Samspelet mellan vindkraft och kraftvärme

Bakgrund

Idag hör vi allt oftare om den ökande vindkraftens (och i Tyskland även solkraftens) påverkan på elnäten och elbalansen i olika regioner i Europa. Men vi hör inte mycket om hur detta påverkar andra befintliga delar av energisystemet i Sverige, som till exempel kraftvärme. Det finns anledning att titta närmare på detta eftersom man där kan hitta en del av lösningarna på de nya problem som förändringarna för med sig.

Det är förändringarna på elsystemen som är störst och snabbast. Det är intressant att jämföra Sverige och Tyskland i detta avseende. Tyskland har de största förändringarna, men motsvarande förändringar kommer även till Sverige, om än lite långsammare. Nedan ser vi hur elen på årsbasis producerades 2020 i Sverige och Tyskland (sammanställt från branschinformation):

Tabell 1: Elproduktion i Sverige och Tyskland

I Tyskland ser vi att vindkraften står för 24% av elproduktionen, medan vattenkraften i stort sett saknas. Kärnkraften står bara för 11 % (andelen kärnkraft är minskande eftersom man har stängt av kärnkraftverk och målet är att den helt ska tas bort, tills slutet på 2022). Vindkraftens andel är hela tiden ökande. Solkraften har tillkommit på senare tid och är också ökande. Prognoserna pekar på fortsatt ökande andel vind- och solkraft. Vidare är kraftvärmen i Tyskland under fortsatt utbyggnad. Kondensel på kol är planerat att fasas ut, speciellt som kolpriserna har stigit.

I Sverige ser vi att vindkraften och speciellt solkraften ännu så länge har mindre andel av elbalansen är in Tyskland, samt att vattenkraften och kärnkraften i Sverige står för större andelar än i Tyskland. Men vindkraft är under en snabb utbyggnad även i Sverige, och denna utveckling kan förväntas fortsätta.

Vad blir det för konsekvenser av den snabba utbyggnaden av vind- och solkraften?

Elmarknaden påverkas på så sätt att priset per extra producerad MWh el från vind-och solkraft är mycket lågt (när dessa kraftverk väl har byggts). Energin i vinden och solen är ju gratis energi.

Priset från andra möjliga producenter på elmarknaden (som kärnkraft, kraftvärme och delvis även vattenkraft) är högre. Dessa övriga typer av elproduktion kommer få ta den resterande andelen av elförsäljningen när vind- och solkraft tagit sin andel. Den resterande andelen av elförsäljningen blir då mycket beroende på svängningarna i vind- och solkraften. Vissa dagar med mycket vind och solinstrålning blir den resterande andelen låg, medan dagar med lite vind och lite sol måste en större del av elbalansen täckas av andra typer av elproduktion.Till detta kommer de vanliga svängningarna i elkonsumtionen, med normalt högre elförbrukning under dagtid under arbetsdagar. Överföring via internationella elkablar kan in någon mån jämna ut nationella svängningar men inte helt ta bort dem.

Elpriserna svänger mycket mer än tidigare decennier. Detta beror på att om elbalansen täcks med enbart vindkraft och vattenkraft blir elpriserna mycket låga, medan om man även måste använda andra energislag blir priserna mycket högre.

Nya överföringsbegränsningar i elnäten uppkommer. Ofta blir elproduktionen större i vissa delar av landet, medan den stora elkonsumtionen kanske ligger i andra regioner. Detta gör att elnäten måste byggas om för att hantera den nya situationen. Det tar lång tid att bygga om elnäten och under övergångstider kan då överföringsbegränsningar i elnäten uppkomma. I Sverige, ger detta olika elpriser i olika elnätsområden.

Det blir större svängningar i lönsamheten i elproduktionen. De övriga energityperna (inte vind- och solel) utsätts nu för prissignaler som gör att de bör variera sin elproduktion under dygnen.

Vårt företag Energy Opticon levererar specialprogramvara internationellt för energibolag och speciellt kraftvärmeproducenter som ekonomiskt vill optimera sin energiproduktion och som säljer sin elproduktion på elmarknaden. I dagliga samtal med kunderna framgår att det är en utmaning att elpriserna är kraftigt svängande under stor del av året. Ibland resulterar detta i problem i lönsamhet för kraftvärmeverken och ibland i stora vinster.

Bild 1: Kraftiga svängningar i Nordpools elpriser under ett antal dagar.

Bilden ovan visar ett exempel från Nordpools elpriser, och den här typen svängningar är numera inte ovanliga. På senare tid har priserna dock legat betydligt högre. Men man kan generellt se att priserna ibland går upp och ner drastiskt. Man ser vidare var elproduktionen är olönsam.

Möjligheter att reagera på de nya prissignalerna. De energislag som främst drabbas av dessa svängningar i elpriserna är vattenkraften, kärnkraften och kraftvärmen. Om dessa energislag kan, så vill de minska elproduktionen vid mycket låga elpriser och öka den maximalt vid höga elpriser.

Kärnkraftverken kännetecknas av att de alltid bör ligga på stabil last (så kallad baslast). Det är för riskabelt att utsätta dessa kraftverk för svängning i lasten som motsvaras av de svängande elpriserna. Kärnkraftverken måste då ibland producera även om det sker med förlust. Eller så stänger man av dem helt under längre tider (vilket på sikt kan leda till permanenta nedstängningar).

Vattenkraften är mycket liten i Tyskland men i Sverige används den för att reglera elproduktionen upp och ner på marginalen. Men efterhand som vindkraften i Sverige ökar, så kan man komma i ett läge då vattenkraftens möjligheter att täcka upp för vindkraftens svängningar inte längre räcker till. Detta gäller speciellt i situationer där det finns begränsningar i elöverföring i elnäten, till exempel mellan norra och södra Sverige. Det finns även begränsningar i så kallade vattendomar, som begränsar ändringar i vattenflöden (utifrån miljöhänsyn).

Kraftvärmen blir då viktigare för att hantera obalanser i elnäten. I Tyskland används kraftvärmen redan mycket för att reagera på de svängande elpriserna. I ett kraftvärmeverk kan man som producent välja om man vill producera elen när den ger bäst pris. Man kan till exempel välja att bypassa sina ångturbiner, och på så sätt välja mellan att producera fjärrvärme eller el. Det finns också en del kraftvärme (speciellt gasmotorer i Tyskland) där man enkelt och snabbt kan starta och stoppa dessa och på motsvarande sätt starta och stoppa gaspannor för fjärrvärme. I Tabell 1 ovan ser man varför detta är så viktigt i Tyskland, eftersom kraftvärmen är så stor där. Vidare är kraftvärme av denna typ (av förståeliga skäl) under snabb utbyggnad i Tyskland. I Sverige har inte kraftvärme byggts ut på samma sätt som i Tyskland, men man har sett att kraftvärmen mer än tidigare blivit viktiga för att hålla elbalansen i elnäten i Sverige. Nedan är ett exempel från hur ett företag med en gaskombianläggning körs för att ekonomiskt optimeras sina elintäkter vid svängande elpriser. Man ser att de svängande elpriserna kraftigt påverkar sättet att producera i anläggningen.

Bild 2: Ekonomiskt optimerad kraftvärmeproduktionsplan från Energy Optima 3 i en gaskombianläggning under en vecka.

Enheter som värmepumpar i fjärrvärmenäten är också lätta att anpassa till de nya prissignalerna, eftersom de är lätta att starta och stoppa och där varje start och stopp inte har större kostnader.  Man kan också använda stora värmeackumulatorer för att påverka sin elproduktion.

Möjligheter att hålla elbalansen i elnäten. Eftersom det är svårt att lagra el, måste i stort sett den konsumerade elen i varje ögonblick motsvaras av samma mängd producerad el. Med stor andel vind- och solkraft i elnäten blir man vid försäljningen av elen då beroende av att prognoserna för vind och sol är korrekta, vilket inte alltid är fallet. Vidare finns det begränsningar i överföringskapaciteterna i elnäten, och elnätsbolagen måste därför bli mer aktiva med att ha resurser att sätta in vid oväntade obalanser i elnäten.

Det som man kan använda sig att balansera med är då kraftvärmen. I Tyskland gör de redan detta, (man har flexibilitet i elnäten och en fungerande marknad för dessa tjänster). Elnätsbolagen handlar upp reservkraft som kan gå in med kort varsel i akuta eller mer långvariga situationer med obalanser eller problem i överföringskapaciteterna i elnäten). Man skaffar sig även nu under hösten 2021 möjligheter att direkt styra anläggningar i elnäten för att skapa denna flexibilitet. Man kommer att direkt kunna styra upp och ner olika elproducenter (kraftvärme, vindkraft, solkraft, vattenkraft) samt elnätsdelar.

Bättre lönsamhet för kraftvärmen?

Kraftvärmebolagen kan ofta göra mer här än vad man gör idag (speciellt i de företag som är medelstora och små). De kan mer aktivt arbeta mot elpriserna på elmarknaden. Lyckligtvis nog så fungerar elmarknaden så att vid elbrist blir priserna höga, vilket ger incitament för kraftvärmebolagen att öka sin elproduktion maximalt för dessa tillfällen. Omvänt vid överskott av el vid elmarknaden blir priserna väldigt låga och i dessa fall kan kraftvärmebolagen jobba mer aktivt för att reducera sin elproduktion än vad man gör idag. Under avsnittet om ”Möjligheter att reagera på de nya prissignalerna” ovan beskrivs de möjligheter som kraftvärmeföretagen har i sin egen produktion att behålla och öka sin lönsamhet. Vidare kan samoptimering med andra aktörer som är kopplade till deras fjärrvärme- eller elnät vara fördelaktiga på lite sikt, exempelvis:

Stora fastighetsägare som kan ha flexibilitet mellan att köra egna stora värmepumpar eller att ta emot fjärrvärme (beroende på de egna produktionspriserna)
Industrier som har flexibilitet i sin elanvändning
Lite längre fram i tiden även prosumenter (konsumenter som även levererar el eller värme till näten).

kan man säga att den snabba inmarschen av vind- och solel kortsiktigt för kraftvärmeverken betyder att det blivit svårare att få inkomster för försäljning av producerad el och mer och mer komplicerade driftsfall i produktionen. Det är heller inte möjligt att öka priset på fjärrvärme mot kund då det finns andra ekonomiskt intressanta alternativ. Det märker vi som jobbar med lösningar för dessa frågor då det är fler som är i behov av programvaruverktyg som planeringshjälpmedel. Men som visats ovan finns det en hel del åtgärder som kraftvärmeföretagen kan vidta för att upprätthålla och öka sina vinster.

Björn Malmström, CTO Energy Opticon