Utmaningar för svensk elproduktion och eldistribution del 1

De förnybara energislagen utmanar de grundläggande operativa egenskaperna hos kraftsystemet.Foto: Walter Bichler
Nya kraftvärmeverket, Högbytorp i Upplands-Bro kommun utanför Sthlm. Foto: John Hardwick
Finska kärnkraftsreaktorn Olkiluoto 3 på hela 1 600 MW skall enligt den senaste tidsplanen inleda regelbunden elproduktion i mars 2021. Foto: TVO
Sjisjka vindkraftpark. Foto Jämtkraft

Grundförutsättningen för att kraftsystemet ska fungera är att balansen mellan tillförd och uttagen el ständigt kan upprätthållas. Om inte elmarknaden kan tillhandahålla resurser för att möjliggöra detta kan Svenska kraftnät (SVK) som sista åtgärd tvingas till manuell förbrukningsfrånkoppling, med stora kostnader för samhället som följd. Med den framtida utfasningen av ett antal kärnkraftverk kommer förutsättningarna för att hantera effektbalansen otvetydigt att försämras. del 1/2

Förskjutningen av elgenerering från synkrona generatorer till asynkrona generatorer innebär att de grundläggande operativa egenskaperna hos kraftsystemet verkligen utmanas. Vattenkraftverk och kärnkraftverk har synkrongeneratorer och bidrar automatiskt med tröghetsmoment när det blir effektbortfall i nätet. Solkraftverk har inga rörliga delar och kan därför inte bidra med svängmassa. De flesta vindkraftverk har en asynkrongenerator och en omriktare. Detta gör att de inte automatiskt bidrar med svängmassa. För att bland annat upprätthålla säkerheten i elsystemets parametrar, såsom systemets tröghet, leveranskvalitet, leveranssäkerhet, felnivåer, momentan last, genereringsbalans, momentan reaktiv effektbalans samt frekvens- och systemspänningsstabilitet, och undvika stora störningar i strömförsörjningen krävs styrning/ reglering inom snäva intervall. Synkrona generatorer har tröghet tack vare sin stora roterande massa. Ett viktigt bidrag från tröghet är att den omedelbara effekten av störningar i kraftsystemet minskas då en generators spinnmassa motstår förändring av nätfrekvensen under störningen. Då övergången till mer icke-synkron och intermittent elgenerering oförminskat fortskrider och den fysiska trögheten i kraftsystemet minskar utmanas verkligen effektiviteten hos de befintliga kontrollmekanismerna efterhand som den intermittenta elproduktionen ökar.

En annan högt prioriterad utmaning i samband med förflyttningen från synkrona generatorer till ickesynkrona generatorer är minskningen av elsystemets styrka. Elsystemets styrka är en egenskap hos ett elkraftsystem som definieras av hur lokaliserade delar av systemet reagerar i händelse av fel (ett onormalt flöde av elektrisk ström såsom en kortslutning). Synkrona generatorer levererar större felströmmar än icke-synkrona generatorer och bidrar därför mer till systemets styrka genom att hjälpa skyddssystem att detektera felet snabbt. För närvarande innehåller reglerna inte några krav beträffande elsystemets styrka, vare sig på lokal nivå eller på systemnivå.

Med kärnkraftens utfasning, en enorm kapitalförstöring, följer även ökade svårigheter att upprätthålla en tillräcklig tillgång på eleffekt när väderförhållandena är ogynnsamma. Enligt SVK:s bedömning försvagas effektbalansen med ca 1 700 MW till 2020. En total avveckling av kärnkraften och en utbyggnad av vindkraften till 50 TWh skulle, cæteris paribus, försvaga effektbalansen med 7 000 MW. En ökande andel icke-planerbar elproduktion medför att elkraftsystemets egenskaper förändras, vilket kommer att skapa stora utmaningar vid driften av elkraftsystemet och för upprätthållandet av dess driftsäkerhet. Systemet blir svårare att balansera och spänningsregleringen försvåras. Mängden mekanisk svängmassa minskar, vilket gör systemet mycket mer känsligt för störningar. Låg kortslutningseffekt kan bland annat orsaka ferroresonans, spänningsvariationer, och kopplingstransienter. Icke-synkron solkraft samt vindkraft som inte använder synkront kopplade maskiner bidrar inte med mekanisk svängmassa och stabilitet vid störningar. Det blir även mycket svårt att upprätthålla den reaktiva effektbalansen i berörda elnät inom elområde SE3 och SE4 då det råder ett starkt samband mellan kärnkraftverkens förmåga att leverera reaktiv effekt och överföringskapaciteten i stamnätet, med stora begränsningar (flaskhalsar) mellan varje svenskt elområde.

Reaktiv effekt (MVAr) ska produceras lokalt där den behövs för att reglera spänningen och ska i praktiken inte överföras via ledningar eller transformatorer, eftersom den tar utrymme från den aktiva effekten (MW) och ökar förlusterna.

Vill påtala nödvändigheten av att markant höja kostnaden och straffavgiften för reaktiv effektuttag för att därigenom styra över till ökad användning av synkronmaskiner framför större asynkronmaskiner t.ex. i vindkraftverk. Detta skulle i våra elnät bl.a. minska oönskade överföringsförluster vilket nu minskar överföringskapaciteten av aktiv effekt och öka kortslutningseffekten, och därigenom få, starkare elnät. Men kan nu konstatera att nödvändig styrning, tyvärr saknats och fortfarande saknas för detta.

Vattenkraften fungerar idag som både baskraft och reglerresurs. Balansregleringen inom Sverige utförs idag nästan uteslutande med den flexibla reglerbara vattenkraften. Detta gäller för samtliga tidsperspektiv – från den momentana frekvensregleringen till den långsiktiga säsongsregleringen. Denna nyttighet tar i anspråk större delen av vattenkraftens totala reglerförmåga, som därmed inte är tillgänglig för annan reglering.

SKV uppger att större delen eller all kärnkraft förväntas vara tagen ur drift till år 2050. Det innebär att en installerad effekt, från idag, om 9 385 MW försvinner. Men det finns förväntningar om att produktionen skulle kunna nå en storleksordning av ca 50 TWh, vilket i sådana fall skulle innebära en ökning med nästan 40 TWh jämfört med dagens nivå 2015.

Vindkraften är mycket volatil vilket innebär att den effekt som levereras under timmen med den högsta förbrukningen varierar kraftigt. Det yttersta syftet med SKV:s kraftbalansrapporter till regeringen är att värdera hur vi ska klara de kallaste dagarna och det har därför inte bedömts rimligt att använda ett medelvärde för vindkraftens produktion under en hel säsong. Historiskt har SVK antagit att sex procent av den installerade effekten finns tillgänglig under 90 procent av tiden. Det tillgänglighetstalet är grundat i en utredning som en gång gjordes av plankommittén inom det dåvarande NORDEL-samarbetet. I den kraftbalansrapport som SKV lämnade till regeringen i juni 2015 antogs att 11 procent av den installerade effekten finns tillgänglig. Detta nya tillgänglighetstal är medianvärdet för vindkraftens producerade effekt under 90 procent av tiden de fem senaste vintersäsongerna. Sammantaget leder detta, tillsammans med det nya antagandet om elva procents tillgänglighet i vindkraften, till att den prognostiserade effektbalansen försvagas med 1 700 MW till 2020 och med 7 000 MW till 2050. Det som som inte alls har beaktats i några prognoser är vilken effekt- / leveranssäkerhetsvärde, av vindkraftens installerade effekt som kommer att finnas tillgänglig från vindkraftverk under vintersäsonger, om jorden kyls ner flera år under en kommande ”liten istid”.