Utökad nytta av befintligt energilager

energilager

Increased utility of existing energy storage

Victor Eklund

Examensarbete, 30 hp

tion from wind and solar energy. Energy storage fulfills an important role in this modernization, with potential to store overproduced electricity and use it at a later time. By balancing electricity production and consumption with energy storage, it can provide the grid with stability, increa- sed flexibility and reduce the grid load. An energy storage also makes it possible to keep down the dimensioning at exposed points in the grid, as in connections with high power fast charging stations.

In the electrical grid of Umea Energy, there is a battery storage of 118 kWh, connected to a fast charging station for electric buses. The high power required by the charging station risked affecting nearby customers, therefore a solution with a battery storage was installed to reduce the impact.

With this type of solution, a proportion of power can be retrieved from the grid and the battery storage simultaneously to the fast charging station, which contributes to the power output being smoothed out. However, solutions with battery storage are currently very expensive. To be able to justify an investment of this type of solutions, it is of interest to investigate whether it is possib- le to increase the utility of a battery storage in order to make the solution more profitable. The purpose of this paper is thus to examine how Umea Energy can increase the utility of a battery sto- rage connected to a charging station and when such a solution may become an economic alternative.

In this paper, simulation models have been developed in the software MATLAB to investigate whet- her the battery storage can be used to: 1) reduce power peaks in the neighboring residential area, where the results show that it is possible to reduce a small amount of power in the residential area but that the reduction is limited by how frequent the electric buses charges. 2) Move the load in the grid by letting the battery storage discharge during peak load hours and then recharge it at a later time. The result shows that it may be achievable for a certain time but it could affect the lifetime of the battery storage due to higher depth of discharge (DoD) and 3) Reduce the power during charging of the battery storage. The result indicates that the power can be reduced down to a quarter until affecting the charging schedule of the battery.

The economic calculations that were carried out compared the profitability of installing a battery storage of 118 kWh to grid investments of 1) two transformers of size 800 kVA each or 2) new grid station incl. two 800 kVA transformers. The result show that there is no economic benefit for Umea Energy to install a battery storage of the investigated type of lithium titanate (LTO) or lithium iron phosphate (LFP) with prices based on 2016 but that it may become profitable with estimated prices from 2030 [1].

The conclusion that has been drawn from the simulations is that with regard of expanding the utility of a battery storage, there is only a small gain in using the battery storage to reduce power peaks. However, a lower maximum power required from the grid, can advantageously be achieved with a battery storage. In addition, the grid power can be reduced by moving the load during charging of the battery storage between the high peak hours or by reducing the power during the charging of the battery storage. With current battery prices, a battery storage is not considered a profitable investment, and therefore should only be installed to meet specific needs that would otherwise require expensive grid investments. However, the price trend for battery storage looks promising and with prices from forecasts of year 2030 it may become a competitive alternative.

i

och solenergi. Energilager uppfyller en viktig roll inom denna modernisering genom sin potential att kunna lagra ¨ overproducerad el f¨ or att sedan kunna anv¨ anda den vid ett senare tillf¨ alle. Genom att balansera elproduktionen och konsumtionen med ett energilager kan det bidra till att g¨ ora eln¨ atet stabilare, ¨ oka flexibiliteten och minska n¨ atbelastningen. Ett energilager har ¨ aven potential att h˚ alla nere dimensioneringen i utsatta punkter i n¨ atet, som exempelvis i anslutning till snabbladdnings- stationer som kr¨ aver h¨ og effekt.

I Ume˚ a Energis eln¨ at finns idag ett batterilager p˚ a 118 kWh kopplat till en laddstation f¨ or elbussar.

Den h¨ oga effekten som kr¨ avdes av laddstationen riskerade att p˚ averka n¨ arliggande kunder, varav en l¨ osning med ett batterilager installerades f¨ or att minska p˚ averkan. Med l¨ osningen kan en andel effekt h¨ amtas fr˚ an eln¨ atet och batterilagret simultant, vilket bidrar till att effektuttaget kan j¨ amnas ut. L¨ osningar med batterilager ¨ ar dock i dagsl¨ aget mycket dyra. F¨ or att kunna motivera en inve- stering av den typen av l¨ osningar ¨ ar det av intresse att unders¨ oka ifall det finns m¨ ojlighet att ut¨ oka nyttan av batterilager f¨ or att g¨ ora l¨ osningen mer l¨ onsam. Syftet med det h¨ ar arbetet ¨ ar s˚ aledes att unders¨ oka hur Ume˚ a Energi kan ut¨ oka nyttan av ett batterilager kopplat till laddstationer och n¨ ar en s˚ adan l¨ osning kan t¨ ankas vara ett ekonomiskt genomf¨ orbart alternativ.

I arbetet har simuleringsmodeller tagits fram i programvaran MATLAB f¨ or att unders¨ oka ifall batterilagret kan anv¨ andas till att 1) reducera effekttoppar i det n¨ arliggande bostadsomr˚ adet d¨ ar simuleringarna visar att det ¨ ar m¨ ojligt att minska en marginell andel effekt i bostadsomr˚ adet men att reduktionen ¨ ar begr¨ ansad av hur frekvent elbussarna laddas. 2) f¨ orflytta lasten i eln¨ atet genom att l˚ ata batterilagret ladda ur under h¨ oglasttimmar f¨ or att sedan laddas upp igen vid ett senare tillf¨ alle. Resultatet visar att det ¨ ar m¨ ojligt i n˚ agra timmar men att det riskerar att p˚ averka livstiden av batteriet genom djupare urladdningar, och slutligen 3) minska effekten under uppladdning av batterilagret. Resultatet indikerar att effekten kan reduceras ner till en fj¨ ardedel innan laddnings- schemat av batteriet p˚ averkas.

De ekonomiska kalkylerna som genomf¨ ordes j¨ amf¨ orde l¨ onsamheten med att installera ett batteri- lager av storleken 118 kWh mot n¨ atinvesteringar av 1) tv˚ a st transformatorer av storlek 800 kVA eller 2) ny n¨ atstation inkl. tv˚ a st 800 kVA transformatorer. Resultatet visar att det inte finns n˚ agon ekonomisk nytta f¨ or Ume˚ a Energi att installera batterilager av typen litium titanat (LTO) eller li- tiumj¨ arnfosfat (LFP) med priser baserade fr˚ an 2016 men att det kan vara ett ekonomiskt alternativ med prognoser ¨ over priser fr˚ an 2030 [1].

Slutsatserna som har dragits fr˚ an arbetet, ¨ ar att med avseende p˚ a att ut¨ oka nyttan av ett batterila- ger med ett h¨ ogfrekvent laddningsschema som elbussarna har, finns endast en marginell f¨ ordel att anv¨ anda batterilagret till att reducera effekttoppar. En minskad n¨ atp˚ averkan kan dock med f¨ ordel uppn˚ as med ett batterilager d˚ a en l¨ agre maxeffekt kr¨ avs fr˚ an eln¨ atet. Ytterligare kan n¨ atp˚ averkan minskas genom att f¨ orflytta lasten under uppladdning av batterilagret mellan h¨ oglasttimmarna eller genom att minska effekten under uppladdningen av batterilagret. Med dagens batteripriser anses ett batterilager inte bli en l¨ onsam investering utan b¨ or endast installeras f¨ or att t¨ acka upp s¨ arskilda be- hov som annars hade kr¨ avt mycket dyra n¨ atinvesteringar. Prisutvecklingen f¨ or batterilager ser dock lovande ut och med priser fr˚ an prognoser till ˚ ar 2030 kan det bli ett konkurrenskraftigt alternativ.

ii

AB. Arbetet omfattar 30 h¨ ogskolepo¨ ang och ¨ ar avslutningen p˚ a civilingenj¨ orsutbildningen Energi- teknik p˚ a institutionen till¨ ampad fysik och elektronik vid Ume˚ a Universitet.

Ett s¨ arskilt stort tack till min handledare p˚ a Ume˚ a Energi, Malin Janols, som har hj¨ alpt och styrt mig i r¨ att riktning under arbetets g˚ ang. Jag skulle ¨ aven vilja tacka Johan Magnusson och Negar Ghanavati som har hj¨ alpt mig att leta fram n¨ odv¨ andig information till arbetet. Ett stort tack till samtliga anst¨ allda p˚ a Ume˚ a Energi som har bidragit med god st¨ amning och tagit sig tid att besvara mina fr˚ agor. Jag vill ¨ aven tacka Hybricon som har hj¨ alpt mig i mina fr˚ agor kring arbetet.

Jag vill rikta ett stort tack till min handledare p˚ a Ume˚ a Universitet, Jan-˚ Ake Olofsson, som har bidragit med r˚ adgivning och st¨ od under arbetets g˚ ang.

Slutligen vill jag tacka min flickv¨ an och familj som har st¨ ottat och uppmuntrat mig genom hela utbildningen.

Victor Eklund, maj 2019

iii

AC V¨ axelstr¨ om Ah Amperetimmar A Ampere

BMS Batterilagringssystem

C-v¨ arde Anger hur hastigt batteriet laddas upp/ur. 1C inneb¨ ar att batteriet laddas upp/ur p˚ a en timme.

DC Likstr¨ om

DoD Depth of discharge HVDC H¨ ogsp¨ and likstr¨ om

IRENA International Renewable Energy Agency

PEN-ledare (PE, protective earth) och neutralledare (N)

SoC State of charge. Anger procentu- ellt batteriets kapacitet av maxi- mal kapacitet.

SoH State of Health SVK Svenska kraftn¨ at Trafo Transformator UEEN Ume˚ a Energi Eln¨ at VAr Voltampere reaktiv VA Voltampere

V Volt

Wh Wattimmar W Watt Batterier

HBr V¨ atebrom

LFP Litium j¨ arnfosfat Li-ion Litiumjon Li-S Litiumsulfat

LMO Litium manganoxid LTO Litium titanat NaS Natriumsulfat

NCA Litium nickel cobolt aluminium Ni-Cd Nickel kadmium

NiMh Nickel metalhydrid

NMC Litium nickel mangan koboltox- id

VRFB Vanadin redox fl¨ odesbatteri ZBFB Zinkbrom fl¨ odesbatteri

iv

1.1 Bakgrund . . . . 1

1.2 Ume˚ a Energi Eln¨ at . . . . 1

1.3 Problemformulering . . . . 2

1.4 Syfte . . . . 2

1.5 Fr˚ agest¨ allningar . . . . 2

1.6 M˚ al och avgr¨ ansningar . . . . 3

1.7 Tillv¨ agag˚ angss¨ att . . . . 3

2 Teori 4 2.1 Likstr¨ om . . . . 4

2.2 V¨ axelstr¨ om . . . . 4

2.3 Effekt . . . . 5

2.4 Sveriges eln¨ at . . . . 6

2.4.1 Stamn¨ at . . . . 6

2.4.2 Regionn¨ at . . . . 7

2.4.3 Lokaln¨ at . . . . 7

2.5 Elkvalitet . . . . 7

2.6 Energilagring . . . . 9

2.7 Batterilagring . . . . 10

2.7.1 Batteriteknologi . . . . 11

2.7.2 Batterityper . . . . 13

2.7.3 Prisutveckling . . . . 15

3 Regelverk 16 4 Metodbeskrivning 18 4.1 Litteraturstudie . . . . 18

4.2 Bes¨ ok och intervjuer . . . . 18

4.3 Modelluppbyggnad . . . . 18

5 Genomf¨ orande och data 20 5.1 Omr˚ adesbeskrivning . . . . 20

5.1.1 Batterilager och laddstation . . . . 21

5.2 Beskrivning av ing˚ angsdata . . . . 22

5.2.1 Unders¨ okta parametrar . . . . 22

5.3 F¨ orbrukningsdata ¨ over laddningsstation . . . . 23

5.4 F¨ orbrukningsdata ¨ over bostadsomr˚ ade . . . . 24

5.5 Modell . . . . 25

5.5.1 Indata och parametrar . . . . 25

5.5.2 Reducering av effekttoppar . . . . 26

5.5.3 Lastf¨ orflyttning . . . . 28

5.5.4 Begr¨ ansningar vid anv¨ andning av batterilagret . . . . 28

5.6 Ekonomi . . . . 29

5.6.1 Kostnader . . . . 29

v

6.2 Lastf¨ orflyttning . . . . 34 6.3 Reducerad uppladdningseffekt . . . . 35 6.4 Ekonomi . . . . 36

7 Diskussion 38

7.1 Metod och modeller . . . . 38 7.2 Resultat . . . . 39

8 Slutsats 42

8.1 F¨ orslag till fortsatt arbete . . . . 42

Referenser 43

vi

1 Inledning

I detta avsnitt presenteras en ¨ overgripande bakgrund till ¨ amnet som det h¨ ar projektet behandlar. En beskrivning av uppgiften vars best¨ allare ¨ ar Ume˚ a Energi tas upp. Vidare presenteras projektets syfte och fr˚ agest¨ allningar som projektet avser att besvara.

1.1 Bakgrund

I samband med integration av alltmer f¨ ornyelsebara energik¨ allor i eln¨ atet har ¨ aven intresset f¨ or energilagring ¨ okat. D˚ a f¨ ornyelsebara k¨ allor som vind- och solenergi ¨ ar intermittenta inneb¨ ar det att elproduktionen blir of¨ oruts¨ agbar vilket kan medf¨ ora att el produceras under tider p˚ a dygnet n¨ ar behovet ¨ ar l˚ agt eller att ingen el produceras n¨ ar behovet ¨ ar h¨ ogt. Genom att lagra energin n¨ ar produktionen ¨ ar h¨ og och behovet ¨ ar l˚ agt f¨ or att senare anv¨ anda den n¨ ar produktionen ¨ ar l˚ ag och behovet ¨ ar h¨ ogt, l¨ amnar det tillf¨ alle f¨ or energilager att visa sin fulla potential.

Traditionell elproduktion fr˚ an vattenkraft, k¨ arnkraft samt f¨ orbr¨ anning av fossila och biobr¨ anslen har l¨ ange anv¨ ants f¨ or att m¨ ota behovet fr˚ an konsumenter. P˚ a grund av de stora roterande gene- ratorerna som anv¨ ands i traditionell elproduktion, medf¨ or det en viss tr¨ oghet i eln¨ atet. Tr¨ ogheten ger f¨ oruts¨ attningar f¨ or att uppr¨ atth˚ alla balans mellan tillf¨ ord effekt och uttagen effekt [2]. F¨ or att m¨ ojligg¨ ora avvecklingen av k¨ arnkraft och minska anv¨ andningen av fossil energi (vilket inneb¨ ar en minskning av tr¨ oghet i elsystemet), kr¨ avs det att den f¨ ornyelsebara energin g˚ ar att reglera p˚ a ett effektivt s¨ att f¨ or att uppn˚ a en stabil frekvensh˚ allning. Det finns s˚ aledes ett intresse att kunna lagra

¨ overproduktion fr˚ an den f¨ ornyelsebara energin och anv¨ anda den vid behov.

Storskaliga teknologier f¨ or energilagring som finns idag ¨ ar mekanisk, termisk, elektrisk och kemisk, d¨ ar den mekaniska vattenkraften med sin lagrinskapacitet utg¨ or mer ¨ an 95 % av v¨ arldens urladd- ningseffekt [3, 4]. Batterilager av sm˚ askalig energilagringstyp kommer med stor sannolikhet inte att n˚ a upp till lagringskapaciteten hos vattenkraften, men har potential f¨ or utvecklingen av eln¨ atet genom m¨ ojligheten att komplettera vind- och solenergi. F¨ orutom m¨ ojligheten att komplettera vind- och solenergi, har batterilager en snabb reaktionsf¨ orm˚ aga [5], vilket kan bidra till att f¨ orb¨ attra n¨ atets tillf¨ orlitlighet.

Idag finns ett batterilager installerat p˚ a Carlsh¨ ojd i anslutning till en bussladdare f¨ or elbussar med syfte att minska p˚ averkan p˚ a eln¨ atet under laddning. I dagsl¨ aget anv¨ ands batterilagret enbart till att minska effektbehovet fr˚ an eln¨ atet under laddning, vilket inneb¨ ar att det enbart har ett anv¨ andningsomr˚ ade. Batterilager ¨ ar idag f¨ orh˚ allandevis dyra och f¨ or att t¨ acka upp ett enskilt behov

¨ ar det inte heller s¨ arskilt effektivt. Batterilager skulle exempelvis kunna anv¨ andas f¨ or att j¨ amna ut lokala effekttoppar [5], h˚ alla nere dimensioneringen av eln¨ atet, bidra till ett stabilare n¨ at [3] eller agera reserv ifall n˚ agot kraftverk f˚ ar problem och stannar [6].

1.2 Ume˚ a Energi Eln¨ at

Ume˚ a Energi Eln¨ at (UEEN) ¨ ar det lokala eln¨ atsbolaget i Ume˚ aregionen och ¨ aven best¨ allaren av

projektet. Bolaget ¨ ar ett dotterbolag till den kommunal¨ agda energi- och kommunikationskoncernen

med verksamhet inom fem aff¨ arsomr˚ aden: V¨ arme, Eln¨ at, Elhandel, Ume˚ a Energi bredband och

Sol, Vind och Vatten. UEEN bygger och har hand om underh˚ allet p˚ a eln¨ atet i Ume˚ aregionen,

b˚ ade f¨ or regional- och lokaln¨ at. De levererar el till f¨ oretag och hush˚ all samt m¨ ater hur mycket

el som f¨ orbrukas. Fr˚ an ˚ arsredovisningen 2017 var ledningsl¨ angden 4 881 km till 61 547 anslutna kundanl¨ angningar med en total levererad elenergi p˚ a 819 GWh [7]. I samband med elektrifiering av fordonsflottan och nya utmaningar genomf¨ ors l¨ opande investeringar i eln¨ atet f¨ or att uppr¨ atth˚ alla en h¨ og leveranss¨ akerhet och samtidigt integrera allt st¨ orre m¨ angd f¨ ornybar och mikroproducerad el [7].

1.3 Problemformulering

Ume˚ a Energi har som ambition att leverera ett framtidss¨ akrat och stabilt eln¨ at i Ume˚ aregionen till hush˚ all och f¨ oretag. F¨ or att forts¨ atta satsningen p˚ a eln¨ atet, ing˚ ar bolaget i ett st¨ orre Vinnova projekt inom delprojektet med titeln: N¨ asta generation resor & transporter ur ett samh¨ allsbyggnadsperspektiv.

Ume˚ a stad ¨ ar i f¨ ard med att elektrifiera en stor del av sin kollektivtrafik genom elbussar. Detta st¨ aller stora krav p˚ a eln¨ atet. I dagsl¨ aget ¨ ar en av de befintliga bussladdarna f¨ orsett med ett batteri f¨ or att avlasta n¨ atet, d˚ a den h¨ oga laddstr¨ ommen har visat sig medf¨ ora risk f¨ or f¨ ors¨ amrad elkvalitet.

I samr˚ ad med kunden gjordes ett ¨ overv¨ agande mellan att installera batterilagret och att utf¨ ora omfattande ombyggnationer f¨ or att kunna f¨ orse laddaren, och valet f¨ oll p˚ a batterilagret. Batterier

¨ ar ¨ an s˚ a l¨ ange relativt dyra vilket g¨ or dem till sv˚ ara investeringar att r¨ akna hem. Samtidigt finns det en stor potential hos just bussladdarna d˚ a anv¨ andningsm¨ onster kan modelleras med relativt h¨ og precision. Med en modell av anv¨ andningsm¨ onstret kan en unders¨ okning genomf¨ oras f¨ or att ta reda p˚ a om batterilagret ¨ aven kan anv¨ andas till att avlasta eln¨ atet under exempelvis h¨ oglasttimmar f¨ or att ut¨ oka nyttan.

1.4 Syfte

F¨ or att Ume˚ a Energi skall kunna forts¨ atta med ambitionerna om att leverera ett av Sveriges b¨ asta eln¨ at, ¨ ar det viktigt att de ¨ ar proaktiva och p˚ a ett tidigt stadium utreder och bearbetar konsekvenser av den r˚ adande samh¨ allsutveckligen g¨ allande elektrifiering av kollektivtrafiken. Den laddinfrastruk- tur som kr¨ avs f¨ or de t¨ ankta bussladdarna kr¨ aver ett starkt eln¨ at f¨ or att Ume˚ a Energi skall kunna uppr¨ atth˚ alla en god elkvalit´ e till deras ¨ ovriga kunder i de aktuella omr˚ adena. En konsekvens av att inte utreda detta ¨ ar att omkringliggande kunder runt laddstationerna kan drabbas av m¨ arkbara st¨ orningar under tiden bussarna laddas. Det kan inneb¨ ara att de inte uppfyller myndigheternas krav g¨ allande att leverera el med god kvalit´ e. Syftet med detta projekt ¨ ar att unders¨ oka hur Ume˚ a Energi kan maximera nyttan av ett batterilager och n¨ ar ett batteri kan vara ett ekonomiskt h˚ allbart.

1.5 Fr˚ agest¨ allningar

I arbetet unders¨ oks ett befintligt batterilager f¨ or att ta reda p˚ a ifall det g˚ ar att ut¨ oka nyttan av det befintliga lagret. F¨ or att unders¨ oka den ut¨ okade nyttan har fr˚ agest¨ allningar tagits fram av Ume˚ a Energi. I projektet kommer f¨ oljande centrala fr˚ agor att besvaras:

• Kan batteriet anv¨andas f¨or att st¨otta upp eln¨atet vid h¨og last?

• Kan ett batterilager g¨ora s˚a att Ume˚a Energi klarar sig med ett lite svagare n¨at?

• Vilka ytterligare nyttor kan det befintliga batterilagret bidra med?

1.6 M˚ al och avgr¨ ansningar

Det f¨ orv¨ antade resultatet efter avslutat arbete ¨ ar:

• Att kunna visa hur Ume˚a Energi kan maximera nyttan av ett mindre batterilager kopplat till laddstationer.

• Att redovisa hur ekonomin kring batterilager kopplade till laddstationer ser ut och att ge- nomf¨ ora en analys av prisutveckling kring lovande batteriteknologier.

• Att unders¨oka hur f¨orh˚allandet mellan batterilager och transformatorstorlek ser ut. G˚ar det att klara sig p˚ a en mindre transformator och/eller ett svagare n¨ at med ett batterilager och hur ser den ekonomiska brytpunkten ut?

Projektet omfattar att unders¨ oka hur Ume˚ a Energi b¨ attre kan nyttja ett mindre energilager kopp- lade till laddstationer f¨ or bussar. I projektet har en avgr¨ ansning gjorts f¨ or att inte unders¨ oka den generella nyttan med batterilager.

1.7 Tillv¨ agag˚ angss¨ att

F¨ or att kunna besvara fr˚ agest¨ allningen och uppn˚ a m˚ alen i arbetet har en litteraturstudie genomf¨ orts f¨ or att f˚ a ett grepp och f¨ orst˚ aelse kring uppbyggnaden av eln¨ at och teknik bakom energilager.

En grundl¨ aggande terminologi inom ell¨ ara tas upp och d¨ arefter beskrivs Sveriges eln¨ at och upp- byggnad. Vidare presenteras energilager med anv¨ andningsomr˚ aden d¨ ar fokus ligger p˚ a batterilager.

Elf¨ orbrukningsdata ¨ over bostadsomr˚ adet i Carlsh¨ ojd har h¨ amtats in fr˚ an programmet Metrum Db

Viewer v.2018.0.4.0. Fr˚ an Hybricon, som har installerat batterilagret och laddstationen, erh¨ olls data

som har anv¨ ants till simuleringar f¨ or att unders¨ oka om batterilagret skulle kunna ha potential att

anv¨ andas till eln¨ atet. Datahantering och simuleringarna har genomf¨ orts i Excel och MATLAB. Eko-

nomiber¨ akningar har ¨ aven genomf¨ orts mot t¨ ankbara scenarion f¨ or att unders¨ oka n¨ ar batterilager

kan ses som en l¨ onsam investering f¨ or UEEN.

2 Teori

Detta avsnitt ¨ amnar att ge l¨ asaren en teoretisk bakgrund kring eln¨ at och energilager. F¨ or att f˚ a en f¨ orst˚ aelse kring eln¨ atets uppbyggnad kommer en ¨ oversiktlig beskrivning att ges f¨ or Sveriges eln¨ at.

Forts¨ attningsvis behandlas teorin bakom energilager med fokus p˚ a batterilager.

2.1 Likstr¨ om

Likstr¨ om ¨ ar str¨ om som alltid har samma riktning, till skillnad fr˚ an v¨ axelstr¨ om vars riktning varierar.

Om str¨ omk¨ allan ¨ ar ett batteri eller n˚ agon annan k¨ alla som levererar likstr¨ om, finns alltid en plus och en minuspol p˚ a str¨ omk¨ allan. F¨ or ett batteri med en sluten krets, r¨ or sig elektronerna fr˚ an minuspolen till batteriets pluspol. ¨ And˚ a anses str¨ ommen i en likstr¨ omskrets f¨ ardas fr˚ an pluspolen till minuspolen, d.v.s. tv¨ artom mot elektronerna [8]. En schematisk bild ¨ over hur en likstr¨ omskrets kan se ut visas i figur 1 med ett batteri vars str¨ om I f¨ ardas fr˚ an pluspolen ¨ over en last med sp¨ anning U och sedan vidare till batteriets minuspol.

U Last

I I

tid I

0 1

Figur 1 – Ett schema ¨ over likstr¨ omskrets med diagram till h¨ oger.

2.2 V¨ axelstr¨ om

V¨ axelstr¨ om definieras som et kontinuerligt eller oavbrutet dubbelriktat fl¨ ode av laddade partiklar [8]. I en v¨ axelstr¨ omskrets, v¨ axlar str¨ ommens riktning ¨ over tid. Om str¨ ommen vid en tidpunkt har en viss riktning, kommer den att vid en senare tidpunkt ha motsatt riktning. V¨ axelstr¨ ommen ¨ ar periodisk och f¨ oljer normalt sett en sinuskurva. I figur 2 visas hur riktningen, plus respektive minus, kontinuerligt ¨ andras ¨ over tid.

U Last

I I

tid I

0 1

Figur 2 – Ett schema ¨ over v¨ axelstr¨ omskrets med diagram till h¨ oger.

V¨ axelstr¨ om ¨ ar anv¨ andbart i en m¨ angd olika applikationer och f¨ orekommer ofta i trefas. Framf¨ orallt

¨ ar det m¨ ojligheten att enkelt transformera v¨ axelstr¨ ommen som har gjort den till standard i de allm¨ anna eln¨ aten. Med en h¨ og sp¨ anning kan stora m¨ angder energi ¨ overf¨ oras i h¨ ogsp¨ anningsledningar med relativt sm˚ a f¨ orluster, f¨ or att sedan kunna transformeras ner till l¨ agre sp¨ anningsniv˚ aer som kan anv¨ andas i exempelvis hush˚ all eller industrier.

2.3 Effekt

I en likstr¨ omskrets g¨ aller sambandet mellan effekt P , liksp¨ anning U och likstr¨ om I enligt

P = U · I. (1)

Ohms lag beskriver f¨ orh˚ allandet mellan sp¨ anning, resistans och str¨ om som kan skrivas enligt

U = R · I, (2)

vilket insatt i ekvation 1 ger

P = I

· R = U

R . (3)

d¨ ar P ¨ ar den momentana effektutvecklingen uttryckt i Watt (W), I ¨ ar den momentana str¨ ommen i ampere (A), U ¨ ar den momentana sp¨ anningen i volt (V) och R ¨ ar resistansen i ohm ( Ω) [9].

I system med v¨ axelstr¨ om f¨ orekommer ett antal termer som anv¨ ands f¨ or att beskriva effektutveck- lingen, aktiv effekt P , reaktiv effekt Q i enheten voltampere reaktiv (VAr) och skenbar effekt S i voltampere (VA). Fasvinkeln ϕ beskriver f¨ orskjutningen mellan str¨ om och sp¨ anning. Enheterna och deras samband visas nedan i figur 3.

S (V A)

Q (VAr)

P (W) ϕ

Figur 3 – Effektriangel som visar aktiv effekt P och reaktiv effekt Q tillsammans med resultanten skenbar effekt S. Den reaktiva effekten kan vara b˚ ade positiv eller negativ beroende p˚ a fasvinkeln ϕ.

Den aktiva effekten ¨ ar den nyttiga f¨ orbrukade effekten som anv¨ ands till arbete i elektriska appa- rater. Det ¨ ar ¨ aven den aktiva effekten som elm¨ atare m¨ ater och det abonnenter betalar f¨ or. I ett trefassystem kan sambandet skrivas enligt [9]

P = √

3 · U

· I

· cosϕ. (4)

Reaktiv effekt ¨ ar den effekt som uppst˚ ar i induktiva eller kapacitiva laster som inte blir till nyttigt

arbete i en apparat. F¨ or kretsar med induktiv karakt¨ ar r¨ aknas den reaktiva effekten Q som positiv

och negativ f¨ or kretsar med kapacitiv karakt¨ ar [9]. Exempel p˚ a induktiva laster kan vara rel¨ aer,

spolar, lysr¨ or och transformatorer. Kapacitiva laster utg¨ ors ofta av elektronik med som inneh˚ aller

kondensatorer. I ett helt resistivt n¨ at f¨ orekommer varken fasf¨ orskjutning eller reaktiv effekt men helt resistiva n¨ at f¨ orekommer inte i verkligheten. En induktiv krets har ett positivt Q och s¨ ags i vardagligt spr˚ ak f¨ orbruka reaktiv effekt, medan en kapacitiv krets har ett negativt Q och avger reaktiv effekt.

De huvudsakliga anledningarna till varf¨ or det ¨ ar ¨ onskv¨ art att kompensera den reaktiva effekten ¨ ar p˚ a grund av att det orsakar ¨ overf¨ oringsf¨ orluster i transmissionsn¨ atet och de reaktiva str¨ ommarna reducerar ledningarnas kapacitet att ¨ overf¨ ora nyttig effekt [10]. Sambandet f¨ or att beskriva reaktiv effekt kan formuleras enligt [9]

Q = √

3 · U · I · sinϕ. (5)

Den skenbara effekten ¨ ar den verkliga effekten som apparater f¨ orbrukar fr˚ an eln¨ atet. Skenbar effekt

¨ ar resultanten av aktiv- och reaktiv effekt (vilket visades tidigare i figur 3) som ¨ ar ett m˚ att p˚ a den faktiska effekt som en apparat t˚ al eller f¨ orbrukar fr˚ an eln¨ atet. F¨ or ett fullst¨ andigt faskompenserat n¨ at, d.v.s. P Q = 0, ¨ar den skenbara effekten lika med den aktiva effekten [9]. N¨atet ¨ar d˚ a en rent resistiv last. Ifall en reaktiv effekt (induktiv eller kapacitiv) medverkar i lasten, ¨ ar den skenbara effekten alltid st¨ orre ¨ an den aktiva effekten. Transformatorer ¨ ar ofta bem¨ arkta med VA f¨ or att ange hur mycket faktisk effekt den kan hantera [11]. Skenbar effekt ¨ ar produkten av sp¨ anningen och str¨ ommens effektivv¨ arden och kan skrivas enligt [9]

S = √

3 · U · I, (6)

eller fr˚ an effekttriangeln i figur 3 genom vektorsumman av P respektive Q komponenterna vilket ger

|S| = p

P

+ Q

. (7)

2.4 Sveriges eln¨ at

Elektricitet produceras fr˚ an olika typer av kraftverk som sedan f¨ ardas genom ett komplext system kallat eln¨ atet. Eln¨ atet best˚ ar i huvudsak av tre delar som kopplar samman producenter och kon- sumenter: generation, transmissionsn¨ at och distributionssystem [12]. F¨ or att stabilitet ska uppn˚ as i eln¨ atet kr¨ avs det att elproduktionen konstant m¨ oter konsumtionen, vilket inneb¨ ar att h¨ oga krav st¨ alls p˚ a koordination fr˚ an samtlig parter som ¨ ar delaktiga i att man¨ ovrera komponenter i eln¨ atet.

Det statligt ¨ agda Svenska kraftn¨ at (SvK) ¨ ar den systemansvariga myndigheten f¨ or elf¨ ors¨ orjningen i Sverige. SvK ansvarar f¨ or att uppr¨ atth˚ alla en balans mellan den el som produceras och den el som f¨ orbrukas i hela landet. Om balansen rubbas finns det risk att stora st¨ orningar i eln¨ atet uppst˚ ar med allvarliga konsekvenser som f¨ oljd. Ansvaret att det finns tillr¨ ackligt med produktion vilar dock inte p˚ a SvK, utan p˚ a de elleverant¨ orer som ¨ ar ansvariga f¨ or produktionen. Elleverant¨ orerna har en skyldighet att f¨ or varje timme leverera lika mycket el som konsumenterna f¨ orbrukar [13]. Elleve- rant¨ orerna kan sj¨ alva vara balansansvarig f¨ or sina leveranser eller anlita ett f¨ oretag som tar ansvaret i dess st¨ alle. Eln¨ atet delas generellt sett in i tv˚ a kategorier, transmissionsn¨ at och distributionsn¨ at. I Sverige ¨ ar eln¨ atet dock uppdelat i tre kategorier; stamn¨ at (transmissionsn¨ at), region- och lokaln¨ at (distributionsn¨ at) [14].

2.4.1 Stamn¨ at

Det svenska stamn¨ atet f¨ orvaltas av SvK och best˚ ar av ledningar med en sp¨ anning p˚ a 400 eller 220

kV [15]. Ledningarna str¨ acker sig ¨ over hela Sverige med en total str¨ acka p˚ a 15 000 km kraftledningar

anslutna till ca 160 transformator- och kopplingsstationer samt 16 utlandsf¨ orbindelser [15] (varav fem av dessa ¨ ar HVDC-kablar [14]). Definitionen av ett stamn¨ at lyder enligt 1 kap 4a § i Sveriges ellag: En ledning med sp¨ anning om 220 kV eller h¨ ogre [16]. P˚ a grund av tekniska och ekonomiska sk¨ al l¨ ampar det sig v¨ al med h¨ og sp¨ anning f¨ or att ¨ overf¨ ora stora kvantiteter el ¨ over l¨ angre str¨ ackor. S˚ aledes anv¨ ands stamledningarna f¨ or den ¨ overregionala el¨ overf¨ oringen samt f¨ or import och export. I Sverige best˚ ar stamn¨ atet till 75% av kraftledningar med 400 kV och till 25% med 220 kV. Av dessa ¨ ar endast 2% markkablar, resterande ¨ ar friledningar [14, 15]. Kravet f¨ or att f˚ a ansluta en kraftanl¨ aggning till 220 kV-ledningen ¨ ar att inmatningseffekten ¨ ar minst 100 MW. F¨ or att f˚ a ansluta till 400 kV kr¨ avs det minst 300 MW [14]. Fr˚ an stamn¨ atet ¨ overf¨ ors sedan elektriciteten via transformatorer ner till en sp¨ anningsniv˚ a anpassat f¨ or regionn¨ atet.

2.4.2 Regionn¨ at

Regionn¨ atet h˚ aller vanligen en sp¨ anningsniv˚ a mellan 130 till 20 kV [14]. Enligt 1 kap 4a § i Sve- riges ellag definieras en regionledning som: En ledning som omfattas av en n¨ atkoncession f¨ or linje och d¨ ar sp¨ anningen inte ¨ overstiger 220 kV [14, 16]. Matning till regionn¨ atet sker fr˚ an produk- tionsanl¨ aggningar som till exempel kraftv¨ armeverk, vattenkraftanl¨ aggningar och vindkraftsparker.

F¨ orekommande laster som ansluts direkt till regionn¨ atet ¨ ar st¨ orre elintensiva industrier som till ex- empel pappersbruk, sm¨ altverk, oljeraffinaderier, kemiindustrier och gruvverksamhet [14]. F¨ orutom matning av elproduktion och st¨ orre laster fr˚ an industrier, ¨ ar den huvudsakliga funktionen f¨ or regi- onn¨ atet l¨ anken mellan stamn¨ atet och lokaln¨ atet.

2.4.3 Lokaln¨ at

Lokaln¨ atet h˚ aller vanligen en sp¨ anningsniv˚ a mellan 20 till 0,4 kV och ¨ ar den l¨ ank som f¨ orbinder majoriteten av kunderna [14]. De ¨ ags ofta av mindre lokala eln¨ atsf¨ oretag och likt regionn¨ aten finns

¨ aven en liknande n¨ atkoncession. Enligt 3 kap 1a § i Sveriges ellag f˚ar bolag som ¨ar ¨agare till ett lokaln¨ at inte vara densamma som levererar elektriciteten [9, 16]. Inneb¨ orden av detta ¨ ar att m˚ anga energibolag v¨ aljer att dela upp bolaget i n¨ atbolag och elbolag f¨ or elektricitetleveransen, vilket g¨ or att de blir juridiskt skilda [9].

2.5 Elkvalitet

Elkvalitet ¨ ar ett begrepp f¨ or att bed¨ oma den tekniska kvalit´ en p˚ a elleveransen. Inneb¨ orden av god el- kvalitet ¨ ar att anv¨ andaren skall kunna f¨ orlita sig p˚ a att elleveransen ¨ ar kontinuerlig (fri fr˚ an avbrott) och sp¨ anningsniv˚ a innanf¨ or specificerade gr¨ anser. Detta brukar ben¨ amnas som leveranss¨ akerhet och sp¨ anningsgodhet [17].

Avvikelser i v¨ axelsp¨ anningen, antingen i amplitud eller frekvens, betraktas som negativ p˚ averkan p˚ a elkvalitet. Mindre avvikelser ¨ ar s¨ allan ett problem f¨ or m¨ anniskan eller utrustning. D¨ arav har det inf¨ orts standardiserade gr¨ ansv¨ arden som skall h˚ allas f¨ or en fortsatt god elkvalitet. Om en avvikelse sker i form av flimmer som besv¨ arar m¨ anniskan eller till f¨ oljd av orsakad skada p˚ a elektrisk utrust- ning kallas det f¨ or elkvalitetst¨ orning. Konsekvenser p˚ a elektrisk utrustning som kan f¨ orekomma vid bristande elkvalitet ¨ ar [17]:

• Ingen p˚averkan alls

• F¨orkortad livsl¨angd

• Prestandaf¨ors¨amring

• Stopp/avbrott

• F¨orst¨orelse/best˚aende skada

Bristande elkvalitet kan f¨ orekomma i olika former. En avvikelse i elkvalitet kan vara sp¨ annings- dippar och kortvariga avbrott, avvikelse i sp¨ anningsniv˚ a, ¨ overtoner, flimmer, sp¨ anningsosymmetri och transienter.

Sp¨ anningsdippar inneb¨ ar att en tillf¨ allig s¨ ankning av sp¨ anningen intr¨ affar som ¨ ar st¨ orre ¨ an 10%

av den nominella sp¨ anningen och varar l¨ angre ¨ an 10 ms och kortare ¨ an 90 s. Kortvariga avbrott definieras som sp¨ anningss¨ ankningar ned till 0 eller n¨ ara 0 V och varar l¨ angre ¨ an 10 ms och kortare

¨ an 90 s. Sp¨ anningsdippar och kortvariga avbrott ¨ ar vad m˚ anga upplever som mest bekymmersamma och kan inneb¨ ara att hela industrier sl˚ as ut [17].

Sp¨ anningsniv˚ aer p˚ a n¨ atet varierar beroende p˚ a belastning och n¨ atets utformning. All elektrisk utrustning ¨ ar konstruerad f¨ or att fungera inom ett specifikt sp¨ anningsomr˚ ade med en viss marginal.

Om utrustningen f˚ ar f¨ or l˚ ag eller h¨ og sp¨ anning utanf¨ or driftsp¨ anningsomr˚ adet kommer den preste- ra s¨ amre eller inte alls. K¨ ansligast ¨ ar motorer, som kr¨ aver en sp¨ anning inom ± 5% f¨ or att uppn˚ a maximal prestanda [17].

Overtoner ¨ ¨ ar frekvensmultiplar av n¨ atfrekvensen (50 Hz i Sverige). F¨ orekomsten av ¨ overtoner or- sakar att sp¨ anningens och str¨ ommens ursprungliga sinusform f¨ orvr¨ angs. Vanligen m¨ ats ¨ overtoner i parametern THD (Total Harmonic Distorsion) som ¨ ar ett m˚ att p˚ a avvikelsen fr˚ an sinusfor- men. Uppkomsten av ¨ overtoner sker fr˚ an olinj¨ ara belastningar genom att f¨ orh˚ allandet mellan str¨ om och sp¨ anning inte ¨ ar konstant under en period. Olinj¨ ara laster kan exempelvis vara da- torer, l˚ agenergilampor, switchade n¨ ataggregat och frekvensomriktare. ¨ Overtoner ger upphov till

¨ okade f¨ orluster i utrustning och kablar som bl.a. kan orsaka f¨ ors¨ amrad verkningsgrad i motorer och

¨ overlast av transformatorer [17].

Flimmer ¨ ar snabba variationer i sp¨ anningen som ger upphov till ljusflimmer fr˚ an belysningsk¨ allor.

Vanligtvis ¨ ar sp¨ anningsvariationerna s˚ a sm˚ a att det inte orsakar n˚ agon skada f¨ or elektronisk ut- rustning, men kan upplevas som st¨ orande. St¨ orningsk¨ allor som kan f¨ ororsaka flimmer ¨ ar exempelvis ljusb˚ agsugnar, v¨ armepumpar och induktionsh¨ allar [17].

Sp¨ anningsosymmetri f¨ orekommer i flerfasn¨ at om amplituden inte ¨ ar densamma f¨ or fassp¨ anning- arna eller n¨ ar fasf¨ orskjutningen inte ¨ ar lika stor mellan faserna. Orsaken till osymmetri kan vara snedbelastning genom att 1-fasiga och 2-fasiga laster ¨ ar oj¨ amnt f¨ ordelade och belastar faser oli- ka h˚ art. Osymmetri kan ¨ aven f¨ orekomma i h¨ ogsp¨ anningsn¨ at med osymmetriska motst˚ and, genom impedanser orsakade av luftledningar. Det kan ge upphov till ¨ overlast p˚ a v¨ axelstr¨ omsmaskiner, frekvensomriktare kan sluta fungera och omriktare kan generera ¨ overtoner vid fler frekvenser ¨ an karakt¨ aristiska [17].

Transienter kallas oftast i vardagligt spr˚ ak f¨ or ”sp¨ anningsspik” eller bara ”spik”. En transient

¨ ar snabba positiva eller negativa f¨ or¨ andringar i sp¨ anningen som ger upphov till en sp¨ anningsspik.

Varaktigheten ¨ ar mindre ¨ an 20 ms vilket g¨ or att de skiljer sig fr˚ an sp¨ anningsdippar. K¨ anda st¨ ornings-

k¨ allor f¨ or transienter ¨ ar ˚ aska, omkopplingar i eln¨ atet eller in-/urkoppling av kondensatorbatterier.

Beroende p˚ a transientens amplitud, energiinneh˚ all och den utsatta utrustningens isolationsh˚ allfasthet, kan transienten f¨ ororsaka allvarliga skador [17].

Med avseende p˚ a den elektriska utrustningens k¨ anslighet f¨ or st¨ orningar, beh¨ over mindre avvikelser fr˚ an ideal elkvalitet inte inneb¨ ara att utrustningen tar skada. St¨ orre avvikelser i ¨ overtoner kan or- saka h¨ og v¨ armeutveckling vilket kan p˚ averka livsl¨ angd. Undersp¨ anning kan orsaka s¨ amre prestanda i utrustningen. Sp¨ anningsdippar kan orsaka stopp och transienter kan exempelvis skada en TV.

Ansvaret f¨ or att elkvaliten i n¨ atet uppr¨ atth˚ alls ligger ofta p˚ a eln¨ ats¨ agaren. Ett helhetsansvar ¨ ar dock sv˚ art f¨ or eln¨ ats¨ agaren ensam att uppr¨ atth˚ alla, varav det kr¨ avs ett samspel med eln¨ atskunderna.

G¨ allande elkvaliten inom det lokala eln¨ aten, ¨ ar eln¨ atsanv¨ andarna alltid ansvariga f¨ or sin egna p˚ averkan, medan eln¨ ats¨ agaren ansvarar f¨ or elkvaliten fram till anslutsningspunkten. F¨ or att uppn˚ a god elkvalitet kr¨ avs det s˚ aledes att n¨ at¨ agare, apparat-/anl¨ aggsningsleverant¨ orer och elanv¨ andare tillsammans samarbetar [17].

2.6 Energilagring

Energilagring ¨ ar inget nytt koncept. Det har l¨ ange ing˚ att som en delkomponent i eln¨ atsystem f¨ or lagring, ¨ overf¨ oring och distribution av el runtom i v¨ arlden. Utan energilager m˚ aste produktionen konstant vara i balans med energikonsumtionen f¨ or att inte orsaka st¨ orningar. Inom energilagring finns det olika typer av tekniker som kan delas upp i kategorier genom deras princip av lagring:

mekanisk (pumpkraftverk, komprimerad luft och sv¨ anghjul), elektrokemisk (konventionella upp- laddningsbara batterier och fl¨ odesbatterier), elektrisk (kondensatorer, superkondensatorer och su- perledande magneter), termokemisk (solbr¨ anslen), kemisk (v¨ atgas med br¨ ansleceller) och termisk (sensibel och latent v¨ armelagring) [18]. De vanligt f¨ orekommande metoderna presenteras nedan i tabell 1.

Tabell 1 – Klassifikationer ¨ over energilagringstyper [18].

Elektriska energilagringsteknologier

Mekanisk Elektrokemisk Elektrisk

Pumpkraftverk Sekund¨ ara batterier Kondensatorer Komprimerad luft Fl¨ odesbatterier Superkondensatorer

Sv¨ anghjul Superledande magneter

Termokemisk Kemisk Termisk

Solbr¨ anslen V¨ atgas m. br¨ ansleceller Sensibel och latent v¨ armelagring

Traditionellt har energiagring anv¨ ants genom fysisk lagring av br¨ anslen f¨ or k¨ arnkraft, fossileldade

kraftverk och lagring i vattendammar f¨ or vattenkraftverk. Genom en utveckling av eln¨ atet med

utbyggnad av alltmer intermittent f¨ ornyelsebar energi har det lett till ett st¨ orre behov av att kunna

lagra energi och anv¨ anda den n¨ ar efterfr˚ agan ¨ ar h¨ og eller n¨ ar s¨ amre v¨ aderf¨ orh˚ allanden r˚ ader. Dessa

behov har skapat en efterfr˚ agan av ny teknik av energilagring f¨ or att kunna kompensera de snabba

variationerna i eln¨ atet, d¨ ar batterilagring anses vara en lovande teknik [3, 19].

2.7 Batterilagring

Batterilagring erbjuder flexibilitet, en bred m¨ ojlighet av olika placeringar i eln¨ atet och snabb re- sponstid f¨ or att m¨ ota energibehovet fr˚ an konsumenterna [20]. F¨ or att klara av detta kr¨ aver an- slutningen av batterilager till eln¨ atet ett antal prim¨ ara komponenter f¨ or att systemet skall fungera enligt ¨ onskem˚ al. L¨ osningar med m¨ ojlighet att b˚ ade kunna ta emot och skicka tillbaka elektrici- tet p˚ a eln¨ atet best˚ ar till stor del av komponenterna ¨ overvakning- och kontrollsystem, omriktare, batterier och transformator [21]. F¨ or att beskriva systemet i sin helhet med samtliga prim¨ ara kom- ponenter anv¨ ands ofta begreppet batterilagringssystem. I figur 4 visas en ¨ oversiktlig bild p˚ a hur ett batterilagringssystem anslutet till eln¨ atet kan se ut.

Figur 4 – Prim¨ ara komponenter i ett batterilagringssystem [21].

Overvakning- och kontrollsystemet ben¨ ¨ amns ofta som ”battery management system (BMS)” och anv¨ ands till att garantera batterilagrets s¨ akerhet, maximera prestandan samt livsl¨ angd [20, 21, 22].

I ett system med litiumjon (Li-ion) batterier ¨ ar BMS nyckelkomponenten f¨ or att s¨ akerst¨ alla att sp¨ anningsniv˚ an f¨ or alla celler h˚ alls inom strikta gr¨ anser f¨ or att s¨ akerst¨ alla batterilagrets s¨ akerhet och livsl¨ angd. Systemet bevakar parametrar f¨ or varje battericell, som sp¨ anning, temperatur, ladd- ning och urladdning, och uppskattar batteriets State of Charge (SoC) samt State of Health (SoH) f¨ or varje individuell cell. SoC och SoH f¨ orklaras nedan i avsnitt 2.7.1. Informationen om SoC och SoH anv¨ ands sedan f¨ or att optimera laddningsschemat genom att minimera felanpassningen mellan de serieanslutna battericellerna [22].

I ett distributionsn¨ at skickas v¨ axelstr¨ om medan batterier hanterar likstr¨ om. Om syftet med bat-

teriet ¨ ar att lagra elektricitet fr˚ an eln¨ atet, kr¨ avs det likrikning f¨ or att omvandla v¨ axelstr¨ om till

likstr¨ om [23]. En likriktare best˚ ar av sammankopplade dioder eller tyristorer vars funktion ¨ ar att

leda str¨ ommen i en riktning enbart. Beroende p˚ a hur m˚ anga dioder eller tyristorer som anv¨ ands,

uppn˚ as olika resultat p˚ a hur j¨ amn utsignalen blir, d¨ ar en j¨ amnare utsignal ¨ ar ¨ onskv¨ art [23]. Om

batterilagret skall kunna skicka tillbaka elektricitet till n¨ atet kr¨ avs det ¨ aven v¨ axelriktare [11].

2.7.1 Batteriteknologi

Batterier ¨ ar en elektrokemisk princip best˚ aende av en eller flera celler med m¨ ojlighet att lagra elekt- risk energi i kemisk form. Ett antal olika batterityper har l¨ ange varit tillg¨ angliga p˚ a marknaden f¨ or storskalig energilagring. Prim¨ art har batterier baserade p˚ a bly-syra varit den vanligaste tekniken, men p˚ a senare ˚ ar har ¨ aven andra tekniker v¨ axt fram, bl.a. natriumsulfat (NaS) och Li-ion som har blivit tillg¨ angliga kommersiellt. Samtliga batterier oavsett teknologi, best˚ ar av tv˚ a elektroder som

¨ ar separerade av en elektriskt ledande substans kallad elektrolyt. Under urladdning frig¨ ors joner fr˚ an anoden (den f¨ orsta elektroden) till elektrolyten och avger oxider till katoden (den andra elek- troden). N¨ ar batteriet ist¨ allet laddas, ¨ ar den kemiska reaktionen omv¨ and och batteriet ˚ aterg˚ ar till sitt ursprungliga tillst˚ and [24].

Inom batteriteknik finns det tv˚ a typer, prim¨ ar- och sekund¨ arceller (eng˚ angsbatterier och laddnings- bara). En prim¨ arcell ¨ ar ett batteri (en galvanisk cell) som ¨ ar konstruerad f¨ or att endast anv¨ andas en g˚ ang och sedan ¨ ar den f¨ orbrukad, utan m¨ ojlighet att laddas upp p˚ a nytt [25]. Prim¨ arcellen omvandlar energi genom en kemisk reaktion till elektrisk energi tills dess att den kemiska energin

¨ ar f¨ orbrukad. Sekundund¨ arcellen omvandlar p˚ a samma s¨ att som prim¨ arcellen sin kemiska energi till elektrisk energi, men de elektrokemiska reaktionerna i cellen ¨ ar reversibla, vilket m¨ ojligg¨ or till

˚ ateruppladdning [25, 26]. Processen kan oftast ˚ aterupprepas hundratals och ibland tusentals g˚ anger vilket ¨ ar till f¨ ordel j¨ amtemot prim¨ arcellen som ofta ¨ ar mycket billigare ¨ an sekund¨ arcellen [25]. Ef- tersom att prim¨ ara batterier inte kan ˚ ateruppladdas, ¨ ar det enbart sekund¨ ara batterier som ¨ ar av intresse f¨ or batterilagring anslutet till eln¨ atet.

Kapacitet

Batteriets kapacitet kan definieras som den m¨ angd energi som maximalt kan levereras fr˚ an batteriet under en urladdning [27]. Den verkliga energin som kan utvinnas kan dock avvika signifikant fr˚ an den nominella kapaciteten beroende p˚ a hur batteriet tidigare anv¨ ants och vilken arbetstemperatur den har varit utsatt f¨ or [28].

Batterikapaciteten kan m¨ atas i wattimmar (Wh), kWh eller amperetimmar (Ah), d¨ ar Ah ¨ ar den vanligaste beteckningen som anv¨ ands i specifikationer tillsammans med sp¨ anning U. Sambandet mellan Wh, Ah och U kan skrivas enligt [28]

W h = U · Ah. (8)

C-v¨ arde

Inom batterier anv¨ ands ben¨ amningen C eller C-v¨ arde f¨ or att beskriva hur snabbt det kan laddas

upp eller laddas ur relativt till sin maximala kapacitet. Vid 1C inneb¨ ar det att urladdningsstr¨ ommen

kommer ladda ur hela batteriet p˚ a 1 timme. F¨ or ett batteri med en kapacitet p˚ a 100 Ah inneb¨ ar

det att urladdningsstr¨ ommen ¨ ar 100 A. Ett 5C-v¨ arde f¨ or samma batteri skulle inneb¨ ara 500 A, och

0,5C skulle vara 50 A [29].

State of charge (SoC)

State of charge (SoC) ¨ ar ett begrepp som anv¨ ands f¨ or att beskriva hur mycket kapacitet som finns tillg¨ angligt i batteriet vid en given tidpunkt, d¨ ar 0% = tomt och 100% = fullt. F¨ or att definiera SoC, g˚ ar det att t¨ anka sig ett helt urladdat batteri. Med laddstr¨ ommen I

(t), blir laddningen som levereras till batteriet R

t₀

I

(τ)dτ. Om Q

= R

t₀

I

(τ)dτ ¨ ar den totala kapaciteten som batteriet kan h˚ alla, kan SoC beskrivas enligt [30]:

SoC(t) = R

t0

I

(τ)dτ

Q

· 100. (9)

En annan form f¨ or att beskriva samma m˚ att ¨ ar depth of discharge (DoD) som ¨ ar motsatsen till SoC. N¨ ar SoC = 100% ¨ ar DoD = 0% och vice versa. Begreppet SoC anv¨ ands vanligen n¨ ar batteriets nuvarande tillst˚ and diskuteras, medan DoD anv¨ ands mer n¨ ar batteriets livstid efter upprepade cykler diskuteras. F¨ or att optimera livsl¨ angden p˚ a batteriet ¨ ar det ¨ onskv¨ art att h˚ alla SoC inom ett l¨ ampligt intervall, vanligen 20% ≤ SoC(%) ≤ 95% beroende p˚ a batterityp [30]. Ett batteri som djupurladdas till 20% SoC eller l¨ agre klarar f¨ arre laddcykler ¨ an ett batteri som h˚ aller sig inom intervallet [21].

State of health (SoH)

State of health (SoH) ¨ ar en indikator som beskriver vilket skick batteriet befinner sig i j¨ amf¨ ort mot ideala f¨ orh˚ allanden [31]. Om batteriets SoH m¨ oter specifikationerna vid tillverkning, ¨ ar bat- teriets SoH = 100%. Med tiden f¨ orv¨ antas batteriets SoH minska eftersom att aktiva material p˚ a cellplattorna gradvis f¨ ors¨ amras i cellen degraderas genom f¨ orluster av plattans aktiva ytarea [32].

Livsl¨ angd och degradering

Batteriets livsl¨ angd f¨ or sekund¨ ara batterier ¨ ar beroende av antalet cykler och f¨ orh˚ allanden som det blir utsatt f¨ or. Djupurladdning och ¨ overladdning ¨ ar speciellt avg¨ orande och f¨ orkortar batteriets livsl¨ angd kraftigt. Ett bat- teri anses vara f¨ orbrukat n¨ ar kapaciteten har minskat till oacceptabla niv˚ aer, eller n¨ ar dess SoH fallit till 80% av initiala kapaciteten [28].

Figur 5 visar hur f¨ orh˚ allandet mellan antalet livscykler mot DoD f¨ or ett typiskt Li-ion batte- ri kan se ut. N¨ ar regelbunden djupurladdning

¨ ar n¨ odv¨ andigt rekommenderar tillverkar vanli- gen att urladdningen inte 80% DoD av nomi- nella kapaciteten f¨ or att undvika att markant

p˚ averka batteriets livsl¨ angd [28]. Figur 5 – Figuren illustrerar f¨ orh˚ allandet

mellan antalet cykler och DoD f¨ or ett ty-

piskt Li-ion batteri [33].

2.7.2 Batterityper

Inom batterier finns det ett flertal batterityper som baseras p˚ a olika teknologier. I tabell 2 presen- teras olika typer fr˚ an mogen och kommersiell anv¨ andning till id´ e och koncept. Batterimarknaden domineras idag av den mogna tekniken bly-syra men Li-ion baserade batterier har sedan ˚ ar 2000 stadigt vuxit och representerar nu den batterityp med h¨ ogst tillv¨ axthastighet baserat p˚ a total in- stallerad MWh [34].

Tabell 2 – Status ¨ over utvecklingen av stora elektrokemiska energilagringssystem f¨ or eln¨ at [34].

Status Batterilagringsteknologi

Mogen bly-syra, Ni-Cd (nickel kadmium), NiMh (Nickel-metalhydrid)

Kommersiell Li-ion, Bly-syra, Natrium-sulfat(NaS) och NaNiCl2 (Zebra), Li-ion kondensatorer,

Zink-Brom fl¨ odesbatteri (ZBFB), Vanadin redox fl¨ odesbatteri (VRFB), Zink-luft, Li-polymer

Demonstration Avancerad bly-syra, Li-jon, Na-jon, HBr (V¨ atebrom) fl¨ odesbatterier, LiS

Prototyp FeCr (J¨ arnkrom), Li-jon kondensatorer

Forskning

Avancerad Li-ion, nya elektrokemiska kopplingar, (andra Li-baserade), v¨ atskemetall batterier, Mg-baserade batterier, Li-luft och andra Metall-luft batterier,

Al batterier, icke v¨ atskebaserade fl¨ odesbatterier, fast-tillst˚ andsbatterier, batterier med organiska elektroder

Id´ e, koncept Fast elektrolyt Li-ion batterier, uppladdningsbara Me-luft batterier (Mg-luft, Al-luft och Li-luft)

I nedanst˚ aende avsnitt presenteras olika sekund¨ arcellsbatterier baserat p˚ a Tabell 2 som anv¨ ands idag och n˚ agra alternativ i forskningsstadiet som har potential att bli aktuella i framtiden.

Bly-Syra

Idag ¨ ar bly-syra batteriet den vanligaste batteritypen och har anv¨ ants i ¨ over 130 ˚ ar i m˚ anga olika applikationer. Bly-syra batterier har en l˚ ag kostnad, h¨ og tillf¨ orlitlighet, h¨ og verkningsgrad (65-80%) och ¨ ar vanligtvis bra f¨ or oavbruten kraft¨ overf¨ oring och elkvalit´ e [35]. P˚ a den negativa sidan har de en kort livstid (500-1000 cykler), har en l˚ ag energidensitet (30-50 Wh/kg), kr¨ aver regelbunden un- derh˚ all och har en d˚ alig f¨ orm˚ aga att hantera kyla [35].

Bly-syra batterier beh¨ over vanligen underh˚ all p˚ a grund av att vatten l˚ angsamt avdunstar fr˚ an elektrolyten och beh¨ over fyllas p˚ a f¨ or att batteriets funktion inte ska f¨ ors¨ amras. Vattenp˚ afyllningen m˚ aste g¨ oras med destillerat eller avjoniserat vatten eftersom vanligt kranvatten inneh˚ aller klor och joner i olika former, vilket batteriet tar skada av. Det finns ¨ aven andra typer av bly-syra batterier som ¨ ar slutna och inte kr¨ aver n˚ agot underh˚ all i form av vatten. Dessa ¨ ar k¨ anda som ventilreglerade bly-syra batterier med gel´ ebaserade eller absorberande glasfiber som elektrolyt [35].

Nickel-Kadmium (Ni-Cd)

Ni-Cd batterier har l¨ ange varit en utmanare till bly-syra, mestadels eftersom de har en h¨ ogre

energit¨ athet (50-75 Wh/kg) och l¨ angre livstid (2000-2500 cykler) [35]. Batterierna har visat sig

fungera bra till oavbruten krafttillf¨ orsel och f¨ or att starta upp generatorer. F¨ ors¨ aljningen av Ni-Cd

sj¨ onk dock kraftigt mellan ˚ ar 1995 till 2003. Det kan ha berott p˚ a ett ¨ okat antal milj¨ okontroller av

gifter fr˚ an kadmium, vilket i sin tur ledde till att EU 2006 inf¨ orde f¨ orbud av samtliga konsument Ni-Cd batterier och ackumulatorer fr˚ an september 2008. Nedg˚ angen av f¨ ors¨ aljningen kan ¨ aven ha orsakats av att nya tekniker ans˚ ags mer ekonomiska [35]. I samband med anslutning till eln¨ atet finns det dock en nackdel f¨ or Ni-Cd, n¨ amligen minneseffekten. Om batteriet inte blir helt urladdat f¨ ore det laddas upp p˚ a nytt, kommer batteriet att f¨ orlora kapacitet. Eftersom batterier anslutet till eln¨ atet laddas intermittent f¨ or att kunna bidra med st¨ orsta m¨ ojliga nytta, kommer Ni-Cd inte att vara ett ekonomiskt alternativ utan att orsaka problem p˚ a grund av minneseffekten [35].

Natrium-Svavel (NaS)

NaS batterier har p˚ a senare vuxit alltmer och blivit en lovande teknik. Batteritypen har visat sig vara attraktiv till framf¨ orallt eln¨ at tillsammans med intermittent f¨ ornyelsebar produktion. De

¨ ar lovande p˚ a grund av en l˚ ang livstid (2500-4000 cykler), h¨ og energidensitet (150-240 Wh/kg), h¨ og effektdensitet (150-240 W/kg) och en h¨ og verkningsgrad (75-90%) [35, 36]. NaS batterier ¨ ar f¨ orseglade vilket inneb¨ ar att ingen risk f¨ or utsl¨ app finns under drift. Upp till 99% av den totala vikten p˚ a batteriet kan ¨ aven ˚ atervinnas. Endast natrium m˚ aste hanteras som ett farligt material [35]. Batterierna f¨ orekommer i storlekar ned till 50 kW, den vanligaste storleken ¨ ar dock runt 1 MW. Nackdelar med NaS ¨ ar att batterierna m˚ aste h˚ allas runt 300 till 350 ℃ och att kostnaden f¨or batteritypen ¨ ar h¨ og [35]. En annan typ av batteri med liknande karakt¨ aristik som hoppas kunna utmana NaS ¨ ar natrium nickel-klorid ¨ aven k¨ ant som Zebra batterier. Zebra har en energidensitet p˚ a 120 Wh/kg och en effektdensitet p˚ a 150 W/kg men som till f¨ ordel fungerar i drifttemperaturer fr˚ an -40 till 70 ℃ [35].

Litiumjon (Li-ion)

Li-ion batterier inf¨ ordes i kommersiellt bruk av Sony ˚ ar 1991. Efterfr˚ agan har sedan dess ¨ okat exponentiellt i flertal marknadsomr˚ aden. Detta till f¨ oljd av egenskaperna som batteritypen har.

Batterierna har en verkningsgrad ¨ over 95%, klarar av ¨ over 3000 cykler tills den har f¨ orlorat 80% av sin ursprungliga kapacitet och en h¨ og energidensitet uppemot 200 Wh/kg [35, 37]. Dessa egenska- per, tillsammans med en m¨ ojlighet till snabb urladdning har gjort att batteritypen har varit mycket l¨ ampad till mobila applikationer. Det st¨ orsta hindret f¨ or storskalig Li-ion batterier ¨ ar kostnaden och s¨ akerhets˚ atg¨ arder som beh¨ over vidtas f¨ or att minimera brandrisken fr˚ an tekniken [35]. En stor fokus med tekniken har legat p˚ a transportsektorn eftersom att den har visat sig vara l¨ ampad tack vare sina egenskaper och l¨ attviktiga material. En begr¨ ansning finns dock i tillverkningen. Om 800 miljoner fordon skulle tillverkas som vardera anv¨ ander ett Li-ion batteri p˚ a 15 kWh, skulle det f¨ orbruka 30% av v¨ arldens litiumreserver [35].

I diskussioner om Li-ion batterier pratas det ofta om dem som en homogen grupp, vilket inte ¨ ar helt sanningsenligt. F¨ or Li-ion finns det flera olika materialkombinationer som ger unika egenskaper f¨ or prestanda, kostnad och s¨ akerhets karakt¨ aristik. Vanligt f¨ orekommande kombinationer kan vara litium nickel mangan koboltoxid (NMC), litium manganoxid (LMO), litium nickel kobolt aluminium (NCA), litium j¨ arnfosfat (LFP) och litium titanat (LTO) [1]. Eftersom egenskaperna hos de olika kombinationerna skiljer sig, har de olika applakationsomr˚ aden. I station¨ ara l¨ osningar ¨ ar det ofta mer

¨ onskv¨ art med l˚ ag kostnad och h¨ og livsl¨ angd ¨ an h¨ og energit¨ athet och specifik densitet eftersom att de inte ¨ ar lika platsbegr¨ ansande som mobila eller portabla applikationer [1, 38]. Beroende p˚ a syftet med batterilagret kan ¨ aven batteriets C-v¨ arde vara betydelsefullt ifall h¨ oga urladdningsstr¨ ommar

¨ ar att ¨ onska. Detta klassificeras som ”korttids”, ”daglig” eller ”l˚ angtidslagring” [1].

Zink-Brom fl¨ odesbatteri (ZBFB)

ZBFB batterier tillh¨ or kategorin fl¨ odesbatterier. Principen f¨ or fl¨ odesbatterier ¨ ar att minst en av dess elektrolyt lagras i externa tankar, d¨ ar elektrolyten sedan fl¨ odar genom reaktorn f¨ or att lagra eller omvandla elektricitet [35]. F¨ ordelen med principen ¨ ar att energilagringen kan bli oberoende av effektkapacititen, ingen f¨ orlorad kapacitet av urladdning och sj¨ alvurladdning ¨ ar f¨ orsumbar. Med en snabb reaktionstid p˚ a millisekunder l¨ ampar sig fl¨ odesbatterier v¨ al till anv¨ andning p˚ a eln¨ atet f¨ or ¨ okad elkvalit´ e [35]. ZBFB batterier har en verkningsgrad p˚ a 75%, en energidensitet p˚ a 75-85 Wh/kg, en livstid ¨ over 2000 cykler och stora m¨ ojligheter till urladdning utan att degraderas [35].

Detta g¨ or att teknologin l¨ ampar sig v¨ al till mindre distribuerad energilagring [35].

Vanadin-Redox fl¨ odesbatteri (VRFB)

En annan typ av fl¨ odesbatterier ¨ ar VRFB. Utvecklingen startade ˚ ar 1980 av VRB technology vid universitet New South Wales och det ¨ ar nu ¨ over 20 MWh installerad VRFB runtom i v¨ arlden. In- stallationerna som finns anv¨ ands till att avlasta eln¨ atet, mobila stationer dit eln¨ atet inte ¨ ar anslutet, stabilisering av f¨ ornyelsebar energi, oavbruten eltillf¨ orsel, reservkraft och elkvalit´ e [35]. Teknologin

¨ ar v¨ al bepr¨ ovad och har blivit karakt¨ ariserad som ett lagringssystem med l˚ ag milj¨ op˚ averkan. In- stallationer av VRFB har ¨ aven m¨ ojlighet att uppgraderas till en relativt l˚ ag kostnad, genom att

¨

oka p˚ a volymen elektrolyt f¨ or mer lagrad energi eller genom att addera fler cellpack f¨ or att ¨ oka effekten. Batteritypen ¨ ar modul¨ ar ner till 5 kW och 10 kWh, verkningsgraden uppg˚ ar till 75-80%

och med regelbundet underh˚ all, kan livstiden n˚ a ¨ over 12 000 cykler utan att f¨ ors¨ amras i effektivitet, eftersom att elektrolyten inte degraderas [35]. Nackdelen med tekniken ¨ ar, p˚ a grund av dess l˚ aga energit¨ athet p˚ a 16-33 kWh/m

[35] kr¨ aver installationerna stor plats, och l¨ ampar sig d¨ arav enbart till mindre och mellanstora station¨ ara applikationer.

2.7.3 Prisutveckling

I en artikel utf¨ ardad av International Renewable Energy Agency (IRENA) (2017) p˚ apekar de att

kostnaden f¨ or batterilagring har minskat kraftigt de senaste ˚ aren och det f¨ orv¨ antas en fortsatt

trend med minskade priser. Kostnaden f¨ or Li-ion batterier har redan minskat med 73% mellan ˚ ar

2010 och 2016 f¨ or transport till¨ ampningar [1]. Li-jon batterier i station¨ ara l¨ osningar har en h¨ ogre

kostnad f¨ or installation p.g.a. st¨ orre utmaningar med laddning- och urladdningscykler som kr¨ aver

dyrare ¨ overvakningssystem och h˚ ardvara. I Tyskland har dock en minskning skett av sm˚ askaliga

Li-ion batterisystem d¨ ar kostnaden har minskat med 60% mellan Q4 2014 och Q2 2017 [1]. Med

prisutvecklingen och tillv¨ axten av elfordon f¨ oljer ¨ aven prisutveckligen f¨ or station¨ ara applikationer en

liknande trend. Enligt IRENA (2017) kan en reduktion f¨ or Li-ion batterier minska med ytterligare

54-61% fram emot ˚ ar 2030 f¨ or station¨ ara applikationer [1] (se figur 6 nedan f¨ or en prognos ¨ over

prisutveckling). Detta skulle ˚ ar 2030 inneb¨ ara en installationskostnad f¨ or Li-ion batterier mellan

145 USD/kWh till 480 USD/kWh beroende p˚ a kemityp [1]. IRENA po¨ angterar dock att det finns

en viss os¨ akerhet kring resultatet vilket inneb¨ ar att h¨ ogre eller l¨ agre v¨ arden f¨ or varje batterityp ¨ ar

en m¨ ojlighet.

Figur 6 – Potential f¨ or prisutveckling ¨ over batterilagringssystem mellan 2016-2030 [1].

Vidare skriver IRENA (2017) att n¨ ar batteripriserna sjunker, kommer en fortsatt f¨ orb¨ attring av teknologin inneb¨ ara att prestandan ¨ okar. Livstiden p˚ a batterierna skulle kunna ut¨ okas med approx- imativt 50% till 2030 och antalet cykler som batterierna kan uts¨ attas f¨ or skulle potentiellt kunna

¨ oka med upp till 90% [1].

3 Regelverk

F¨ or ett n¨ atf¨ oretag med syfte att nyttja alla de m¨ ojligheter som finns med batterilager blir de ome- delbart en akt¨ or p˚ a elmarknaden. I rapporten Marknadsf¨ oruts¨ attningar f¨ or elektriska batterilager – principiella utg˚ angspunkter och m¨ ojligheter utf¨ ardad av Energimarknadsinspektionen (Ei) (2016) anges att enligt krav som r˚ ader p˚ a den europeiska marknaden g¨ aller det att funktioner som in- neb¨ ar direkt deltagande p˚ a marknaden b¨ or s¨ arskiljas fr˚ an de funktioner som ¨ ar direkt knutna till driften av eln¨ atet. I olika EU-l¨ ander har f¨ ors¨ ok utf¨ orts genom att till¨ ampa n˚ agon form av undan- tagsbest¨ ammelser. Aff¨ arsmodellerna bygger oftast p˚ a n˚ agon form av f¨ oljande principer (h¨ amtat fr˚ an [39]):

1. N¨ atf¨ oretaget bygger, ¨ ager och har operativ kontroll ¨ over lagret som prim¨ art anv¨ ands f¨ or n¨ atdrift. N¨ atf¨ oretaget har dock ¨ aven m¨ ojlighet att utnyttja lagringskapaciteten f¨ or handel p˚ a r˚ akraftmarknaden och marknaden f¨ or systemtj¨ anster. Ingen tredje part ¨ ar involverad i hanteringen.

2. N¨ atf¨ oretaget till¨ ampar tariffer och generella regler f¨ or upphandling av flexibilitet som skapar incitament f¨ or marknadsakt¨ orerna att investera i lager eller andra flexibilitetsresurser i takt med att behovet p˚ a marknaden v¨ axer fram.

3. N¨ atf¨ oretaget genomf¨ or en upphandling av lagret p˚ a ett l˚ angtidskontrakt. Vinnaren av upp-

handlingen bygger, ¨ ager och driver lagret p˚ a en specifik plats specificerad i upphandlingsvill-

koren. Kontraktsvillkoren omfattar en fast ˚ arlig ers¨ attning fr˚ an n¨ atf¨ oretaget till lagrets ¨ agare f¨ or de n¨ atdriftstj¨ anster som utnyttjas. I ¨ ovrigt anv¨ ands lagret p˚ a kommersiella villkor.

4. N¨ atf¨ oretaget bygger, ¨ ager och har operativ kontroll ¨ over lagret. N¨ atf¨ oretaget utnyttjar lagret f¨ or n¨ atdrift och f¨ or den lagringskapacitet som finns tillg¨ anglig d¨ arut¨ over tecknas ett l˚ angsiktigt avtal med en kommersiell akt¨ or p˚ a elmarknaden som hyr lagret.

Modell 1 s¨ arskiljer inte direkt deltagande p˚ a marknaden och direkt knuten till driften av eln¨ at.

Dock har modellen till¨ ampats i Europa f¨ or demonstrationsanl¨ aggningar och pilotprojekt d¨ ar det valts att till˚ ata undantag fr˚ an regler om legal och funktionell ˚ atskillnad som g¨ aller f¨ or n¨ atf¨ oretag.

I ¨ ovrigt ¨ ar resterande modeller till¨ ampningsbara d¨ ar olika styrmedel p˚ averkar vilken modell som anses vara b¨ ast l¨ ampad beroende p˚ a scenario [39].

I rapporten av Ei (2016) beskrivs aff¨ arsmodeller f¨ or anv¨ andning av batterilager p˚ a eln¨ atet f¨ or den europeiska och den svenska marknaden. Enligt Ei f˚ ar n¨ atf¨ oretag inte producera, k¨ opa eller s¨ alja el annat ¨ an f¨ or att t¨ acka sina n¨ atf¨ orluster eller f¨ or att s¨ akerst¨ alla driften vid kortare elavbrott [39].

EU-kommissionen f¨ oresl˚ ar dock i EU-paketet Ren energi f¨ or alla i Europa att n¨ atf¨ oretag inte ska f˚ a

¨ aga, utveckla, hantera eller driva energilager. M¨ ojlighet till undantag ska finns om f¨ oljande villkor uppfylls [40]:

(a) upphandling har visat att intresse fr˚ an andra akt¨ orer p˚ a marknaden saknas;

(b) anl¨ aggningen ¨ ar n¨ odv¨ andig f¨ or effektiv, p˚ alitlig och s¨ aker drift av n¨ atet;

(c) tillsynsmyndigheten har granskat och godk¨ ant att villkoren f¨ or undantag ¨ ar uppfyllda.

I f¨ orslaget ska tillsynsmyndigheten upprepa ovanst˚ aende process ˚ atminstone var femte ˚ ar f¨ or utv¨ ard- ering.

Ei ¨ ar dock inte helt eniga med EU-kommissionens f¨ orslag eftersom definitionen av energilager ly- der: ”att skjuta upp ¨ ogonblicket f¨ or anv¨ andning av en viss m¨ angd producerad el, antingen som slutlig energianv¨ andning eller omvandlad till en annan energib¨ arare”. Detta riskerar att innefatta n¨ atkomponenter som anv¨ ands regelbundet i n¨ atet, som exempelvis kondensatorer. D¨ arav anser Ei att definitionen b¨ or preciseras ytterligare s˚ a att det framg˚ ar att det ¨ ar lager f¨ or l¨ angre lagringspe- rioder som avses, dvs inte korttidslager f¨ or sp¨ anningsh˚ allning eller kondensatorer [40]. De skriver

¨ aven att:

”Ei:s anser att det b¨ or vara till˚ atet f¨ or n¨ atf¨ oretag att ¨ aga eller k¨ opa tillg˚ ang till lager och anv¨ anda detta f¨ or effektiv n¨ atdrift men inte s¨ alja ¨ overskottet p˚ a marknaden eftersom det kan snedvrida kon- kurrens och det strider mot ˚ atskillnadsregler.

Enligt nuvarande svenska regelverk f˚ ar n¨ atf¨ oretag inte s¨ alja egenproducerad el, men de f˚ ar producera

el f¨ or att t¨ acka egna n¨ atf¨ orluster eller f¨ or att undvika avbrott. P˚ a samma vis b¨ or n¨ atf¨ oretaget f˚ a ¨ aga

och driva energilager som en del av effektiv n¨ atdrift, men de f˚ ar inte k¨ opa och s¨ alja ¨ overskott p˚ a

den konkurrensutsatta marknaden.”

4 Metodbeskrivning

Detta avsnitt beskriver metodiken som har anv¨ ants i projektet. Nedan presenteras de delmoment som genomf¨ orts under projektets g˚ ang.

4.1 Litteraturstudie

Projektet inleddes med en litteraturstudie f¨ or att f˚ a en djupare kunskap kring batterilagring och eln¨ at. I litteraturstudien unders¨ oktes olika batteriteknologier, ekonomi och regelverk om vad som g¨ aller f¨ or att b˚ ade ¨ aga och anv¨ anda batterilager f¨ or n¨ atbolag. Google Scholar har varit till stor hj¨ alp f¨ or att hitta relevanta forskningsartiklar. Grundl¨ aggande teori som lagts fram h¨ amtades in fr˚ an litteratur som behandlar teori om ell¨ ara. ¨ Aven hemsidor som svenska kraftn¨ at och energimyn- digheten har nyttjats f¨ or att f˚ a en bredare f¨ orst˚ aelse om Sveriges eln¨ at och regler som g¨ aller kring batterilagring. Genomg˚ aende under hela projektet har litteraturstudien fortl¨ opt f¨ or att hela tiden ut¨ oka kunskapen om batterilagring.

4.2 Bes¨ ok och intervjuer

Tidigt i projektet bes¨ oktes transformatorstationen p˚ a Carlsh¨ ojd d¨ ar det visades hur matningen sker fr˚ an transformatorerna till bostadsomr˚ adet och batterilager med laddstation. I transformator- stationen visades vart m¨ atinstrumenten ¨ ar installerade. Ett bes¨ ok gjordes ¨ aven p˚ a laddstationen i R¨ ob¨ ack som laddar elbussarna i andra ¨ anden av linje 9. I R¨ ob¨ ack sker matningen till laddstationen fr˚ an transformatorstationen enbart, utan batterilager.

Ett bes¨ ok gjordes senare p˚ a Hybricon som har installerat batterilagret och laddstationen. Det f¨ orklarades genomg˚ aende hur systemet med batterilagret och laddstationen ¨ ar uppbyggt vilket har varit till stor hj¨ alp f¨ or att f˚ a en f¨ orst˚ aelse om hur systemen h¨ anger ihop. F¨ orutom systemets uppbyggnad visades hur m¨ atning sker f¨ or b˚ ade laddstationen och batterilagret. F¨ or batterierna

¨ overvakas bl.a. vilka batteripack som ¨ ar i bruk, temperatur och SoC f¨ or att ha ¨ oversikt ¨ over batte- riernas v¨ alm˚ aende. Efter bes¨ oket hos Hybricon gjordes ¨ aven ett bes¨ ok p˚ a insidan av byggnaden p˚ a Carlsh¨ ojd d¨ ar batterilagret ¨ ar installerat.

4.3 Modelluppbyggnad

F¨ or att unders¨ oka om batterilagret skulle vara l¨ ampligt att anv¨ anda till eln¨ atet samlades data in ¨ over batterilagret och laddstationen samt det n¨ arliggande bostadsomr˚ adet p˚ a Carlsh¨ ojd. Data h¨ amtades in ¨ over perioden 2018-03-01 till 2019-02-28. Datahanteringen genomf¨ ordes i programvaran Excel och MATLAB d¨ ar Excel anv¨ andes f¨ or att hantera samt sortera data och MATLAB anv¨ andes f¨ or att bygga upp en modell ¨ over systemet. Inledningsvis unders¨ oktes elbussarnas laddningsschema f¨ or att ta reda p˚ a hur frekvent de laddar med syfte att se om batterilagret skulle kunna anv¨ andas till eln¨ atet mellan laddningsperioderna. Vidare unders¨ oktes det n¨ arliggande bostadsomr˚ adet f¨ or att se under vilka tider som anv¨ andning av batterilagret kan vara mest aktuell.

En modell byggdes upp i MATLAB som simulerade effektbehovet i bostadsomr˚ adet tillsammans

med upp/urladdning av batterilagret under de perioder n¨ ar laddning av elbussar sker. I simulering-

arna unders¨ oktes hur f¨ orlopp skulle kunna se ut om batterilagret anv¨ andes f¨ or att nyttja energin till

att reducera effekttoppar mellan perioder d˚ a batterilagret anv¨ ands f¨ or att ladda upp elbussarna.

J¨ amf¨ orelsevis unders¨ oktes ¨ aven hur f¨ orloppet skulle se ut ifall batterilagret enbart anv¨ andes till eln¨ atet, d.v.s. utan inverkan av bussladdningen.

Forts¨ attningsvis skapades ¨ aven en modell f¨ or att unders¨ oka ifall det skulle kunna vara anv¨ andbart att undvika att ladda upp batterilagret under h¨ oglasttimmar f¨ or att sedan ladda upp det vid en senare tidpunkt. Belastningen p˚ a eln¨ atet som orsakas under uppladdning av elbussarna kommer dock att vara of¨ or¨ andrad. Men en minskad p˚ averkan kan eventuellt uppn˚ as eftersom eln¨ atet inte beh¨ over tillgodose batterilagret med effekt under uppladdning av batterierna vid h¨ oglasttimmarna.

En modell byggdes ¨ aven upp f¨ or att unders¨ oka ifall belastningen kan minimeras genom att l˚ ata batterilagret laddas upp med mindre effekt mellan bussladdningarna. Som tidigare ¨ ar effekten f¨ or uppladdning av elbussarna of¨ or¨ andrad f¨ or att inte p˚ averka bussarnas k¨ orscheman.

Ekonomi

F¨ or de ekonomiska ber¨ akningarna skapades tv˚ a st scenarion som j¨ amf¨ orde kostnaderna f¨ or batte-

rilager mot t¨ ankbara n¨ atinvesteringar som skulle kr¨ avas vid en installation av en laddstation f¨ or

elbussar. I ber¨ akningarna j¨ amf¨ ordes kostnaderna mot batterilager av typen LTO och LFP med

priser fr˚ an 2016 och prognoser f¨ or 2030. Slutligen ber¨ aknades en brytpunkt f¨ or n¨ ar batterilager kan

anses bli en l¨ onsam investering.

5 Genomf¨ orande och data

Detta avsnitt behandlar genomf¨ orandet i projektet. Avsnittet inleds med en beskrivning ¨ over bat- terilagret p˚ a Carlsh¨ ojd. Vidare presenteras mjukvaran som anv¨ ants och hur f¨ orbrukningsdata har h¨ amtats in och analyserats. Till sist beskrivs hur unders¨ okningen av batterilagrets potential till eln¨ atet har genomf¨ orts.

5.1 Omr˚ adesbeskrivning

I samband med elektrifiering av busslinje 9 i Ume˚ a installerades en elbussladdare tillsammans med ett batterilager i n¨ arhet till bostadsomr˚ adet p˚ a Carlsh¨ ojd. Figur 7 visar en elbuss under uppladd- ning p˚ a v¨ anster sida med batterilagret till h¨ oger. Grundid´ en med batterilagret var att begr¨ ansa effektuttaget fr˚ an eln¨ atet under perioder d˚ a elbussarna beh¨ over laddas upp. Detta p˚ a grund av den h¨ oga effekten som kr¨ avs fr˚ an laddstationen eftersom att elbussarna m˚ aste kunna laddas med tillr¨ acklig kapacitet under kort tid. Det visade sig efter testk¨ orningar att risk f¨ or elkvalitetspro- blem kunde uppst˚ a f¨ or abonnenter i bostadsomr˚ atet trots att batterilagret var installerat, varvid testk¨ orningarna fick avbrytas och en tillf¨ allig l¨ osning fick appliceras [41]. I transformatorstatio- nen (se figur 8) st˚ ar det tv˚ a stycken transformatorer som hanterar matningen till laddstationen och bostadsomr˚ adet. Dessa var tidigare parallellkopplade f¨ or att skapa redundans. I den tillf¨ alliga l¨ osningen valdes det att koppla ifr˚ an skenan som f¨ orbinder matningen p˚ a l˚ agsp¨ anningssidan fr˚ an b˚ ada transformatorerna. Detta f¨ or att undvika att risk i form av st¨ orningar fr˚ an laddstationen skulle p˚ averka abonnenter i bostadsomr˚ adet. F¨ or en djupare beskrivning av risk kring elkvalitetsproblemen g¨ allande laddstationen, l¨ as vidare i arbetet skrivet av Maria Lindberg [41].

Figur 7 – Till v¨ anster i bilden visas en el- buss under uppladdning och i byggnaden till h¨ oger st˚ ar batterilagret.

Figur 8 – I bilden visas en transforma- torstation best˚ aende av tv˚ a transformatorer som f¨ orser omr˚ adet med elektricitet.

Efter fr˚ ankopplingen av skenan f¨ ors¨ orjer transformator T1 idag hela bostadsomr˚ adet p˚ a Carlsh¨ ojd

och transformator T2 f¨ ors¨ orjer laddstationen och batterilagret. P˚ a sikt ¨ ar det dock planerat att

skenan skall kopplas tillbaka f¨ or att ˚ aterf˚ a redundans igen, men det f¨ oruts¨ atter att en l¨ osning

appliceras f¨ or att undvika risken f¨ or elkvalitetsst¨ orningar. I det h¨ ar arbetet antas det att skenan ¨ ar