Examensarbete sticker hål på vanligt argument mot vindkraft 

Vindkraftverk
Vindkraft som släpper förbi lite vind kan vara lösningen för att få till ett mer "lyhört" elnät i framtiden. Bild: MostPhotos.
Vindkraft som släpper förbi lite vind kan vara lösningen för att få till ett mer "lyhört" elnät i framtiden. Bild: MostPhotos.

Det brukar sägas att det bara är kärnkraft och vattenkraft som kan hålla elnätet stabilt på 50 Hz. Något som är nödvändigt så att det inte brakar ihop med strömavbrott som följd. Men också vindkraften kan klara uppgiften, enligt ett nytt exjobb i reglerteknik.

För att elen ska fungera räcker det inte med att det finns energikällor som matar in el i nätet. Åtminstone några måste även snabbt kunna justera tillförseln, med max några sekunders fördröjning, så att den går i takt med variationer i användningen. 

Till exempel konsumerar vi vanligtvis mer el morgnar och kvällar och mindre på natten. Energikällorna måste också kunna reglera tillförseln om det plötsligt uppstår tekniska fel i kraftsystemet till följd av exempelvis kortslutning i en generator, en avgrävd kabel eller åsknedslag.

Att det är så viktigt att ha balansen under noga kontroll beror på att växelströmmen i elledningen bara marginellt får avvika från 50 Hertz, det vill säga 50 svängningar per sekund. Det beror i sin tur bland annat på att turbinerna i flera kraftkällor är designade för att rotera vid den hastigheten. 

Endast vattenkraft och kärnkraft fixar frekvensregleringen idag…

I Sverige axlar idag vattenkraften med draghjälp av kärnkraften den här uppgiften. När frekvensen minskar öppnas dammluckorna vilket återställer den rätta frekvensen efter fem till tio sekunder. Kärnkraften, sin tur, dämpar fallet tack vare sina tunga, roterande massor med mycket rörelseenergi, så kallade svängmassor, som gör det totala systemet trögare mot förändringar. 

I takt med att kärnkraften fasas ut och allt mer förnybar el ska stå för elförsörjningen finns farhågor om att vattenkraften inte ensamt räcker till för att agera frekvensreglerare. Att använda el från sol och vind för att automatiskt justera effektbalansen görs inte idag. 

… men också mer ”lyhörda” vindkraftverk kan klara det 

Men det finns ett sätt som diskuterats men aldrig testats i större skala eller i praktiken: Att låta vindkraften som utgångsläge gå på mindre effekt än vad vinden faktiskt medger. Då finns marginal att höja produktionen om frekvensen skulle börja falla. Effekten kan regleras genom att vrida bladen upp mot vinden. Då släpper vindkraftverket förbi lite av den vind bladen annars skulle fånga. 

Johan Lindberg är student i teknisk fysik vid LTH, Lunds universitet, och har gjort simuleringar för svenska och nordiska förhållanden på hur bladvinkelreglering skulle fungera vid en plötslig störning respektive om vindkraften fortsätter som idag. Han har också analyserat vad som skulle hända om kärnkraften i Sverige ersätts med vindkraft och jämfört det med dagens situation. 

Enligt hans resultat skulle metoden med bladvinkelreglering fungera:

– Till och med bättre än idag i vissa fall eftersom dynamiken i ett vindkraftverk är snabbare än dynamiken i vattenflödet hos vattenkraftverk, säger han.

Allra bäst blir det att använda vindkraftverk för frekvensreglering när det blåser mycket.

–  Då bidrar vindkraftverken mest till elsystemet. Och då är elpriset lägst och förlusten att släppa förbi en del av vinden blir minst.

Tillräckligt spelrum vid 90 procents kapacitet

Johan Lindberg har studerat hur det fungerar om en del av vindkraftverken går på 90 procent av sin kapacitet, det vill säga om tio procent av effekten i vinden släpps förbi. Enligt hans beräkningar räcker detta för att vindkraften ska ha tillräckligt spelrum att bidra till frekvensregleringen vid en större plötslig obalans mellan produktion och konsumtion. 

Han har också räknat på ett framtidsscenario där vindkraftverk används som de gör idag, det vill säga att de alltid försöker producera maximal effekt. Det skulle inte fungera särskilt bra, visar han, eftersom frekvensen kraftigt skulle avvika från den nominella 50 Hz vid en större störning. 

Att på något sätt göra vindkraftverken mer flexibla tycks alltså vara en förutsättning om vinden ska spela en större roll i det framtida elsystemet. 

Hur gör man när det inte blåser?  Då kommer det mesta av effekten i elnätet från vattenkraft som har svängmassa som ger tröghet.

–  Detta är redan situationen idag under sommaren när många kärnkraftverk är under revision och det blåser lite, förklarar Johan Lindberg.

Störst problem väntas det istället bli när elen kommer från sol och vind – om vindkraftverken fortsätter som idag och inte tillåts frekvensreglera  – och det därmed finns lite svängmassa.

Bästa lösningen varierar mellan länder

Tanken att justera frekvensen genom att ändra effekten på vindkraftverk är inte ny, men dagens vindkraftverk användas inte så och eventuellt kan vissa mekaniska justeringar behöva göras. Att göra simuleringar är ett första steg.

Ett alternativ till flexibla vindkraftverk kan vara att koppla stora svänghjul till elnätet och på så sätt skapa svängmassa. Eller så kan batterier användas för att reglera frekvensen i ett system med lite svängmassa. Båda dessa alternativ är också realistiska, tror Johan Lindberg.

– Till exempel har Australien börjat använda batterier för frekvensreglering och Skottland har köpt in svänghjul för att öka svängmassan i systemet, säger han.

–  Min gissning är att alla dessa tre kommer att användas. De är associerade med energiförluster och frågan är bara vad som är billigast i olika situationer och i olika länder.

Johan Lindberg kommer fortsätta sitt arbete med frekvensreglering från vindkraft som doktorand på Institutionen för reglerteknik vid LTH.

Läs examensarbetet 

För mer information, kontakta Johan Lindberg, johan [dot] lindberg [at] control [dot] lth [dot] se 046-222 9745 (delad telefon), eller handledare Richard Pates 046 222 97 43 richard [dot] pates [at] control [dot] lth [dot] se

Intresserad av forskning och samhälle?
Prenumerera på Apropå!
I nyhetsbrevet Apropå varvas senaste nytt från Lunds universitet med kommentarer till aktuella samhällshändelser från några av våra 4800 forskare.