118034

Under sommaren 2016 återpubliceras några äldre artiklar. Denna publicerades första gången i oktober 2014.

Elbesparande åtgärder och renare elproduktion talas det gärna om – men även i steget mellan de två ändpunkterna finns stora miljövinster att göra.  Framtidens elnät kan bli mer flexibelt, minska energiförluster på vägen mellan konsument och producent och bidra till att sudda ut gränsen dem emellan.

I slutet av 1800-talet började de första elnäten anläggas. De första distributionsnäten var likströmsbaserade; ledningsförlusterna var stora och man tvingades placera koleldade elverk centralt och nära konsumenterna. Efter en tid övergick man till trefas växelström – det möjliggjorde kraftöverföring över längre sträckor, och kraftverk på större avstånd från förbrukarna kunde tas i bruk – t.ex. vattenkraftverk i älvar långt från storstäderna.

Den modell för elnätet som växte fram då har med små förändringar kommit att råda ända tills nu. De senaste decennierna har luftledningar allt mer ersatts med nedgrävda kablar, men i huvuddragen är det svenska elnätet sig likt: många lokala elnät hopfogas till regionala, som ansluts sinsemellan och till en centraliserad kraftproduktion i form av de stora kraftverken genom ett statligt ägt stamnät av 15000 kilometer högspänningsledningar. Elektriciteten transformeras stegvis ned till lägre spänningar, och grenas ut i ställverk och transformatorstationer på sin väg till slutkunderna.

Modern kraftproduktion ger nya utmaningar

Den här processen har emellertid sitt pris. Över en fjärdedel av den energi som produceras globalt försvinner som förluster i distribution och omvandling. Det motsvarar koldioxidutsläpp i storleksordningen en miljard ton årligen. Vidare kostar det på ett tämligen direkt sätt i utsläpp att kompensera för variationerna i elförbrukningen – runtom i världen är det i hög grad förbränningskraftverk som används för att erhålla höglast- och reglerkraft.

Potentialen för förbättringar är alltså stor. De kan åstadkommas dels genom nya tekniker för förlustminskning, dels genom decentralisering av kraftproduktionen och större bidrag från lokala producenter av förnybar energi. Men för att kunna nå dit måste framtidens kraftsystem konstrueras kring en infrastruktur av nya, smarta elnät.

Smarta elnät

Vad innebär begreppet smarta elnät? Nyckelordet är flexibilitet, och något av det mest centrala är möjligheten till tvåvägskommunikation mellan konsumenter och producenter – och även tvåvägsdistribution, där överskottsel från t.ex. en villa med solpaneler kan matas in i elnätet.

Informationsutbytet mellan producenter och konsumenter gör att produktionen lättare kan styras för att möta efterfrågan, och efterfrågan kan styras t.ex. genom variabla kostnader för att balansera en växlande produktion. Noderna på det smarta elnätet diskuterar sig kontinuerligt fram till den billigaste och mest energieffektiva fördelningen.

Medan traditionella elnät kan ses som en centraliserad produktion omgiven av passiva förbrukare, möjliggör det smarta elnätet distribuerad produktion, där varje nod vid olika tidpunkter kan fungera som både konsument och småskalig producent. Man kan likna det vid skillnaden mellan TV-sändningar och internet.

Förutom ny transformatorteknik och den rena distributionen blir styrsystem och IT-lösningar en del av elnätet. Sverige har i avsevärt högre grad än många andra länder genomfört ett teknikskifte i form av nya elmätare hos konsumenter, som tillåter distansavläsning och styrning. Det är en förutsättning för många av det smarta elnätets andra funktioner, och gör att vi kan bli ett föregångsland.

Som exempel på svenska initiativ kan nämnas Smart Grid Gotland, ett världsunikt utvecklingsprojekt som inleddes 2012 i samarbete mellan Energimyndigheten, Svenska Kraftnät och flera storföretag. Projektet ska fram till 2015 utgöra en storskalig försöksmiljö, där helt ny teknik testas i befintliga nät och med hög grad av vindkraftsintegration. Detta kan sedan ge viktiga erfarenheter för det framtida svenska elnätet. 2012 tillsattes också ett särskilt samordningsråd, med medlemmar från myndigheter, organisationer, näringsliv och forskning, som 1 december 2014 kommer att presentera en nationell handlingsplan på området.

Energilagring – en del av nätet

En av utmaningarna för framtidens elnät är att kunna hantera distribution och lastbalansering av en mycket större andel förnybar el. I de flesta visioner av framtidens energimix ingår en kraftigt ökad andel av förnybara källor, som sol- och vindkraft, men något som ligger dem i fatet är att produktionen kan vara mycket skiftande. Om sådana källor ska kunna få en roll annat än på marginalen är det mer eller mindre en förutsättning med ett utbyggt nät som automatiskt kan balansera effektuttaget och korrigera för effektfluktuationer.

Integrerad energilagring är en sådan korrigerande egenskap hos det smarta elnätet – t.ex. i form av en större elfordonspark, kombinerat med teknik som ser till att de laddas just vid de tidpunkter när billig förnybar el finns i god tillgång – och som vid andra tillfällen kan tjäna som energilager. En annan metod kan vara att elnätet aktivt kapar effekttoppar genom att kommunicera med förbrukare, och t.ex. be varmvattenberedare att tillfälligt avbryta uppvärmningen, eller dra ned på mindre kritiska industriprocesser.

Högspänd likström

För att på ett effektivt sätt kunna balansera en väderberoende elproduktion vore det förstås gynnsamt att koppla ihop nät över mycket stora avstånd och täcka områden med olika förutsättningar. Sådana så kallade supergrids skulle ställa mycket stora krav på egenskaperna hos högspänningsledningarna i stamnätet.

När trefas växelström ersatte de första likströmsledningarna var det för att minska förluster. Vid mycket höga spänningar ger likström emellertid mindre förluster än växelström – stötestenen har där varit omvandlingen mellan höga distributionsspänningar och hanterbara spänningar för förbrukarna. Att transformera växelström var billigare och enklare med dåtidens teknik. Men utvecklingen går framåt. Nya typer av transformatorer, omriktare och brytare har gjort högspänd likström, eller HVDC, till ett framtidsalternativ och en möjliggörare av långväga eldistribution, med möjlighet till stora förlustminskningar.

smarta-elnat

Sverige ligger långt fram även när det gäller teknik för högspänd likström, inte minst genom ABB som vidareutvecklat ett kunskapsarv från Asea – pionjärer bland annat inom trefastekniken. Nyligen gjordes ett genombrott inom brytartekniken som kan visa sig bli en möjliggörare för supergrids. Tidigare har brytning av högspänd likström inneburit ett val mellan mekaniska lösningar med otillräcklig snabbhet och halvledare med alltför stora förluster, men ABB kombinerar mekanik med halvledarkomponenter i samma brytare, i en lösning som beskrivits som revolutionerande.

ABB har även utvecklat varianten HVDC Light. HVDC Light är gynnsamt för långväga överföring, även under vatten, med jämnt effektflöde. Det är därför väl lämpat för att anknyta t.ex. vindkraftsparker off shore. En annan tillämpning relevant för problemställningen med supergrids är att förbinda växelströmsnät som inte är synkroniserade med varandra.

Allt talar för att vi står inför en mer effektiv energiekonomi. Elöverföring är alltid förknippat med förluster, men med ett mer flexibelt elnät kan mer el kan produceras och lagras lokalt, samtidigt som överföring över längre avstånd underlättas av tekniker som HVDC. Pusslet är inte färdiglagt, men fler och fler bitar börjar falla på plats.

Artikeln publicerad i oktober 2014