Elnätsutmaningar med elfordon och förnybar variabel elgenerering (Elfordon i smarta elnät, del 2)

Idag fortsätter vi med Martin Borgqvists serie om kopplingen elnät och elfordon.
skrivet av Martin Borgqvist (RISE)
I mitt förra nyhetsbrev skrev jag om att mängden el från sol och vind ökar, kostnaderna sjunker och på sikt kommer el från förnybar energi att vara billigare än fossilbaserad el, att det finns utamningar med att integrera stora mängder solel i elnätet men att elfordon kan ha en roll att fylla i detta.
Idag skriver jag lite mer om vilka utmaningar det finns i elnätet med förnybar variabel elproduktion och elfordon. Förutsättningarna på olika elmarknader i olika delar av världen varierar, och jag kommer att utgå från ett svenskt perspektiv. På andar elmarknader kan andra utmaningar och drivkrafter finnas. I nästa nyhetsbrev kommer jag skriva mer om smart laddning av elfordon.
Elnätet, elmarknaden och balansansvar
Elnätet i Sverige består av transmissionsnät (även kallat stamnät, 100-400 kV) som ägs och drivs av Svenska Kraftnät, samt distributionsnät (10-50 kV) och lågspänningsnät (400 V) vilka ägs och drivs av den lokala nätägaren [8]. På den svenska elmarkanden finns förutom Svenska Kraftnät och distributionsnätsägare, även producenter av el samt elleverantörer från vilka man köper elen. Varje elleverantör måste leverera lika mycket el som deras kunder förbrukar, detta balansansvar kan elleverantören själv ta eller så kan de anlita en tredje part som balansansvarig aktör. Kortfattat så skall det varje minut vara balans i stamnätet, annars går Svenska Kraftnät in och ordnar upp situation och den som orsakat obalansen får betala för detta. Det finns med andra ord ett starkt ekonomiskt incitament för balansansvariga aktörer att kunna upprätthålla sin balans. Nätägarens verksamhet är reglerad, eftersom deras marknad är ett naturligt monopol.
Utmaningar för elnätet med elfordon handlar om överbelastning i lokalnät då många laddar samtidigt i samma geografiska område
Utmaningen med elfordonsladdning i ett elnätsperspektiv hänger ihop med den sammanlagda laddeffekten från många fordon i samma geografiska område. Transformatorns effekt och kablarnas storlek (tvärsnittsarea) bestämmer hur starkt ett elnät är. Effekttoppar som går över transformatorns märkeffekt ökar dess drifttemperatur. På samma sätt ökar temperaturen i kablarna vid effekttoppar [10]. I vissa delar av lokalnätet där det finns mycket elfordon kan effekttoppar från laddning orsaka överbelastning och överhettning av transformatorer och kablar vilket kan skada dessa. Detta gäller framförallt områden där lokalnätet är svagare, t.ex. ytterstadsnät, och om det samtidigt finns många elfordon som laddas samtidigt [10]. Risken för överbelastning i lokalnät kan göra det nödvändigt att investera i förstärkningar av dessa nät [11]. Det är nätägaren som är den aktör på elmarknaden som måste hantera utmaningen med elfordonsladdning.
Utmaningarna för elnätet med förnybart handlar ytterst om att kunna balansera efterfrågan mot tillgången
Energimarknadsinspektionen (Ei) lyfter fram fyra typproblem med ökad mängd förnybar variabel el i nätet [3]:
– Frekvenshållning: ca 50 Hz skall hållas genom att inmatning och uttag av el från elsystemet är i balans, risken är annars att kunders och producenters utrustning skadas. Svenska Kraftnät ansvarar för detta och aktiverar vid behov olika typer av reglerresurser som är lite olika snabba på att aktiveras (sekunder till ca 15 minuter).
– Effektbrist: Detta uppstår om efterfrågan på el är större än utbudet. Effektbehovet är som störst vintertid i Sverige.
– Ineffektiv resursanvändning: Med mer förnybar produktion i systemet skulle det vara önskvärt att denna används när den finns tillgänglig, t.ex. genom att flexibla elkunder ökar sin elanvändning vid dessa tillfällen. Den omvända situationen är också intressant, mindre elanvändning vid situationer med högre efterfrågan och pris. För att åstadkomma detta behöver kunderna kunna reagera på signaler, t.ex. elpris.
– Lokala nätproblem: Detta är kopplat till överföringskapaciteten i distributionsnäten lokalt. T.ex. När distribuerad solelanläggningar ute i ett distributionsnät eller lågspänningsnät producerar mycket el samtidigt som elanvändningen i samma nät är låg, så flödar eleffekt från konsumenterna ut i nätet, istället för det omvända som är det normala och det som nätet är designade för (från nät till konsument). Detta kan leda till lokala höjningar av spänningen och försämrad elkvalitet [8].
Så sammanfattningsvis finns det utmaningar för dagens elnät med ökande mängd förnybar variabel elgenerering som handlar om att balansera och matcha genereringen av el med tillgången av el från de variabla källorna.
Egna kommentarer
Elmarknaden är ganska komplicerad tycker jag, det är många olika aktörer som har olika roller. Dessutom ser det olika ut i olika länder. Det är framförallt nätägaren som sitter med utmaningarna kopplat till förnybar variabel elgenerering och elfordonsladdning i Sverige. Men även den balansansvariga aktören stöter på utmaningar.
Tidigare har det diskuterats mycket om utmaningarna med elfordon i elnätet, risken för överbelastningar har lyfts fram som en tydlig barriär för storskalig introduktion. Nu tycker jag att även möjligheterna med elfordon för nätet lyfts fram mer och mer. Mer om detta i nästa nyhetsbrev.
Digitaliseringen pågår inom alla branscher. Parallellt med utvecklingen av uppkopplade fordon så sker en liknande utveckling inom energibranschen i form av uppkopplade produktionsanläggningar, uppkopplade kunder och smarta nät.
Källor
[1] ENERGY CHARTS. Frauenhofer ISE. Hemsida. Länk.
[2] EU Energy in figures – statistical pocketbook 2016. Länk.
[3] Åtgärder för ökad efterfrågeflexibilitet i det svenska elsystemet. Energimarknadsinspektionen, R2016:15. December, 2016. Länk.
[4] PM Nilsson: Skarp varning för fossila företag. Ledare i Dagens industri. 7 Februari, 2017. Länk.
[5] Expect the Unexpected – The Disruptive Power of Low-carbon Technology. Grantham Institute, Imperial College London. Februari, 2017. Länk.
[6] Det våras för solen. SVT Dokument utifrån. Dokumentär, SVT Play. Tillgänglig till 1 mars 2017. Länk.
[7] Energirelaterad fordonsforskning 2016. Vätgas från el ur ett kraftnätsperspektiv. Presentation av Lennart Söder Professor Elektriska Energisystem, KTH Länk.
[8] Jesper Marklund. Potential för storskalig anslutning av solel i landsbygdsnät. Examensarbete. Uppsala Universitet. 2015. Länk.
[9] Svenska Kraftnät. Hemsida. Åtkomst 2017-03-02. Länk.
[10] Sara Persson, Ellinor Forsström. Nätteknisk och affärsmässig utvärdering av Vehicle-to-Home. Examensarbete. Lunds Universitet. 2017.
[11] Mwasilu, F, et al. Electric vehicles and smart grid interaction: A review on vehicle to grid and renewable energy sources integration. Dongguk University-Seoul. Renewable and Sustainable Energy Reviews 34 (2014) 501–516.