Linköpings universitet | Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling Masteruppsats, 30 hp | Civilingenjörsprogrammet – Energi- och miljöteknik Vårterminen 2022 | LIU-IEI-TEK-A—22/04263--SE
Elbilar i södra Sverige
– Ett lämpligt val utifrån ett klimatperspektiv?
Electric cars in southern Sweden
– An appropriate choice from a climate perspective?
Emilia Lundqvist
Handledare: Danica Djuric Ilic Examinator: Patrik Thollander
Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sverige 013-28 10 00, www.liu.se
ii
Förord
Det har varit en del arbete med att samla in data och genomföra beräkningar för att ge en bild av elbilars potentiella växthusgasutsläpp. Det finns en person jag vill framföra min tacksamhet.
Min handledare Danica Djuric Ilic för ditt engagemang, dina värdefulla synpunkter och förslag.
Tromsö i februari 2022 Emilia Lundqvist
iii
Sammanfattning
Klimatförändringar och hur dessa ska mitigeras är något som blir alltmer aktuellt på den politiska agendan både i Sverige och globalt. Ett av områdena när det kommer till klimatfrågor är utsläpp av så kallade växthusgaser som är en av aspekterna som orsakar den utökade globala uppvärmningen.
Sverige har årliga utsläpp på 50,9 miljoner ton av koldioxid under ett år där majoriteten av dessa utsläpp kommer från sektorerna för industri samt transport, där majoriteten av utsläppen inom transportsektorn kommer från bilar. En av metoderna i Sverige för att minska utsläpp av koldioxid och andra klimatpåverkande gaser ut i atmosfären är den så kallade elektrifieringsstrategin. Kortfattat innebär denna strategi en omställning från fossilt till eldrivet inom diverse sektorer i samhället. För personbilstrafiken kan detta innebära att elbilar ersätter bensin- och dieseldrivna bilar. Detta fungerar dock enbart om elbilar har lägre utsläpp än de fordon de ersätter.
Arbetet i denna rapport är en kvantitativ empirisk undersökning och data för elproduktion och elanvändning samt för en del av transportsektorn i Sverige är statistik från statliga myndigheters databaser. För annan information används tidigare vetenskapliga källor, officiella rapporter genomförda av företag samt specifikationer från tillverkare för att exempelvis beräkna emissionsfaktorer och medelvärden för elbilars behov av el per körd km. Utsläpp som orsakas på grund av användning av elbilar. Vilken beräkningsmetod som appliceras beror på om elbehovet är större elproduktionen i det undersökta området. Jämförelsen görs per månad för att fånga upp om det varierar mellan årstider. Det område som undersökts är södra Sverige.
Sverige är indelat i 4 elområden och södra Sverige omfattas av elområde 3 och 4. Elområde 3 har en nordlig gräns i Gävleborgs och Dalarnas län och dess sydliga gräns till elområde 4 är i Västra Götaland, Jönköping och Kalmar län. Gotland ingår i elområde 3 och Öland är en del av elområde 4.
Resultatet visar att elområde 3 producerar mer el än det använder oavsett månad år 2019.
Elområde 4 har högre elbehov än produktion oavsett månad. Då extra elbehov från elbilar tillkommer har elområde 3 fortsatt större produktion än användning och elområde 4 har större användning än produktion. Detta leder till att utsläpp från elbilar i elområde 3 beräknas utifrån medelmix och elområde 4 beräknas utifrån marginalel. Vilket ger resultatet att elbilar i elområde 3 har lägre utsläpp än bensin och dieseldrivna bilar och i elområde 4 har elbilar högre utsläpp.
Tidigare studier indikerar att elbilar som laddas med el från exempelvis kolkraftverk kan tolkas ha en större mängd utsläpp än en bensin eller dieseldriven bil men utsläppet av växthusgaser sker inte vid fordonet utan sker vid elproduktionen. Arbetet i denna rapport stödjer detta och visar att för att elbilar skall vara ett klimatsmart alternativ för södra Sverige måste den el som laddar fordonen inte komma från exempelvis kolkraftverk.
iv
Abstract
Climate change and how it should be mitigated is something that is becoming increasingly relevant on the political agenda both in Sweden and globally. One of the areas when it comes to climate issues is emissions of so-called greenhouse gases, which is one of the aspects that cause the rise in the global temperature.
Sweden has annual emissions of 50.0 million tonnes of carbon dioxide annually where most of these emissions come from the industry and transport sector, and the majority of the emissions in the transport sector are from cars. One of the methods in Sweden for reducing emissions of carbon dioxide and other greenhouse-gases into the atmosphere is the so-called electrification strategy. In short, this strategy entails a transition from fossil to electric in various sectors of society. For passenger car traffic, this may mean that electric cars replace petrol and diesel- powered cars. However, this only works if electric cars have lower emissions than the vehicles they replace.
The work in this report is a quantitative empirical study and data for electricity production and use and for part of the transport sector in Sweden are statistics from government agencies' databases. For other information, previous scientific sources, official reports carried out by companies and specifications from manufacturers are used to calculate emission factors and average values for electric cars' need for electricity per km driven. Emissions caused using electric cars. Which calculation method is applied depends on whether the electricity demand is greater for the electricity production in the investigated region. The comparison is made per month to capture whether it varies between seasons. The area investigated is southern Sweden.
Sweden is divided into 4 electricity zones and southern Sweden is covered by electricity zones 3 and 4. Electricity zone 3 has a northern border in Gävleborg and Dalarna counties and its southern border to electricity zone 4 is in Västra Götaland, Jönköping and Kalmar counties.
Gotland is part of electricity zone 3 and Öland is part of electricity zone 4.
The results show that electricity zone 3 produces more electricity than it uses regardless of the month in 2019. Electricity zone 4 has higher electricity needs than production regardless of the month. When the extra electricity need from electric cars are added, electricity zone 3 has continued greater production than use and electricity zone 4 has greater use than production.
This leads to emissions from electric cars in electric zone 3 being calculated on the basis of the average mix and electric zone 4 being calculated on the basis of marginal electricity. Which gives the result that electric cars in electric zone 3 have lower emissions than petrol and diesel cars and in electric zone 4 electric cars have higher emissions.
Previous studies indicate that electric cars that are charged with electricity from, for example, coal-fired power plants can be interpreted as having a larger amount of emissions than a petrol or diesel-powered car, but the emissions of greenhouse gases do not occur at the vehicle but occur during electricity production. The work in this report supports this and shows that for electric cars to be a climate-smart alternative for southern Sweden, the electricity that charges the vehicles must not come from, for example, coal-fired power plants.
v
Innehåll
Inledning ... 1
Syfte ... 2
Frågeställning ... 2
Avgränsningar ... 3
Bakgrund ... 4
Eldrivna personbilar ... 4
Metoder för att kvantifiera elbilars klimatpåverkan ... 4
Batteridrivna fordon i elsystemet ... 5
Elsystemet ... 5
Kvantifiering av utsläpp för elanvändningen ur ett systemperspektiv ... 7
Fallbeskrivning ... 9
Det svenska elsystemet ... 9
Elsystemet i framtiden ... 10
Kraftkällor i den svenska energisektorn ... 11
Kraftvärme ... 12
Kärnkraft ... 13
Vattenkraft ... 14
Intermittenta kraftkällor ... 14
Den svenska transportsektorn ... 15
Framtida transporter ... 16
Metod ... 16
Litteraturbas ... 19
Statistik ... 19
Statistisk analys ... 19
Antaganden ... 19
Klimatpåverkan ... 20
Resultat ... 21
Svenska elsystemet ... 21
Elsystemet utsläpp ... 23
Framtida elsystemet ... 24
Personbilar i Sverige ... 25
Utsläpp personbilar ... 26
Elbilar och dess påverkan på efterfrågan av el ... 27
vi
Framtidsscenarion och utsläpp från personbilar ... 29
Diskussion ... 30
Fortsatta studier ... 33
Slutsatser ... 34
Källförteckning ... 35
Tabeller
Tabell 1 Framtida elbehov utifrån olika rapporter och scenarion för elområde SE3 och SE4. 10 Tabell 2 Framtida elproduktion utifrån scenarion och antagande från Energimyndigheten[48] och Svenska kraftnät [52]. ... 11Tabell 3 Utsläpp i koldioxidekvivalenter i g per producerad kWh avrundat till heltal. Emissionsfaktorer är tagna från Vattenfalls hemsida om solkraft samt EPD rapporter [59,61,63,64]. ... 23
Tabell 4 Tabell över producerad el från kraftvärme under år 2019 i Sverige [55]. ... 23
Tabell 5 Utsläpp av koldioxidekvivalenter i g/kWh beräknade utifrån värden från Miljöfaktaboken 2011 [76] och Jernkontoret [77–79] med värden för bränslemix samt producerade Wh kraftvärme från SCB [55]. ... 24
Tabell 6 Tabell med de tio vanligaste elbilarna i Sverige enligt Elbilsstatistik [11] och deras genomsnittliga effektbehov per kilometer uträknat från data från Electric Vehicle Database [72]. ... 27
Tabell 7 Utsläpp koldioxidekvivalenter i gram per körd km för bensin och dieselbilar samt för elbilar. ... 34
vii
Figurförteckning
Figur 1 Procentuell fördelning av Sveriges utsläpp av växthusgaser för år 2019 baserad på
data från Naturvårdsverket [7]. ... 1
Figur 2 Utsläpp av växthusgaser från transporter inom Sverige för år 2019 baserad på data från Naturvårdsverket [8]. ... 2
Figur 3 Sveriges fyra elområden, bild tagen från Energimyndigheten [10]. ... 3
Figur 4 Cirkeldiagram av svensk elproduktion år 2019 data från Energiföretagen [42]. ... 12
Figur 5 Sveriges produktion av el producerat genom kraftvärme netto för år 2019 data från SCB och Energimyndigheten [55]. ... 13
Figur 6 Procentuell fördelning av personbilar efter drivmedel i Sverige år 2019 enligt data från Trafikanalys[12]. ... 15
Figur 7 De olika faserna för kvantitativ och empirisk undersökning [66,67] ... 17
Figur 8 Beskrivning av arbetsprocessen för arbetet med data, dess insamling samt bearbetning och i vilken ordning detta kommer ske. ... 18
Figur 9 Producerad el i MWh uppdelad per kraftslag för område SE3 år 2019 [75] ... 21
Figur 10 Producerad el i MWh uppdelad per kraftslag för SE4 år 2019 [75] ... 22
Figur 11 Elproduktion och elförbrukning för SE3 år 2019 i MWh [75] ... 22
Figur 12 Elproduktion och elförbrukning för SE4 2019 i MWh [75]. ... 23
Figur 13 Jämförelse av elbehov och elproduktion för SE4 år 2045 enligt scenarion från Svenska kraftnät [52] ... 24
Figur 14 Fördelning av elproduktionen enligt scenariot Elektrifiering Förnybart från Svenska kraftnät [52] ... 25
Figur 15 Körsträcka i personbil som förare i Sverige per månad under år 2019. Diagrammet är gjort med data från ett specialuttag ur den nationella resvaneundersökningen 2019. Värdena är totalt för alla bilar i Sverige. ... 25
Figur 16 Tre scenarion (lägsta, medel och högsta) skapade utifrån specialuttag ur den nationella resvaneundersökningen 2019 över antal körda km per månad för en förare i en bil. ... 26
Figur 17 Jämförelse av olika scenarion där fordonstrafik övergått till eldrift och med tre olika scenarion för hur långt fordon framförs varje månad för SE3. ... 27
Figur 18 Jämförelse av olika scenarion där fordonstrafik övergått till eldrift och med tre olika scenarion för hur långt fordon framförs varje månad för SE4. ... 28
Figur 19 Jämförelse av utsläpp för fossildrivna bilar samt elfordon för SE3. ... 28
Figur 20 Jämförelse av utsläpp för fossildrivna bilar samt elfordon för SE4. ... 29
1
Inledning
Miljö och dess tillstånd globalt är en fråga som blir alltmer aktuell och diskuteras på olika politiska forum. År 1987 utkom den så kallade Brundtlandsrapporten som utlyste ett behov av en mer hållbar utveckling [1]. I den rapporten etablerades begreppet hållbar utveckling med innebörden ”en utveckling som tillgodoser vårt nutida behov utan att minska framtida generationers möjligheter att tillgodose sina” [1]. Ett hot mot hållbar utveckling enligt denna definition är global uppvärmning och den påverkan på det globala klimatet från utsläpp av växthusgaser. Ett exempel på arbete med att motverka påverkan från mänskligt orsakade klimatförändringar i mer modern tid är det så kallade Parisavtalet som skrevs under av ett antal länder i april år 2015 [2]. I avtalet åtog sig de olika länderna att bland annat hålla en temperaturökningen under 2°C och försöka hålla den under 1,5 °C jämfört med förindustriell nivå [2,3]. Som en del i sitt arbete har Sverige ett antal klimat och miljömål däribland att ha ett nettoutsläpp av CO2 på noll senast år 2045 och efter det året planeras Sverige uppnå negativa nettoutsläpp [4–6]. Med negativa nettoutsläpp avses att Sverige tar upp mer växthusgaser ur luften, genom odling av biomassa i kombination med exempelvis geologisk lagring av CO2, än släpper ut så att andelen växthusgaser till atmosfären under ett år från Sverige som nation blir negativt.
I dagsläget har Sverige ett totalt utsläpp av växthusgaser som uppgick till ungefär 50,9 miljoner ton år 2019, fördelningen av dessa utsläpp per sektor kan ses i Figur 1 [7].
Figur 1 Procentuell fördelning av Sveriges utsläpp av växthusgaser för år 2019 baserad på data från Naturvårdsverket [7].
Figur 1 visar att majoriteten av Sveriges utsläpp av växthusgaser kommer från industri (27%) och inrikes trafik (27%). Ett av Sveriges mål är att minska CO2-utsläppen från inrikes transporter, med undantag för flyg, med 70% till år 2030 jämfört med nivån från år 2010 [4,6].
Sektorn för inrikes transport kan i sin tur finfördelas och data ger då Figur 2 [8].
Utrikes transporter 16%
Egen uppvärmning av bostäder och lokaler
1%
Avfall
2% Produktanvändning (inkl. lösningsmedel)
3%
Arbetsmaskiner 5%
El och fjärrvärme 8%
Jordbruk 11%
Inrikes transporter 27%
Industri 27%
Växthusgasutsläpp per sektor i Sverige år 2019
2
Figur 2 Utsläpp av växthusgaser från transporter inom Sverige för år 2019 baserad på data från Naturvårdsverket [8].
Figur 2 visar att majoriteten av utsläppen från transporter i Sverige kommer från biltrafiken och uppgår till 61% följt av tunga lastbilar på 20% och lätta lastbilar som står för 9% av utsläpp av växthusgaser [8]. Det kan ses som en utmaning att minska utsläpp från transporter då statistik indikerar en ökning av både gods- och persontransporter [5]. Sveriges strategi för att uppnå det utsatta målet för transporter till år 2045 består av tre olika angreppssätt [5]:
• Minska antalet kilometer energiintensiva motoriserade fordon (personbilar, flyg och lastbil) framförs.
• Ordna en större andel förnybara drivmedel i den svenska fordonsflottan.
• Använda mer energieffektiva och fossilfria fordon i Sverige.
En strategi som ingår i detta är en elektrifiering av tunga fordon men även för transportsektorn i sin helhet [9]. Om detta genomförs kan det resultera i en ökning av andel elbilar som behöver laddas vilket leder till ett ökat behov av el och frågan om elbilar är ett lämpligt val ur klimatsynpunkt för Sverige.
Syfte
Syftet med exjobbet är att undersöka växthusgasutsläpp relaterade till elanvändningen för elbilar i södra Sverige och ställa det i relation till bensin- och dieselbilar. Detta görs för att undersöka om eldrivna bilar är ett relevant alternativ med avseende på klimatet för södra Sverige sett ur ett systemperspektiv.
Frågeställning
1. Vilken klimatpåverkan kommer en övergång till elbilar få i södra Sverige jämfört med användning av bensin- och dieselfordon?
2. Hur kommer utsläppen av klimatpåverkande gaser från elbilar se ut med utgång från det svenska elsystemet år 2030, 2045 och 2050?
Järnväg 0%
Mopeder och motorcyklar
1%
Militär transport
1% Bussar
1% Flyg 3%
Sjöfart 4%
Lätta lastbilar 9%
Tunga lastbilar Bilar 20%
61%
Utsläpp inrikes transporter år 2019
3 Avgränsningar
Arbetet omfattar enbart personbilar och ej lastbilar eller andra transportmedel. Vidare omfattar arbetet ej de utsläpp som sker vid tillverkning av batterier eller andra komponenter eller för utsläpp vid skrotning av fordonet. Detta gäller både fossildrivna och eldrivna fordon. Vidare kommer elfordon i form av batteridrivna elbilar ingå och elhybrider kommer ej ingå då den svenska elektrifieringsstrategin riktar sig mot att fasa ut fossila bränslen helt [9].
Arbetet kommer även ske utifrån förutsättningarna i Sverige med det studerade området bestående av det som omfattas av SE3 och SE4, se Figur 3 [10]. Detta görs då majoriteten av elbilarna samt laddningsinfrastrukturen existerar i dessa områden. Antagandet baseras på data från webbsidan elbilsstatistik [11] som visar att ungefär 95% av laddbara bilar i Sverige finns i länen som omfattas av SE3 och SE4. Vidare visar data från webbsidan uppladdning och elbilsstatistik [11,12] att ungefär 88% till 93% av laddningsstolparna i Sverige finns i område SE3 och SE4. Område SE3 och SE4 är även de områden som har störst befolkning och befolkningstäthet och vid en omställning av fordonsflottan kommer troligtvis majoriteten av elbilar fortsätta finnas i dessa områden då i dagsläget ungefär 87% av alla personbilar finns i dessa områden [13].
Figur 3 Sveriges fyra elområden, bild tagen från Energimyndigheten [10].
4
Bakgrund
Detta arbete berör två sektorer energisektorn samt transportsektorn och hur transportsektorn kan påverka energisektorn om en elektrifiering sker av personbilsflottan. För att skapa förståelse kommer följande underkapitel utveckla de olika relevanta områdena och vad tidigare forskning etablerat inom dessa.
Eldrivna personbilar
Termen elbil omfattar elfordon som drivs av en eller flera elmotorer, dessa fordon kan betecknas som Electric Vehicles (EV) och en underkategori av dessa är Battery Electric Vehicle (BEV, batterielbil) där fordonet har någon typ av batteri [14]. Det finns även olika typer av laddhybrider (Plug-in Hybrid Electric Vehicle PHEV) som kan drivas av el via ett batteri eller genom en förbränningsmotor [14].
Metoder för att kvantifiera elbilars klimatpåverkan
Batterielbilar kan potentiellt betraktas som mer miljövänliga än traditionella fordon som drivs med förbränningsmotor (Internal Combustion Engine Vehicle, förbränningsbil) då en enbart batteridriven elbil ej leder till lokala avgasutsläpp där den framförs [14]. Frågan kring utsläpp är inte lika tydlig när batterielbilar betraktas ur ett systemperspektiv. Det går att göra en bedömning av utsläpp för batterielbilar på ett flertal olika sätt och de kan alla vara korrekta beroende på kontext och hur de har applicerats [15]. Nordenstam [16] lyfter att då så kallad attributional metod (baserad på average data) används för att göra GHG-inventeringar av el för bedömning av ett nuläge kan det leda till en ökning av utsläpp av växthusgaser globalt. Ett alternativt sätt som kan anses lämpligt för inventering av växthusgaser på regional och nationell nivå samt för företag är att använda sig av vad som kallas consequential metod (baserad på marginal data) [16]. De två olika vinklarna för livscykelanalys (LCA) kan sammanfattas som att attributional LCA använder medelvärden för att beräkna miljöpåverkan för att skapa en enhet av exempelvis vara eller tjänst i ett redan existerande system [17]. Consequential LCA använder marginaldata och används för att ta fram effekten i form av miljöpåverkan av en förändring i systemet [17].
Det bör vidtas försiktighet för resultatet från studier av det slaget där allokering och mätning av utsläpp för elbilar genomförs så det inte används felaktigt eller så att irrelevanta eller missvisande jämföranden görs [15]. Det har genomförts ett antal studier som visar på att beroende på hur elen produceras varierar mängden växthusgas som allokeras till elfordonet [18–27]. I vissa fall beroende på elmix ger elbilar ingen minskning av utsläpp av växthusgas jämfört med fossildrivna förbränningsbilar [26]. Ibland är elbilars utsläpp av växthusgaser högre än de från fossilt drivna bilar [27], även om en fortsatt positiv effekt är att de kan bidra till en minskning av lokala utsläpp [21].
I tidigare artiklar om ämnet har ett antal olika angreppsmetoder för att beräkna växtgasutsläpp för elbilar kunna identifierats. Ett flertal använder uttalat LCA [19,23,24,26,28] medan andra använder olika former av Well-To-Wheel (WTW) analys, med någon form av livscykelperspektiv [18,20,22–25,27–30]. En WTW kan ses som en LCA för drivmedlet eller den el som används för att driva ett fordon men tar ingen hänsyn till livscykeln av motorn, batterier eller liknande. Det kan däremot ta hänsyn till exempelvis överföringsförluster i elnät eller i motorer.
5 Vissa delar upp WTW analysen så den sker i två delar med en så kallad Well-To-Tank (WTT) och Tank-To-Wheel (TTW) för att skilja ut utsläpp för exempelvis elektriciteten fram till dess att det laddas in i fordonet och förluster samt utsläpp som uppstår vid körning [20,22–24,28]
andra kallar undersökningen Plant-To-Wheel (PTW) för att illustrera att de sätter systemgränsen var elproduktion sker [18]. Vid exempel en jämförelse av elbilar och förbränningsbilar ger en WTW analys som är uppdelad i WTT och TTW en bild av skillnaden i när utsläpp sker, där batterielbilar inte har utsläpp i form av avgaser vid körning men förbränningsbilar har det [14]. Något som bör uppmärksammas är att olika former av WTW analyser inte nödvändigtvis tar hänsyn till andra miljöaspekter än de som är kopplade till exempelvis växthusgaser som hur energisektorn påverkas, markanvändning och vattenanvändning [29].
Vidare kan även de bilar som väljs ut för att jämföras över kategorierna batterielbil, laddhybridbil och förbränningsbil ha en effekt [27]. Med detta menas att småbilar bara bör jämföras med småbilar och inte med exempelvis stora stadsjeepar för att ge en mer rättvis jämförelse mellan exempelvis ett elfordon och ett bensinfordon. Ytterligare en faktor som påverkar resultatet vid beräkning av växthusgasutsläpp från batterielbil är körstilen där exempelvis en aggressiv stil att köra kan öka energibehovet med upp till 47% [19,23].
Batteridrivna fordon i elsystemet
Ett ökat energibehov leder till att mer el måste laddas vilket i sin tur leder till utsläpp från elproduktionen. Vidare påverkar även tidpunkten då batterielbilar laddas deras potentiella utsläpp. I en undersökning genomförd i Italien visade det sig att tidpunkten då majoriteten av fordon laddades sammanföll med den tid då landets elmix innehöll en majoritet el från förnybara källor vilket resulterade i lägre utsläpp för batterielbil än förbränningsbil [18]. En undersökning genomförd i Nederländerna visade att om laddning av batterielbil skedde okoordinerat (utan hänsyn till tid på dygnet eller redan pågående elanvändande i hemmet och liknande) och 30% av personbilsflottan bestod av batterielbilar kunde det resultera i ett 54%
högre toppbelastning för hushåll som hade batterielbil [25]. Vilket i sin tur kunde öka toppbelastningen på elnätet med 7% vilket riskerade att överstiga nätkapaciteten [25]. När laddning sker får större påverkan i ett elnät där energin kommer från intermittenta källor som vindkraft och får inte lika stor påverkan i ett elnät med mer homogen elmix som består av till exempel kärnkraft [24]. Den extra belastning på elnätet från laddning av batterielbilar kan ges som skäl för att beräkna utsläpp av växthusgaser genom att räkna med elen på marginalen då det tvingas ske produktion av så kallad driftsmarginalel till följd av batterielbilar [23].
Elsystemet
Ett elsystem består av den fysiska infrastrukturen men även av produktion av el. Elproduktionen i Norden kan generellt beskrivas som att den består av baskraft, reglerkraft och intermittenta kraftkällor [31,32]. Med baskraft avses den elproduktion som producerar i stort sett konstant året runt [31] som exempelvis kärnkraft. Reglerkraft är den elproduktion som kan balansera elproduktionen och -användandet samt för att balansera ut de intermittenta kraftkällorna [31,32], exempel på reglerkraft är vattenkraft eller termisk elproduktion. De intermittenta kraftkällorna är mer varierande i sin produktion och mer beroende av väder för sin produktion vilket gör att de inte går att kontrollera i lika stor utsträckning som exempelvis reglerkraft, exempel på intermittenta kraftkällor är solkraft och vindkraft. Vidare finns även det som kallas driftsmarginal. Den kan förklaras som den el som har högst kostnad vid produktion och därför
6 stängs av först vid minskad efterfrågan, i Norden och Europa utgörs driftsmarginalen under ett medelår av huvudsakligen kolkondens [32].
Ett elsystem på nationell nivå innehåller ett antal olika delar och komponenter. En beskrivning av ett elsystem kan vara ett kraftverk som omvandlar någon form av energi till el där strömmen leds genom en högspänningstransformator som höjer spänningen till nivån i nätet [33].
Stamnätet består av högspänningsledningar, i Sverige på 400 kV och 220 kV, som överför energin dit den efterfrågas med vissa förluster [33]. Elen leds över i så kallade utbytespunkter från stamnätet till det regionala nätet, som har lägre spänning i ledningarna då elen ej ska transporteras lika långa sträckor [33]. Flödet av el kan gå åt båda hållen i dessa utbytespunkter och passerar genom ställverk som är områden med transformatorer som anpassar spänningen till den nya nivån [33]. Sedan leds elen över i det lokala elnätet som har ännu lägre spänning för att därefter ledas till den slutliga användaren [33]. Det går även att ha en direktanslutning till högre spänningsnivåer för stora elkonsumenter inom exempelvis industrin, dessa har ofta egna ställverk [33].
I ovan beskrivna system finns det olika nivåer i effekt mellan olika områden och vilken överföringskapacitet det finns mellan dem och dessa kapaciteter används inte fullt ut då en viss marginal måste existera för att kunna hantera oförutsedda händelser [34]. Det är ekonomiska överväganden som avgör hur stor överföringskapaciteten är snarare än elbehovet, med detta menas att dimensioneringen sätts efter vad som är rimligt ur ett ekonomiskt perspektiv [34].
När överföringskapaciteten sätts sker det även med marginaler för att klara av olika eventualiteter utan att någon fysikalisk gränsstabilitet överskrids även om en av de mest vitala systemkomponenterna, som en ledning eller ett kraftverk, plockas bort [34]. De fysikaliska begränsningarna som finns är termisk gränsstabilitet, spänningsstabilitetgräns samt dynamisk vinkelstabilitet [34]. Den termiska gränsstabiliteten avser hur stark ström som kan passera genom en elektrisk komponent där det efter en viss gräns påverkar systemets stabilitet [34], dvs innan komponenten överhettar. Spänningsstabiliteten beskriver att vid överföring mellan en avsändare och en mottagare av en viss effekt måste en viss spänning upprätthållas hos både avsändaren och mottagaren och om denna spänning får för stor avvikelse från varandra kan spänning inte hållas och instabilitet uppstår [34]. Transient vinkelinstabilitet uppstår när synkrongeneratorer, den vanligaste typen av generator i kraftverk bortsett från vind och solkraft, som är direkt inkopplade i elnätet och matchar sin rotorvinkelhastighet med frekvensen på nätet faller ur fas vilket skadar maskinerna [34]. Detta sker när en störning i systemet uppstår och vissa synkronmaskiner accelererar vilket leder till att andra minskar hastigheten för att stabilisera men i vissa fall fortsätter maskinerna att accelerera vilket leder till att de faller ur fas med nätfrekvensen vilket kan leda till maskinskador [34]. Vidare kan synkrongeneratorernas frekvens börja pendla gentemot varandra med en allt stigande amplitud vilket leder till odämpade pendlingar av effekten i systemet vilket kan orsaka en bortkoppling av maskiner ur systemet eller en total splittring av systemet [34].
I ett elsystem behöver det konstant existera en balans mellan den el som matas in i systemet, de förluster som sker och den el som tas ut ur systemet [34,35]. Annars riskerar det att bli stora störningar på elnätet [34,35]. Detta innebär att om en ökning sker i användandet av el så måste en lika stor ökning ske i produktionen, eller genom import av el från utlandet, då det inte sker någon lagring i transmissionsnätet [34]. Vidare räcker det inte för elsystemet som helhet om det finns kraftverk eller el som går att importera som räcker för tillfället utan det måste även finnas
7 bränsle, i form av till exempel vatten i magasinen, uran eller biobränslen, lagrat som täcker upp för det behov av el som finns i systemet under en tid framåt för att hålla systemet stabilt [35].
I elsystem är det frekvensen i nätet som indikerar om det behöver produceras mer eller mindre el [35]. Detta sker genom frekvensregleringen som går ut på att kraftverk läser av förändringar i frekvensen på elnätet [34,35]. Detta sker genom till exempel att turbiner och synkrongeneratorer som är direktkopplade till elnätet får förändringar i sin rotation och frekvensen avviker från 50 Hz (i Norden) [34,35]. Det vill säga att frekvensen i elnätet avviker om elproduktionen och elbehovet är i obalans, ett högre elbehov än elproduktion gör att frekvensen sjunker och vice versa. Ett kraftverk ökar produktionen om frekvensen sjunker eller minskar produktionen om frekvensen stiger [34,35].
Kvantifiering av utsläpp för elanvändningen ur ett systemperspektiv
Att kvantifiera utsläpp som kopplas till elanvändning kan genomföras på ett flertal olika sätt beroende på ett flertal aspekter. Det går exempelvis att göra beräkningar för utsläpp kopplade till elanvändande genom exempelvis att göra framtidsscenarion och beräkna utsläpp med hjälp av modeller [36] eller beräkna utsläpp utifrån medelel eller marginalel [32,36,37].
Medelel
Beräkningar utifrån medelel, det vill säga genomsnittliga utsläpp, är en metod som är relativt enkel att använda samt hitta och applicera data för, samtidigt som den är förhållandevis enkel att förstå [36,37]. Ytterligare en fördel med att använda sig av medelel är att den tillåter att ett flertal små subsystem summeras och för att återge en relativt verklighetstrogen bild av exempelvis en region eller nation [37]. Att använda genomsnittliga utsläpp resulterar därtill i att resultatet kan variera beroende på hur systemgränser sätts och detta medför att ibland sätts systemgränsen godtyckligt beroende på vad den som utför beräkningarna vill visa [36].
Denna metod tar däremot inte hänsyn till hur dynamiken i elsystemet ser ut i verkligheten och kan anses som olämplig för att beräkna och redovisa utsläpp vid förändringar av elkonsumtion och elproduktion [37]. Detta beror på att denna metod inte återger en korrekt bild av verkligheten och speglar inte det samspel som existerar i elsystemet [37]. Ytterligare en bieffekt som kan uppstå vid beräkningar utifrån medelel är att om för låga värden används för utsläpp vid beräkningar kan det resultera i att effekterna av en förändring i elsystemet kan underskattas [37]. Detta blir extra tydligt om förändringen har en påverkan i form av föroreningar kopplat till elproduktion [37]. Vidare då historiska data används för beräkningar appliceras bör en medvetenhet om att dessa inte nödvändigtvis visar på hur en potentiell framtida elanvändning påverkar utsläpp [36]. Därmed går det att argumentera att använda sig av genomsnittliga utsläpp ej är en lämplig metod att använda vid beräkningar som skall användas som beslutsunderlag för projekt eller förändringsarbeten som sker för att påverka den framtida elmarknaden [36]. Ska beräkningar genomföras där information inte finns om hur den el som används för ett specifikt syfte produceras anses medelel inte lämpligt för utsläppsberäkningar kopplade till förändringar av elanvändandet då denna metod inte återger magnituden av förändringarna av utsläpp [32,38].
Detta medför dock att avvägningar måste genomföras av vilken medelel som ska användas, exemplevis om nordisk eller europeisk medelmix, och hur integrerade olika regioner ses ur ett elsystemsperspektiv [38].
Marginalel
The operating margin approach, rörelsemarginalmetoden, har som utgångspunkt att de förändringar som genomförs i exempelvis elanvändande har huvudsaklig påverkan på den
8 elproduktion som redan existerar [39]. Build margin approach, utbyggnadsmarginalmetoden, utgår ifrån en uppskattning av vilken typ av elkraftsproduktion skulle byggts eller byggts tidigare om en planerad förändring genomförts eller ej genomförts [39]. Utbyggnadsmarginalen utgår ifrån tre typer av tekniker, moderna avancerade kolkraftsverk, gaskombiverk för naturgas och kolkraftverk med utseparering och lagring av koldioxid [39].
Beräkningar utifrån marginalel och vad den består av kan variera och ur ett Nordiskt och Europeiskt perspektiv är det inte helt ovanligt att den består av kolkondens men detta kan komma att ändras då kolkraftverk ersatts med andra mer moderna kraftkällor [37]. Ådahl och Harvey [39] lyfter att i Norden består elen på marginalen av fossilt baserad kolkraft från Danmark med en verkningsgrad på ungefär 0,42. Sjödin och Grönkvist [37] påpekar att sett ur ett Europeiskt perspektiv behöver det ske en ansenlig reducering av kolkraftsbaserad elproduktion innan det slutar vara just kolkraft på marginalen. Då elbehovet samt elproduktionen varierar under året påverkar det vilken el som är på marginalen både beroende på årstiden men även från år till år, det vill säga det måste inte alltid vara kolkondens [36].
Denna metod kan dock vara missvisande då sammanräkningar av ett flertal förändringar genomförs om det som sammanräknas redan har genomförts utifrån marginalel [37]. Det kan även leda till diskussioner kring var gränsen för vad som är marginalel och vad som inte är det då det alltid kommer existera en produktion av el som sker på marginalen [37].
Beräkningar av utsläpp vid förändringar i efterfrågan av el bör genomföras utifrån marginalel då det ger ett resultat som är mer verklighetstroget [32,38]. Utsläppsberäkningar vid förändringar kan göras utifrån driftsmarginalen ur ett kortsiktigt perspektiv, vid ett långsiktigt perspektiv bör dock även utbyggnadsmarginalen inkluderas [32]. Utbyggnadsmarginalen är de investeringar i ny elproduktion som görs eller ej och den är svåruppskattad då den relaterar till ett flertal faktorer där exempelvis elbehovet är en av många [32]. En kombination av driftmarginal och utbyggnadsmarginal kan kallas komplex marginal och ger en mer verklighetstrogen bild av effekterna av en förändring än om beräkningar enbart görs utifrån driftmarginalen [32]. Att använda sig av den komplexa marginalen kan ses som extra relevant då den förändring som undersöks är av sådant slag att den ger ansenliga och långvariga effekter [32]. Vidare kräver den komplexa marginalen i sin tur modeller för att beräknas men det kan sägas generellt sett gälla att den kortsiktiga komplexa marginalen består av inslag av kolkondens för att sedan långsiktigt ändra karaktär och få en ökning av andra elkraftslag som exempelvis naturgas eller biobränsle [32].
9
Fallbeskrivning
Det fall som studeras i denna rapport är Sverige under året 2019. Generellt för året 2019 kan sägas att i Sverige var vintern år 2018-2019 och vintern 2019-2020 milda vintrar med låg elförbrukning [40]. Samtidigt var år 2019 ett rekordår för Sveriges med den högsta elproduktionen (165,6 TWh) och nettoexporten (26,1 TWh) av el fram tills det året [41,42].
Detta relaterar till en rad faktorer bland annat har vindkraften byggts ut och under år 2019 var vindförhållandena gynnsamma och vindkraften ökade sin produktion från 16,6 TWh år 2018 till 19,9 TWh vilket är en ökning med ungefär 20 % [41,42]. Vattenkraften ökade också sin produktion från 61,8 TWh år 2018 till 64,9 TWh år 2019 vilket är en ökning med ungefär 5 % [41,42]. Kärnkraften minskade och gick från 65,8 TWh år 2018 till 64,3 TWh (ungefär 2 % mindre) [41,42]. Vilket var en följd av bland annat att produktionen från Ringhals 2 trappades ned för att tas ur drift vid slutet av år 2019 [41,42]. Då det skedde en ökning av elproduktionen och en minskning av elanvändningen på grund av bland annat de milda väderförhållandena ledde det till en ökning av exporten där majoriteten av elen som producerades i Sverige exporterades till Finland [41,42].
Det svenska elsystemet
I dagsläget är Sverige uppdelat i fyra elområden/prisområden, se Figur 3, där elområde Luleå (SE1) och elområde Sundsvall (SE2) producerar mer el än de använder och elområde Stockholm (SE3) och elområde Malmö (SE4) använder mer el än de producerar [43–45].
Svenska Kraftnät (SVK) delade in landet i dessa områden år 2011 efter ett bindande beslut i EU [44]. En potentiell funktion av indelningen kan vara att det är ett incitament för elproducenter att börja producera i områden med högre priser vilket leder till en prisutjämning på lång sikt [44]. Ett sätt att planera överföringen mellan två områden är att gränserna placeras där så kallade flaskhalsar i nätet finns och det kallas snittområden men i Sverige kallas det populärt elområden [44]. Det är genom begränsningar just i överföringskapaciteten som resulterar i att olika områden får olika priser på elmarknaden [44].
Sveriges fyra områden har tre snitt emellan sig och dessa snitts överföring är oftast begränsad av spänningsstabilitet [34]. Det existerar ej tillräcklig överföringskapacitet i elledningarna mellan de två nordliga områdena (SE1 och SE2) och de två sydliga (SE3 och SE4) för att alltid kunna överföra tillräckligt med el för att täcka efterfrågan från nord till syd [43,44]. Detta snitt har en ej oansenlig påverkan på driftsäkerheten i det nordeuropeiska elsystemet och de trånga snitten i elnätet utsätts för allt högre tryck då Sveriges export av el till andra länder ökar [44].
Vidare riskerar trycket på överföringen mellan SE2 och SE3 att belastas ytterligare i framtiden om elproduktion läggs ned i SE3 och ersätts med produktion i SE4 [45].
Elanvändningen i Sverige påverkas av temperaturen och då befolkningen i landet är störst i de sydligare delarna så är det temperaturen i dessa områden som får störst påverkan [40]. Ökningen av elanvändningen under vintern i Sverige kommer delvis från uppvärmning när temperaturen sjunker samt att lampor är tända under längre tid på dygnet [46].
Ytterligare en aspekt av det svenska elsystemet är den så kallade effektreserven. Det är ett speciellt system där Svenska kraftnät inför perioden 16 november till 15 mars varje år upphandlar en kapacitet i MW från kraftverk eller genom att intressenter får betalt för att minska sitt användande av el [34]. Detta görs för att minska risken att elkunder kopplas bort mot sin vilja och för att säkra leveranssäkerheten [34]. Fossila bränslen i form av kol, olja och naturgas används i ett fåtal kraftvärmeanläggningar som ingår i effektreserven [35].
10 Elsystemet i framtiden
Elbehovet i Sverige beräknas öka i framtiden, detta beror på bland annat att transporter och industrier planeras elektrifieras enligt elektrifieringsstrategin [45,47]. Det råder osäkerheter kring det framtida elbehovet där för år 2045 varierar bedömningarna för Sverige mellan 164- 286 TWh [47]. Energimyndigheten [48] påpekar att det är i princip omöjligt att förutspå den framtida elanvändningen samt att de kommande decennierna kommer det ske förändringar av både elproduktion samt elanvändning, se Tabell 1och Tabell 2 för potentiella framtida elbehov och elproduktion. Osäkerheterna kring potentiell framtida elproduktion lyfts även av North European Energy Perspectives Project (NEPP) som även påpekar att det inte bara är den interna elproduktionen och användningen i Sverige som påverkar utan även att den omställning som sker i Europas energisystem kommer ha en icke oansenlig effekt på Sverige [49]. De lyfter att elmarknaden är avreglerad så därför kommer marknaden vara det som bestämmer vilken elmix som produceras i framtiden [48]. Energimyndigheten har tagit fram tre scenarion som de analyserat för framtida elproduktion och behov för år 2030, 2040 och 2050 [48]. Det framtida Svenska elsystemet kommer ha ett stort behov av överföringskapacitet samt en utökad användarflexibilitet [47,48].
I scenario med passiva användare avses en låg flexibilitet i användandet av el och i aktiva användare anses flexibiliteten vara hög [48].
Tabell 1 Framtida elbehov utifrån olika rapporter och scenarion för elområde SE3 och SE4.
År Elbehov SE3, TWh/år Elbehov SE4, TWh/år Energiforsk och Profu [50] 2045 115–127 28–31
Qvist consulting Ltd [51] 2045 116 32 Energimyndigheten [48]
Lägre elektrifiering
2030 2040 2050
95 100 108
26 28 31 Energimyndigheten [48]
Högre elektrifiering, passiva användare
2030 2040 2050
97 113 136
28 31 35 Energimyndigheten [48]
Högre elektrifiering, aktiva användare
2030 2040 2050
97 113 136
28 31 35 Svenska kraftnät [52]
Småskaligt förnybart
2045 101 29
Svenska kraftnät [52]
Färdplaner mixat
2045 105 29
Svenska kraftnät [52]
Elektrifiering planerbart
2045 127 40
Svenska kraftnät [52]
Elektrifiering förnybart
2045 130 40
11
Tabell 2 Framtida elproduktion utifrån scenarion och antagande från Energimyndigheten[48] och Svenska kraftnät [52].
År Elproduktion SE3, TWh
Elproduktion SE4, TWh
Energimyndigheten [48]
Lägre elektrifiering
2030 2040 2050
85 90 86
11 18 21 Energimyndigheten [48]
Högre elektrifiering, passiva användare
2030 2040 2050
88 105 121
13 22 24 Energimyndigheten [48]
Högre elektrifiering, aktiva användare
2030 2040 2050
88 105 121
13 22 24 Svenska kraftnät [52]
Småskaligt förnybart
2045 58 18
Svenska kraftnät [52]
Färdplaner mixat
2045 72 29
Svenska kraftnät [52]
Elektrifiering planerbart
2045 119 25
Svenska kraftnät [52]
Elektrifiering förnybart
2045 83 58
Samtliga scenarion i Tabell 1 och Tabell 2 visar att efterfrågan på el överstiger utbudet i elområde SE3 och SE4. I Energimyndighetens [48] scenarion för framtida produktion består den av vattenkraft, land och havsbaserad vindkraft, kraftvärme, kärnkraft i alla scenarion.
Naturskyddsföreningen [53] har gett ut en rapport där de lyfter ett framtidsscenario med en elmix som har sina källor i biomassa, vattenkraft, vindkraft, solel, solvärme och så vidare.
Naturskyddsföreningens [53] framtidsscenario baseras också på en förändring av användandet av el som är mer flexibel samt att en serie energieffektiviseringar sker inom olika av samhällets sektorer. Även i andra framtidsscenarion lyfts ett mer flexibelt användande av el för att möjliggöra omställningen till ett mer hållbart energisystem [49,54].
Ytterligare en aspekt av framtidens elsystem är tillgången på effekt och WSP [45] påpekar i sin rapport att år 2040 riskerar SE3 och SE4 att ha effektbrist ungefär 400 timmar per år. IVA [54]
lyfter i sin rapport att då andelen väderberoende elproduktion ökar kan ett sätt att jämna ut tillgången på effekt vara genom olika typer av energilagring. El kan inte lagras i ledningarna eller liknande utan måste omvandlas till andra energibärare för att sedan omvandlas till el igen vid behov [45], exempel på former av lagring är pumpkraft, batterier och vätgas. Dock går en procentuell andel av energin ”till spillo” då det omvandlas fram och tillbaka [45].
Kraftkällor i den svenska energisektorn
Det svenska elsystemet har en produktion av el som uppgår till ungefär 98% fossilfritt med en mix av solkraft, vindkraft, vattenkraft, kärnkraft och biokraft [35]. Det Svenska elsystemet ingår i det nordiska elsystemet som i sin tur är ihopkopplat med det europeiska elsystemet som är ihopkopplat med både Ryssland och Afrika [34]. I dessa olika system finns det hela tiden en kontinuerlig handel mellan olika områden [34]. Detta gör att frågan om all el i ett system är förnybar kan anses vara en relativt komplicerad fråga.
12 Det sker även produktion av el inom industrin, vilket kallas industriellt mottryck [34]. Vidare finns även vad som kallas för reglerkraft som är den kraftproduktion som håller balansen för den el som produceras och konsumeras under ett tidsintervall, exempelvis timme eller dygn [34]. Med detta menas att då det hela tiden måste existera en balans mellan den el som går in i systemet och tas ut ur systemet så går reglerkraften in och exempelvis ökar produktionen om elanvändningen ökar.
Den svenska elkraftproduktionen samspelar så att de väderoberoende kraftkällorna balanserar de som är väderberoende [35]. Under ett ”normalår” uppgår Sveriges elproduktion till 140-160 TWh och användandet av el är 135-145 TWh vilket resulterar i att under ett normalår exporterar Sverige el [35]. Elproduktionen år 2019 i Sverige var 165,6 TWh fördelat enligt Figur 4 och elanvändningen uppgick till 139,4 TWh där 12,1 TWh var nätförluster [42].
Figur 4 Cirkeldiagram av svensk elproduktion år 2019 data från Energiföretagen [42].
Enligt energiföretagen finns det ett fåtal anläggningar som använder olja, kol och naturgas i Sverige och dessa ingår i effektreserven [35]. Under ett år uppgår den fossileldade delen av svensk elmix på någon procent [35].
Kraftvärme
Kraftvärme är produktion av el och värme samtidigt [34]. Samproduktionen sker för att maximalt ta till vara på energin i bränslet och produktionen i denna typ av kraftverk sker då det finns en efterfrågan på värme [35]. Värmen kan användas för uppvärmning av bostäder under vinterhalvåret men även i olika industriprocesser som exempelvis torkning [35]. Den el som produceras via kraftvärme i Sverige sker huvudsakligen i kraftvärmeanläggningar som brukar någon form av biobränsle eller avfall men det finns ett fåtal kraftvärmeverk som använder fossilt bränsle [35].
Vattenkraft; 64,9TWh; 39,2%
Kärnkraft; 64,3TWh; 38,8%
Vindkraft; 19,9TWh; 12,0%
Övrig värmekraft;
15,8 TWh; 9,5%
Solkraft; 0,7TWh; 0,4%
Elproduktion i Sverige år 2019
13
Figur 5 Sveriges produktion av el producerat genom kraftvärme netto för år 2019 data från SCB och Energimyndigheten [55].
Vilken typ av bränsle som används i kraftvärmeverk varierar. I Sverige används bland annat avfall som bränsle istället för att deponeras [34,56]. Då avfall läggs på deponi kan det brytas ned i syrefattiga förhållanden vilket leder till att det bildas metangas som är en växthusgas som är 25 gånger mer potent än koldioxid [56]. Vid förbränning undviks detta och avfallet används istället för produktion av el och värme [56]. I Sverige har detta skett i så stor utveckling att avfall importeras från andra länder i Europa för att förstärka bränsletillgången för kraftvärmeverken [56].
Ett annat bränsle för produktion i kraftvärmeverk är biomassa som kan komma i olika former som exempelvis restprodukter från skogs- och träbearbetningsindustrin, biometan, energigrödor och liknande [57]. Biomassa släpper ut den mängd koldioxid som den tagit upp under tillväxtfasen vilket leder till slutsatsen att om det ska bidra till en minskning av koldioxidutsläpp måste eventuell odling, produktion och transport ske hållbart [57].
Kärnkraft
Kärnkraft kan anses ha låga utsläpp av växthusgaser då det är uran som är bränsle i reaktorerna [35,58]. Det anses även vara en kostnadseffektiv klimatneutral källa till baskraft [58]. I slutet av år 2019 stängdes Ringhals 2 vilket ledde till en minskning av normalproduktionen av el från kärnkraft [35]. År 2021 finns det sex stycken aktiva reaktorer belägna på tre platser i Sverige och detta är i Forsmark i Uppland, Oskarshamn i Småland samt i Ringhals i Halland [35]. All kärnkraft i Sverige finns i elområde SE3 men Oskarshamns kärnkraftverk ligger på gränsen mellan område SE3 och SE4 [34].
Kärnkraftverken producerar för full effekt året runt med vissa avbrott för underhåll och byte av bränsle [35]. Det har även skett stopp av produktionen för upprustning och modernisering [35].
Efter att bränslet har förbrukats är det vad som kallas högaktivt avfall och mellanlagras i Oskarshamn i väntan på tillgängligt slutförvar[35].
Kraftvärme industri, kraftvärmedrift;
6716; 42,5%
Kraftvärme värmeverk, kraftvärmedrift;
8924; 56,4%
Kraftvärme värmeverk kondensdrift; 168; 1,1%
Kondensstationer exkl
kärnkraft; 3; 0,0% Gasturbinstationer för reservkraft; 8;
0,1%
El producerat genom kraftvärme netto år 2019 i GWh
14 Enligt LCA från vagga till grav för kärnkraft genomförd för vattenfalls räkning har miljöpåverkan i form av koldioxidekvivalenter beräknats uppgå till 6 g/kWh distribuerad el [59]. De beräknade också ett kärnkraftverks tekniska livslängd till 44-60 år och användandet av el hos konsument inkluderades inte i analysen[59].
Vattenkraft
Huvudparten av vattenkraften i Sverige är belägen i norra Sverige, det vill säga SE1 och SE2 [34]. Vattenkraft är en förnybar kraftkälla som kan anses ha låga utsläpp av växthusgaser och den är även reglerbar [35,60]. Vid elproduktion kan det ses som att vattenkraft inte har några utsläpp av växthusgaser [60]. Majoriteten av utsläpp från vattenkraft är vid byggnad av vattenmagasin och kraftverk samt vid underhåll av dessa [60].
Vattenkraften utnyttjar vattnets lägesenergi genom att överföra det till mekaniskt roterande i turbiner som driver en elgenerator [33]. Det finns olika typer av vattenkraft och en som används i Sverige går ut på att vatten lagras i magasin för att sedan användas för elproduktion då efterfrågan är störst [35,60]. Vattnet i magasinen har en viss påfyllnad året runt genom nederbörd och får en extra tillrinning under våren i form av snösmältning [35]. Detta innebär att vattenkraften är avhängande på nederbörden under året och att under år med mindre nederbörd kan en mindre mängd el produceras [34,35]. Det inträffar att vattenkraft utgör elen på driftsmarginal då det är kraftig vårflod och det ej går att samla upp allt vatten i magasinen [32].
Enligt LCA från vagga till grav för vattenkraft genomförd för vattenfalls räkning har miljöpåverkan i form av koldioxidekvivalenter beräknats uppgå till 10,5 g/kWh distribuerad el [61]. De beräknade också ett vattenkraftverks tekniska livslängd till 60 år för utrustningen och 100 år för dammar, kraftstation och vattenvägar [61]. Användandet av el hos konsument inkluderades inte i analysen [61].
Intermittenta kraftkällor
Kraftkällor som är mer väderberoende kan betecknas som intermittenta då de producerar el när vädret tillåter som för sol och vindkraft. Vid stora mängder av sol och vindkraft i ett elsystem kan snabba ändringar i produktionen från dessa innebära utmaningar för reglerkraft [34].
Vattenfall påpekar att solkraft och vindkraft kan vara ett komplement till varandra då solkraft har störst produktion på sommarhalvåret samtidigt som vindkraft är mer effektiv under vinterhalvåret [62]. Ett sätt att ta tillvara på vind- och solkraft, om det är stor tillgång på dessa och efterfrågan på el är låg, är exempelvis genom produktion av väte eller laddning av batterier för elbilar [62].
Det finns en serie utmaningar i ett elsystem som till stor del är beroende av väderstyrda källor, där exempelvis frekvensen i elsystemet som helhet påverkas [49]. En effekt av att exempelvis kärnkraft fasas ut, och om inga andra åtgärder tas in i systemet, är att det minskar mängd rotationsenergi i systemet som helhet vilket resulterar att vid bortfall av exempelvis produktion sjunker även frekvensen i nätet hastigt [49].
Vindkraft
Vindkraft är en förnybar kraftkälla som utnyttjar vindens rörelseenergi för produktion av el [33,34]. I den processen sker en minskning av vindhastigheten, det vill säga det blåser mindre på läsidan av vindkraftverket [34]. Generellt sett tas det mesta ur vinden vid vindhastigheter på
15 ungefär 11 m/s [34]. Det är möjligt att konstruera större maskiner och generatorer som fungerar vid högre vindhastigheter men vindar över 11-12 m/s är ovanliga i Sverige [34].
Det sker inga utsläpp av koldioxid vid elproduktion i ett vindkraftverk utan majoriteten av miljöpåverkan sker under byggnadsfasen samt vid produktion och transport av anläggningarna [62]. Då vind varierar i styrka får det till följd att vindkraftverk är beroende på vädret för sin produktion och därför behöver stöd av andra reglerbara kraftkällor för att kunna möta upp efterfrågan [35]. Alternativt måste efterfrågan anpassas till produktionen eller så kan en lagring av el ske i exempelvis batterier[35].
Enligt LCA från vagga till grav för vindkraft genomförd för vattenfalls räkning har miljöpåverkan i form av koldioxidekvivalenter beräknats uppgå till 15,5 g/kWh distribuerad el [63]. De beräknade också ett vindkraftverks tekniska livslängd till 20 år och användandet av el hos konsument inkluderades inte [63].
Solkraft
Solkraft är baserad på solens strålningsenergi som omvandlas till el genom solceller[33,34].
Huvuddelen av el från solkraft produceras under de delar av året med mest solstrålning vilket infaller under våren, sommaren och hösten i Sverige[34]. Solceller kan anses ha låga utsläpp av koldioxid och ses som en möjlighet för en mer decentraliserad produktion av el i Sverige [64].
Den svenska transportsektorn
Som kan ses i Figur 1 kommer 27% av Sveriges totala utsläpp av växthusgaser från inrikes transporter där Figur 2 visar att personbilar står för 61% av alla inrikes transporter [8]. I Sverige fanns det 4 887 904 personbilar år 2019 [13]. Dessa kan delas upp enligt Figur 6 vilket visar att den svenska fordonsparken huvudsakligen består av bensindrivna (2 696 496 stycken) och dieseldrivna (1 739 904 stycken) fordon [13].
Figur 6 Procentuell fördelning av personbilar efter drivmedel i Sverige år 2019 enligt data från Trafikanalys[12].
16 Framtida transporter
I diverse framtidsscenarion elektrifieras majoriteten av Sveriges transportsektorn [48,54]. Detta medför att i framtidsscenarion för framtida elbehov ingår elbehovet för persontransporter i framtagna scenarion. Enligt WSP [45] kommer elektrifiering av transporter leda till ett ökat effektbehov under vissa delar av dygnet men troligtvis ha en relativt jämn fördelning över året.
De fortsätter med att lyfta att en möjlighet är att strategiskt utnyttja elbilars behov av laddning till att bli en del av efterfrågeflexibiliteten och därigenom jämna ut behovet av effekt under dygnet genom att planera laddning av elbilar [45]. Detta styrks av Holz och Obel [65] som påpekar att personbilar har stor potential att laddas anpassat efter vilka tidpunkter som är mest fördelaktiga sett ur elsystemets perspektiv.
Holz och Obel [65] lyfter i sin rapport att i Sverige kommer storstadsområdena (Stockholm, Göteborg och Malmö) få ett ökat elbehov till följd av elektrifiering av transportsektorn men även till följd av urbanisering och ekonomisk tillväxt. De fortsätter med att påpeka att en elektrifiering av transportsektorn kommer ske snabbast i storstadsområdena till följd av en ökning av eldrivna personbilar och därtill kan det leda till en förstärkning av efterfrågan av el på eftermiddagen om laddning av fordon sker ”beteendestyrt” [65], dvs bilen pluggas in för laddning när individen kommer hem från jobbet.
Enligt Energimyndighetens scenario med högre elektrifiering prognosticeras elbehov för transportsektorn i södra Sverige på 15,1 TWh i SE3 och 7,3 TWh i SE4 till år 2050 [48]. Gode et al. [50] har i sitt högnivåscenario uppskattat behovet av el till transporter till ca 21-27 TWh till år 2045 där 7-12 TWh av dessa är till lätta transporter. 10-11 TWh är för tunga transporter och resterande är övriga transportsätt.
Metod
Detta arbete är en kvantitativ empirisk undersökning. En kvantitativ undersökning har tre huvudsakliga faser ,se Figur 7 [66,67]; planering, insamling samt analys med ett antal delmoment för varje fas [66]. För att undersökningen ska kunna anses vetenskaplig, bör ett antal metodregler som framförs inom metodteori följas [66]. För att anses vara vetenskaplig ska arbetet genomföras objektivt, källkritiskt, sakligt, baserat på korrekta fakta samt balanserat [66,68]. Det är värt att påpeka att det existerar svårigheter för att genomföra ett arbete helt objektivt då människor har svårt att identifiera fördomar och förutfattade åsikter som existerar hos dem själv [68]. Ur vetenskaplig synsätt räknas statistiska tekniker som objektiva metoder att uppnå vetenskapliga slutsatser [69]. Detta innebär dock inte att statistik som metod resulterar i objektiva sanningar utan snarare att andra forskare kan upprepa undersökningen och utifrån det statistiska materialet dra liknande slutsatser [69].
En empirisk undersökning kan beskrivas som fem faser Figur 7; problemformulering, planering, datainsamling, analys samt rapportering [67].
17
Figur 7 De olika faserna för kvantitativ och empirisk undersökning [66,67]
Första steget i en planeringsfas är formulering av hypotes för test eller identifiering av problem som ska undersökas [66]. Problemformulering eller framtagande av hypotes är ett moment som ger följder för resten av processen då en ogenomtänkt problemformulering eller hypotes kan leda till att resterande process ej kommer leda till ett vetenskapligt resultat eller en irrelevant lösning [66,67]. Efter detta genomförs en planering där arbetet planeras ut, hur undersökningen genomförs och hur arbetet analyseras [66,67].
Detta arbete är en jämförelse mellan elfordon samt bensin- och dieselfordon genom kvantifiering av data. Vid ett komparativ metod bör man utgå från att det som jämförs är jämförbart och att likvärdiga enheter används vid jämförandet [68]. Därtill är det viktigt att skildra både det som är likt och olikt för det som jämförs så att en genomskinlighet och vetenskaplig grund bibehålls [68].
Steget efter planeringen är insamling av data och i detta arbete är en majoritet av insamlad data i form av sifferuppgifter. Att sammanfatta och utvärdera sifferuppgifter, i större mängder, faller under begreppet statistik och kan ses som en metod att tolka omvärlden och olika fenomen genom att organisera, summera och analysera data [70,71]. Statistik kan användas som råmaterial och efter att ha bearbetats kan det användas för att skapa exempelvis diagram som kan analyseras genom diverse statistiska metoder som exempel beskrivande statistik som histogram eller tidsserieanalyser [68,70]. Dessa analyser påverkas av det data som används [66,68]. Därför är ett steg i arbetet med statistiskt material att redogöra för hur det data som används valts ut och därtill redovisa pålitligheten för det [66,68]. Ett sätt att göra det är genom att redovisa för de metoder som används för urvalsprocessen och motivera varför det data som valts ut är relevant för den undersökning som genomförs [66,68].
Detta arbete baseras till stor del på statistiskt material och vid datainsamling av råmaterial sker ett urval för att enbart inkludera relevant data. Detta sker i enlighet med Ejvegårds [68]
hänvisning till vikten av att ha relevant information samt till att vid arbete med statistiskt material noga redogöra för det urval som gjorts. I detta arbete har den data som tagits fram varit utifrån arbetets systemgränser och därför enbart utifrån svensk kontext. Då arbetet är avgränsat till Sveriges elområde SE3 och SE4 har data från dessa områden använts. Den statistik som använts vid beräkningar för elnätet och utsläpp kopplat till olika kraftslag har inhämtats från bland annat Svenska Statistiska Centralbyrån och Svenska Kraftnät samt genom mejlkontakt med personal från Trafikanalys. För data kopplat till elbilar har statistik för antalet eldrivna fordon tagits från hemsidan [11] och data för effektiviteten av olika eldrivna fordon har
Kvantitativ
undersökning Planering Insamling Analys
Empirisk
undersökning Problemformulering Planering Datainsamling Analys Rapportering
18 inhämtats från hemsidan Electric Vehicle Database [72]. Data för utsläpp i gram koldioxidekvivalenter per körd km för bensin- och dieselfordon har inhämtats från [73].
Vidare har data för år 2019 använts för data för användning av personbilar över året samt för elproduktion och elkonsumtion över året. Detta sker då covid-19 pandemin kan ha potentiell påverkan på exempelvis människors rörelsemönster och elförbrukning då folk vistas mer hemma.
Efter datainsamling sammanställs det insamlade materialet och redovisas i arbetet, beräkningar/bearbetning av materialet sker där det är nödvändigt och redovisas följt av en analys av materialet utifrån problemformuleringar och/eller hypoteser från första fasen [66,67].
Detta arbete genomförs enligt faserna för kvantitativa undersökningar och under datainsamling etableras en kunskapsbas om det svenska elsystemet, olika angreppssätt som används vid beräkning för utsläpp från elproduktion och om olika potentiella statistiska verktyg för att applicera den data som erhålls från källor som [74] och [75]. Vidare genomförs en litteraturgenomgång för att ge en bild av den kunskap som redan existerar kring elbilar och dess utsläpp samt det svenska kraftnätet. Insamlingen av rådata och bearbetningen av den delas in i fyra arbetspaket AP1-AP4.
Figur 8 Beskrivning av arbetsprocessen för arbetet med data, dess insamling samt bearbetning och i vilken ordning detta kommer ske.
Arbetet under AP1 sker i syftet för att bedöma hur svensk elmix och produktion av marginalel ändras under olika årstider.
Under AP3 beräknas CO2-utsläpp ut med hjälp av information från AP1 och AP2. CO2- utsläppen kopplade till elbilars energianvändning kommer delas upp i två kategorier, dels de utsläpp som kopplas till det svenska energisystemets medelmix och dels vilken del som kan ses
gå över på marginalel.
Efter att det genomförs en analys av det som framkommit i arbetspaketen genomföras och utifrån det kommer slutsatser, diskussion och vidare forskningspotential presenteras.
AP1
• Datainsamling om det svenska elsystemet och undersöka om elproduktion och elbehov skiftar mellan olika årstider.
AP2
• Datainsamling om körvanor i Sverige under året.
AP3
• Elbilar och dess GHG utsläpp i CO2ekvfrån den energi de använder. Utsläpp från elproduktion bedöms genom att arbeta utifrån marginalel då användningen av el överstiger den el som produceras i Sverige.
Då den inte överstiger elproduktion används medelmix för den månaden och området.
AP4
• Jämförelse av utsläpp av växthusgaser i CO2ekv mellan elbilar och bensin- och dieselbilar.
19 Litteraturbas
Litteraturen delades upp i olika huvudområden. Där en del av litteraturen handlade om olika typer av statistiska verktyg som är lämpliga för att använda och tolka den data som inhämtades från exempelvis SCB, naturvårdsverket, trafikanalys och energimyndigheten. Vidare användes en del av litteraturen i form av vetenskapliga artiklar och rapporter angående fakta om svenska elnätet och beräkningar för utsläpp kopplat till elproduktion.
Statistik
I detta kapitel beskrivs olika termer relevanta till det arbete med statistik som skett i detta arbete.
Statistisk analys
Statistik som metod kan, som ovan nämnt, tolkas som en mer objektiv metod sett ur ett vetenskapligt perspektiv [69]. Sammanfattat kan statistik ses som ett sätt att ge en bild av verkligheten men statistik ger nödvändigtvis inte en anledning till varför verkligheten ser ut som den gör [69].
Två relevanta termer vid statistisk analys är medelvärdet samt standardavvikelsen även kallat konfidensintervallet [66]. Medelvärdet har använts i denna rapport för att ge en översiktlig bild av hur exempelvis personbilar används under året för varje månad.
Konfidensintervall
Vid beräkning och uppskattning av populationsmedelvärde existerar osäkerheter och ett sätt att ta hänsyn till dessa är exempelvis genom konfidensintervall [67,69]. Med det avses det ett intervall som långsiktigt omfattar de sanna värdena till exempel 95 gånger av 100 och kallas då ett 95%-konfidensintervall [67]. Om ett intervall innehåller det sanna värdet eller inte går ej att säga utifrån konfidensintervallet men det går att utröna att om urvalet utförs ett flertal gånger där alla har exempelvis ett 95%-konfidensintervall så kommer 95% av intervallerna omfatta de sanna medelvärdet [67,69]. Storheten på avståndet från änden till mitten på konfidensintervallen kallas den statistiska felmarginalen [67,69].
För att ta hänsyn till detta kommer det där ett konfidensintervall finns dokumenterat användas det högsta, mellan och lägsta värdet vid beräkningar för att öka chansen att det värde som används ligger så nära verkligheten som möjligt. När så sker kommer det kallas max, medel och min vid redovisning av beräkningar.
Antaganden
En serie antaganden måste genomföras vid beräkningar för utsläpp för elproduktion. I detta arbete anses den ospecificerade elproduktionen [75] ses som försumbar då den dels har en låg andel av den totala elproduktionen samtidigt som det är okänt hur elen produceras.
Emissionsfaktor för el producerad i kraftvärmeverk beräknas utifrån deras bränslemix och emissionsfaktorer för diverse bränslen tas huvudsakligen Miljöfaktaboken 2011 [76] då den har värden för svenska förhållanden. Ett fåtal av de bränslen som används för elproduktion i kraftvärmeverk saknas i Miljöfaktaboken 2011 så en serie antaganden och uppskattningar genomförs. Vid beräkningar anses eldningsolja 3-5 likvärdig med eldningsolja 2, avfall antas vara hushållsavfall av svenskt genomsnitt och fotogen likvärdigt med flygfotogen. Vidare saknas värden för koksgas, masugnsgas samt propan och butan i Miljöfaktaboken 2011 [76] så utsläpp från förbränning av dessa inhämtas från Jernkontoret [77–79]som dock ej anger utsläpp av förbränning av dessa i koldioxid ekvivalenter samt ej har ett livscykelperspektiv likt det som finns i Miljöfaktaboken 2011.
