2023-03-02
Elektricitet brukar benämnas som en färskvara på grund av att den måste användas i samma tidpunkt som det produceras. För att ett elsystem ska fungera måste därför systemets totala elproduktion vara helt likställt med elanvändningen i ett givet ögonblick. Nätets frekvens anses enkelt sagt vara den referens vi har för att se hur denna balans mellan produktion och konsumtion ser ut. Om frekvensen faller för lågt eller ökar för mycket finns risken att elektrisk utrustning tar skada eller att det blir en total blackout i nätet.
Sverige ingår i det nordiska synkronområdet där även Finland, Norge och ca halva Danmark ingår. I det nordiska nätet så används 50 Hz som nätfrekvens. På grund av synkroniseringen kommer bortfall av elproduktion i ett av dessa länder direkt påverka frekvensen i de andra. Den organisation som ansvarar för att nätet har en konstant frekvens på 50Hz är nätets systemoperatör, vilket i Sverige är Svenska Kraftnät (SvK). SvK samarbetar kontinuerligt med de andra ländernas systemoperatörer för att hålla frekvensen balanserad.
Frekvensen pendlar kring 50 hertz
Planeringen för hur mycket el som ska produceras görs genom marknaderna för fysisk handel av el, Nord Pool Elspot och Elbas. På dessa marknader anges exakt hur mycket el som producenter och konsumenter planerar att avropa varje timme, och till vilket pris. Förutsättningarna för att konsumera och producera el förändras dock kontinuerligt för deltagare i nätet. Små avvikelser i konsumtion och produktion av el påverkar frekvensen hela tiden. I praktiken är det därför helt omöjligt för ett elsystem att alltid vara i balans på exakt 50 Hz.
För att komplettera Nord Pool marknaderna och finjustera balansen av produktion och konsumtion använder sig SvK av olika frekvenshållningsreserver. För mindre störningar mellan 49,9–50,1 Hz används reserven Frequency Containment Reserve – Normal (FCR-N). Denna reserv utnyttjas hela tiden under normal nätdrift och består till stor del av reglerbar vattenkraft. Om det sker en större incident, som exempelvis ett plötsligt bortfall av en stor elproducent, kommer dock frekvensen att falla mycket snabbt.
Hur mycket frekvensen påverkas beror i stort på tre faktorer: storleken på händelsen, nätets motståndighetskraft och tillgängliga reserver för att hantera störningen. När frekvensen sjunker under 49,9 Hz så kommer nästa frekvenshållningsreserv att slå in: Frequency Containment Reserve – Disturbance (FCR-D). Denna har som uppgift att upprätthålla frekvensen i nätet tills att avhjälpande åtgärder kan sättas in.
Rotationsenergi som buffert
En viktig faktor i sammanhanget är hur snabbt frekvensen ändrar sig, eftersom det avgör hur lång tid som finns tillgänglig för FCR-D resurserna att aktiveras. Nätets motståndighetskraft för frekvensförändringar, eller tröghet, är ett mått på hur mycket rotationsenergi som finns i elsystemet. Denna rotationsenergi är det som i folkmun brukar benämnas svängmassa. Till nätets svängmassa räknas endast den rotationsenergi som finns i de maskiner i elnätet som roterar i fas med nätets frekvens, så kallade synkronmaskiner. Till dessa hör bland annat turbiner från vattenkraftverk, kärnkraftverk och turbiner från olika typer av värmekraftverk. Bidraget av rotationsenergi från en synkrongenerator avgörs främst av rotorns massa, radie, rotationshastighet och effektproduktion. Enkelt sagt erhålls alltså större bidrag till systemets tröghet desto större turbin som används vid elproduktionen.
Nätets svängmassa beror inte endast på synkrongeneratorer som producerar el utan även på synkronmaskiner som konsumerar el. Totalen av dessa är dock mindre i sammanhanget. Vindkraftverk innehar i viss mån också rörelseenergi i form av roterande vindturbinblad, men dessa är inte synkront kopplade till elnätet. I stället är de anslutna genom kraftelektronik och rotationshastigheten för ett vanligt vindkraftverk är oberoende av frekvensen i nätet. På så sätt tillför inte vanliga vindkraftverk någon tröghet i elsystemet.
Effektskillnader i konsumtion och produktion som påverkar frekvensen sker dygnet runt. Mindre avvikelser är bara synliga som bakgrundsbrus i frekvensen på grund av rotationsenergin och påverkar frekvensen väldigt lite. När det sker ett större produktionsbortfall kommer dock frekvensen att sjunka avsevärt då det produceras mindre el än vad som konsumeras. Men elen som konsumeras måste alltid komma någonstans ifrån och mekanismen som tillgodoser detta är nätets rotationsenergi.
Nätets synkrongeneratorer kommer vid denna typ av händelse plötsligt belastas med mer än den effekt som deras turbiner producerar. På grund av denna skillnad bromsas den roterande turbinen ner och rörelseenergin som tappas när hastigheten minskar omvandlas till el. Detta levereras sedan som el ut i nätet av generatorn. Eftersom rotationshastigheten i turbinerna är synkrona med frekvensen i elnätet, alltså i fas, så kommer också nätets frekvens att sjunka när detta händer. Ju mer roterande massa som finns i nätet, desto längre tid tar det att sänka frekvensen. Nätets svängmassa fungerar därför som en buffert för balansen av elproduktion och elkonsumtion, både för lindriga och kraftiga störningar.
Kärnkraftnedläggningen gav nytt reservbehov
Under perioden 2017 - 2020 stängdes i Sverige fyra kärnkraftsreaktorer med en kombinerad nettoeffekt på över 2800 MW: Oskarshamn 1 och 2 samt Ringhals 1 och 2. Utöver bortfallet av elproduktion försvann också den rotationsenergin som fanns i kärnkraftverkens turbiner från det svenska elnätet.
Risken för att elnätet skulle förlora svängmassa var känd sedan tidigare. Redan hösten 2013 såg de nordiska nätoperatörerna att framtidens nät kunde komma att ha mindre synkronmaskiner och i stället gå mot mer intermittent energiproduktion. Därför startades en utredning i två delar om huruvida den minskade mängden rotationsenergi riskerade att påverka driftsäkerheten i det nordiska nätet. Utredningen visade att under tidsperioder då rotationsenergin i elnätet var särskilt låg så skulle FCR-D ha för lite tid på sig att aktiveras. En sådan situation skulle exempelvis kunna uppstå då en kärnkraftsreaktor är under revison och det är hög andel av vindkraft i produktionsmixen. Frekvensen skulle då kunna bli så låg att det resulterar i delvis bortkoppling av konsumenter eller total kollaps av elnätet.
Som svar till detta så skapades det 2020 en ny reserv, Fast Frequency Reserve (FFR). Denna reserv aktiveras stegvis då frekvensen understiger 49,7 Hz under perioder med låg rotationsenergi i nätet. Syftet med reserven är att på väldigt kort tid kunna bistå med energi och utgörs därför av snabba resurser som exempelvis batterilager. FFR och FCR-D jobbar i symbios så att frekvensen inte går under 49,0 Hz på vare sig sekundnivå eller minutnivå. På så sätt så kan den minskade trögheten i nätet hanteras och frekvensen upprätthålls även vid ett stort bortfall av elektrisk produktion.
Under perioden 2022–2027 skärps kraven på FCR-D, vilket gör att reserven ska klara snabba frekvensändringar bättre. Detta kommer att påverka mängden FFR som behöver upphandlas något, men framtidens behov uppskattas vara ungefär samma som idag.
I det svenska nätet finns idag ingen hårt dragen miniminivå för vilken mängd svängmassa som är för lite. Den frekvensstörning som upphandlad FFR ska klara av att hantera avgörs av den dimensionerande incidenten, vilket är det största enskilda felfallet som kan ske. I det nordiska nätet är detta ett bortfall av kärnkraftsreaktorn Oskarshamn 3 som producerar 1450 MW elektricitet. I andra nät kan det i stället vara en stor utlandsförbindelse som plötsligt kopplas av.
Finska Olkiluoto 3 kommer under full drift ha en elektrisk effekt på 1600 MW, men har skyddssystem som aktiveras vid en reaktortripp och sänker frekvenspåverkan till 1300 MW. Då det bortsett från Olkiluoto 3 idag inte finns någon planerad enskild elproduktionskälla eller utlandsförbindelse större än Oskarshamn 3 så kommer den dimensionerande incidenten inte att öka inom den närliggande framtiden.
Svängmassa möjlig framtida kassako
Historiskt sett har mängden rotationsenergi i nätet inte varit ett problem. Eftersom en väldigt stor del av elmixen tidigare bestod av produktion från synkrongeneratorer så var tillgången god. FCR-D reserverna kunde därför utföra sin uppgift på egen hand även då rotationsenergin var lägre än vanligt. Tillförandet av ytterligare rotationsenergi bidrog därför inte med någon större monetär nytta. I dagens elsystem med mer kopplad kraftelektronik och färre synkrona maskiner har förutsättningarna ändrats. När rotationsenergin idag är låg så måste FFR reserver upphandlas, vilket indikerar att svängmassa idag har ett monetärt värde under dessa timmar. Med denna bakgrund konstaterade SvK att det vore lämpligt att införa ersättning för rotationsenergi.
En enkel modell skulle kunna vara utformad så att producenter får ersättning för rotationsenergi under de perioder då nivån ligger för lågt. På så sätt skapas extra incitament för synkrona elproducenter att tillföra effekt till nätet under denna tid. Den nyttiga trögheten i elsystemet som rotationsenergi bidrar med gynnar dock hela synkronområdet. Att endast ersätta svenska producenter för rotationsenergi kan därför ge ogrundade konkurrensfördelar mellan producenter i olika länder, och ett nordiskt perspektiv för ersättning måste därför tas till hänsyn. Snabba frekvensregleringsreserver och rotationsenergi kan också delvis bidra med samma nytta för elsystemet. Ersättningsmodeller och marknadsutformningar bör därför vara teknikneutrala för att få så samhällsekonomiskt gynnsamma lösningar som möjligt.
Detta finns det en gemensam förståelse för hos de nordiska systemoperatörerna. En översyn för ersättningsmodeller av snabb frekvensreglering och mekanisk rotationsenergi i det nordiska nätet är därför planerat att påbörjas under första halvåret 2023.