Framtida energiförsörjning till off-grid basstationer
Gustav Bramberg
Master of Science Thesis
Stockholm 2013
Gustav Bramberg
Master of Science Thesis
STOCKHOLM 2013
Framtida energiförsörjning till off-grid basstationer
PRESENTED AT
INDUSTRIAL ECOLOGY
ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
Supervisor:
Nils Brandt, Industriell ekologi, KTH Examiner:
Nils Brandt, Industriell ekologi, KTH
TRITA-IM 2013:07
Industrial Ecology,
Royal Institute of Technology
www.ima.kth.se
Sammanfattning
Telekombranschen har de senaste decennierna upplevt en stark tillväxt, framförallt i urbana områden och västvärlden. Nu när denna tillväxt även sker i utvecklingsländer och dess landsbygd, söks det efter nya sätt att försörja basstationer som ej är kopplade till elnätet med energi. Syftet med detta examensarbete är att studera och analysera framtida hållbara energilösningar för basstationer inom telekombranschen.
Detta görs genom att kartlägga alternativ, analysera vilka hinder och möjligheter som finns samt undersöka vilka kompetenser som krävs för en vidare utveckling. Arbetet har framförallt baserats på intervjuer av aktörer i telekombranschen samt litteraturstudier.
Studien visar att de tekniker som i framtiden har störst potential att ersätta dieselgeneratorerna idag är solceller samt småskalig vindkraft. För att denna utveckling skall ske krävs det innovationer och nya sätt att implementera energisystem med basstationer. I framtiden kommer det även finnas ett stort behov av projektering och modeller för att dimensionera samt optimera basstationers energisystem.
Abstract
In recent decades, the telecom industry has experienced a rapid growth in urban areas and the western world. This growth is now spreading towards developing countries and their rural areas, where proper energy grids may be lacking. In order to cope with insufficient energy infrastructure and improve their services in rural areas, the telecom industry is now looking to develop better off-‐grid telecom base stations.
The purpose of this thesis is to study and analyse future sustainable energy solutions for off grid base stations in the telecom industry.
This is purpose will be met by mapping possible alternatives and analysing what advantages and disadvantages these alternatives have, as well as investigating what competencies the industry needs. The work is foremost based on literature studies and interviews of stakeholders in the telecom industry.
The study concludes that photovoltaic solar cells and small scale wind power are the two energy generating technologies that has the greatest potential of replacing the diesel generators that are now commonly used on off grid base stations. In order for this to happen, two important areas that the industry needs to focus on is innovation and new ways of implementing the energy systems with base stations. The demand of planning, dimensioning and designing the energy systems will increase in the near future as the renewable energies increases their market share.
Förord
Denna rapport är skriven för Kungliga Tekniska Högskolan och ÅF som en avslutande del i masterprogrammet teknik och hållbar utveckling. Till att börja med vill författaren tacka handledare Patricia Donnelly på ÅF för all hjälp och vägledning. Även Nils Brandt som varit kontaktpersonen och examinator på KTH. Utöver dessa skall även samtliga intervjuade ha ett stort tack för sin medverkan. Slutligen skall studiekamraterna Viktor Rasmanis, Anders Nilsson och Jacob Södergren få en eloge för sina hjälp och insiktsfulla råd och under studietiden.
Gustav Bramberg, Stockholm 2013
Innehållsförteckning
SAMMANFATTNING ... I ABSTRACT ... II FÖRORD ... III INNEHÅLLSFÖRTECKNING ... IV
1. INTRODUKTION ... 1
1.1 BAKGRUND ... 1
1.2 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2
1.3 AVGRÄNSNINGAR ... 2
1.4 FÖRETAGSBESKRIVNING AV ÅF ... 2
2. METOD ... 4
2.1 LITTERATURSTUDIER ... 4
2.2 INTERVJUER ... 5
2.2.1 Urval till intervjuer ... 5
3. BASSTATIONERS UPPBYGGNAD OCH ENERGIFÖRBRUKNING ... 7
3.1 ENERGIFÖRBRUKNING ... 7
4. DAGENS ENERGILÖSNINGAR TILL BASSTATIONER ... 9
4.1 FÖRLÄNGNING AV ELNÄT ... 9
4.2 DIESELGENERATOR ... 9
5. FRAMTIDA ENERGIGENERERING TILL OFF-‐GRID BASSTATIONER ... 13
5.1 VINDKRAFT ... 13
5.1.1 Kompatibilitet med Basstationer ... 13
5.1.2 Utveckling och mognadsgrad ... 13
5.2 BRÄNSLECELLER ... 14
5.2.1 Kompatibilitet med basstationer ... 14
5.2.2 Utveckling och mognadsgrad ... 15
5.3 SOLCELLER ... 16
5.3.1 Kompatibilitet med basstationer ... 16
5.3.2 Utveckling och mognadsgrad ... 17
5.4 KONCENTRERAD SOLKRAFT (DISH STERLING) ... 17
5.4.1 Kompatibilitet med basstationer ... 18
5.4.2 Utveckling och mognadsgrad ... 18
5.5 SMÅSKALIG VATTENKRAFT (HYDROGENERATORER) ... 18
5.5.1 Kompatibilitet med basstationer ... 19
5.5.2 Utveckling och mognadsgrad ... 19
5.6 SAMMANSTÄLLNING ... 20
5.7 DJUPARE JÄMFÖRELSE MELLAN SOLCELLER OCH VINDKRAFT ... 20
5.7.1 Verkningsgrad ... 20
5.7.2 Ekonomisk utveckling ... 21
6. FRAMTIDA ENERGILAGRING TILL OFF-‐GRID BASSTATIONER ... 25
6.1 TRADITIONELLA BLYBATTERIET. ... 25
6.2 LITIUMJONBATTERIET. ... 26
6.3 BRÄNSLECELLER ... 26
6.5 SAMMANSTÄLLNING ... 27
5.7 DJUPARE JÄMFÖRELSE MELLAN BLYBATTERIER OCH LITIUMJONBATTERIER. ... 28
7. INTERVJURESULTAT ... 31
7.1 Hur ser den nuvarande situationen ut och vilka teknologier kommer vara intressanta i framtiden? ... 31
7.2 Vilka utmaningar står de förnyelsebara energikällorna inför? ... 31
7.3 Vad arbetas det med idag? ... 32
7.4 Vilken kompetens behövs imorgon? ... 33
8. DISKUSSION ... 34
8.1 DISKUSSION KRING LITTERATURSTUDIE-‐ OCH INTERVJURESULTAT ... 34
8.2 DISKUSSION KRING METODIK, AVGRÄNSNINGAR OCH SIGNIFIKANS ... 35
8.3 DISKUSSION KRING VIDARE ARBETE ... 36
9. SLUTSATSER ... 38
10. REFERENSER ... 39
1. Introduktion 1.1 Bakgrund
Världens population väntas till år 2050 växa från dagens ca 7 miljarder till 9 miljarder, något som pekar på att vi kommer att se en ökad global energikonsumtion (Jess, 2010).
Utöver denna populationsökning som en bidragande faktor, ökar idag dessutom energianvändandet per capita världen över. Detta rör inte enbart länder under hög utveckling, utan även vissa länder som idag anses ha en hög standard (Statens energimyndighet, 2010). För att tillgodose framtidens energibehov krävs det inte bara en effektivisering av användandet, utan även nya energikällor då priserna för fossila bränslen ständigt ökar. Detta har lett till att industrin ser sig om efter nya mer kostnadseffektiva sätt att försörja sin verksamhet med energi. Denna utveckling kan även ses i telekomindustrin (Kaldellis, et al., 2011).
Det mobila nätverket kan förenklat sägas vara uppbyggt kring 3 centrala enheter:
Basstationer, mobila enheter samt mobilväxeln. Med de mobila enheterna avses framförallt mobiltelefoner, dessa används till att sända iväg signaler till basstationer och innehåller information som möjliggör att de kan identifieras för att ta emot samtal.
Basstationerna tar emot signaler från de mobila enheterna och skickar dessa vidare med hjälp av mobilväxeln, vars uppgift är att leda samtalen rätt. Av dessa enheter är det basstationen som står för majoriteten av energiförbrukningen och spelar därför en viktig roll i strävan att energieffektivisera det mobila nätverket (Han, et al., 2011).
Telekomindustrin har upplevt en stark tillväxt de senaste decennierna, denna har dock framförallt koncentrerats kring västländer och urbana områden (Kaldellis, et al., 2011).
Landsbygden i framförallt utvecklingsländer har dock ej upplevt en tillväxt av samma magnitud, mycket tyder därför på att det framförallt är i dessa områden som den största utvecklingen kommer att ske i den närmsta tiden (GSMA, 2011a; Boccaletti, et al., 2007 ). De urbana områdena har generellt sett ett stabilare mobilt nätverk. Inte enbart tack vare att efterfrågan i dessa områden har varit stor, vilket lett till att telekomindustrin har fokuserat arbetet där. En faktor som också måste tas i beaktning är att det är enklare att bygga upp nätverket i urban miljö då man vid utvecklingen av nätverket på landsbygden ställs inför en rad svårigheter som ej i samma utsträckning är något problem i urban miljö. Ett av dessa problem är energitillförseln till basstationerna.
Telekomindustrin är ur ett perspektiv en servicesektor vars tjänster blir en allt viktigare del av dagens samhällsklimat. Likt många andra servicetjänster ställer användarna höga krav på ett kontinuerligt och tillförlitligt tillhandhavande av tjänster (GSMA, 2011b).
Detta är bakgrunden till att så höga krav ställs på dagens basstationer, dessa ska vara i bruk 24 timmar om dygnet, alla dagar om året. Det fordrar att de hela tiden har tillgång till ett tillförlitligt elnät, något som i takt med att det mobila nätet byggs ut på landsbygden i utvecklingsländer, alltmer sällan kan förutsättas vara en självklarhet. I de områden där antalet basstationer spås växa mest de närmaste åren är därför ett av de
stora problemen att el inte finns att tillgå eller att elnätet kontinuerligt drabbas av avbrott.
Vid etableringen av en ny basstation som ej har tillgång till el ställs man då inför två alternativ: antingen förlänger man elnätet, något som vid för stora sträckor kan vara väldigt kostsamt, alternativt förser man basstationen med ett decentraliserat system för lokal energiproduktion (Ekren, et al., 2008). Den konventionella metoden som har varit dominerande för lokal energiproduktion har hitintills varit att förse basstationen med en generator som drivs på diesel. Denna metod för dock med sig en rad problem, de stigande dieselpriserna är dessutom en stark drivkraft till att industrin nu arbetar för att ersätta dieselgeneratorerna med hållbara energilösningar baserade på förnyelsebar energi (Kaldellis, et al., 2011). Detta arbete kan uppmuntras också genom subventioner och lagstiftning vilket öppnar upp stora möjligheter för företag som är verksamma inom grön teknologi (TRAI, 2011).
1.2 Syfte och frågeställningar
Syftet med rapporten är att studera och analysera framtida hållbara energilösningar för basstationer inom telekombranschen. För att uppnå detta är målsättningen att besvara följande frågeställningar:
• Hur ser dagens energiförsörjning ut på basstationer, vilka är de nuvarande och framtida utmaningarna?
• Vilka teknologier kommer att vara intressanta för att producera och lagra energin?
• Hur står sig de olika tekniska lösningarna mot varandra med avseende på, effektivitet, kostnad och mognad?
• Vad arbetar telekomindustrin med, vilken typ av kompetens är den i behov av idag och vilken kompetens kommer att krävas i framtiden?
1.3 Avgränsningar
Arbetet kommer kretsa kring basstationer som ej är anslutna till elnätet och därför behöver lokal energiförsörjning. Några geografiska avgränsningar är inte satta, men hänsyn till geografin måste tas då denna påverkar val av energilösningar. Fokus kretsar framförallt kring energi baserat på vind och sol. Arbetet tar ej någon större hänsyn till det övergripande cellsystemet eller telenätverket. Det ligger snarare på enskilda stationer projektet baseras därav inte på systemnivå utan på komponentnivå. En viktig del för att uppnå en mer hållbar energiförsörjning av basstationer som anknyter till ämnet är energieffektivisering av basstationerna, lösningar för att effektivisera basstationerna kommer dock ej avhandlas i denna rapport.
1.4 Företagsbeskrivning av ÅF
Uppdragsgivaren till detta examensarbete är teknikkonsultbolaget ÅF. Detta företag är grundat 1895 (då under namnet Ångpanneföreningen) och har i dagsläget ca 6800 medarbetare. Företaget har sin bas i Europa men arbetar internationellt och har därmed verksamheter runt hela världen. Åf räknas till en av de större konsultfirmorna i Sverige, de har framförallt riktat in sig på energi och miljö, infrastruktur samt industri.
Division Infrastructure och slutligen Division technology, varav den sistnämnda divisionen är uppdragsgivaren till detta arbete. (ÅF, 2012)
2. Metod
För att göra en framtidsstudie finns det en rad olika metoder att utgå ifrån (Börjesson et. al, 2005). Börjesson et. al. utgår ifrån att det finns tre olika kategorier av scenarier:
förutsägande, utforskande och normativa. Dessa olika scenarier grundar sig i att söka svar på tre olika typer av frågor, vad kommer hända? (förutsägande), vad kan hända?
(utforskande) samt hur kan ett specifikt mål nås? (normativa). (Börjesson et. al, 2005).
Denna rapport avser söka svar vad som kommer att hända med energiförsörjningen till basstationer i framtiden och faller därför under kategorin förutsägande scenariostudier.
Dessa kan i sig delas in i två underkategorier, forecasting-‐studie samt what-‐if-‐studie.
Forecastings-‐studier fokuserar på att använda sig av rådande trender för att söka svar på vad som kommer att ske i framtiden, what-‐if-‐studier grundar sig i att undersöka framtiden med ett antal specificerade framtidspåverkande händelseförlopp som utgångspunkt och därmed ge olika tänkbara framtidsscenarier. Detta arbetes syfte faller under kategorin forecasting-‐studie och skall därför arbeta inom ramarna för denna. (Börjesson et. al, 2005). Information från kvalitativa intervjuer kommer att användas i samspel med mer kvantitativ data. Rådande trender och tidigare undersökningar inom energisektorn skall dessutom användas för att lägga grunden till en analys där dessa kopplas till de krav som ställs av en basstation.
Arbetet inleds med att studera hur dagens basstationer fungerar och vad som efterfrågas av marknaden. Detta skall åskådliggöra och förtydliga de krav som ställs på en framtida hållbar energiförsörjning av basstationer.
Därefter undersöks vilka teknologier som finns eller är under utveckling som kan svara på de ovan nämnda kraven. Detta skall leda fram till en jämförelse mellan de olika alternativen som belyser både för och nackdelar hos de olika tekniska lösningarna.
Fokus ligger på att undersöka vilka nya tekniker som kommer att vara aktuella de närmsta tio åren.
2.1 Litteraturstudier
Arbetet inleds med litteraturstudier för att söka svar på hur basstationer fungerar och vad som krävs av dessa. Denna lägger även grunden till att svara på vilka förnyelsebara tekniker som kan vara aktuella för att försörja basstationer med energi. Det material som används är dels studier som är direkt kopplade till basstationer, men för att få en djupare kunskap är även studier som enbart är relaterade till energigenererings-‐ och lagringstekniker även använda.
Litteraturstudierna skall motivera ett urval av tekniker vilka anses vara lämpligast för användning på basstationer. Detta urval granskas och jämförs sedan djupare genom att undersöka deras kostnader och förväntade kostnadsutvecklingar. Vidare görs en kostnadsjämförelse genom att beräkna nuvärdet av de totala kostnaderna för tre olika energigenereringstekniker (solceller, vindkraft och dieselgeneratorer).
Utöver detta söks även litteratur för att välja och motivera forskningsmetodiken i detta kapitel, samt val av intervjumetodik. Information från litteraturstudierna används
sedan som grund för intervjuer, där resultaten från litteraturstudierna används som diskussionsmaterial.
Den litteratur som har använts är framförallt publicerade och vetenskapligt granskade rapporter som hämtats genom KTH Bibliotekets sökverktyg Primo. Detta verktyg hämtar information ifrån KTHB katalogen samt publikationer från universitet och andra vetenskapligt inriktade databaser (KTH, 2012). Utöver detta används även information och artiklar från telekombranschinriktade organisationer och företag. Samtlig använd litteratur refereras i texten enligt Harvard systemet och återfinns i kapitlet referenser.
2.2 Intervjuer
Syftet med intervjuerna är att få en uppfattning om hur marknaden för off-‐grid basstationer ser ut idag samt hur denna kan utvecklas i framtiden. För att erhålla denna information genomförs kvalitativa intervjuer med 10 personer som är verksamma inom detta område. I motsats till kvantitativa metoder söker den kvalitativa intervjun en djupare förståelse för ämnet snarare än att söka bredare kunskap. Den kvalitativa intervjun möjliggör även för de intervjuade att i större utsträckning styra intervjun, detta är något som i detta sammanhang anses nödvändigt då det inte är helt fastställt exakt vilken information som är viktig i sammanhanget. (Gillham, 2008)
Intervjuerna är av ostrukturerad karaktär vilket innebär att de inte följer en fastställd frågemall. Istället styrs intervjun till stor del utav den intervjuade. Under intervjuerna fördes kontinuerligt anteckningar för att dokumentera dessa. De ostrukturerade intervjukaraktären är framförallt användbart som utforskande teknik vilket denna rapport till stor del är. Den ostrukturerade intervjun möjliggör även större utrymme till följdfrågor och därmed även samtal som går mer på djupet (Gillham, 2008). Generellt kretsar dock intervjuerna kring att få svar på följande frågor:
Vilka energitekniker tror den intervjuade på?
Hur kommer utvecklingen för de förnyelsebara energikällorna se ut?
Vilken typ av arbete sker inom detta område idag?
Vilken kompetens är telekombranschen i behov av idag och i framtiden?
Vad krävs för att förnyelsebara energikällor i större utsträckning skall konkurrera med mer konventionella metoder?
2.2.1 Urval till intervjuer
Urvalet för intervjuerna baserades på elitintervjuer och snöbollsmetoden. Elitintervjun innebär att de intervjuade är särskilt kunniga inom området och besitter större erfarenhet och kunskap. Dessa intervjuer kan ofta vara komplexa då intervjupersonen vet mer om ämnet än intervjuaren, något som pekar på att intervjun bör vara löst strukturerad och även är anledningen till det i detta sammanhang genomfördes ostrukturerade intervjuer. (Gillham, 2008).
Genom elitintervjuer finns det ibland även möjlighet att ta del av intervjupersonens nätverk, att låta denne rekommendera vem som bör intervjuas för mer information.
Det är detta som menas med snöbollsmetoden, då en intervju kan leda till ytterligare intervjuer och det bildas på så sätt en ”snöbollseffekt”.
De intervjuade i denna rapport behandlas anonymt och anges enbart med företag samt yrkesområde. Följande intervjuas i samband med examensarbetet:
Företag Yrkesområde/titel
Ericsson Power Engineer
Ericsson Strategic Product Manager
Ericsson Telecommunications
ÅF Business Area Manager
ÅF Key Account Manager
ÅF Manager Electronic Design
ÅF Manager
ÅF Consultant-‐ Telecom
ÅF Manager tec. calgulations
ÅF Konsult
Utöver dessa kontaktades även telekomoperatörerna Tele2 samt Telia, dessa har dock valt att inte delta i undersökningen. Anledningen till detta är framförallt att ämnet ej är så intressant för svenska telekomoperatörer då elnätet här är så pass tillförlitligt och utbyggt.
Antalet intervjuer och därmed omfattningen av undersökningen avgjordes av författaren när det ansågs att en teoretisk mättnad på information hade uppnåtts.
Detta inträffar när ett mönster kan ses och de nya åsikterna som uppkommer efter ett antal intervjuer anses få och lättviktiga.
3. Basstationers uppbyggnad och energiförbrukning
De två viktigaste drivkrafterna som rör energieffektivisering inom telekombranschen är att operatörerna upplever ökade kostnader för elektriciteten samt yttre påtryckningar om att minska utsläppen av växthusgaser (Frenger et. al, 2011). Dessa drivkrafter verkar inte enbart på energieffektiviseringen, metoder för att genomföra en förändring i energihanteringen kan delas in i fem kategorier och dessa påverkas alla utav de ovan nämnda drivkrafterna (Bhawan och Marg, 2010a):
-‐ Att energieffektivisera utrustningen som driver nätverket -‐ Att planera nätverket bättre
-‐ Att dela infrastrukturen och komponenterna som nätverket kräver mellan flera operatörer
-‐ Att förbättra tillgängligheten till det fasta nätverket -‐ Att använda sig utav förnyelsebara energikällor
Denna rapport fokuserar på den sista kategorin som rör energikällorna inom telekomindustrin, framförallt då basstationers energiförsörjning. För förstå vilka krav som ställs på dessa är en viktig del att studera energiförbrukningens mönster och länka denna till påverkande faktorer. Detta beskrivs i följande kapitel där energiförbrukningen kartläggs, dagens vanligast förekommande energilösningar beskrivs sedan i nästkommande kapitel. Detta skall ge en bild över vilka problem som måste adresseras av framtida energilösningar samt under vilka förhållanden dessa skall verka.
3.1 Energiförbrukning
Arbetet med att effektivisera basstationers energianvändande har de senaste åren intensifierats, dels på grund av att priserna för energin har ökat och dels för att det byggs allt fler basstationer utan koppling till ett centralt elnät (Frenger, et al., 2011;
Correia, et al., 2010). En annan bidragande faktor är påtryckningar från allmänheten om ett mer hållbart samhälle. Med detta som bakgrund har ett flertal omfattande studier gjorts för att kartlägga hur mycket energi som går åt på en basstation, samt undersöka vilka funktioner som energin används till. Denna information är inte enbart relevant för att effektivisera basstationen, den påverkar även i högsta grad vilka metoder som är lämpliga att använda till att förse off grid-‐basstationer med energi.
Energiförbrukningen hos en basstation kan över ett dygn variera ganska kraftigt (Kaldellis, et al., 2011). Till storleksordningen är denna förbrukningskurva beroende på hur stor basstationen är och hur stort område den ska täcka, normalt ligger den dock mellan 2,4 och 4,2 kW (Kaldellis och Ninou 2011). Något som dock är intressant att notera är skillnaden på energiförbrukning under ett dygn. Ofta hålls energiförbrukningen under sommarhalvåret på en stabil nivå under kvällen och natten, för att sedan öka och nå en toppnivå mitt på dagen. Om man för samma område kollar hur kurvan ser ut på vintern är det en stor skillnad. Här håller snarare energiförbrukningen en förhållandevis jämn nivå (Kaldellis, et al., 2011).
Anledningen till denna skillnad är att basstationen inte behöver kylning under vintern då lika höga temperaturer mäts upp. Den energi som används då är med andra ord
enbart den energi som krävs för att sända basens radiosignaler. Detta visar dels hur stor påverkan som kylningen av systemet har på energiåtgången, men det är också intressant för att se under vilka förutsättningar som energiförsörjningen skall verka.
Energiåtgången följer kontinuerligt ett mönster med toppar som förändras beroende på det den rådande värmen. Detta mönster är grunden till en av utmaningarna hos basstationer utan koppling till elnätet: att bygga energisystemet till att klara av att försörja basstationens varierande energibehov, utan att för den delen behöva överdimensionera systemet alltför mycket (Kaldellis, et al., 2011).
Det står alltså klart att de stora dagliga förändringarna i basstationers energikonsumtion till stor del grundar sig i kylningen utav systemet, totalt står denna för omkring 30 % av den totala förbrukningen (Lubritto, et al., 2010). Att systemets omgivande och interna temperatur är en viktig faktor som påverkar energikonsumtionen är en slutsats som kan dras utav detta (Lubritto, et al., 2010).
Ytterligare en parameter som är intressant att kolla på för att förstå systemet är telefontrafiken i förhållande till energin. Tittar man på denna framgår det att energiförbrukningen är oberoende utav telefontrafiken, vilket innebär att basstationen drivs och sänder kontinuerligt (Lubritto, et al., 2010). Den kontinuerliga driften innebär att stationen alltid har ett minimivärde för energiförbrukningen som aldrig understigs.
Om man kartlägger vilka komponenter i en basstation som förbrukar energi så står power amplifiern för den största delen, följt av kylsystemet (Correia, et al., 2010). Dessa delkomponenter utgör tillsammans den överhängande majoriteten av energiförbrukningen, det ter sig därför naturligt att det är inom dessa områden som arbetet med energieffektiviseringen har fokuserats. Detta kretsar mycket kring att öka värmetoleransen, optimera kylsystemet samt förbättra verkningsgraden för power amplifiern. Utöver effektiviseringen på komponentnivå så är en viktig del att optimera nätverket och basstationers samverkan sinsemellan (Lubritto et al, 2010).
Årligen förbrukar en basstation av medelstorlek runt 30 MWh, och har en kontinuerlig belastning på runt 2,4 till 4,2 kW (Kaldellis och Ninou 2011). Detta är dock en siffra som varierar från fall till fall.
4. Dagens energilösningar till basstationer
Vid planerandet av en ny basstation ställs man inför en rad olika val gällande energiförsörjning, där rätt väg att gå skiljer sig från plats till plats. Nedan kommer de mer konventionella metoderna, som fram tills idag varit dominerande, att gås igenom.
4.1 Förlängning av elnät
Ett alternativ vid etablerandet av basstationer utanför elnätet är att skapa en förlängning ifrån det centraliserade nätet (Ekren, et al., 2008). Implementering och hantering av en sådan åtgärd innebär relativt få problem då tekniken är enkel och utvecklad runt om i världen. Det finns dock andra faktorer än dessa som talar emot förlängning av elnät. Ser man det utifrån ett hållbarhetsperspektiv är detta alternativ beroende av energimixen som elnätet baseras på och i många av de områden där en stor del av utvecklingen väntas ske är landets energiproduktion till stor del baserad på förbränning av kol och fossila bränslen. Detta i sig talar emot att en förlängning av elnätet skulle vara en hållbar lösning ur ett miljöperspektiv. Även om man bortser ifrån detta, är det inte alltid ekonomiskt gynnsamt med en förlängning av elnätet. Kostnaden är självklart beroende av distansen mellan platsen där basstationen ska installeras och det existerande elnätet, en variabel som också spelar in här är topografin i det aktuella området (Ekren, et al., 2008).
Basstationers höga krav på kontinuerlig energitillförsel är också något som måste tas i beaktning. Om det aktuella områdets elnät inte är tillförlitligt måste basstationen förses med en back up-‐lösning för att täcka ett eventuellt elavbrott. Beroende på tillförlitligheten hos elnätet kan det räcka med batteri, men i mer drabbade områden måste basstationen även förses med egen energiproduktion för att täcka behovet under de stunder då elnätet inte är igång. Denna faktor är i många fall avgörande då det, istället för att förlänga nätet och komplettera detta med lokal energiförsörjning, ofta är mer ekonomiskt gynnsamt att enbart satsa på lokal energiförsörjning (Ekren, et al., 2008).
Liksom för alla energilösningar kan kostnaden delas upp i fasta investeringskostnader och operationella kostnader. För förlängningen av elnätet utgör investeringskostnaden en majoritet, de operationella kostnaderna står bara för ungefär 10 % utifrån ett livscykel perspektiv (Ekren, et al., 2008). Kostnaden för att leverera elen är sedan till stor del beroende av nätbelastningen, transmission-‐ och distributionsförluster samt självklart grundpriset för energigenereringen. Då en ensam basstation utgör en relativt låg belastning och avstånden kan vara långa är i många fall en förlängning av nätet inte ekonomiskt försvarbart (Mahapatra och Dasappa, 2012:gsma, 2011c).
4.2 Dieselgenerator
Då det framkommit att en förlängning av elnätet inte alltid är att föredra, förses ofta basstationer som etableras långt utanför ett existerande elnät med egen lokal kraftförsörjning. Den överlägset mest etablerade lösningen för detta ändamål är idag dieselgeneratorn.
De huvudsakliga komponenterna för denna lösning är en dieselmotor med en elektrisk generator, AC-‐DC omvandlare samt en bränsletank för dieselförvaringen (Bondesson,
2010). En växelström (AC) alstras från dieselmotorn genom den elektriska generatorn som sedan konverteras till likström (DC) och därigenom levererar den el som basstationen kräver för sin drift, normalt sett klarar en basstation att drivas på 48Vdc (Schmitt, 2009).
Teknologin för dieselgeneratorerna har funnits länge och är därmed än väl beprövad metod för att förse områden som inte är kopplade till elnätet med el. Metoden används även ofta som säkerhetssystem i händelse av elavbrott på exempelvis sjukhus. Då dieselgeneratorerna är väl utvecklade är de om de underhålls rätt en tillförlitlig energikälla, något som är utav hög prioritet vid etablerandet utav basstationer. Den förhållandevis enkla teknologin innebär låga initiala kapitalinvesteringar vilket till hög grad påverkar teknikens nuvarande popularitet (Kaldellis et al., 2005). Metoder för att förhöja effektiviteten omfattar framförallt effektivisering utav AC-‐DC omvandlare, med modern utrustning kan effektiviteten ökas från ca 90 till 95% (Schmitt, 2009). Detta innebär inte bara en signifikant minskning utav energispillet, utan även att systemet alstrar mindre värme vilket leder till att luftkonditioneringen kan omdimensioneras och därmed förbruka mindre energi (Schmitt, 2009).
Basstationer placeras ofta på höga höjder och i bergiga områden. Detta då höjden förbättrar sändnings och mottagarmöjligheter för stationen, nackdelar återfinns dock i att åtkomligheten för underhåll minskar drastiskt (Kaldellis och Ninou, 2011).
Dieseldrivna basstationer har ett högt underhållsbehov, vilket i sin tur innebär höga operationella kostnader. Då energin är baserad på ett fossilt bränsle som ej finns att tillgå på platsen, krävs frekventa besök för påfyllning. En dieseldriven basstation brukar beroende på dess storlek behöva bränslepåfyllning var tionde dag (Bondesson, 2010).
Detta bränslekrav komplicerar driften då stationerna många gånger är svåråtkomliga och har bristande omgivande infrastruktur, yttre faktorer som exempelvis regnperioder kan dessutom ytterligare försvåra framkomligheten till basstationen (Diaz, et al., 2010).
Ett sätt att minska på de frekventa stationsbesöken kan vara att förvara större mängder av bränsle på plats, en rad faktorer talar dock emot detta. Diesel är stöldbegärligt vilket visat sig utgöra ett problem för basstationer som drivs med dieselgeneratorer, att öka mängden förvarad diesel torde därmed även öka risken för stöld. Åtskilliga åtgärder för att minska stöldrisken kan vidtas, exempelvis inhägna området eller gräva ner generatorn. Detta är dock kostsamt, och kan även försvåra underhållsarbetet. Att ha stora mängder bränsle förvarade vid basstationen innebär dessutom högre finansiella kostnader och bundet kapital jämfört med ett system med en mer dynamisk tillförsel av bränsle (Diaz, et al., 2010).
Även om lösningar för att kringgå problematiken kring bränsletillförseln hittas, kräver dieselgeneratorerna frekvent tekniskt underhåll för att säkerställa en kontinuerlig drift (Kaldellis och Ninou, 2011). En stor del av problematiken kring dieselgeneratorerna har alltså visat sig ligga i deras stora behov av tillsyn och underhåll, vilket i kombination med att basstationernas svåråtkomlighet innebär höga kostnader.
Utöver kostnaderna för administrationen kring att förse basstationerna med bränsle och underhåll innebär bränslet i sig även höga kostnader. En basstation av medelstorlek
där detta är en bristvara innebär detta höga kostnader. En framtida utveckling mot högre bränslepriser skulle därmed öka kostnaderna för driften av basstationerna. Detta i sig pekar på att framtidsutsikterna för basstationer drivna med dieselgeneratorer ser allt mörkare ut.
Ett sätt att minska på bränsleförbrukningen är att förse basstationen med ett uppladdningsbart batteri. Genom att ta energi från batteriet när energibehovet är stort och ladda batteriet när energibehovet är litet så kan man minska bränsleförbrukningen.
En dieselhybrid med batteri är en vanlig lösning som framförallt bidrar till ett minskat behöv för bränslepåfyllning. Även om denna teknologi är populär då den minskar behovet av stationsbesök och bränsleförbrukningen något, bidrar den inte tillräckligt och är framförallt inte en primär energikälla. Däremot ökar den driftsäkerheten då batteriet kan förse stationen med energi under eventuella driftstopp. Det står alltså klart att de ekonomiska problemfaktorerna med dieselgeneratorerna framförallt återfinns i höga operativa kostnader.
Ett annat problemområde som har stor uppmärksamhet är sambandet mellan miljö och förbränning av fossila bränslen. Faktorer som global uppvärmning, försurning och övergödning är starkt sammankopplade till fossila bränslen, och är det i fallet med basstationer också. Ses problemet utifrån energisystemets livscykelperspektiv hos en hos dieseldriven basstation, så är det framförallt dieselns livscykel som påverkar systemet mest. Hela 95 % av systemets resursanvändning och utsläpp kan spåras till denna (Bondesson, 2010). Detta innebär inte några direkta höga kostnader för systemet i sig, dessa kan snarare ses som gömda kostnader till följd av minskade ekosystemtjänster. Genom att addera ett batteri till energisystemet så minskar däremot miljöpåverkan märkbart. Ser man till global uppvärmning, försurning och övergödning så är miljöpåverkan av en diesel-‐batteridrift runt 60 % jämfört med en traditionell dieselgenerator (Bondesson, 2010). Då batterierna framförallt är blybaserade kan det däremot diskuteras om detta är en hållbar lösning då detta är en tungmetall som är skadlig för miljön. Det är av hög vikt att batterierna kasseras på rätt sätt, görs inte detta finns en hög risk att tungmetallen kommer ut i naturen och därigenom till oss människor. Detta påverkar i sin tur hälsan negativt och kan orsaka en rad sjukdomar.
Livslängden för en dieselgenerator ligger för basstationer på runt 10 år (Bondesson, 2010), för en energikälla kan detta anses vara kort. Ur miljösynpunkt så står dock tillverkningen och kasserandet av dieselgeneratorn för en marginell del av miljöpåverkan (Bondesson, 2010) vilket innebär att livslängden inte har en avgörande betydelse för teknikens miljöprestanda.
Även om dieseldrivna basstationer kan effektiviseras och därmed förbruka mindre bränsle kommer stora delar av livscykeln ej i samma utsträckning vara påverkbar, eftersom bränslets livscykel är fördelat mellan flera olika aktörer. Då denna står för majoriteten av miljöpåverkan talar mycket emot att systemet i stor utsträckning kommer att röra sig mot en mer hållbar utveckling så länge diesel utgör huvudkällan till energi.
Nyckeln till dieselgeneratorns framgång kan med ovanstående information sägas ligga i dess enkelhet och ekonomiska fördel vid implementering. Underhålls den på rätt sätt är den även tillförlitlig och klarar av de krav som ställs på driften av basstationer, det är en robust lösning där faktorer som inverkar på driften till stor del kan styras av den mänskliga handen. Vad som dock talar emot tekniken, och som egentligen är grunden till att nya tekniker söks inom detta område, är att de operativa kostnaderna är höga och förväntas stiga samt dess dåliga miljöprestanda. Det är framförallt dessa faktorer som pekar på att denna teknik inte är en framtida hållbar lösning till basstationer.
5. Framtida energigenerering till off-‐grid basstationer
I detta kapitel kommer tekniker som ännu ej slagit igenom lika kraftigt på marknaden för basstationer att gås igenom. Kapitlet är baserat på de litteraturstudier som genomförts och samtliga källor refereras till enligt Harvardsystemet.
5.1 Vindkraft
Att driva basstationer på vindkraft är en teknik har fått allt större uppmärksamhet.
Vindkraftverk alstrar den energi som finns i vinden genom att låta snedställda rotorblad ge upphov till ett vridande moment som i sin tur driver en generator som producerar elektrisk energi (Irena, 2012). Dessa finns i många olika storlekar och att klara av att leverera den energi som en basstation förbrukar är i sig inget problem (Gsma, 2011c).
Det finns både vertikala och horisontala vindkraftverk, där det förstnämnda är det vanligaste. Fördelarna med ett vertikalt vindkraftverk är framförallt att det är oberoende av vindens riktning och klarar därför av att hantera turbulenta vindar. De nackdelarna som finns är framförallt att den ej är lika effektiv som den horisontala samt att den framförallt är anpassad för lägre höjder där vinden ej är lika stark (Irena, 2012).
Detta innebär att den inte levererar lika mycket energi som den horisontala. Med detta som bakgrund är de horisontala vindkraftverken de som dominerar marknaden.
Huvudsakligen består vindkraftverken av ett torn, rotorbladen och ett maskinhus som innehåller generatorn och en växellåda.
5.1.1 Kompatibilitet med Basstationer
Överlag så är vindkraften helt beroende av den plats den används på. I denna kontext kan vindkraftverk framförallt vara användbara till off-‐grid lösningar belägna i svåråtkomliga områden med stark och jämn vind, exempelvis bergsområden. För att avgöra om tekniken passar krävs det omfattande data om vindhastigheten i området, allra helst skall vindmätningar göras på plats eftersom den är väldigt lokalt varierande.
Detta är ett utav de problem som finns vid implementering av tekniken, sajtens topografi och vindhastighet avgör typ och storlek på vindkraftverket, vilket gör projekteringen av basstationen omfattande. Eftersom tekniken framförallt är lämpad för svåråtkomliga platser är driftsäkerheten en viktig faktor. Vindkraftverken bör därför förses med funktioner som skyddar mot att de körs på för hög hastighet samt skydd mot korrosion mm. (Etsi, 2009).
Då basstationerna kräver kontinuerlig drift är det nödvändigt bygga upp ett system bestående av vindkraftverket, en energilagringsenhet samt ett styrsystem som reglerar om batteriet skall laddas eller användas. Likt fallet med solcellerna är problematiken framförallt att säkerställa kontinuerlig drift. Att använda vind som huvudkälla till energi är i sig inget problem, de stora problemfaktorerna är framförallt att systemet måste överdimensioneras för att klara av driftkravet (Schmitt, 2009).
5.1.2 Utveckling och mognadsgrad
Tekniken har funnits länge och är idag väldigt mogen. Man ligger nära gränsen för vad som är teoretiskt möjligt gällande verkningsgraden, det är därför inte troligt att det kommer att ske en större utveckling på det området.
Generellt sett är trenden att vindkraftverk blir större o större, och det är framförallt storskalig vindkraft som kommer ta ökade marknadsdelar. För småskalig vindkraft spås marknadsandelarna snarare minska. Det här talar för att en prisminskning inte är att vänta, tekniken kommer snarare hålla en ganska jämn prisnivå. Generellt så karakteriseras idag vindkraft av höga kapitalkostnader och låga operationella kostnader.
5.2 Bränsleceller
Bränsleceller är elektrokemiska reaktorer som nyttjar kemisk energi till att tillverka elektrisk energi (Etsi, 2009). Principen bakom tekniken liknar ett batteri med den stora skillnaden att den kräver bränsle, vanligen drivs den på vätgas. Cellreaktorn består av en anod där bränslet delas upp i elektroder och protoner och en katod dit protonerna leds genom en elektrolyt. Strömmen bildas när elektronerna vandrar genom en elektrisk ledning. Drivs bränslecellen på vätgas är det enda utsläppet vid drift vatten, som bildas i katoden när vätet reagerar med syre. Då bränsleceller inte har några rörliga delar är de tystgående och kräver lite underhåll, något som talar för att de skulle passa för off-‐grid applikationer. Tekniken finns i ett flertal variationer och systemets spänning kan anpassas beroende på vilken teknik som används. För detta ändamål är PEM-‐cellen (protone exchange membrane) den bäst lämpade då den ger en hög energidensitet och samtidigt har en anpassningsbar uteffekt. Denna flexibilitet tillsammans med en uppstartningstid på bara några millisekunder talar för att tekniken kan möta basstationers varierande energibehov.
5.2.1 Kompatibilitet med basstationer
Ett utav de viktigaste de viktigaste kraven som ställs på basstationers energisystem är att de ska klara av ett kontinuerligt energiflöde. Kravet kan uppfyllas av bränsleceller då dessa kan drivas utan avbrott så länge det finns bränsle att tillgå (Etsi, 2009). Detta innebär dock att bränsleceller är i behov av bränslepåfyllning, något som utgör ett problemområde hos tekniken. Väte kan produceras och lagras på ett flertal olika sätt, vilka alla innehar fördelar och nackdelar. Vanligt är centralproduktion av vätgas som sedan kan levereras i fast, gas eller flytande tillstånd. Transport av bränslet kan sedan ske i tankar, alternativt i rörledningar (Etsi, 2009). Det senare är dock inte aktuellt i detta sammanhang då det med största sannolikhet är troligare att en elledning kommer vara billigare att dra fram. Centralproduktion av väte skulle alltså innebära att det, liksom i fallet med dieselbränsle, skulle behövas transportera bränsle med tankar till platsen (Etsi, 2009). Detta alternativ innebär att en rad problem som återfinns i de nuvarande diesellösningarna, även kommer återfinnas hos bränslecellerna. En faktor som ytterligare problematiserar transporten av vätet är dess energidensitet. Sett till vikten har väte högre energidensitet än diesel, däremot är energidensiteten nästan en femtedel av dieselns sett till volymen (Edwards, et al., 2008). Det skulle med andra ord krävas nästan fem gånger fler bränsletankar för att frakta samma mängd energi väte-‐
som dieselbränsle. Att säkerställa en kontinuerlig drift skulle alltså innebära högre operativa kostnader jämfört med dieselbränsle. Denna lösning är därför framförallt aktuell då bränslet finns nära till hands (Fosberg, 2010).
