Examensarbete, 15 hp
Högskoleingenjörprogrammet i Energiteknik,180 hp
Battery storage and its usefulness in the electric grid.
Elias Dahl
BATTERILAGRING OCH
DESS NYTTA I ELNÄTET.
Sammanfattning
Användningen av förnyelsebara energikällor ökar i samhället och elproduktionen blir allt mer decentraliserad. Detta medför utmaningar för dagens föråldrande elnät då belastningen ökar i takt med ökad urbanisering och fler elkrävande industrier. Effekt och kapacitetsbrist har blivit ett allt större problem i Sveriges elnät, speciellt i storstäder, vilket hindrar samhällsutvecklingen och ställer nya krav på elnätet. För att lösa problemen med effekt, kapacitetsbrist och möjliggörandet av fler förnyelsebara energikällor utreder detta examensarbete både de ekonomiska och tekniska möjligheterna som batterilagring kan medföra. Examensarbetet belyser både dagens och framtidens utmaningar och möjligheter med batterilagring för fastighetsägare, elnätsbolag och energibolag. För att ge svar på detta har Power2Us lösningar med batterilagring analyserats. Utgångspunkten för analysen har varit en fastighet på Frösön i Östersunds kommun där för närande Power2U bedriver en förstudie. Denna lösning har sedan aggregerats upp i skala för att studera påverkan för den lokala och regionala elnätsägaren Jämtkraft. Då det lokala energibolaget Jämtkraft är delägare i Power2U är intresset stort för båda parter att hitta nya lösningar och se nyttan av ett aggregerat antal fastigheter med batterilagring i Östersunds elnät.
För att besvara projektets frågeställningar har en empirisk studie utformats. Information kring Power2Us batterilösning, hur denna fungerar och hur lösningen ska implementeras i den befintliga fastigheten på Frösön har tagits fram. Utifrån fastighetens elanvändning har två olika storlekar av batterilagring simulerats timvis utifrån första veckan varje månad under 2018.
Användningen med batterilagring har sedan jämförts med elanvändningen mellan lokal och regionalnät tillsammans med uttaget från stamnät för att granska den tekniska och ekonomiska nyttan. Avslutningsvis har investeringskalkyler upprättats för de två olika batteristorlekarna.
Där analyseras flytten av batterianvändningen för att kapa effekttoppar i lokalnätet respektive uttaget från stamnät, samt hur det påverkar fastighetsägarnas återbetalningstid och vinsten hos elnätsägarna.
Resultatet visar på minskad återbetalningstid för investeringen för fastighetsägarna genom att flytta batterianvändningen för att kapa effekttoppar i lokalnätet och uttag mot stamnätet. Med investeringsstöd kommer återbetalningstiden bli likartad oaktad batteristorlek med flytt.
Studien visar också på att Jämtkraft inte kommer få någon teknisk nytta av ett aggregerat antal fastigheter med batterilagring, då deras elnät idag har god kapacitet och saknar effektbrist.
Däremot kommer Jämtkraft kunna sänka sitt sin abonnerade effekt mot stamnät och därigenom uppnå en ekonomisk vinning. Då Jämtkraft både äger lokal- och regionalnät saknas det ekonomiska incitament att sänka abonnemangskostnader mellan dessa nät. Rapporten har då utgått från olika elnätägare för att undersöka den ekonomiska nyttan. Genom att flytta batterianvändningen för att kapa effekttoppar i lokalnätet kommer en vinst genereras för lokalnätsägaren. Denna vinst kan komma till nytta för andra elnätsägare på andra orter.
Batteristorleken och elnätsabonnemang som gäller för anslutning mellan och till elnät har en
stor påverkan på resultatet redovisas i rapporten. En aggregerad mängd batterilager kommer
bidra till Sveriges hållbarhetsmål med nettonollutsläpp till år 2045 genom att främst möjliggöra
brukandet av fler hållbara energikällor.
Abstract
The amount of renewable energy sources and the change to a more decentralized type of electricity production, brings challenges to an increasingly obsolete Swedish electrical grid.
Urbanization and power-hungry industries have inflicted power shortcomings and capacity related problems which prevents social establishment, especially in big cities and demands new solutions for the electric grid. This project aims to solve the problems with power shortcomings, capacity absence and the enabling of further establishment of business and housing with aggregation of battery storage. This project will examine how battery storage can deal with technical problems as well be financially beneficial to house owners with battery storages, electricity grid companies and energy companies. To study these benefits the report has collaborated with Power2Us solution with battery storage and studied an ongoing customer case with a property located in Frösön, Östersund. Two different battery storage sizes have been simulated to this property and increased in numbers to study the aggregated impact for the local electrical grid owned by the local energy company Jämtkraft. Power2U is co-owned by Jämtkraft and the interest from both companies to find solutions and financially benefit from aggregated battery storage in the electric grid in Östersund are substantial.
An empirical study has been created to answer the projects questions. Information on Power2Us battery solution, how it works and how it should be implemented in the property at Frösö strand has been gathered. Data from the property’s electrical use has been used to simulate two different sized battery storages during each hour, first week every month for 2018. The use of the battery storage in the property has been compared to the electrical use between the local and regional power grid together with the withdrawal of electricity from the main power grid, to examine the technological and economical use. Investment calculus of the two battery sizes will be completed to study how the different use of the battery, to cut power peaks in the electrical grid instead of the property’s own, will impact payback time for the property owners and profit for the electrical grid owners.
The result shows a decline in payback time with moved battery use for the property owners
who invest in battery storages to cut power peaks for the owner of the local and main power
grid. The payback time for the smaller and bigger battery will practically be the same with
investment support with moved battery use. Jämtkraft will not technologically benefit from an
aggregated amount of battery storages, due to high marginal for capacity levels and no power
shortcomings, in today’s electrical grid. Jämtkraft will financially profit when battery storages
are used to lower the withdrawal limit for the main power grid. Jämtkraft owns both the local
and regional power grids in the region which leads to no profit in lowering electrical contracts
between these grids. The report will instead procced from a different local and regional
electrical grid owner, which can be of use to other companies at different localizations where
the ownership is different. There will be profit in moving battery storage use to cut power peaks
in the local grid for the local power grid owner. The battery size and contract to connect between
and to the electrical grid will in conclusion have a big impact on result that is shown in this
report. An aggregated amount of battery storages in the electric grid will enable the expansion
of sustainable energy sources and contribute to Sweden’s sustainable goal.
Förord
Detta examensarbete omfattar 15 högskolepoäng och är den avslutande delen på utbildningen högskoleingenjör inom energiteknik vid Umeå Universitet. Projektet har genomförts i samarbete med Sweco Umeå, Power2U och Jämtkraft. Utan engagerade och kunniga personer inom dessa företag hade detta examensarbete inte varit möjligt.
Vill först tacka min handledare Anna Joelsson på Sweco i Umeå som försett mig med kunskap kring det berörda ämnet. Vill även rikta ett tack till Joakim Eklöf, Sweco, som gett mig återkoppling på rapporten, samt tacka alla trevliga personer på Sweco i Umeå.
Tack till Joel Mars Bodell på Power2U som har varit en enorm tillgång, hjälpt till att diskutera idéer och gett förståelse inom projektet.
Tack till Caroline Hildal och Hampus Halvarsson på Jämtkraft i Östersund som varit en stor tillgång och bidragit med adekvat information som legat till grund för arbetet.
Tack till Lars-Göran Andersson Bång på Diös fastigheter som givit mig insikt och förklarat projektet från ett fastighetsägare perspektiv.
Avslutningsvis vill jag även tacka min handledare Anders Åstrand på Umeå Universitet som hjälpt mig att leda projektet i rätt riktning med förståndiga råd, diskussioner och med feedback på rapporten.
Elias Dahl
Umeå, januari 2020
Innehållsförteckning
ORDLISTA ... 1
1 INLEDNING ... 2
1.1 S
YFTE... 2
1.2 M
ÅLSÄTTNING... 2
1.3 A
VGRÄNSNINGAR... 3
2 BAKGRUND ... 5
2.1 S
WECOAB ... 6
2.2 P
OWER2U S
WEDENAB ... 6
2.3 J
ÄMTKRAFTAB ... 7
3 TEORI ... 8
3.1 E
LNÄTET... 8
3.1.1 Elproducenter ... 9
3.1.2 Elnätsföretag ... 9
3.1.3 Elhandelsföretag ... 10
3.1.4 Elanvändare ... 10
3.2 E
LKOSTNADER... 10
3.3 E
FFEKT OCH KAPACITETSBRIST I DAGENS ELNÄT... 11
3.4 D
AGENS ELPRODUKTION OCH ELANVÄNDNING... 11
3.5 F
RAMTIDENS ELPRODUKTION... 12
3.6 F
RAMTIDENS ELANVÄNDNING... 13
3.7 F
LEXIBILITET... 14
3.7.1 Frekvensreglering ... 15
3.7.2 Frekvensregleringsmarknaden ... 15
3.8 E
NERGILAGER... 16
3.9 B
ATTERILAGRING... 16
3.9.1 Batteritekniken ... 17
3.9.2 Batterityper ... 17
3.9.3 Batteriers prestanda ... 19
3.9.4 Utveckling ... 19
3.9.5 Marknad och kostnader ... 19
4 METODIK ... 21
4.1 E
MPIRISK STUDIE... 21
4.2 S
AMTAL OCH INTERVJUER... 21
4.3 V
ERKTYG OCH DATAPROGRAM... 21
5 RESULTAT OCH DISKUSSION ... 22
5.1 P
OWER2U
S LÖSNING: F
LEXPOWER OCHF
LEXPOOL... 22
5.2 F
RÖSÖ STRAND... 22
5.2.1 Elanvändning ... 23
5.3 F
ASTIGHETEN MED BATTERILAGRING... 23
5.4 S
POTPRISER... 26
5.5 F
REKVENSREGLERING, FRC-N ... 28
5.6 F
ASTIGHETENS ELNÄTSABONNEMANG... 28
5.6.1 134 kWh ... 29
5.6.2 268 kWh ... 29
5.7 T
OTAL FÖRTJÄNST MED ANVÄNDANDET AV BATTERIER I FASTIGHETEN... 30
5.7.1 134 kWh ... 30
5.7.2 268 kWh ... 30
5.8 J
ÄMTKRAFTS ELNÄT... 31
5.9 A
GGREGERING AV BATTERILAGRING... 31
5.9.1 Aggregerad batterilagrings ekonomiska nytta mellan region och lokalnät ... 31
5.9.2 Ekonomisk nytta med aggregerad batterilagring mellan stamnät och regionalnät. ... 40
6 EKONOMI ... 44
6.1 P
OWER2U
S ABONNEMANG... 44
6.4 I
NVESTERINGSKALKYLER... 44
6.4.1 134 kWh ... 44
6.4.2 268 kWh ... 45
7 SLUTDISKUSSION ... 47
7.1 F
RAMTIDEN... 47
7.2 F
ASTIGHETEN... 47
7.3 J
ÄMTKRAFT... 48
7.3 S
VENSKAK
RAFTNÄT... 49
7.4 P
OWER2U ... 49
7.5 B
ATTERIER... 49
7.5.1 Investering av batterier och återbetalningstid ... 50
7.6 A
BONNEMANG... 51
7.7 S
VERIGES HÅLLBARHETSMÅL... 51
8 SLUTSATSER ... 52
9 FORTSATT ARBETE ... 53
10 REFERENSER ... 54
11 BILAGOR ... 1
11.1 B
ILAGA1 ... 1
11.2 B
ILAGA2 ... 2
11.2.1 134 kWh ... 3
11.2.2 268 kWh ... 7
11.3 B
ILAGA3 ... 11
11.4 B
ILAGA4 ... 15
8.4.1 134 kWh ... 15
9.4.2 268 kWh ... 18
Ordlista
Atemp Utgör den invändiga arean för våningsplan, vindsplan och källar- plan som värms till mer än 10 °C i byggnaden.
DoD Depth of discharge, urladdningsdjup.
FCR Frequency Containment Reserve.
GW Gigawatt.
Hz Hertz.
kV Kilovolt.
Kvm Kvadratmeter.
MW
pMegawatt toppeffekt, nominell effekt.
Nätkoncession Tillstånd att bygga eller använda en elektrisk starkströmsledning.
Primärbatterier Icke uppladdningsbara batterier.
Sekundärbatterier Uppladdningsbara batterier.
SoC State of charge, laddningstillstånd.
Spotprisarbitrage Utnyttjandet av obalanser på spotprismarknaden.
TWh Terawattimmar.
T&D Transmission and Distribution, överföring och distribution.
UPS Uninterruptable Power Supply, avbrottsfri kraftförsörjning.
V2G Vehicle to grid.
Wh Wattimmar.
1 Inledning
Sverige står idag inför ett skifte i energiproduktion och användning av energi. I takt med att förnyelsebara energikällor, så som solceller, blir mer konventionella på marknaden flyttas från storskalig el-och värmeproduktionen till en mer småskalig och decentraliserad produktion.
Detta medför svårigheter och ställer krav på de befintliga el-och värmesystem som finns i dagens samhälle. Kapacitet- och effektbrist i det svenska elnätet har på senare år äventyrat leveranssäkerheten, vilket kräver nya lösningar för att Sverige ska försätta ha en konkurrenskraftig utveckling. Batterilagring är en möjlig lösning på dessa problem. Denna rapport kommer att undersöka Power2Us batterilagringslösning samt studera dess användningsområden och hur denna lösning påverkar energibolagens leverans av el.
Examensarbetet har genomförts i samarbete med Sweco AB, Power2U Sweden AB och Jämtkraft AB.
1.1 Syfte
Syftet med examensarbetet är att utreda hur Power2U:s lösningar med hållbara energikällor och främst batterilagring påverkar energibolagens leverans av el, genom att omvandla fastigheter till flexibla energi- och effektresurser för att eliminera flaskhalsar och kapacitetsbrist i elnätet.
I takt med att småskalig energiproduktion blir allt vanligare kommer energibolagens egen leverans och produktion av el att påverkas allt mer. Genom att använda batterilagring går det bland annat att lagra överskottsel från solceller, styra bort effekt och minska nätkostnader för fastighetsägare. Hur stor denna påverkan med batterilagring kommer att vara när mängden fastigheter som nyttjar dessa lösningar ökar, samt vilken nytta den kommer att vara för de lokala energibolagen ur ett teknoekonomiskt och miljömässigt perspektiv kommer att utredas.
Examensarbetet kommer även beröra till vilken grad Power2U:s lösningar med batterilagring kan bidra till att uppnå Sveriges klimatmål att ha ett nettonollutsläppsamhälle till år 2045
1.2 Målsättning
Projektet kommer att resultera i en studie för att visa vilken ekonomisk och teknologisk nytta batterilager kan skapa lokalt i en fastighet och på en aggregerad skala i elnätet. Målet är hitta faktorer som underlättar och som går hand i hand med Jämtkrafts, Svenska Kraftnäts och Power2Us egna målsättning, vilket skulle gynna en vidare expansion av förnyelsebara energikällor och öka möjligheten till batterilagring. Idag är påverkan relativt okänd för hur expansionen kommer att se ut och målet är därför att undersöka om metoden är framtidens lösning.
Projektet ska besvara nedanstående frågeställningar:
• Vilken ekonomisk nytta har en fastighet som tillämpar Power2Us lösning med batterilagring?
• Kan Power2U:s lösningar med aggregerande batterilagring göra ekonomisk nytta och
bidra till en högre elleveranssäkerhet i Svenska Kraftnäts och Jämtkrafts elnät när
antalet fastigheter med denna lösning ökar?
• Finns det någon ekonomisk nytta för fastighetsägarna att på aggregerad skala sänka elnätstopparna med batterier?
• Hur kommer Power2U:s lösningar med aggregerande batterilager påverka Jämtkrafts och Svenska Kraftnäts elnät på regional och nationell nivå i framtiden?
• I vilken utsträckning kan Power2U:s energilösning med batterilager bidra till att nå Sveriges hållbarhetsmål med växthusgaser som ska nå netto-noll senast år 2045?
För att kunna besvara dessa frågeställningar behöver Power2Us lösningar klargöras, vilka tekniker de använder sig av, hur dessa system samarbetar och vilken effekt de ger. Detta bör sedan ställas i perspektiv till Jämtkrafts och Svenska kraftsnäts elnät ur ett ekonomiskt, tekniskt och ekologiskt perspektiv. Detta görs genom att studera ett verkligt projekt. Resultatet av projektet skalas sedan upp med ytterligare fastigheter för att analysera hur effekten påverkar produktion och leverans från energibolagen i ett framtida scenario.
1.3 Avgränsningar
Examensarbetet kommer utgå från Power2Us användning av batterilagring i en fastighet på Frösö strand och hur detta påverkar den ekonomiska och tekniska nyttan hos fastighetsägaren.
Analysen kommer sedan att genomföras med ett aggregerat antal fastigheter, 50st, med tillhörande batterilagring för att undersöka nyttan hos elnätsägaren.
Antalet fastigheter anses vara rimligt utifrån en tidig framtida prognos för hur en större mängd batterilagring fungerar i elnätet. Detta antagande kommer fungera som ett riktmärke för hur ett första steg i utvecklingen mot fler batterilager i samhället kan komma att se ut. De undersökta storlekarna på batterilagringen kommer att vara 134 kWh och 268 kWh då Power2U har indikerat att dessa storlekar kommer vara de mest lämpade och relevanta för den undersökta fastigheten. Investeringskostnaden för de två batteristorlekarna utgår från batterileverantörens prisnivåer. Batterilagring står i fokus i denna rapport och följaktligen kommer inte andra tekniker behandlas.
Fastigheten som studeras i rapporten är belägen i Östersund, Frösö strand. Variationer i elförbrukning beroende på klimat och säsong har inverkan på resultatet. Därför kommer resultatet och data baseras från timdata under första veckan varje månad för 2018. Valet att studera första veckan varje månad har gjorts på grund av den mängd data som har tagits fram.
För att bibehålla en rimlig trovärdighet och samtidigt kunna behandla nödvändning information har denna kompromiss genomförts. Effektkapningen med batterierna för fastigheterna och i elnätet kommer att ske varje dag utifrån de studerade perioderna. Detta för att studera den maximala vinsten som kan genereras.
Fastigheten på Frösö strand har i dagsläget inte ännu tillämpat några av Power2Us lösningar.
Rapporten kommer därför utgå ifrån teoretiska och simulerade resultat som erhålls av
batterilagringen. Den beräknade flexibla energin som erhålls av batteriet kommer utgå efter
optimal och garanterad laddningsnivå. Uppladdningen är mycket komplicerad för de batterier som Power2U använder. Rapporten kommer därför utgå ifrån antagna värden för delar som berör uppladdning.
Det är svårt att förutspå hur elproduktion och elanvändningen kommer att se ut i framtiden. Till
grund kommer därför framtidsprognoser för elproduktion, elanvändning och elnätspåverkan
utgå ifrån IVA, Svenska kraftnät och svenskt näringslivs rapporter [10][26][27][28]. Dessa
rapporter har använts som referens för att ge en så trovärdig framtidsbild av energiläget som
möjligt. Andra möjliga scenarion från andra rapporter kommer inte att behandlas.
2 Bakgrund
Ökade miljöproblem, användandet av fossila bränslen och subventionerade ekonomiska hjälpmedel bidrar till omställningen mot en mer decentraliserad form av energisystem, baserat på förnyelsebar energi. Hållbara energikällor som solpaneler och vindkraft ökar kraftigt i Sverige [1][2] och dessa energikällor planeras ta en allt större del av den framtida elproduktionen i takt med att utfasning av kärnkraften sker. Då dessa förnyelsebara energikällor inte har några utsläpp vid produktion av energi, har låga driftkostnader samt att det finns ekonomiska fördelar och hjälpmedel är de mycket attraktiva på den svenska marknaden, både hos privatpersoner och företag. Med denna snabba förändring står den nuvarande energibranschen inför en omställning då energiproduktionen ändrat form. I takt med att förnyelsebara energikällor växer i samhället, ökar även kravet på det svenska elnätet. Störningar och tillfälliga svängningar på elnätet har blivit ett problem när mängden mindre elproducenter ökar. Samtidigt börjar kapacitetsbristen i storstäder som Stockholm, Göteborg och Malmö nå en kritisk nivå där effektbristen bidragit till att leveranssäkerheten äventyras och hindrar många större företag att etablera och expandera på dessa orter [3]. Detta examensarbete kommer studera hur batterilager i fastigheter underlättar energiomställningen, samt vilken nytta den kan få i energibolagens elnät då denna typ av lösning blir allt mer utbredd.
Batterier som lagrar el har många användningsområden. Förutom att lagra överskottsel som produceras i batterier går det att flytta användningen av el i tiden. Detta kan ge en ekonomisk fördel då det går att köpa el när den är billig på elmarknaden och använda den när priset är högt.
Det går även att sänka elnätsavgiften då behovet av att köpa el minskar. Effekttoppar går att kapa vilket gynnar både fastighetsägaren och energibolagen. Genom att ha ett antal fastigheter ihopkopplande med lagringsbatterier går det att balansera elanvändningen till större grad och sänka återbetalningstiden.
2017 antog Sveriges riksdag ett klimatpolitiskt ramverk [4] som angav inriktningen för framtidens klimatpolitik. Detta ramverk baserades på en överenskommelse inom den parlamentariska miljömålsberedningen för att nå ett nettoutsläppsfritt samhälle till år 2045.
Detta innebär att utsläppen från verksamheter minst ska vara 85 procent lägre jämfört med utsläppen år 1990 och att resterande utsläpp ska kompenseras. Denna reform är den viktigaste klimatreformen i svensk historia vilket ger långsiktiga förutsättningar för näringsliv och samhälle att genomföra en omställning för att lösa klimatförändringarna [4]. Detta kommer ha stor inverkan på många av de svenska energibolagen och fastighetsägare som redan idag måste börja utföra åtgärder för att nå klimatmålen.
Den installerade effekten hos solceller i Sverige har ökat markant under de senast åren. 2016
var den totala installerade effekten 79.2 MW
pvilket var en ökning med 63 procent från året
innan, då totala effekten uppgick till 48.4 MW
p. Detta motsvarar dock bara en bråkdel av den
totala energiproduktionen i Sverige, solceller stod för 0.1 TWh av produktionen vilket
motsvarar 0,1 % [2]. Anledningen till att solceller förblivit en relativt liten andel på den svenska
marknaden kan vara att den nuvarande producerade elen har ett lågt CO
2fotavtryck samtidigt
som elpriserna förblivit låga [2]. I juni 2016 beslöt fem riksdagspartier att Sverige ska som mål
räknas som förnyelsebar energikälla och som står för 34,3 % av totala elproduktionen (2016), eventuellt kommer att fasas ut. Förnyelsebara energikällor som solceller och vindkraft kommer då sannolikt få en större betydelse i framtidens elproduktion. Genom att marknaden tenderar att röra sig mot mer hållbara energikällor upptäcker allt fler både de ekonomiska och ekologiska fördelarna, vilket ökar intresset hos fastighetsägare och företag att bidra till omställningen. Allt fler konsumenter blir miljömedvetna och efterfrågan kring hållbara alternativ ökar. Imagen hos företag att vara klimatsmarta och hållbara har aldrig varit så högaktuell som den är idag.
Det resultat som energi- och fastighetsbolagen hoppas på att uppnå, när allt flera av dessa mikroproduktioner av hållbara energikällor och lagringsalternativ uppstår, är att reducera effekttoppar. Dessa effekttoppar inträffar när effektuttaget är som högst, vilket innebär ökade kostnader för energibolagen och fastighetsägarna, samt att de bidrar till en sämre miljö. Med hållbara energikällor kan de fastighetsägare som väljer att investera i dessa lösningar bli mer självständiga i sin egen el-och värmeförsörjning. Genom att även implementera batterilagring i dessa system kan nyttan bli ännu större, då det finns möjlighet att i stort sett bli självförsörjande och minska utsattheten vid eventuellt strömavbrott. Detta resulterar i sin tur till minskade kostnader för el och uppvärmning, parallellt som energibolagen kan reducera antalet effekttoppar. Effekttoppar för energibolag är extra kostsamma då många lösningar för att minska dessa är ekonomiskt ohållbara och saknar hanteringsmöjligheter.
2.1 Sweco AB
Sweco är i grunden en svensk koncern bestående av ett antal teknikkonsultföretag som levererar konsulttjänster inom teknik, miljö och arkitektur [6]. Verksamheten bedrivs av en mängd före detta fristående konsultbolag, som numera är Swecos helägda dotterbolag. Sweco är ett internationellt företag som bedriver verksamhet i 14 länder i Europa. Totalt har Sweco ca 16 000 anställda, varav 5 600 i Sverige. Deras årliga omsättning uppgår till ca 18,7 miljarder, varav 7,2 miljarder i Sverige. Smarta städer är ett initiativ av Sweco för att få ett mer effektivt och hållbart samhälle genom bland annat intelligenta elnät och automatiserad belysning. [6]
Sweco försöker ständigt integrera förnyelsebar energi i det arbete de bedriver och jagar lösningar som gagnar kund, samhälle och klimat i stort. Deras arbete stäcker sig genom energiförsörjningskedjan. Hur energin produceras, hur den kommer dit den ska och hur den används så effektivt som möjligt. Resultatet av detta är ett driftsäkert, kostnadseffektivt och miljövänligt system som bidrar till en hållbarare framtid [7].
2.2 Power2U Sweden AB
Power2U är ett svenskt företag som består av fem delägda energibolag som har sitt säte i
Stockholm. Verksamheten startade som ett projekt inom innovationsmotorn InnoEnergy 2015
då skiftningarna på energimarknaden uppmärksammades och värdet av att bilda en lokal
systemoperatör upptäcktes. Power2U finansierades av både Energimyndigheten och Horizon
2020-programmet för att genomföra utvecklingsprojekt men är idag ett företag som står på egna
ben med InnoEnergy och de lokala energibolagen Jämtkraft, Umeå Energi, Jönköping Energi,
Tekniska Verken och Öresunds Kraft som ägare [8]. Deras idé grundar sig i att reducera antalet
energitoppar med minskad klimatpåverkan som mål. Detta sker genom att koppla samman
och externa batterier. Power2Us vision är att skapa smarta energisamhällen och möjligheter för fastighetsägare att kontrollera och optimera sina fastigheters energisystem för att tjäna på att vara flexibla energianvändare [8].
2.3 Jämtkraft AB
Jämtkraft är ett lokalt energibolag som har sitt säte i Jämtland och ägs av tre jämtländska
kommuner; Åre, Östersund och Krokom [9]. Företaget är verksam inom elproduktion,
värmeproduktion samt leverans av dessa energikällor. De inriktar sig på att producera hållbar
energi som bidrar till ett mer hållbart samhälle. Därför är främst energi från skog, vind och
vatten i fokus men de har även tagit steget mot att börja använda allt mer solkraft. Företaget har
en lång historia då de grundades redan 1889 och har sedan dess expanderat från att förse fem
abonnenter med belysning till att idag ha kunder i hela Norden. Jämtkrafts vision är att utöka
sin elproduktion inom sol, vind och vatten samt att vara helt fria från koldioxidutsläpp. De har
även som mål att till år 2026 uppnå en helt fossilfri värmeproduktion [8]. Jämtkraft är ett av
delägda energibolagen i Power2U och tillsammans har de ett nära arbete för att snabbare och
enklare nå helhetslösningar som gynnar fastighetsägare.
3 Teori
3.1 Elnätet
Elnätet består primärt av två kategorier: transmissionsnät och distributionsnät. Det svenska elnätet delas in i tre nivåer som är uppdelat i en hierarkisk struktur. Från stamnät (transmissionsnät), 220 – 400 kV, till regionala nät (distributionsnät), 40 – 130 kV och slutligen lokala nät (distributionsnät) ≤ 20 kV [10].
Figur 1: Det svenska stamnätet med befintliga utlandsförbindelser 2015 [10]
Stamnätet ägs av Svenska kraftnät AB som på uppdrag av regeringen ska sköta underhåll och utveckling av detta nät. Svenska kraftnät AB har det yttersta ansvaret att upprätthålla balansen och leverera en stabil eltillförsel. Nätet är rikstäckande och knyter ihop produktion från kraftverk med region- och lokalnäten. På stamnätets kraftledningar transporteras el som främst har producerats från vind-, vatten- och kärnkraft. Balansen i dessa nät är viktig då produktion och konsumtion ständigt måste mötas för att förhindra störningar och allvarliga avbrott.
Stamnätet utgör 15 000 kilometer kraftledningar, figur 1, med spänningar mellan 220 – 400 kV vars syfte är att leverera stora mängder ström över långa avstånd med få förluster [11][12].
Detta är viktigt då Sverige är ett avlångt land där stor del av elproduktionen sker i norr och
majoriteten av användningen sker i söder.
I utbytespunkten mellan regionala nät och stamnät sker mätningar av mängden energi som passerar. Beroende på mängden energi som används och produceras i regionen kan energin flöda åt båda håll [13]. Ställverk används vid varje knytpunkt i elnätet som fördelar, bryter eller slår på ström vid behov. De dirigerar ingående kraft till olika utgående ledningar av olika spänning samt använder transformatorer för att anpassa spänningen. Det finns tre olika typer av ställverk: transmissionsställverk, primära distributionsställverk och sekundära distributionsställverk [14]. Transmissionsställverk används vid kraftverk för att leverera kraft från verken till nätet där ledningarna möts. Primära distributionsställverk nyttjas för att styra kraften till olika alternativa vägar och mata närliggande stadsdelar och industrier. Sekundära distributionsställverk används främst för de större industrierna, fastigheterna och bostadsområdena [15]. Specialanpassade ställverk som är anpassade för de behov som verksamheten kräver är att föredra för att säkerställa funktionen och användningen. Gamla ställverk som inte används för de syften som de är designade för löper risk för driftstopp, kortslutningar och överbelastningar [14].
Regionnätet används för att skicka energi över mellanstora avstånd. Dessa nät finns med spänningar från 40 – 130 kV och ägs av de regionala elnätsbolagen. Regionnätet förgrenas slutligen ut i lokalnätet. Dessa nät delas upp i lågspänning (400/230 V) och högspänning (10 – 20 kV) som antingen består av luftledningar eller nedgrävd jordkabel. Vid abonnenten placeras en transformatorstation som omvandlar inkommande spänning, oftast 10 kV, till 3-fas lågspänning 400/230 V. Från dessa transformatorstationer går serviceledningar till abonnenten som bör hållas så korta som möjligt för att minimera förluster. I överlämningspunkten, vid elskåpet, övergår ansvaret från elnätsägaren till fastighetsägaren [13].
Det svenska stamnätet består nästan uteslutande av växelströmsledningar som till tre fjärdedelar består av 400 kV och en fjärdedel 220 kV. De nordiska länderna är även de hopkopplade i ett växelströmsnät som underlättar och möjliggör en gemensam nordisk balans- och reservhållning, vilket ger ett mer robust system som klarar av störningar och förändringar.
Likströmsledningar används i dagsläget endast för att komplettera växelströmsledningar i särskilda fall. En utmaning vid utveckling av stamnätet är att den även måste koordineras med utbyggnaden av kapaciteten i underliggande nät, för att undvika att regionala nät överbelastas vid fel på en stamnätsledning [17].
3.1.1 Elproducenter
Elproducenter är de som producerar el från en kraftanläggning. Detta kan vara allt från storskaliga vatten- eller kärnkraftsanläggningar till en mindre lokal solcellsanläggning. Elen som kommer från större produktioner är kommersiell och säljs till ett elhandelsföretag eller annan inköpare. En egenproducent som producerar mindre el än vad som används per år, kan sälja sitt överskott vid momentan överproduktion [18].
3.1.2 Elnätsföretag
Elnätet i Sverige ägs av olika elnätsföretag som alla har ensamrätt på eldistributionen inom sitt
geografiska område, dvs naturligt monopol. Dessa företag ansvarar för elnätets infrastruktur
3.1.3 Elhandelsföretag
Elhandelsföretag köper och säljer el på elhandelsbörsen Nord Pool spot eller direkt från elproducenten. Detta för att sedan sälja elen vidare till elanvändare. Det råder fri konkurrens på elhandelsmarknaden vilket gör el till en konkurrensutsatt vara [20].
3.1.4 Elanvändare
Elanvändare inkluderar alla som använder el i sin verksamhet så som industrier, bostadshus, företag och fastighetsägare. Fastighetsägare och fastighetsbolag är stora konsumenter av el då verksamhet i deras fastigheter oftast är elintensiv, så som kontor, flerbostadshus och köpcentrum. Att hålla låga och stabila elkostnader är viktigt för många elanvändare. Att energieffektivisera sina fastigheter har blivit allt mer populärt genom att byta ut elkrävande produkter mot mer energisnåla vilket sänker förbrukningen och bidrar till en mer hållbar elanvändning [21].
3.2 Elkostnader
Som elanvändare har man elkostnader som består av två delar: elnätskostnad och elhandelskostnad. Elnätskostnaden är en kostnad för att vara ansluten till nätet som är opåverkbar vid köp av el då den är monopolbaserad för det geografiska området.
Elhandelskostnaden utgår ifrån den el som används vilket går att påverka genom att välja olika elhandelsföretag som säljer el. I det totala elpriset ingår skatt och myndighetsavgifter vilket utgör mellan 30 – 40 % av totala elpriset [22].
Elhandelskostnaden består av elpris, elcertifikatavgift och moms [22]. Som konsument finns valet att välja mellan rörligt eller fast elpris. Det rörliga elpriset, även kallat spotpris, åsätts timme för timme en dag i förväg, baserat på tillgång, efterfrågan och elregion av Nord pool.
Detta pris är normalt högre under dagen då många industrier är igång och lägre under morgon och kväll. Väder, vind och klimat har också en inverkan på spotpriset då milt, blött och blåsigt väder leder till lägre elpriser [23]. Ett rörligt pris är svårt att förutse och prisskillnaden kan vara stor mellan fast och rörlig. Sett till långa perioder har är ett rörligt pris lönat sig jämfört med ett fast pris, då det är elhandelsföretagen som tar en risk om priserna stiger vid ett fast elpris. Denna risk hamnar hos elanvändaren vid val av rörliga priser [24].
Elcertifikatavgiften är en avgift som sätts av elhandelsföretaget vilket tas ut av sina kunder.
Elproduktionen från förnyelsebara energikällor som sol, vind och vatten ger elcertifikat till
elproducenten. Elhandelsföretagen är skyldiga att köpa in elcertifikat motsvarande sina kunders
förbrukning, därav denna avgift [22]. Elnätskostnaden består av en rörlig del,
(överförningsavgiften) och fast del, (abonnentavgiften). Överförningsavgiften betalas för själva
transporten av el medan abonnentavgiften betalas för att få tillgång till elnätet [22].
3.3 Effekt och kapacitetsbrist i dagens elnät
Idag är effektbrist och kapacitetsbrist ett problem i Sveriges elnät. Utbyggnaden av nya bostäder, datahallar, elbilar, etablering av elintensiv industri och elektrifieringar för att fasa ut fossila bränslen har bidragit till ett ökat tryck på de svenska elnäten [15]. Samtidigt som befolkningen ökar har en ökad sammankoppling med utlandet bidragit till ett högre nyttjande av näten. Detta har medfört att vissa delar av näten ligger nära sin maxkapacitet eller överbelastas i korta perioder då effektbehovet är som störst. Låga investeringar, långsamma byggnationer och dröjande tillståndsprocesser för att lösa kapaciteten i stamnätet har försatt samhällsutvecklingen i en kritisk situation.
Om näringslivets elbehov inte möts riskerar Sverige att på landsbasis neka 160 000 MW nyanslutningar fram till 2030 vilket bidrar till en samhällsekonomisk kostnad på 150 mdr SEK om året 2030, om inga investeringar genomförs. Redan idag är det möjligt att kostnaderna på grund av kapacitetsbristen uppgår till 80 mdr SEK om året. Detta kan sättas i proportion till det totala värdet av svenska stam- och regionnätet som värderas till ca 170 mdr SEK [21].
Regionnätsbolagen är oroliga för utvecklingen då de behöver hantera frågor om anslutning samtidigt som de är bakbundna när det gäller inmatning från stamnät och påverkan av de långsamma koncessionsprocesserna för nya ledningar. Dock bygger inte lösningar bara på att investera i nya ledningar utan även på ny teknik som batterilager och smart utrustning [15].
3.4 Dagens elproduktion och elanvändning
Idag består Sveriges elproduktion främst av vattenkraft och kärnkraft. Totalt producerades 158 TWh, 2018, vilket visas i figur 2. Elanvändningen var oförändrad jämfört med året innan och Sverige nettoexporterade cirka 11 procent av total producerad el till utlandet [25].
Figur 2: Andel av elproduktionen 2018 [25].
Den totala elanvändningen 2018 uppgick till 141 TWh, vilket visas i figur 3. Bostäder- och servicesektorn stod för 52 procent av elanvändningen medan den svenska industrin stod för 35 procent. Storleken på dessa sektorer är främst beroende på Sveriges kalla klimat och den allt mer elintensiva industrin.
Figur 3: Sveriges totala elanvändning 2018 [26].
3.5 Framtidens elproduktion
Sveriges elproduktion är idag i stort sätt fossilfri. Detta ger goda förutsättningar för att den framtida elproduktionen kommer fortsätta att se ut på liknande vis. I en rapport från Arbetsgruppen för elproduktion presenteras fyra olika framtida produktionsalternativ, mellan år 2030 – 2050, utifrån dagens produktion [26]. De fyra alternativen bygger på en mix av olika kraftslag som används idag, men som har olika huvudfokus, figur 4. Rapporten utgår från produktionskapaciteten år 2014 och rör sig inom ett spann på 140 – 180 TWh med en uppskattad maxeffekt mellan 26 – 30 GW.
Figur 4: Framtidens elproduktion [10].
Beroende på utfallet av de olika framtida produktionstyperna behöver produktionskapaciteten
Sveriges totala elanvändning 2018, TWh
Källa: SCB Hämtat: 2019-11-12 11:32
Industri: 50,00TWh
Transporter: 3,00TWh Bostäder, service mm: 73,00TWh
Fjärrvärme, raf f inaderier: 4,00TWh
D istributionsf örluster: 11,00TWh
Tabell 1: Tillkommande elproduktion beroende på produktionsalternativ [10].
Produktionsalternativ Tillkommande elproduktion (GW)
Mer sol och vind 26
Mer biokraft 18
Ny kärnkraft 5
Mer vattenkraft 18
Om utvecklingen skulle röra sig mot allt fler hållbara energikällor och elproduktionen bli allt mer decentraliserad kommer produktionsmängden av el bli allt mer svårberäknad. Det kan till exempel finnas perioder under sommaren då det produceras mycket solcellsel vilket medför en skillnad i produktion beroende på årstid, dvs säsongsvariationer. Kravet på reglering och flexibilitet kommer då att öka för att förhindra obalans i systemen [10].
Det nuvarande stamnätet utvecklades under 1950-talet för utbyggandet av vattenkraften och under 1980-talet för kärnkraften. Ett ledande skäl till valet av storskalig produktion var betydande skalekonomi i produktionsanläggningar. Stamnätet idag är fortsatt anpassat utifrån dessa typer av storskalig produktion. Framtidens förutspådda elproduktion ser annorlunda ut och påverkar utformningen av det framtida elnätet. Kostnaden för att anpassa elnätet för de olika alternativen är relativt liten jämfört med anläggningskostnaderna. Vad som istället ställer krav på denna utveckling är krav på framförhållning och effektiva planerings- och tillståndsprocesser. Produktionsalternativet mer solkraft och vindkraft kommer ha störst tillkommande elproduktion. Detta innebär en ökad mängd nya ledningar och förstärkningar av befintliga nät på både regional och lokal transmissionsnätnivå [10].
3.6 Framtidens elanvändning
Enligt resultat från Arbetsgruppen för elproduktion och rapport om Sveriges framtida elbehov kommer framtidens elanvändning att öka med 5 – 10 TWh till 2030 [27][28]. Elförbrukningen inom sektorer som transporter och industri förväntas öka. Bostads- och servicesektorn har en mer otydlig framtid men antas minska sin elanvändning i takt med ökad energieffektivisering.
De olika sektorernas elanvändning och bedömda framtida elanvändning presenteras i tabell 2.
Med denna totala ökning måste elnäten dimensioneras för att klara det maximala effektuttaget och belastningen [10][28].
Tabell 2: Olika sektorers elanvändning och bedömda framtida elanvändning [10].
Sektorer
Dagens elanvändning 2013 [TWh]
Bedömning elanvändning bortom 2013 [TWh]
Bostads- och service 71 65–85
Industri (inklusive serverhallar) 51 50–60
Transporter 3 10–16
Övrig elanvändning 4 3–4
Totalt elanvändning exklusive förluster i elnätet 129 128–165
Total elanvändning inklusive förluster i elnätet 139 140–180
Urbaniseringen kommer att bli mer omfattande i takt med att befolkningen ökar. Storstäder som Stockholm, Göteborg och Malmö kommer se den största befolkningsökningen vilket kommer att bidra till en mer befolkningstät stadskärna och förorter. Större tätorter kommer även de se en ökning medan glesbygd istället kommer att minska i folkmängd. Urbanisering medför framförallt ett ökat tryck på elnät kring och i dessa städer. Avbefolkningen i glesbygd kommer att bidra till dyrare elkostnader för de som är kvar. Detta kan i sin tur kunna bidra till en ökad efterfrågan att koppla bort sig från elnätet och bli självförsörjande [10]. Expansionen i storstäder kommer öka behovet av anslutning och kapacitet för fastigheter och bostäder.
Transportsektorn kommer även den att fodra mer energi utifrån den utveckling som sker idag.
I huvudsak är det mängden elbilar, vars krav på laddning kommer att ställa högre krav på effekt och kapacitet i elnätet. Dessa laddningar kommer troligtvis infalla under tider på dygnet, tidig morgon och sen eftermiddag, då effekttopparna idag är som högst. Snabbladdning blir också allt vanligare vilket ökar effektkravet på elnätet men som också kan öka flexibiliteten vid laddning. Om det istället går att ladda dessa elbilar från överskottsel från exempelvis vindkraft eller solkraft kan laddningen istället ha en positiv effekt på effektbehovet. Vidare utveckling av exempelvis elektrifierade vägar kommer skapa ett nytt och ökat behov i denna sektor [10].
Industrin kommer framförallt se ett ökat elbehov med fler elintensiva industrier, speciellt inom IT-sektorn med nya data- och serverhallar [28]. Det största hindret för ökad etablering av industri i Sverige idag är effektbristen vilket har fått utfallet att många företag inte kan förlägga sin produktion i vissa områden, speciellt nära storstäder. Om Sverige i framtiden ska kunna vara konkurrenskraftig måste främst investeringar och utveckling ske inom elnät för att klara av vidare etablering [15].
3.7 Flexibilitet
För att kunna använda allt fler hållbara energikällor och för att öka integreringen av stora mängder förnyelsebar variabel el i kraftsystemet behövs flexibilitet som balanserar variationerna i elnätet. I ett kraftsystem finns det alltid behov av att kunna upprätta balans mellan elproduktion och elanvändning. Obalanser sker vid felaktiga prognoser vilket flexibla resurser kan motverka [10][29].
Tecken på ett obalanserat system med låg grad flexibilitet är:
• Negativa och/eller volatila elpriser
• Tvångsnedreglering av variabla förnybara energikällor.
• Svårighet att upprätthålla balanser och försämrad frekvenskvalitet.
En ökad flexibilitet kan användas för att undvika eller skjuta fram stora investeringar i
kapacitetsförstärkningar i elnäten. Förväntad potential som tagits fram av Vägvals el:s
arbetsgrupp för elanvändning visar på att det totalt krävs 4 GW, varav 2 GW från industrin och
2 GW från privatanvändningen avseende flexibilitet. Ett sådant resultat visar att ingen större
påverkan skulle ske vid dimensionering av elnäten [10]. Användarflexibiltet är när elanvändare
förändrar sin användning på eget initiativ genom att kapa effekttoppar och få en jämnare
prissignal till kunderna att vara en del av den framtida kapacitetsmarknaden. Lokala energilager som till exempel batterier har större potential att påverka effektuttaget än ren användarflexibiltitet. Dessa lokala energilager skulle dock innebära en större påverkan vid dimensionering av elnät [10].
Det finns många olika resurser som kan bidra med flexibilitet i ett kraftsystem. Det går bland annat att påverka produktion, förbrukning, elnätsöverförning och lager. De olika resurserna varierar i fråga om kapacitet, repeterbarhet, uthållighet och snabbhet, de är därför lämpade för olika typer av balansering [29].
3.7.1 Frekvensreglering
När elkonsumtionen är högre än elproduktionen sjunker den elektriska frekvensen i nätet.
Frekvensreglering används för att motverka denna minskning och snabbt reglera effektbalansen. Vattenkraften är den främsta källan som används vid frekvensreglering i norden, då det enkelt går att bestämma vattenflödet genom turbinerna och den producerade elen. En stor del av de förnyelsebara energikällorna saknar reglerbarhet och då mängden av dessa källor ökar i samhället, ökar även reglerbehovet. Lösningar som underlättar frekvensregleringen behövs för att minska reglerbehovet [30].
3.7.2 Frekvensregleringsmarknaden
Den 8 maj 2019 öppnade Svenska Kraftnät upp marknaden FCR för elkonsumenter med flexibel elförbrukning i Sverige. Genom denna marknad kan Svenska Elnät köpa in reserver för att balansera elsystemen. Det finns ett antal olika reservtyper, dessa är: FCR, aFRR, mFRR med olika krav på bland annat uthållighet och snabbhet. FCR delas upp i två olika reserver: FCR-N (Frequency Containment Reserve – Normal) och FCR-D (Frequency Containment Reserve – Disturbance). FCR-N har en minsta budstorlek på 0,1 MW och aktiveras automatiskt vid frekvensavvikelse inom 49,90 till 50,10 Hz [31]. Aktiveringstiden för reserven måste uppnå 63
% av effekten inom 60 sekunder och 100 % inom 3 minuter. Volymkravet för Sverige är ca 200
MW för denna reserv. Andra generella krav är att reserven ska vara godkänd för
förkvalificering, ska gå att realtidsmäta, vara utrustad med elektronisk kommunikation och ha
god uthållighet. Övriga krav är att lagret ska vara en symmetrisk produkt som klarar att reglera
frekvensen upp och ner [32]. FCR reserver upphandlas 1–2 dagar i förväg före leveranstimmen
och energiersättning sker enligt upp- och nedregleringspris [33].
3.8 Energilager
Behovet av energilagring ökar i takt med att elproduktionen blir allt mer oberäknelig i energisystemen. När andelen hållbara energikällor ökar blir elproduktionen allt mer svårstyrd.
Detta kommer att öka kravet på balans mellan produktion och konsumtion. Med energilagring kan systemet hållas i balans utan att ständigt matcha produktion med konsumtion. Beroende på vilken typ av elproduktion som sker och vilka behov som behövs tillgodoses, krävs olika typer av lagringstekniker. Geografiska förutsättningar påverkar även valet av energilager [34]. De vanligaste drivkrafterna och användningsområdena för energilagring är:
• Utnyttjande av prisdifferenser (arbitragemöjlighter)
• Balansering av energi/elbalans
• Uppstart vid black-out
• Stabilisering av konventionell elproduktion
• Lagring för ö-drift och icke anslutna system
• Förskjutning av investeringar (T&D deferral)
• Kapande av effekttoppar
• Energilagring för bostäder
• Reservlager vid elavbrott
Energilager bidrar med flexibilitet i elsystemen. Fördelen med energilagring är främst att dessa system kan flytta produktionen av elenergi i tiden. Metoden grundar sig i att omvandla elenergin till en annan energiform när elpriset är lågt och omvandlas tillbaka när elpriset är högt. Det går dessutom att förhindra spill av el när produktionen är lägre. Genom att lagra el kan därför effekttoppar för energibolagen minska och överbelastningar motverkas [34].
Energilagringsstöd finns att ansöka för privatpersoner som vill lagra sin egenproducerade el.
Bidraget täcker högst 60 procent av kostnaden för lagringssystemet, upp till 50 000 SEK.
Kravet för att få bidraget är att energilagringssystemet är kopplat till en anläggning för egenproduktion av förnyelsebar el som i sin tur är ansluten till elnätet. Stödet ska öka den årliga andelen egenproducerad elenergi för att tillgodose det egna elbehovet. Företag, föreningar och offentliga organisationer kan få subventionering direkt genom solcellsstödet [35].
3.9 Batterilagring
Applikationsområdena för batterilagring är många och förutsättningarna att lyckas få en kommersiell bredd av tekniken på marknaden är stor. Batterilagring kan förutom att flytta energi i tiden bidra med ökad lokal energioptimering, skjuta upp investeringar inom T&D, användas som reservkraft/UPS och hjälpa till att uppnå en god elkvalitet och stabilitet i elnäten [35].
Utvecklingen mot en svensk fordonsflotta med allt fler batteridrivna fordon bidrar till en ökad
mängd batterier i hushållen. Dessa batterier utgör både möjligheter och utmaningar. Elbilar som
laddas under höglasttimmarna ökar effektpåverkan och kan överbelasta systemen. Med ett
batterilager som i sin tur kan avlasta systemen skulle effektpåverkan minska. Idag används
batterilagring på mindre skala främst för reservkraft, ö-kraft och icke ansluta system. Större batterilagringsanläggningar kan i framtiden ge bredare tillämpningsmöjligheter [35].
Vad som driver utvecklingen av batterilagring är tillämpningsmöjligheten. Batterier kan både tillämpas i mindre skala i hushåll och bilar men även storskaligt genom att sätta ihop fler moduler. Eftersom batterier kan produceras småskaligt är tröskeln låg till utbredd kommersialisering [35].
3.9.1 Batteritekniken
Batterier omvandlar kemisk energi direkt till elektrisk energi genom elektromagnetisk reaktion.
Den kemiska energin lagras i batteriets aktiva material och den elektriska energin används vid urladdning. Vid urladdningen flyter en ström av elektroner från batteriet genom en yttre elektrisk krets. Om det är ett laddningsbart batteri kan batteriet återladdas genom att driva elektronerna med en yttre spänningskälla. Enheten cell är den korrekta grundläggande elektroniska enheten för batterier, vilket består av ett antal ihopkopplade celler [37].
De aktiva materialen i en cell är den negativa elektroden (anoden), den positiva elektroden (katoden) och elektrolyten. Den negativa elektroden avger elektroner till den yttre kretsen vid urladdning, elektrokemisk oxidation. Den positiva elektroden tar emot elektroner från den yttre kretsen vid en urladdning, elektrokemisk reduktion. Elektrolyten är en jonledare som transporterar laddning mellan negativa och positiva elektroden. I cellen är anoden och katoden isolerade från varandra genom en separator. Om den kemiska processen är möjlig att driva i två riktningar är cellen eller batteriet laddningsbar, dessa batterier brukar kallas sekundärbatteier [37].
Anoder brukar oftast produceras av någon slags metall som zink eller litium. Olika typer av metalloxid, som manganoxid eller blyoxid, är det vanligaste katodmaterialet. Elektrolyten ska vara en bra jonledare som inte leder elektrolyter. Vattenbaserade elektrolyter har hög jonledningsförmåga. Den mest fördelaktiga kombinationen av anoder, katoder och elektrolyt är de som har låg vikt, hög cellspänning och hög kapacitet. Egenskaper som kostnad, produktionsmöjligheter och stabilitet brukar vara avgörande för vilken typ av batteri som är mest lönsamma att producera.
Användningsområdet för sekundärbatterier varierar idag från allt till mindre portabla batterier i mobiler och kameror till stora stationära industribatterier [37].
3.9.2 Batterityper
Det finns ett antal olika batterityper på marknaden idag. Viktiga parametrar för batterier är urladdningshastighet, (hur fort batteriet kan laddas ur), urladdningsdjup (hur mycket av totalkapaciteten som går att nyttja vid varje cyklisk drift) och antalet urladdningscykler under en livstid. Självurladdning sker under tid för alla batterier men olika snabbt för olika typer.
Mognadsgraden är viktig för vilken utvecklingsgrad samt hur kommersiellt gångbar och
tillgänglig batteritekniken är [35]. Nedan följer beskrivningen av några av de vanligaste
batterityperna. Tabell 3 beskriver de berörda batteriernas egenskaper och kostnader se avsnitt 3.9.2.4.
3.9.2.1 Natriumsvavel (Smält salt-batterier)
Dessa batterier består av flytande natrium och svavel. Natriumsvavelbatterier har en kapacitet att uppnå 300 MW i upp till sex timmar. Denna typ av batteri används ofta för att lastutjämna och för att skjuta upp investeringar i nätet. Energitätheten för natriumsvavelbatterier är hög och verkningsgraden ligger runt 89 procent. Batterierna har en livslängd på 12 till 20 år och klarar tusentals laddningscykler. Höga temperaturer vid drift gör denna typ mest lämpad för storskaliga enegilagringslösningar [33]. Fördelen med dessa batterier är den inte ger ifrån sig miljöfarliga ämnen samt att natrium finns i riklig mängd naturligt i miljön. Nackdelen är att denna typ av batterier inte ännu är mogen för marknaden och i dagsläget saknar möjligheter att vara kommersiell gångbar [35].
3.9.2.2 Blybaserade batterier
Fördelen med blybaserade batterier är att de är förhållandevis billiga att producera jämfört med många andra batterier på marknaden. Nackdelen med dessa batterier är den låga energitätheten och att de inte klarar av upprepade laddningscykler särskilt bra. På grund av detta lämpas blybatterier främst för statisk lagring av energi [38].
3.9.2.3 Litiumbaserade batterier
Den låga vikten med den höga energidensiteten har gjort litium-jonbatterier attraktivt på marknaden i elbilar eller i många bärbara produkter som mobiltelefoner och laptops.
Verkningsgraden är över 90 % och de har en hög uppladdningshastighet. Säkerheten är extra viktig då den höga energidensiteten, litiums brännbarhet och innehåll av syre kan orsaka termisk rusning och orsaka brand [37]. Bristen på kobolt, som används i litium-jonbatterierna kan bli ett framtida problem då resurserna är begränsade. Litium är det lättaste grundämnet vid rumstemperatur, har en bra elektrokemisk potential och kan leverera en stor mängd energi i relation till vikt. Litium som metallmaterial fungerar väl i primärbatterier men blir instabil då metallen används som anod i sekundärbatterier. För att få uppladdningsbara litiumbatterier mer stabila, används idag litium-jonbatterier istället som ett icke metalliskt alternativ. Det finns ett antal olika typer av litium-jonbatterier med olika katodmaterial [39].
3.9.2.4 Flödesbatterier
Flödesbatterier har till skillnad från andra traditionella batterier flytande elektroder som kan
lagras utanför battericellen vilket möjliggör en stor lagringsvolym. Fördelarna förutom
lagringsvolymen är att denna lagringstyp har hög kapacitet, lång livscykel, snabb responstid
och hög tolerans för över- och underladdningar. Nackdelen är den låga energidensiteten vilket
kräver en stor volym, därför lämpas flödesbatterier främst för stationär lagring [33].
Tabell 3.Typer av batterier, deras funktion och kostnader [38].
3.9.3 Batteriers prestanda
Ett batteris prestanda värderas i kapacitet vilket fungerar som ett riktmärke för prestationsförmågan hos batterier. Under tiden som ett batteri används minskar kapaciteten vilket påverkar batteriets livslängd. Beroende på urladdningsdjup, laddningstillstånd, temperatur, och laddningsprocess kommer ett batteris livslängd att variera [40].
SoC beskriver till vilken grad ett batteri är laddat medan DoD redogör det motsatta, dvs urladdningsdjupet. Ett batteri som är fulladdat har en SoC på 100 % och en DoD på 0 %. Dessa värden har visat sig ha stor påverkan på livslängden hos ett batteri. Höga SoC och DoD värden ger en lägre livslängd med färre laddningscykler då degraderingen ökar [41]. I ett experiment gjord på Chalmers Universitet ökade den förväntade livslängden på litium-jonbatterier med 44 – 130 % genom att sänka laddningsnivån, SoC, med 50 % [40].
Den optimala drifttemperaturen för att maximera batteriers livslängd och kapacitet är ca 20 °C eller någon grad under. En varmare temperatur på 40 – 45 °C kan försämra batteriets kapacitet, beroende av typ, upp mot 40 % och halvera livslängden mot ett batteri som opererar i optimal drivtemperatur. Lika som varmare temperaturer kommer kalla temperaturer försämra livslängden och kapaciteten. Ett litium-jonbatteri har en kapacitetsminskning på ca 10 – 20 % vid en temperatur på 0 °C [41].
3.9.4 Utveckling
Batterilagring är den snabbaste utvecklande lagringstekniken idag. Litium-jonbatteriet har den största marknadsandelelen men på grund av den svårtillgängliga kobolten är förhoppningarna stora på andra batterityper. Målet är att hitta nya batterityper som kan lagra mer energi än dagens litiumjonbatterier, samtidigt som produktionskostnaderna är lägre och baseras på vanligt förekommande råvaror [42]. Vad som även påverkar utvecklingen av batterilagring är starkt kopplat till reglering, lagar och marknaden som inte fullt ut hanterar energilager [10].
3.9.5 Marknad och kostnader
Den största utmaningen för batterier som energilager är hur de ska bli investeringsmässigt fördelaktiga. Kostnaderna för batteritekniken är fortfarande relativt hög då batterier har svårt att konkurrera med andra flexibla resurser [29]. Dock har en ökad efterfrågan på batterier för olika applikationer ökat produktionsvolymerna och reducerat priserna. Priserna förväntas
Energilagringsmetod Märkeffekt [MW]
Lagrings-
tid Svarstid Energi- densitet [Wh/kg]
Verknings- grad [%]
Energi- kostnad [€/kWh]
Effekt- kostnad [€/kW]
Storlek yta [m2/kWh]
Blybaserade batterier 0,001–50 s-3h - 30–50 60–95 50–300 200–650 6,7 Litiumbaserade
batterier 0,001–0,1 min-h - 75–250 85–100 200–
1800
700–
3000 - Flödesbatterier
Vanadin Redoxbatterier 0,03–7 s-10h ms 75 85 100–
1000 2500 - Flödesbatterier
Zink Bromidbatterier 0,05–2 s-10h ms 60–80 70–75 100–700 500–
1800 2,7 Natriumsvavelbatterier 0,5–50 s-h - 150–240 85–90 200–900 700–2000 2,2
