90 miljoner ton batterier som buffert

Visst kan de tyska kolkraftverken bytas mot vindkraft. Det behövs bara några gånger fler vindkraftverk och 90 miljoner ton batterier för sådär 28 biljoner kronor (28 000 miljarder kronor). Redan batterikostnaden skulle öka elpriset med en femma per kWh (tio års livslängd).

Jag avslutar brunkolskrönikorna (läs också ”Skänk brunkolen till Tyskland” och ”Ersätt kolkraft med vattenkraft”) för den här gången med en del data och enkla kalkyler som jag faktiskt tycker är både roande och skrämmande. Hur många inser till exempel vad en dramatisk utbyggnad av vindkraften i Tyskland kommer att innebära för vindkraften i angränsande länder? Och att vi i Skandinavien skulle kunna producera tillräckligt mycket el för att ersätta EUs kolkraftverk och samtidigt halvera koldioxidutsläppen inom EU.

Kontrollrummet
En timma eller två med Svenska Kraftnäts ”Kontrollrummet” är alltid givande. På sidan kan man timma för timma se hur mycket el som produceras med olika tekniker, vad som konsumeras och hur mycket som importeras/exporteras. Häromdagen tittade jag igenom senaste årets data för Sverige och Danmark (objektiva data är alltid bättre än tyckande).

Stabilt i Sverige
I Sverige varierar elförbrukningen relativt lite över dygnet, men säsongsvariationerna är större. Dagsvariationen är oftast mindre än 30 procent och ganska långsam.

Från maj till september förra året gick förbrukningen sällan under 10 GW eller över 16 GW. Men det var också en varm och blåsig höst. Också senhösten och perioden fram till årsskiftet var varm och elförbrukningen höll sig för det mesta runt 20 GW.
Inte förrän framåt mitten av januari kom de riktiga kallperioderna, med hög elförbrukning och svag vind. Då närmade sig energiförbrukningen 27 GW och vi tvingades då och då att importera brunkolsel från Tyskland.

Danmark svänger snabbare
I Danmark varierar inte elförbrukningen lika mycket över året. Däremot varierar förbrukningen ganska kraftigt över dygnet. Större delen av året handlar det om 2,6 till 3 GW på natten och 3,6 till 5 GW på dagen. Det skiljer ofta sextio procent eller mer under ett dygn, men inte ens under de kallaste dagarna i januari gick förbrukningen över 6 GW. Danska villor och lägenheter värms inte så ofta med el.
Om vi räknar om elförbrukningen per invånare har Danmark i genomsnitt knappt hälften jämfört med Sverige. Nätter och kalla perioder är skillnaden större och dagtid under varma perioder är skillnaden mindre.

Marginal för mer baskraft
De relativt små och framför allt årstidsberoende svängningarna i Sverige gör det ganska lätt att klara elproduktionen med ”tröga” energislag. Energimarknaden skulle till exempel tåla mycket mer kärnkraft utan att få reglerproblem. Idag används vattenkraften som baskraft, vilket rimligen måste betraktas som slöseri.

En snabb titt på Svenska Kraftnäts grafer visar att vi skulle kunna öka kärnkraftsproduktionen ganska ordentligt. Idag minskar andelen stadigt, från mer än 50 procent på årsbasis för några år sedan till bara knappt 40 procent idag. Andelen skulle förmodligen kunna ökas till franska nivåer. I Frankrike produceras ca 77 procent av landets 550 TWh elenergi med kärnkraft och bara 11 procent av vattenkraft. Landet är världens största elexportör och planerar att öka exporten till uppåt 80 TWh.

Om Frankrike haft samma typ av elproduktion som Tyskland skulle landets koldioxidutsläpp vara minst 350 miljoner ton högre än vad de är idag. Alltså nästan åtta gånger mer än vad Sverige släpper ut totalt per år.

Omvänt skulle Tyskland nästan komma ner i franska nivåer med en fransk (eller svensk) elmix. Steget från dagens 9,8 ton per person till 5,4 ton per person vore en verklig framgång. Frankrikes 5,2 ton är i sin tur inte så långt från Sveriges 4,6 ton per person och år. Men vi är förstås fortfarande bäst, åtminstone så länge vi behåller kärnkraften.

Mycket vindkraft
Men tillbaks till Sverige, Danmark och vindkraften. Sverige har i och för sig mer installerad vindkraft än Danmark, men Danmark har oerhört mycket mer i förhållande till den totala elförbrukningen. Den 27 januari blåste det kraftigt (men inte för kraftigt) och de danska vindkraftverken toppade på 4,3 GW, alltså någonstans runt 85 procent av maximal installerad vindkraftseffekt. Två dagar senare toppade Sverige, med 5,5 GW.

Danmark har idag vindkraft med en installerad effekt på ca 43 TWh. Det är 30 procent mer än den totala elförbrukningen i landet (33 TWh). Statistiken säger att vindkraftselen täcker drygt 40 procent av förbrukningen, men då räknar man också det överskott som måste exporteras då det blåser ”för mycket”. En generös bedömning ligger snarare under 35 procent.

Idag har vindkraftutbyggnaden mattats av i Danmark. Det är inte så konstigt. Dubbelt så många vindkraftverk kunde i och för sig ge dubbelt så mycket el. Men vid högproduktion skulle minst hälften behöva slumpas bort till underpris, samtidigt som en dubblering fortfarande är alldeles för lite vid lågproduktion. Om elkonsumenterna behöver mellan 2,6 och 4,2 GW och vindkraften producerar mellan 6 och 9 GW en bra dag innebär det bara att mer än hälften måste exporteras, i värsta fall till negativt pris. Totalt sett kanske vindkraftsandelen ökar till hälften (i bästa fall).

Batterier
Tyskland och Danmark har ingen egen vattenkraft och därför ingen självklar reglerkraft för att buffra vindkraften (även om Danmark använder Sverige som buffert). Men det finns naturligtvis andra lösningar än vattenkraft på problemet med att buffra vind- och solenergi. Det enklaste är att med hjälp av batterier lagra överskottsenergi från blåsiga dagar och på det sättet jämna ut produktionen. Då slipper man också många av de dyra kraftledningar som annars måste installeras.

Frågan är förstås hur långa perioder man måste buffra. I länder som Danmark är ju långa perioder med svag vind relativt ovanliga. Också här är Kontrollrummet ett utmärkt hjälpmedel.

Och man blir faktiskt förvånad. Perioder med svag vind är inte alls särskilt ovanliga. Ett system med bara vindkraft/solenergi och batterier behöver nog en veckas buffertlager för att systemet skall bli stabilt.

I Danmarks fall handlar det alltså om ett buffertlager på drygt 0,6 TWh (33 TWh/52). Om vi översätter det i ”Tesla-batterier” handlar det om 7,4 miljoner batterier (á 85 kWh) eller knappt 10 miljoner batterier om vi vill ha rimlig livslängd (max åttio procent av kapaciteten). Förhoppningsvis är priset lägre än för Teslas ”Powerwall” (350 dollar per kWh), men det är svårt att se priser under 2000 kronor ens på några års sikt. Då talar vi om en investering på 1 500 miljarder kronor och en livslängd på i bästa fall tio år. Det innebär 150 miljarder per år och en knapp femma extra per kWh för alla elkunder. Batterierna skulle förresten väga ca 5 miljoner ton.

Ännu värre för Tyskland
Om vi hanterar Tysklands elförsörjning på samma sätt, alltså vind, sol och batterier, skulle det säkert behövas minst tre gånger så många vindkraftverk som idag. Att buffra hela energibehovet en vecka innebär en batterikapacitet på drygt 14 TWh (600 TWh/52 och max 80 procent av batterikapaciteten). Med 2000 kronor per kWh hamnar vi på 28 000 miljarder kronor för investeringen, eller 2 800 miljarder per år. Batterierna skulle väga 90 miljoner ton.

Vem som helst förstår att det här är orimligt, men ändå förs debatten som om allt bara handlade om ny miljöteknik. Problemet är att Tyskland (och Danmark) på sikt inte har några försvarbara sätt att producera baskraft. Kolkraften måste rimligen bort, eftersom den släpper ut så otroligt mycket koldioxid (bland annat). Men att ersätta med naturgas eller olja är heller inget som tilltalar miljövännerna i Tyskland och Danmark. Att elda ved, sopor och energiskog är kanske ett alternativ i Danmark, men att Tyskland plötsligt skulle börja elda 100 gånger mer skogsavfall och sopor än vad vi gör i Sverige? Nej, det funkar helt enkelt inte.

UHVDC
En del av basbehovet och reglerbehovet i Tyskland skulle kunna hanteras med svensk vattenkraft. Med högspänd likström går det att överföra stora energimängder långa sträckor, även om det blir dyrt.

Men ”dyrt” är förstås ett relativt begrepp. Om vi till exempel byggde en 800 kV UHVDC-kabel från Norrland till Berlin (200 mil) skulle vi kunna klara en toppeffekt på 9 GW, eller maximalt 79 TWh under ett år. Om vi antar att Tyskland behöver tillskott halva tiden blir kapaciteten knappt 40 TWh.

Jag tittade i förra veckan lite snabbt på HVDC-priser i närtid. Den 62 mil långa HVDC-ledningen från Norge till Tyskland, som skall vara klar 2020, kostar 8 miljarder kronor. 200 mil från Norrland till Berlin kostar kanske 25 miljarder med samma prestanda, men här talar vi om betydligt högre kapacitet och spänning. Priset blir säkert minst 50 miljarder kronor och det är nog säkrast att kalkylera med det dubbla (100 miljarder).

Om vi slår ut 50 till 100 miljarder kronor på 10 år och överför 40 TWh per år hamnar vi på 13 till 26 öre per kWh. Det är faktiskt inte alls mycket och efter tio år blir det riktigt billigt. Att producera vattenkraften kostar kanske 20 öre per kWh (högt räknat). Om Tyskland menar allvar med att lägga ner den billiga kolkraften måste man räkna med priser på minst en krona per kWh för reglerkraft och det ger rimligen de svenska vattenkraftsproducenterna en saftig vinstmarginal hur man än ser det.

En ordentlig UHVDC-satsning skulle dessutom ge ABB i Ludvika en välkommen skjuts. Kanske något att fundera på för industriministern.

Ersätt alla kolkraftverk
Ett skojigt tankeexperiment skulle vara att låta Sverige och Norge (och Finland) producera den el som Tyskland och en rad andra EU-länder idag producerar med fossila bränslen och exportera via UHVDC.

Med dagens 74 TWh vattenkraft och samma andel reglerkraft som Frankrike (11 procent) skulle Sverige kunna bygga ut kärnkraften så att vi totalt producerar över 600 TWh el. 150 av dem går åt inom landet och resten går på export till Tyskland och Danmark.

Tillsammans med Norge får vi 200 TWh reglerkraft och kan producera 1800 TWh. Då kan vi ersätta alla fossileldade kraftverk i EU (den totala elproduktionen är 3 100 TWh) och minska utsläppen med kanske 1,5 miljarder ton. Det motsvarar 3 ton koldioxid per person i hela EU och innebär nästan en halvering av utsläppen.

Tjugo till trettio UHVDC-kablar ut i Europa skulle klara belastningen och priset för överföringen skulle förmodligen hamna på rimliga en eller två tioöringar per kWh. Totalt sett borde det hela bli klart lönsamt för köparna och vansinnigt lönsamt för Sverige, Norge och Finland.

I Tyskland gick år 2013 mer än 200 miljarder kronor i subvention till förnybar energi och McKinsey räknar i en rapport med att den siffran stiger till 400 miljarder kronor per år efter 2022 (då sista kärnkraftverket skall vara borta). Det skulle betyda nästan 70 öre per kWh bara i statliga subventioner. Att köpa el från Skandinavien skulle i sammanhanget vara en strålande affär.

Kol och vind ger skev marknad
Tankeexperiment blir sällan verklighet, men i verkligheten måste politiker och media börja titta på de reella kostnaderna för energiproduktion. De senaste åren har alla varit så upptagna med att räkna bort kärnkraften att man missat de verkliga kostnaderna.

Den stora boven i sammanhanget är utan tvekan kolkraften. Kol är billigt och i länder med egna stora kolreserver (som Tyskland) leder kolkraften till massor av arbetstillfällen. Så länge de tyska brunkolskraftverken pumpar ut stora mängder billig baskraft kommer elpriserna i Europa att vara låga.
Det som verkligen ställer till det är kombinationen av stora mängder billig kolkraft och subventionerad vindkraft. Ju större andel vindkraft, desto större blir överskotten vid blåsigt väder. Överskotten måste säljas till underpris och elmarknaden får ännu sämre koppling till verkligheten. Där står vi idag.

Verkliga kostnader
Men om ett land som Tyskland bestämmer sig för att ta tag i miljöeffekterna på allvar blir situationen annorlunda. Då måste kolkraften bort och då blir de verkliga kostnaderna synliga.

Det stora problemet är förstås att ersätta baskraften, utan att ta till kärnkraft och utan att ha tillgång till egen vattenkraft. Det billigaste är förmodligen naturgas, men också olja ger klart lägre koldioxidutsläpp än kol.

Ett fat olja kostar idag runt 50 dollar. Det motsvarar ca 2,60 kronor per liter och 26 öre per kWh vid 100 procent verkningsgrad. Med cirka 40 procents verkningsgrad (enligt Vattenfall) hamnar vi på 65 öre per kWh bara i importerad olja. Med avskrivningar på investeringarna åker priset upp ett par tioöringar.

Gas är lite billigare och kraftverken kan tillverkas med lite högre verkningsgrad. Men ändå är det knappast möjligt att komma under en femtioöring per kWh.

Om all kolkraft i Tyskland byts mot naturgas halveras utsläppen av koldioxid. Dagens 300 miljoner ton från kolkraftverken (förmodligen mer) minskar till 150 miljoner ton. En stor minskning, men fortfarande mer än tre gånger Sveriges totala utsläpp och väldigt långt från koldioxidfri el (som vi har i Sverige).

Vindkraften och solenergin kräver buffertkapacitet och måste räknas upp med de extrakostnaderna. De 50 öre till en krona per kWh som man brukar räkna för vindkraft har egentligen inte särskilt mycket med verkligheten att göra och för solenergin är kostnaderna närmast bisarra.

Ju större andel vindkraft och solenergi som ett lands elproduktion har, desto högre blir därför det verkliga priset. Ungefär en krona per kWh för den användbara vindkraften plus ett par eller några kronor per kWh för den nödvändiga reglerkraften är nog en rimlig skattning.

Allför billigt
Det är lätt att inse att de elpriser som elproducenterna får idag (drygt 20 öre per kWh) inte har mycket med verkligheten att göra. När kolkraften försvinner finns det inte ens några fossildrivna alternativ som hamnar under 50 öre per kWh. Med kärnkraften ur kalkylen hamnar alla fossilfria alternativ en bra bit över en krona per kWh. Värdet av importerad vattenkraft bör vara ett par kronor per kWh.

I Sverige tittar de flesta i miljörörelsen på möjligheterna att klara vår energiförsörjning med en kombination av vindkraft och vattenkraft. Det är en alldeles för snäv bild av verkligheten, när den svenska vattenkraften i stället kan minska utsläppen i Europa.

I Sverige kostar befintlig kärnkraftsel någonstans runt 25 öre per kWh och el från nybyggda kärnkraftverk ungefär det dubbla. Priset för nybyggd kärnkraft ligger ungefär i paritet med fossileldade kraftverk med importerat bränsle.

Nybyggd vindkraft kostar från en femtioöring per kWh och uppåt, plus investeringar i kraftnät. Men vindkraften kräver dessutom full buffertkapacitet från vattenkraften och gör det omöjligt att exportera dyrbar buffertel till Tyskland och övriga Europa. Vindkraften i Sverige blir i det läget mycket dyr, samtidigt som Europa går miste om möjligheter till stora koldioxidreduktioner.

Köp från Tyskland
Om vi antar att Tyskland och Danmark fortsätter vindkraftutbyggnaden och samtidigt fortsätter att producera baskraft (från kol eller gas) infinner sig ett intressant alternativ. I stället för att bygga ut vindkraften i Sverige kan vi köpa billig överskottsel från Tyskland och Danmark. På det sättet minskar vi visserligen inte utsläppen av koldioxid i Europa, men vi slipper i alla fall de fula vindkraftverken.

Om vi antar att Tyskland bygger ut sin vindkraftspark till det dubbla eller med en faktor tre (för att klara 50 procent) kommer man att ha överskott på minst 50 procent av den totala producerade effekten vid blåsigt väder. Det innebär temporära överskott på uppåt 70 GW, som måste säljas till vilket pris som helst. De ca 6 GW som de svenska vindkraftverken genererar vid samma tillfälle blir ganska ointressanta i sammanhanget (och väldigt olönsamma).

På det här sättet skulle vi som sagt inte minska koldioxidutsläppen för Europa, men att slippa en mängd fula och onödiga vindkraftverk är ingen dålig vinst. Kanske vi kan tjäna pengar på tyskar och danskar som turistar i Sverige för att se en oförstörd miljö.

8 Responses to “90 miljoner ton batterier som buffert”

  1. Bra och tankeväckande som vanligt.

    Rimligen är kraven på stationära batterier ganska annorlunda jämfört med krav på batterier till elbilar. Vikten är ju rätt ointressant, så man behöver inte använda litiumbaserad teknik. Borde det inte gå att tillverka väsentligt billigare stationära batterier (per kWh) än elbilsbatterier? Antagligen blir det ändå orimligt dyrt, men argumenten mot batterier blir starkare om man argumenterar mot lämpligast tänkbara teknik (”steel manning” istället för ”straw manning”).

    Du anger pris för nybyggd kärnkraftsel. Det är jätteintressant. Hur har du kommit fram till 50 öre/kWh? Ett argument i debatten brukar ju vara att nybyggd kärnkraft blir ofantligt dyr pga nya säkerhetskrav mm. Olkiluoto 3 brukar framhävas som skräckexempel. Vad är det för sorts nya kärnkraftverk som ger el för 50 öre/kWh?

  2. Vad skulle kostnaden bli för annan enklare batteriteknik än Litiumbaserade celler som är optimerade för extrema strömuttag under korta tider. T.ex nickel-järnbatterier, denna teknik har ju fördelen att vara i det närmaste outslitliga så avskrivningstiden torde väl snarare hamna på 60 år eller mera. Storleken torde inte heller vara något problem, inte heller att man bara kan ta ut låga momentana strömmar ur dom, då det ”bara” är ett dimensioneringsproblem. Att verkningsgraden inte är fantastisk innebär ju egentligen bara att batterilagret borde samlokaliseras med något som kan ta tillvara på förlustenergin. Såvitt jag kan se handlar frågan enbart om livslängd på cellerna, blir den tillräckligt lång går allt att ”räkna hem” om dom skall användas som långtidslagring dvs att ta ut energin under en vecka efter att ha lagrat den i en vecka eller mera.

  3. Är vattenkraft miljövänligt? http://sverigesradio.se/sida/avsnitt/721738?programid=412
    Det blir nog åkerbrasor om vissa får som de vill.

  4. Litiumjonbatterier kostar idag runt 4 000 kronor per kWh och brukar beräknas komma ner i 2 000 kronor år 2025. Det finns också bedömare (från t ex KTH) som tror på 1 500 kronor per kWh år 2025. Nya material som kaliumjon kan minska behovet av litium.
    Blybatterier och nickel-järn-batterier är idag betydligt billigare än litumjonbatterier, men de har inte alls samma trend till fallande pris. Däremot är vikten sådär fem gånger högre, så priset per kg blir en viktig faktor. Det är svårt att se priser särskilt mycket under 1000 kronor per kWh.

    2000 kronor per kWh är alltså ganska billigt för en batteribackup. En storskalig satsning på andra batteritekniker skulle kanske ta ner priset till 500 kronor per kWh (20 kronor per kilo), men i verkligheten är det fordonsmarknaden som driver utvecklingen.

    När det gäller ny kärnkraft brukar man räkna med siffror från 45 öre per kWh och ett par tioöringar uppåt. Det finns också skräckkalkyler över en krona, men då handlar det ofta om uppstart av ny teknik. Olkiluoto 3 är till exempel ett relativt tidigt gen 3-kraftverk.

    Kostnader runt 50 öre per kWh och elpriser på 25 öre per kWh (minus effektskatt) innebär naturligtvis att ny kärnkraft blir vansinnigt olönsam. Här står debatten idag. Men man bortser då från att alla andra alternativ är ännu dyrare.

    Det här blev lite svepande, jag återkommer med mera fakta.

    /göte

  5. Har man gratis ström borde bästa alternativet vara generering av Vätgas, varför har du inte med det i diskussionen ?

  6. Att generera vätgas vid toppar och använda den till att producera el när det behövs låter bra. Jag brukar påpeka att det förmodligen är den rimligaste tekniken i brist på annat.

    Men verkningsgraden är ganska kass och priset är väldigt högt. De som har gott om pengar (Tyskland?) väljer nog en kombination av vätgas och batterier, men vi talar om ganska många kronor per kWh.

    Och en kommentar till Mats: Idag hade det aldrig varit möjligt att bygga vattenkraft på det sätt som vi gjorde före sextiotalet. Miljörörelsen skulle ha stoppat det (i många fall med väldigt goda argument).

    Samma sak gäller överallt i Europa. Ny vattenkraft påverkar naturen alldeles för mycket. Därför gäller det att dra maximal nytta av den värdefulla vattenkraft som redan finns.
    /göte

  7. Jag tittade lite snabbt på moderna NiFe-celler. Tydligen använder man numera mer kadmium än järn i Fe-delen, alltså mera likt NiCD-celler. De NiFe-batterier som finns att köpa på alibaba ligger på minst dubbla priset mot blybatterier (från 2000 kronor per kWh).
    Blybatterier till bilar kostar bara från en tusenlapp per kWh som lägst, men det är svårt att se att de skulle kunna bli särskilt mycket billigare. De innehåller till exempel bly till ett världsmarknadspris av ungefär 375 kr/kWh. Underhållskostnaden är också hög.

    Ärligt talat skulle jag nog inte vilja vara alltför nära backupcentraler med ens hundra tusen ton litiumjonbatterier. Litiumjonbatterier har ungefär en sjättedel så stort energiinnehåll som trotyl och vi talar alltså om ungefär samma energimängd som atombomben över Hiroshima.
    Eller det kanske är bättre att jämföra med vätgas. 100 000 ton litiumjonbatterier motsvarar kanske 1000 ton vätgas om vi tar hänsyn tillverkningsgrad. Men 1000 ton vätgas har en volym på 11 miljoner kubikmeter, motsvarande nästan 30 Globen. Så det är nog bäst att lägga energi på att komprimera.
    I mitt exempel skulle Tyskland behöva 900 sådana här backupcentraler med vardera 100 000 ton litiumjonbatterier eller 11 miljoner kubikmeter vätgas.

    I och för sig är inte vattenkraft ofarligt det heller. En kollapsad damm frigör oerhörda energimängder. Det är bara att googla på Mosuldammen, där just nu mer än en miljon människor riskerar att dö vid en dammkatastrof (risken är just nu obehagligt stor).

    /göte

  8. Tack för fina och tankeväckande inlägg i energidebatten.

    I och med bilindustrins kommande massiva användande av batterier så tror jag att priset per kWh de kommande åren kommer att gå ned mycket fortare än vad som förutspåtts. Troligen kommer de väldigt stora fabriker som byggs av bland annat Teslas vara drivande nedåt på batteripriset, det ryktas att Tesla redan producerar Litiumbaserade batterier för 190 $ per kWh i Nevada. LG, Panasonic och Samsung kommer säkert att svara upp på denna utmaning. Runt 2020 kommer det att finnas många elbilar att välja på med rimlig körsträcka dvs mer än 400km, de blir kanske inte var kvinnas egendom då priset ändå blir högt, men de kommer att finnas. Är inte KTHs uppskattning av batteripris 2025 är lite konservativ?
    Är det inte så att just nu står bilindustrin inför ett val, vad skall man satsa på för energikälla, batterier, bränsleceller, hybrider med förbränningsmotorer mot 2025, är det ett paradigmskifte på gång? Dieslar på mindre bilar är nog snart ett minne blott och hybrider med förbränningsmotor är komplexa. Alla alternativ ovan innehåller olika mängd batterier och ur hållbarhets synpunkt och enkel konstruktion så är en ren elbil att föredra, slutsatsen är att många batterier krävs och därmed ett snabbt sjunkande pris per kWh.