abstrakt bild med ljusglimtar

Utmaningar för ett elsystem i förändring

Intresset för energi och tillgången på el har varit rekordhögt under början av 2021. Inte minst på grund av det höga elpriset som, särskilt efter låga elpriser 2020, väckt stor uppmärksamhet. Begrepp som ofta diskuteras är elbrist, prisskillnader och marknadens roll i det hela. Så hur står det egentligen till med det svenska kraftsystemet? Vi har pratat med Simon Wakter, expert på kraftsystem hos oss på AFRY.

Simon Wakter berättar att den senaste tidens priser inte är ovanliga, men att det finns skäl att fundera kring framtida utmaningar.

– Elpriserna under början av 2021 har varit höga, men inte ovanligt höga. Priset går upp när efterfrågan ökar och efterfrågan styrs till stor del av hur kallt det är. Vintern 2020/2021 blev rejält kallare än 2019, men på det stora hela har det varit en ganska normal vinter. Samtidigt har väderleken med ett ihållande högtryck bidragit till att produktionen från vindkraft varit väldigt låg.

Att elpriset varierar är normalt och en naturlig konsekvens av att priset sätts på en marknad som styrs av utbud och efterfrågan. Historiskt har elpriset främst styrts av mängden nederbörd och av kalla vintrar, men även låg tillgänglighet i kärnkraften påverkade elpriset runt 2010 när man genomförde stora moderniseringar.

Vi kommer dock se att variation i elpriset blir vanligare och kraftigare framöver, när väderstyrd produktion står för en större del av den totala elproduktionen.

– Till viss del samvarierar väder och konsumtion, till exempel är det soligt eller åtminstone ljust dagtid när konsumtionen generellt är högre. Att konsumtionen är högre dagtid beror på att kontor och industrier är i full gång och att samhället vaknat med matlagning, tv och allt vad det innebär. Vindkraften producerar något mer på vintern när konsumtionen är större eftersom mer el används till värme, förutom vid mycket kallt väder och högtryck då blåsten är mindre.  Men trots vissa samband på en del tidsskalor är väder och konsumtion också mycket olika. Det kommer ge fler timmar med väldigt höga och väldigt låga, även negativa, priser framöver. 

Effektbrist vid hög konsumtion

Väderberoendet gör även att det kan komma att saknas tillräcklig inhemsk kraftproduktion under vissa perioder, framförallt när det är som högst efterfrågan, det som kallas topplasttimme. Det är den timme med högst elkonsumtion och inträffar normalt vintertid en morgon eller kväll i januari eller februari.

– Redan idag räknar Svenska Kraftnät med att det saknas 1 700 MW kraftproduktion vid en normalvinter. Vid en kallare vinter, så kallad tioårsvinter, saknas istället runt 3 000 MW. Det motsvarar lite mindre än hälften av den kärnkraft som finns kvar idag. Det är inte nödvändigtvis ett problem eftersom vi kan importera från våra grannländer under dessa timmar. Men om underskottet växer och även våra grannar räknar med att kunna importera kan vi hamna i svåra situationer.

Att inte kunna möta efterfrågan på el, ens med import, kan få mycket stora konsekvenser. Det är en mycket utmanande situation som riskerar förstöra delar av elnätet. För att skydda kraftsystemet har Svenska Kraftnät ett antal verktyg som de kan ta till. De kan beordra effektreserv att starta, konsumenter dra ned sin konsumtion och därefter ta till roterande bortkoppling. Då kopplar man bort konsumenter i omgångar en stund i taget. Eftersom topplasttimmen normalt inträffar vid mycket kallt väder, eller i andra länder vid värmebölja, är det viktigt att ingen blir utan el för länge åt gången. I sista fall, om inte roterande bortkoppling räcker, sektioneras nätet genom frånkoppling för att kunna skydda resterande delar. Alla dessa åtgärder vidtas för att skydda kraftsystemet och så snabbt som möjligt kunna återstarta de resterande delarna. Om större delar av kraftsystemet skulle gå sönder kan en återställning potentiellt ta flera dagar eller veckor. Enligt Simon är en sådan situation självklart allvarlig, men normalt hanterbar eftersom man känner till i förväg när det är på väg att hända och kan vidta åtgärder i god tid.

– Det är extremt ovanligt men händer. I Kalifornien har man fått ta till roterande bortkoppling vid ett flertal tillfällen vid värmeböljor. I Texas inträffade en situation i mitten av februari där ovanligt kallt väder drog in vilket ledde till att framförallt naturgas inte kunde leverera när vattenånga i gasledningar frös. Det fanns även vindkraft som inte kunde leverera och en reaktor som stoppades.

Händelserna i Texas i mitten av februari fick oerhörda konsekvenser. Elpriserna steg till över 90 kronor per kilowattimme men trots det fattades omkring 30 GW kraftproduktion. Till slut tvingades operatören stänga av el till vissa områden under lång tid. Det ledde till flera dödsfall och omfattande skador på byggnader och vattensystemet från frusna vattenledningar. Kostnaderna för elen under de två första månaderna 2021 uppgår till över 44 miljarder dollar, mer än den totala elkostnaden för år 2018, 2019 och 2020 sammanlagt.

Tre sorters effektbrist

Den effektbrist som kan uppstå vid hög efterfrågan är en av tre typer av elbrist som det pratas om. Två andra typer av elbrist är elenergibrist och nätkapacitetsbrist. Elenergibrist innebär att vi inte producerar tillräcklig mängd energi för att möta efterfrågan över en viss period, normalt ett år. Ett antal länder, däribland Storbritannien, Finland och Litauen har kronisk elenergibrist och måste importera för att möta efterfrågan.

Nätkapacitetsbrist innebär att det finns både tillräcklig effekt i varje ögonblick och tillräcklig energi över tid men att elnäten inte räcker till för att transportera den efterfrågade elen. Det saknas helt enkelt nätkapacitet.

– När man pratar om elbrist kan det betyda helt olika saker. Eftersom det är fundamentalt olika fenomen kan det uppstå missförstånd. Det är till exempel fullt möjligt att som idag både exportera elöverskott på årsbasis och samtidigt ha effektbrist. Dessutom varierar situationen över landet, som är indelat i fyra elområden. Ett område kan sakna både tillräcklig effekt och tillräcklig energi på årsbasis. Så är fallet i SE4, det sydligaste elområdet, som är beroende både av överföring från norr till söder men också av grannländerna Danmark, Tyskland och Polen.

Produktion i norr, konsumtion i söder

Den största delen av all Sveriges elproduktion finns i södra mellansverige. Där finns även den största konsumtionen och ser man till hela landet finns det ett överskott i norr och en brist i södra Sverige. Därtill finns lokal effektbrist på ett par ställen. Det är framförallt Stockholm och Skåne som har hög förbrukning, saknar tillräcklig egen elproduktion och det finns brister i nätkapacitet. Dessutom finns ytterligare lokala kapacitetsutmaningar, till exempel kopplat till testverksamheten av elfordon i Arjeplog och Arvidsjaur.

– Det är viktigt att poängtera att även om elbrist kan bestå av olika delar så går det inte att frikoppla de tre från varandra. Lokalt kan nätkapacitetsbrist härledas till att det saknas möjligheter att producera tillräcklig effekt och energi. På samma sätt ger nedstängningen av planerbar kraft, främst kärnkraft, i mellersta Sverige upphov till en elbrist vid topplasttimmar. Men nedstängningen av planerbar kraft påverkar också kraftsystemet i stort genom att minska marginaler och ge upphov till nya flöden i kraftledningarna. Det kan i sin tur begränsa överföringskapaciteten från norr till söder, vilket händer just nu. Sådana begränsningar kan man säga görs av två skäl, dels för att systemoperatören Svenska Kraftnät vill behålla marginal i kraftledningarna och dels för att ändrade flöden ger höga temperaturer när de koncentreras till en ledning. Förändringarna i kraftsystemet gör också att planerade åtgärder, som den försenade SydVästlänken, inte kommer kunna nyttjas så som det var tänkt.

Ett kraftsystem i obalans

Även om det är effektbrist och variationer i elpriset som får många rubriker menar Simon Wakter att det finns andra problem som ger större anledning till oro.

– Det som oroar är att marginalerna i systemet krymper. Svenska Kraftnät tvingas till fler olika åtgärder och specialavtal utanför de normala funktionerna. Ett exempel på det var att Ringhals 1 upphandlades för att säkra spänningsstabilitet och kortslutningseffekt för att hantera situationen i södra Sverige under sommaren 2020. Även oljekraftverket Karlshamn och gaskraftverket Rya har upphandlats av Svenska Kraftnät utanför den normala perioden under vintern.

Ett par händelser den senaste tiden har visat på vikten av skyddssystem, robusta krav samt att kraven följs. En händelse inträffade den 8 oktober 2019 när en likströmskabel i Danmark samt ett kraftvärmeverk och en vindkraftpark föll bort från nätet samtidigt. Då sjönk frekvensen rejält men situationen hanterades genom aktivering av reglerbud och störningsreserv.

– Anslutna producenter ska klara även störning i systemet utan att koppla bort sig direkt. Risken är annars stor att ett fel snabbt leder till fler följdfel när andra producenter faller bort. I så fall blir situationen direkt ohållbar och det värsta som kan hända då är oplanerad bortkoppling.

Det finns flera krav på vad kraftsystemet ska klara av i olika situationer. Ett sådant krav kallas N-1, vilket innebär att en stor producent, konsument eller kraftledning faller bort. Den största producenter blir det dimensionerande felet för systemet.

– Men systemet är inte dimensionerat att klara flera stora fel på en gång. Därför måste man snabbt kunna återhämta sig till en situation där man åter klarar ett nytt fel. Till exempel ska systemets reserver ha förmåga att återhämta sig inom 15 minuter, men det finns tillfällen där man haft problem med att klara av det. Nu jobbar man med nya stödtjänster och marknader för att ytterligare stötta systemet. Men smakar det så kostar det, kostnaderna för stödtjänster har ökat från 500 miljoner kronor 2017 till omkring 2 miljarder kronor per år idag. Till år 2023 beräknas kostnaderna öka ytterligare till 3 miljarder per år.

Simon Wakter påpekar att systemet nu genomgår flera stora förändringar som kommer innebära en stor utmaning.

– Hittills har vi spelat lite på gamla meriter från stora investeringar på 60- och 70-talet. Det har varit ett väl utbyggt elkraftsystem som haft nytta av mycket vattenkraft och kärnkraft som gratis levererat många av de tjänster som man nu måste betala för. Vi har levt länge på de investeringarna, men nu börjar stora delar bli gammalt samtidigt som vi ser stora förändringar både på produktions- och konsumtionssidan. Bristerna och priserna vi ser idag är egentligen inte något konstigt, men det finns utmaningar. Sveriges elkraftssystem står sig starkt jämfört med många andra länder och vi ser att elintensiva industrier som fossilfri stålproduktion och serverhallar etablerar sig här. Frågan nu är om vi klarar framtiden och de förändringar som krävs tillräckligt snabbt.

 

AFRYs över 2000 experter inom energi och kraft täcker alla delar av energiproduktion och energimarknadsanalyser, allt från förstudier till driftsättning. Vi är stolta över vår strävan efter en hållbar utveckling som skyddar miljön och vi agerar professionellt i allt vi gör.

Kontakt

Simon Wakter

Technical Consultant, Nuclear Sweden