Energidebatten del II: Vindkraft, en trojansk häst
I denna lilla serie av inlägg försöker jag bringa klarhet i varför vindkraft inte är en effektiv väg framåt för Sveriges energiförsörjning. I den förra delen förklarade jag hur det svenska kraftsystemet fungerar (här) och den är nödvändig läsning för att man ska kunna tillgodogöra sig informationen i denna del, som förklarar varför kraftsystemet inte är kompatibelt med vindenergi i någon större utsträckning. Inlägget är ganska tekniskt i den mån att jag använder mycket data för att understödja analysen, men å andra sidan finns det bilder som underlättar läsandet. Det är också uppdelat i två delar, där den första delen redogör för hur systemet historiskt beter sig (närmare bestämt under 2022). Den andra delen visar hur levererad effekt i systemet kan försämras när vindkraft kopplas in. Slutligen, i en kommande artikel resonerar jag kring varför detta kraftslag ändå implementeras i det svenska systemet.
DEL II: VINDKRAFTEN SOM EN TROJANSK HÄST
Vindkraft har använts under lång tid, bland annat i väderkvarnar för att mala torkade sädeslag till mjöl, eller för energieffektiv transport av gods till havs. Det är alltså inte dessa ändamål som avses med den moderna terminologin. Idag betecknar vindkraft idén om att vindens energi kan tillvaratas på ett sådant sätt att den kan komplettera, och i viss grad ersätta, den elektricitet som genereras av kolbaserade kraftslag, samt kärnkraft i det nordiska kraftsystemet (Energimyndigheten.se). Konkret avses att den kraft som finns i vindens rörelseenergi ska driva vindturbiner, vilka i sin tur genererar elektricitet.
Notera att dessa är ej synkrongeneratorer, som finns i kärn- eller vattenkraftverk (Wikipedia), vilka kopplas in mot kraftnätet efter en infasningsperiod, som gör att de upprätthåller en växelström med svängningsfrekvens 50Hz. Synkrongeneratorer i kärn- eller vattenkraft ger även upphov till vad som kallas för planerbar kraft, för att betona den egenskap att kraften är tillgänglig just då en operatör planerar för ökad eller minskad effekt från dessa kraftslag. Vindturbiner är asynkrona generatorer, vilket gör att de kan inte styras på detta sätt, och istället anpassar de sig efter bästa förmåga till den befintliga svängningsfrekvensen i kraftnätet. Blir vindkraften för stor i förhållande till den planerbara kraften, minskar även förmågan att upprätthålla den så viktiga frekvensen på 50Hz.
Tack vare Svk, kan vi ta del av maxeffekten för de olika kraftslagen i systemet. Då det med jämna mellanrum inträffar att olika generatorer ej är i bruk över året, får man bäst en bild av läget genom att studera data över tid. I Sveriges fall såg den installerade maxeffekten ut så här förra året:
Maximal effekt registrerad för en viss dag i månaden under år 2022,
för kraftslagen vind-, vatten- och kärnkraft. Källa: Svk.se
Av bilden ovan kan vi urskilja att vattenkraften (blå kurva) utgör ryggraden i kraftsystemet, med en maximal effekt kring februari (12 728 MW). Nederbörden minskar successivt under våren och tilltar igen under hösten. Ett liknande säsongsmönster finns även för vindkraft (grön kurva), även om den är något mer volatil. Kärnkraften (röd kurva) är den mest stabila över året, av förklarliga skäl. Den är helt planerbar, och förlitar sig inte på det nyckfulla vädret för att kunna bidra med elektricitet till kraftsystemet. Notera att den installerade kapaciteten för vind är större än den för kärnkraften. Vid vindstilla väder och högt eluttag ur kraftsystemet har kärnkraften således en begränsad möjlighet till att kompensera för bortfallet av vind, när operatörer ökar effekten från detta kraftslag. Faktum är att kärnkraften är otillräcklig, och Sverige behöver förlita sig på import av energi under dessa dagar.
Om denna oplanerade avsaknaden av vind utgör ett sådant problem för stabiliteten blir det naturligt att fråga sig, hur ofta är det vindstilla? Tack vare Svk kan vi även ta del av statistik på hur mycket effekt som vindkraften genererar i systemet. Den är oerhört volatil. Så här såg energin från vindkraft ut under 2022!
Energi från vindkraft under år 2022,
mätt i megawatttimmar, MWh.
Källa: Svk.se
Det blåste som minst den 18 april, då 75 MWh alstrades kl. 09:00 på morgonen. Denna siffra kan kontrasteras mot den energi som vindkraften lyckades generera två dagar tidigare, den 16 april, kl 21:00 på kvällen, på 3 834 MWh. Det blåste som mest den 29 oktober, då 10 763 MWh alstrades kl. 13:00, något efter lunch. Denna siffra kan kontrasteras mot den energi som vindkraften lyckades generera endast 15 timmar tidigare, kl 22:00 dagen innan, på 4 866 MWh. Differensen i detta fall, på 5 897 MWh, uppgår till nästan hela maxeffekten som vi kan observera för kärnkraften. Vid dessa tillstånd i systemet blir det svårt för planerbar kraft att åtgärda bortfallet i vindkraft, men lyckligtvis äger inte mycket aktivitet rum nattetid. Data kring dessa dagar visar emellertid på hur stora förändringar som vindkraft ger upphov till, och som planerbar kraft behöver kompensera, för att frekvensstabilitet ska kunna råda i kraftsystemet.
Vindkraftens beteende kan kontrasteras mot de övriga kraftslagen, och behovet av energi så som det tar sig uttryck i statistiken. För vind- kärn- och värmekraft såg den tillförda energin ut så här, under 2022:
Ovan visas profilerna för varje kraftslag, och i den nedre högra bilden har energin lagts samman från de tre slagen. Kärnkraften är den som är mest planerbar och utgör en stomme i kraftförsörjningen, att döma av de långa perioder där den kör för fullt. Värmekraften följer den skiftande temperaturen över årstiden. Vattenkraften är det slag som till stor del kompenserar för det fluktuerande beteendet hos vindkraften, och detta kan man se i den volatila profilen. Dessa kraftslag som till stor del står för kraftförsörjningen kan kompenseras mot förbrukningen.
Nu, när vi förstår hur volatil vindkraften är, och vilken oreda den kan ställa till med, kan vi studera konkret hur vindturbiner (asynkrona generatorer) ställer till det för stabiliteten i kraftnätet. Enkelt uttryckt åstadkommer oplanerade förändringar i tillförsel av växelström så kallade fasförskjutningar, vilket leder till att effekten försämras i de delar av kraftnätet där vindturbinerna är inkopplade. Detta skildras bäst med en rad teoretiska exempel, än en gång ackompanjerade av underlättande bilder!
Om vi drar oss till minnes Ohms lag, vet vi att den elektriska effekten är ett resultat av ström och spänning. För växelström är förhållandet inte trivialt, men ett försök följer nedan till att förklara de viktiga aspekterna utan att för den sakens skull blanda in komplexa och imaginära beräkningar. Generatorer som alstrar växelström skapar således ström och spänning som över tid kan liknas vid sinuskurvor.
Källa: Egna beräkningar.
Ovan är en bild av hur växelström kan se ut, om man skulle studera den med hjälp av ett oscilloskop (Wikipedia). I denna bild varierar strömmen och spänningen med exakt samma amplitud och frekvens. Det är alltså två kurvor som syns i bilden, men de ser ut som en enda då de ligger på varandra (den gröna som representerar strömmen ligger underst, och syns ej). Den horistontella axeln uttrycker tid (mätt i radianer, Wikipedia).
Källa: Egna beräkningar.
Ovan har kurvorna förstorats längs med den horisontella axeln, och det är endast tre toppar och dalar som syns. Denna konfiguration tillåter oss att studera problemen med fasförskjutning något tydligare. Fasförskjutning uppstår då dessa två kurvor fortfarande rör sig i fas med varandra, men inte i samma fas.
Källa: Egna beräkningar.
I diagrammet ovan till vänster är strömmen fasförskjuten (-90 grader; induktiv), medan spänningen är oförändrad. Vi kan se att den svarta kurvan har flyttat till höger. I diagrammet ovan till höger bild är strömmen fasförskjuten (90 grader; kapacitiv), medan spänningen är oförändrad. Vi kan se att den svarta kurvan har flyttat till vänster.
Fasförskjutningar uppstår på grund av reaktans, ett slag av frekvensberoende elektriskt motstånd (Wikipedia). Denna oplanerade och oönskade förändring av motståndet påverkar effektiviteten i den levererade effekten. Nedan visar jag hur detta sker.
I diagrammet ovan till vänster är strömmen fasförskjuten 90 grader, och medeleffekten har i princip minskat till noll, att döma av hur nära den streckade röda linjen ligger nollvärdet på den vertikala axeln. Detta skulle representera ett mycket allvarligt tillstånd i kraftsystemet. Man kan också leka med tanken på en större fasförskjutning, på 180 grader, som visas i diagrammet ovan till höger. I detta fall absorberar kraftsystemet energi, till skillnad från att alstra energi. Detta är en ointuitiv egenskap för lekmän som inte har studerat fysik, och lyckligtvis är det ett teoretiskt exempel. Det är också ett exempel på den typ av svårkontrollerade krafter som släpps lösa, om för mycket svårplanerbar vindkraft tillåts kopplas upp mot kraftnätet.
Alltså, i detta inlägg har jag visat hur svårt det är för planerbara kraftkällor att kompensera för den nyckfulla vindkraften på grund av de stora skiftningarna i levererad effekt som vädret ger upphov till. Vi har också sett att vinden är väl uttbyggd, förmodligen till gränsen för vad kraftsystemet mäktar med. Slutligen gick vi igenom hur vindturbiner, i egenskap av de asynkrona generatorer de är, påverkar växelströmmen till att leverera försämrad effekt på grund av ett fenomen som heter fasförskjutning. Vi kan konstatera att i slutändan landar valet mellan utbyggnad av vind i förhållande till planerbara kraftkällor i ett politiskt beslut, varpå anledningen för politiker att läsa den här bloggen blir motiverat! I nästa del tar vi oss an hur Sverige hamnade här.
Källa: Egna beräkningar.
Kom ihåg, att den intressanta aspekten för en lekman som endast vill använda elektriciteten är det arbete som den är kapabel att utföra, och det representeras av den elektriska effekten. I diagrammet ovan har momentaneffekten (den ögonblickliga effekt som uppstår av spänning och ström i en given stund) räknats ut och visats i diagrammet. Den återges av den helstreckade vågiga röda kurvan. Medeleffekten av elektriciteten kan också räknas ut, och den representeras av den streckade röda linjen. I exemplet ovan kan vi läsa av att medelffekten uppgår till 0,5 (Watt) på den vertikala axeln. När kraftsystemet opererar som det är tänkt, med växleström på 50Hz, då ser elektricitet och effect i princip ut som ovan. Vad händer då med effekten när vindturbiner kopplas in?
I diagrammet ovan är strömmen fasförskjuten med 45 grader. Försämringen i medeleffekt är observerbar (den har minskat med 26%). Om fasförskjutningen är större kan den levererade effekten bli än sämre.
Källa: Egna beräkningar.
Källa: Egna beräkningar.
I diagrammet ovan till vänster är strömmen fasförskjuten 90 grader, och medeleffekten har i princip minskat till noll, att döma av hur nära den streckade röda linjen ligger nollvärdet på den vertikala axeln. Detta skulle representera ett mycket allvarligt tillstånd i kraftsystemet. Man kan också leka med tanken på en större fasförskjutning, på 180 grader, som visas i diagrammet ovan till höger. I detta fall absorberar kraftsystemet energi, till skillnad från att alstra energi. Detta är en ointuitiv egenskap för lekmän som inte har studerat fysik, och lyckligtvis är det ett teoretiskt exempel. Det är också ett exempel på den typ av svårkontrollerade krafter som släpps lösa, om för mycket svårplanerbar vindkraft tillåts kopplas upp mot kraftnätet.
Alltså, i detta inlägg har jag visat hur svårt det är för planerbara kraftkällor att kompensera för den nyckfulla vindkraften på grund av de stora skiftningarna i levererad effekt som vädret ger upphov till. Vi har också sett att vinden är väl uttbyggd, förmodligen till gränsen för vad kraftsystemet mäktar med. Slutligen gick vi igenom hur vindturbiner, i egenskap av de asynkrona generatorer de är, påverkar växelströmmen till att leverera försämrad effekt på grund av ett fenomen som heter fasförskjutning. Vi kan konstatera att i slutändan landar valet mellan utbyggnad av vind i förhållande till planerbara kraftkällor i ett politiskt beslut, varpå anledningen för politiker att läsa den här bloggen blir motiverat! I nästa del tar vi oss an hur Sverige hamnade här.
Kommentarer
Skicka en kommentar