Blåsningen i Europa
Jag hittade härom dagen en illustration över september månads elproduktion från vindkraftverk i Mellaneuropa. Så jag kunde inte låta bli att grotta ner mig en stund i Fraunhofers utmärkta statistik. Siffrorna borde vara intressanta för alla som vill se ett energisystem enbart baserat på sol och vind.
Det svänger
Problemet är som vanligt att vindkraftverk producerar energi bara när det blåser och att effekten varierar med kubiken på vindstyrkan. Om vinden går från två till åtta sekundmeter (en faktor 4) kommer den genererade effekten att öka med en faktor 64. När den går tillbaka till två sekundmeter minskar effekten med 98 procent. Redan en minskning från åtta till fyra sekundmeter innebär 88 procent lägre effekt.
Att det fungerar så här i verkligheten framgår av den här figuren från september i år. Den visar uteffekten över tiden för vindkraften i Tyskland, Frankrike, Polen, Danmark, Österrike, Holland Tjeckien och Schweiz.
Tyskland dominerar förstås, men det är intressant att se hur väl de olika grannländernas elproduktion följer varandra. Man kan alltså inte jämna ut elproduktionen från vindenergi genom att importera eller exportera från och till grannländerna. Det är annars något som ofta sägs (det blåser alltid någonstans).
Figuren visar också de våldsamma svängningarna. Under de fyra mycket blåsiga dagarna från 11 till 15 september varierade uteffekten bara med en faktor två, men redan nästa dag dök effekten med en faktor sex. Den 17 september var den genererade effekten nere i mindre än 4 procent av vad den varit tre dagar innan.
Då skall vi ändå komma ihåg att det här är genomsnittet av Mellaneuropas vindproduktion. De lokala variationerna är ännu större.
Bara Tyskland
Figuren ovan visar att Tyskland är det helt dominerande landet vad gäller vindkraft. Danmark har visserligen större vindkraftsproduktion per invånare, men Tyskland har fler invånare (nästan 15 gånger fler). Så det räcker egentligen att titta på Tyskland.
En stor fördel är att Tyskland är bra på statistik, faktiskt lika bra som Sverige. Så det är inte ett dugg svårt att hitta användbara data. En bra källa är Fraunhofer-institutet där det mesta finns i lättillgänglig form på nätet.
Om vi börjar med en titt på Fraunhofers septembersiffror för tysk elproduktion ser vi mycket riktigt att elproduktionen från vind och sol varierar dramatiskt. Mitt på dagen den 13 september stod faktiskt sol och vind för ca 85 procent av elbehovet. I verkligheten blev den producerade andelen något mindre, eftersom man lyckades exportera en del av överskottet.
Statistiken visar att Tyskland redan med dagens utbyggnad av vindkraftverk och solpaneler kan producera all den el som behövs om bara förhållandena är perfekta. Det tycker nog många är fantastiskt.
Men om vi går till verklig producerad el för september blir det genast betydligt tråkigare. Vindkraften stod i september för 17,1 procent av elproduktionen och solenergin för 8,1 procent. Det är inte lika imponerande. Tittar man dessutom närmare på topparna i elproduktionen och jämför med rimlig förbrukning verkar det som om det redan dumpas en hel del toppeffekt (åtminstone prisdumpas). Mer om det längre fram.
Fyra gånger mer
Om sol och vind klarar en fjärdedel av elproduktionen borde det enkla receptet vara att installera fyra gånger så mycket vind- och solenergi som idag. Då borde väl Tyskland kunna koppla bort både kolkraftverk och kärnkraftverk?
Om vi utgår från septembersiffrorna ser vi att det inte alls är så enkelt. Från 6 september till 15 september skulle det ha gått ganska hyfsat, med gigantisk överproduktion en del av tiden och bara sex eller sju större blackouts. Men resten av tiden hade varit en mer eller mindre total katastrof, med allt från nästan ingen elproduktion alls till korta perioder av nästan tillräcklig elförsörjning. Fyra gånger tio procent är fortfarande bara 40 procent och fyra gånger ingenting är ingenting.
En enkel uppskattning utifrån septembersiffrorna visar att en det mesta av en fyrfaldig ökning skulle försvinna i överproduktion under de perioder då vinden blåser och solen lyser. På sin höjd hälften av produktionen från sol och vind skulle i det här läget kunna hanteras i Tyskland. Hälften av energibehovet måste fortfarande komma från konventionella energikällor och nu med dramatiskt mycket större svängningar. I Tyskland kommer bara 3,7 procent av elförsörjningen från vattenkraft, så det är ont om snabbreglerbara kraftkällor.
Kraftig överproduktion
Att sälja överproduktionen till grannländerna låter kanske som en bra idé, men att bli av med mer än 100 GW på ett bräde är inte lätt. Det handlar faktiskt om dubbelt så mycket som hela Tysklands effektbehov. Även om man bygger kraftledningar som klarar överföringen finns det knappast något land som klarar att importera den typen av momentana effekter.
Dessutom tyder allt (fig 1) på att grannländerna kommer att ha samma problem som Tyskland. När Tyskland har överproduktion gäller samma sak i alla grannländer som har satsat på vindkraft. Elenergi måste konsumeras i samma ögonblick som den produceras.
Batterier
Så det är bara att inse problemet. En massiv vindkraftsutbyggnad förutsätter massiv energilagring. Alternativet är massiv energidumpning.
Energilagring är i och för sig inget nytt. I både Storbritannien och Tyskland finns stora pumpkraftverk som lagrar energi i dammar på högre höjd och hämtar tillbaka energin när den behövs. Det finns också batterier, kondensatorer och svänghjul för att lagra energi kortare tider.
Problemet är bara att energilagring är så fruktansvärt dyrt. Det vet alla som har en elbil. Ett batteri till en Tesla, med en kapacitet runt 100 kWh går löst på ca 300 000 kronor. Det går kanske att komma ner i 2 miljoner kronor per MWh, men knappast så värst mycket lägre med dagens teknik.
28 biljoner
Antag alltså att vi multiplicerar energiproduktionen från vind- och solkraftverk i Tyskland med en faktor fyra. Om vi utgår från septembersiffrorna skulle vi från 6 september till 15 september ha en överproduktion motsvarande minst en veckas elförbrukning, alltså ca 12 TWh. Det skulle kanske inte riktigt räcka för de följande två ”dåliga” veckorna, men vi skulle i alla fall komma i närheten.
Ett litiumjonbatteri som klarar 14 TWh (minimal marginal för djupurladdning) skulle kosta minst 28 biljoner kronor och väga ca 90 miljoner ton. Med tio års avskrivning talar vi om 2,8 biljoner kronor per år eller en knapp femma per kWh för all el som produceras i Tyskland.
I praktiken skulle man förstås sprida ut batterierna närmare användarna, men det förändrar inte grundförutsättningarna. Med en krona för produktionen, en femma för lagringen och ett par kronor för elnäten blir elen löjligt dyr. Till och med dagens tyska konsumentpris, i närheten av tre kronor per kWh, är alldeles för högt för att elbilar och värmepumpar skall ha minsta chans.
Märkliga toppar
Den tyska elproduktionen är redan idag allvarligt svängig. Topparna mitt på dagen från solpanelerna ger variationer som verkar svåra att ta hand om.
Det här märks väldigt tydligt om man jämför med det svenska elnätet, där förbrukningen över dagen är ganska jämn. Timmarna mellan midnatt och tidig morgon (05.00) ligger drygt 20 procent lägre, men under hela dagen är förbrukningen ganska jämn.
I Tyskland dyker förbrukningen på natten ner till ca 40 GW, för att stiga till ca 65 GW mitt på dagen. Produktionstoppen mitt på dagen beror på solenergin och kompenseras i viss mån av export. Men det är lite märkligt att elkonsumtionen också toppar så kraftigt klockan 12.00. Förmodligen får en del industriella storkonsumenter köpa extra billig el just då. För det kan väl inte vara så illa att man redan tvingas dumpa el för att klara regleringen.
Mycket kvar att lösa
De här funderingarna har jag i första hand baserat på de tyska siffrorna för september, men jag har förstås kikat på en rad andra månader också.
För det mesta hamnar månadsgenomsnittet för kombinationen sol/vind mellan 20 och 30 procent av elproduktionen, men de verkliga svängningarna är enorma. Ofta handlar det om några dagar med hög produktion följda av ganska långa perioder med minimal produktion. I januari följdes till exempel två hyfsat bra veckor av två veckor där utbytet från vindkraft och solenergi var nära noll.
Kommer då Tyskland att fortsätta att bygga ut sol- och vindenergi för att nå sina högt ställda mål? Ärligt talat tror jag inte det. Det blir helt enkelt för dyrt och för ineffektivt. Många av de tyska politikerna börjar också knorra över de fantastiska utgifterna och de uteblivna utsläppsminskningarna.
Och de vill nog inte se de enorma koldioxidutsläpp som skulle bli resultatet av att tillverka 90 miljoner ton litiumjonbatterier.
Filed under: Göte Fagerfjäll
Energilagring är spännande.
Ett Svensk företag har patent på en metod att lagra energi i salt. Produkten, eller möjligen företaget, heter Saltex. Enligt dem själva, så har man kommit på något helt fantastiskt. Efter att ha sett deras reklamsnuttar på nätet är det dock en sak som jag inte blir klok på, hur mycket energi kan man lagra i exempelvis en kubikmeter av deras salt och i så fall till vilken kostnad?
Kanske du kan grotta i det Göte och förklara för oss vanliga dödliga på ditt lättbegripliga sätt
Jag var perifert inblandad i en köpenickiad där IG Nobelvinnaren Dr Yoshiro Nakamats, via ett företag som lagrade energi i magnesiumoxid (i princip täljsten) vid hög temperatur, närmade sig Nobelstiftelsen för att få ett Nobelpris i uppfinneri. Hela historien är ganska roande.
Vad jag lärde mig var att det kan löna sig att utnyttja skillnaden i energipris mellan perioder med hög förbrukning och låg förbrukning.
Detta var på den tiden som energipriset sattes som ett resultat av varierande efterfrågan mellan dag och natt. Det vill säga långt innan sol och vind med sin varierande produktion i någon nämnvärd grad ytterligare försvårade situationen.
Det fanns till och med konkreta planer på att bygga ett stålverk i Anderna och driva det med en kombination av vind och högtemperaturlagring av energi. Det blev aldrig, så vitt jag vet, verklighet.
Men principen känns ganska sund. Med 600-700 K mellan högsta och lägsta temperatur i lagret kunde man få riktigt bra prestanda.
Jag skrev om liknande frågor i ett svenskt perspektiv för några år sedan, och visade att svensk vattenkraft skulle kunna lösa problemet med ojämn vindelproduktion för Sverige. Se https://www.svd.se/sverige-skulle-kunna-fylla-pa-vattenmagasin.
Till Christer Svensson:
Jag får det också till att dina antaganden och siffror som du redovisar i artikeln skulle fungera i teorin. Maximal använd effekt från vattenkraften ligger idag på ca 13GW och en dubbling skulle med bara aningens extra kraft klara topparna.
Nu till verkligheten. Vattenkraften ”kan” inte producera mindre än ca 3GW. Då får man antingen spilla vatten eller torrlägga älvar och därmed bryta mot vattendomar. Det är alltså omöjligt att spara så mycket som skulle behövas utan att bygga ut vindkraften så mycket att vi kan ha vattenkraften avstängd även vid måttlig vind. Då får man ett stort överskott vid starka vindar som vi får spilla.
Att dubbla flödet kräver en extrem ombyggnad av alla älvfåror som effektivt skulle utplåna det ekosystem som trots all reglering finns kvar.
Det som diskuteras nu är att skärpa vattendomarna, inte göra dem mer generösa.
Ladda gärna hem SVK:s statistik timme för timme för hela 2016. Multiplicera vindkraften med ungefär 5 för att ersätta kärnkraften sett i årsproduktion. Se hur extrema överskott och underskott vi får och inse att vattenkraften helt enkelt inte räcker till för reglering.
Det är lite trist att SaltX nte uppger några siffror om sin produkt på sina webbsidor. Jag hittade en vetenskaplig artikel av Michael Steiger, University of Hamburg, med en siffra på absorbtionsenergin för systemet MgSO4/H2O, lagringskapacitet 2.3GJ/m3 (dock oklart hur denna volym defineras). Detta skulle motsvara en volym på 0.15m3 för 100kWh (om jag räknat rätt), betydligt mindre än motsvarande litiumbatteri. Så det verkar ju lovande. Men nu är detta värmelagring, så vill vi återvinna el behöver vi en värmemaskin med sådär 30% verkningsgrad. Dock skulle SaltX teknik passa bra i ett kraftverk där solvärme omvandlas till el via en värmemaskin; då kan man spara solvärmen innan omvandlingen.
Jag tittade faktiskt på värmeutjämning med salter för villauppvärmning redan på sjuttiotalet. Det fanns till exempel en variant med en sorts saltpåsar i mellanbjälklaget. Lite av en jättestor kakelugn. I praktiken var det inte riktigt lika lätt och på senare tid har jag inte sett något liknande.
Men problemet är förstås, som Christer påpekar, att det är skillnad på värmelagring och direktlagring av el. Att köra vägen via el – värme – el blir rimligen väldigt ineffektivt. Och det är ju trots allt el som tyskarna behöver lagra. Uppvärmning sker ju nästan helt med fossila bränslen och biobränslen och där finns inga lagringsproblem.
Samma sak gäller väl tyvärr vätgaslagring. Verkningsgraden från el till el blir låg. Om man kan utnyttja vätgasen direkt, i till exempel vätgasbilar blir det kanske acceptabelt, men ändå väldigt dyrt.
Hur man i Tyskland och grannländerna skall lösa energilagringen vete tusan. Vattenkraften är minimal och det skulle bli ett herrans liv om man började bygga gigantiska pumpkraftverk och jättelika artificiella dammar med dramatiskt varierande vattennivå. Om man fortsätter att bygga ut vindkraften radikalt är det nog svårt att se något vettigt alternativ till kortvarig batterilagring och massiv dumpning av el vid topparna. Det är svårt att hitta en energikrävande industri som kan köras intermittent och kanske bara tio eller tjugo procent av tiden.
Men den som har en sådan industri kan säkert få tillgång till gratis el.
I Sverige har vi lyxen att ha både vattenkraft och kärnkraft. Sedan åttiotalet har vi en väl fungerande elproduktion utan koldioxidutsläpp.
Den produktionen skall vi nog vara rädda om.
/göte
Till STB:
Du har naturligtvis rätt; dubbla flöden i älvfårorna blir problematiskt. Jag var alltför upptagen med tanken att det var de stora magasinen som var miljöproblemet då jag skrev artikeln. Dock, vattenmagasinen är en mycket värdefull resurs, synd om man inte kan utnyttja denna bättre. Sedan kan man ju undra om de som vill ändra i vattendomarna väger in den globala uppvärmningen i sina bedömningar.
Många aspekter här. Så borde alla diskussioner föras.
Jag hittade en rapport från 1985 där Vattenfall Älvkarlebylaboratoriet testade en keramisk ackumulator. Rapporten har nummer FUD-B-85:8 och där testas en mindre ackumulator som ger en dygnsverkningsgrad på ca 80%
I en senare rapport (24 augusti 1993) med projektnummer 53153 testas en förbättrad version där energiverkningsgraden (uttagen/tillförd energi) är 95%
Det känns som om lite fritt tänkande skulle kunna leda till ett centralt energilager för en vindkraftpark där energin lagras i högtemperaturkeramik och tas ut i form av el i en Sterlingmotor, vars verkningsgrad inte är underkastad Carnotcykelns begränsningar utan kan ligga på upp mot 60%
Kommentarer välkomnas
Jag tänkte på det här med litium, och alla batterier som vi skall ha för olika ändamål. Hur mycket litum som ingår i ett batteri vet jag inte, men en hel del kan jag tänka mig.
Enligt https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium#Occurrence
finns runt 47 miljoner ton tillgänligt på jorden?
Det gäller att bygga sina batterifabriker fort.
Götes 90 miljoner ton batterier för dessa länder var tionde år…
Peak litium snart?
Hej Kjell
Som tur är innehåller batterierna inte bara litium. Litiuminnehållet lär vara ca 150 g per kWh, grovt räknat och det borde innebära ”futtiga” 2 miljoner ton litium för ett batteri på 14 TWh.
Men det är klart – om vi skall ersätta världens 1 miljard bilar med elbilar går det åt en hel del litium, sådär 15 miljoner ton. Och om alla världens elnät skall batteriuppbackas blir det riktigt ”hårigt”. Speciellt som det verkar närmast omöjligt att återvinna batterierna på ett vettigt sätt.
I verkligheten lär nog elbilarnas genombrott vänta på sig, men det kan ändå bli problem med litiumtillgången. I Sydamerika finns visserligen stora reserver, men att bryta litium ställer tydligen till det något alldeles hemskt. Så på sikt kanske man ändå måste titta på utvinning ur vatten. Där finns hur mycket litium som helst för den som har råd att fixa fram det.
/göte
Med dagens teknologi och kända tillgångar verkar kobolt vara den begränsande faktorn för hur många litiumbatterier vi kan tillverka. Det är dessutom en sk konfliktmineral som utvinns i Afrika i gruvor som ockuperats av gerillatrupper.
Tillbaka till ursprungsfrågan. Professor Lennart Söder, KTH, har tillsammans med andra forskare gjort noggranna analyser av ett flertal rapporter om hur vind- och solenergi kan integreras i europeiska elsystem. De finner att åtminstone 30-40% vind/sol kan integreras utan extra energilagring.