Energidebatten, del I: Hur kraftsystemet fungerar
Vindkraft har kommit att bli ett energislag som engagerar en stor del av politikerkåren, akademin och näringslivet, där konsensus ser ut att vara långt ifrån att infinna sig. Den framställs ofta som ett likvärdigt alternativ till kolbaserade kraftkällor, eller kärnkraft, vilket den tyvärr inte är. I Svenska Dagbladet förekommer en serie debattartiklar som man kan ta del av, om man har ett intresse av hur den principiellt kan framställas (samt prenumererar på tidningen). Denna debattserie har i princip föregåtts av en lång rad debattartiklar på bloggen Second-opinion.se i flera år, så har man följt denna vet man i princip vad som står i dessa artiklar.
Stoppa de enorma kreditgarantierna till kärnkraft (2023-11-15)
Feltänkt om kostnaden för ny kärnkraft, av Blomgren, Henrekson, Sandström (2023-11-07)
Vindkraft en garanterad förlustaffär, av Östling m.fl. (2023-11-21).
Därför gör jag ett inlägg i debatten, som förklarar de tekniska förutsättningarna som kraftsystemet vilar på, vilket borgar för en mer effektiv läsning! Då jag själv har arbetat med dessa frågor vill jag betona att vindbaserad elkraft är inte kompatibelt med det svenska elsystemet i större skala, så som systemet ursprungligen konstruerades och fungerar idag, och texten är färgad av mina uppfattningar. Nedan följer en förklaring till hur vårt elsystem fungerar (del I), varför det inte är kompatibelt med vindenergi i någon större utsträckning (del II), och varför detta kraftslag ändå implementeras i det svenska systemet (del III).
När Sveriges kraftsystem konstruerades skedde detta genom att det statliga bolaget Vattenfall (Vattenfall.se) exploaterade vattenkraften i norra Sverige vid 1900-talets början. Vattenkraften i älvarna skulle driva stora generatorer, vilka i sin tur skulle försörja industrin med billig elektricitet. Detta är ursprunget till dagens kraftsystem. Kärnkraften byggdes ut med början i 60-talet, och kraftvärme under 70-talet. För att produktionen ska kunna bli billig, måste den vara effektiv, vilket innebär att mängden elektricitet till slutkund är maximerad givet produktionsmöjligheterna. Detta är inte en trivial uppgift för elektricitet. I Sverige löstes dessa problem av fenomenala ingenjörer under statlig översyn.
Nyckelordet i att förstå varför det svenska kraftsystemet ser ut som det gör är ordet kraft, som betecknar förmågan till att utföra ett visst arbete (Wikipedia). Elektrisk kraft kallas för effekt, mäts i enheten Watt, samt alstras av två komponenter, ström (mäts i enheten Ampere) och spänning (mäts i enheten Volt) enligt Ohms lag (Wikipedia). Detta kan te sig abstrakt, men blir enklare av ett exempel. En kaffekokare använder cirka 2200 watt för att koka vatten, hela tiden när den arbetar. Är kaffekokaren påslagen och arbetar i en timme har man således förbrukat 2,2 kilowatttimmar (förkortas kWh). En stationär dator, å andra sidan, förbrukar cirka 500 watt vid normalt arbete, och behöver således vara påslagen i 4,4 timmar för att utföra samma mängd arbete som kaffekokaren. Notera att datorn och kaffekokaren arbetar elektromekaniskt och förbrukar elektricitet när de är påslagna, oavsett om du som användare gör något med dem eller ej (en kaffekokare kan man inte göra så mycket med, medan en dator kan användas till alla möjliga tjänster).
Därför har också Sverige olika typer av kraftnät, där det yttersta ansvaret för dessa vilar på myndigheten Svenska Kraftnät (SvK.se). Från vattenkraften i Norrland till tätbebyggelsen i södra Sverige leder stamnätet strömmen i antingen 400kV eller 220kV. Nätet kan förgrena sig i ett regionnät, där spänningen sänks till antingen 130kV, 70kV eller 50kV, och därefter i ett distributionsnät. I det primära distributionsnätet, som levererar kraft till stadsdelar och större industrier, sänks spänningen ytterligare till mellan 30kV och 3kV. I det sekundära distributionsnätet som levererar till fastigheter och hushåll är spänningen 400V eller 220V (Lth.se). En karta över kraftnäten kan se ut så här:
Anledningen till att högre spänning används vid långa transporter ges av Joules första lag, som visar sambandet mellan den värme som genereras av en elektrisk ström som flyter genom en ledare, och som kan formuleras med denna ekvation:
Q är värmemängden, I är den elektriska strömmen som flyter genom en ledare, R är det elektriska motståndet i ledaren, och t är den tid som detta sker. Givet att en mängd elektrisk effekt behövs vid ett givet tillfälle kan den transporteras effektivt, till en mindre värmeförlust vid en hög spänning och låg ström, eller ineffektivt och till en större värmeförlust vid låg spänning och hög ström. Värmeförlusten Q blir lägre i relation till strömmen I, ju lägre strömmen är. Joules första lag är alltså anledningen till att det löper ett stamnät, i princip längs med hela Sverige, som är strömsatt med 400 000 volt!
För att elektricitet ska kunna transformeras från en spänning till en annan spänning, exempelvis från stamnät till regionnät, och sedan till distributionsnät, behöver dess egenskaper vara kända av alla parter som vill använda den. Konkret beslutades det att växelströmmen i kraftnäten ska svänga mellan positiv och negativ ström 50 gånger i sekunden (den ska oscillera med 50 hertz, Hz).
En mycket viktig egenskap som måste beaktas är att detta system måste vara i balans, på så sätt att all tillförd energi måste användas, i realtid. Olika kraftslag kan tillåtas tillföra energi, och olika slutanvändare kan tillåtas att använda denna, men systemet måste alltid vara i balans! Man kan ta del av hur denna balans ser ut i det nordiska kraftsystemet, via en översyn av de olika kraftslagen, på den norska motsvarigheten till SvK, Statnett.no.
Att det är en standard gör också att alla producenter av konsumentelektronik vet exakt vilka specifikationer de ska förlita sig på i konstruktionen av sina produkter för en viss marknad. Utan standarden hade det helt enkelt inte varit möjligt att få tillgång till den uppsjö av produkter som vi kan dra nytta av. Vi talar om alla produkter som på något sätt använder elektricitet som en insatsvara för att fungera (kylskåp, datorer, TV-apparater, lampor, mikrovågnsugnar, EKG-apparater, värmepumpar, osv osv.) Om Svk (och alla motsvariga myndigheter världen över) inte hade upprätthållit den bestämda frekvensen på 50Hz i kraftnäten hade vi fått erfara en plötslig kollaps av tillgången på elektricitet. Det hade resulterat i tidernas strömavbrott!
Stoppa de enorma kreditgarantierna till kärnkraft (2023-11-15)
Feltänkt om kostnaden för ny kärnkraft, av Blomgren, Henrekson, Sandström (2023-11-07)
Vindkraft en garanterad förlustaffär, av Östling m.fl. (2023-11-21).
Överdrifter i uträkning om vindkraft, av Estenlund (2023-11-23).
Jämförelsen är helt vilseledande, (2023-11-24).
Vindkraften bidrar till ett drömläge, av Badman (2023-11-25).
Vindkraften bidrar till ett mardrömsläge, av Östling m.fl. (2023-12-04)
Vänta med statligt stöd till ny kärnkraft, av Holmberg, Tangerås (2023-12-14)Vindkraften bidrar till ett mardrömsläge, av Östling m.fl. (2023-12-04)
Kärnkraft behövs för en balanserad utbyggnad, av Nilsson (2023-12-18)
Elsystemet behöver mer planerbar kraft, av Blomgren, Henrekson, Sandström (2023-12-19)Därför gör jag ett inlägg i debatten, som förklarar de tekniska förutsättningarna som kraftsystemet vilar på, vilket borgar för en mer effektiv läsning! Då jag själv har arbetat med dessa frågor vill jag betona att vindbaserad elkraft är inte kompatibelt med det svenska elsystemet i större skala, så som systemet ursprungligen konstruerades och fungerar idag, och texten är färgad av mina uppfattningar. Nedan följer en förklaring till hur vårt elsystem fungerar (del I), varför det inte är kompatibelt med vindenergi i någon större utsträckning (del II), och varför detta kraftslag ändå implementeras i det svenska systemet (del III).
DEL I: HUR DET SVENSKA KRAFTSYSTEMET FUNGERAR
När Sveriges kraftsystem konstruerades skedde detta genom att det statliga bolaget Vattenfall (Vattenfall.se) exploaterade vattenkraften i norra Sverige vid 1900-talets början. Vattenkraften i älvarna skulle driva stora generatorer, vilka i sin tur skulle försörja industrin med billig elektricitet. Detta är ursprunget till dagens kraftsystem. Kärnkraften byggdes ut med början i 60-talet, och kraftvärme under 70-talet. För att produktionen ska kunna bli billig, måste den vara effektiv, vilket innebär att mängden elektricitet till slutkund är maximerad givet produktionsmöjligheterna. Detta är inte en trivial uppgift för elektricitet. I Sverige löstes dessa problem av fenomenala ingenjörer under statlig översyn.
Kort informationsfilm om begynnelsen.
Källa: Vattenfall.se
Nyckelordet i att förstå varför det svenska kraftsystemet ser ut som det gör är ordet kraft, som betecknar förmågan till att utföra ett visst arbete (Wikipedia). Elektrisk kraft kallas för effekt, mäts i enheten Watt, samt alstras av två komponenter, ström (mäts i enheten Ampere) och spänning (mäts i enheten Volt) enligt Ohms lag (Wikipedia). Detta kan te sig abstrakt, men blir enklare av ett exempel. En kaffekokare använder cirka 2200 watt för att koka vatten, hela tiden när den arbetar. Är kaffekokaren påslagen och arbetar i en timme har man således förbrukat 2,2 kilowatttimmar (förkortas kWh). En stationär dator, å andra sidan, förbrukar cirka 500 watt vid normalt arbete, och behöver således vara påslagen i 4,4 timmar för att utföra samma mängd arbete som kaffekokaren. Notera att datorn och kaffekokaren arbetar elektromekaniskt och förbrukar elektricitet när de är påslagna, oavsett om du som användare gör något med dem eller ej (en kaffekokare kan man inte göra så mycket med, medan en dator kan användas till alla möjliga tjänster).
Det går att åstadkomma samma elektriska effekt med olika kombinationer av strömmar och spänningar, tack vare Ohms lag. I teorin kan en kaffekokare konstrueras för en ström på 10 ampere (A), och 220 volt (V), eller en transformerad spänning till 12V och transformerad ström till 183,3A, och utföra samma arbete då dessa olika konfigurationer ger upphov till samma effekt. Vilken konfiguration ska då användas? Det beror på vad konstruktören anser är rimligt given efterfrågan. Till exempel vet vi att när elektricitet skickas genom ett ledande medium (exempelvis en kopparledning) uppstår förluster på vägen i form av värmeenergi, på grund av termodynamikens lagar (Wikipedia). Dessa värmeförluster är inte önskvärda då elektricitet ska ledas från producent till konsument och lyckligtvis kan ett kraftnät konstrueras på ett sådant sätt att dessa förluster rimligen minimeras.
Därför har också Sverige olika typer av kraftnät, där det yttersta ansvaret för dessa vilar på myndigheten Svenska Kraftnät (SvK.se). Från vattenkraften i Norrland till tätbebyggelsen i södra Sverige leder stamnätet strömmen i antingen 400kV eller 220kV. Nätet kan förgrena sig i ett regionnät, där spänningen sänks till antingen 130kV, 70kV eller 50kV, och därefter i ett distributionsnät. I det primära distributionsnätet, som levererar kraft till stadsdelar och större industrier, sänks spänningen ytterligare till mellan 30kV och 3kV. I det sekundära distributionsnätet som levererar till fastigheter och hushåll är spänningen 400V eller 220V (Lth.se). En karta över kraftnäten kan se ut så här:
Källa: Svk.se
Q är värmemängden, I är den elektriska strömmen som flyter genom en ledare, R är det elektriska motståndet i ledaren, och t är den tid som detta sker. Givet att en mängd elektrisk effekt behövs vid ett givet tillfälle kan den transporteras effektivt, till en mindre värmeförlust vid en hög spänning och låg ström, eller ineffektivt och till en större värmeförlust vid låg spänning och hög ström. Värmeförlusten Q blir lägre i relation till strömmen I, ju lägre strömmen är. Joules första lag är alltså anledningen till att det löper ett stamnät, i princip längs med hela Sverige, som är strömsatt med 400 000 volt!
För att elektricitet ska kunna transformeras från en spänning till en annan spänning, exempelvis från stamnät till regionnät, och sedan till distributionsnät, behöver dess egenskaper vara kända av alla parter som vill använda den. Konkret beslutades det att växelströmmen i kraftnäten ska svänga mellan positiv och negativ ström 50 gånger i sekunden (den ska oscillera med 50 hertz, Hz).
En skiss över en magnet som genererar växelström,
via induktion i tre spolar.
Källa: Wikipedia
Växelströmmen alstras med hjälp av stora elgeneratorer, så kallade synkrongeneratorer (Wikipedia). De är bastanta saker, som borgar för att den rotationsenergi som upprätthåller växelströmmen på 50Hz är tillräckligt stor för att motverka mindre avvikelser i konsumtion. Det är framförallt vattenkraft och kärnkraft som bidrar med rotationsenergi i kraftsystemet.
Kort informationsfilm om rotationsenergi.
Källa: Vattenfall
Det är många begrepp att hantera, men jag tycker att följande förklaring på Energimyndighetens hemsida är användbar:
Sveriges energisystem kan delas in i tillförsel av energi, omvandling av energi och slutanvändning av energi. Energisystemet består av tillförd energi i form av primär energi som omvandlas och överförs till de slutliga energianvändarna. Energisystemet är alltid i balans. Det betyder att den tillförda energin alltid är lika stor som den använda energin, inklusive förluster.
Källa: Energimyndigheten.se
Översiktsbild av effekt i det nordiska elsystemet, med kraftslag
kärnkraft, vattenkraft, kraftvärme, vindkraft och övrigt.
Mätenhet megawatt, MW. Lägesbild 15 december 2023.
Källa: Statnett.no
Om produktionen av elektricitet överstiger konsumtionen kommer växelströmmen att oscillera med en frekvens som överstiger 50Hz, och vice versa, på grund av Kirchoffs lagar (Wikipedia). Därför övervakar SvK tillståndet i kraftnätet hela tiden, och koordinerar producenter till att öka eller minska produktionen av elektricitet beroende på hur mycket som konsumeras. Konsumtionen varierar beroende på årstid, samt tid på dygnet, och ändras faktiskt sekund för sekund.
Källa: Nordpoolgroup.com
Därför är det en grannlaga uppgift att hålla frekvensstabilitet i systemet (Svk.se). Frekvensen övervakas i realtid, och måste upprätthållas för allas väl! I värsta fall står SvK berett att agera med att koppla bort konsumtion i elområden (Svk.se). Detta sätt att strukturera kraftnäten är faktiskt en standard i stora delar av världen:
Källa: Wikipedia
Att det är en standard gör också att alla producenter av konsumentelektronik vet exakt vilka specifikationer de ska förlita sig på i konstruktionen av sina produkter för en viss marknad. Utan standarden hade det helt enkelt inte varit möjligt att få tillgång till den uppsjö av produkter som vi kan dra nytta av. Vi talar om alla produkter som på något sätt använder elektricitet som en insatsvara för att fungera (kylskåp, datorer, TV-apparater, lampor, mikrovågnsugnar, EKG-apparater, värmepumpar, osv osv.) Om Svk (och alla motsvariga myndigheter världen över) inte hade upprätthållit den bestämda frekvensen på 50Hz i kraftnäten hade vi fått erfara en plötslig kollaps av tillgången på elektricitet. Det hade resulterat i tidernas strömavbrott!
Alltså, ovan har vi förklarat hur det svenska kraftsystemet principiellt fungerar, ur ett tekniskt perspektiv. Tillförseln av elektriskt kraft måste exakt motsvara förbrukningen av elektrisk kraft. Detta åstadskommer Svk genom att övervaka och reglera frekvensstabiliteten i kraftnätet. Systemet har varit mycket effektivt, framförallt för att det konstruerades med hänsyn till de fysikaliska lagar vetenskapen har fastställt över åren (Ohms lag, Joules första lag, Kirchoffs lagar). Detta är kunskap som är absolut nödvändig för att man ens ska kunna börja debattera kraftsystemet och hur det möjligen kan förändras. Gör man det, kan man även fundera på hur vindkraft kan komplettera kraftsystemet.
Kommentarer
Skicka en kommentar