plötsligt faller bort.
Med och utan rotation
Rotationsenergin kan då beskrivas som kraftsystemets energibuffert som hittills tillhandahållits av anslutna synkronmaskiner. En motsvarande energibuffert kan mycket väl tillhandahållas av batterier eller superkondensatorer anslutna till kraftsystemet via omriktare, menar Daniel Karlsson.
Tillsammans med kompletterande åtgärder som batterier, statisk kompenseringsutrustning eller roterande synkronkompensatorer kan omriktarstyrd elproduktion vara ett mycket stabilt alternativ. Till exempel kan ett anslutet batteri via en kraftelektronisk omriktare snabbt injicera motsvarande energi som tillhandahålls av trögheten i kärnkraftverkens synkronmaskiner.
Ingen ny fråga
Frågan om elsystemets driftsäkerhet är dock större än den politiska debatten kring kärnkraft. I kölvattnet av den allt mer väderberoende elproduktionen har det nordiska kraftsystemet generellt gått mot ett allt mer omriktarbaserat elsystem medan rotationsenergin ständigt sjunker.
”Upplagrad energi som inte utgörs av synkront roterande massor utan är ansluten via snabba effektomriktare, skulle kunna utnyttjas som så kallad syntetisk tröghet. Exempelvis kan rotationsenergin ökas eller minskas i vindkraftverkens turbiner, med hjälp av effektomriktare som ansluter anläggningarna till elnätet,” skrev Daniel Karlsson och Anna Nordling (WSP) i IVA-studien Svängmassa i elsystemet (2016, pdf).
Kräver investeringar
Hur det omriktarbaserade elsystemet byggs framöver påverkar också balansmarknaderna för frekvensbaserade stödtjänster, reglermarknaden för tyngre reservkraft och lokala flex- och kapacitetsmarknader. Frågan blir då hur utvecklingen ska finansieras och vad en omställning till omriktare kostar. I motsats till kärnkraftens anläggningar blir det omriktarstyrda elsystemet decentraliserat med många skilda lokala investeringsbehov.
Inga krav på proportioner mellan kraftslagen
Ingenstans i de annars omsorgsfullt utarbetade regelverken för säkerställande av driftsäkerheten i de europeiska elsystemen, inklusive det svenska, finns krav på proportioner mellan olika typer av produktionsmoduler, påpekar Daniel Karlsson som tillsammans med professorkollegan Massimo Bongiorno, avdelningschef Elkraftteknik på Chalmers, gärna lyfter den typen frågeställningar i kraftsystemdebatten.
– Det är inget uttryck för att vi saknar den typen av regelverk, utan ett konstaterande som stärker tesen att tillkommande produktion inte måste vara kärnkraft. Om proportionerna vore viktiga, så skulle detta ha avspeglats i regelverken, menar Daniel Karlsson.
Omriktare öppnar för stödtjänster
Det finns inte heller några krav på en miniminivå för andelen synkront ansluten produktion, eller maximinivå för andelen omriktaransluten produktion. Ej heller när det gäller stödtjänster som FCR, aFRR, mFRR eller avhjälpande åtgärder som reglerkapacitet och effektreserv finns någon koppling till karaktären på de enheter som bidrar med de olika funktionerna.
– Varken kärnkraft eller vindkraft bidrar idag med stödtjänster för balansering eller som avhjälpande åtgärder, men det skulle de kunna göra. Omriktaransluten produktion skulle relativt enkelt kunna bidra med spänningsreglering och till viss del även med inmatning av så kallad snabb felström, på liknande sätt som synkronmaskiner gör idag, säger Daniel Karlsson.
Inte heller det svenska kraftsystemet har idag några principiellt baserade krav på relationen mellan kärnkraft och vindkraft, eller mellan synkron och omriktaransluten produktion. Nyligen lämnade dock Svenska kraftnät in ett förlag till uppdatering av Energimarknadsinspektionens ramverk för ”maximala tröskelvärden för kraftproduktionsmoduler”.
Samverkan ger stabilitet
Omriktarnas betydelse för elsystemet berördes i den av kärnkraftverken beställda DNV-rapporten Analysbehov vid anslutning av elproduktion nära kärnkraftverk (2023, pdf) där Daniel Karlsson var medförfattare. Syftet var att säkerställa att befintlig kärnkraftsproduktion och tillkommande omriktaranslutna anläggningar för förnybar elproduktion ”kan samverka över tid på ett driftsäkert sätt”– en formulering som beskriver kärnan i hela frågeställningen.
– När det i energidebatten påstås att ny elproduktion måste vara kärnkraft för att klara stabiliteten i elsystemet, så är inte det korrekt. Stabiliteten kan även lösas med vind och sol tillsammans med känd teknik och till rimliga kostnader, men det utesluter inte kärnkraft, säger Daniel Karlsson.
***
Toppfoto: Vattenfall
16 comments
16 Comments
Ulf Gustafsson
3 november, 2024, 10:09 e mMycket intressant diskussion kring en fråga i vilken jag och gemene man har stora svårigheter att bedöma de olika argumentens relevans. Men att kärnkraft inte är nödvändig för ett fungerande elnät är väl ändå uppenbart. Litauen till exempel har visat hur man klarar el-balansen även sedan man avvecklat kärnkraftverket Ignalina och kopplat bort sitt elnät från den ryska BRELL-ringen. Bland annat med roterande synkronkompensatorer från Siemens Energy.
Frågan är egentligen vad kan det kosta i förhållande till de olika produktionsalternativens för och nackdelar. En typisk fråga för en gedigen utredning så den viktigaste frågan är varför har regeringen inte tillsatt en sådan?
REPLYKlas Roudén@Ulf Gustafsson
4 november, 2024, 9:54 e mUtan den stora elimporten från Sverige via HVDC-länken, vilken långa tider gått fullt, hade nog inte Litauen klarat sig så bra. Denna stora elexport från vårt svagaste elområde 4 har bidragit till dess ofta höga elprisnivå.
REPLYMen förstås har Litauens elkraftsystem stärkts av synkronkompensatorer.
Per Norberg
1 november, 2024, 12:54 e mDet Daniel skriver är nog helt rätt i teorin och i laborationsmiljö.
Men jag skulle inte vilja vara driftansvarig för ett system som helt bygger på syntetisk inertia. Kan jag lita på att elektroniken hinner plocka upp en frekvens i "fritt fall"?
Jag skulle nog vilja ha såpass synkront kopplad roterande maskineri – som ju reagerar utan styrning – så att frekvensen vid dimensionerande bortfall sjunker till säg 49.5 Hz på max 0.5 sekunder. Sedan kan "elektroniken" ta över.
Och det behöver inte vara kärnkraft utan det duger med tomgående synkronkompensatorer.
Ett system som enbart bygger på vind och sol måste ha energilager och har man då
REPLYmöjlighet att bygga pumpkraftverk som ständigt är infasade kan ju de stå för inertian.
Klas Roudén@Per Norberg
2 november, 2024, 8:09 e mHåller helt med dig Pelle, med i stort sett samma huvudbudskap som i min första kommentar.
REPLYJovisst, synkronkompensatorer (SC) bör vi satsa på, vilka bidrar med rotationsenergi, inertia (statiska STATCOM LIGHT ger här inte något bidrag alls), spänningsreglering, kortslutningseffekt samt numera också dämpfunktion för lågfrekventa oscillationer från kraftelektronik.
Men det krävs flera tiotals SC:er för att ersätta den förlorade inertian i den nedlagda kärnkraftens stora roterande aggregat (generator och turbin). Om SC förses med svänghjul reduceras antalet. Idag finns inte en enda renodlad SC i landet.
Och betr pumpkraftverk finns idag bara 3 sådana i Sverige, alla i Värmland, 2 medelstora o ett pyttelitet.
Men förhoppningsvis kommer pågående utredning hos Vattenfall om ett återöppnande av Juktans stora pumpkraftverk att leda till detta. Denna energilagringsteknik är synnerligen väletablerad globalt. Men i Sverige finns hittills mycket få föreslagna lägen för nya stora pumpkraftverk.
Lennart Nilsson@Klas Roudén
3 november, 2024, 7:21 e mSverige har väl fel topologi för pumpkraftverk.
MInns jag rätt gav Juktan 300 MW i pumpdrift. Som sedan blev bara 25 MW när pumpdriften upphörde.
Många hinder på vägen innan Juktan eventuellt kan bli ett pumpkraftverk igen.
REPLYLars Espen Nilsson
31 oktober, 2024, 7:10 f mAtt omriktare kan hjälpa bambi på isen få fotfäste är känt sedan mycket länge.
REPLYMen dessa kolleger på lerfötter våra fina fågelkvarnar fungerar tyvärr bara när det blåser lagom mycket. Då fungerar de allihop samtidigt och kannibaliserar på varandra. Vindkraft tycker jag är väldigt bra dock max 15kw gårdsverk plus och minus hamnar hos den som äger det. Större är inte bättre precis som litiumjon batterier, skulle aldrig fått lov att bli större än 5kg i massa. Dagens bilbatterier är totalt idiotiska. Osläckbara brandbomber.
Ronny Eriksson
31 oktober, 2024, 6:36 f mBra att det betonas att behovet av el med reglering och balansering kan lösas på olika sätt. Nu är det nog för mycket begärt att det skall uppstå konsensus om det. Allt för många har surrat sig vid olika master. Senast var det energiministern som betonade behovet av robust elproduktion, där de flesta "läste" att hon menar kärnkraft. Diverse experter, konsulter och ägare av bolag behöver försvara sin åsikt. Vi får nog räkna med en fortsatt förvirrad diskussion ännu några år. Personligen tror jag att behovet kan lösas utan att nödvändigtvis tillföra ny kärnkraft i ett land som tillhör världsledarna på kärnkraft per capita.
REPLYLars-Göran Johansson
30 oktober, 2024, 7:21 f mKapacitetsfaktorerna för vindkraft är inte 11 – 18%. Även energiministern använder frekvent dessa siffror. Det är fel! Framförallt borde energiministern veta bättre. Men hon kanske bara vill svartmåla?
(11 – 18 % gäller något anat, nämligen tillgänglighetsfaktorn under årets topplasttimma. Men även här finns det kritik mot hur de har beräknats.)
Orsaken till detta missförstånd kan vara en felöversättning i Ei R2021:05 av det engelska uttrycket ”de-rating capacity factor”. Ei har själv medgivit det:
”I våra tidigare rapporter om tillförlitlighetsnormen (inte tillgänglighetsnormen som frågeställaren nämner) har vi olyckligt översatt det engelska begreppet ”de-rating capacity factor” till kapacitetsfaktor.”
följt av
”Vi kommer också i slutredovisningen av vårt pågående regeringsuppdrag att uppdatera tillförlitlighetsnormen att använda en annan benämning så att det ska bli ännu tydligare framöver.”
Som exempel på en kapacitetsfaktor för vindkraft kan vi ta det nyligen pausade Kriegers flak. Med Vattenfalls siffror så blir kapacitetsfaktorn: k =W/P/T*100 % = 2 700 000/650/8760*100 = 47,4 %.
REPLYJimmy@Lars-Göran Johansson
31 oktober, 2024, 1:07 e mI sin senaste pressträff på regeringen.se så använder sig ju Ebba Busch av kapacitetsfaktor/effektbidragsfaktor och det är jag som endast skrev kapacitetsfaktor:
https://regeringen.se/contentassets/0e0ed3f11eef477cb9ac7db8c75b2bb0/presentationsbilder-fran-pressbriefingen-den-23-oktober-2024.pdf
sida 17 vilket är siffror från energimarknadsinspektionen.
Utöver det så är det ju topplasttimmen som är viktig i sammanhanget. Utöver det att använda sig av en siffra från ett eventuellt framtida projekt blir ju väldigt missvisande då detta inte är riktiga siffror utan en sorts kalkyl.
Om vi nu inte litar på SvK som anger 11-18% så kan vi ju ta siffror från svensk vindenergi som är part i målet istället och de anger 32% för nybyggd vindkraft och faktiskt utfall för 2023-2024 till 19%. Med en livslängd på 20 år för vindkraftverk så är det ju 20 år bort innan vi når 32% vilket fortfarande är mindre än hälften av vad kärnkraft har. Jag skulle dock inte ta siffror från en intresseorganisation med ett egenintresse före de som faktiskt har systemansvar och utan egentintresse i kraftproduktionstyp.
https://svenskvindenergi.org/rapporter/begreppsforvirring-okar-polariseringen-i-kraftslagsdebatten
REPLYLars-Göran Johansson@Jimmy
1 november, 2024, 1:39 e mSvk´s 11 resp 18 % är tillgänglighetsfaktor (tänkt topplasttimma). Vilket, än en gång, är något annat än kapacitetsfaktor.
Svensk Vindenergi skriver också på sin hemsida, utöver att kapacitetsfaktorn vintern 2022/23 var 32 %, att, citat:
”Kapacitetsfaktor för nybyggd landbaserad vindkraft i Sverige: 37-39 procent.”
”Förväntad kapacitetsfaktor för nybyggd havsbaserad vindkraft i Sverige: minst 50 % procent.”
För övrigt tror jag Att Svk och Svensk Vindenergi har en samsyn om kapacitetsfaktorn hos vindkraft. Det är ju enkelt att beräkna kapacitetsfaktorn utifrån verklig producerad energi och verklig installerad effekt. Man kan liksom inte tycka annorlunda än vad siffrorna visar!
Sammanfattningsvis: Vår energiminister försöker, sannolikt högst medvetet, att få den svenska befolkningen att tro att vindkraft producerar mindre än vad den gör. Varför?
REPLYUngefär som när hon talar om att konsumtionen av el inte har ökat under de senaste 10 åren.
Hade hon däremot valt att tala om produktionen, vilket är det enda rimliga, så hade hon behövt lägga till ca 30 TWh nettoexport per år!
Ronny Erikssson@Lars-Göran Johansson
3 november, 2024, 11:20 e mDet sprids missuppfattningar som gör att "vanliga människor" påstår att vindkraften fungerar bara när det blåser. Till synes stämmer det, men det inträffar oerhört sällan att det inte blåser, och framförallt inte blåser någonstans i vårt avlånga land. Vindkraften har nästan alltid en betydande kraftproduktion, om man undantar vissa vindstilla sommardagar framförallt.
REPLYJust det gångna dygnet gav vindkraften mest el av alla produktionsslag under hela dygnet. Varken vattenkraft eller bidraget från kärnkraft var i något ögonblick större. Självklart hade det varit möjligt att producera ännu mer el med vattenkraft än de max 10600 MW som vindkraften producerade, men det behövdes inte. Vattenkraften nedreglerades och vattnet stannade i dammarna.
Under oktober producerade vindkraft och kärnkraft lika mycket el. De senaste veckorna har dock vindkraften legat på högre nivå. Det är naturligtvis bra att det blåser mer under vinterhalvåret, och att därmed vindkraftsproduktionen är större då.
Klas Roudén
29 oktober, 2024, 1:36 e mLite förmätet av mig att här delvis gå i svaromål med vännen Daniel.
Men här ändå några synpunkter, först nu om renodlade nätstationer utan elproduktion.
Jovisst skall förstås omriktartekniken användas till stödfunktioner som rotationsenergi, spänningsreglering o felströmsinmatning (kortslutningseffekt), och den är ju supersnabb.
Men den har en avgörande principiell svaghet, den är beroende av nätspänningen, samma spänning som den skall reglera. Men dess snabbhet gör att den oftast hinner reglera innan det blir kritiskt. Men lite förenklat uttryckt: utan en nätspänning och utan superkondensatorer så blir det väl inte så mycket att reglera…
Roterande maskiner drivs i motsats till ovannämnda kraftelektronik av en i stort sett nätoberoende energikälla, vatten, ånga eller avgaser. Dock är även synkronkompensatorer (SC) med sin synkronmotordrift beroende av nätspänningen
Roterande maskiner inkl SC ovan tillhandahåller vid drift "äkta rotationsenergi" med ljushastigheten utan några extra kontrollanläggningar samt förstås också spänningsreglering och kortslutningseffekt.
Med batterier o FFR-funktionen ingriper nu dessa vid frekvensfall före vattenkraften, men frågan är nu: törs t ex Nordels TSO:er ytterligare minska ovannämnda "äkta rotationsenergi" och förlita sig på sådana ingrepp i större omfattning?
Avslutningsvis:
Förstås finns i vindkraften med sin ökande elproduktion en stor potential, om den syntetiska svängmassan (rotationsenergin) skulle kunna utnyttjas.
Men är dess maskineri i växellådor o rotorblad dimensionerande för den snabba (inom ett par sekunder) effektomkastningen från bromsning till återgång?
Och kraftelektroniken ger i ökande omfattning upphov till oönskade lågfrekventa oscillationer i nätet.
Och vad blir livstidskostnaden med bara omriktaransluten elproduktion från väder- och dygnsberoende vind och sol?
Min egen, kanske välkända?, slutsats kvarstår: med ny kärnkraft slår vi nästan alla flugor i en smäll. Vi får hög tillgänglighetsfaktor för aktiv effektproduktion, stor och välbehövlig ökning av rotationsenergin samt stor reaktiv produktionsförmåga. I dagsläget missar vi bara frekvensregleringen, men detta kan kanske bli aktuellt med nya aggregattyper? I Frankrike regleras kärnkraften, så detta blir nog nu vanligare. Det handlar mest om driftsekonomi.
REPLYJimmy
29 oktober, 2024, 9:57 f mRimlig kostnad nämns, finns det några studier som bekräftar detta? För idag görs väl ingenting av detta och det är en kostnad som aldrig nämns i samband med vind- och solkrafts öre/kWh jämförelse? Hur många öre/kWh handlar det om?
Sedan ser jag inte hur detta löser problemet med att ny anslutning av mer vind-/solkraft ej ger någon extra effektuttag på elnätet? SvK siffror för kapacitetsfaktor/effektbidragsfaktor ger ju 11-18% för vindkraft land/hav och 74% för kärnkraft. Hur tar vi hänsyn till att det behövs 6-7 ggr mer installerad effekt för att uppnå samma kapacitetsfaktor för vindkraft i kostnadsjämförelser? Vad innebär detta för bekymmer med överkapacitet när det väl blåser? Som jag ser det så är det batterier som måste lösa detta och återigen denna mängd batterier tar vi aldrig in i kostnadsjämförelsen. Ej heller vad det innebär för investeringar i vindkraft som får ett allt lägre säljpris när det väl blåser vilket försämrar deras egen ekonomi.
Ja rent teoretiskt finns det en lösning för att göra syntetisk svängmassa men i mina ögon ser jag inte hur det på något vis skulle kunna vara en praktiskt/teknisk genomförbar lösning. Här ser jag gärna ett svar på hur lösningen för detta är tänkt?
REPLYJan Blomgren
29 oktober, 2024, 8:46 f mVad kostar den föreslagna lösningen? Media är fullt av förslag av typen "man kan göra på annat sätt" – så gott som alltid motiverat av en önskan att slippa kärnkraft – och så gott som aldrig presenteras en prislapp…
REPLYFredrik@Jan Blomgren
30 oktober, 2024, 1:24 e mDet är en bra fråga som jag tycker regeringen rimligtvis borde utreda grundligt innan man ger sig in i att satsa skattemedel i den ena eller andra riktningen. Att inte göra alternativkalkyler vid omfattande investeringar är huvudlöst.
Varför regeringen inte samlar expertisen inom energisystem/elkraftsystem i landet och utreder frågan grundligt vet jag ej.
Kanske för att de vet att de inte kommer gilla slutsatserna?
REPLYBjorn ST Wiklund
29 oktober, 2024, 7:04 f m1. REALLY
2. KOSTNAD
För om el med massiv vind kostar på systemnivå 6ggr mer varför ens fundera på vind…..?
REPLY