Examensarbete, 30 hp
FÖRSTÄRKNING AV UTSATTA DELAR AV ELNÄTET MED LOKALA ENERGISYSTEM
En undersökning om lokala energisystem kan implementeras i elnätet för att öka leveranssäkerheten av el till öar
STRENGTHENING EXPOSED PARTS OF THE ELECTRICAL POWER GRID USING
DISTRIBUTED ENERGY RESOURCES
An investigation of how distributed energy resources can be implemented in the electrical power grid to increase the
electricity supply security to islands Per Gunnarsson
EN1712
Förord
Det här examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och är avslutningen på utbildningen civilin- genjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet. Arbetet utfördes på uppdrag av Umeå Energi elnät under perioden 2017-01-16 till 2017-05-26.
Först vill jag tacka min handledare, Malin Janols, på Umeå Energi som har varit engagerad i arbetet och var till stor hjälp under arbetets gång. Jag vill också tacka alla arbetare på Umeå Energi som har hjälpt mig att svara på frågor och delat med sig av sin kunskap och gjort det här arbetet möjligt.
Sedan vill jag tacka Konrad Abramowicz som tog sig tid att hjälpa mig och svara på mina frågor.
Ett särskilt tack till min handledare, Jan-Åke Olofsson, på institutionen för tillämpad fysik och elektronik som har givit goda råd och vägledning under arbetets gång och styrt mig i rätt rikt- ning när jag fastnat i arbetet.
Per Gunnarsson Umeå, maj 2017
Sammanfattning
Det svenska elnätet har en mycket hög leveranssäkerhet på den el som skickas till kunderna och på många ställen kan elen levereras från flera håll till samma punkt. I utkanterna av elnätet som exempelvis öar, har inte elnätet samma säkerhet längre och om ett avbrott uppstår kan det vara vid dåligt väder. Framkomligheten blir svår och det kan ta tid att få dit en reparatör som kan laga felet. Syftet med det här arbetet var att undersöka om Umeå Energi Elnät (UEEN) skulle kunna använda sig av lokala energisystem för att motverka svåravhjälpta avbrott på öar och områden som är utsatta för den typen av avbrott, samt undersöka vilka komponenter som skulle krävas i en sådan lösning. Målet var att skapa ett lösningspaket som kan skalas om till olika antal abonnenter.
Lösningen togs fram genom att först undersöka vilka komponenter som vanligtvis används i loka- la energisystem. Därefter undersöktes och jämfördes komponenternas styrkor och svagheter med hjälp av fakta och resultat från vetenskapliga artiklar. De komponenter som inte var lämpade för den här typen av applikation eller som inte var tillräckligt bra, valdes successivt bort tills den bäst lämpade lösningen kvarstod. Den bästa lösningen blev ett litiumjonbatteri som laddas direkt av elnätet då den kräver lite underhåll, kan leverera höga effekter utan att ta skada och har en låg kapacitetsförlust. Anledningen till varför ingen lokal elproduktionsanläggning var med i lösningen beror på att ingen lösning är tillräckligt pålitlig för att kunna användas vid uppladdning av bat- terilagret och blir för stora om de ska användas till att göra ön självförsörjande. Detta beror på att de lösningar som är bäst lämpade som lokala elproduktionsanläggningar är för väderberoen- de och de lösningar som inte beror av vädret blir för stora och dyra för att vara rimliga alternativ.
Storleksdimensioneringen av batterilagret skedde utifrån avbrottsstatistik för Umeås landsbygds- nät. Genom att göra en täthetsfördelning över landsbygdsnätets avbrottsstatistik kunde sedan den bästa fördelningsfunktionen passas in till det datat. Den fördelning som passade bäst till datat var en weibullfördelning som visade i sin kumulativa täthetsfunktion att drygt 80 % av alla avbrott som sker i ett område, pågår i tre timmar eller mindre. Genom att anta att avbrot- ten på öar också följer den här funktionen sånär som på att deras avbrott blir längre, kunde en dimensioneringsmetod tas fram. Metoden gick ut på att energilagret dimensioneras efter de tre på varandra följande timmar med högst energiförbrukning i ett givet område under ett år, vilket garanterar att strömförsörjningen kan täckas i tre timmar. Med tanke på att energiförbrukningen varierar mycket beroende på årstid och tid på dygnet kan batterilagret därför också klara myc- ket längre avbrott än tre timmar. Anledningen till varför just tre timmar valdes beror på att ett större energilager inte täcker upp så många procent fler avbrott än ett energilager på tre timmar och ett mindre energilager skulle inte klara tillräckligt långa avbrott. Det finns teknologier som inom några år kan ha mognat tillräckligt för att vara en bättre lösning än den som presenteras i den här rapporten, men den här lösningen är fortfarande tillräckligt bra för att kunna användas till att motverka långa avbrott och är en lösning som troligen skulle fungera länge efter att den installerats.
Abstract
The Swedish electricity grid has a very high delivery reliability in the electricity that is sent to customers, and in many places the electricity can be delivered from several directions to the same point. On the outskirts of the mains, such as islands, the power grid does not have the same reliability anymore, and if an interruption occurs, it might be in bad weather conditions.
Accessibility becomes difficult and it may take time to get a repairman to the location who can fix the fault. The purpose of this thesis was to examine the possibility for Umeå Energi Elnät (UEEN) to implement distributed energy resources to counteract power failures on islands and areas that are more likely to experience these kinds of power failures. Also to examine what kind of components that would be required in such a solution. The aim was to create a solution that is scalable to match different amount of users. The solution was obtained by first examining which components are usually used as distributed energy resources and which energy storage solution that is most common. After that, the strengths and weaknesses of the components were compared by using results and facts from journal articles. Each component that was not good enough or well suited for the circumstances around Umeå, was gradually removed until the best- suited solution remained. The resulting best solution was a lithium ion battery because of its low maintenance, ability to deliver high power without taking damage and has a low capacity loss. The battery is charged directly from the electricity grid instead of being charged by a dis- tributed energy resource. The reason why no distributed energy resource is part of the solution is because none of the resources are sufficiently reliable to be used solely to charge the battery, and if they were to make the island self-sufficient, the amount of distributed energy resources would be too large and expensive. The reason why, is because the distributed energy resources that are best suited for this type of application, are far to weather dependent, and the energy resources that do not depend on the weather are too big and expensive to be reasonable solutions.
The size of the battery storage was based on power failure statistics on the rural electricity network around Umeå. By making a probability distribution from the power failure statistics, the best probability distribution function could then be fitted to that probability distribution.
The distribuition that was best fitted to the data was the weibull distribution that showed in its cumulative distribution function that more than 80 % of all power failures that occur in an area, lasts for three hours or less. By making the assumption that islands follow the same weibull distribution as the rural areas in general, with the exception that the power failures on the islands would be longer, a method for sizing the energy storage could be developed. By sizing the battery energy storage after the three consecutive hours with highest consumption in a year, three hours of energy reserve can be guaranteed. Considering that energy consumption varies greatly depending on the season and time of day, the battery energy storage can therefore also handle much longer interruptions than three hours. The reason why three hours was considered the ideal storage time, is because four hours or more does not cover that many more interruptions, and the cost of the larger amount of storage would be expensive. A shorter energy storage than three hours would not be able to counteract longer power failures and therefore not be a good solution.
Even though there are technologies that could mature enough to be a better solution than the one that is presented in this report, this solution is still good enough to be able to counteract long interruptions, and is a solution that is likely to work long after it has been installed.
Innehåll
1 Bakgrund 1
1.1 Syfte och mål . . . . 2
1.2 Problemformulering . . . . 3
1.3 Avgränsning . . . . 3
1.4 Angreppssätt för att lösa problemet . . . . 3
2 Fakta om det svenska elnätet och lokala energisystem 3 2.1 Sveriges elnät . . . . 3
2.1.1 Störningar i elleveransen . . . . 4
2.1.2 Redovisning av leveranssäkerhet . . . . 5
2.2 Decentraliserat elnät . . . . 6
2.2.1 Förlorad svängmassa när förnybar elproduktion ökar . . . . 6
2.3 Presentation av olika elproduktionslösningar . . . . 7
2.3.1 Småskaliga turbiner . . . . 8
2.3.2 Bränsleceller . . . . 9
2.3.3 Vindkraftverk . . . 11
2.3.4 Vågkraft . . . 12
2.3.5 Traditionella generatorer . . . 14
2.3.6 Solceller . . . 14
2.4 Lokala energisystem ur nätets perspektiv . . . 15
2.4.1 Konceptet mikronät . . . 16
2.5 Energilager i mikronätet . . . 18
2.5.1 Svänghjul . . . 18
2.5.2 Batterilager . . . 19
2.5.3 Kondensatorer och superkondensatorer . . . 21
2.5.4 Supraledande magnetiska energilager . . . 21
2.5.5 Vätgaslager . . . 22
2.5.6 Sammanställning av de olika energilagren . . . 22
3 Val och dimensionering av det lokala energisystemets komponenter 23 3.1 Stora Fjäderägg . . . 23
3.2 Data för Stora Fjäderägg . . . 24
3.3 Holmöns Naturreservat . . . 26
3.4 Val av lokal elproduktion . . . 26
3.5 Val av energilager . . . 28
3.6 Statistiska samband . . . 29
3.7 Dimensionering av energilager . . . 31
3.7.1 Statistiska beräkningar utifrån avbrottsstatistik . . . 32
3.8 Energilagrets storlek . . . 40
3.9 Val av system som kan upptäcka ö-drift . . . 41
3.10 Exempelområde . . . 42
3.11 Lagar för att placera ut batterier . . . 43
4 Resultat 44
5 Diskussion 45
6 Slutsats 49
7 Förslag på fortsatt arbete 49
1 Bakgrund
De ökande koldioxidutsläppen har gjort att den globala medeltemperaturen ökat. Världen över tas beslut om klimatmål och många länder såsom Tyskland, Kina och Japan gör stora satsningar på produktion av förnybar el i form av solenergi och vindkraft i ett försök att minska användan- det av fossila bränslen [1]. Sverige är också ett land som följer den här trenden. Mellan år 2014 och 2015 ökade Sverige elproduktionen av solenergi och vindkraft med 31 % [2] respektive 45 % [3] och år 2015 stod de tillsammans för 10,3 % av Sveriges elproduktion [4].
Den svenska elproduktionen har länge varit och är fortfarande ett storskaligt centraliserat pro- duktionssystem där vattenkraft och kärnkraft är de dominerande elproduktionssystemen, men ökningen av förnybara lokala elproduktionsanläggningar innebär att Sveriges elproduktion bör- jar decentraliseras. Det här skapar ett problem då den traditionella centraliserade och den nyare decentraliserade elproduktionen sker på lite olika sätt. Den traditionella elproduktionen från vattenkraft-, kärnkraft-, och kraftvärmeverk kan styras av en operatör. Elproduktionen kan ökas och minskas beroende på hur elbehovet från konsumenterna ser ut och produktionen måste i varje ögonblick vara lika stor som elanvändningen. Är produktionen för låg kan el köpas in från grannländer och är den för hög kan den säljas och på så sätt balanseras nätet upp [5].
Den decentraliserade elproduktionen kan inte kontrolleras av en operatör utan regleras istället av andra faktorer såsom väderförhållanden eller något lokalt reglersystem. Om elen skapas av en fossil källa är det en lokal regulator som sköter matningen till kunderna och om elen kommer från förnybara källor är det troligt att produktionen kommer från solenergi och vindkraft. De förnyelsebara energikällorna styrs av vind och solinstrålning vilket innebär att om det är soligt och blåsigt kommer produktionen vara hög, men när det är natt och vindstilla kommer produk- tionen att stanna av helt. Det här betyder att den producerade elen måste kunna lagras när produktionen är hög och behovet är lågt, för att sedan kunna nyttjas när situationen är den omvända. För det behövs ett energilager som kan lagra den producerade elen och sedan distri- buera den vid behov. Tillsammans bildar elproduktionsanläggningen med energilagret ett typ av lokalt energisystem, men det finns många varianter på hur ett lokalt energisystem kan se ut.
Hela kedjan av produktion, distribution och konsumtion av energi kallas för ett energisystem [6].
När det sker på lokal nivå är det ett lokalt energisystem och eftersom definitionen av ett ener- gisystem täcker upp ett stort område kan ett lokalt energisystem därför se ut på många olika sätt.
Det svenska elnätet har en mycket hög leveranssäkerhet på 99,98 % hos elen som skickas till kunderna, där den på många ställen kan leverera el från två håll till samma punkt, vilket resul- terar i den höga säkerheten i nätet [7]. I utkanterna av nätet som exempelvis öar, finns det inte längre samma säkerhet i elnätet och om ett avbrott uppstår kan det vara vid dåligt väder. Det kan då ta lång tid att få dit en reparatör som kan laga felet eftersom framkomligheten blir svår vid sådana förhållanden. I en rapport som Energimarknadsinspektionen skriver, nämns det att även om medelleveranssäkerheten är hög i ett område, kan det finnas delar i det området som har en hög osäkerhet i sin leverans, men som försvinner i medelvärdet [8]. I den rapporten står det också att även om drygt 90 % av Sveriges elkunder hade tre eller färre långa avbrott per år, vilket är gränsen för god elkvalitet, hade 0,7 % av kunderna 12 eller fler avbrott per år. De
hade alltså en överföring av el som inte kan anses vara av god kvalitet sett till antalet avbrott.
Den här andelen motsvarar ungefär 36 000 kunder och totalt uppgick kostnaderna för Sveriges elavbrott under 2015 till ungefär 1 miljard kronor.
I Sverige finns det sällan något backup-system på de platser där leveranssäkerheten är låg och på de platser där det finns en lösning handlar det ofta om dieselgeneratorer. Nackdelen med att placera ut enstaka lokala elproduktionssystem för att kunna upprätthålla leveransen av el då det annars skulle blivit strömavbrott, är att de ibland orsakar lika många problem som de löser [9].
Problem som osäkerhet i frekvens och spänningsnivåer, risk att strömmen matas åt fel håll när huvudledningen kopplas in, och risk för minskad säkerhet i skyddsutrustning är bara några av de problem som kan uppstå när backup-system kopplas in och ur huvudnätet. En bättre lösning som på senare tid tagit fart utomlands är så kallade microgrids som kan översättas till mikronät [10]. Dessa lokala energisystem definieras som en grupp sammankopplade laster och energikällor som är inom ett tydligt avgränsat område och som ur elnätets synpunkt kan ses som en enda styrbar enhet [11]. Mikronätet är sammankopplat och körs tillsammans med huvudnätet, men om problem skulle uppstå i detta, kan systemet fortfarande fungera och drivas helt isolerat från huvudnätet [12]. Elproduktionsanläggningarna i dessa system kan röra sig om allt ifrån småska- liga gasturbiner och bränsleceller till förnybart såsom solpaneler. Mikronätet kan både ta emot ström från nätet men även skicka ström om produktionen är för hög, vilket gör att elnätet går från att vara passivt till ett mer aktivt nät. Här finns potentialen att lokala energisystem kan hjälpa till att förstärka och säkra upp de svagare och utsatta delarna av det svenska elnätet och samtidigt hjälpa det att gå från ett centraliserat till ett mer decentraliserat nät. Det finns väldigt många lösningar på hur dessa system kan se ut, men det finns inget som tydligt är den bästa lösningen. Därför kommer det här arbetet att rikta in sig på att undersöka vilka lösningar som finns idag och vilken lösning som bäst skulle kunna förstärka och säkra upp de mer avskilda delarna av det svenska elnätet [13].
För att ha en bra utgångspunkt i arbetet kommer hjälp att tas från Umeå Energi Elnät som i likhet med resten av det svenska elnätet under vissa perioder med dåligt väder eller under andra omständigheter har problem med svåravhjälpta avbrott på vissa ledningar, främst mindre öar längs med kusten. De söker därmed en lösning för hur elnätet kan förstärkas och vill se vad en sådan lösning skulle innebära både för UEEN och deras kunder.
1.1 Syfte och mål
Syftet med detta arbete är att undersöka om UEEN skulle kunna använda sig av lokala energi- system på områden som är benägna att utsättas för svåravhjälpta avbrott, samt undersöka vilka komponenter som skulle krävas i en sådan lösning.
Målet är att skapa ett lösningspaket som kan skalas om till olika antal abonnenter.
1.2 Problemformulering
Umeå Energi Elnät har en hög leveranssäkerhet av el till sina kunder, men har haft en del problem med elleveransen till en ö som ligger alldeles i utkanten av elnätet. Ön som kallas Stora Fjäderägg är en liten ö bortanför Holmön och är den sista utposten i elnätet. Elkabeln som går till ön är relativt tunn och till största del luftburen, vilket gör att den lätt blir utsatt om träd blåser över den. Det är oftast vid dåligt väder som sådana problem kan uppstå och både vädret och det avskiljda läget gör att det är svårt att få dit en reparatör som kan laga felet. Ön är ett naturreservat med endast ett fåtal kunder, men för att UEEN ska kunna hålla uppe sin höga leveranssäkerhet vill de se till att sådana problem kan undvikas. En tanke på hur problemet skulle kunna lösas har varit att dra en ny sjökabel från en annan punkt till ön, men det följs av höga kostnader. Istället vill UEEN vilja undersöka möjligheten att ha ett system som skulle kunna upprätthålla elproduktionen i den här yttersta punkten om det uppstår problem med elleveransen från fastlandet.
1.3 Avgränsning
För att inte arbete ska bli för omfattande kommer endast befintlig teknologi behandlas. Med andra ord kommer inte ny forskning som inte kommersialiserats än tas med som en lösning, då den teknologin fortfarande inte finns tillgänglig att få tag på. För att minimera osäkerheten i resultatet kommer inte specifika produkter väljas ut, utan snarare kommer typer av produk- ter rekommenderas samt vilka egenskaper de måste ha för att lösningen ska fungera. Arbetet är teoretiskt och utan budget och därför kommer inte den lösning som tas fram appliceras i praktiken.
1.4 Angreppssätt för att lösa problemet
För att lösa det här problemet kommer först elnätets uppbyggnad beskrivas. Här kommer nätets generella struktur att behandlas, vilka typer av avbrott som finns samt hur det påverkas av den nya decentraliseringen. Efter det kommer de vanligaste typerna av lokala elproduktionsanlägg- ningar och energilager presenteras och vilka styrkor och svagheter respektive typ har. Slutligen kommer den lösning som är bäst lämpad för Stora Fjäderägg att tas fram tillsammans med en skalbar dimensioneringslösning.
2 Fakta om det svenska elnätet och lokala energisystem
I avsnitten nedan kommer all väsentlig fakta om det svenska elnätet och lokala energisystem att behandlas. Utifrån den här delen av rapporten byggs sedan resultatet för vilken den bästa lösningen är för UEEN.
2.1 Sveriges elnät
Det svenska elnätet kan delas in i tre nivåer: stamnät, regionnät och lokalnät. Definitionen av det svenska stamnätet är anläggningar på 220 kV och uppåt och det statliga affärsverket Svenska kraftnät är Sveriges enda stamnätsföretag [8]. Stamnätets ledningar består till största del (ca
75 %) av 400 kV-ledningar och resterande del består av 220 kV-ledningar [14]. Dessa ledningar sträcker sig över hela landet och får sin el levererad från större produktionsanläggningar såsom vattenkraft- och kärnkraftverk. När strömmen når regionnätet transformeras den ned till 20-130 kV och fungerar som förbindelsen mellan stamnätet och lokalnätet [15],[8]. Lokalnätet är den yttersta delen i nätet och här finns både högspänning på över 1 kV och lågspänning som ligger under 1 kV där majoriteten av alla kunder är anslutna till lågspänningsnätet på 0,4 kV. Det här är det klassiska centraliserade elnätet som matas uppifrån stamnätet, ned till kunderna i lokalnätet. Strömmen följer en flödesriktning nedåt vilket betyder att det mindre, mer avsides nätet är beroende av det större mer centraliserade nätet. Det här innebär generellt att ju större ledning som drabbas av ett fel, desto fler kunder drabbas då också [8].
2.1.1 Störningar i elleveransen
Energimyndigheten förklarar att elkunder kan drabbas av tre olika former av störningar i elleve- ransen: elavbrott, effektbrist och energibrist. De tre typerna presenteras nedan och uppkommer av olika anledningar, får olika konsekvenser och de hanteras på olika sätt [15].
• Elavbrott: Den formella benämningen av ett elavbrott är att elanvändarens anläggning är elektriskt frånkopplad i en eller flera laster. Elavbrott kan i sin tur delas upp i två kategorier; aviserade och ej aviserade. Ett aviserat avbrott innebär att kunden får veta i förväg att strömmen kommer att brytas under en tidsperiod exempelvis för att ett arbete ska utföras på en närliggande elledning. Ett ej aviserat avbrott är istället ett avbrott som sker oförberett. Det uppstår ofta i samband med dåligt väder eller någon typ av utrust- ningsfel. Elnätsföretagens ansvar och skyldigheter vid elavbrott regleras bl. a. i ellagen och i Energimarknadsinspektionens föreskrifter [15].
• Eleffektbrist: Elproduktionen och förbrukningen måste i varje ögonblick vara lika stor för att elnätet ska vara i balans . Svenska kraftnät har ansvaret att se till att lika stor mängd som konsumeras, i samma ögonblick produceras och därigenom upprätthåller balansen. Om elanvändningen är större än produktionen kommer en eleffektbrist att uppstå och detta är som vanligast under vintermånaderna då elbehovet är som högst. Även om det varit nära ett flertal gånger, har Sverige aldrig haft någon eleffektbrist [15].
• Elenergibrist: En elenergibrist är en långvarig situation då den samlade tillgången på el inte förväntas kunna motsvara behovet. En sådan situation skulle kunna uppkomma då vattenmagasinen är låga, en eller flera kärnkraftsreaktorer är stillastående och möjligheten att importera el från andra länder är begränsad. Om en sådan inte går att undvika utan ser ut att uppstå, kommer Energimyndigheten tillsammans med regeringen vidta nödvändiga åtgärder för att få ner förbrukningen [15].
Av dessa tre störningsformer är elavbrott den klart vanligaste. Längden på ett elavbrott definieras som långa och korta avbrott, där långa avbrott är längre än tre minuter och korta är mindre än tre minuter, men längre än 100 millisekunder. De korta avbrotten är vanligtvis kortslutningsfel vid exempelvis åska. Det som händer är att komponenter kopplas ur för att skyddas och kopplas sedan in igen automatiskt med hjälp av snabba eller fördröjda återinkopplingar. Genom att tillåta fler korta avbrott undviks istället längre avbrott som generellt är mer svårlösta. Om avbrott blir
för långa har kunden dessutom rätt till en avbrottsersättning [8]. Enligt ellagen har kunden rätt till en ersättning motsvarande 12,5 % av elanvändarens beräknade årliga nätkostnad om avbrottet är längre än 12 timmar men kortare än 24 timmar och det är ägaren av elnätet som betalar ut den här avgiften. Enligt lag får inte ett avbrott vara längre än 24 timmar, men om det händer har kunden rätt till ytterligare ersättning motsvarande 25 % av den beräknade årliga nätkostnaden för varje påbörjad 24-timmarsperiod [15]. I Figur 1 ges en tydligare bild på hur avbrotten kan se ut i ett svenskt landsbygdsnät.
(a) Antal avbrott som sker inom givna tidsinter-
vall som är kortare än en timme. (b) Antal avbrott som sker inom givna tidsinter- vall. Avbrotten samlas i staplar utifrån hur många timmar de pågår.
Figur 1 – De avbrott som skett på ett landsbygdsnät under åren 2014-2017.
2.1.2 Redovisning av leveranssäkerhet
Det finns ett flertal sätt för företag som äger elnät att redovisa hur säker elleverans de har. På regionnätsnivå är det vanligast att beteckningarna icke-levererad energi och icke-levererad effekt används, men för lokalnäten används mer kundviktade medelvärden. Ett vanligt förekommande sätt att benämna hur hög leveranssäkerhet ett elnätsbolag har, är genom ett värde som kallas SAIDI (System Average Interruption Duration Index). På svenska kan det översättas som den genomsnittliga avbrottstiden för årets alla långa avbrott per kund och år och beräknas på följande sätt.
SAIDI = A
K, (1)
där A är avbrottstiden i minuter eller timmar och K är antal kunder. Som tidigare nämnts i avsnitt 1 har en större del av elnätet en hög leveranssäkerhet och i många fall möjlighet att få matning från två håll, medan de utsatta delarna av nätet inte har den möjligheten och att de därmed blir mer utsatta om det blir ett elavbrott. Medelvärdet som Ekv. 1 visar, tar ingen större hänsyn till om ett fåtal kunder drabbas av längre avbrott, så länge den stora massan är utan avbrott. På grund av att det ofta används ett kundviktat medelvärde kan ett fåtal kunder med mer problem i elleveransen försvinna i medelvärdet om de övriga användarna har en hög
leveranssäkerhet [8].
Ett vanligt exempel som kan skapa längre avbrott är vid dåligt väder och träd blåser över elledningar och skapar elavbrott i ett område. Detta kräver då att en reparatör åker dit och lagar ledningen för att strömmen ska kunna komma tillbaka till det området. Anledningen till varför det ofta är problem med de mer avlägsna delarna av nätet är att det är så svårt att få dit en reparatör som kan lösa problemet. Uppstår problem i mer centrala delar kan elen matas från en annan riktning under tiden som felet lagas, men uppstår problem på mer avlägsna platser som exempelvis öar, sker oftast matningen från endast ett håll och det kan också vara svårt att ta sig dit. Här kan då ett fåtal personer drabbas av elavbrott en längre tid innan felet kan lagas. På grund av att nätet har en hierarkisk uppbyggnad, där elen matas uppifrån stamnätet och ned till lokalnätet, blir dessa personer helt beroende av det ovanförliggande nätet och blir därför också väldigt utsatta om fel uppstår.
2.2 Decentraliserat elnät
Att elnätet decentraliseras innebär att elproduktionen flyttas från de stora vattenkraft- och kärn- kraftanläggningarna till mindre, lokala elproduktionsanläggningar. Det här gör att nätet stärks på lokalnätsnivå och kan därför motverka de långa avbrott som skulle kunna uppstå. En lokal elproduktionsanläggning kan vara så liten som solpaneler på ett villatak, men kan också röra sig om en stor vindkraftsanläggning. Som tidigare nämndes ökade Sveriges elproduktion av so- lenergi och vindkraft mellan år 2014 och 2015 med 31 % respektive 45 % och år 2015 stod de tillsammans för 10,3 % av Sveriges elproduktion [2],[3],[4]. Det betyder att decentraliseringen av det svenska elnätet redan är igång. Även om fördelarna med dessa förnyelsebara energikällor är många, tillkommer det också en del problem som presenteras i avsnitt 2.2.1.
2.2.1 Förlorad svängmassa när förnybar elproduktion ökar
Den klassiska centraliserade elproduktionen sker med hjälp av stora synkrongeneratorer som är direkt kopplade till elnätet. De här generatorerna har en stor svängmassa som fungerar som en tröghet mot förändringar i det drivande vridmomentet från kraftverkets turbin och det bromsande vridmomentet från den elektriska belastningen. Rörelseenergin i svängmassan hos synkrongene- ratorerna utgör en mycket viktig del i elnätets balansreglering. Om lasten på nätet ökar kommer uteffekten ur produktionsanläggningarna att öka, vilket tas ur rörelseenergin hos synkrongenera- torn. Med andra ord kommer rotationshastigheten att sänkas något och det här visar sig i form av en sänkt frekvens i nätet. När frekvensen sänks ökas produktionen automatiskt i produktions- anläggningarna för att återfå den korrekta frekvensen och på så sätt hålls elnätet i balans. Med andra ord kommer en större svängmassa i systemet också innebära att systemet har en större tröghet, vilket i sin tur innebär att systemets aktiva effektreglering får större tidsutrymme att höja eller sänka den tillförda energin till systemet [17]. I dagsläget finns det ungefär 60-90 MWh rörelseenergi lagrat i form av svängmassa i det svenska elnätet som hjälper till att hålla en god elkvalitet i elnätet [18].
De nya typerna av förnybara energikällor som har börjat införas mer och mer i det svenska elnätet, medför inte någon kinetisk energi i form av svängmassa och bidrar därför inte till att hålla uppe trögheten i elproduktionen. En modern vindturbin matar producerad effekt till nätet via en omriktare vilket betyder att varvtalet inte är beroende på elnätets frekvens på samma sätt. Solceller producerar el helt utan roterande massa och bidrar inte heller till någon ökad svängmassa till systemet. Det här innebär att ju större del av den svenska elproduktionen de här typerna av system bidrar med, desto lägre kommer systemets tröghet att bli [18].
Även om de småskaliga energikällorna inte bidrar med någon svängmassa bidrar de ändå med ström till nätet. Problemet med exempelvis sol- och vindkraft är att deras elproduktion styrs av väderförhållanden snarare än elbehovet. I Figur 2 visas osäkerheten i elproduktionen hos dessa energislag.
(a) Elproduktion från en solcellsanläggning i
Umeå en dag med varierad molnighet. (b) Elproduktion från ett vindkraftverk i Umeå en dag med varierad vindstyrka.
Figur 2 – Elproduktion från en solcells- och vindkraftsanläggning i Umeå under dagar med varierande väderförhållanden.
Även om den mängd el som produceras av ett lokalt energisystem är varierande och väderberoende måste den el som produceras gå att använda. Beroende på vilket energisystem som används kommer antingen växelström eller likström att produceras och de här strömmarna måste anpassas för att de ska kunna skickas ut i elnätet. Det här görs med växelriktare och likriktare. Som namnet antyder omvandlar de ström från likström till växelström och vice versa. De reglerar strömmens spänning och frekvens så den uppfyller de krav som ställs på strömmen i elnätet.
2.3 Presentation av olika elproduktionslösningar
Det finns en mängd olika sätt att producera el på en lokal nivå och alla sätt har sina för- och nackdelar. Exempel på saker som påverkar vilket system som fungerar bäst är var det ska sättas upp, hur mycket el den måste producera, hur säker elproduktionen måste vara, vilken energikälla den använder och geografiska förutsättningar. Vilken lokal elproduktion som är den bästa kommer därför att skilja från fall till fall. För att ge en tydlig överblick över de olika elproduktionssystemen som finns tillgängliga idag kommer en sammanställning i avsnitten nedan över vilka typer som finns och vilka egenskaper de har.
2.3.1 Småskaliga turbiner
Grundprincipen för hur en gasturbin fungerar är att den tar in atmosfärsluft i en kompressor som ökar trycket på luften. Luften skickas vidare in i förbränningskammaren där bränslet sprayas in och antänds tillsammans med luften. Detta skapar en gas med högt tryck och hög temperatur som skickas vidare till turbinen. Här tillåts gasen expandera då den färdas genom turbinen, vilket skapar en rotation i turbinaxeln och därigenom skapas också ett axelarbete. En del av axelarbetet går åt till att driva gasturbinens kompressor men det övriga arbetet kan användas till att driva en elgenerator och på så sätt skapa el. När avgaserna lämnar turbinen har de fortfarande en hög temperatur och tillsammans med att turbinen måste använda en del av det skapade arbetet till att driva kompressorn, blir verkningsgraden i denna teknologi relativt låg. En tydligare överblick över gasturbinen visas i Figur 3.
Figur 3 – Schematisk bild över en gasturbin. I 1 tas atmosfärsluft in i kompressorn som höjer trycket på luften. I 2 skickas den vidare in i förbränningskammaren där bränsle blandas in och antänds. I 3 skickas gasblandningen vidare till turbinen där den expanderas, vilket i sin tur skapar ett axelarbete som driver kompressor och generator. Slutligen skickas gasen ut ur turbinen i form av avgaser.
Den småskaliga turbinen beskrivs som en enkel form av gasturbinen, och är en relativt ny form av elproduktionsanläggning. Den småskaliga turbinen kallas också för en mikroturbin och har många bra egenskaper. Den har vanligtvis en rekuperator (motströmsvärmeväxlare) där energi från avgaserna används till att värma den komprimerade inloppsluften innan den når förbrän- ningskammaren för att förbättra verkningsgraden. Trots denna åtgärd ligger verkningsgraden ändå bara runt 30 % hos mikroturbinerna, men räknas ändå vara effektivare än traditionella turbiner i samma storleksklass. Andra fördelar med dessa turbiner är att de har låga utsläpp.
Den effektiva luft-bränsleblandningen resulterar i låga NOx-utsläpp, (mindre än 10 ppmvd), kol- monoxidutsläpp och även låga värden i oförbrända kolväten [19]. Utsläppen är så låga att den ofta klarar sig utan någon efterbehandling av utsläppen, till skillnad från förbränningsmotorer,
vilket innebär en ekonomisk fördel för mikroturbinen. Den körs vanligen på naturgas eller fly- tande bränslen som bensin [20], men kan även köras på förnybara drivmedel [19].
Mikroturbinen arbetar i upp emot 100 000 rpm och den el som generatorn producerar är en växelström med hög frekvens. För att kunna använda strömmen har de flesta mikroturbiner ett inkopplat reglersystem som kan omvandla den högfrekventa strömmen till det mer använ- darvänliga 50 Hz och 400 V. Det här sker i två steg: i det första steget går den högfrekventa växelströmmen från generatorn in i en likriktare, där den omvandlas till likström. I det andra steget omvandlas strömmen med en växelriktare, tillbaka till växelström med den spänning och frekvens som önskas och slutligen, med hjälp av filter tas oönskade övertoner bort. Fördelen med den här typen av teknologi är att växelriktaren har inbyggda skyddsrelän och behöver därför säl- lan någon extrautrustning för att kopplas in i elnätet. En annan fördel är att flera mikroturbiner kan kopplas till samma reglercentral i ett lokalt energisystem, vilket innebär att alla turbiner kan hanteras som en energikälla där deras enskilda spännings- och effektproduktion kan varieras för maximal total verkningsgrad [19].
Det finns också en del nackdelar med dessa system. Förutom att verkningsgraden är låg, anses mikroturbinens styrka ligga i att sammankoppla den med ett värmesystem så att den både fungerar som ström- och värmekälla för att den ska ge bättre totalverkningsgrad. I ett system där uppvärmning kommer från andra energikällor blir därför mikroturbinen en energikälla med låg verkningsgrad [19].
2.3.2 Bränsleceller
En bränslecell är en apparat som kan omvandla kemisk energi i ett bränsle direkt till elektrisk energi med hjälp av kemiska reaktioner. Det här påminner i många avseenden ett batteri, men med en stor skillnad. Ett batteri matas med elektrisk energi som den sedan lagrar och distribuerar vid ett senare tillfälle, medan en bränslecell matas med bränsle för att omvandla det till elektrisk energi. Det betyder att batteriet har en begränsad tid den kan tillgodose el innan den måste laddas, medan bränslecellen kan leverera el under mycket längre perioder. Bränslecellen är även i innehåll väldigt lik ett batteri. Den består av två elektroder: en anod som skickar ut elektroner och en katod som absorberar elektroner. Elektroderna är avskiljda av elektrolyten som har till uppgift att transportera joner mellan elektroderna. Beroende på vilken typ av bränslecell som används kan elektrolyten både vara i fast eller flytande form. För att producera el i bränslecellen tillförs vätgas till anoden, där den omvandlas till vätejoner och elektroner. I katoden tillförs syre och när vätejonerna som transporteras genom elektrolyten når katoden reagerar vätejonerna med syret och absorberar elektroner från katoden och bildar vatten [21]. I Figur 4 visas bränslecellens funktion tydligare.
Figur 4 – Schematisk bild över en bränslecell. Vätgas tas in till anoden där den omvandlas till vätejoner och elektroner. Elektronerna går från anoden till katoden via en last. Protonerna vandrar genom elektrolyten till katoden där de reagerar med syre och bildar vatten.
Hur mycket el som en bränslecell producerar är beroende av två saker: hur mycket bränsle som tillförs i form av vätgas och syrgas, samt masstransporten av joner genom elektrolyten. Bräns- leceller är väldigt temperaturberoende anordningar. Låga temperaturer ger en låg aktivitet i bränslecellen medan en hög temperatur ökar aktiviteten, men sänker då istället livslängden på komponenterna. Det finns en uppsjö av olika typer av bränsleceller som exempelvis har olika typer av elektrolyter och olika temperaturspann som de arbetar bäst i [21].
Det finns många fördelar med bränsleceller. Förutom att bränslecellens enda utsläpp är vatten, har den också en hög verkningsgrad. Då förbränningsmotorer använder sig av att gas expanderas för att utföra arbete förloras en stor del av energin i form av värme. De kommer därför som högst upp i runt 40 % verkningsgrad. Bränsleceller som istället omvandlar kemisk energi direkt till elektrisk energi kan istället komma upp i en verkningsgrad så hög som 60 %. Det är också en stor ljudskillnad mellan ett förbränningssystem och en bränslecell. Till skillnad från exempelvis dieselgeneratorer är bränsleceller nästan helt ljudlösa då de körs [21].
Trots att fördelarna är många, finns det även en del nackdelar med bränslecellen. Vätgas går att producera på många sätt, där det vanligaste är från den fossila källan naturgas [22]. I proces- sen omvandlas naturgas till en syntesgas bestående av vätgas (H2), kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2), metangas (CH4) samt vattenånga [23]. Det här innebär att även om själva förbränning- en av vätgas är ren, produceras ändå växthusgaser i samband med användningen av vätgas.
Dessutom går en del av den totala verkningsgraden hos vätgasen förlorad om den först måste framställas ur naturgas. Den går även att framställa genom elektrolys av vatten men problemet här är att det är en mycket kostsammare process än att framställa det ur fossila källor och därför
är denna teknologi inte lika utbredd. Den största utmaningen för vätgasen är dock hur den ska lagras. Vätgasen har ett högt energiinnehåll per viktenhet, men har istället ett lågt energiinne- håll per volymenhet, vilket betyder att det krävs stora volymer vätgas för att få en betydande energimängd. Det finns sex sätt som kan användas för att lagra vätgas, där de två vanligaste är i gasform eller komprimerad till en vätska och de andra innefattar lagring i andra material. Om vätgasen ska lagras i gasform, lagras den hårt trycksatt i gasbehållare i upp emot 800 Bars tryck.
För att kunna lagra vätgasen ännu kompaktare och därigenom med större energitäthet, lagras den istället som vätska med temperaturen 21 K. Båda typerna av lagring skapar problem då det första lagringssättet innebär enorma påfrestningar på tryckkärlet och det andra sättet innebär lagring i en kryogen behållare [24].
I dagsläget finns ingen storskalig produktion i Sverige och Elforsk skriver att för att vätgaspro- duktionen ska etablera sig i Sverige måste först intresset för vätgasbilen öka, men som i dagsläget ser ut att förlora kampen mot elbilen som redan har en etablerad infrastruktur i landet [23].
2.3.3 Vindkraftverk
Vindkraften är den snabbast växande förnyelsebara energikällan i världen [1]. Elen produceras av vindturbiner som omvandlar rörelseenergin hos vinden till elektrisk energi. Elen produce- ras i vindkraftverk genom att den kinetiska energin hos vinden omvandlas till elektrisk energi i vindturbinen. Detta sker genom att vind blåser över turbinbladen, vilket får turbinen att börja rotera. Turbinen är i sin tur kopplad till en generator och när turbinen snurrar börjar gene- ratorn producera el [25]. Det finns två typer av vindturbiner: horisontalaxel och vertikalaxel.
Horisontalaxelvindturbiner är vanligare och mer ekonomiskt lönsamma är vertikalaxlade. De ho- risontalaxlade turbinerna kan antingen ha hög eller låg soliditet och med det menas hur många procent av den svepta arean som består av fast material. En vindturbin med flera breda blad har en hög soliditet, medan en med få och tunna har en låg soliditet. Vanligast är den typen som har en låg soliditet eftersom den har högst verkningsgrad, producerar mest el och är mest kostnadseffektiv [26].
Vindturbiner finns i många olika storleksklasser, där det finns allt ifrån små produktionsanlägg- ningar för hushåll till turbiner med 8 MW produktionskapacitet. För att veta hur mycket el som går att producera i ett område används väderdata som säger hur mycket det blåser i det området [25]. Enligt en lag som kallas Betz lag går det inte att tillgodogöra sig mer än 59 % av vindenergin med ett vindkraftverk. Ytterligare energiförluster i exempelvis växellådan, gene- ratorn, och över turbinbladen sänker verkningsgraden ytterligare. Totalverkningsgraden hos ett effektivt vindkraftverk ligger därför runt 25 % [27]. Den här verkningsgraden säger bara hur stor del av vindens energi den kan tillgodogöra sig. Det finns ett värde till hos vindkraftverk som kallas för kapacitetsfaktorn. Vad den faktorn visar är hur mycket el som ett kraftverk producerar jämfört med vad den högst kan producera. Även om vindturbinen roterar runt 65-90 % av tiden, går kraftverket på full effekt endast ca 10 % av tiden. Det här ger ett typiskt vindkraftverk en kapacitetsfaktor på ungefär 20-40 %. Detta beror på att det är vindstyrkan som avgör hur mycket el om kan produceras [28]. I Figur 5 visas data för vindkraftsproduktionen såg ut i ett vindkraftverk i Obbola utanför Umeå under 2016.
(a) Timvärden på produktionen år 2016 ur ett 2
MW vindkraftverk utanför Obbola. (b) Medelkapacitetsfaktorn för varje timme under 2016. Totala kapacitetsfaktorn ligger på 33 %.
Figur 5 – Hur vindproduktionen sett ut i ett 2 MW vindkraftverk i Obbola under 2016. I (a) visas spridningen i elproduktionen och i (b) visas hur medeleffektfaktorn ser ut varje timme under ett år.
Även om vindkraften är en ren förnyelsebar energikälla, kommer den med nackdelar. Förutom osäkerheten i elproduktionen finns det finns tre huvudsakliga problem med vindturbinen: ljudni- vån, utseende och lokal miljöpåverkan. När vindturbinens blad roterar uppstår dels ett mekaniskt ljud ur bland annat växellådan och även ett aerodynamiskt ljud som uppstår av att turbinbladen roterar i hög hastighet genom luften. Ett av de största missnöjen som kommer från allmänheten är vindturbinernas utseende. De höga tornen tillsammans med de roterande bladen syns på lång väg och har ofta mötts av motstånd på ställen där en installation har planerats [26].
Den lokala miljöpåverkan handlar i stor utsträckning om hur det marina livet påverkas samt att fåglar och fladdermöss flyger in i turbinbladen. Vindkraften har en mycket låg inverkan på det marina livet och fåglar kolliderar mycket sällan med turbinbladen. Fladdermöss påverkas däremot mer frekvent eftersom insekter vid vissa tidpunkter samlas vid kraftverken [29].
2.3.4 Vågkraft
Vågkraft är en energikälla som tar sin energi direkt ur havet och eftersom vågorna bildas av vindar, kan vågkraften ses som en indirekt form av solenergi. Vågor bildas av att vind blåser över det översta vattenlagret som skapar små vågor på ytan. Vinden fortsätter blåsa över de små vågorna, vilket får dem att växa. Vågorna växer ihop med varandra och bildar ännu större vågor.
Så länge som vattnet är djupare än vågens våglängd, kommer vågorna röra sig med väldigt låg energiförlust. Inom vågkraft är energiinnehållet i vågen intressant för att veta hur mycket energi som kan erhållas. Vanligtvis beräknas energin i vågen som Watt per meter vågfront och är den energi som passerar genom en yta, vinkelrät mot vågens utbredning per tidsenhet. Ett vågkraft- verk kan inte tillgodogöra sig all energi i vågen utan kan bara ta tillvara på en viss del av vågens energi. Hur stor den här siffran är, varierar mycket beroende på vilken typ av vågkraftssystem som används men ligger mellan 3-65 % [30].
Vågkraft har många fördelar mot andra förnybara energikällor och de största fördelarna listas nedan [31]:
• Vågenergi har den högsta energitätheten av alla förnybara energikällor
• Den har en låg negativ miljöpåverkan.
• De säsongsbetonade förändringarna i vågornas styrka följer samma kurva som det årliga elbehovet.
• Vågenergi är förutsägbar.
• Den tid då energi går att ta ur vågorna är kontinuerligt under en dag och ligger runt 90 % av dagen. (Kan jämföras med runt 30 % av dagen hos vindenergi.)
Trots att det finns så många fördelar med vågkraften har ingen tydligt bästa lösning för att utvinna energin tagits fram. Faktum är att utvinna vågenergi har varit en av de största pro- blemen med att designa ett förnybart kraftverk det senaste årtiondet [31]. Det finns en mängd olika teknologier för vågkraft, där samtliga har en egen typ av lösning på problemet [32]. Det finns hundratals olika typer av vågkraftverk som designats och testats, men majoriteten av dessa lösningar behöver fortfarande förbättras [31]. Beroende på hur omständigheterna ser ut i form av vattendjup, område (vid land, nära land eller ute till havs) och geografiska förutsättningar, ser teknikerna olika ut. De som placeras vid land är lättast att installera och underhålla och ställs oftast på havsbotten eller fixeras vid stenar under vattnet. De är lättare att hantera eftersom de inte behöver långa undervattenskablar och behöver heller inte förtöjas [32]. Nackdelen med dessa är att de grunda vattnen inte har lika hög energitäthet som på djupare vatten då energin hos vågen minskar vid minskat vattendjup [30]. På djupare vatten (mer än 40 meter djupt) är det vanligt med oscillerande system som vanligtvis ligger på ytan, men som också kan vara helt nedsänkta under vattnet. I de här djupa vattnen är vågrörelserna mycket kraftfullare och de oscillerande systemen kan på ett bra sätt ta tillvara på energin i vågorna. De här systemen är mer komplexa och är svårare att underhålla, placera ut och kräver långa elkablar in till land [32].
Varje system har olika verkningsgrad beroende på hur området ser ut och därför är det viktigt att välja rätt typ av system för ett givet område [31]. Eftersom det finns så många olika typer av vågkraftverk är det svårt att ge en schematisk överblick över hur de fungerar. Istället kan de tre kategorier de delas in i förklaras lite mer ingående. De tre typerna är överrinningssystem, oscillerande vattenpelare och oscillerande kroppar [30].
Överrinningssystemen låter vågor slå in i en bassäng som ligger över medelvattennivån och låter vattnet i bassängen rinna genom en turbin tillbaka ned i vattnet [30].
System med oscillerande vattenpelare använder den varierande vattennivån för att styra luft fram och tillbaka i en cylinder som i sin tur driver en turbin [30].
Den sista kategorin är oscillerande kroppar och kan antingen vara ovanför eller under vattenytan.
Ett exempel på oscillerande kroppar ovanför ytan är en boj som följer med vågornas rörelser och som kopplas till en generator på havsbotten. Generatorn utnyttjar bojens rörelse uppåt och nedåt för att omvandla den mekaniska energin till elektrisk energi. Kroppar under ytan fungerar på liknande sätt. Vågorna skapar rörelse i en kropp som är förankrad på botten. Kroppens rörelse
omvandlas till elektrisk energi och skickas in till land via en undervattenskabel [30].
Det majoriteten av vågkraftverken har gemensamt är att det inte går att koppla dem direkt till elnätet och att elen behöver omformas innan den skickas in i elnätet [33]. Vågkraft är inte så vanligt i Bottenhavet och ännu ovanligare uppe i Bottenviken. Ett problem som yttrar sig i Bottenviken är att havet fryser på vintern, vilket förhindrar att vågor bildas och därigenom förhindrar möjlig elproduktion. På sommartid finns det dock möjlighet till elproduktion, men vågorna är inte särskilt energirika i dessa vatten [34].
2.3.5 Traditionella generatorer
Dieselgeneratorer är i dagsläget den mest populära typen av reservkraftsystem. Den används i många lokala energisystem och fungerar bra för att täcka upp baslasten i systemet [20]. En die- selgenerator består huvudsakligen av en explosionsmotor, synkrongenerator, automatiskt spän- ningsregleringssystem, hastighetsregulator, batteri och startmotor, automatiskt bränsleinjektions- och antändningssystem och en bränsletank. När en dieselgenerator startar upp behöver den ett antal sekunder innan den kan leverera el till elnätet. Detta beror på att den måste komma upp i rätt varvtal innan den klarar av att leverera rätt spänning och frekvens till elnätet och kopplas inte in förrän den nått rätt värden på strömmen. Verkningsgraden ligger mellan 36-43
% och generatorerna går bra att skala uppåt och nedåt, där de största kan vara upp emot 10 MW. För att en dieselgenerator ska kunna leverera den märkström som den specificerar måste generatorn startas upp och köras med jämna mellanrum för att den ska fungera som den ska [35].
Förutom att dieselgeneratorer kan köras på diesel kan de även drivas av biodiesel, vilket innebär att de inte behöver vara en fossil energikälla. Biodiesel har dock problemet att den lätt oxideras, vilket gör att längre lagringsperioder kan komma att påverka bränslets egenskaper och även kvaliteten. I en studie som jämförde olika typer av biodiesel visade det sig att samtliga typer klarade av att lagras i 12 månader innan dieslets kvalitet sjönk under specifikationsgränsen för vilka egenskaper biodiesel ska ha [36].
2.3.6 Solceller
Solceller är en förnyelsebar energikälla som har ökat kraftigt på sista tiden [1]. Elproduktion från solceller sker på många olika nivåer; alltifrån strömproduktion till elektronik, till storskaliga el- produktionsanläggningar. Den stora fördelen med solenergi är att det är en energikälla som finns i överflöd och som ständigt skickas i enorma mängder till jorden. Elen produceras genom att solljus träffar ett halvledarmaterial i cellen och en potentialskillnad uppstår. Solcellen i sig kan bara producera någon enstaka watt, men genom att gruppera en massa solceller till en solpanel kan mer energi produceras. Solpanelerna kan sedan i sin tur kopplas samman och ju fler paneler som kopplas ihop, desto mer el kan produceras. Det här är en styrka hos solpaneler. Förmågan att kunna anpassa storleken från att försörja enskilda hushåll, till storskalig elproduktion gör att det är en mycket flexibel energikälla [37]. I Sverige har solpaneler länge nästan uteslutande varit av intresse för mindre elanvändare såsom husvagnar, båtar och sommarstugeägare som inte varit kopplade till elnätet. Det har dock skett en stor förändring inom det här området, både i
Sverige och utomlands. I slutet av 2015 fanns det mer än 11 gånger så många installationer av solceller som var sammankopplade med elnätet jämfört med de som var utanför nätet. Det rör sig dock till majoritet om mindre installationer på exempelvis villor och väldigt få centraliserade anläggningar, där den största ligger runt 1 MW [2].
Solpaneler har flera fördelar. En fördel är att elproduktionen sker helt utan produktion av växt- husgaser [38]. En annan fördel är att solpanelerna stadigt har sjunkit i pris. De har länge varit relativt dyra att köpa in, men det har skett en stor prissänkning de senaste åren. Även om takten som priset sjunkit med har avtagit, sjunker priserna för varje år [2].
Solceller har dock en stor nackdel. Den kan bara producera el när den belyses. Det här betyder att om solceller ska kunna användas mer än bara dagtid, måste den elenergi den skapar under dagen kunna lagras på något sätt. Det finns många sätt att lagra elen på, men den vanligaste är med hjälp av batterier [38].
2.4 Lokala energisystem ur nätets perspektiv
Även om tanken med att fördela ut lokala elproduktionsanläggningar är att förstärka och för- bättra kvaliteten hos elnätet, kan de här systemen också ha en negativ inverkan. Om elnätet inte anpassas för en lokal energikälla kan problem som felriktat effektflöde, felaktig spänningsnivå och överhettade kablar uppstå. Är systemen inte rätt inkopplade kommer de inte heller att kunna förse det närliggande området med el om det blir något fel på elledningen [40].
Det största problemet som kan uppstå med lokala energisystem är en så kallad oönskad ö-drift.
Oönskad ö-drift är ett fenomen som uppstår då det lokala elnätet isoleras från det övriga nätet, men den lokala energikällan fortsätter att mata el till ledningen. Att elnätet isoleras innebär att ett fel uppstår som exempelvis att träd faller över en elledning som då skadas och inte längre klarar av att distribuera el. I det traditionella nätet som matas centralt och utåt i ledningarna innebär det här inget större problem än att ledningen måste lagas, men om en lokal energikäl- la fortfarande är igång och spänningssätter nätet innebär det här en stor risk för den som ska reparera ledningen. Det finns även andra problem med oönskad ö-drift. Det elnät som fortfaran- de matas av den lokala energikällan kan få stora spännings- och frekvensvariationer, systemets jordning kan försämras och när systemet kopplas in igen kan överspänning, stora strömmar och transienter uppstå, vilka kan skada elektronisk utrustning [41].
En relativt ny lösning som har börjat appliceras på många håll i världen är mikronät och kom- mer från engelskans microgrid. De här systemen skiljer sig från lokala energikällor på så sätt att de inte behöver regleras utan sköter elproduktionen och distributionen automatiskt. Ett mikro- nät definieras som en grupp sammankopplade laster och energikällor som är inom ett tydligt avgränsat område och som ur elnätets synpunkt kan ses som en enda styrbar enhet [11]. Det här innebär att elnätet blir mer aktivt och mikronät har kallats för byggstenarna till det smarta elnätet. Det finns en stor skillnad mellan att placera ut ett lokalt energisystem och att få kalla ett område för ett mikronät. Den lokala energikällan fungerar endast som ett stöd till elnätet, med andra ord styrs den av elproduktionen från den primära energikällan som är elen som matas från
elnätet, och om elledningen bryts kan inte det lokala energisystemet drivas. Det betyder alltså att även om en lokal energikälla är inkopplad till elledningen kommer de inte kunna motverka ett strömavbrott om det blir något fel på huvudledningen. Ett mikronät kan däremot både köras tillsammans med elnätet och även klara sig själv om det blir något problem med matningen från den primära elkällan. Den kan skicka elen åt båda håll i elnätet, vilket betyder att om pro- duktionen i området är högre än konsumtionen, kan elen skickas uppåt i elnätet så att den kan användas i andra områden. Det här kan inte enbart en lokal energikälla göra, utan här kommer produktionen begränsas ifall behovet inte är tillräckligt högt. Det här är en klart icke önskvärd egenskap med ett lokalt energisystem då tanken med investeringen ofta är att få utnyttja förde- larna med förnyelsebara energikällor och att inte få köra energisystemet på full kapacitet innebär att investeringen inte blir så bra som grundtanken kan ha varit [13].
2.4.1 Konceptet mikronät
Det finns vissa krav för att system ska få kalla sig ett mikronät. En tydligare förklaring över vad ett mikronät är för något ges i [13] och definieras på följande vis: mikronät är ett låg- eller mellanspänningsnät med lokala energikällor till exempel småskaliga turbiner, bränsleceller, solceller som är kopplat till någon form av energilager (svänghjul, kondensatorer eller batterier).
De här systemen kan antingen styras manuellt om det är kopplade till elnätet, men kan också styras automatiskt om de kopplas bort från huvudnätet. I vanliga fall styrs de alltså centralt, men när ett fel uppstår kan de fortfarande förse ett lokalt område med el. Det betyder också att om ett område har en lokal energikälla inkopplat till nätet behöver det inte vara ett mikronät [13]. I Figur 6 visas en schematisk bild över ett mikronät.
Figur 6 – En schematisk bild över hur ett mikronät kan se ut.
För att ett mikronät ska fungera måste i- och urkopplingen till nätet fungera på ett bra sätt och om ett fel på distributionsnätet uppstår måste det kunna upptäckas av någon komponent i mikronätet. Detta är svårigheten med den här typen av nät. Att mikronätet ska kunna leverera ström av lika god kvalitet som huvudledningen och kunna välja att koppla bort huvudledningen om strömmen inte håller tillräckligt god kvalitet eller om det blir något fel. Det här ska samord- nas och fungera utan en komplicerad och specialgjord lösning [20].
Det finns två sätt för att oönskad ö-drift ska kunna upptäckas av mikronäten. Det ena sker på lokal nivå och det andra sker via fjärrstyrning. På lokal nivå mäts olika parametrar på mikronät- sidan och här används både en så kallad aktiv och passiv metod för att upptäcka ö-drift. Den passiva metoden mäter parametrar och variabler som spänning, ström, frekvens och fasvinkel för att lokalisera eventuell ö-drift. Den aktiva metoden injicerar avsiktligt störningar för att se om det påverkar någon av parametrarna spänning, frekvens, effekt eller impedans [42]. Antingen används den passiva eller aktiva metoden separat eller också kombineras den passiva och aktiva metoden för att öka pålitligheten i systemet och kallas då hybridmetod [41].
Fjärrstyrningen använder kommunikation mellan mikronätet och huvudnätet för att upptäcka och hantera oönskad ö-drift. Det finns flera sätt som mikronätet kan kommunicera med huvud- nätet, men vanligt är att placera sändare på huvudnätet och mottagare på mikronätet. Så länge ström går genom huvudnätet skickar sändaren signaler till mottagaren och slutar ström att gå genom huvudnätet slutar sändaren skicka signaler och mikronätet kan då kopplas bort från nä- tet. Ett annat sätt är att använda kommunikationsutrustning som baseras på radiolänkar eller telefonlänkar, till mikronätet för att kontrollera den på det viset. Fjärrstyrning har en mycket låg felmarginal, och är effektivt i system med många växelriktare, men kräver större investeringar.
Det innebär att de här typerna av system inte är ekonomiskt försvarbara i mindre mikronät [42].
Reglersystemens funktion är tämligen avancerade och inte fokus i det här arbetet så för att ge en bra överblick över de olika systemens för- och nackdelar presenteras de i Tabell 1.
Tabell 1 – För- och nackdelar med respektive metod för att upptäcka oönskad ö-drift [41].
Metodtyp Fördelar Nackdelar
Fjärrstyrning Mycket säker. Dyr att implementera.
Passiv metod
Kort responstid.
Stör inte elnätet.
Säker när det är stor skillnad mellan produktion och last på ön
Har svårt att upptäcka ö-drift då last och produktion på ön är lika varandra.
Svårt att sätta upp ett lämpligt gränsvärde.
Om inställningen sätts för lågt kommer systemet att självutlösa.
Aktiv metod Kan upptäcka ö-drift även om produktion och last är lika stora.
Viss störning på elnätet uppstår.
Långsam responstid.
Hybridmetod
Har hög säkerhet.
Störningar uppstår endast då ö-drift misstänks.
Lång responstid då den både måste använda passiv och aktiv metod innan ö-drift säkerställs.
2.5 Energilager i mikronätet
Energilagret är en viktig del i mikronätet. Det har skett mycket utveckling de senaste åren inom det här området och det finns idag många olika alternativ som alla kan användas som energilager i ett mikronät. Energilagren har två huvudsakliga syften, där det ena är att förse systemet med energi på kort sikt, vilket går under kategorin effekttillämpning, och det andra syftet är att förse systemet med energi under längre tidsperioder. Den senare går under kategorin energitillämpning.
Vid effekttillämpning sker energitillförseln med hög effekt under korta tidsperioder (sekunder- minuter). I den här kategorin är vanliga lagringstyper kondensatorer, superkondensatorer och svänghjul. Vid energitillämpning förses energi under flera minuter, upp till flera timmar. Den här typen av energilager kräver därför en stor lagringskapacitet. Den stora fördelen med att ha ett energilager i mikronätet är att det underlättar användningen av förnyelsebara energikällor.
Eftersom elproduktionen är väderberoende hos dessa kan energin lagras då produktionen är hög, för att sedan kunna nyttjas då produktionen är låg [45].
Det finns många typer av energilager som finns att tillgå idag och samtliga av dessa har både för- och nackdelar. I [43] har en sammanställning gjorts över vilka typer som finns och vad som är bra och dåligt med respektive typ. För att ge en indikation på hur de olika typerna fungerar ges en kort beskrivning av respektive typ i avsnitten nedan.
2.5.1 Svänghjul
Ett energilager i form av ett svänghjul består av fem huvudsakliga delar: ett svänghjul, ett flertal lager, en reversibel elmotor/generator, kraftelektronik och en vakuumkammare. Anordningen fungerar så att den ström som önskas lagras, tillförs till elmotorn som får svänghjulet att rotera.
Den elektriska energin omvandlas med andra ord till rörelseenergi i svänghjulet. Ju mer energi som
lagras desto snabbare snurrar svänghjulet. Svänghjulet är placerad i en vakuumkammare för att förluster från luftmotstånd ska bli så små som möjligt och lagren är magnetiska, vilket motverkar slitage och höjer verkningsgraden ytterligare. Elmotorn fungerar också som generator och kan omvandla rörelseenergin i svänghjulet tillbaka till el igen. Systemet har en hög verkningsgrad och kan snabbt laddas i och ur, men fungerar dåligt när den står på tomgång. Den kan då tappa så mycket som 20 % av den lagrade energin i timmen [43].
2.5.2 Batterilager
Batterilager är den typ av energilager som har sett en stor utveckling på sista tiden. Det går till och med att köpa egna batteripack till hemmet. Ett batterilager innehåller ett antal elektro- kemiska celler som kopplas parallellt eller i serie, vilka producerar elektricitet med en given spänning genom en elektrokemisk reaktion. Varje cell består av en anod och en katod med en elektrolyt mellan och kan omvandla elektrisk energi till kemisk energi och tvärt om. Det finns många olika batterityper, där de vanligaste är bly-syra-, natrium-sulfur-, nickel-kadmium-, och litiumjonbatterier som alla har sina för- och nackdelar. Det finns även andra batterityper som fungerar på lite andra sätt som exempelvis flödesbatteriet, men som är ganska dyra att tillverka och är komplicerade, vilket har gjort att de inte är lika vanliga i lagringssammanhang [43].
En stor fördel med batterier är att de är lätta att dimensionera till önskat energilagringsbehov.
Batteriets energilagringskapacitet bestäms av battericellernas individuella lagringskapacitet och antalet celler som är sammankopplade. Varje enskild cell levererar en given spänning och kan lagra en viss mängd elektrisk energi som betecknas Amperetimmar (Ah). Enskilda battericel- ler är vanliga i exempelvis mobiltelefoner, men vid större lagringsbehov måste både spänningen och lagringskapaciteten höjas. För att ett batteri ska leverera önskad spänning seriekopplas bat- tericeller där varje battericell som kopplas in adderar sin spänning till den totala spänningen hos batteriet. Seriekoppling av battericeller bidrar inte till en ökad lagringskapacitet utan höjer endast spänningen hos batteriet. För att öka lagringskapaciteten hos batteriet måste cellerna parallellkopplas och precis som i seriekopplingen adderas varje battericells lagringskapacitet till batteriets totala lagringskapacitet. Här hålls istället spänningen konstant när fler celler läggs till och för att få både önskad spänning och lagringskapacitet måste battericellerna både serie- och parallellkopplas [45].
Ett batteris förmåga att urladdas mäts i den Coloumbmetriska enheten C. Det är denna enhet som avgör hur snabbt ett batteri kan frigöra sin lagrade energi och ett högt C-värde innebär en snabb urladdningsförmåga. Batterier betecknas vanligtvis med 1C vilket innebär att om det har en kapacitet på 2 Ah kan den leverera strömmen 2 A under 1 timme. Om samma batteri laddas ur med hastigheten 2 C kommer den istället att leverera 4 A under 30 minuter och 0,5 C innebär 1 A under 2 timmar. Vilket C-värde ett batteri har beror på batterityp och om den laddas eller urladdas [44].
Nackdelen med batterilager är att de tappar sin maximala kapacitet med tiden. Beroende på vilken batterityp det är och på vilket sätt den används kommer kapaciteten att minska med tiden. Saker som påverkar ett batteris kapacitet är bland annat med vilken hastighet det laddas
upp och urladdas, hur djupt den laddas ur samt om batteriet blir överhettat. Olika batterityper klarar av dessa faktorer olika bra, men när batteriet når 80 % av sin initiala kapacitet räknas batteriet vara förbrukat och rekommenderas bytas ut. På grund av det här rekommenderas därför att ett batterilager dimensioneras med 25 % mer än vad som anses behövas [45].
Som tidigare nämnt, finns det många olika batterityper och att gå igenom samtliga typer och deras för- och nackdelar skulle bli en för stor del och inte heller vara relevant. Därför tas endast de typer som är relevanta för det här arbetet upp, vilket är bly-syrabatterier och litiumjonbatterier.
Bly-syrabatterier har länge använts som energilager i olika typer av energisystem [46]. Batte- ritypen bly-syrabatteri går att dela upp i två delar: klassiska ventilerade bly-syrabatterier och ventilreglerade blysyrabatterier som oftast kallas valve regulated lead acid battery och förkortas VRLA-batteri. Ventilerade bly-syrabatterier måste kontinuerligt fyllas upp med destillerat vat- ten. Detta beror på att när ett sådant batteri laddas för mycket, kommer en process som kallas elektrolys ske i batteriet. Det innebär att syrgas bildas på de positiva elektroderna och vätgas på de negativa. Dessa gaser ventileras ut ur batteriet och därmed förloras vatten ur batteriet som då måste fyllas upp igen när vätskenivåerna blir för låga. Ett VRLA-batteri har inte en elektrolytvätska som det ventilerade har, utan istället är elektrolyten bunden i en typ av gel eller glasfibermatta. Elektrolys kan även ske i dessa batterityper, men batteriet är inkapslat och förseglat så när syr- och vätgas bildas är gaserna instängda i batteriet och tvingas återbildas till vatten. För att inte riskera att trycket blir för högt i dessa batterier kan gaserna släppas ut med hjälp av tryckventiler som släpper ut gaserna för att motverka att batteriet exploderar.
VRLA-batterier brukar kallas för underhållsfria, men det stämmer enbart när det kommer till elektrolyten. I övrigt är underhållet tämligen likt det hos ett ventilerat bly-syrabatteri men är istället mer omfattande. Detta beror till stor del på att speciella procedurer krävs för att kun- na bestämma elektrolytens koncentration och mängd. Den stora nackdelen med att batteriet är ventilreglerat är att varje gång gas släpps ut när trycket blir för högt, sänks också batteriets kapacitet. Det här beror på att batteriet sakta torkas ut när vätskan går förlorad då trycket blir för högt och gas släpps ut och tappar därigenom sin kapacitet. VRLA-batteriet har även problem med att att den har kortare livslängd än ventilerade bly-syrabatterier, har en lägre pålitlighet och högre risk för inre överhettning [47].
Litiumjonbatteriet är en välkänd batterityp. Den har många goda egenskaper som gör den mycket attraktiv inom energilagring. Det är framför allt den höga lagringskapaciteten, låga underhållsbe- hovet och potentialen att leverera höga effekter som gör att litiumjonbatterier är den batterityp som idag fungerar bäst i lagringssammanhang. Det finns flera olika typer av litiumjonbatteri- er, men urladdning kan generellt ske mellan 1 C till 10 C beroende på typ av litiumjonbatteri [48].
Nackdelen med litiumjonbatterier är att de är känsliga mot kyla. Batterier presterar optimalt vid ungefär 27◦C och har längst livslängd vid 20◦C. Vid högre temperaturer än så förkortas livslängden och vid lägre försämras prestationen. Ett litiumjonbatteri kan skadas om det laddas vid temperaturer under 0◦C och hastigheten på laddningen måste sänkas för att batteriet ska kunna tillgodogöra sig strömmen. Den inre resistansen i batteriet ökar vid kallare temperaturer, vilket gör att batteriets temperatur kan ligga något högre än utetemperaturen när batteriet lad- das. För att motverka problemet med lågtempererad laddning har en del industriella batterier
