Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Power generation and stability of the Swedish electricity system 2045

Rawashdeh, Samir LU (2023) MVKM01 20231
Department of Energy Sciences
Abstract (Swedish)
På grund av energiomställningen, Sveriges mål om att ha en fossilfri elproduktion 2040 samt målet om nettonollutsläpp av växthusgaser 2045 förväntas en omfattande utbyggnad av förnybara energikällor ske. I denna rapport har därför elbehovet, potentialen för elproduktion, möjliga framtida systemproblem samt lösningar undersökts.

Efter en omfattande litteraturstudie har det framkommit att elbehovet kommer att öka till det dubbla i Sverige och den största delen av detta ökade behov förväntas komma från vätgasproduktion för tillverkning av fossilfritt stål. Då antal parter som styr investerinsbesluten för de mest energikrävande projekten är få, råder stor osäkerhet kring hur stor denna ökning faktiskt kommer att bli. I det högsta fallet... (More)
På grund av energiomställningen, Sveriges mål om att ha en fossilfri elproduktion 2040 samt målet om nettonollutsläpp av växthusgaser 2045 förväntas en omfattande utbyggnad av förnybara energikällor ske. I denna rapport har därför elbehovet, potentialen för elproduktion, möjliga framtida systemproblem samt lösningar undersökts.

Efter en omfattande litteraturstudie har det framkommit att elbehovet kommer att öka till det dubbla i Sverige och den största delen av detta ökade behov förväntas komma från vätgasproduktion för tillverkning av fossilfritt stål. Då antal parter som styr investerinsbesluten för de mest energikrävande projekten är få, råder stor osäkerhet kring hur stor denna ökning faktiskt kommer att bli. I det högsta fallet kan elbehovet uppgå till 370 TWh. Med antagandet att elektrifieringstakten i samhället är hög tillsammands med insikten att Sverige har ambitiösa energi- och klimatmål är det sannolikt att det inhemska elbehovet kommer ligga i närheten av 286 TWh. Utöver det förväntas effektbehovet och därmed effektbehovet under topplasttimmen öka markant. Det kommer med stor sannolikhet ligga i intervallet 42 - 49 GW.

När det gäller utbyggnad av vattenkraft verkar det osannolikt med nybyggnation. Kärnkraftens potential och produktion i framtiden kommer bero på ett antal lagar om konstruktion av nya reaktorer, huruvida befintlig kärnkrafts livstid förlängs bortom 60 år samt möjligheten att hantera avfallet. Vindkraften spås bli det dominerande kraftslaget med en årsproduktion på upp till 157 TWh men där det finns ett antal flaskhalsar i form av ansökningsprocessen samt intressekonflikter med andra intressenter som påverkar utbyggnadstakten. Solkraftens potential bedöms vara god trots att Sverige har låg solpotential jämfört med många andra länder, detta då solkraften har få intressekonflikter med andra intressenter. Kraftvärmen kan öka sin elproduktion i det fall då antalet produktionstimmar ökar och värmekraften tar tillvara på spillvärmen. Denna potential är dock beroende av behovet av fjärrvärme, något som kan äventyras av ökande medeltemperaturer och energieffektivare byggnader.

Om kärnkraften fasas ut eller då drifttiden inte förlängs kommer systemets svängmassa och tröghet att minska, vilket kan leda till snabbare frekvensavvikelser och potentiella systemfel. I fallet då kärnkraft inte fasas ut kommer en ökad andel av solproduktion leda till stabilitetsproblem under sommaren. Detta särskilt då det är låg elförbrukning under dagen samtidigt som solkraften producerar som mest och kärnkraften är tagen ur drift för revision under en period på sommaren.

Som en lösning har syntetisk svängmassa föreslagits. I korta drag innebär vindkraften, som vanligtvis inte bidrar med svängmassa, kan göra det under en kort stund genom att använda den upplagrade energin. Detta skulle tillåta vindkraft att temporärt öka sin produktion vid produktionsbortfall, vilket bidrar till systemets stabilitet. Det framgår av rapporten att detta kan täcka Sveriges behov av snabb frekvensreglering (FFR) under en kort tid och med förutsättningen att det blåser.


Det framkommer också att flexibilitet kommer vara avgörande för att inte effektunderskottet ska bli för stort. Detta blir också viktigt för att efterfölja den norm enligt vilken Sverige ska täcka sitt behov med produktion och import under 99.989% av tiden, dvs 0.99 timmar per år. Vid användning av efterfrågeflexibilitet, produktionsflexibilitet och energilager kommer antalet timmar med underskott att vara godtagbart. Med antagandet att alla flexibilitetsresurser används täcks effektbehovet endast inte under 0.5 timmar per år.

Slutligen har energilagring också undersökts. Det har framkommit att pumpkraftverkspotentialen är begränsad av geografin och den höga kostnaden. Batterier lämpar sig bäst för korta variationer medan vätgaslagring bör användas för säsongslagring av elektricitet. Dessutom bör den totala effektiviteten för omvandling av vätgas (under 50%) beaktas, särskilt givet det faktum att effektiviteten för omvandlingen minskar ytterligare då elektrolysen kräver konstant spänning - vilket, till en del, går emot premissen att generera vätgas från den överskottsel som tillkommer till följd av utbyggnad av variabla energikällor. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sverige har ambitiösa mål för att bli mer hållbart, inklusive att ha en fossilfri elproduktion 2040 och
nollutsläpp av växthusgaser 2045. Examensarbetet utforskar möjliga utmaningar som systemet kan
ställas inför genom att titta på landets framtida elbehov och potentialen för de energikällor som kan
byggas i Sverige.

Rapporten visar att elbehovet kommer att fördubblas, främst på grund av det tillkommande behovet av
den fossilfria stålproduktionen. Men det finns osäkerhet kring hur stor denna ökning exakt kommer att
vara. Vindkraft förväntas bli den största energikällan, men det finns utmaningar med att bygga ut den
då endast en liten del av Sveriges yta är tillgäglig för vindkraften. Dessutom visar det sig att en stor del
av... (More)
Sverige har ambitiösa mål för att bli mer hållbart, inklusive att ha en fossilfri elproduktion 2040 och
nollutsläpp av växthusgaser 2045. Examensarbetet utforskar möjliga utmaningar som systemet kan
ställas inför genom att titta på landets framtida elbehov och potentialen för de energikällor som kan
byggas i Sverige.

Rapporten visar att elbehovet kommer att fördubblas, främst på grund av det tillkommande behovet av
den fossilfria stålproduktionen. Men det finns osäkerhet kring hur stor denna ökning exakt kommer att
vara. Vindkraft förväntas bli den största energikällan, men det finns utmaningar med att bygga ut den
då endast en liten del av Sveriges yta är tillgäglig för vindkraften. Dessutom visar det sig att en stor del
av projekten inte godkönns i den långa ansökningsprocessen. Solkraft har också potential trots Sveriges
låga solinstrålning. Detta beror främst på att den kan byggas på platser där andra energikällor inte får
vara.

En del av kärnkraften når slutet av sin livlängd och om inte mer kärnkraft byggs ut kan det uppstå
problem med elnätets stabilitet. En lösning kan vara att offra en liten del av vindkraftenens produk-
tion för att hjälpa till att stabilisera systemet. Detta sker genom att justera hastigheten med vilken
vindturbinerna roterar.

För att säkerställa att det alltid finns tillräckligt med el, även när det inte blåser eller solen inte lyser, behövs flexibilitet i systemet. Flexibilitet introduceras exempelvis genom energilagring samt genom
tillfällig sänkning av förbrukningen.

Sammanfattningsvis visar detta arbete att även om det finns utmaningar framför oss, finns det också
lösningar som kan hjälpa Sverige att uppnå de satta hållbarhetsmålen men att denna omställning kräver
en del investeringar i både utbyggnad samt flexibilitet. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Rawashdeh, Samir LU
supervisor
organization
course
MVKM01 20231
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Duck curve, peak load, capacity factor, availability factor, stability, synthetic inertia, flexibility, ancillary services, solar power, wind power, hydropower, co-generation, heat generation, nuclear power, hydrogen production, electrolysis, fuel cells, V2G, PtG, P2G, P2G2P, ESS, PSH, SMR, NPP, HPP, FFR
report number
ISRN: LUTMDN/TMHP-23/5554-SE
ISSN
0282-1990
language
English
id
9140304
date added to LUP
2023-11-09 10:39:56
date last changed
2023-11-09 10:39:56
@misc{9140304,
  abstract     = {{På grund av energiomställningen, Sveriges mål om att ha en fossilfri elproduktion 2040 samt målet om nettonollutsläpp av växthusgaser 2045 förväntas en omfattande utbyggnad av förnybara energikällor ske. I denna rapport har därför elbehovet, potentialen för elproduktion, möjliga framtida systemproblem samt lösningar undersökts. 

Efter en omfattande litteraturstudie har det framkommit att elbehovet kommer att öka till det dubbla i Sverige och den största delen av detta ökade behov förväntas komma från vätgasproduktion för tillverkning av fossilfritt stål. Då antal parter som styr investerinsbesluten för de mest energikrävande projekten är få, råder stor osäkerhet kring hur stor denna ökning faktiskt kommer att bli. I det högsta fallet kan elbehovet uppgå till 370 TWh. Med antagandet att elektrifieringstakten i samhället är hög tillsammands med insikten att Sverige har ambitiösa energi- och klimatmål är det sannolikt att det inhemska elbehovet kommer ligga i närheten av 286 TWh. Utöver det förväntas effektbehovet och därmed effektbehovet under topplasttimmen öka markant. Det kommer med stor sannolikhet ligga i intervallet 42 - 49 GW.

När det gäller utbyggnad av vattenkraft verkar det osannolikt med nybyggnation. Kärnkraftens potential och produktion i framtiden kommer bero på ett antal lagar om konstruktion av nya reaktorer, huruvida befintlig kärnkrafts livstid förlängs bortom 60 år samt möjligheten att hantera avfallet. Vindkraften spås bli det dominerande kraftslaget med en årsproduktion på upp till 157 TWh men där det finns ett antal flaskhalsar i form av ansökningsprocessen samt intressekonflikter med andra intressenter som påverkar utbyggnadstakten. Solkraftens potential bedöms vara god trots att Sverige har låg solpotential jämfört med många andra länder, detta då solkraften har få intressekonflikter med andra intressenter. Kraftvärmen kan öka sin elproduktion i det fall då antalet produktionstimmar ökar och värmekraften tar tillvara på spillvärmen. Denna potential är dock beroende av behovet av fjärrvärme, något som kan äventyras av ökande medeltemperaturer och energieffektivare byggnader. 

Om kärnkraften fasas ut eller då drifttiden inte förlängs kommer systemets svängmassa och tröghet att minska, vilket kan leda till snabbare frekvensavvikelser och potentiella systemfel. I fallet då kärnkraft inte fasas ut kommer en ökad andel av solproduktion leda till stabilitetsproblem under sommaren. Detta särskilt då det är låg elförbrukning under dagen samtidigt som solkraften producerar som mest och kärnkraften är tagen ur drift för revision under en period på sommaren. 

Som en lösning har syntetisk svängmassa föreslagits. I korta drag innebär vindkraften, som vanligtvis inte bidrar med svängmassa, kan göra det under en kort stund genom att använda den upplagrade energin. Detta skulle tillåta vindkraft att temporärt öka sin produktion vid produktionsbortfall, vilket bidrar till systemets stabilitet. Det framgår av rapporten att detta kan täcka Sveriges behov av snabb frekvensreglering (FFR) under en kort tid och med förutsättningen att det blåser.


Det framkommer också att flexibilitet kommer vara avgörande för att inte effektunderskottet ska bli för stort. Detta blir också viktigt för att efterfölja den norm enligt vilken Sverige ska täcka sitt behov med produktion och import under 99.989% av tiden, dvs 0.99 timmar per år. Vid användning av efterfrågeflexibilitet, produktionsflexibilitet och energilager kommer antalet timmar med underskott att vara godtagbart. Med antagandet att alla flexibilitetsresurser används täcks effektbehovet endast inte under 0.5 timmar per år. 

Slutligen har energilagring också undersökts. Det har framkommit att pumpkraftverkspotentialen är begränsad av geografin och den höga kostnaden. Batterier lämpar sig bäst för korta variationer medan vätgaslagring bör användas för säsongslagring av elektricitet. Dessutom bör den totala effektiviteten för omvandling av vätgas (under 50%) beaktas, särskilt givet det faktum att effektiviteten för omvandlingen minskar ytterligare då elektrolysen kräver konstant spänning - vilket, till en del, går emot premissen att generera vätgas från den överskottsel som tillkommer till följd av utbyggnad av variabla energikällor.}},
  author       = {{Rawashdeh, Samir}},
  issn         = {{0282-1990}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Power generation and stability of the Swedish electricity system 2045}},
  year         = {{2023}},
}