Linköpings universitet | Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling Examensarbete, 30 hp | Energi- och miljöteknik Civilingenjörsprogrammet, Energi Miljö Management Vårtermin 2021 | LIU-IEI-TEK-A--21/03991—SE
Effekten av en ökad andel
solceller på Linköpings
lokalnät
– En konsekvensanalys av Linköpings solelsmål
genom identifiering av kritiska områden med
hänsyn till svaga nät och troliga adopters
The effect of increased photovoltaic penetration in
the distribution grid in Linköping
– Including identification of critical areas
regarding weak grid and probable adopters
Astrid Edvardsson Nils Lundkvist
Handledare: Stefan Blomqvist Examinator: Maria Andersson
Linköping University SE-581 83 Linköping, Sweden +46 013 28 10 00, www.liu.se
Förord och författarnas tack
Denna rapport är ett examensarbete på 30 högskolepoäng skrivet av Astrid Edvardsson och Nils Lundkvist. Studien genomfördes under vårterminen år 2021 inom utbildningen för civilingenjör inom Energi, Miljö, Management på Linköpings universitet med profilinriktningen Systemverktyg för hållbar utveckling. Arbetet är skrivet mot institutionen för ekonomisk och industriell utveckling på Linköpings universitet och har genomförts på uppdrag av avdelningen för energisystem samt avdelningen för elnät på Tekniska verken i Linköping AB.
Författarna vill härmed rikta ett stort tack till alla som bidragit, både med information, fakta och glädje, det sistnämnda extra viktigt i den rådande situationen med Covid-19. Tack till elnätsavdelningen på Tekniska verken i Linköping AB; Roger Abrahamsson för värdefull information och diskussion, Matilda Skeppsby för utlåning av dator, tid och trevligt lunchsällskap, Mikael Bitowt för mycket oplanerad tid och för många (jättemånga) besvarade frågor och hjälp vid simuleringar. Tack till avdelningen för energisystem på Tekniska verken i Linköping AB; Anders Moritz för viktiga diskussioner och hjälp vid utformning av arbetet, Emelie Algebrant och Johan Lenner för utomordentligt handledande med kontinuerliga möten och stort intresse för arbetet. Ett speciellt stort tack riktas till Emelie och Johan för att de genom hela processen kommit med ovärderliga diskussioner och tankar som hjälpt att ro detta arbete i hamn.
Tack till våra opponenter Amanda och Mikaela för gedigen lusläsning och alldeles för genomtänkta och bra kommentarer för några som har ett eget examensarbete att skriva. Tack till examinator Maria Andersson för en enkel process och ett speciellt stort tack till handledare Stefan Blomqvist för roliga samtal, energi och inspiration när det varit trögt och självklart viktiga kommentarer.
Sammanfattning
Antalet installerade solcellsanläggningar i Sverige har ökat exponentiellt de senaste åren och i Linköping har kommunen antagit ett solelprogram som innebär att lokalproducerad solkraft ska stå för fem respektive 20 procent av kommunens totala elanvändning år 2025 och 2040. Linköpings solelprogram förväntas leda till ökade installationer av solcellsanläggningar både i form av solkraftsparker och decentraliserade solpaneler som installeras på byggnader. Denna studie fokuserar på utmaningarna som följer av decentraliserad solelsproduktion.
Syftet med studien är att undersöka vilka fastighetsägare som har drivkrafter, hinder och egenskaper som kan användas för att identifiera geografiska områden där installationen av solpaneler på byggnader förväntas bli hög i framtiden. Genom att kombinera dessa parametrar med identifiering av svaga elnät utvecklas metoden områdessegmentering, för att identifiera områden i elnätet med potentiellt stora utmaningar kopplade till ökad andel solceller. Vidare användes områdessegmentering för att ta fram ett fallstudieområde i Tekniska verken i Linköping AB:s lågspänningsnät. Fallstudieområdet användes sedan för att jämföra tre nätåtgärder: nätförstärkning, energilagring och curtailment. Åtgärderna kan hantera de utmaningar som uppstår på grund av solelens intermittenta och dyngsvarierande karaktär och analyserades utifrån nyttjandegrad av energi och ekonomisk lönsamhet.
Resultatet visade att småhusägare är den enda typ av fastighetsägare vars parametrar kan identifieras för att tillämpas i områdessegmentering. De viktigaste parametrarna är relaterade till goda ekonomiska förutsättningar eftersom de ekonomiska hindren visats vara viktiga att överkomma. Dessutom är även parametrar kopplade till fysiska förutsättningar, samt antalet grannar som installerat solpaneler, viktiga faktorer för småhusägare i beslutsprocessen att själva installera. Gällande åtgärderna har nätförstärkning högst nyttjandegrad av energi, medan curtailment har lägst nyttjandegrad men också den lägsta årliga kostnaden. Batterilager måste överdimensioneras effektmässigt för att närma sig samma nyttjandegrad som nätförstärkning och är i dagsläget inte ett ekonomiskt försvarbart alternativ. Däremot förväntas batteripriserna fortsatt sjunka och lönsamheten ökar troligtvis om batterilagring kombineras med andra elnätstjänster. Slutsatsen är att i nuläget antas nätförstärkning fortfarande vara den bästa åtgärden som Tekniska verken i Linköping AB kan vidta men alternativa lösningar blir mer och mer konkurrenskraftiga. Ytterligare utvärderingar av batterilagring eller annan typ av energilagring i kombination med curtailment rekommenderas därför eftersom det sannolikt kommer bli lönsamt inom en överskådlig framtid.
Abstract
The number of installed photovoltaic systems in Sweden has increased exponentially in recent years and in Linköping the municipality has adopted a solar program, Solelprogrammet, which means that locally produced solar power will account for five and 20 percent of the municipality's total electricity use in 2025 and 2040. Linköping's solar program is expected to lead to increased installations of photovoltaic systems in the form of both large solar power plants and decentralized solar panels installed on buildings. This study focuses on the challenges posed by decentralized solar power production.
The purpose of the study is to investigate which property owners that have driving forces, barriers and characteristics that can be used to identify geographical areas where the potential for large installations of solar panels on buildings is high. By combining these three types of parameters with the identification of weak electricity grids, a method was developed to identify areas in the electricity network with potentially major challenges linked to an increased proportion of solar cells. Furthermore, this method was used to identify a case study area in Tekniska verken in Linköping AB's low voltage grid. The case study area was then used to compare three grid solutions: network reinforcement, energy storage and curtailment. The measures can handle the challenges that arise due to the sun's intermittent and diurnal nature and were analyzed based on the degree of utilization of energy and economic profitability. The results showed that single-family homeowners are the only type of property owner whose parameters can be identified for application in the developed method. The most important parameters are related to good economic conditions as the economic barriers have been shown to be important to overcome. In addition, parameters linked to physical conditions, as well as the number of neighbors who have installed solar panels, are important factors for homeowners in the decision-making process to install themselves. Regarding the solutions, grid reinforcement has the highest degree of utilization of energy, while curtailment has the lowest degree of utilization but also the lowest annual cost. Battery storage must be oversized in terms of power to approach the same utilization rate as grid reinforcement and is currently not an economically feasible alternative. On the other hand, battery prices are expected to continuously fall, and the profitability is likely to increase if battery storage is combined with other grid services. The conclusion is that at present, network reinforcement is still assumed to be the best measure that Tekniska verken i Linköping AB can take, but alternative solutions are becoming more and more competitive. Further evaluations of battery storage or other types of energy storage in combination with curtailment are therefore recommended as it is likely to be profitable in the foreseeable future.
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Syfte och frågeställningar ... 2
1.2 Avgränsningar ... 2 2 Bakgrund ... 4 2.1 Solceller ... 4 2.2 Solel i Sverige ... 5 2.3 Solelprogrammet i Linköping ... 6 2.4 El och elkvalitet ... 7 2.5 Elnät ... 8 2.6 Solel i elnätet ... 9 3 Metod ... 10 3.1 Systematisk litteraturstudie ... 11 3.2 Fallstudie ... 13 4 Teori ... 19
4.1 Beteende- och adoptionsteorier ... 19
4.2 Utmaningar i elnätet ... 22
4.3 Åtgärder ... 26
5 Hinder, drivkrafter och egenskaper för hög PV-adoption ... 29
5.1 Lägenheter och näringsfastigheter ... 29
5.2 Hinder och drivkrafter ... 32
5.3 Demografiska attribut för identifiering av PV-adopters ... 34
5.4 Förändring av hinder och drivkrafter över tid ... 35
5.5 Analys av litteratur ... 36
6 Fallstudie ... 39
6.1 Val av fallstudieområde ... 39
6.2 Indata ... 41
6.3 Förutsättningar vid scenario I ... 48
6.4 Förutsättningar vid scenario II ... 51
7 Resultat ... 53
7.1 Tillämpbarhet av områdessegmentering och attribut för småhusägare ... 53
7.2 Åtgärdernas nyttjandegrad och ekonomiska lönsamhet ... 54
8 Analys ... 58
8.1 Områdessegmentering som metod ... 58
8.2 Analys av åtgärder, nyttjandegrad och ekonomisk lönsamhet ... 59
8.3 Känslighetsanalys ... 60
9 Diskussion och slutsats ... 65
9.1 Solel i framtidens lågspänningsnät ... 65
9.2 Ekonomi och framtida styrmedel ... 67
9.3 Metodkritik ... 68
9.4 Slutsats ... 70
9.5 Vidare forskning ... 71
Litteraturförteckning ... 72
Appendix 1 – Lägenheter och näringsfastigheter ... 85
Begrepp och förkortningar
I den första listan nedan presenteras de begrepp som används vidare i rapporten tillsammans med tillhörande förklaring. I nästa lista finns de förkortningar som används med förklaring.
Begrepp
Förklaring
Adoption
Implementering av ett nytt beteende eller en ny teknik hos
en individ.
Aktiv effekt
Den effekt som förbrukas i en last.
Curtailment
Curtailment innebär att reducera inmatningen av effekt,
trots att mer hade kunnat produceras, och görs antingen
för att balansera tillgång och efterfrågan eller på grund av
begränsningar i elnätet.
Nätförstärkning
Förstärkning av elnätets kapacitet genom att byta ut eller
tillföra nya komponenter (e.g. kablar, transformatorer).
Områdessegmentering Metod som utvecklats i denna studie för att identifiera
geografiska områden med hushåll som är troliga att
installera solpaneler.
Reaktiv effekt
Uppstår när ström- och spänningskurvorna är
fasförskjutna, den reaktiva effekten förbrukas inte i en last.
Skenbar effekt
Den verkliga effekten, summan av aktiv och reaktiv effekt.
PV-system
Elproduktionsanläggningar som konverterar solenergi till
växelström, i.e. solpaneler med tillhörande teknisk
utrustning.
PV-penetration
Andel solelsproduktion jämfört med övrig elanvändning
inom ett givet område.
Förkortning och
enheter
Förklaring
PV
Photovoltaics, solceller
TvAB
Tekniska verken i Linköping AB
Hz
Hertz, mått på frekvens
Wh
Wattimme, mått på energi
W
Watt, mått på effekt
DOI
Diffusion of innovations, adoptionsteori
TPB
Therory of planned behavior, adoptionsteori
1 Introduktion
Den globala uppvärmningen är en av dagens största utmaningar och allt större satsningar i form av investeringar, nya tillväxtstrategier och klimatavtal görs för att reducera de antropogena växthusgasutsläppen (European Commission, 2021; Naturvårdsverket, 2021). År 2018 stod el- och värmeproduktion för drygt 40 procent av de globala växthusgasutsläppen och är därmed en klart bidragande faktor till jordens ökade medeltemperatur (IEA, 2021). Till följd av detta har världens ledare, genom både internationella överenskommelser och nationella åtaganden, börjat agera för att nå en energiomställning från konventionella fossila energikällor till förnybara energikällor så som sol- och vindkraft (e.g. UNDP, 2021). EU har satt ett mål att till år 2030 uppnå 32 procent förnybar energi i energisystemet (European Commission, 2020). I linje med EU:s mål har Sverige satt upp nationella mål som bland annat innebär att Sverige ska ha 100 procent förnybar elproduktion år 2040, dessutom ska landet vara koldioxidneutralt med nettonollutsläpp år 2045 (Energimyndigheten, 2020b).
Med bakgrund i Agenda 2030 och de globala hållbarhetsmålen har Linköpings kommun valt att ta fram mål som höjer ambitionsnivån ytterligare; kommunen ska sett till dess geografiska yta vara koldioxidneutralt år 2025 (Linköpings kommun, 2018a). Som en del i Linköpings arbete för att bli koldioxidneutralt har kommunen även antagit ett program, Solelprogrammet, som innebär att lokalproducerad solkraft ska stå för fem respektive 20 procent av kommunens totala elanvändning år 2025 och 2040 (Linköpings kommun, 2020a). Vidare kommer dessa två mål som innefattas av solelprogrammet refereras till som ”solelsmålet”. Målen ska uppnås genom att fastighetsägare, näringslivsaktörer och Linköpings kommun tillsammans bidrar (Linköpings kommun, 2020a). År 2019 uppgick den installerade kapaciteten solelsproduktion till 698 MW i Sverige vilket innebar en ökning av installerad kapacitet med 70 procent jämfört med 2018, dessutom syns en exponentiell tillväxtkurva sedan 2016 (Energimyndigheten, 2020a). Linköping har länge legat i framkant sett till installerad soleffekt relativt resten av Sverige (Linköpings kommun, 2020a) och har även det mest ambitiösa målet bland de städer med störst installerad effekt (Energimyndigheten, 2020a; SVT, 2020).
Solel produceras främst antingen med centraliserad elproduktion i solparker eller med decentraliserad produktion i mindre solelsanläggningar. De mindre anläggningarna är ofta monterade på byggnader och vid hög andel decentraliserad elproduktion i nätet har det konstaterats medföra försämrad elkvalitet eftersom nätet inte är dimensionerat för detta (e.g. Gandhi et al., 2020; Karimi et al., 2016; Wu et al., 2009). De problem som kan uppstå finns presenterade utförligt i 4.2 Utmaningar i elnätet, förenklat kan problemen antingen härledas till den tekniska utrustningen eller till karaktären av solel i sig. Det senare orsakar en ofrivillig ökning av både spänning och ström och eftersom denna typ av problem inte förväntas kunna lösas med bättre teknik i framtiden är det dessa som beaktas i denna studie. För att bibehålla elkvaliteten behöver elnätsägarna förstärka nätet med både nya kablar och ny nätteknisk utrustning, något som leder till ökade nätavgifter för kunderna (Energimyndigheten, 2016). Tekniska verken i Linköping AB (TvAB), Linköpings kommuns största elnätsägare, står därför inför utmaningar kopplade till Linköpings solelprogram och det är dessa utmaningar som denna studie avser adressera. Det nuvarande angreppssättet för att hantera ökning i spänning och ström är att förstärka nätet vid den tid och plats som problemen uppstår och i denna studie kommer detta angreppssätt sättas i relation till andra åtgärder och även kombineras med ett mer proaktivt förhållningssätt. Exempel på åtgärder som visats effektiva alternativ till nätförstärkning sett till att de löser flera problem, framför allt de problem som beror på solelens
karaktär och inte de som kan härledas till solcellstekniken, är batterilagring och curtailment.
Curtailment innebär att på olika sätt antingen helt koppla ifrån eller minska inmatning av
solel när produktionen skapar störningar i elkvaliteten och därmed medvetet inte utnyttja solpanelernas fulla kapacitet.
1.1 Syfte och frågeställningar
Denna studie syftar till att undersöka hur åtgärden nätförstärkning ställer sig gentemot
curtailment och batterilagring, beaktande nyttjandegrad av energi, ekonomisk lönsamhet samt
de problem som uppstår i elnätet av hög andel solelsproduktion. Dessutom ämnar studien implementera ett mer proaktivt förhållningssätt genom att undersöka möjligheten att identifiera riskområden genom att kombinera identifiering av svaga nät med att också identifiera områden med kundgrupper sannolika att installera solcellssystem. Frågeställningarna som följer lyder därför:
• För vilka typer av fastigheter kan geografiska områden med framtida hög andel solelsproduktion identifieras?
o Vilka hinder, drivkrafter och egenskaper är viktiga vid identifiering av dessa områden?
• Hur skiljer sig åtgärderna nätförstärkning, batterilagring och curtailment mot varandra sett till ekonomisk lönsamhet och nyttjandegrad av energi? Hur kan detta förändras i framtiden?
1.2 Avgränsningar
Studien fokuserar på att identifiera potentiella solpanelskunder på lågspänningsnätet och därefter genomföra en områdessegmentering genom att identifiera områden där utmaningar kan uppstå. Områdessegmentering är en metod som tagits fram i denna studie och beskrivs mer ingående i delavsnitt 3.2.1 Tillämpning av områdessegmentering. Arbetet avgränsas till att inte beakta de kunder och utmaningar som återfinns på mellan- och högspänningsnätet, därmed utesluts exempelvis solparker och påverkan på överliggande nät. Dessutom avgränsas arbetet till att endast beakta solpanelskunder i stads- och tätortsområden eftersom landsbygdens nät och befolkning inte nödvändigtvis har samma egenskaper som dess motsvarighet i städer. För att kunna genomföra identifieringen av attribut hos potentiella kunder studeras bara solpaneler som är monterade på tak och anslutna till elnätet, vilket medför att andelssolkraft, off grid-lösningar och portabla solceller inte heller inkluderas i studien.
De beräkningar som genomförts på fallstudieområdet har varit begränsade till att endast undersöka utmaningarna spänningsstigning och belastningsgrad av kablar eftersom detta är problem som uppstår på grund av solelens intermittenta och dygnsvarierande karaktär. De andra utmaningarna som identifierats i rapporten har endast diskuterats eftersom det inte varit möjligt att genomföra några kvantitativa analyser för andra utmaningar inom ramen för detta arbete. Modellerna som simuleringarna baseras på tar inte hänsyn till något framtida underhåll eller andra utbyten av kablar utan utgår från det nuvarande nätet och dess komponenter. Nätkundernas säkringsabonnemang exkluderas eftersom dessa inte är fysiska hinder utan endast begränsas av vilket avtal som tecknats mellan TvAB och kund.
Åtgärderna batterilagring och curtailment kommer endast dimensioneras utifrån momentana effektberäkningar, däremot förs en diskussion kring åtgärderna utifrån ett dynamiskt tidsperspektiv. Vid bedömningen och jämförelsen av åtgärderna tas ingen hänsyn till vare sig miljöpåverkan eller materialeffektivitet. I denna analys förs inte heller någon diskussion kring åtgärdernas tekniska möjlighet utan både batterilager och curtailment antas vara implementerbara i denna fallstudie. Andra åtgärder, så som andra typer av energilagring, kommer exkluderas i den här studien.
2 Bakgrund
I detta kapitel presenteras den bakgrund till arbetet som är relevant för att förstå arbetets syfte. Inledande kommer solcellstekniken förklaras tillsammans med de formella krav som finns gällande solel och de fördelar som finns. Därefter redogörs det för hur utvecklingen av solpanelsinstallationer ser ut i Sverige, Linköpings kommuns arbete för ökad andel solel och slutligen kort om hur Sveriges elnät är uppbyggt och fungerar.
2.1 Solceller
Följande information i de två kommande styckena är hämtad från boken Electricity from
sunlight – an introduction to photovoltaic skriven av Lynn (2010) om ingen annan källa anges.
Solceller, eller photovoltaic cells (PV), genererar el genom att energin i fotonerna från solen joniserar kristalliserade kiselatomer och därmed skapar fria elektroner och joner. Att båda är fria innebär att de inte är fast bundna utan kan flyttas runt. Jonerna och elektronerna har olika laddning och kommer alltid vilja kombineras. I den ena delen av kislet finns ett underskott av elektroner och i den andra ett överskott, vilket gör att elektronerna dras mot den positiva sidan och jonerna mot den negativa. Om dessa två sidor är sammankopplade i en krets kommer elektronerna, utifrån viljan att rekombineras och fältets motverkan mot detta, ta vägen genom kretsen och flöda med likström innan de kombineras (Kumar et al., 2020). För att omvandla likströmmen som solcellerna producerar till växelström används en växelriktare, dessa finns i många olika typer men primärfunktionen är densamma. Växelriktare använder en halvledar-strömbrytare för att byta flödets riktning och därmed skapa en sinusvåg, växelström, i uttagspunkten. Utöver att göra om strömmen till växelström kan ytterligare funktioner inkluderas i dessa, bland annat maximum power point tracking som ser till att PV-systemet arbetar på sin maximala arbetspunkt och genererar maximal effekt (Svensk elstandard, 2019). En solpanel består av flera solceller medan ett PV-system vidare syftar till att inkludera alla komponenter; växelriktare och kopplingen till elnätet.
2.1.1 Installation och krav
Alla installationer av nätanslutna solpaneler ska anmälas till nätägaren och utföras av en behörig installatör (Elsäkerhetsverket, 2015; Tekniska verken, 2021). För mindre produktionsanläggningar ska installationen utföras enligt Svensk Energis handbok Anslutning
av elproduktion till lågspänningsnätet (Energiföretagen, 2018). Enligt svensk lag är ”mindre
produktionsanläggningar” definierade som en anläggning med effekt under 43,5 kW eller huvudsäkring mindre än 63 A. TvAB rekommenderar att systemet ansluts på trefas och om anslutningen sker enfasigt får den installerade effekten inte vara större än 3 kW (Tekniska verken, 2021) Installatören måste också intyga att samtliga relevanta handböcker samt övriga normer och elstandarder följts1. Lokalnätsägarna är enligt svensk lag skyldiga att ansluta alla
PV-system som kan installeras på befintligt säkringsabonnemang, om installationen däremot kräver en ny säkring kan nätägaren pröva beslutet (Regeringskansliet, 1997). Det finns också flertalet lagar och standarder som måste efterföljas gällande elsäkerhet och PV-systemets komponenter (Elsäkerhetsverket, 2015; Energiföretagen, 2018).
2.1.2 Styrmedel och fördelar
Det har tidigare funnits ett nationellt investeringsstöd för solpaneler riktat till både privata och offentliga aktörer, detta kommer dock avvecklas under året 2021 (Energimyndigheten, 2021c). Fram till slutet av år 2021 kommer investeringsstödet finnas kvar för kommuner, företag och bostadsrättsföreningar, vilket innebär att de har möjlighet att få en ersättning motsvarande tio procent av investeringskostnaden. För privatpersoner ersattes detta investeringsstöd i januari 2021 med en skattereduktion för grön teknik. Denna fungerar likt ROT- och RUT-avdraget i och med att direkt avdrag görs på installationsfakturan. Branschföreningen Svensk Solenergi hade tidigare skrivit ett förslag på en sådan skattereduktion till regeringen och i samband med detta även rekommenderat att bidraget skulle vidare behållas för att underlätta installation för privatpersoner (Martinsson et al., 2019). Det nuvarande avdraget uppgår till maximalt 50 000 kr och avser 15 procent av kostnad för arbete och material för nätanslutna PV-system och bland annat också 50 procent av kostnad för arbete och material för lagringssystem av egenproducerad el (Skatteverket, 2021). Utöver detta finns även löpande fördelar efter installationen. Egenanvänd el är ofta mer lönsam än såld överskottsel eftersom den inte bara eliminerar kostnaden för den annars inköpta elen utan även elöverföringsavgift, moms och skatt (Energimyndigheten, 2021b). Överskottsel säljs till marknaden för ungefär spotpriset i stunden med en skattereduktion om 60 öre/kWh (Energimyndigheten, 2021b). En ersättning från nätägaren tillkommer för den så kallade nätnyttan, denna skiljer sig mellan olika nätägare och platser. Juridiska personer med anläggningar mindre än 255 kW behöver inte betala energiskatt och större anläggningar har en viss skattelättnad (Energimyndigheten, 2021b). Sveriges regering presenterade i september 2020 ett förslag om att höja detta tak för installerad effekt från 255 kW till 500 kW (Regeringskansliet, 2020). Dessutom behöver anläggningar som enligt ellagen definieras som ”mindre produktionsanläggningar” inte betala extra nätavgift för mätning av den producerade elen (Energiföretagen, 2018). Med några undantagsfall behövs inte heller bygglov för PV-system och i de fall som bygglov krävs har Linköpings kommun beslutat att detta ska vara avgiftsfritt (Linköpings kommun, 2020b).
Mindre solpaneler än tre kW är ofta inte lönsamt eftersom det blir förhållandevis högre fasta kostnader vid installation (Solcellskollen, 2020). Storlekar mellan fem och tio kW är vanligast och de faktorer som generellt avgör dimensioneringen av solpaneler är kundens säkringsabonnemang, lastkurva, kapital samt takyta (Solcellskollen, 2020).
2.2 Solel i Sverige
Den installerade kapaciteten solel har sett en snabb exponentiell ökning under de senaste åren och antalet installerade PV-system ökade nationellt med nästan 50 procent mellan år 2019 och 2020 (Energimyndigheten, 2021a). I Sverige stod solel för cirka 0,2 procent av landets totala elproduktion år 2018 medan Linköping ett år senare hade uppnått en andel solel på 1,2 procent (Linköpings kommun, 2020a). Under sommaren 2020 installerades dessutom en solpark i Linköping med 12 MW installerad effekt och därmed en av de största parkerna i Sverige (Tekniska verken, 2020). Trots den rådande pandemin, Covid-19, har installationstakten i Sverige inte avstannat, vilket VD:n för Svensk solenergi tror kan bero på att pandemin ökat hushållens vilja av att vara självförsörjande (Ellevio, 2020).
Energimyndigheten har presenterat ett förslag gällande strategi för ökad andel solel med konstaterandet att en rimlig andel solel i energisystemet skulle vara fem till tio procent år 2040, vilket grundas i en rimlighetsbedömning för att bidra till 100 procent förnybar energi på lång sikt (Energimyndigheten, 2016). På sin hemsida presenterar Energimyndigheten (2020a) också de fyra svenska städer med störst installerad solelskapacitet: Göteborg, Linköping, Uppsala och Stockholm, av vilka Linköping har de mest ambitiösa solelsmålen (SVT, 2020). Exempelvis har Uppsala ett mål som innebär att ungefär åtta procent av kommunens totala elbehov uppfylls med solel år 2040 (Uppsala kommunfullmäktige, 2015). Detta går mer i linje med det förslag som Energimyndigheten presenterade om fem till tio procent.
2.3 Solelprogrammet i Linköping
Enligt Rebecka Hovenberg2, det kommunalråd som var ansvarig för antagandet av
solelprogrammet, fanns två anledningar till att målet är riktat mot just solel. Dels att Linköping länge har varit i framkant gällande solelsproduktion i Sverige, dels att kommunen på grund av sin geografiska lokalisering i anslutning till försvaret inte har möjlighet att uppföra vindkraft. När solelprogrammet togs fram år 2018 hade Energimyndigheten dessutom presenterat sitt förslag gällande strategi för ökad andel solel. Här menar kommunalrådet att Linköpings kommunpolitiker ville överträffa Energimyndighetens förslag och valde därmed 20 procent. Att ha ett mål för enbart solel var enligt Hovenberg också ett ”rent och tydligt mål”. På nationell nivå i Sverige finns dock inget specifikt mål för just solel (Energimyndigheten, 2018).
Till solelprogrammet hör även en handlingsplan, Handlingsplan för solel, som enligt utvecklingsstrateg Magdalena Fallde på Linköpings kommun3 syftar till att konkretisera hur
kommunen och kommunkoncernens företag ska gå till väga för att uppnå solelprogrammets delmål till år 2025. Handlingsplanen togs fram av kommunens hållbarhetsenhet och riktar sig till kommunens egna avdelningar och företag eftersom de är aktörer som kommunen har rådighet över. Fallde förklarar dock att handlingsplanen också lämnar utrymme för kommunen att arbeta med informationsspridning och att kunna inspirera privata aktörer inom kommunen att bidra till målet. Som del i processen att ta fram handlingsplanen fördes kontinuerliga diskussioner med kommunkoncernens aktörer, varpå även handlingsplanen skickades på remiss innan förslaget antogs av kommunstyrelsen. Handlingsplanen antogs i oktober 2018 och kommer revideras om målet riskerar att inte uppnås. Gällande utmaningar som kan uppstå på elnätet ser varken Fallde eller energi- och klimatrådgivare Klasson4 på kommunen något större
hinder vad gäller att uppnå etappmålet till år 2025. Däremot uppskattar de att målet om 20 procent solel till år 2040 kommer bli en utmaning för elnätet. De förklarar också att målets andel utgår från elanvändningen år 2017 och inte kommer förändras även om elanvändningen troligtvis kommer öka kraftigt i samhället till år 2040. Vidare förklarar de att kommunen arbetar med framtagandet av en klimat- och energiplan som kan komma att inkludera handlingsplanerna för både målet för ett koldioxidneutralt Linköping och solelsmålet.
2 Rebecka Hovenberg, kommunalråd Linköping 2017 samt nuvarande gruppledare för miljöpartiet, intervju 5 februari 2021 via Microsoft Teams
3 Magdalena Fallde och Robert Klasson, utvecklingsstrateg respektive energi- och klimatrådgivare Linköpings kommun, intervju 5 februari 2021 via Microsoft Teams
2.4 El och elkvalitet
I elnätet transporteras elektricitet genom växelström på tre faser. Detta innebär att spänning och ström har en sinusformad kurva med en förskjutning på 120 mellan de tre faserna. Amplituden på kurvorna avser spänning respektive ström, se Figur 1. Frekvensen beskriver hur snabbt svängningarna sker och är i elsystemet ett mått på hur väl produktion och förbrukning är balanserade, i Sverige ska frekvensen vara 50 Hz men tillåts variera mellan 49,9 och 50,1 Hz (Byman, 2016). Amplituden för spänningskurvan ska också variera inom ett godkänt intervall och det önskade värdet på spänningen beror på nivå av nät. Den nominella spänningen i lågspänningsnätet med tre faser är exempelvis 400 V. Spänningsfluktuationer blir problematiskt när spänningen över- eller understiger den nominella spänningen i nätet. Normalt tolereras variationer på ± 8 procent (Energiföretagen, 2018) och det är också utanför denna gräns som problemen uppstår.
Figur 1. Illustration av trefasig ström- eller spänningskurva.
Elkvalitet är ett samlingsbegrepp för de störningar som kan påverka elleveransen i elnätet och om elleveransen inte når upp till de krav som ställs på elkvalitet kan elektriska apparater ta skada (Westlund, 2012). Växelströmmens spänningskurva påverkas av både amplitud- och frekvensförändringar vilket i sin tur påverkar kvaliteten på elenergin. Variationer i spänningens amplitud kan kategoriseras i fyra kategorier: spänningsdippar, spänningshöjningar, spänningssprång och spänningsflimmer (Unipower, 2020). Dippar, höjningar och språng varar i mer än en svängning medan spänningsflimmer är mer kortvariga förändringar i spänningen. Ytterligare en störning som påverkar elkvaliteten är övertoner, vilka innebär att det har uppstått spänning- och strömkurvor som har en annan frekvens än 50 Hz (Westlund, 2012). Även frekvensavvikelser är ett mått på elkvalitet som innebär att frekvensen ökar eller minskar när exempelvis kraftanläggningar kopplas bort (Westlund, 2012). Utöver dessa störningar kan elkvaliteten också påverkas av skillnader i spänning mellan de olika faserna (Unipower, 2020). Samtliga störningar har olika ursprung och kan bland annat påverkas av apparater och utrustning, blixtnedslag och kortslutning på nätet (Westlund, 2012). PV-systemens påverkan på elkvalitet beskrivs mer utförligt i avsnitt 4.2 Utmaningar i elnätet.
2.5 Elnät
I Sverige drivs elnäten som monopol och Energimarknadsinspektionen har i uppdrag att sköta all tillsyn gällande näten (Energimarknadsinspektionen, 2017). Sveriges elnät är uppdelat i tre olika delar: transmissionsnät, regionalnät och lokalnät (Svenska kraftnät, 2020).
Transmissionsnätet, även kallat stamnätet, ägs av den statliga myndigheten Svenska Kraftnät som ansvarar för att transportera el till samtliga region- och lokalnät. Utöver detta ansvarar Svenska Kraftnät också för elsystemets säkerhet och att bibehålla balansen mellan produktion och förbrukning (Svenska kraftnät, 2019). Transmissionsnätet är ett högspänningsnät med spänning mellan 400 kV och 220 kV och är byggt för att ha hög överföringskapacitet och kunna transportera el stora avstånd med små förluster. Regionnätet har en spänning mellan 40 kV och 130 kV och ägs av lokala elnätsbolag och har som huvudsyfte att transportera el mellan transmissionsnät och lokalnät (Energimarknadsbyrån, 2020a). I Sverige finns det tre stora nätägare som äger större delen av regionnäten, Vattenfall, E.ON och Ellevio (LEVA, 2020). Förutom anslutningen till lokalnät som vidare leder elen ut till hushåll kan även industrier vara anslutna till regionnäten (Rejlers, 2020). Även lokalnäten ägs av lokala elnätsbolag men här finns det många fler och mindre nätägare än i regionnäten. De är uppdelade i två olika typer av nät, mellan- och lågspänningsnät, där spänningen är mellan 20 kV och 10 kV respektive 400 V vilket också är den spänning som levereras ut till kunderna (Energimarknadsbyrån, 2020b). Det är till lokalnäten som den decentraliserade elproduktionen ofta är anslutna. (Energimarknadsbyrån, 2020b).
För att bibehålla balansen i det lokala nätet säger utvecklingsingenjör Abrahamsson och Bitowt på TvAB5 att de har ett abonnemang till överliggande nät som innebär att TvAB
köper in elenergi kontinuerligt. Med mer elproduktion inom lokalnätet kan abonnemanget dock komma att förändras. I Sverige är det lagstiftat att nätägare inte får sälja el utan försäljningen måste göras av elhandelsbolag (Regeringskansliet, 1997). TvAB är majoritetsägare i ett dotterbolag, Bixia, vilket är Sveriges femte största elhandelsbolag (Bixia, 2020).
2.5.1 Transformatorer
Transformatorer överför växelström mellan olika spänningsnivåer och består av tre huvud-komponenter: kärna, primärlindning och sekundärlindning (Walker, Halliday and Resnick, 2014). Lindningarna består av metalltrådar som är lindade runt kärnan och kvoten mellan antalet lindade varv på primär- och sekundärlindningen bestämmer hur spänningen förändras i transformatorn (Walker, Halliday and Resnick, 2014). Vanligtvis finns transformatorerna i transformatorstationer, denna typ av station har förutom en transformator även ställverk som kan dela strömmen och bryta den vid behov (ABB, 2021). Vid kraftverk finns transformationsstationer som ökar spänningen innan elenergin transporteras vidare på stamnätet. Därefter finns stationer för att sänka spänningen till region- och lokalnäten (ABB, 2021). I lokalnäten finns nätstationer som omvandlar elen från mellanspänning till lågspänning och vice versa (ABB, 2021). Under transformatorstationen på lokalnätet, alltså i anslutning till privatkunderna, delar nätet vanligen upp sig i så kallade fack. Varje transformatorstation har ett antal fack, vars funktion är att agera huvudkabel vidare ut till en specifik del av nätet.
5 Roger Abrahamsson och Mikael Bitowt, Utvecklingsingenjörer TvAB, samtal 18 februari 2021 via Microsoft Teams
2.6 Solel i elnätet
Centraliserad och decentraliserad elproduktion har olika påverkan på elkvaliteten varav den mest signifikanta skillnaden, enligt utvecklingsingenjör Abrahamsson på TvAB6, är att
centraliserad produktion ofta installeras där både nätet och anslutningen är dimensionerade för att klara av produktionens effekt. Många av utmaningarna blir därför mindre påtagliga från centraliserad produktion än från decentraliserad produktion, vilket är anledningen till att denna studie endast fokuserar på effekten av hög andel decentraliserad elproduktion. Påverkan av decentraliserad elproduktion beskrivs i detalj i avsnitt 4.2 Utmaningar i elnätet. Anläggningar större än 1 MW utgör idag en mindre andel av den totala installerade effekten medan fördelningen mellan anläggningar mindre än 20 kW och mellan 20 kW och 1 MW är ganska lika sett till installerad effekt (Energimyndigheten, 2020a). Det finns även alternativ solelsproduktion som andelssolkraft, ett relativt nytt koncept som innebär att flera privatpersoner delar på en större anläggning (Deutsch and Berényi, 2020). Detta är inte vanligt i dagsläget men kan mycket väl få en betydande roll i elsystemet närmare år 2040. Detta kommer dock inte hanteras i denna studie.
Utöver problemen och utmaningarna med solel i elnätet finns det såklart en mängd fördelar. Förutom den uppenbara fördelen att elen är förnybar finns det också andra fördelar som att solpaneler, till skillnad från traditionella energikällor, kan producera el där elbehovet finns. Genom att sätta upp solpaneler i tätbebyggda områden eller i nära anslutning till städer minskar sträckan som elen behöver transporteras, vilket bland annat medför att energiförluster minskar (Jamil and Anees, 2016). Dessutom kan solel minska belastningen på transmissionsnätens flaskhalsar och reducera överbelastning på distributionsnäten (Taylor et
al., 2015). Solelsproduktion bidrar inte heller till några ljudföroreningar vilket gör att
solpanelerna lämpar sig bra i stadsmiljö. Ytterligare fördelar med solelsproduktion är att installationstiden är kort och att egenproduktion minskar energikostnader samtidigt som investeringskostnaden förutspås fortsätta sjunka (Energimyndigheten, 2016).
6Roger Abrahamsson och Mikael Bitowt, Utvecklingsingenjörer TvAB, samtal 18 februari 2021 via Microsoft Teams
3 Metod
Detta arbete inleddes med en förstudie som inkluderade en övergripande litteratursökning och samtal med personer på TvAB samt tjänstepersoner och politiker på Linköpings kommun. I denna process genomfördes en granskning av dokument så som Solelprogrammet och
Handlingsplan för solel (Linköpings kommun, 2018b, 2020a). Vidare genomfördes en
systematisk litteraturstudie gällande vilken typ av kunder som är sannolika att installera PV-system. Metoden valdes för att kunna analysera och kritiskt granska befintlig forskning inom ämnesområdet (Bell and Waters, 2014). För att minimera risken för subjektiva sökningar och resultat antogs ett systematiskt förhållningssätt (Mengist, Soromessa and Legese, 2020). Resultatet från litteraturstudien analyserades med hjälp av teori för att kunna besvara den första frågeställningen. För att besvara den andra frågeställningen genomfördes en fallstudie eftersom denna metod är välanpassad för att undersöka ett avgränsat problem under begränsad tid och identifiera samband mellan olika processer i en specifik kontext (Bell and Waters, 2014). Syftet med fallstudieobjektet var att möjliggöra mer djupgående analys av Linköpings lokala elnät och jämföra nätutbyggnad med åtgärderna energilagring och curtailment.
I följande avsnitt kommer tillvägagångssättet för litteraturstudien och fallstudien presenteras. Genomgående har datainsamlingsprocessen varit iterativ eftersom data reviderats och ändrats när nya iakttagelser uppkommit under arbetets gång (Stevens et al., 2021). En visualisering av arbetets metod presenteras i Figur 2.
Figur 2. Flödesschema över arbetets metod.
Systematisk litteraturstudie
Resultat Analys och slutsats
Förstudie Samtal Övergripande litteratursökning Dokument- granskning Fallstudie Visualisering Datainsamling Beräkningar
3.1 Systematisk litteraturstudie
Enligt Mengist et al. (2020) ska en systematisk litteraturstudie vara replikerbar och transparent, den ska också samla in all relevant litteratur i området som undersöks, definierat av avgränsningar och omfattning. Den systematiska litteraturstudien har använts för att undersöka olika hinder och drivkrafter vid adoption av PV för olika kundgrupper. I denna beaktades olika byggnadssektorer och dess ägarskap specifikt vilket implicerade tre huvudsakliga sökningar: en för småhus (villor, rad-, kedje- och parhus) med privat ägandeskap (1), en för lägenheter med varierat ägandeskap (2) och en för näringsfastigheter (icke bosatta byggnader) med varierat ägandeskap (3). För samtliga sökningar användes databasen Scopus och resultaten inkluderar främst referentgranskade artiklar men i de fall dessa var otillräckliga breddades den litteratur som accepterades till att även inkludera grå litteratur och konferenshandlingar. I samtliga tre sökningar användes tre kategorier av sökord: solenergi, byggnadstyp samt hinder, drivkrafter och segmentering. Samtliga sökord inkluderades med kriteriet att minst ett ord från varje kategori skulle inkluderas i artiklarnas titel, nyckelord och i vissa fall abstract. Vad som var aktuellt för vilken sökning framgår vidare i detta avsnitt. I den första sökningen användes följande sökord tillsammans med kriteriet att studien ska vara publicerad år 2017 eller senare, se Tabell 1. Sökningen exkluderade ord relaterade till åtgärder och den typ av PV som inte omfattas i denna studie. Sökningen gav totalt 69 resultat, för vilka abstract och titel lästes och antalet skalades ned till 44 efter exkludering av de studier som inte fokuserade på drivkrafter och hinder för adoptering av PV.
Tabell 1. Sökord för första litteratursökningen gällande småhus med privat ägandeskap. * avser att alla möjliga böjningar av ordet inkluderades i sökningen.
Titel, nyckelord
Hinder, drivkrafter och segmentering adopt*, segmentation
Solenergi solar, PV
Byggnadstyp household*, residential
Ej i titel, abstract, nyckelord battery, energy storage, rural, off-grid
Den andra sökningen gjordes först liknande den första men med nya sökord för byggnadstyp. Snabbt noterades det att sökningen var otillräcklig varför den breddades till att även söka i
abstract samt inkludera fler sökord gällande hinder, drivkrafter och segmentering, se Tabell 2.
Den inkluderade studier publicerade år 2011 eller senare. Denna sökning resulterade i totalt 97 texter, för vilka abstract och titel lästes och antalet skalades ned till tolv efter exkludering av de som inte fokuserade på drivkrafter och hinder för adoptering av PV i lägenheter. Dessa tolv studier lästes grundligt och sex av dem bedömdes i slutändan ingå i inkluderingskriteriet.
Tabell 2. Sökord för andra litteratursökningen gällande lägenheter. * avser att alla möjliga böjningar av ordet inkluderades i sökningen.
Titel, abstract, nyckelord
Hinder, drivkrafter och segmentering
adopt*, segmentation, incentive, motivator, barrier, driver
Solenergi solar, PV
Byggnadstyp apartment*, tenant*, rental, landlord, condo, condominium, tenancy, cooperative housing, community housing
Den tredje sökningen behövde likt den andra breddas för att få resultat med skillnaden att sökningen fortfarande endast tillät studier publicerade år 2017 eller senare, se Tabell 3 nedan. Sökningen gav 52 resultat, för vilka abstract och titel lästes och antalet skalades ned till fem artiklar med samma kriterium för inkludering som tidigare. Dessa fem lästes grundligt och skalades ned till endast en studie av relevans. Den artikel som var kvar efter detta var dock högst relevant och har gjort precis den undersökning som vi eftersträvade med den tredje sökningen och är dessutom gjord mycket nyligen i en svensk kontext.
Tabell 3. Sökord för tredje litteratursökningen gällande näringsfastigheter. * avser att alla möjliga böjningar av ordet inkluderades i sökningen.
Titel, nyckelord
Solenergi solar, PV
Titel, abstract, nyckelord
Hinder, drivkrafter och segmentering
adopt*, segmentation, incentive, motivator, barrier, driver
Byggnadstyp non-residential, non-domestic, commercial building, retail sector, office*, institutional building
På grund av det sparsamma resultatet för den andra och tredje sökningen användes här även
snowball method, i.e. att i identifierade huvudartiklar undersöka referenser och andra artiklar
som citerat huvudartiklarna (Lecy and Beatty, 2012). För den andra sökningen resulterade detta i ytterligare en studie av relevans och för den tredje ytterligare fem. Resultatet från dessa två sökningar var dock fortfarande otillräckligt för att kunna appliceras på områdesidentifiering, se avsnitt 5.1 Lägenheter och näringsfastigheter, och det detaljerade resultatet återfinns därför i Appendix 1 – Lägenheter och näringsfastigheter.
3.1.1 Analysmetod för litteraturstudie
En induktiv analysmetod användes för litteraturstudien i syfte att utveckla en teori för vilka parametrar som är viktiga gällande hinder och drivkrafter för olika aktörer och byggnadstyper (Thorpe and Holt, 2008). Detta gjordes genom att analysera tidigare empiri med hjälp av teori gällande adoption av ny teknik. Genom att analysera litteraturstudien med dessa teorier identifierades vissa studier viktigare än andra. Slutsatserna från de olika studierna skiljde sig beroende på kontext och i analysen har en svensk kontext genomgående värderats högre än andra länder. Ett ytterligare attribut som värderats högt är huruvida studien undersöker skillnader över tid och inte endast bidrar med ögonblicksbilder av adoption eftersom detta möjliggör en bättre analys av studierna i relation till adoptionsteorierna, se kapitel 4 Teori. Studier av jämförande karaktär har också värderats högre än de som exempelvis endast undersökt hur ekonomiska eller sociala faktorer påverkar. Slutligen har entydiga resultat som är mer frekvent omnämnda i studierna värderats högre än de resultat som inte visat någon entydighet eller endast nämnts enstaka gånger.
3.2 Fallstudie
För att besvara både den första och andra frågeställningen genomfördes en fallstudie på en utvald del av det lokala lågspänningsnät som ägs av TvAB. Inledande valdes ett fallstudieområde där området som eftersöktes var avgränsat till att bestå av en transformatorstation med underliggande kablar, laster och befintliga PV-system. Vidare applicerades två scenarier med tillhörande delscenarier på detta område. Fallstudie som metod valdes för att exemplifiera ett komplext problem för att senare kunna dra bredare slutsatser (Yin, 2018).
3.2.1 Tillämpning av områdessegmentering
Processen att välja ett fallstudieområde initierades med att välja ut stadsdelar och tätorter inom Linköpings kommun som till hög grad uppfyllde de identifierade parametrarna för småhus utifrån litteraturstudien, egenskaper för svaga elnät, samt tekniska förutsättningar. Dessa parametrar presenteras nedan i Tabell 4. På detta sätt gjordes en identifiering av flera passande områden men vidare här kommer endast ett av dessa områden användas för simuleringar och beräkningar. Parametrarna i tabellen är uppdelade i tre kategorier: demografiska attribut för potentiella PV-adopters, fysiska och tekniska förutsättningar för adoption, samt förutsättningar för svagt dimensionerade elnät. Metoden som användes för att välja område är ett nytt förhållningssätt som åtminstone inte applicerats på denna kontext tidigare, vidare benämns metoden som områdessegmentering och beskrivs mer ingående i avsnitt 6.1 Val av
fallstudieområde. Valet av denna metod motiveras utifrån syftet att implementera ett mer
proaktivt förhållningssätt vid identifiering av kritiska områden på grund av ökad PV-penetration.
Tabell 4. Parametrar för val av fallstudieområde.
K undparametrar Förutsättningar för PV
-adoption
Förutsättningar för svaga nät
Ålder Solinstrålning Nätegenskaper
Utbildningsnivå Takyta
Barn i hushåll Taktillgänglighet
Inkomst Byggnadsålder
Andel PV-paneler i stadsdelen
3.2.2 Scenarier
Syftet med att simulera scenarier i detta arbete var att dels undersöka hur lågspänningsnätet påverkas i ett troligt scenario, dels att undersöka ett scenario när elnätet måste förstärkas på grund av att elkvaliteten understiger kvalitetsmåtten och att kablarna är överbelastade. Scenarier kan grupperas i olika typer beroende på vilken frågeställning som ska besvaras. Börjeson et al., (2006) grupperar dessa i tre kategorier: prediktiva, explorativa och normativa. För denna fallstudie användes två scenarier för att simulera framtida elnät, ett prediktivt och ett explorativt scenario. Det prediktiva scenariot, scenario I, utgick från scenariotypen ”what if?” presenterat av Börjeson et al. och syftade till att besvara vad som händer om utvalda troliga händelser inträffar i fallstudieområdet (i detta fall att solelsmålet uppfylls). Ett ”what if?” scenario tar hänsyn till både externa och interna faktorer och ämnar inte att ge någon
prognos för framtiden utan en bild av ett möjligt scenario utifrån specifika faktorer (Börjeson
et al., 2006). Scenariot konstruerades genom att granska solelprogrammet. I det andra
explorativa scenariot, scenario II, var syftet att utforska en framtid där en stor del av hushållen i fallstudieområdet installerat PV-system. Detta togs fram genom att öka antalet installerade solpaneler från scenario I till dess att mängden solpaneler skapade problem i nätet. Vidare konstruerades delscenarier för båda scenarier utifrån antagandet att fler kunder kommer installera större PV-system i framtiden. För dessa delscenarier ökades PV-systemens storlek, i.e. installerad effekt, succesivt för att hitta det delscenario som utgjorde problem för det studerade nätet. I Tabell 5 presenteras de scenarier som simulerades för fallstudien.
Tabell 5. De scenarier som inkluderas i fallstudien. Uppdelat i scenario I och scenario II med tillhörande delscenarier för effektökning.
Scenario Delscenario Beskrivning
Nuläge Nuläge Det befintliga nätet så som det var konstruerat när fallstudien genomfördes
Scenario I
Delscenario I: Basscenario
Scenario där solelsmålet uppfylls inom fallstudieområdet, i.e. 20 % av totala elanvändningen kommer från solel
Delscenario I: 20% effektökning
Delscenario där effekten på alla solpaneler, med undantag för de befintliga i nuläget, ökar med 20 % jämfört med Scenario I: Basscenario
Delscenario I: 40% effektökning
Delscenario där effekten på alla solpaneler, med undantag för de befintliga i nuläget, ökar med 40 % jämfört med Scenario I: Basscenario
Delscenario I: 60% effektökning
Delscenario där effekten på alla solpaneler, med undantag för de befintliga i nuläget, ökar med 60 % jämfört med Scenario I: Basscenario
Delscenario I: 80% effektökning
Delscenario där effekten på alla solpaneler, med undantag för de befintliga i nuläget, ökar med 80 % jämfört med Scenario I: Basscenario
Scenario II
Delscenario II: Basscenario
Scenario där mängden installerade solpaneler skapar problem inom fallstudieområdet
Delscenario II: 10% effektökning
Delscenario där effekten på alla solpaneler, med undantag för de befintliga i nuläget, ökar med 10 % jämfört med Scenario II: Basscenario
Delscenario II: 20% effektökning
Delscenario där effekten på alla solpaneler, med undantag för de befintliga i nuläget, ökar med 20 % jämfört med Scenario II: Basscenario
De redan befintliga solpanelerna inom fallstudieområdet inkluderades i alla delscenarier och inkluderades även i de 20 procent producerad solel som krävs för att uppfylla solelsmålet. För att avgöra var vidare PV-system skulle placeras gjordes först en inventering av samtliga hus i området där både riktning på hustaket och tillgänglig takyta beskrevs. Husriktningen beskrevs antingen som ”nord/syd” eller ”öst/väst” och hus med låg taktillgänglighet markerades. Med hjälp av dessa två parametrar gjordes ett slumpmässigt, viktat urval av hus. Viktningen baserades på antagandet att hus i söderläge är mest troliga att installera solpaneler och användes därmed som referenspunkt. Vidare hade hus med öst/väst hälften så stor chans att
installera och hus med dålig taktillgänglighet en tiondels chans jämfört med referenspunkten. Antagandet gjordes baserat på att både Energimyndigheten och Linköpings kommun skriver att tak i söderläge har högre solinstrålning än andra väderstreck och därmed ger störst elproduktion (Linköpings kommun, 2017; Energimyndigheten, 2019). Solpanelernas effekt i basscenarierna beräknades utifrån energiföretaget Fortums webbaserade verktyg Solkalkylator (Fortum, 2021). Verktyget beräknar rekommenderad installerad effekt baserat på byggnadens uppskattade energianvändning, solinstrålning, väderstreck och taklutning.
3.2.3 Simulering
För att simulera den transformatorstation som valdes som fallstudieobjekt användes två programvaror, Trimble NIS och Simscape Electrical. Trimble NIS användes för att simulera samtliga scenarier som beskrivits och undersöka deras påverkan på belastningsgrad och spänningsstigning i nätet. Därefter användes Simscape Electrical för att modellera och simulera de tre typerna av åtgärder: nätförstärkning, batterilagring och curtailment. Modelleringen av åtgärderna baserades på de förutsättningar som erhållits från Trimble NIS. Resultaten från
Simscape Electrical la grund för den slutliga analysen och diskussionen. Trimble NIS
Programmet Trimble NIS användes för att simulera samtliga delscenarier och vidare undersöka vilka effekter detta har på lågspänningsnätet. Trimble NIS är ett nätverksinformationsssystem som är utformat för bland annat elnätsoperatörer och energibolag (Trimble Inc., 2021). TvAB använder detta verktyg för att genomföra elnätsberäkningar och undersöka belastningsgraden av komponenterna i nätet7. Programmet kombinerar ett geografiskt informationssystem med
en elnätnätsmodell för att kunna genomföra dessa beräkningar.
I detta arbete användes TvAB:s befintliga modell av det studerade elnätsområdet i Trimble
NIS. Tillagt i modellen som simulerades var solpaneler för respektive scenario. I detta arbete
användes resultat för maximal belastningsgrad och maximal procentuell spänningsökning i kablarna. Detta motiveras utifrån att undersöka hur ökad andel solel påverkar lågspänningsnätet och denna påverkan återfinns just på sommarhalvåret när produktionen är hög, medförande ökning i spänning och belastning. På vinterhalvåret är istället lasten hög, varför resultaten på de statiskt värsta värdena för exempelvis spänningssänkningar istället avser tider under vinterhalvåret. Vissa av de värden som returneras i resultatet kan dock fortfarande avse vinterhalvåret, något som kommer tydliggöras vid presentation av förutsättningar vid scenario I och II i kapitel 6 Fallstudie.
Lastkurvorna i modellen är baserade på BETTY-kurvor som tagits fram av Svenska
elverksföreningen (föregångare till Energiföretagen Sverige) och är typkurvor av
elanvändningen för olika typer av elnätskunder (Trimble solutions corporation, 1992). Typkurvorna avser en procentandel av typhusets verkliga årsenergianvändning och fördelar alltså ut denna energi under årets samtliga timmar. I denna process beaktar programmet även hur stor andel av lasten som är temperaturberoende och den geografiska platsen på nätet (Trimble solutions corporation, 1992). För varje last används 16 olika BETTY-kurvor beroende på årstid och veckodag, under sommarmånaderna finns fyra olika kurvor där de som används återfinns i Figur 3. BETTY-kurvor användes även för att modellera solelsproduktion
men här något förenklat och istället baserat på 100 procent av systemets toppeffekt under samtliga sommar-, vår- och hösttimmar. Eftersom programmet endast returnerar statiska resultat har inte detta någon större påverkan annat än att problemen infaller under timme 05:00 på sommaren enligt Figur 3.
Figur 3. BETTY-kurvor för småhus under sommaren. Lasten uttryckt som andelen av den totala årliga elförbrukningen.
Simscape Electrical
Vidare användes även Simscape Electrical som är ett utökat bibliotek till Simulink och vanligen används för flödesmodellering och optimering av elektriska system. Här byggdes det undersökta elnätet upp från grunden med samma indata som fanns tillgänglig i Trimble NIS samt de solpaneler för respektive scenario. En fullständig bild av modellen från Simscape
Electrical återfinns i Appendix 2 – Simscape Electrical modell. Beräkningsmetoden som
användes, load flow analysis, returnerade spänning i nätets samtliga komponenter vid ett momentant stabilt tillstånd baserat på indata. Eftersom Simscape Electrical endast användes i syfte att undersöka spänningsstigning kunde solpanelerna modelleras förenklat som trefasiga producerande enheter utan växelriktare.
Vid uppbyggnad av nätet gjordes fler förenklingar så som att kablarnas kapacitans sattes till noll eftersom data för kapacitans i lågspänningsnät är otillgänglig och den antas inte påverka märkbart, detta var även fallet i Trimble NIS. Solpanelerna modellerades med samma utmatning som i Trimble NIS men med samma förbrukning för samtliga laster istället för att variera med uppmätt total årsförbrukning. Två värden för årsförbrukning användes, 5 800 kWh och 3 800 kWh, vilka var baserade på statistik från Energimyndigheten (Energimyndigheten, 2017). För att se hur dessa förenklingar påverkade resultatet gjordes en jämförelse mellan programmen, återfunnen i delavsnitt 8.3.3 Simscape Electrical
och
Trimble NIS, med de två olika lasterna i Simscape Electrical. Resultatet var tillräckligt likt för att Simscape Electrical skulle fylla syftet att undersöka åtgärder på det scenario där problemuppstod och därefter valdes därför en konstant last uträknad med BETTY-kurvorna och årsförbrukning 3 000 kWh. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Las t [%] Klockslag
BETTY-kurvor
En analys av åtgärderna gjordes vidare genom att modellera curtailment tillika batterier som en ytterligare last och undersöka hur spänningen över nätets komponenter förändrades. Den momentana karaktären av simuleringen rättfärdigar en gemensam simulering av curtailment och batterilagring som en last men den vidare diskussionen kommer även beakta tidsaspekten och därmed göra skillnad på dessa. Simuleringen gjordes endast på den del av nätet där flera kablar visade på en spänningsstigning över tillåtna nivåer. Fyra scenarier gjordes med olika placering på de ytterligare lasterna där dimensionen valdes utefter en iterativ metod där lasternas förbrukning ökades med 0,5 kW till dess att problemen med spänningsstigning var lösta. Fortsättningsvis kommer dessa scenarier benämnas som ”Placering 1”, ”Placering 2”, ”Placering 3” och ”Placering 4”. Vidare genomfördes analys av åtgärden nätförstärkning genom att ändra parametrarna resistans och impedans för de kablar som potentiellt skulle förstärkas. Detta gjordes stegvis med start i de kablar som påverkade samtliga laster för att undersöka hur många kablar som behövde förstärkas för att lösa spänningsproblemet. Den resistans och impedans som användes för att modellera förstärkning av kablar är hämtad från produktdatabladet för den kabel som TvAB använder vid nätförstärkning (Draka, 2017). Denna kabel har en area på 240 mm2 och är den största dimensionen på kabel som TvAB
förstärker lågspänningsnätet med.
Newton Rapshons metod
För att beräkna parametrar som spänning och ström i elnätets olika delar behöver en lastflödesberäkning göras genom lösning av en olinjär lastflödesekvation, något som kräver en iterativ metod (Afolabi et al., 2015).
Både Trimble NIS och Simscape Electrical använder sig av Newton Rapshons metod. I elnätet finns tre typer av bussar (noder i ett elektriskt system): generatorer, laster och kablar, där samtliga dessa har fyra kvantitativa mätvärden: spänning, fasvinkel, aktiv effekt och reaktiv effekt. Två mätvärden behöver specificeras för varje buss för att metoden sedan ska kunna beräkna resterande två. Varje nätverk kräver en slack-buss som både kan generera och ta emot effekt och därmed balansera effekten i systemet för att möta efterfrågan. Slack-bussen låser alltså fasvinkel och spänning medan effekterna tillåts variera (Afolabi et al., 2015). I detta nätverk är det transformatorn som modelleras som slack-buss. Det kan sedan finnas generator-bussar, i detta fall PV-systemen, där spänningen och den aktiva effekten sätts konstanta medan reaktiv effekt och fasvinkel förändras för att lösa problemet. Last-bussarna, i detta fall husen, tar emot en bestämd effekt och låser därför både reaktiv och aktiv effekt medan fasvinkel och spänningen tillåts variera.
Denna problemuppställning resulterar i flera olinjära ekvationer som Newton Rapshons metod approximerar till linjära ekvationer med Taylorutveckling av första ordningen. De linjära ekvationerna kan sedan användas för att beräkna de okända parametrarna och undersöker också om lösningen konvergerar i.e. om de beräknade kända parametrarna stämmer med indata (Afolabi et al., 2015). Om inte, påbörjas en iterativ process till dess att felet i de kända parametrarna är nära noll (Bitowt and Johansson, 2013).
3.2.4 Nyttjandegradsberäkningar
Åtgärderna jämfördes ur ett nyttjandegradsperspektiv och här applicerades ett mer dynamiskt förhållningssätt än tidigare. Solproduktionskurvor för en medeldag i juli konstruerades med hänsyn till både diffus samt direkt solinstrålning och solvinkel. Solproduktionskurvorna användes i kombination med dimensioneringen för åtgärderna som erhölls från Simscape
Electrical för att beräkna nyttjandegrad. Det ingående genomförandet för denna process
återfinns i delavsnitt 6.2.5 Åtgärder.
3.2.5 Ekonomiska beräkningar
För att kunna jämföra de undersökta åtgärderna ur ett ekonomiskt perspektiv användes annuitetsmetoden eftersom denna metod möjliggör en jämförelse mellan investeringar med olika livslängd genom att räkna ut en årlig kostnad för respektive investering. Denna metod är en investeringskalkyl som används för att beräkna annuiteten, den årliga kostnaden, baserat på nettonuvärdet och annuitetsfaktorn. Annuitetsfaktorn, k, beräknas enligt ekvation [1] där
r är kalkylräntan och n är den ekonomiska livslängden (Oskarsson, Aronsson and Ekdahl,
2013). Annuiteten, A, beräknas därefter med [2] där nettonuvärdet, NNV, i detta fall enbart är investeringskostnaden eftersom framtida inbetalningar kopplade till investeringen försummas i dessa beräkningar.
𝑘 = 𝑟
1−(1+𝑟)−𝑛 [1]
𝐴 = 𝑁𝑁𝑉 ∗ 𝑘 [2]
3.2.6 Analysmetod för fallstudie
Resultatet från beräkningarna i Trimble NIS och Simscape Electrical analyserades tillsammans med den teoretiska litteraturbasen. I den teoretiska litteraturbasen inkluderades tidigare rapporter och studier som studerat åtgärderna nätförstärkning, batterilager och curtailment för att ge fler perspektiv till den analys som gjordes av åtgärderna. Ytterligare validitet för fallstudieberäkningarna som gjordes utan implementerade åtgärder erhölls eftersom samma beräkningar genomfördes i båda simuleringsprogrammen. Vidare genomfördes tre typer av känslighetsanalyser för att bedöma robustheten i modellen av fallstudien och därmed också de antaganden som gjorts kopplat till de två scenarierna. I den första analysen jämfördes resultaten från de två scenarierna med varandra och i båda simulerades även effektökningar som möjliggjorde en analys av hur den installerade effekten påverkade respektive fall. Vidare genomfördes jämförelser mellan fallstudieområdet och ett ytterligare område för att undersöka hur samma PV-penetration i ett nät med andra egenskaper påverkar resultatet. Denna analys gjordes genom att utföra samma beräkningar med samma metodik för utplacering, dimensionering och effektökning av solpanelerna som i scenario I men under en annan transformatorstation. Transformatorstationen var också ett av de områden som identifierats som troligt att ha en ökad PV-adoption framöver. En tredje analys genomfördes för att undersöka hur enskilda kablar som var direkt anslutna till transformatorstationen påverkades av de två scenarierna och de simulerade effektökningarna.
Åtgärderna analyserades genom separata analyser av lönsamhet och nyttjandegrad av energi samt en kombinerad analys för att kunna förhålla de ekonomiska faktorerna till nyttjandegraden. I de separata analyserna undersöktes antagandens påverkan på resultatet, dessutom diskuterades de faktorer som inte tagits i beaktning i beräkningarna. Exempelvis kommer både potentiella inkomstkällor och övriga kostnader kopplade till åtgärderna samt kalkylräntas betydelse för resultaten diskuteras i kapitel 9 Diskussion och slutsats.
4 Teori
För att besvara studiens frågeställningar har en del teoretisk information identifierats som relevant. Till att börja med presenteras här två olika beteende- eller adoptionsteorier, vilka senare kommer användas för att analysera och validera den metod för områdessegmentering som konstrueras genom arbetets gång. Vidare kommer en fördjupning av de utmaningar som solel kan medföra på elnätet, vad utmaningarna beror på och vilka åtgärder som har potential att lösa dem. Åtgärderna nätförstärkning, batterilagring och curtailment kommer också ingående förklaras senare i detta kapitel.
4.1 Beteende- och adoptionsteorier
Nedan följer en beskrivning av två vetenskapliga teorier som kan kopplas till adoption av PV-system, Diffusion of innovations (DOI) och Theory of planned behavior (TPB).
4.1.1 Diffusion of innovations
Diffusion of innovations är en teori som beskriver den process med vilken en teknik
kommuniceras och adopteras av individer i ett socialt system (Rogers, 2003). Teorin presenterar en diffusionskurva med vilken individerna i systemet adopterar tekniken och denna kurva är uppdelad i kategorierna: innovatörer (eng: innovators), tidiga accepterare (eng: early
adopters), tidig majoritet (eng: early majority), sen majoritet (eng: late majority) och
senkomlingar (eng: laggards). Vidare avser adopters individer som har adopterat tekniken och
non-adopters individer som inte har det. Själva adoptionen över tid följer en traditionell
s-kurva medan diffusionss-kurvan visar på fördelningen av kategorierna av adopters, se Figur 4. De olika kategorierna innefattar adopters av olika typer där innovatörer generellt är de som är villiga att ta risker, har nära kontakt till forskning och andra innovatörer, och är ivriga att testa på ny teknik. Rogers (2003) menar även att likviditet kan vara viktigt för innovatörer för att hantera risker med otestad teknik. Tidiga accepterare är personer med hög grad av opinionsledarskap, en annan teori som innebär att ledarens åsikter och handlingar ofta följs av andra (Rogers, 2003). Denna karaktäristik är vanligen en följd av hög social status, avancerad utbildning och social begåvning och de gör mer välgrundade och diskreta val vid adoption än
innovatörer. Tidig majoritet adopterar generellt efter en längre tid eftersom de följer
opinionsledarnas handlingar och har sett att tekniken fungerar för adopters i tidigare kategorier. Detta förutsätter också någon form av kontakt mellan tidig majoritet och tidiga
accepterare. Sen majoritet är skeptiska mot ny teknik, har kontakt med någon av de tidigare
kategorierna men adopterar inte förrän majoriteten redan gjort det då skepsisen kräver att tekniken är grundligt testad och påvisats fungera först. Senkomlingar är de sista att adoptera och är generellt motvilliga inför förändring, de är vanligen äldre och har ett smalare socialt nätverk med enbart nära vänner och familj. Generellt säger Rogers även, oberoende av kategorierna, att adopters inom de tidigare kategorierna är mer intelligenta och mottagliga för förändring (Rogers, 2003).
