Kandidatexamensarbete
KTH – Skolan för Industriell Teknik och Management
Mini grids och mekanisk energilagring: En
jämförande studie
Bachelor of Science Thesis EGI-2018 TRITA-ITM-EX 2018:429
Mini grids och mekanisk energilagring: En jämförande studie Linnea Tjernlund Josefin Westman Approved 2018-06-08 Examiner Peter Hagström Supervisor Thomas Nordgreen
Sammanfattning
Lokala elnät, eller mini grids, är småskaliga energisystem vars utbredning snabbt ökar globalt. Mini grids som drivs på grön el medför fördelar ur ett hållbart perspektiv och spelar dessutom en avgörande roll i elektrifieringen av utvecklingsländer. I Sverige, där det redan finns ett heltäckande existerande elnät, ses förnybara mini grids som en alternativ lösning för elförsörjning på geografiskt begränsade platser såsom öar och fjällanläggningar. Då mini grids drivs av väderberoende energikällor är pålitliga lagringsmetoder av stor betydelse. I denna rapport behandlas de tre mekaniska energilagringsmetoderna pumpkraftverk, svänghjul och tryckluftslager.
Målet med arbetet bestod i huvudsak av två delar: (1) undersöka vilken typ av mekanisk energilagring som skulle lämpa sig i ett förnybart mini grid i Sverige och (2) uppskatta investeringskostnaden för den långsiktiga energilagringsenheten i ett specifikt mini grid-system, samt dimensionera hur mycket energi som behöver lagras i systemet för att kompensera för intermittenta energikällor. Metoden innefattar en litteraturstudie där jämförelseunderlag samlas in, en intervju med EON samt en modell av ett mini grid med specificerade förutsättningar.
Efter genomförda jämförelser gjordes bedömningen att svänghjul lämpar sig för kortsiktig energilagring och att ett småskaligt pumpkraftverk lämpar sig för långsiktig energilagring. Baserat på modellen estimerades mängden energi som behöver lagras för att kompensera för dagar utan vindkraftsproduktion till 1 153 kWh. Vidare uppskattades det småskaliga
pumpkraftverket behöva ha en installerad effekt på 155 W, vilket motsvarar en investeringskostnad på ungefär 1,6 MSEK. Intervjun visade att framtida
användningsområden för mini grids i Sverige främst rör sig om alternativa lösningar till dyra upprustning eller ombyggnationer, samt vid elförsörjning på isolerade områden såsom öar. Diskussion förs kring den framtida teknikutvecklingen, där bland annat höga förväntningar finns på svänghjul med högre energitäthet samt tryckluftsteknik med högre verkningsgrad och lägre miljöpåverkan. Det resoneras även kring utbredningen av mini grids samt den politiska situationen i Sverige. Därtill diskuteras modellens tillförlitlighet och osäkerhet i antaganden som gjorts analyseras. Avslutningsvis dras slutsatsen att möjligheterna till
Abstract
Local grids, or mini grids, are small scale energy systems that are rapidly expanding globally. Mini grids powered by green electricity lead to sustainable advantages and also play an important role in the electrification of developing countries. In Sweden, where there already is an existing electricity network, renewable mini grids are viewed as an alternative solution for electricity supply in geographically limited areas, such as islands or alpine facilities. When mini grids are powered by weather-dependent energy reliable energy storage systems are of great importance. In this report, the three mechanical energy storage technologies pumped hydroelectric storage, flywheel energy storage and compressed air energy storage are considered.
The goal with the report mainly consisted of two parts: (1) investigate which type of
mechanical energy storage that would be suited for a renewable mini grid and (2) estimate an investment cost for the energy storage unit in a specific mini grid, as well as dimension the need for energy storage in the system in order to compensate for intermittent energy sources. The method involves a literature study where comparative data are collected, an interview with EON and a model set up for a mini grid with specified conditions.
After completed comparisons, the assessment was made that flywheel energy storage is suited for short term energy applications, and small scale pumped hydroelectric storage is fitted for long-term energy applications. Based on the model, the amount of energy that needs to be stored in order to compensate for days without wind power production is estimated to 1 153 kWh. Also, the small scale pumped hydroelectric storage system needs to have an installed effect of 155 W, which corresponds to an investment cost of around 1,6 M SEK. Furthermore, the interview concluded that future applications for mini grids in Sweden primarily concern alternative solutions to expensive upgrading or reconstructions, as well as electricity supply in isolated areas such as islands.
Tack till
Vi vill börja med att tacka vår handledare, Thomas Nordgreen, på avdelningen för ekv kraft- och värmeteknologi på KTH som har gett oss goda råd och vägledning under arbetets gång. Vidare vill vi tacka Mikael Amelin på avdelningen för elkraftteknik och energisystem på KTH som tog sig tid att hjälpa till och svara på våra frågor.
Innehållsförteckning
Nomenklatur ... 7 1. Introduktion ... 9 1.1 Syfte ... 10 1.2 Problemformulering och mål ... 10 1.3 Avgränsningar ... 11 2. Bakgrund ... 12 2.1 Mini grids ... 12 2.1.1 Elgenerering ... 12 2.1.2 Lagringsenhet ... 132.1.3 Var lämpar sig mini grids? ... 14
2.1.4 Elförbrukning i Sverige samt effekttoppar ... 15
2.1.5 Det politiska perspektivet ... 17
2.2 Mekanisk energilagring ... 17
2.2.1 Pumpkraftverk (PHS) ... 18
2.2.2 Svänghjul (FES) ... 20
2.2.3 Tryckluft (CAES) ... 22
2.3 Genomförda projekt ... 24
2.3.1 Pumpkraftverk i mini grids ... 24
2.3.2 Svänghjul i mini grids ... 24
2.3.3 CAES i mini grids ... 25
2.4 Det ekonomiska perspektivet ... 25
3. Metod ... 27
3.1 Intervju med EON - Simrisprojektet ... 27
3.2 Modell ... 28 3.2.1 Antaganden ... 28 3.2.2 Systembeskrivning ... 29 3.2.3 Beräkningssteg ... 30 3.2.4 Känslighetsanalys ... 31 4. Resultat ... 32
4.1 Jämförelse samt för- och nackdelar ... 32
4.1.2 Svänghjul (FES) ... 34
4.1.3 Tryckluft (CAES) ... 35
4.2 Val av lagringsmetoder ... 35
4.3 Intervju: mini grids i Sverige ... 35
4.4 Dimensionering av långsiktig lagringsenhet samt investeringskostnad ... 36
4.5 Känslighetsanalys ... 36
5. Diskussion och slutsats ... 38
5.1 Teknisk utveckling ... 38
5.2 Framtidsutsikter för mini grids ... 38
5.3 Känslighetsanalys och tillförlitlighet ... 39
Nomenklatur
Benämning Beskrivning Enhet
EP Potentiell energi [J] ρ Densitet [kg/m3] g Tyngdacceleration [m/s2] h Fallhöjd [m] EK Kinetisk energi [J] T Tröghetsmoment [kg*m2] w Rotationshastighet [rad/sek] m Massa [kg] r Radie [m] W Totalt energilagringsbehov [kWh] M Energibehov [kWh] η Verkningsgrad [%]
D Daglig total elförbrukning [kWh]
I Installerad lagringseffekt [kW]
Ihushåll Hushållens maximala
Figurförteckning
Figur 1: Principen för energilagring i pumpkraftverk (Dahlqvist och Karlsson, 2014). ... 19
Figur 2: Principen för energilagring i svänghjul. ... 22
Figur 3: Principen för tryckluftslagring (Dahlqvist och Karlsson, 2014). ... 23
Figur 4: Systemskiss. ... 29
Tabellförteckning
Tabell 1: Av Vattenfall rekommenderade huvudsäkringsstorlekar för en anläggning med en viss elförbrukning och maximalt effektuttag (Vattenfall eldistribution u.å). ... 16Tabell 2: Sammanställning av centrala faktorer i det svenska elnätet. ... 16
Tabell 3: Sammanställning av egenskaper för lagringsmetoderna. ... 32
Tabell 4: Viktiga kriterier vid energilagring på lång- och kort sikt. ... 33
Tabell 5: För- och nackdelar med respektive lagringsmetod. ... 33
1. Introduktion
En globalt växande trend är så kallade renewable mini grids, vilket kan översättas till
förnybara lokala elnät. Precis som namnet vittnar om är ett förnybart mini grid ett småskaligt
energisystem som försörjer en lokal grupp konsumenter med grön el.
Sveriges regering har som mål att landet år 2050 ska vara helt fossilfritt och därmed inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser till atmosfären (Fossilfritt2050, 2018). För att uppnå detta måste det ske en fortsatt övergång från fossila energikällor till förnybara. En viktig nytta med upprättandet av mini grids är att de på ett naturligt sätt öppnar upp för ökad andel förnybar el i energimixen. Vidare anses mini grids potentiellt kunna leda till lägre elkostnad, minskade koldioxidutsläpp, ökad tillförlitlighet av energi samt lokal kontroll över energianvändning (IRENA, 2017).
I Sverige har bland annat EON inlett ett mini grid-projekt i den skånska tätorten Simris, där ett av syftena är att småskaligt testa hur det svenska energisystemet skulle kunna se ut i framtiden. Under början av 2000-talet genomfördes även ett projekt på ön Utsira i Norge, där man upprättade ett mini grid och därmed gjorde ön självförsörjande på el genom vindkraft och ett energilagringssystem. I andra delar av världen såsom Afrika och Indien ökar antalet mini grids snabbt, då systemen anses vara den mest ekonomiska lösningen till att leverera tillförlitlig el till landsbygden (Bhattacharyya och Palit, 2016).
Det svenska elnätet så som det ser ut idag är välutvecklat och har en längd på över 48 000 mil, vilket motsvarar mer än 13 varv runt jorden (Södra Hallands Kraft, 2018). Elen produceras centralt i stora anläggningar där produktionen följer efterfrågan och vid behov finns ett antal reservkraftverk redo att startas upp. I ett mini grid produceras däremot elen lokalt och om nätet är frånkopplat från det centrala elnätet måste en egen energilagringsenhet installeras för att utbudet ska kunna möta efterfrågan i systemet.
Idag är de mest vanligt förekommande källorna till förnybar energi sol, vind och vatten. Vattenkraft är idag det överlägset största förnybara energislaget inom EU och har den stora fördelen att det ger en stabil elproduktion samt kan fungera som reglerkraft. Dock begränsas produktionen av det faktum att ett vattenkraftverk enbart kan byggas intill ett passande vattendrag, vilket alla områden inte har naturliga förutsättningar till (Vattenfall, 2017). Detta är en anledning till att de mini grid som finns idag främst försörjs via sol- och vindkraft, vilka är två väderberoende energikällor. Problematik uppstår kring detta då den momentana
I nuläget finns en rad tänkbara metoder för energilagring (däribland kemisk, elektrokemisk, och mekanisk energilagring). Elektrokemisk energilagring i batterier är kanske den mest välkända metoden bland gemene man då den fått stor spridning genom entreprenörer och företag såsom Elon Musk och Northvolt. Fördelarna med batterier är många, men de problem som förknippas med tekniken är låg laddningshastighet, höga kostnader, kort livslängd, farliga syror och negativ miljöpåverkan efter förbrukning (Shwartz, 2017). Därmed är det av intresse att titta på andra typer av lagringsmetoder, kanske särskilt mekanisk energilagring som väcker intresse globalt tack vare hög verkningsgrad, minskade driftkostnader och lång livslängd. Några av de mest etablerade metoderna idag är pumpkraftverk, svänghjul och tryckluftslager. I detta arbete kommer dessa olika metoder att jämföras och ställas mot varandra, i syfte att undersöka vilken metod som är mest lämpad för att användas i ett förnybart frånkopplat mini grid i Sverige.
1.1 Syfte
Syftet med denna studie är att göra en övergripande analys av möjligheterna till mekanisk energilagring i ett förnybart mini grid, samt undersöka framtidsutsikterna för mini grids i Sverige. Vidare avses en jämförelse mellan olika metoder för mekanisk energilagring
genomföras, i syfte att utreda vilken metod som skulle fungera bäst som energilagringsenhet i mini grid-systemet. Jämförelsen grundas i ett tekniskt, miljömässigt och ekonomiskt hållbart perspektiv. Studien avser även ställa upp en modell i syfte att beräkna investeringskostnaden för lagringsenheten i ett specifikt mini grid där val av lagringsmetod baseras på jämförelsen.
1.2 Problemformulering och mål
Frågeställningen som rapporten ämnar besvara lyder:
• Vilken metod för mekanisk energilagring (pumpkraftverk, tryckluftslager och
svänghjul) är mest lämpad i ett förnybart mini grid?
• Vad blir investeringskostnaden för lagringsenheten i ett specifikt mini grid? För att uppfylla syftet och besvara frågeställningen ska följande mål uppnås:
- Ta reda på vilka kriterier som är viktiga vid mekanisk energilagring i ett mini grid. - Hämta information över hur mycket energi som behöver lagras för att täcka
effekttoppar och kompensera för väderberoende energi i ett mini grid.
- Undersöka vilka typer av mekaniska energilagringsmetoder som nyttjas i etablerade mini grids.
- Undersöka framtida möjligheter och tillämpningsområden för mini grids i Sverige. - Uträtta en kostnadsstudie för att beräkna investeringskostnaden för lagringsenheten
med den mest lämpade mekaniska energilagringsmetoden.
1.3 Avgränsningar
- Arbetet avser endast behandla helt förnybara mini grids som är frånkopplade och drivs av vindkraft.
- Rapporten avhandlar enbart de tre mest etablerade mekaniska
energilagringsmetoderna (svänghjul, pumpkraftverk och tryckluftslager). Vidare jämförs enbart de mekaniska energilagringsmetoderna mot varandra och inte mot andra typer av energilagring såsom elektrokemisk eller termisk.
- Väderdata samt politiska fakta utgår från det rådande läget i Sverige, men modellen för upprättandet av ett mini grid är tillämpbart under andra förutsättningar genom att indata ändras.
2. Bakgrund
Genom en omfattande litteraturstudie presenteras nedan bakgrund samt jämförelseunderlag för mini grids och mekanisk energilagring.
2.1 Mini grids
Ett mini grid kan beskrivas som en småskalig version av ett centraliserat elnät. Systemet består vanligen av en uppsättning sammankopplade elgeneratorer och energilagringssystem, eller Energy Storage System (ESS), som via ett distributionsnätverk försörjer lokala
konsumenter med el (Energypedia, 2018). Det som särskiljer mini grids från traditionella elnät är att de kan operera helt autonomt, utan att vara i förbindelse med det centrala elnätet. Detta utesluter dock inte att ett mini grid kan vara anslutet till stamnätet. Fördelarna med att ansluta mini grid-systemet till elnätet är att det ger en ökad stabilitet och tar bort behovet av egen reservkraft. I ett frånkopplat mini grid behöver ett ESS finnas i systemet för att
stabilisera frekvensen och kompensera för toppar och dalar i produktion. Ytterligare krav ställs på ett välfungerande EES i förnybara mini grids som försörjs av intermittenta energikällor, då hantering av oregelbunden produktion krävs.
De allmänna utmaningarna kopplade till implementering av mini grids är: höga
investeringskostnader, oklarheter kring hur nättariffer ska tas ut, laglig begränsning samt politisk motarbetning. Till följd av detta är genomträngningen av mini grids på marknaden i utvecklade länder låg i dagsläget. Däremot är de framtida möjligheterna för mini grids stora, framför allt i länder med mycket solenergi och stora områden utan existerande elnät.
Exempelvis har man i Kenya installerat ett flertal mini grids och på så sätt försett icke-urbana områden med hållbar, tillförlitlig och billig energi. Forskning samt genomförda projekt visar på att i många områden på landsbygden är mini grids den mest ekonomiska energilösningen (Bhattacharyya och Palit, 2016). Progressiv utveckling har visat sig störst i Kina, där uppåt 60 000 mini-grids har installerats under de senaste åren (Energypedia, 2018). Även Indien satsar mycket på mini grids och har som mål att år 2021 ha 10 000 installerade och driftsatta system i landet (A medium corporation, 2016).
2.1.1 Elgenerering
Vanligtvis försörjs dagens moderna och förnybara mini grids med sol- eller vindenergi, då dessa lämpar sig bra vid småskalig elproduktion. Vattenkraft har fördelen att det enkelt går att reglera mängden el som ska skickas ut i ledningarna genom att vattenflödet till turbinerna ändras. Dock begränsas vattenkraftverk av terräng och dess storlek, vilket gör det mindre lämpat som energikälla i den typ av mini grid rapporten behandlar, då geografisk flexibilitet är centralt. Solkraft är en vanlig energikälla i mini grids på sydligare breddgrader, men då Sverige enbart har mellan cirka 1100 – 1900 soltimmar per år, jämfört med Kenyas
Fördelarna med att använda vindkraftverk i ett mini grid är att det är en beprövad metod samt att många länder, däribland Sverige, har goda förutsättningar för vindkraft. Andelen energi som produceras med vindkraft i Sverige har ökat kraftigt de senaste åren och uppgår idag till cirka 15 procent (Lindblom, 2017). I Danmark är denna siffra 40 procent och även globalt har antal vindkraftverk vuxit snabbt. Spanien och Tyskland är de länder i Europa med högst installerad effekt av vindkraft. Den globala ledaren är dock Kina som står för över en tredjedel av världens installerade vindkraftskapacitet. I Sverige är de flesta vindkraftverken placerade i så kallade vindkraftparker längs med kusterna och andra områden med mycket vind, exempelvis öar såsom Gotland. Den största svenska vindkraftparken ligger i Blaiken i norra Sverige och består av 99 vindkraftverk som sammanlagt har en årsproduktion på cirka 700 GWh.
Tekniken bakom vindkraft har utvecklats snabbt de senaste åren och idag är turbinerna effektivare och tornen högre, vilket möjliggör en större elproduktion trots att bladen roterar långsammare. Ett viktigt bakomliggande skäl till att vindkraft har brett ut sig så pass snabbt i Sverige, och många andra länder, är införande av elcertifikat vilket bidragit med ekonomiskt stöd till den som investerar i vindkraft eller annan förnybar elproduktion (Lindblom, 2017). Vindkraft, liksom många andra förnybara energikällor, är en oförutsägbar energikälla med stora variationer i elproduktionen. Vindhastigheten kan ändras avsevärt över ett dygn. I ett mini grid med vindkraft som energikälla ställs därmed höga krav på att kunna balansera oregelbundenhet.
2.1.2 Lagringsenhet
Då mini grids försörjs av intermittenta energikällor, som exempelvis vind- och solkraft, ställs krav på tillförlitliga energilagringsmetoder. Man brukar särskilja på lång- och kortsiktig energilagring i ett mini grid (Espinar och Mayer, 2011):
● Kortsiktig energilagring syftar till att reglera mini gridet genom att snabbt absorbera eller leverera effekt till systemet för att behålla momentan balans mellan produktion och konsumtion. Resultatet blir att frekvens och spänning hålls stabilt. Detta kan klassificeras som en effekt-applikation av energisystemet där den lagrade energin laddas ur snabbt (sekunder/minuter) vid hög hastighet.
● Långsiktig energilagring handlar exempelvis om att lagra energi på dagen, för att sedan använda det på natten. Detta kan klassificeras som en energi-applikation av systemet där den lagrade energin laddas ur långsamt under längre tid, ofta mellan 10-tals minuter/timmar (Corey och Eyer 2010).
Det ställs olika krav på ESS beroende på om energin ska användas till kort- eller långsiktig effektbalansering. Kortsiktig balansering kräver kort svarstid (millisekunder), flexibel
hög effekttäthet. Långsiktig balansering kräver stor energilagringskapacitet och en låg kostnad per kapacitet [kWh]. Vidare bör både den kort- och långsiktiga energilagringen vara miljöneutrala samt ha en hög verkningsgrad. Det är nödvändigt att verkningsgraden ligger på minst 80 procent, för att förlusterna vid energilagring inte ska bli för stora. Detta gäller särskilt vid korttidslagring i och med att processen upprepas kontinuerligt varje gång energi tas från eller levereras till mini grid-nätet.
Traditionellt sett är batterier, som är en elektrokemisk lagringsmetod, den mest frekvent förekommande typen av lagringsmetod i ett mini grid, både för kort- och långsiktig lagring. Det finns fyra huvudgrupper av batterier: blybaserade batterier, flödesbatterier, litium-jon batterier och natrium-svavel batterier. Av dessa är det främst blybaserade batterier som använts i mini grids (USAID, 2016). Den främsta anledningen till detta är att blybatterier har en ekonomisk fördel, då de är relativt billiga jämfört med andra batterier. Dock finns en rad nackdelar med batteriet, exempelvis består det av de giftiga ämnena bly och blyoxid samt frätande syror som gör att batteriet riskerar att explodera om det överhettas. Ur miljösynpunkt är därför dessa batterier inte lämpliga. Dessutom är blybaserade batterier relativt tunga och har låg energitäthet. Verkningsgraden ligger mellan 60 – 95%. Urladdningsdjupet, vilket anger hur stor del av den totala kapaciteten som kan nyttjas vid cyklisk drift, är lågt och ligger på knappa 20%. Antal urladdningscykler åsyftar det totala antalet urladdningscykler som batteriet klarar av under sin livstid. För blybaserade batterier uppgår dessa till mindre än 500 stycken, vilket också anses lågt (Englund et al., 2015).
Under de senaste åren har kostnaden för litium-jon batterier sjunkit, vilket har öppnat upp möjligheten för att även denna teknik skulle kunna användas i ett mini grid. Batterierna har hög verkningsgrad på mellan 85 - 100% och en lång livstid (Jerntorgets energihandbok u.å.). Urladdningsdjupet ligger kring 20% och antalet urladdningscykler ligger mellan 2000 - 3000 (USAID, 2018). Litium-jonbatterier har historiskt sett främst används för småskalig
energilagring i exempelvis mobiltelefoner, laptops, kameror och eldrivna verktyg. En begränsning med batteriet är den bristande säkerheten då hög energidensitet samt lättantändligt litium och syre gör att batterierna lätt kan börja brinna på grund av överhettning.
Elektrokemisk energilagring i batterier har alltså ofta en negativ miljöpåverkan på grund av förekomsten av miljöfarliga syror och stora utsläpp då de produceras. En alternativ lösning till batterier är att nyttja mekanisk energilagring. Antal befintliga mini grids med en mekanisk lagringsenhet är få i förhållande till dem med kemisk lagring. Hur möjligheterna ser ut till användning av mekanisk energilagring i ett mini grid ligger inom ramarna för rapportens syfte och kommer behandlas löpande.
2.1.3 Var lämpar sig mini grids?
platser karaktäriseras ofta av att ha en relativt låg elkonsumtion samt att vara avlägset
belägna. Några exempel på sådana platser är; fjällstugor, sommarstugor, husvagnar, båtar och på öar (Amelin, 2018).
Som det ser ut i Sverige idag har hela befolkningen tillgång till el, och så har det varit sedan den senaste elektrifieringsvågen som tog fart efter att andra världskriget avslutades. Det gjordes då en kraftansträngning för att elektrifiera hela den svenska landsbygden och arbetet ansågs vara slutfört år 1960 (Vattenfall, 2018a).
Ur ett globalt perspektiv går det att utläsa en tydlig trend för upprättandet av mini grids. Det har gjorts stora satsningar för att elektrifiera landsbygden i framförallt Kina (USAID, 2018), Indien (Smartpower India, 2018) och Afrika (The Africa Mini-grid Developers Association, 2018). En anledning till denna frammarsch grundar sig i FN:s 17 globala mål som antogs år 2015. I delmål 7 står det bland annat att det finns en strävan om att: “Till 2030 bygga ut
infrastrukturen och uppgradera tekniken för att leverera moderna och hållbara
energitjänster till alla i utvecklingsländerna, i synnerhet de minst utvecklade länderna och små önationer under utveckling” (Globala Målen, 2018). Det finns forskning och erfarenhet
som visar på att upprättande av mini grids är den mest praktiska och kostnadseffektiva lösningen för att elektrifiera samhällen eller platser som inte har tillgång till det nationella nätet (SNV, 2017).
2.1.4 Elförbrukning i Sverige samt effekttoppar
Elen i Sverige förbrukas främst av två huvudsektorer; industrisektorn samt bostads- och servicesektorn. Under 2016 uppgick den totala elförbrukningen inklusive överföringsförluster till 140 TWh. Industrisektorn stod då för 36% av den totala förbrukningen och bostads- och servicesektorn för 51% (Energimyndigheten, 2017b). I det mini grid som modellen i
rapporten behandlar antas endast hushåll vara anslutna till systemet. Den totala
elförbrukningen inom just bostads- och servicesektorn har varit stabil de senaste 20 åren (Energimyndigheten, 2017a). Elförbrukningen i ett hushåll varierar till viss del med dygnets timmar, med avseende på exempelvis belysning och användning av tvätt- och diskmaskin. Den största variationsfaktorn är dock temperaturförhållanden eftersom den största andelen el används för uppvärmning av hushåll. Detta gör att säsongsvariationerna blir stora mellan årstiderna då utomhustemperaturen varierar kraftigt mellan vinter- och sommarhalvåret. I en genomsnittlig villa i Sverige uppgår den årliga elförbrukningen för uppvärmning, hushållsel och varmvatten till ungefär 25 000 kWh (EON, 2018) respektive 12 000 kWh
(Energirådgivaren, 2011) för en genomsnittlig lägenhet.
14 kW och en årlig elförbrukning mellan 25 000 - 30 000 kWh matchas mot 17 kW. Tabellen ger endast en indikation på vilken huvudsäkring som behövs, vilken huvudsäkring respektive hushåll behöver beror även exempelvis på om flera stora eldrivna apparater förväntas vara på samtidigt eller inte. Ett exempel på när det efterfrågade effektbehovet avviker från tabellen är om ett hushåll har en bastu eller ovanligt många element för uppvärmning, vilket ökar den maximalt efterfrågade effekten.
Summan av hushållens maximalt tillåtna effektuttag motsvarar således effekttopparna som ett system måste ha tillräcklig kapacitet för att kunna bemöta.
Tabell 1: Av Vattenfall rekommenderade huvudsäkringsstorlekar för en anläggning med en
viss elförbrukning och maximalt effektuttag (Vattenfall eldistribution u.å).
Vid dimensionering av ett elsystem måste även transmissions- och distributionsförluster tas hänsyn till. I dagens centrala elnät uppgår dessa till ungefär 2% (Sempler, 2009) av den årliga elproduktionen. I detta är passage via stamnätet, regionnätet och lokalnätet inkluderat. Några av de främsta faktorerna som påverkar hur stora förlusterna blir är ledningsdimensionering, spänningsnivå, strömmens fasläge relativt spänningens och ledningens längd (Nordling, 2016). En vinst med mini grids är att förluster relaterade till överföring via stamnätet och regionnätet elimineras, samt att överföringssträckan via lokalnätet blir kortare. Förlusterna blir således mindre i ett mini grid jämfört med i ett centralt elnät. Dock uppstår merparten av de totala överföringsförlusterna i region- och lokalnäten, där det sistnämnda står för den allra största andelen (Sempler, 2009). Därav undkommer inte mini grid-system att en viss förlust uppstår.
Tabell 2: Sammanställning av centrala faktorer i det svenska elnätet.
Årlig elförbrukning per hushåll
Maximalt effektuttag per hushåll
Förluster centralt elnät
2.1.5 Det politiska perspektivet
Idag är upprättandet av ett frånkopplat, privatägt, mini grid inte genomförbart i Sverige då Riksdagen beslutat att elnätet ska drivas som monopol (Energimarknadsinspektionen, 2017). Monopolet ägs av den statliga myndigheten Svenska Kraftnät som ansvarar för att hålla elnätet säkert, miljöanpassat och kostnadseffektivt (Svenska Kraftnät, 2018). Upprättandet av ett mini grid-system skulle konkurrera mot stamnätet och således bryta mot svensk
lagstiftning, såvida det inte är Svenska Kraftnät som installerar och äger systemet. Vad som idag är tillåtet är att producera el för eget bruk och sälja överskottet till ett elbolag, dock inte till någon annan aktör (El.se, 2018).
Det finns spekulationer gällande huruvida det svenska elnätet kommer att fortsätta vara under monopol i framtiden. Vissa menar att dagens stigande nättariffer, till följd av de
mångmiljardinvesteringar som gjorts för att gräva ner luftburna elledningar och installera smarta elmätare, får folk att titta efter andra alternativ. Exempel på ett alternativ i dagsläget är förslagsvis att frikoppla sig från nätet och upprätta ett självförsörjande mini grid. I och med att den snabba tekniska utvecklingen av komponenterna i mini grids blir denna typ av lösning allt mer konkurrenskraftig. Detta ökar möjligheterna till att frånkopplade mini grids kan bli verklighet i Sverige inom en snar framtid (Ottander, 2016). Dock kvarstår problemet med att upprättande av mini grids ställer krav på ändrad lagstiftning.
2.2 Mekanisk energilagring
Mekanisk energi är summan av potentiell och kinetisk energi. Mekanisk energilagring kan därav klassificeras som: (1) kinetisk energilagring (svänghjul) och (2) potentiell energilagring (pumpkraftverk och tryckluftslager). Mekanisk energilagring har historiskt sett främst
använts för storskalig energilagring i centrala elsystem, framförallt i form av pumpkraftverk. De generella fördelarna med mekanisk energilagring är att metoderna har höga
lagringskapaciteter och relativt låga kostnader. Jämfört med batterier har mekaniska lagringsmetoder mindre miljöpåverkan, längre livstid och lägre temperaturkänslighet (Bergum, 2015). Några viktiga parametrar som skiljer sig åt mellan de olika mekaniska metoderna och som kommer jämföras är:
● Miljöpåverkan ● Genomförda projekt
Installerad lagringseffekt avser den maximala effekten som kan lagras i ett EES.
Verkningsgraden anger hur mycket energi som kan nyttiggöras i förhållande till hur mycket som tillförs, vilket är ett viktigt mått för att ha koll på förluster. Svarstiden anger hur snabbt systemet kan svara på förändringar i produktionen eller konsumtionen, med andra ord hur flexibelt systemet är. Långa svarstider lämpar sig för system med kontinuerlig drift, medan korta svarstider är bättre lämpade för hantering av intermittent elproduktion. För
frekvensstabilisering och upprätthållning av god kvalitet på elen krävs kort svarstid för att snabbt kunna korrigera förändringar och återgå till ett stabilt läge (Dahlqvist och Karlsson, 2014). Lagringstiden beskriver under hur lång period som energin kan lagras. Att hålla balans mellan konsumtion och produktion ställer krav på långa lagringstider (Dahlqvist och
Karlsson, 2014).
Drifts- och investeringskostnader är kopplade till kostnader som uppstår vid drift respektive investeringstillfället. Energitätheten och energidensiteten anger den mängd energi som kan lagras per volyms- respektive massenhet (NE, 2018b). Höga värden på dessa är önskvärda för att minska volymen eller vikten på lagringsenheten. Denna parameter kan vara olika viktig beroende på tillämpning; exempelvis ställer ett batteri i en mobiltelefon höga krav på energidensiteten för att inte mobilen ska väga mer än nödvändigt, medan ett energisystem ställer krav på hög energitäthet för att systemet ska bli så platseffektivt som möjligt. I de fall då ytmässiga krav inte är avgörande minskar energitäthetens betydelse. Effekttäthet
definieras som effekt per ytenhet (NE, 2018a) och är av särskilt stor vikt vid
korttidstillämpningar med hög effekt. Livslängden anger under hur lång tid en och samma anläggning kan vara i drift innan den behöver bytas ut, förutsatt att kontinuerligt underhåll utförs. En del lagringstekniker kan ha geografiska, topografiska eller ytmässiga
begränsningar, vilket försvårar upprättandet av anläggningar på vissa platser.
Slutligen är även miljöpåverkan samt genomförda projekt av intresse att jämföra, eftersom lagringsmetodernas förekomst i mini grids ger en indikation på hur väl lämpad tekniken är inom det området.
2.2.1 Pumpkraftverk (PHS)
Den grundläggande tekniken bakom pumpkraftverk, även så kallat Pumped Hydroelectric Storage (PHS), går ut på att använda överskottsenergi från elnätet till att pumpa upp vatten från ett magasin på lägre höjd till ett annat magasin på högre höjd och på så sätt omvandla överskottet till potentiell energi. När energianvändningen i systemet är större än
energitillförseln kan vattnet som lagrats i det övre magasinet släppas tillbaka genom en turbin där el alstras via en generator. Processen bygger på samma metoder som i ett klassiskt
Figur 1: Principen för energilagring i pumpkraftverk (Dahlqvist och Karlsson, 2014).
Det finns renodlade pumpkraftverk, pumpkraftverk kombinerade med vanliga vattenkraftverk samt underjordiska pumpkraftverk där det undre magasinet är beläget under jord och det övre vid markytan. Det första pumpkraftverket driftsattes i Schweiz år 1909 och hade en effekt på 1 MW (Whittingham, 2012). Sedan dess har tekniken utvecklats och idag finns
pumpkraftverk med en effekt upp mot 5000 MW. Verkningsgraden ligger mellan 65 - 85% och är starkt kopplad till anläggningens turbindel, vilken är svår att effektivisera ytterligare. Andra faktorer som också påverkar verkningsgraden är resistans, turbulens samt
verkningsgrad för generator och pump. PHS är en skalbar teknik där magasinets design avgör hur mycket energi som kan lagras och höjdskillnaden mellan magasinen, fallhöjden, är vital för hur mycket energi som senare kan utvinnas ur det lagrade vattnet (Englund et al., 2015). Energin som lagras hos en kubikmeter vatten ges av ekvation (1):
𝐸" = 𝛿 ∗ 𝑔 ∗ ℎ (1)
där 𝐸" är lagrad potentiell energi [J], 𝛿 vattnets densitet [kg/m^3], g jordens tyngdacceleration [m/s^2] och h fallhöjden [m].
energihandbok, u.å.). Investeringskostnaden kan variera stort då den främst beror på
platsspecifika egenskaper. I en rapport av Energy Economics Group (EGG) anges att för de flesta befintliga och planerade PHS-anläggningar i Europa landar investeringskostnaden på mellan 500 – 1 500 EUR/kW (Auer, Lettner och Zach, 2012).
Det främsta tillämpningsområdet för PHS är inom upprätthållning av nätstabilitet samt hantering av variationer i vindkraft; med andra ord inom långsiktig energilagring. Den korta svarstiden systemet förknippas med gör även metoden möjlig att använda för kortsiktig energilagring. En nackdel är dock att tekniken ställer krav på geografiska förutsättningar såsom höjdskillnad. Dessutom har pumpkraftverk en negativ påverkan på det närliggande landskapet, exempelvis vid dammarna. Därav begränsas metodens lämplighet för småskalig energilagring. De bästa geografiska förutsättningarna för att maximera effektiviteten återfinns i Kina och Indien (Englund et al., 2015).
2.2.2 Svänghjul (FES)
Energilagring i svänghjul, eller Flywheel Energy Storage (FES), är en metod som går ut på att lagra energi i en roterande massa. Svänghjul är ingen ny teknik utan har funnits länge och använts för att uppnå smidig drift av maskiner. Systemet består i huvudsak av fem delar: svänghjul, kullager, motor, elektrisk omvandlare och inneslutningskammare. Kinetisk energi lagras i systemet genom att överskottsenergi från elnätet nyttjas till att driva en motor, som då fungerar som en last och nästintill friktionsfritt accelererar ett svänghjul till hög
rotationshastighet. När elektricitet ska extraheras från systemet fungerar motorn som en generator och omvandlar den lagrade energin till elektricitet i samband med att rotorns hastighet minskar. Motorn integrerar med elnätet via någon typ av kraftelektronik och kan på så sätt balansera spänning och frekvens (Amiryar och Pullen, 2017). Principen illustreras i Figur 2.
Ett svänghjul kan typiskt generera flera megawatt under en kort period och därmed snabbt täcka upp för oregelbundenhet i elproduktionen. Hur mycket energi som lagras i ett svänghjul är proportionell mot rotorns massa och vinkelhastigheten i kvadrat, vilket innebär att
rotationshastigheten har störst inverkan på den mängd energin som lagras.
I ett svänghjul med tröghetsmoment T [kg*m2] lagras kinetiska energin Ek [J] enligt:
𝐸( = )*∗ 𝑇 ∗ 𝑤* (2)
där w är rotationshastighet [radianer/sekund]. Tröghetsmomentet för svänghjulet beror på dess massa m [kg] och geometri och kan beräknas enligt:
𝑇 =)*∗ 𝑚 ∗ 𝑟* (3)
Under de senaste åren har tekniken bakom svänghjul utvecklats snabbt och idag finns så kallade FES-system kommersiellt tillgängliga med ett dussintal olika tillverkare (Colmenar et al., 2011). Traditionellt sett har svänghjulssystem en låg energidensitet på cirka 1 - 10 Wh/kg (Gunnarsson, 2017). Vidare förknippas svänghjul med en låg energitäthet och en hög
effekttäthet, 400 – 1500 W/kg, vilket innebär att de under en kort tid kan leverera en stor effektmängd relaterat sin volym (Amiryar och Pullen, 2017). Ett flertal producenter har på senaste tiden börjat intressera sig för möjligheten till att tillverka svänghjul med högre energitäthet än effekttäthet (Chen et al., 2008), vilket skulle innebära att systemet kan lagra energi betydligt längre än traditionella svänghjul. Emellertid är detta inte någon teknik som finns tillgänglig idag och kommer därför inte behandlas vidare i rapporten.
Energilagring i svänghjulssystem är en skalbar teknik och sträcker sig från storskaliga lösningar på elnätsnivå till småskaliga lösningar på konsumentnivå. Beroende på storlek kan FES-systemet leverera en effekt på mellan 10 kW till 100 MW (Espinar och Mayer, 2011). Hur mycket effekt som faktiskt levereras beror på hastighetsområdet för svänghjulet, då systemet inte kan leverera sin nominella effekt vid låga hastigheter (Energy Storage Association, 2018). Dagens moderna svänghjul har generellt sett en hög verkningsgrad, mellan 80 – 95% (Espinar och Mayer, 2011) (Englund et al., 2015). Tack vare magnetiska kullager och att systemet ofta omges av en lätt gas (vanligtvis helium) eller arbetar i vakuum, är friktionsförlusterna i princip obefintliga (Espinar och Mayer, 2011). En viktig egenskap svänghjul förknippas med är att dess lagringseffektivitet inte påverkas märkbart när utmatad effekt varierar mellan olika effektnivåer, vilket gör metoden mycket tillförlitlig.
Svänghjul har en svarstid på några millisekunder och kan vid behov snabbt avge eller absorbera energi till eller från nätet (Energy Education, 2018). Vidare har systemet en flexibel ramphastighet och kan därmed enkelt reglera den in-/utmatad effektnivån. FES-system har en lång livslängd och kan genomgå hundratusentals upp- och urladdningscykler utan att verkningsgraden försämras märkbart. Urladdningstiden varierar mellan några sekunder till cirka 20 minuter beroende på design.
Nuvarande användning av svänghjul rör sig främst om högeffekt- och korttidstillämpningar, då dessa lämpar sig bra för system med en kort svarstid och hög effektäthet. Den vanligaste tillämpningen är att nyttja svänghjul som brygga vid byte av en energikälla till en annan (DEIF 2018). Andra vanliga användningsområden är spänningsreglering (Espinar och Mayer, 2011), avbrottsfri kraftförsörjning, hybridkraftverk, hybridfordon och rymdsatelliter
(Colmenar et al., 2011). Framtida tillämpningsområden antas även inkludera energilagring vid förnybar elproduktion och direkta nätanslutningar för att förbättra effektkvalitet (Bernhoff, Bolund och Leijon, 2005).
(Beaudin et al., 2010). Nya, bättre tekniker har, eller är på väg, att lanseras med
driftkostnader under 25 000 SEK/kWh. Bland annat har forskare på Siemens tagit fram en prototyp med ökad pålitlighet och lägre driftkostnader (Schrein, 2015). Siemens
svänghjulssystem är cirka en meter högt med en diameter på 60 centimeter och har kapacitet att leverera 125 kilowatt under 15 sekunder. Motorn som driver svänghjulet har en lång livstid och är relativt billig tack vare stora produktionsvolymer. Investeringskostnaden anses relativt låg och ligger på mellan 1 030 - 3 120 SEK/kW installerad kapacitet (Jerkontorets energihandbok, u.å.).
De främsta fördelarna med svänghjul är dess snabba svarstid, höga effekttäthet (Östergård, 2011) och att de inte är platskrävande (Schrein, 2015). Vidare har det en livslängd på uppåt 20 år, vilket är positivt både ur ett ekonomiskt och hållbart perspektiv. Den miljömässiga påverkan är liten för ett svänghjul, då mestadels av metalldelarna som bygger upp systemet går att återvinna och systemet släpper inte ut några växthusgaser (Bernhoff, Bolund och Leijon, 2005).
Figur 2: Principen för energilagring i svänghjul. 2.2.3 Tryckluft (CAES)
Figur 3: Principen för tryckluftslagring (Dahlqvist och Karlsson, 2014).
Tryckluften kan lagras på två sätt; ovan jord eller under jord. Anläggningar där den
komprimerade luften lagras ovan jord är generellt sett mindre än de som lagrar under jord. Lagringskapaciteten ligger mellan 3 - 50 MW för anläggningar ovan jord medan
anläggningar under jord har en kapacitet på uppåt 400 MW. Platsval för anläggningar ovan jord är mer flexibelt än för anläggningar under jord, eftersom dessa ställer krav på geologiska förutsättningar såsom närhet till en salt dom, ett tomt gasfält eller en akvifär (Englund et al., 2015). Investerings- och driftkostnader för en CAES-anläggning ligger på ungefär 6 000 kr/kW (Englund et al., 2015) respektive 104 – 1250 kr/kWh (Jernkontorets energihandbok, u.å.), varav driftkostnaden för CAES med lagring under jord ligger i det lägre
kostnadsspannet och CAES med lagring ovan jord i det övre. Det har visat sig att de mest kostnadseffektiva anläggningarna lagrar energi under jord (Englund et al., 2015).
Urladdningstiden för ett CAES-system uppgår vanligen till ett dygn och den tekniska livslängden ligger mellan 25 - 40 år. Svarstiden för systemet rör sig om några minuter. Efter tre minuter är ofta 50% av kapaciteten tillgänglig och efter ytterligare 7 - 11 minuter är 100% av kapaciteten tillgänglig (Englund et al., 2015). Energidensiteten ligger mellan 30 - 60 Wh/kg (Jernkontorets energihandbok, u.å.) och energitätheten mellan 0,5–0,8 Wh/l (Englund et al., 2015).
Dagens tryckluftsteknik har en låg verkningsgrad, mellan 42 - 54%. Anledningen till detta är att stora mängder värme går förlorad vid kompressionen utan att tas tillvara på. Luften komprimeras vanligen etappvis och kyls successivt ned för att sedan ha ett sluttryck på mellan 40 - 70 bar. Under kylningsprocesserna släpps den avgivna värmen ut till
skulle temperaturer uppgå till uppemot 800 grader. Trots att luften kyls ned i etapper nås ändå höga gradtal och därmed ställs stora krav vid materialval (Dahlqvist och Karlsson, 2014). I traditionella CAES-anläggningar används stora mängder naturgas för att hetta upp luften under expansionsfasen innan den förs till gasturbinen, vilket medför negativ miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp. I en del anläggningar används så mycket som en tredjedel av den mängd naturgas per kWh producerad el som används i ett rent naturgaskraftverk (Dahlqvist och Karlsson, 2014). En andra generationens tryckluftsteknik, Avancerad Adiabatisk CAES (AA-CAES), är dock under utvecklingsfasen med fokus på att ta tillvara på värmen som alstras vid kompressionen. Genom att göra detta ökar energieffektiviteten och miljöpåverkan minskar eftersom värmen från kompressionen då skulle återanvändas vid expansionsfasen och därmed ta bort behovet av naturgas. Det fanns planer på att driftsätta
demonstrationsanläggningen ADELE i Tyskland år 2016, men dessa lades ner år 2013 på grund av marknadsförutsättningar. Ett av målen med ADELE var att öka verkningsgraden till upp mot 70%, vilket skulle vara en tydlig förbättring jämfört med dagens tryckluftsteknik. Dessutom fanns förutsättningar för lägre installationskostnader och kortare byggtid jämfört med första generationens CAES-teknik. Dock förväntas investeringskostnaden ungefär fördubblas med den nya tekniken då kostnader för att ta tillvara på spillvärmen tillkommer (Englund et al., 2015).
Idag finns två driftsatta CAES-anläggningar, en i Tyskland och en i USA, med en installerad effekt på 290 MW respektive 110 MW. År 2016 beställde Fortum en rapport om huruvida tryckluftslagring skulle kunna vara en möjlig lösning i den nya gröna stadsdelen Norra Djurgårdsstaden, Stockholm. Idén var att lagra tryckluft i bergrum under jord och använda den genererade värmen från kompressionen som fjärrvärme. De tekniska förutsättningarna visade sig vara goda, men idén tillbakavisades då den inte var ekonomiskt hållbar (Nohrstedt, 2016). Tekniken bakom CAES är under fortsatt utveckling och förväntas i framtiden få störst utbredning i USA och till viss del även inom EU.
2.3 Genomförda projekt
För att ge en inblick över förutsättningarna för mekanisk energilagring i mini grids följer härefter ett axplock av genomförda projekt av det slaget:
2.3.1 Pumpkraftverk i mini grids
Pumpkraftverk används som tidigare konstaterats främst vid storskalig energilagring i centrala elnät. I dagsläget finns ingen information om ett verksamt mini grid som tillämpar denna typ av teknik, dock finns några exempel där PHS används för småskalig energilagring. Ett exempel är i ett lägenhetshus i Frankrike där överskottsenergi lagras genom att vatten pumpas från källarvåningen upp till en tank på taket (Libre de Bruxelles Université, 2016). 2.3.2 Svänghjul i mini grids
som kan leverera 20 MW (Dahlqvist och Karlsson, 2014) och ett annat exempel finns i Norge där ett FES-system används till att stabilisera ett småskaligt mini grid (Eide et al., u.å.). Det norska mini gridet är installerat på ön Utsira och byggdes under 2003 och 2004 av
energibolaget Norsk Hydro tillsammans med de tyska vindturbinstillverkarna Enercon. De huvudsakliga kriterierna i projektet var att hålla energibalansen i systemet, optimera
energilagringen, tillgodose tillräcklig kapacitet för att möta effekttoppar samt leverera begärd energikvalitet (Eide et al., u.å.). Idag är tio hushåll anslutna till det lokala elnätet som försörjs med vindkraft och främst lagrar energi med hjälp av vätgasproduktion genom elektrolys. Systemet har varit i full drift sedan 2005 och principen bygger på att använda
överskottsenergi från vindkraftverket till att skapa vätgas som sedan kan lagras. Som komplement till detta finns också funktioner för energilagring i svänghjul för att stabilisera nätet. Idag uppnår systemet en tillgänglighet på 90%.
2.3.3 CAES i mini grids
I boken Energy Procedia ses CAES som ett alternativ till batterilagring i ett mini grid. Det finns främst två hybrider av lagringstekniker, vilka båda inkluderar CAES och som potentiellt skulle kunna lämpa sig i ett mini grid; Hydro-pneumatic Energy Storage Systems och Medium scale wind-diesel-compressed air system (MSWDCAS). Utan vidare
fördjupning i den sistnämnda teknikens princip kan det konstateras att det enbart existerat ett mini grid i världen som tillämpat denna. Det är den Québecanska vindkraftsorganisationen TechnoCentreéolien som satt upp ett experimentellt Mini-Grid i Rivière-au-Renard, Canada, där lagringsmetoden tillämpas (Belmokhtara, Hussein och Ghandourb, 2015).
2.4 Det ekonomiska perspektivet
Den totala kostnaden för lagringsenheten i ett mini grid kan delas upp i investerings- och driftskostnader. Investeringskostnaden motsvarar en engångskostnad för installation av systemet och beror främst av hur stor kapacitet enheten ska ha. En annan faktor som kan påverka investeringskostnaden är platsval, vilket är en relevant faktor för exempelvis PHS och CAES. Det är främst platsvalet som påverkar investeringskostnaden för PHS, vilket bland annat konstateras i IVA:s rapport om energilagring (Energimyndigheten rapport, 2017) och som också går att se i ett arbete från Stanford University (Galvan-Lopez, 2014). Där finns en tabell över ett antal PHS-anläggningar som visar att investeringskostnaden inte främst varierar med storleken eller installerad effekt i pumpkraftverket, utan att det snarare är platsvalet som är avgörande. För CAES kan dessutom faktorer såsom förutsättningarna för lagringsutrymmet, exempelvis dess form, vara av betydelse och göra att kostnaden blir något högre eller lägre jämfört med den generella (Auer, Lettner och Zach, 2012). För svänghjul är det de tekniska parametrarna som påverkar investeringskostnaden; exempelvis vilken motor och motortillverkare man väljer eller vilket material svänghjulet byggs av.
endast värden för de totala O&M kostnaderna och dessa bryts inte ner i fasta respektive rörliga kostnader (Auer, Lettner och Zach, 2012).
3. Metod
Metoden som används i rapporten för att besvara frågeställningarna och uppfylla målen består av tre delar: litteraturstudie, intervju och modell.
En litteraturstudie har genomförts (se avsnitt 2) i syfte att samla in information och jämförelseunderlag för de olika lagringsmetoderna, samt ge en inblick i hur mini grids fungerar och tillämpas idag.
Därtill har en intervju med EON hållits för att berika rapporten med ytterligare information och synpunkter gällande mini grid-systems status och framtid i Sverige.
Slutligen har en modell ställts upp, innehållande numeriska beräkningar där lagringsbehov och elförbrukning i ett specifikt mini grid har dimensionerats. Baserat på det dimensionerade lagringsbehovet har en kostnadsstudie genomförts där investeringskostnaden för den
långsiktiga energilagringsenheten har beräknats.
3.1 Intervju med EON - Simrisprojektet
I den skånska tätorten Simris har EON ett pågående projekt som går ut på att installera och driva ett småskaligt lokalt elnät (mini grid-system). Projektet grundar sig i ett internationellt strategiarbete där syftet är att hantera frågor kopplade till framtidens elsystem.
Enligt Jan-Eriks Olsson, Senior advisor på EON som varit delaktig i projektet från start, är det långsiktiga syftet att småskaligt testa hur det svenska elnätet kommer se ut i framtiden. Han menar även på att marknaden för liknande system som det i Simris kommer vara stort den kommande tiden, främst till följd av minskade kostnader för lagringsteknik. Olsson tror att lokala elnät, eller mini grids, framförallt kommer vara aktuella vid otillgängliga områden såsom öar och fjällanläggningar, men även som en alternativ lösning till
ombyggnation/renovering av sjökablar eller långa elnät på sträckor med få kunder. Exempelvis finns det långa nätsträckor i glesbebyggda områden i Norrland, där det i framtiden eventuellt kommer vara en bättre ekonomisk lösning att upprätta mini grids och enbart använda det befintliga elnätet som back up.
bilhandel. Baserat på statistik som samlats in under de månader testkörningar av systemet har gjorts (december 2017 - februari 2018) uppskattas den genomsnittliga lasten 350
MWh/månad.
I dagsläget är Simris-projektet inte ekonomisk lönsamt, men då syftet främst är att erhålla kunskap om småskaliga energisystem är detta inte något som ses som ett problem. En viktig upptäckt som gjorts vid testkörningarna är att systemet klarar av att hålla en bättre frekvens än det nationella elnätet. Enligt Olsson kommer mini grids vara konkurrenskraftiga på vissa platser i framtiden. Vidare menar han på att utvecklingen av det svenska elnätssystemet på dessa platser kommer gå mer och mer mot lokala, förnybara lösningar och att det centrala elnätet där främst kommer agera back-up. Därav är småskaliga tester likt det i Simris en viktig del i utvecklingen mot framtidens hållbara energisystem.
3.2 Modell
En modell har ställts upp i syfte att beräkna energilagringsbehovet i ett specifikt mini grid samt dimensionera den långsiktiga lagringsenheten i systemet. Därtill ska en
investeringskostnad för denna lagringsenhet tas fram. I modellen behandlas inte den
kortsiktiga lagringsenheten, då det finns dåligt med underlag och därav är svårt att uppskatta hur mycket energi som behöver lagras för frekvens- och spänningsreglering.
Följande förenklingar har gjorts i mini grid-modellen:
- Lasten består enbart av elförbrukningen från 10 hushåll.
- Hushållen är nyproduktioner placerade på en ö i Stockholms skärgård där det idag inte finns någon tillgänglig nätanslutning.
- Hushållen är villor och förväntas ha en elförbrukning som motsvarar den svenska genomsnittsförbrukningen för åretruntboende.
- Hälften av hushållen antas ha en huvudsäkring med ett maximalt effektuttag på 14 kW och den andra hälften ett maximalt effektuttag på 17 kW.
- Elgenereringen består av ett mindre vindkraftverk. 3.2.1 Antaganden
Följande antaganden och förenklingar har gjorts:
- Under dagar med tillräcklig blåst för vindkraftsproduktion erhålls tillräckligt med energi för att dels ladda upp lagringsenheten helt, dels bemöta det dagliga
effektbehovet i systemet.
- Ett genomsnittligt vindkraftverk antas producera full effekt 2800 timmar om året (Västra Götalandsregionen u.å.), vilket motsvarar drygt en tredjedel av årets alla timmar. Då det tänkta mini gridet är placerat på en skärgårdsö kan denna siffra antas vara högre eftersom det blåser mer till havs. Vidare klarar vindkraftverket av att försörja ön med el även då de inte producerar full effekt. Ett rimligt antagande är därmed att systemet behöver klara av att lagra tillräckligt mycket energi för att kunna försörja konsumenterna med el under 24 h (1 dag) utan vindkraftsproduktion.
- Investeringskostnaden för FES och CAES väljs som ett genomsnitt av framtagna värden i bakgrunden. Investeringskostnaden för PHS väljs som ett genomsnitt av de värden som EEG tagit fram för PHS-anläggningar i Europa.
- För valutaväxling används rådande växelkurs på valuta.se, 1 EUR = 10,38 SEK (Valuta.se 2018).
- Verkningsgraden för lagringsteknikerna antas till medelvärdet av angivet intervall i bakgrunden.
- Nätförlusterna antas uppgå till 1%, vilket motsvarar hälften av förlusterna i dagens centrala elnät.
3.2.2 Systembeskrivning
Modellen avser ett isolerat område vars tre huvudkomponenter är en last bestående av 10 hushåll, ett vindkraftverk samt en kort- och långsiktig lagringsenhet.
3.2.3 Beräkningssteg
Nedan följer de beräkningssteg som har gjorts i syfte att dimensionera lagringsbehovet samt ta fram en investeringskostnad för den långsiktiga lagringsenheten.
1. Dimensionering av långsiktig lagringsenhet
För att beräkna det totala energilagringsbehovet som behövs för att kompensera för dagar utan vindkraftsproduktion används nedanstående ekvationer:
𝑊 = 𝑀/Ƞ (4)
där W är det totala energilagringsbehovet [kWh], M motsvarar mini gridets energibehov [kWh] under en specifik period och Ƞ är den valda lagringsmetodens verkningsgrad [%]. Ekvationen för mini gridets energibehov beräknas som:
𝑀 = 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑔𝑎𝑟 𝑢𝑡𝑎𝑛 𝑣𝑖𝑛𝑑𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡𝑠𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛 ∗ 𝐷 (5)
där D motsvarar den dagliga totala elförbrukningen i mini gridet [kWh]. Ekvationen för D ges av:
𝐷 = 𝐺𝑒𝑛𝑜𝑚𝑠𝑛𝑖𝑡𝑡𝑠𝑓ö𝑟𝑏𝑟𝑢𝑘𝑛𝑖𝑛𝑔 ∗ 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 ℎ𝑢𝑠ℎå𝑙𝑙/𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑔𝑎𝑟 𝑝𝑒𝑟 å𝑟 (6)
Genomsnittsförbrukningen mäts i kWh/hushåll/år.
Vid dimensionering av det totala energilagringsbehovet W bör hänsyn till nätförluster på 1% tas. Dessutom bör elförbrukningen i systemet dimensioneras till 25% (Jihad Khasawneh, 2015) högre än vad som tagits fram i bakgrunden då värdena angivna där är
genomsnittsvärden. Detta då den momentana elförbrukningen kan vara högre än den genomsnittliga, vilket systemet behöver ta höjd för.
För att möjliggöra fullt nyttjande av energilagrets kapacitet bör tillräckligt stor effekt kunna levereras för att försörja området. För att beräkna installerad lagringseffekt måste hänsyn tas till maximalt effektbehov:
𝐼 = 𝐼IJKIåLL∗ 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 ℎ𝑢𝑠ℎå𝑙𝑙 (7)
där I är installerad lagringseffekt [kW] och 𝐼IJKIåLL hushållens maximala effektuttag [kW]. Vid dimensionering av den installerade lagringseffekten E behöver inte beräkningarna dimensioneras upp med 25% då värdena för hushållens effektbehov som angivits i
2. Beräkning av investeringskostnad
Givet dimensioneringen av den installerade lagringseffekten I kan en investeringskostnad för den långsiktiga lagringsenheten, 𝐾LNOPQROKSRIST [SEK] beräknas.
𝐾LNOPQROKSRIST = 𝐼 ∗ 𝐾 (8)
där K [SEK/kW] motsvarar investeringskostnaden för respektive lagringsmetod och ges under antaganden (avsnitt 3.2.1).
3.2.4 Känslighetsanalys
En känslighetsanalys kommer genomföras för att utvärdera resultatets känslighet för variation i in-parametrarnas värden. De in-parametrar som kommer att analyseras är verkningsgrad och investeringskostnad för den aktuella lagringsmetoden samt maximalt effektuttag för de anslutna hushållen. För att erhålla information om modellens känslighet kopplat till
verkningsgrad och investeringskostnad kommer in-parametrarna varieras mellan det lägsta och det högsta värdet i det angivna intervallet. Vidare kommer hushållens maximala effektuttag variera utifrån antagandet att hushållen har en huvudsäkring med ett maximalt effektuttag på endera 14 W eller 17 W.
Det kommer ställas upp sex scenarion utöver basscenariot: 1. Maximal verkningsgrad
2. Minimal verkningsgrad
3. Maximal investeringskostnad per kW 4. Minimal investeringskostnad per kW 5. Maximalt effektuttag 17 W
6. Maximalt effektuttag 14 W
Ytterligare en inparameter som medför en viss känslighet i modellen är antagandet att nätförlusterna i systemet uppgår till 1%. Valet att inte inkludera denna parameter i
4. Resultat
I detta avsnitt presenteras de resultat som erhållits från jämförelsedata från litteraturstudien och modellen, samt de inblickar intervjun gav.
4.1 Jämförelse samt för- och nackdelar
Baserat på tekniska data från litteraturstudien (avsnitt 2.1.1 - 2.1.4) har nedanstående tabell med egenskaper för respektive energilagringsmetod sammanställts:
Tabell 3: Sammanställning av egenskaper för lagringsmetoderna.
Pumpkraftverk Svänghjul Tryckluftslager
Installerad
lagringseffekt [MW]
100 - 5000 0,01 - 100 Ovan jord: 3 - 50 Under jord: <400
Verkningsgrad [%] 65 - 85 80 - 90 42 - 54
Svarstid Sekunder - minuter Millisekunder Minuter Urladdningstid <24 h 15 s - 15 min < 24 h Driftkostnad [SEK/kWh] 625 - 1 560 8000 - 25 000 104 - 1250 Investeringskostnad [SEK/kW] 4 500 - 32 400 1 040 - 3 120 Ca 6 000 Energitäthet 1 Wh/l Låg 0,5 - 0,8 Wh/l Energidensitet 1 Wh/kg 1 - 10 Wh/kg 30 - 60 Wh/kg Effekttäthet Låg Hög Låg Teknisk livslängd 50 - 100 år Ca 20 år 25 - 40 år Geografisk/ topografisk begränsning
Krav på höjdskillnad Nej Under jord: I närhet av salt dom, tomt gasfält, akvifär
Ytmässigt krav Stort Litet Beror på storlek
Miljöpåverkan Negativ påverkan på närliggande landskap
Låg Koldioxidutsläpp vid
upphettning av luft
De parametrar som tas upp i tabellen på föregående sida är viktiga kriterier att ta hänsyn till vid installering av en lagringsenhet i ett mini grid. Beroende på om lagringen är avsedd för lång eller kort sikt är olika kriterier av särskild vikt. Nedan följer en tabell med dessa kriterier.
Tabell 4: Viktiga kriterier vid energilagring på lång- och kort sikt.
Kort sikt: Lång sikt:
• Hög effekttäthet • Flexibel ramphastighet • Snabb svarstid • Hög verkningsgrad • Låg driftkostnad • Hög tillförlitlighet • Stor lagringskapacitet • Hög verkningsgrad • Kostnadseffektiv
Idealiskt sett ska energilagringsenheten uppfylla alla dessa kriterier. I följande tabell presenteras en sammanställning av för- och nackdelar för de tre lagringsmetoderna, givet kriterierna i tabellen ovan.
Tabell 5: För- och nackdelar med respektive lagringsmetod.
Fördelar Nackdelar Pumpkraftverk • Hög lagringskapacitet • Lång urladdningstid • Lång livslängd • Låg driftkostnad • Väletablerad lagringsmetod
• Relativt långsam svarstid (sek - min)
• Geografiska begränsningar • Negativ påverkan på
omgivning
• Hög investeringskostnad • Ej beprövad metod i mini
grids
• Låg effektäthet Svänghjul • Kort svarstid (millisekunder)
• Hög verkningsgrad • Hög effekttäthet • Inte platskrävande • Låg miljöpåverkan
Tryckluftlager • Lång livslängd • Lång lagringstid • Låg driftkostnad
• Experimentellt beprövad metod i mini grid
• Låg verkningsgrad • Långsam svarstid (min) • Geografiskt begränsad • Medför negativ miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp • Låg effektäthet 4.1.1 Pumpkraftverk (PHS)
Ett PHS-system är inte optimalt lämpat för kortsiktig energilagring (även om denna tillämpning är tekniskt möjlig) eftersom systemet har en för långsam svarstid, inom
intervallet sekunder-minuter. Däremot är metoden väl anpassad för långsiktig energilagring. De främsta fördelarna med PHS-tekniken är att den har stor lagringskapacitet, låg
driftkostnad och ofta uppnår en hög verkningsgrad. Detta gör att tekniken är kostnadseffektiv vilket är en stark ekonomisk fördel. PHS har även tekniska fördelar då det är den mest
välbeprövade och etablerade metoden av de tre som undersökts.
Metoden har vanligen tillämpats för energilagring vid storskalig elproduktion och de flesta pumpkraftverk på marknaden har en hög installerad lagringseffekt. Nackdelarna innefattar framförallt de topografiska och ytmässiga krav pumpkraftverk ställer, då det medför
begränsningar för var mini grid-systemet kan upprättas. Emellertid är det tekniskt möjligt att skala ner tekniken för tillämpning i småskaliga system. Vinsten med detta är att då behöver både magasin och höjdskillnad vara mindre, vilket gör att de topografiska och ytmässiga kraven minskar. Eftersom det är ett småskaligt mini grid som behandlas i rapporten, passar ett småskaligt pumpkraftverk väl som långsiktig lagringsenhet.
4.1.2 Svänghjul (FES)
Svänghjul lämpar sig väl vid kortsiktig energilagring i ett mini grid. Detta främst på grund av dess korta svarstid, höga effekttäthet och höga verkningsgrad. En kort svarstid är en
förutsättning för att snabbt kunna absorbera eller leverera energi för att stabilisera frekvens och spänning i nätet. Behovet av snabb reglering är av särskilt stort vikt på grund av att mini gridet är förnybart och drivs av en intermittent energikälla vilket ger upphov till
Svänghjulsbaserade ESS lämpar sig bra när antalet upp- och urladdningscykler är många (hundratusentals) och önskvärd effekt ligger inom intervallet kW till MW, vilket är fallet i den typ av småskaligt mini grid som betraktas i detta arbete.
I bakgrunden kunde det konstateras att svänghjul är den mest frekvent förekommande typen av mekanisk energilagring i mini grids, vilket kan ses som en fördel då det styrker metodens applicerbarhet. Ytterligare en fördel med metoden är att den inte ställer några ytmässiga eller geografiska krav på omgivningen vilket medför en stor flexibilitet. Dessutom är svänghjul ett bra alternativ ur en miljömässig synpunkt, då systemet inte har några utsläpp eller
restprodukter.
En nackdel är att svänghjulen, trots kraftigt förbättrad teknik, fortfarande har en betydligt högre driftkostnad än de två övriga metoderna vilket är negativt ur ett ekonomiskt perspektiv. 4.1.3 Tryckluft (CAES)
I dagsläget lämpar sig CAES inte som energilagringsteknik i ett mini grid, varken på kort eller lång sikt. Svarstiden är lång och därför är tekniken opassande att använda för kortsiktig energilagring. Den främsta anledningen till att metoden inte lämpar sig för långsiktig
energilagring är den låga verkningsgraden som dagens CAES-teknik har. Dessutom är
metoden inte koldioxidneutral då stora mängden naturgas används i processen. Ett huvudsyfte med att upprätta ett förnybart mini grid är att minska energisystemens miljöpåverkan.
Därmed är användandet av naturgas en stor nackdel.
De främsta fördelarna med tryckluftslagring är av ekonomisk karaktär; nämligen lång livslängd och lägst driftkostnad av de tre metoderna. Den långa livslängden gör att investeringskostnaden kan fördelas på fler antal år och på så sätt blir investeringen mer fördelaktig då kostnaden per år sjunker. En annan fördel med småskalig CAES är att
lagringen kan ske ovan jord och således finns inga placeringsbegränsningar. Att det finns ett projekt i Canada som tillämpar en hybrid lagringsmetod som inkluderar CAES är också positivt då det tyder på att metoden potentiellt skulle kunna vara kompatibel i ett mini grid-system.
4.2 Val av lagringsmetoder
I det mini grid-system som behandlas i rapporten rekommenderas lagringsenheten bestå av en lång- och kortsiktig lagringsmetod. Svänghjul lämpar sig väl för kortsiktig lagring och ett småskaligt pumpkraftverk skulle lämpa sig bra för långsiktig lagring. Genom att använda de båda metoderna kombinerat erhålls stabilitet och balans i systemet både kort- och långsiktigt.
4.3 Intervju: mini grids i Sverige
4.4 Dimensionering av långsiktig lagringsenhet samt investeringskostnad
Givet valet i avsnitt 4.2 har nedanstående beräkningar för ett småskaligt pumpkraftverk genomförts.Den dagliga totala energiförbrukningen i mini gridet uppgår till:
𝐷 =*U VVV∗)VWXU = 685 𝑘𝑊ℎ/𝑑𝑎𝑔 (6)
Energibehovet i mini gridet under 1 dag utan vindkraftsproduktion blir:
𝑀 = 1 ∗ 685 = 685 𝑘𝑊ℎ (5)
Det totala energilagringsbehovet blir då: 𝑊 = X]U
V,_U= 913 𝑘𝑊ℎ (4)
Med kompensering för nätförluster på 1% och en uppdimensionering på 25% för att ta hänsyn till genomsnittsvärden blir det slutliga totala energilagringsbehovet:
𝑊 =),*U∗b)WV,bb = 1 153 𝑘𝑊ℎ (4)
Den installerade lagringseffekten i pumpkraftverket beräknas till:
𝐼 = 14 ∗ 5 + 17 ∗ 5 = 155 𝑘𝑊 (7)
Investeringskostnaden för pumpkraftverket med en installerad lagringseffekt på 155 kW uppskattas till:
𝐾LNOPQROKSRIST = 155 ∗ 1000 = 155 000 𝐸𝑈𝑅 (8)
Med rådande växelkurs på valuta.se motsvarar 155 000 EUR ungefär 1 609 500 SEK. Siffrorna är avrundade till hundratal.
4.5 Känslighetsanalys
Nedan följer en presentation av hur det totala energilagringsbehovet, den installerade lagringseffekten samt investeringskostnaden för pumpkraftverket varierar utifrån de scenarion som satts upp i avsnitt 3.2.4.
Scenario Totalt
energilagringsbehov Installerad lagringseffekt Investeringskostnad pumpkraftverk
0. Basscenario 1 153 kWh 155 kW 1 609 500 SEK
1. Max n 1 018 kWh 155 kW 1 609 500 SEK
2. Min n 1 331 kWh 155 kW 1 609 500 SEK
3. Max investeringskostnad 1 153 kWh 155 kW 2 414 300 SEK
4. Min investeringskostnad 1 153 kWh 155 kW 804 800 SEK
5. Max effektuttag 17 W 1 153 kWh 170 kW 1 765 300 SEK
6. Max effektuttag 14 W 1 153 kWh 140 kW 1 453 800 SEK
Då verkningsgraden varierar förändras det totala lagringsbehovet, då investeringskostnaden varierar förändras pumpkraftverkets investeringskostnad och då maximalt effektuttag varierar förändras den installerade lagringseffekten och således även investeringskostnaden för
5. Diskussion och slutsats
Nedan följer en diskussion av erhållna resultat och iakttagelser, där förslag på framtida arbeten behandlas löpande i texten.
5.1 Teknisk utveckling
I den jämförelse av mekaniska energilagringsmetoder som resultatet grundar sig i har enbart data från teknik som finns kommersiellt tillgänglig idag används. Snabb utveckling och forskning sker dock inom området mekanisk energilagring och stora förändringar kan ske på några år. För ett mer nyanserat resultat hade därför även framtida tekniker kunnat tas i beaktning. Exempelvis förväntas svänghjul kunna fungera som långsiktig energilagring inom några år till följd av att system med högre energitäthet tillverkas. Givet att kostnaderna för ett sådant system inte är för höga kan det konkurrera med batterier och tillämpas på liknande sätt.
Även tekniken bakom tryckluftssystem är under utveckling och om verkningsgraden för AA-CAES förbättras och blir högre än för dagens tryckluftsteknik skulle det potentiellt kunna vara en attraktiv metod, särskilt eftersom AA-CAES är fördelaktig ur en miljömässig aspekt då den till skillnad från CAES är koldioxidneutral.
5.2 Framtidsutsikter för mini grids
Det har tidigare konstaterats att de allmänna utmaningarna kopplade till implementering av mini grids är: höga investeringskostnader, oklarheter kring nättariffer, laglig begränsning samt politisk motarbetning. Baserat på underlag från EONs projekt i Simris är upprättandet av ett mini grid i det svenska elnätet i nuläget en förlustaffär. Förväntningar finns dock på att kostnaderna kommer sjunka i takt med att den bakomliggande tekniken utvecklas och blir billigare.
För att mini grids ska nå genomträngning på den svenska marknaden krävs dels att lösningen blir mer kostnadseffektiv, dels att elnätsmonopolet upphävs så att nya aktörer kan ta sig in på marknaden. Om investeringsbarriären för mini grid-system sjunker skulle det troligtvis öka implementeringen eftersom systemen utgör den mest ekonomiska lösning inom vissa
