Teknik och forskning | 4 apr 2024

Minskad växthuseffekt kräver variabel förnybar el

Globala ambitioner att hämma växthuseffekten har bidragit till ambitiösa mål för att främja användningen av förnybar energi. Stora mängder variabel förnybar elproduktion kräver en ökad flexibilitet i kraftsystemet både i form av produktion och förbrukning av kraft. Syftet med denna doktorsavhandling [1] är att undersöka potentialen för att tillhandahålla kraftbalanseringstjänster från svenska fjärrvärmesystem.

Sedan industrialiseringens början har användningen av fossil energi bidragit till en global växthuseffekt med drastiskt ökade koldioxid-
nivåer i atmosfären. Ett sätt att uppnå minskade utsläpp är att öka andelen elproduktion från förnybara energikällor såsom sol-, vind-, och vattenkraft samt biomassa.

I figur 1 visas den globala trenden över ökad elproduktion samt de senaste årtiondenas etablering av variabel förnybar elproduktion (sol och vind). I Sverige kan inte kapaciteten hos vattenkraften ökas ytterligare och biomassa är en resurs med begränsningar. Elproduktion från sol- och vindkraft är väderberoende, vilket innebär att det inte är efterfrågan på el som avgör när elen produceras utan väderförhållandena. En storskalig utfasning av icke förnybar elproduktion (olja, kol, naturgas och kärnkraft), ersatt med ökad produktion från variabel förnybar el (variable renewable electricity, VRE), medför ett ökat behov av reservkraftskapacitet för att täcka underskott i elförsörjningen från VRE.

Under gynnsamma väderförhållanden finns det å andra sidan en risk för att produktionen av el från VRE överstiger efterfrågan. För att hantera utmaningen med överskottsel från VRE-produktion kan olika åtgärder vidtas, till exempel bortkoppling av produktion, förstärkning av överföringskapaciteten i elnäten, utökad ellagringskapacitet, eller laststyrning med flexibla laster som kan matcha elöverskott respektive elbrist.

En annan utmaning för den framtida energiförsörjningen är urbaniseringen och det ökade behovet av överföringskapacitet in till städer som detta medför. I takt med att befolkningen i städerna ökar, transporter elektrifieras och elintensiva industrier etableras ökas belastningen på överförings­kapaciteten till städerna.

Detta innebär att en ökad elproduktionskapacitet utanför städerna inte nödvändigtvis kommer att kunna tillgodose en ökad efterfrågan på el inom städerna. Flexibel elproduktionskapacitet i urbana områden kommer sannolikt att vara en framtida utmaning. Det behövs kontrollerbar kraftförsörjning för att täcka produktionsbrister.

Tätbebyggelse med tillräckligt höga värmebehov har ekonomiska förutsättningar för fjärrvärmesystem. I fjärrvärmesystem är det relativt vanligt förekommande med kraftvärmeverk (KVV) vilka samproducerar värme och el, ett sätt att nå en hög total bränsleomvandlingseffektivitet. Kraftvärme är en kontrollerbar elproduktionskapacitet och då den typiskt anläggs i anslutning till tätbebyggda områden kan den därför potentiellt bidra till att minska utmaningen med bristande överföringskapacitet in till urbana områden. I den här avhandlingen ligger fokus på fjärrvärmesystem med biomassabaserad produktion.

Elpannor och kompressorbaserade värmepumpar är andra väletablerade storskaliga tekniker för värmeproduktion. I dessa förbrukas el vid produktion av värme, ofta benämnt power-to-heat (P2H), vilket möjliggör användandet av dessa som en flexibel ellast. Fjärrvärmesystem med KVV och värmepumpar eller elpannor kan potentiellt drivas för att täcka underskott samt konsumera överskott av el från VRE-produktion. Värmelasten består huvudsakligen av värmebehov för uppvärmning av lokaler i byggnader, och detta behov varierar avsevärt mellan säsongerna. Effektbehovet på värmelasten kan därmed vara begränsande för produktionen från KVV och värmepumpar under delar av året. Med tillgång till storskaliga värmelager kan dock flexibiliteten i värmelasten ökas.

I avhandlingen undersöks om ett fjärrvärmesystem med KVV, värmepumpar och värmelager kan användas för att bidra till ökad flexibilitet i kraftbalanseringen i ett framtida energisystem med en stor andel VRE. Ett sådant system, vars produktion planeras utifrån elbehovet, drivs då på ett för fjärrvärmesektorn okonventionellt sätt som liknar vad som i den vetenskapliga litteraturen kallas Smarta energisystem (se figur 2).

 

Smarta energisystem innebär att driften av olika energisektorer samordnas för att uppnå högre systemeffektivitet. Dessutom undersöks hur dessa tjänster påverkar bränslebehovet samt systemens ekonomiska förutsättningar.

I avhandlingen simuleras 12 olika fjärrvärmesystemtyper i ett framtida scenario med stor andel sol- och vindkraft i elproduktionen. Systemen består av KVV, värmepumpar och storskaliga värmelager för olika systemnivåer (från lokal nivå, via aggregerad regional nivå, upp till nationell nivå) och med varierande kapaciteter och produktionsenheter (se figur 3).

Genom att låta befintligt elbehov förses med el producerad från sol- och vindkraft motsvarande 10 respektive 60 procent av det totala elbehovet, definierades ett kraftbalanseringbehov. Detta innehåller timmar med behov av mer elproduktion (positiv residuallast, PRL), men även timmar med överskott på el (negativ residuallast, NRL), se figur 4.

De studerade systemen simuleras att följa detta kraftbalanseringsbehov i sin produktion. Det innebär att om kraftbalanseringsbehovet är positivt finns det ett elbehov, varvid KVV producerar el och värme. Är kraftbalanseringsbehovet negativt finns ett elöverskott och då förbrukar värmepumparna el för värmeproduktion.

Den producerade värmen från KVV och/eller värmepumpar levereras till fjärrvärmenätet eller lagras i värmelagret. Vid tillfällen då det varken finns ett elbehov eller elöverskott råder balans mellan produktion och konsumtion av el. I dessa fall förses eventuellt värmebehov med lagrad värme. Så sker även då den producerade värmen från KVV och/eller värmepumpar understiger värmebehovet.

Resultaten visar att reducering av topplastbehoven och/eller elöverskottstoppar framförallt styrs av den installerade kapaciteten i KVV:en och/eller värmepumpar. Den över året varierande värmelasten blir begränsande för potentialen att reducera elöverskott via värmepumpar i system utan värmelager. Stora mängder elöverskott gör även att det produceras stora mängder värme i värmepumparna. Denna producerade värme kan vid senare tidpunkter begränsa potentialen för kraftbalansering eftersom den utgör en konkurrerande försörjning av värmelasten.

Årlig elproduktion ökar med tillgång till värmelager samt med produktionen planerad utifrån kraftbalanseringsbehovet. Mängden årligt reducerad överskottsel beror dels på den installerade kapaciteten i värmepumparna, dels på tillgång till kapacitet i värmelager.

Det finns tydliga samband mellan hur lagret används, dess form och hur stora förlusterna blir (se figur 5). Ett lager med stor mantelarea relativt dess volym har sämre lagringsförmåga jämfört med ett lager med liten mantelarea relativt dess volym. I viss mån kan förlusterna som kommer av ett ofördelaktigt förhållande mellan mantelarea och volym kompenseras genom en ökad omsättning av den lagrade värmen. De största lagerförlusterna fås från lager med lång lagringstid (till exempel säsongslagring) samt har en stor mantelarea relativt lagervolymen.

Ytterligare resultat är sambandet mellan bränsleanvändning i KVV:en och mixen av sol- respektive vindkraft i kraftbalanseringsbehovet. En solkraftsdominerad elmix främjar produktion i värmepumpar och säsongslagring. Värmen producerad i värmepumparna ersätter bränslebaserad värmeproduktion vilket innebär minskat bränslebehov. Det innebär också en reducerad potential för kraftproduktion från KVV på grund av konkurrens om värmelasten.

En vindkraftsdominerad elmix, å andra sidan, motiverar mer kraftproduktion i KVV samt högre kapacitet, men även ökat bränslebehov. För denna elmix blir lageranvändningen mer korttidsbetonad.

Resultaten pekar på att det finns tydliga ekonomiska fördelar med samordnade intersektionella energisystem. Värme producerad i värmepumpar som drivs på billig överskottsel kan konkurrera ut dyra fossilbränslen som används till årliga topplastperioder, men den kan även ersätta dyrare förädlade biomassabränslen såsom pellets i värmepannor. Dock kan nätavgifter, anslutningsavgifter samt skattesatser komma att utgöra hinder för en effektiv etablering av P2H som kraftbalanseringstjänst. För fjärrvärmeoperatören finns även behov av nya affärsmodeller där fjärrvärmebolagen får ersättning för att utföra kraftbalanseringstjänster. Drifttimmarna för KVV:n blir signifikant mycket färre då deras produktion planeras utifrån kraftbalanseringsbehovet istället för värmebehovet vilket påverkar lönsamhet samt motivering till investering.

Sammanfattningsvis visar resultaten i denna avhandling att fjärrvärmesektorn kan leverera betydande mängder kraftbalansering om dessa producerar utifrån ett systemtänk i linje med Smarta energisystem, där kraftbalanseringstjänsterna omfattar både produktion och konsumtion av el, möjliggjort genom tillgång till ett värmelager som agerar flexibel värmelast. Dessutom bör det betonas, att andelen solkraft i mixen av VRE-produktion är avgörande för att uppnå en minskad efterfrågan på biomassa för värmeproduktion, vilket i sin tur understryker behovet av storskaliga värmelager med möjlighet till långsiktig lagring.

Artikelförfattare: Svante W Monie, teknologie doktor, Uppsala universitet