Säkrare energi med samordnad el- och värmeproduktion

29 mars 2022

Kraftledningar

Vårt elsystem skulle kunna stärkas om överskottsvärme från fjärrvärmeverk togs till vara.

Genom att lägga om och samordna produktionen av el och värme skulle Sveriges energisäkerhet kunna höjas och elnätets stabilitet stärkas. Med omläggningen skulle man också kunna minska användandet av biomassa, vilket skulle vara bra för biodiversiteten. Det är slutsatserna i en ny sammanläggningsavhandling från Uppsala universitet.

– I dag läggs en stor del av energiproduktionen inom fjärrvärmesektorn på värmeproduktion, och elen kommer i andra hand. I min forskning har jag vänt på det. Värme går att lagra och spara i mycket större utsträckning än el. Om vi prioriterade behovet av att balansera elnätet skulle vi kunna producera el och värme i kraftvärmeverk då elbehovet är stort samt konsumera el för värmeproduktion i värmepumpar då det finns god tillgång på el. Överproducerad värme, som det saknas direkt behov av, lagras i storskaliga värmelager till värmekonsumtionen under de kalla månaderna, säger Svante Monie, doktor i teknisk fysik med inriktning mot byggd miljö, vid Uppsala universitet.

Kraftbalanserade tjänster

I sin avhandling beskriver han hur Sverige skulle kunna använda fjärrvärmesystemen till att stärka elsystemet med så kallade kraftbalanserade tjänster. Det vill säga att fjärrvärmeanläggningarnas produktion justeras i realtid utifrån rådande elbalans. Med detta menas dels produktion av el i kraftvärmeverken när elproduktion från sol- och vindkraft är låg, men även konsumtion av el när det råder hög tillgång på el från dessa. Det här förutsätter att fjärrvärmeproduktionen planeras utifrån elbehovet istället för utifrån värmebehovet som i dag.

– Det finns även en lokal aspekt här. I dagsläget har vi cirka 500 fjärrvärmesystem, varav ett drygt 100-tal har kraftvärmeverk som kan producera både värme och elektricitet. Alla fjärrvärmesystem är lokala, säger Svante Monie.

Urbanisering och ökade elektrifiering har gjort att till exempel Stockholm, Uppsala och Malmö har kapacitetsbrist i sina elnät. Vissa tider behöver städerna mer än vad elnäten kan leverera. Fjärrvärmesystem med kraftvärmeverk kan fylla en viktig kraftförsörjande funktion här, menar Svante Monie.

Även på nationell nivå finns en funktion att fylla. Exempelvis vid topplasttimmen, den timme när elbehovet var som störst under 2021, producerade kraftvärmeverken i Sverige endast 34 procent av sin toppkapacitet.

Storskaliga värmelager

Under hela året producerade fjärrvärmesektorn bara cirka 5 procent av Sveriges elbehov. Enligt våra studier kan det ökas till att hela fjärrvärmesektorns kapacitet finns tillgänglig vid elnätets topplasttimme och den totala elproduktionen dubbleras genom att använda storskaliga värmelager som buffert för uppvärmningen, säger Svante Monie.

Skiss över enrergisystem
Schematisk beskrivning av hur de elektriska och termiska energisystemen kan koordineras för att öka systemnyttan. Kraftvärmeverket (CHPbio) samproducerar el och värme. Överproducerad värme lagras in i ett storskaligt värmelager (PTES). Värmepumpar (heat pump) gör om överproducerad el från sol- och vindkraft (Pbal) och eventuell överproducerade värme lagras. CHPwaste står för avfallsförbränning, HOB står för värmepanna (heat only boiler), IWH står för industriell spillvärme.
Bild: Svante Monie

Avhandlingen bygger på ett antagande om hur vår framtida energiförsörjning ser ut. I modellen står vindkraft för 60 procent (i dag är det 20 procent) och solenergi för 10 procent (i dag mindre än 1 procent). Svante Monie tror att vi inom tio år kommer kunna se de siffrorna, och han jämför med Tyskland som redan har över 10 procents solenergi, och Danmark som har över 50 procents vindkraft relativt elkonsumtionen.

– Det här är viktigt för vår energisäkerhet. Vi är tydligt beroende av omvärldens energisystem. Kärnkraft exempelvis är beroende av import av uran. Vindkraftverkens konstruktioner är beroende av komponenter, till exempel neodym och andra sällsynta jordartsmetaller från Kina. Att bättre nyttja inhemska möjligheter kan vara en del av en säkerhetspolitisk lösning för att minska beroendet.

Följa elbehovet

Omställningen av driften av fjärrvärmesystemen till att följa elbehovet innebär även att en ansenlig del av värmeproduktionen kommer ske via värmepumpar, som har använts i stor skala i Sveriges fjärrvärmesystem sedan mitten på 1980-talet. Det skulle minska behovet av biomassa som bränsle, som är det vanligaste bränslet i dag i värmeverken. Biomassa är en konfliktfylld resurs som även används inom många andra områden, bland annat konstruktion, pappersmassa, substitut inom petrokemi, batterier, drivmedel och kläder. Till fjärrvärmen används främst restprodukter från andra verksamheter.

– Det största problemet med biomassa är det industriella skogsbruket som försämrar biodiversiteten. Skogarna ersätts av något som liknar trädplantager med en ekologisk mångfald liknande en åker. Det här påverkar förstås Sveriges möjligheter att nå våra miljömål, enligt Svante Monie. Nyttjandet av biomassa har potentialen till att ge negativa koldioxidutsläpp genom koldioxidavskiljning från rökgaserna, men lika viktigt är att den biomassa som används till bränsle används så effektivt som möjligt, det vill säga i kraftvärmeanläggningar som producera både el och värme, säger Svante Monie.

Publikation:

Svante Monie (2022); Balancing variable renewable electricity generation using combined heat and power plants, large-scale heat pumps, and thermal energy storages in Swedish district heating systems, http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-461901

 

Fakta topplasttimme

Topplasttimmen vintern 2020/2021 inträffade 12 februari kl. 8–9 då den svenska elförbrukningen uppgick till 25 500 MWh/h. Föregående vinter, som var mycket mild, var den högsta elförbrukningen 2 300 MWh/h lägre. (ur Kraftbalansen på den svenska elmarknaden, rapport 2021, från Svenska kraftnät).