Dynamiken i 100% förnybart

I podden med Lennart Söder pratade vi om utmaningarna med ett helt förnybart elsystem. Vi publicerar i samband med detta en artikel Erik skrev på sin egna blogg för något år sedan, där han går igenom hur ett elsystem med mycket förnybar el kan komma att förändras.

Förnyelsebar el har bokstavligen strömmat in på världens marknader, och priser har gått ned till nivåer där ett flertal teknologier konkurrerar kommersiellt (eller är nära att göra det) med traditionella sätt att att generera el. Utmaningar kvarstår dock: om elsystemet som det ser ut idag, med en stor andel relativt planerbar elproduktion, ersätts med en lika stor andel förnyelsebar och ofta därmed variabel produktion, ökar utmaningen i att förse el till slutanvändarna årets alla timmar på ett kostnadseffektivt sätt. Men hur stort är problemet? Vad händer med systemet om en hög andel förnyelsebar elproduktion ersätter motsvarande mängd "baskraft"?

Idén här är inte att ge en teknisk beskrivning av hur ett 100% förnyelsebart bör eller kan utformas (det har gjorts förtjänstfullt på andra håll [1][2]),­ utan kvalitativt beskriva hur elsystemet fungerar idag, och resonera kring hur dynamiken i ett framtida, förnyelsebart system skulle kunna se ut. Huvudargumentationen utgår ifrån att vad som i realiteten händer beror till stor del på hur systemet runt omkring anpassar sig, vilka mekanismer de nya teknikerna ger upphov till, och hur det nya läget hanteras politisk.

Elsystemet idag

Elsystemet är i varje stund helt balanserat — det vill säga, lika mycket el som används, produceras samtidigt. När du till exempel slår på brödrosten sätter ett kraftverk någonstans i Sverige, eller norra Europa, sprätt på några nya elektroner. I Sverige är det oftast vattenkraft som balanserar systemet genom att öppna eller stänga de ventiler som släpper igenom vatten från magasinen. Ju mer vatten i rören, desto högre tryck i turbinerna, vilket gör att generatorerna kan producera mer el. Under året är dock inflödet till vattenmagasinen begränsat, vilket gör att en ökad elanvändning ena stunden måste kompenseras med ökad annan produktion i andra stunder. Vattenmagasinen fungerar därmed mer eller mindre som gigantiska batterier.

Med så pass låg elproduktion som idag från variabla energikällor i Sverige uppstår få, om inga, problem. Vattenkraften kan utan problem balansera systemet genom att producera mindre el när vinden blåser eller när solen skiner, och mer el när den inte gör det. Elpriserna är därmed så pass jämna att incitament i princip saknas helt för att ställa om när el används alternativt att lagra el på andra sätt än i vattenmagasinen [2].

Dynamiken i ett helt förnybart elsystem

Huvudutmaningen i ett system med hög andel förnyelsebar el är att det vissa timmar skulle produceras mycket el, och andra lite el. Vissa ser detta som ett oöverstigligt problem som leder till stora prisskillnader, ökat beroende av rysk gas, och i värsta fall tillfällig elbrist. Detta hör ofta ihop med en överilad tendens att jämföra dagens elsystem med morgondagens genom att bara byta ut en komponent (t.ex. 60 TWh kärnkrafts-el) mot en annan (60 TWh förnyelsebar el), och strunta i alla de mekanismer som uppstår parallellt. Det är dock rimligt att prismekanismer och därmed dynamiken i systemet skulle förändras avsevärt. Marknadslogiken, till exempel — där det antas att utbud och efterfrågan matchar varandra någorlunda — antyder att elpriset i ett förnyelsebart elsystem initialt skulle vara högt när det produceras lite el, medan priset vore lågt, eller negativt (!), när det mesta av elen väl produceras. Inkomsterna till elföretagen blir därmed (försvinnande) låga, och de kunder som måste använda el de dyra timmarna blir naturligtvis missnöjda. Systemet vore dysfunktionellt.

I realiteten är det sannolikt att i princip alla aktörer inom detta system skulle jobba för att jämna ut prisskillnaderna. Man behöver inte sträcka blicken längre än till Lule älv och de svenska vattenkraftverken för att förstå denna princip. För Vattenfall är det lönsamt att magasinera vattnet i bassängerna när priset är lågt för att spara det tills priset blir högt, då de genererar el och tjänar mer pengar. Det är bra, både för företagsekonomin och för samhället, då det jämnar ut och driver ned priser — och undviker eldandet av kol och olja.

I ett förnyelsebart system skulle liknande saker inträffa: där vattenkraftens reglerförmåga inte räcker till skulle många, till en början, och i så stor grad som möjligt, medvetet styra om sin elanvändning till de timmar elen är billig (vilket i sin tur skulle minska prisskillnaderna). Det skulle även finnas möjligheter att tjäna pengar på differensen. Jag som privatperson skulle till exempel kunna köpa ett batteri för att köpa billig el ena timmen (eller spara elen som mina solceller har producerat), och sälja, eller använda den, när elen är dyr nästa timme. Begåvade entreprenörer skulle fortsätta köpa batterier, eller annan mer långsiktig lagring för den delen, tills de inte betalar av sig längre — det vill säga, när prisskillnaderna vore för låga. (Okej, detta förutsätter att batterier går ner i pris.)

Den andra viktiga aspekten är att vägen mot ett till stor del förnyelsebart system i sig sannolikt vore en kraftfull åtgärd för att stimulera utveckling av bättre och billigare sätt att hantera variabel elproduktion. Dagens situation är i mångt och mycket ett moment 22: nya lagringstekniker är (till viss del) dyra för att de inte används, och de används inte för att de är för dyra. Många forskare — såsom Chalmersforskaren Anna Bergek m.fl. — har de senaste åren med framgång lyft fram hur (pris)utvecklingen av energitekniker är beroende av att de används kommersiellt. Globalt, då produktion kan börja ske på industriell skala och därmed dra nytta av skal- och lärningseffekter. Lokalt, då en marknad byggs upp där infrastruktur kommer till och där användare, lagstiftare och entreprenörer börjar experimentera, förbättra, och vänja sig vid tekniken i fråga. (Ett illustrativt exempel är solcellsmoduler, som dök med 80% mellan 2008 och 2012 i och med att en global massmarknad öppnade sig. Litiumbatterier följer ungefär samma prisminskningskurva, inte minst tack vare utveckling inom bilbranschen.)

Med andra ord, tekniker som idag är redo i form och funktion, men som inte har fått ett kommersiellt genombrott då de anses vara för dyra — vare sig det handlar om mjukvara för att styra elanvändning, eller produktion och lagring av vätgas — skulle i och med de nya förhållandena få draghjälp in på marknaden, och därmed gå ner i kostnad.

Sedan 1970-talet har solceller följt en s.k. inlärningskurva, där priser för kostnaden för moduler har gått ner med i genomsnitt 20% för varje fördubbling av installerad kapacitet globalt. Än idag, tenderar solceller att följa kurvan.

Det finns alltså utmaningar, men att överkomma dem är realistisk. Lennart Söder, professor på KTH, har gjort vägledande beräkningar [1]. Om kärnkraften fasades ut, och ersattes med motsvarande mängd vind- och solel, samt en 50% ökning av kraftvärmeproduktion, har han kommit fram till att det skulle finnas ett behov av ny effekt under ungefär 10% av årets timmar. Som mest skulle effektbristen uppgå till 5 GW (det kan jämföras med effekten kalla vinterdagar som är högst runt 25 GW i Sverige) [3]. Extrakostnaden — ifall det investeras i gasturbiner för att täcka effektbristen — vore runt 1.5 öre/kWh utslaget på alla elanvändare (och de skulle stå för ungefär en procent av svensk el).

Notera att i detta räkneexempel tillkommer varken lagring, effektutbyggnad av vattenkraften, utökad elhandel med grannländer, eller förändrade konsumentvanor av el — fyra faktorer som lär förändras i ett dylikt system. Jag vill inte underskatta eller bortse från att ett helt förnyelsebart system kommer att innebära kostnader, möjligtvis i form av ett utbyggt elnät, och i form av riktade stöd till önskvärda lagringstekniker. Teknisk utveckling kostar, och lär göra det även för lagring och andra sätt att hantera variabel elproduktion. Om vi tillåter den nya dynamiken — det vill säga prisförändringar på el från timme till timme — att uppstå, så att privata sektorn och elanvändare kan anpassa sig och utnyttja de nya möjligheterna, lär dock övergången bli både billigare och snabbare än vad som annars vore fallet.

Att få in lagringstekniker på marknaden lär dessutom vara det mest effektiva sättet att göra rysk gas passé.

Referenser

[1] Söder, Lennart. 2015. På väg mot en elförsörjning baserad på enbart förnybar el i Sverige. KTH. (Alternativt, se här för en förklaring av beräkningarna.) [2] Svenska Kraftnät. 2015. Anpassning av elsystemet med en stor mängd förnybar elproduktion. Rapporten handlar inte explicit om ett 100% förnybart elsystem, utan om hur betydande mängder förnybar och variabel elproduktion kan integreras i elsystemet. [3] Effekten, som mäts i watt, är måttet på den momentana elproduktionen i Sverige. Den årliga energiproduktionen mäts i kilowattimmar, eller för landet Sverige, i terawattimmar––det vill säga effekten i watt gånger en tidsenhet.