Reserver i nätet

I och med introduktionen av sol- och vindenergi har det uppstått nya krav på elförsörjningssystemet. Genom EU-kommissionens beslut har också en ny marknad för handel med elreserver skapats.

Elnät är störningskänsliga komplexa nätverk bestående av producenter och konsumenter som är beroende av varand­ra. Producenter och konsumenter är sammankopplade i ett stamnät.

Konsumenterna är beroende av den el som produceras – industrin för att hålla igång maskiner och processer, hushåll för värme, ljus, etcetera. Producenterna är beroende av att konsumenterna tar el ur näten för att kraftverk och ställverk inte ska skadas av att mängden energi i elnätet blir för stor (ledningar som skadas, transformatorer som pajar, turbiner som roterar med fel hastighet).

Elbolag och stamnätsbolag kalibrerar produktionen mot prognoser: serviceläget för olika kraftverk, vilka elkrävande processer kör den tunga industrin och när, hurdant vädret kommer att vara; det vill säga hur mycket energi går åt till uppvärmning, hur mycket vind- och solenergi som kommer att vara tillgängligt.

De nordiska stamnäten är sammankopplade. Det gör att de respektive ländernas stamnät kan kompensera för störningar i de olika länderna. Fördelen med hopkopplade stamnät är att toleransen för störningar ökar: får till exempel ett enskilt kraftverk problem finns det ett större antal kraftverk som kompenserar – bördan på ett enskilt kraftverk blir alltså inte så stort.

Det nordiska nätet drabbas av cirka 60 störningar per år. Dessa är elavbrott förorsakade av fel i större elledningar, kraftverk tillfälligt satta ur spel på grund av olika orsaker, och så vidare. Norden känner av återkommande störningar i produktionen från de svenska reaktorerna i Forsmark och Ringhals, men även i Finland inträffade ett försörjningsproblem i Olkiluoto i somras. Vid produktionsstörningar finns det färdiga system som automatiskt kopplar bort betydande industriella elkonsumenter för att behålla resten av nätets funktion.

Fingrid ansvarar för elöverföringen i Finlands stamnät. Stamnätet är systemet av olika typer av ledningar och ställverk som förmedlar el. Stamnätet i Finland består av 14 000 kilometer kraftledning och över hundra ställverk. 

De nordiska stamnäten används också för att föra över norsk vattenkraft till Centraleuropa och för finländsk del för att importera rysk kärn- och kolkraft.

Frekvens

Frekvensen i de nordiska elnäten är 50 hertz. 50 hertz betyder att de elgenererande turbinerna roterar 50 varv i sekunden. För att bibehålla rätt frekvens måste produktion och konsumtion av el balanseras noggrant. När konsumtionen av den tillgängliga elen i nätet stiger måste turbinerna i kraftverken jobba mot större motstånd.

Större motstånd betyder att turbinerna får det tyngre att upprätthålla samma frekvens.

Större motstånd betyder därför att turbinerna hotar rotera långsammare. Om en turbin börjar rotera långsammare genererar den inte lika mycket el. Det betyder att det relativa behovet av el i nätet stiger vilket i sin tur betyder att motståndet stiger, vilket i sin tur betyder att alla andra kraftverksturbiner anslutna till nätet belastas mera.

Om motståndet blir för stort kopplar automatiska säkerhetsfunktioner bort turbinen från elnätet – för att hindra att turbinen eller andra komponenter anslutna till nätet skadas.

Slås en betydande turbin av, eller ett större antal turbiner på samma gång, växer motståndet för de resterande turbinerna så mycket att det kan det leda till en kedjereaktion där alla kraftverk i nätet slås av.

Ett annat alternativ är det motsatta: elförbrukningen minskar plötsligt markant på grund av exempelvis ett elavbrott under vintern som bryter av strömmen för ett större område: säg en större stadsdel som har eluppvärmning.

Elen som den stadsdelen annars skulle ha konsumerat finns då fortfarande kvar i nätet. Då hotar nätet överbelastas, turbiner börjar rotera snabbare, ännu mer el genereras konstant till det redan överbelastade nätet, vilket också kan leda till en kedjereaktion som slår ut nätet.

Sammanbrott i stamnätet

Ett sammanbrott i stamnätet skulle innebära en nationell kris, och kan också riskera en samnordisk kris om kedjereaktionen inte kan hejdas i tid.

Efter ett sammanbrott i stamnätet är det komplicerat att starta produktionen igen eftersom kalibreringen mot efterfrågan och produktion måste göras med exakthet för att uppnå rätt motstånd i nätet, till vissa delar krävs sekundtajming för att de relativt känsliga kraftverksturbinerna ska kunna arbeta på rätt frekvens och inte slås av igen. Graden av komplexitet visas till exempel i att elen regelbundet slås av i utvecklingsländer för att skydda kraftverk och elförmedlingsinfrastruktur.

Stamnätsbolag är centrala aktörer i den statliga infrastrukturen. För att undvika stamnätskollaps görs i stort sett vad som helst, som att släcka av lyset i hela Helsingfors eller Stockholm om det är nödvändigt för att rädda nätet.

För att undvika stamnätskollaps görs i stort sett vad som helst, som att släcka av lyset i hela Helsingfors eller Stockholm om det är nödvändigt för att rädda nätet.

Ju större aktör desto större risk. Därför har alla större aktörer egna balanserande säkerhetssystem. Från kärnkraftverken i Olkiluoto går det till exempel fiberoptiska kablar till den energiintensiva pappersindustrin i Jämsänkoski, till den kemiska processindustrin i Äetsä och ett antal andra ställen som konsumerar stora mängder el och som genom att sätta igång eller stänga av processer har en markant effekt på eluttaget. Den direkta fiberoptiska anslutningen gör att reaktionstiden är 0,2 sekunder från störning till åtgärd.

Förnybar energi

Solenergin och vindkraften innebär utmaningar för elförsörjningen och elnätet. Stora turbiner i traditionella kraftverk har genom sin massa en stor inert kinetisk energi (rörelseenergi) som inte genast minskar  även då det uppkommer störningar i drivandet av turbinen – turbinen fortsätter rotera av egen kraft under en längre period och fortsätter producera el: kurvan för frekvensändringen blir mjuk.

Energin från solceller kanaliserar sin el genom växelriktare. Växelriktare ger, trots att teknologin utvecklats, snabba variationer i output, detta beror på vädrets oförutsägbarhet.

Vädrets relativa oförutsägbarhet gäller även vindkraften. Oförutsägbarheten gör att elförsörjningssystemet måste ha en större reservkapacitet.

Det är här den nya marknaden kommer in.

Potential för framtiden?

Förutom alla mer och mindre förutsägbara kast i konsumtion och produktion beroende på väder och olyckor förekommer det två dagliga toppar i elkonsumtionen: kring klockan åtta–nio på morgonen när folk vaknar och ska iväg på jobb, och kring klockan fyra till sex på eftermiddagen när folk kommer hem från sina jobb: då konsumeras en betydande del av all el som säljs under ett dygn och för att möta dessa toppar i konsumtionen krävs det resurser i energiproduktionen som inte behövs resten av dygnet. Om nätterna måste produktionen dras ner.

Genom att identifiera elkonsumenter, som till exempel växthus, och samla så många växthus som möjligt till bolaget, kan bolag som specialiserat sig som reservförmedlare sälja stäng-tid till elnätet och minska konsumtionstopparna under en dag. Växthusodlarna bestämmer själva hur mycket avstängd tid deras odling tolererar och reservförmedlarens system programmeras enligt hur mycket avstängd tid under kritiska tidpunkter växthusägaren vill sälja. Växthusägaren får alltså genom reservförmedlaren betalt av stamnätsbolaget för att inte konsumera el under givna tidpunkter.

Genom att skapa en tillräckligt stor pool av betydande elkonsumenter kan en reservförmedlare bli en aktör i den nationella elreserven: kontrakt kan skrivas med de kunder man har i sin pool som gör att stamnätsbolaget kan stänga av deras produktion för vissa givna tider under en oförutsedd störning. Genom att reservförmedlaren har anslutit sina kunder till ett system finns det ett färdigt nätverk av enhetliga konsumenter som kan slås av, istället för att stamnätsbolaget stänger av elen för andra industrier eller stadsdelar ifall av störning. Samma pool skulle också kunna slå på sin konsumtion för att hämta el ur nätet om det behövs.