Stödtjänster nödvändiga för driftssäkerhet

DEBATT
Klas Roudén reder ut vilka stödtjänster som behövs för att elsystemet ska fungera stabilt och driftssäkert. Han tjänstgjorde under 13 år var 6:e vecka som vakthavande ingenjör för stamnätet i Svenska kraftnäts centrala kontrollrum.

Framtida nya kärnkraftsblock diskuteras nu livligt beträffande ekonomiska risker och det ställs relevanta frågor om hur stora statsutgifter bäst bör disponeras i samhället.

Bild: Stora turbiner spelar roll för elsystemets stabilitet. Foto: OKG.

Men låt oss vidga perspektivet beträffande risk också till frågan om ansvaret för landets elförsörjning.

Vilka är riskerna med en lägre driftsäkerhet för elkraftsystemet? Jämfört med många andra länder har vårt elkraftsystem fortfarande hög driftsäkerhet, om vi förenklat bara tittar på stora regionala eller landsomfattande elavbrott. Men det allmänheten inte ser är hur små marginalerna ibland är, och att man har varit nära ett stort sammanbrott i elförsörjningen, när man kommit mycket nära de fysiska gränser som kraftsystemet är byggt för.

För säker drift måste det alltid råda stabilitet i de elektriska storheterna, vilka är helt avgörande för driftsäkerheten. Dessa storheter är (nät)frekvens och spänning.

För stabilitet i frekvens krävs balans i aktiv effekt och för stabilitet i spänning krävs balans i reaktiv effekt, där maximal stabilitet uppnås om produktionen och konsumtionen av aktiv respektive reaktiv effekt varaktigt är lika.

För att möjliggöra nämnda balanser i det operativa driftskedet måste kraftsystemet driftplaneras. I elmarknaden finns olika verktyg för planering av den aktiva effektbalansen med allt kortare planeringshorisont. Därigenom kan kraftsystemets aktuella fysiska kapacitet utnyttjas allt bättre, vilket förstås är bra. En grundförutsättning för en hållbar driftplanering är förstås att det finns verkliga fysiska resurser tillgängliga för aktiv och reaktiv effekt, både för produktion och konsumtion.

Den aktiva produktionen förknippas med begreppet tillgänglighetsfaktor. Denna varierar procentuellt starkt mellan olika produktionsslag. På årsbasis har vår kärnkraft här 90 %, vattenkraften ca 85 %, medan landbaserad vindkraft har 9 %, under topplasttimmen drygt 20 %.

För att upprätthålla stabiliteten för frekvens och spänning i driftskedet, och därmed driftsäkerheten, är tillräcklig tillgång till vissa så kallade stödtjänster en absolut nödvändighet. Dessa stödtjänster, som specificeras mera nedan, är i huvudsak:

* Rotationsenergi (svängmassa)

* Balansreglering av aktiv effekt
(frekvensreglering)

* Balansreglering av reaktiv effekt
(spänningsreglering)

Rotationsenergi (svängmassa)
Måste alltid finnas, vid normaldrift för utjämning av frekvensen p g a dagliga last- och produktionsvariationer. Är enligt nedan ofta avgörande för utgången vid stora frekvensfall i samband med fel.

Alla synkront roterande aggregat (generator + turbin) ger bidrag. Mest ger stora och tunga aggregat hos kärn-, vatten- och fossilkraft samt kraftvärmens aggregat.

Vindkraftens asynkronaggregat ger inga bidrag alls, men möjligen kan det i framtiden bli aktuellt genom att skapa s k syntetisk svängmassa.

Rotationsenergin reducerar momentant (med ljushastigheten) frekvensfallet vid stora produktions- och importbortfall till Nordelsystemet. Effektinjektion från batterier och FFR-funktionen inom ca 1 sekund dämpar ytterligare, innan bidrag från utvalda vattenkraftaggregat ytterligare dämpar och får frekvensen att öka.

Frekvensreglering
Vattenkraften dominerar här både med automatisk och manuell reglering. Huvudsakligen av bränsleekonomiska skäl deltar befintlig kärnkraft ej, men det förekommer, bl a i Frankrike.

Nedreglering av vindkraft ökar i omfattning. Nedreglering av solkraft bör ha en potential. Problem kan uppstå för stora solkraftverks effektreduktion vid hastigt uppdykande stora molnbankar över sådana, vilket kan kräva omedelbar uppreglering.

Spänningsreglering
Utförs både vid normal och störd drift i transmissionsnätet med shuntreaktorer och även där samt i regionnäten med shuntkondensatorer. Finreglering i region- och lokalnät sker med lindningskopplare i transformatorerna.

Komponenter med supersnabb kraftelektronik är på frammarsch.

Urdrifttagning av ledningar förekommer vid låga överföringar i transmissionsnätet.
I skärpt drift är de reaktiva bidragen från generatorer viktiga och i synnerhet vid vissa större fel, dimensionerande s k N-1 fel, kan den reaktiva responsen från elektriskt närliggande stora generatorer, speciellt kärnkraftens, vara helt avgörande för att undvika total spänningskollaps.

Via kraftelektroniken ökar vindkraftens bidrag till spänningsregleringen, och med mer investeringar finns nog där en betydande potential.

***

I rubriken ovan väckte jag frågan om de elkrafttekniska riskerna med kärnkraften. Med detta avsåg jag lite underförstått dessa risker, om vi inte installerar fler kärnkraftsblock. Mot ovanstående bakgrund är svaret för mig givet.

Vi tar betydande rent elkrafttekniska risker, om vi inte i södra Sverige bygger mer planerbar kraftproduktion. Bristen efter de 8 generatorerna med totalt ca 4 000 MW i de nedlagda 6 kärnkraftsblocken är akut. Detta gäller såväl för aktiv och reaktiv effekt som rotationsenergi, där denna i elområde SE4 endast utgör ca 0.5 % av Nordels totala, vilket i vissa driftsituationer kan orsaka oönskade svängningar i nätet.

Rent elkraftsmässigt skulle motsvarande kapacitet kunna byggas med fossilgaseldade aggregat, speciellt på västkusten, men p g a vår klimatpolitik är detta inte realistiskt.

Därför är slutsatsen för mig given: 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 aggregat?

Och slutligen så frågan om ansvaret för vår elförsörjning och därmed för elkraftsystemets driftsäkerhet. Jag tycker att vår nuvarande regering tar ett sådant ansvar med sin aktuella kärnkraftspolitik. Den må i dagsläget vara ekonomiskt obekväm, men den är elkraftmässigt mycket välgrundad.

Men hursomhelst, en regering måste alltid ta sitt ansvar för landets elförsörjning. Detta ansvar får man inte, som ofta hittills, frånhända sig till elmarknaden.

15 Kommentarer

Av Klas Roudén

Civ.ing (E), tidigare Vattenfall och Svenska kraftnät

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

Lars Engdahl
4 september, 2024: 3:05 e m

Hej. Bra informativt inlägg . Jag vill dock lägga till att stora synkronmaskiner i kärnkraftverk inte är enda möjligheten för att leverera spänningsstabilitet och rotationsenergi. Hitachi Energy har lanserat Grid Ensure svit av lösningar där Statcom för spänningsreglering är en beprövad lösning sedan länge och där Statcom med superkondensatorer, en ny lösning, kan leverera syntetisk rotationsenergi.
Svara
Jonas Wahlfrid
22 augusti, 2024: 9:10 f m

Det går att lösa svängmassa med syntetisk rotationsenergi och faskompensering av stamnätet. Vad som inte är enkelt att lösa är energilagring. I Svk scenariot elektrifiering förnybart https://adelsfors.se/2024/03/24/analys-av-svk-lma2023-ef-och-ep-scenarier/
saknas det 28 TWh / 16,7 GW. Detta trots vattenkraft, pumpkraft och flexibla elanvändare. Bristen löses med 3,7 GW gasturbiner med fossila bränslen, samt 13 GW import. Norge kan kanske bidra med 1.2 GW vattenkraft. Men eftersom det vanligtvis är liknande väder i grannländerna. Så blir det import av kolkraft eftersom det är vad som finns att tillgå. 28 TWh kolkraft medför ca 680 döda av luftföroreningar, varje år år ut och åt in.
Batterier på TWh nivån är inte möjligt, varken ur ekonomisk, produktionskapacitet eller miljöhänsyn. El till vätgas och tillbaka igen har en vakansgrad på 30 %, vilket gör det dyrt. Sol och vindkraft behöver ett mycket större el-nät, vilket är dyrt och tidskrävande.
Svara
Lars-Göran Johansson
21 augusti, 2024: 5:56 f m

Bra genomgång av varför olika stödtjänster behövs. Och vilka metoder som används.
Men jag skulle gärna sett lite mer om ny teknik. Du nämner förvisso batterier, kraftelektronik och syntetisk rotatationsenergi. Men mest i förbigående. Här några konkreta exempel:

Tre applikationer från Siemens https://www.linkedin.com/pulse/synchronous-synthetic-inertia-strengthening-grid-alexandre-gomes-pmp-fd13f/.

”Inertia emulation” hos Enercons direktdrivna synkrona (!) generatorer, https://www.enercon.de/en/wind-turbines/features.

Produktion av reaktiv effekt från batterier (strömriktaren kan ju styra fasvinkeln) https://www.zenobe.com/case-studies/capenhurst.

Rotationsenergi från batterier. ”En studie från Irland har visat att 360 MW batterikapacitet, med en svarstid på neråt 0,1 sekund, kan ersätta den tillgängliga rotationsenergin hos synkrongeneratorer på 3000 MW (motsvarande de tre kärnkraftsreaktorerna vid Forsmark).” https://checkwatt.se/pdf/BatteriRapporten2024.pdf, sid 20.
Svara
- Klas Roudén@Lars-Göran Johansson
  21 augusti, 2024: 8:21 f m
  
  Bäste Lars-Göran!
  Tack för kommentaren.
  Som du säger, så är ju min artikel bara en grundläggande genomgång av de nödvändiga stödtjänsterna.
  Tilldelat utrymme för artikeln medgav inte att gå in på specifika (nya) tekniker, vilka jag därför bara antydde.
  Jag är nog ändå hyfsat informerad om sådant, där din länk till Siemens visar en bra översikt. ABB o Hitachi har liknande produkter.
  Och sedan flera år pågår hos Hydro Qebec storskaliga försök i en vindkraftpark med syntetisk svängmassa. Jag känner inte till utfallet av dessa.
  Principen är väl att ”låna” energi till nätet genom att bromsa aggregatet, men inom ett fåtal sekunder, så måste man ”återbetala” genom att accellerera upp.
  Detta innebär stora mekaniska påfrestningar för speciellt växellåda och rotorblad, kanske alltför stora? i äldre vindkraftverk?
  Batteritekniken, den snabba med FFR, nämnde jag ju, men bara för rotationsenergin,, men den är också på g för tidsmässigt lite längre insatser, där den i t ex vattenkraftstationer kan bidra till att dämpa snabba vattenståndsvariationer.
  Men att lagra stora energimängder, som i vattenmagasin, anser jag är fullständigt orealistiskt, även om jag vet att det finns jättebatterier i Australien för 300 MWh (?).
  Och det finns ju många miljöaspekter på batterier…och materialknapphet….
  Svara
- Einar Fjellman@Lars-Göran Johansson
  21 augusti, 2024: 11:00 f m
  
  Varför krångla till det med syntetisk rotationsenergi från enorma (och dyra) batterilager när den redan finns tillgänglig i existerande vattenkraft/kärnkraft? Med den logiken vore det väl lika bra att utnämna vind- och solkraft till den nya baskraften med en gång.
  Svara
  - Klas Roudén@Einar Fjellman
    21 augusti, 2024: 1:39 e m
    
    Tillgången på rotationsenergi kan ibland vara kritiskt låg, speciellt sommartid med bränslebyten för kärnkraften och/eller med mycket stoppad vattenkraft p g a negativa spotpriser med för mycket solkraft i speciellt Tyskland, vilket ytterligare kan förvärras vid mycket vindkraft.
    Avvecklingen av 8 stora o tunga kärnkraftsaggregat har minskat Nordels rotationsenergi med åtskilliga GWs.
    Se i övrigt länken https://www.fingrid.fi/en/electricity-market-information/InertiaofNordicpowersystem/
    Svara
Magnus Härröd
20 augusti, 2024: 4:26 e m

Det går alldeles utmärkt att bygga ett elsystem med sol, vind och batterier i stor skala.
Detta är redan demonstrerat i South Australia.
Se t ex https://www.youtube.com/watch?v=daZvZ4fEOp8
Svara
- Nils Lindholm@Magnus Härröd
  20 augusti, 2024: 9:44 e m
  
  Om du kollar så är dom självförsörjande på gas , sen har dom ännu inte fått sånt överskott på el utan dom kan exportera överskott till grannarna ända tills grannarna bygger mer förnybart och inte längre tar emot ens. billig el pga. egen överproduktion när det blåser och solen skiner , vilket Europa är i nu.
  SvK ska nu ’muta’ vindkraften att dra ner när det blåser för mycket och vindkraften ensam kan producerar all el i landet men inte med stabil spänning o frekvens där måste batterierna gå in och dom får också extraordinär betalt för sina stödtjänster , stödtjänsterna ökade från 1 till beräknat 8-miljarder 2024 .
  Svara
- André Nilsson@Magnus Härröd
  21 augusti, 2024: 10:25 e m
  
  Alltså som Danmark 200gCO2/kWh. Mao inget CO2-fritt system.
  Svara
fredrik bruno
20 augusti, 2024: 7:30 f m

Kritiken mot investeringskostnaden för ny kärnkraft som Regeringen lagt fram verkar mest grundad i att man inte vill ha kärnkraft och då får varje argument duga.
När de rödgröna lanserade satsningen på snabbtåg mellan Stockholm, göteborg och Malmö 2016 skulle det belöpa sig på 230 miljarder. Och detta för att ett antal ”direktörer” skulle förmås att ta tåget istället för flyget från Bromma för att spara koldioxidutsläpp. Och vad ligger de fossilfria norrlandssatsningarna på om man räknar in alla lånegarantier och bidrag från olika myndigheter och fonder i Sverige och Europa. Då finns det pengar.

Om vi om tio år skulle lyckas skaffa oss början till ett vad vi bedömer driftssäkert elproduktionssystem, som kan förväntas sen producera el under decennier (man pratar om 80 år), vad är det värt? Skall vi dra till med en tillräckligt hög kalkylränta, för att alla intäkter i framtiden skall räknas ned till nästan ingenting, medan dagens investeringskostnad räknas fullt ut? (Vattenkraften har samma problem).

Att det är svårt att få privata investerare till kärnkraften är fullt begripligt med den historia av tankeförbud och kärnkraftverksnedläggningar som har blivit summan av hittillsvarande svensk energipolitik. Storsatsningar på vindkraft, trots att man samtidigt försummat att se till att det finns motsvarande reglerkraft, vattenkraftens kapacitet därvidlag är ju inte oändlig. Satsningar i Norrland på fossilfritt stål m.m. utan att ha säkrat tillgången till leveranssäker el för att driva processerna.
Svara
- Bengt Hellman@fredrik bruno
  20 augusti, 2024: 10:55 f m
  
  Fredrik Bruno, satsningen på snabbtåg mellan Stockholm, Göteborg och Malmö skulle inte göras för att ett antal ”direktörer” skulle förmås att ta tåget istället för flyget från Bromma för att spara koldioxidutsläpp. Detta är ditt påhitt. Tågresandet ökar och får inte plats på befintliga spår om man ska kunna underhålla den också. När nya spår behöver byggas kan man passa på och anpassa dem för snabbare tåg. Tåg och personal utnyttjas på detta sätt bättre och hinner med fler omlopp. Passagerarna får kortare restider vilket ökar möjligheter till arbetspendling mellan olika städer. Kortare restider ökar tågresandet ytterligare och minskar utsläpp från flyg och biltrafik. Samma regering som satt stopp för snabbtågen vill lägga flera gånger kostnaden för snabbtåg på subventioner av ny kärnkraft. Detta trots att det inte behövs någon ny kärnkraft. Solel och batterier kostar bara en tiondel jämfört med för tio år sedan – och priserna fortsätter att falla. Företag som Bloomberg New Energy Finance tror att sol- och vindel kommer kosta 15-20 öre per kWh om 20 år. Att låsa upp sig för att producera el som kostar fem gånger så mycket är ett gigantiskt samhällsekonomiskt slöseri som riskerar att göra oss alla fattigare. Att det är så svårt att få privata investerare till kärnkraften är inget som är unikt för Sverige. De har lärt sig av erfarenheterna från reaktorbyggena i Flamanville, Olkiluoto, Hinkley Point C, Summer och Vogtle. Investerarna vet att kärnkraft är dåliga investeringar och blir sucessivt ännu sämre vartefter sol- och vindkraft och batterier blir ännu billigare.
  Svara
  - Magnus Gladh@Bengt Hellman
    20 augusti, 2024: 6:53 e m
    
    Usch, där är så många sak fel i din insändare så jag orkar inte ens bemötta alla.
    Jag fokuserar på den viktigaste och som är så uppenbart fel att det blir löjligt när du använder det.
    Du pratar om subventioner på flera gånger vad snabbtågen skulle kosta, snabbtågen skulle kosta 230 Miljarder, och flera gånger är alltså minst 460 Miljarder men mer troligt 3-4 gånger alltså 690 Miljarder till 920 miljarder.
    
    Det är faktiskt helt omöjligt att nå dessa siffror, dels så står staten för fördelaktiga lån på 300 miljarder och dessa skall betalas tillbaka så detta är ingen subvention utan lån. Sedan pratat man om cfd på 80 öre och enligt uträkningen skulle det bli 2 öre extra per producerad kWh, det ger en subvention på 3 MILJARDER om året i 40år, alltså max 120 MILJARDER…
    
    Det intressanta här är alltså dessa 3 miljarder om året, då skall man jämföra det med de ökade kostnader för att stabilisera nätet som 2020 var 1 Miljard om året och numera är 8 Miljarder (pga av ökad Intermittent kraft och minskad planerbar kraft) om året, det betyder alltså får vi tillbaka kärnkraften och tar bort Intermittent kraft så kommer vi SPARA 5 miljarder om året även med cfd på 80 öre.
    Svara
    - Nils Lindholm@Magnus Gladh
      20 augusti, 2024: 9:56 e m
      
      Magnus Gladh skriver:
      20 augusti, 2024 kl. 6:53 e m
      –
      Dessutom ang. prisbilden så får bolaget som IKEA ingår i 1,15kr per kWh i fast pris för den havsvind dom ska bygga på norskt nordsjöområde.
      Så 80 öre blir nog nått medelpris om 5-10 år pga. ökad havsvindkraft.
      Svara
    - Bengt Hellman@Magnus Gladh
      21 augusti, 2024: 4:06 e m
      
      Utredningen föreslår att regeringen bemyndigas av riksdagen att besluta om lån i Riksgäldskontoret som uppgår till högst 600 000 000 000 kronor i 2023 års prisnivå för investeringar i ny kärnkraft. Utredningen skriver ”Om projektets låneram ändå inte visar sig tillräcklig kan riksdagen bemyndiga regeringen att utöka den, men potentiellt till andra lånevillkor som inte regleras inom modellen.” Någon gräns för vad detta kommer att kosta finns inte. Snabbtågen skulle kosta 230 miljarder. Uppebart kan ny kärnkraft kosta flera gånger vad snabbtågen skulle kosta.
      Magnus Gladh skriver att lånen inte är en subvention utan lån. Verkligheten är att utredningen föreslår att ny kärnkraft ska kunna låna till räntan och inte betala någon ränta förrän reaktorerna är i permanent drift. Utredningen skriver ”Ränta och avgifter föreslås subventioneras”.
      
      Kostnaden för att garantera elpriset till 80 öre/kWh i 2023 års priser beror på framtida elpriser i Sverige. Kostnaden för vindkraft och sol har sjunkit dramatiskt. För varje dubbling av installationerna har priset realt sjunkit med 20 %. Detta har pågott i decennier och inget talar för att utvecklingen stannar. Om marknadspriset på el istället blir 40 öre dubblas kostnaden för subventionen till 240 miljarder.
      
      Merkostnaderna för ny kärnkraft är mycket stor. Systemtjänster kommer idag främst från vattenkraften. Batterier i elsystemet kommer starkt. De systemtjänster som ny kärnkraft ger kan åstadkommas till mycket lägre kostnad än att bygga ny kärnkraft.
      Svara
    - André Nilsson@Magnus Gladh
      21 augusti, 2024: 5:14 e m
      
      Göteborgsposten har spärrat sina kommenterar på deras ledarartiklar och Bengt måste tydligen skriva kommentarer om allt hela tiden så nu har han riktat sitt skrivande till Second Opinion. Han har genom åren varit lika okunnig om de andra ämnena som en politisk driven ledarsida tar upp som hans kommentarer om energi/järnväg i detta fallet.
      
      Och ja, du har otroligt rätt när det gäller HHT och alla hans fel här. Denna kommentar om HHT från mig hamnade fel i en tråd här om dagen.
      
      https://second-opinion.se/forslaget-riskerar-elektrifierings-och-klimatmal/#comment-199532
      Svara