Elnäten står inför stora utmaningar, men hur dessa kommer att gestalta sig vet vi inte än. Det enda säkra är att vi står inför en lång kunskapsresa, skriver Math Bollen, professor i elkraftteknik vid Luleå tekniska universitet.

Som professor i elkraftteknik skulle jag gärna se att elnätet var ett självändamål. Men så är det tyvärr inte. Elnätet finns bara för att kunna överföra energi från producenterna till konsumenterna, eller för att möjliggöra elmarknaden. Eftersom elnätet inte är ett självändamål, är frågan om det kommer att finnas kvar i framtiden. Just nu lever det under två typer av hot: för litet förtroende för elnätet och för mycket förtroende för elnätet.

Det förstnämnda hotet manifesterar sig i att kunder kopplar bort sig från elnätet och producerar elen själva. Man skulle kunna göra så med en dieselgenerator, men den moderna versionen handlar om solceller i kombination med batterier (för att klara natten) och oftast även vätgas (för att klara vintern).

Tekniskt är detta fortfarande en utmaning, om man vill nå samma tillförlitlighet som för kunder anslutna till elnätet. Än så länge finns bara ett fåtal sådana anläggningar i Sverige, och jag har svårt att tro att de kommer att bli en folkrörelse. Det kan ändå finnas tillfällen då ”ödrift” faktiskt är attraktiv. Ett sådant är just fysiska öar (land omgivet av vatten), då kabelförbindelser till fastlandet är dyra och svåra att reparera under vintern.

Det kan också handla om kunder eller små samhällen långt från elnätet. Ett exempel som diskuterats är radiobasstationer (mobilmaster) på avlägsna platser. I städer och även i de flesta mindre samhällen finns det emellertid ingen teknisk eller ekonomisk anledning för en kund att koppla bort sig från elnätet.

Hur är det med det andra hotet – att det finns för mycket förtroende för elnätets förmåga att klara kundernas behov? Kunderna är i allmänhet inte medvetna om att det finns ett elnät som måste klara något. Man tänker inte på elnätet när man slår på kaffemaskinen på morgonen.

Att beskriva gränserna för vad elnätet klarar är en utmaning, men låt mig göra ett försök, byggt på förenkling. Till att börja med behövs en uppdelning mellan höga spänningar (stam- och regionnät, transmissionsnät) och lägre spänningar (lokalnät, distributionsnät).

Problemen gällande höga spänningar är framför allt:

– Även den största vinterförbrukningen ska levereras med hög sannolikhet.

– Systemet ska klara stora, snabba och oförväntade ändringar gällande förbrukning och produktion och framför allt klara den globala och lokala balanseringen mellan produktion och förbrukning. Systemet ska även klara bortfall av en komponent, som en ledning eller en stor produktionsenhet.

– Systemet ska vara stabilt. Det låter enklare än det är. Att åstadkomma stabilitet i transmissionsnät är en mycket komplicerad sak, ett område där viktiga frågor fortfarande är outredda och sakkunskapen begränsad till en liten grupp experter.

Problemen gällande lägre spänningar är framför allt:

– Nätet måste klara högsta nettoförbrukning och högsta nettoproduktion.

– Tillförlitlighet: avbrott måste undvikas.

– Spänningskvalitet: övertoner, spänningsvariationer, obalans, med mera, ska hållas inom rimliga gränser. Frågorna kring spänningskvaliteten liknar dem som gäller stabiliteten: de är komplicerade och inte många har koll på alla detaljer.

En rad utvecklingslinjer i samhället är nu i färd med att förändra förbruknings- och produktionsmönstren, vilket får direkta konsekvenser för elnätet. Ett exempel är övergången från luftledningar till jordkablar. Förenklat sker detta:

– Elapparaterna och belysningen blir energieffektivare, vilket minskar den högsta vinterförbrukningen. Andra energieffektiviseringsåtgärder, som bättre isolation av fastigheter, leder i samma riktning. Samtidigt ökar energimängden genom installation av solkraft och vindkraft. I den andra vågskålen finns att sol- och vindenergi tillför bara begränsat med planerbar effekt, och att övergången från fossila bränslen till el (som eldrivna fordon, höghastighetståg och vätgas i stället för kol i stålindustrin) minskar energisäkerheten vid hög vinterbelastning.

– Med vind- och solkraften ökar prognosfelet och ger därmed större och mer svårförutsägbara variationer i produktionen. Nya typer av elförbrukning, som den för elbilar, kommer i inledningsskedet att vara svåra att förutse och riskerar därmed att förstora prognosfelet ytterligare. Stängning av stora kärnkraftblock minskar risken för stora produktionsbortfall, medan större HVDC-länkar till kontinenten ökar den.

– Driftlägen med stora mängder vind- och solkraft men betydligt mindre andel konventionell elproduktion ger utmaningar gällande systemstabiliteten. Vind- och solkraftsproduktion är mer utspridd över landet än framför allt kärnkraften, och solkraften ligger närmare förbrukningen. Båda dessa faktorer bidrar generellt till ett stabilare system. Stora vindkraftsanläggningar har en hel del reglersystem, men hur detta påverkar systemets stabilitet är fortfarande outrett. Bland annat subsynkron resonans har kommit upp på agendan igen.

– Överbelastning av distributionsnätet kan uppstå i lägen med hög solelsproduktion under perioder med låg förbrukning, eller vid storskalig laddning av elbilar när förbrukningen redan är hög.

– Lokalproduktion kan leda till felutlösning av skyddsanordningar, och lokalproduktion kan göra det svårare att hitta felen.

– Underspänningar och överspänningar kan uppstå som följd av stora mängder elbilsladdning respektive solkraftproduktion. Stora enfasanslutna apparater kan ge höga värden i fråga om spänningsobalans. Övertoner eller supratoner kan bli ovanligt höga. Kapacitans vid lågspänningsanslutna apparater kan leda till nya resonanser i övertonsområdet. Och så vidare.

Det pågår en hel del studier kring allt detta, bland annat i min grupp på Luleå tekniska universitet i Skellefteå. Det är osannolikt att vi skulle kunna avstå från elnätet i framtiden, men samhällsförändringarna innebär att det står inför nya frågeställningar. Hur dessa verkligen kommer att gestalta sig och hur stora utmaningarna kommer att bli vet vi i dag inte till alla delar. Det enda riktigt säkra är att vi nu är i början av en lång kunskapsresa.

För den som jobbar med elnät i verkligheten kommer arbetat att bli mer komplicerat, för oss forskare blir livet bara mer intressant!