Betingelsene for lokal, desentralisert energiproduksjon blir stadig bedre. Det er en god nyhet for kraftsystemet – samtidig trues de etablerte kraftselskapenes forretningsmodell.
Den planlagte Brynseng skole i Oslo er eksempel på hvordan solceller brukes som et bygningselement og for lokal energiproduksjon for å oppnå nesten nullenerginivå. (illustrasjon: HRTB Arkitekter/futurebuilt.no)
Stort er som regel billigst når det gjelder industriell produksjon. Kraftproduksjon er intet unntak.
For de fleste kraftverksteknologiene er det hovedsakelig tre grunner til at det lønner seg å bygge stort:
1. Det er billigere å bygge stort enn lite 2. Virkningsgraden (effektiviteten) for et stort kraftverk er bedre enn for et lite kraftverk 3. Det er billigere å drifte et stort enn et lite kraftverk
Men kraftverkene har ikke alltid vært store. I teknologienes barndom var alle kraftverk små og de betjente små og lokale kraftnett, gjerne i tilknytning til en større industriell aktør. Elektrisitet hjemme ble betraktet som luksus. Etter hvert ble det bygget større kraftverk og de små kraftnettene ble utvidet og koblet sammen til nasjonale nettverk. Med store og nasjonale kraftnett kunne kraftverkene betjene mange kunder samtidig og dermed ble det mulig å bygge store kraftverk. Det ble samtidig viktig å bygge stort for at kraften skulle være billig.
Da de første vannkraftverkene ble bygget i Norge for over 100 år siden, var den «fotoelektriske effekten» et fenomen som ikke kunne forklares. Albert Einstein var den første som fant en forklaring på fenomenet, og for det fikk han Nobelprisen i fysikk i 1921. Den første solcellen som kunne brukes til praktiske formål kom i 1954 og den første praktiske anvendelsen av solceller var innen romfarten; satellitten Vanguard. På 1980-tallet ble solceller brukt til strømforsyning i frittstående anlegg, som for eksempel fyrlykter og hytter, og på 1990-tallet kom den første støtteordningen for solceller tilknyttet kraftnettet i Tyskland.
Mens dagens kraftnett ble bygget, var altså solceller ikke et alternativ. Til det var kraftproduksjon med solceller altfor kostbart. Det samme gjaldt for vindkraft. De første vindturbinene var små og kostbare og de var avhengige av store subsidier. Etter hvert klarte man å bygge større og mer effektive turbiner, og i dag er vindkraft lønnsomt uten subsidier flere steder i verden. Samtidig har mindre turbiner blitt mer lønnsomme.
Fleksibilitet som endrer markedet
For solkraftverk er det også slik at store kraftverk bygges billigere enn små kraftverk, men virkningsgraden er den samme uansett størrelse. Teknisk sett er det derfor ingen gode argumenter for å bygge store solkraftverk. Det er kun stordriftsfordeler i bygging og drift som gjør at store solkraftverk gir billigere kraft enn små anlegg. Samtidig er solenergien tilgjengelig over alt, i motsetning til både vann-, vind-, og bioenergi. Dermed kan solceller i praksis benyttes over alt, selv om produksjonen vil variere med solinnstråling og temperatur. Småskala kraftproduksjon av vann-, vind- og bioenergi er i større grad knyttet til lokale forhold.
Det viktigste konkurransefortrinnet til solkraft er skalerbarhet, virkningsgrad og at den utnytter en ressurs som finnes over alt hvor det bor folk. I dagens energimarked åpner dette for et utall av forretningsmodeller som kan tilpasses forskjellige energimarkeder. Solceller på taket av et bygg vil for eksempel produsere kraft direkte til eieren av bygget, og dermed slipper man å betale nettleie for denne delen av kraftforbruket. Småskala solkraft konkurrerer dermed i et marked hvor prisene er høyere enn for storskala kraftverk. Samtidig kan solcellene utformes som takstein eller fasadeelementer slik at kostnadene fordeles mellom byggekostnader og energikostnader. Det gir et ytterligere konkurransefortrinn innen distribuert kraftproduksjon.
Den planlagte Brynseng skole i Oslo er eksempel på hvordan solceller brukes som et bygningselement og for lokal energiproduksjon for å oppnå nesten nullenerginivå. (illustrasjon: HRTB Arkitekter/futurebuilt.no)
Når solceller kan oppfylle flere funksjoner samtidig i distribuert skala, åpnes det for andre markedsdrivere enn kraftpris. For null- og plussenergibygg har det for eksempel vist seg at solceller er en helt sentral løsning. I andre tilfeller handler det mer om forsyningssikkerhet. Det er for eksempel en viktig grunn til at det amerikanske luftforsvaret har investert tungt i solceller på sine flybaser. Den samme motivasjonen er nok viktig for forsvarsdepartementet i Frankrike når de nå bygger nytt hovedkvarter med solceller som tak. I dette bygget vil 80 prosent av all energien leveres fra solceller.
Problem ble løsning
Mange kraftselskaper har etter hvert sett seg truet av distribuert kraftproduksjon. De opplever sviktende salg. Både volumet og kraftprisene faller. Fordi nettkostnadene ikke synker med strømsalget, blir økonomien anstrengt.
Et viktig motargument mot solkraft fra nettselskapene har vært at nettet ikke er konstruert for distribuert kraftproduksjon og at solcellene truer både leveringssikkerheten og strømkvaliteten (med strømkvalitet menes blant annet riktig frekvens og spenning). Det har derfor blitt stilt en rekke strenge tekniske krav for å få lov til å koble distribuert kraftproduksjon til nettet.
Teknologileverandørene har svart med løsninger som ikke bare tilfredsstiller kravene, men mange av de nye teknologiene kan i tillegg ta på seg oppgaver som bidrar til bedre forsyningssikkerhet og strømkvalitet. Vekselretterne som er bindeleddet mellom småskala sol- og vindkraft og kraftnettet kan eksempelvis bidra til å stabilisere spenningen i nettet, redusere nett-tapene og samtidig forlenge levetiden til nettselskapets investeringer (se utdyping nederst i artikkelen). Et godt eksempel på dette er Tyskland, som har Europas mest stabile kraftnett.
Det som kanskje overrasker mange er at disse tjenestene også kan leveres når sola ikke skinner eller vinden ikke blåser, men dette potensialet er ikke utnyttet i dag. Reguleringer av kraftmarkedet står i veien for dette.
Lagring gir nye fortrinn
Tjenestene vekselretterne kan levere til kraftnettet blir enda mer omfattende dersom den kobles til et batteri. Et batteri kan for eksempel bidra med reservekapasitet slik at investeringer i kraftnettet kan utsettes eller unngås, og dette kan være svært aktuelt i områder med svake eller gamle nett. Sjøkabler til øysamfunn er et godt eksempel.
Kombinasjonen solceller og batterier gjør det mulig for eieren å utnytte «hjemmelaget» strøm til alle døgnets tider, samtidig som belastningen på kraftnettet reduseres ytterligere. Kostnadsreduksjonen for batteriene er derfor kjærkommen for mange solcelleeiere, men den er ikke overraskende. Det går en lang linje fra mobilitetsbehov innen bærbare datamaskiner og smarttelefoner til elbiler og til slutt batterier til stasjonært forbruk. Betalingsviljen for lette mobiltelefoner med mange funksjoner (og høyt strømforbruk) har presset frem batterier med økt ytelse og lavere kostnader. Det samme gjelder andre elektriske apparater som verktøy, radioer, nettbrett, osv. Med lavere priser og økt ytelse har batteriene også blitt interessante for både bilindustrien og husholdninger.
I kraftsystemet må det hele tiden være en perfekt balanse mellom produksjon og forbruk. Hvis produksjonen er for høy, kan både frekvens og spenning stige til nivåer som ødelegger mange elektriske apparater. Det er derfor en øvre grense for hvor mye sol- og vindkraft som kan produseres, men denne grensen flyttes til høyere nivåer når batterier tas i bruk.
Smart energistyring en forutsetning
Batterier alene er imidlertid ikke nok for å øke andelen solkraft i nettet. Eieren av et solcelleanlegg vil tape penger dersom batteriet lades på et tidspunkt hvor det er lite sol, og nettet vil få enda større utfordringer hvis batteriet lades samtidig med elbilen.
Alle batterier som tilkobles solcellesystemer må derfor ha smart energistyring. Smarte energistyringssystemer finnes i dag på markedet som ferdige pakkeløsninger for privathusholdninger. De er som regel tilkoblet internett slik at værvarsler kan innhentes, og dermed kan de neste timenes solkraftproduksjon forutsies. Med denne informasjonen kan styringssystemet planlegge både forbruket til vaskemaskiner, tørketromler og varmepumper i tillegg til lading av batteriet. Lading av batteriet skjer da kun hvis strømmen ikke kan brukes direkte i noen av husets apparater.
Kjente merker som Miele og Bosch leverer nå hvitevarer som kan kommunisere med de smarte styringssystemene. Systemene er videre utformet slik at de tilpasser seg brukerne og ikke omvendt. Man skal ikke vente på sola for at klesvasken skal bli ferdig, men hvis du for eksempel setter over maskinen før du drar på jobb, vil styringssystemet starte vaskemaskinen på et tidspunkt hvor det er nok sol og i god tid til at vasken er ferdig når du kommer hjem. Likeledes kan varmepumpen styres slik at den produserer varme når sola skinner, mens varmen lagres i en varmtvannstank for bruk hele døgnet.
Liten tue velter stort lass, eller...?
Teknologier for distribuert kraftproduksjon, energilagring og smart energistyring muliggjør i praksis drift av små «mikronett». Det kan enten være et enkelt bygg eller en samling av bygg i et begrenset område. I mikronettet forsøker man å skape balanse mellom lokalt forbruk og produksjon ved å oppnå best mulig samspill mellom de forskjellige teknologiene i systemet – ikke så ulikt slik man drifter de store kraftnettene i dag.
I et mikronett forsøker man å skape balanse mellom lokalt forbruk og produksjon ved å oppnå best mulig samspill mellom de forskjellige teknologiene i systemet. (kilde: Siemens).
Mange av de store kraftselskapene ser på denne teknologi- og markedsutviklingen som en trussel mot deres forretningsmodell, mens enkelte andre vurderer dette som en interessant mulighet for utvidelse av markedet. Hvilken type markedsmodell som passer best for distribuert kraftproduksjon er foreløpig usikkert, men det er ganske sikkert at distribuert kraftproduksjon endrer markedet.
Fra én- til toveis kraftnett
Teknologiene som er beskrevet ovenfor baner vei for et kraftnett 2.0. I dette nettet vil kraften ikke lenger kun flyte fra produsent til forbruker, men den vil gå begge veier. Dette er ikke helt ulikt måten internett har utviklet seg i det som ofte kalles Web 2.0 hvor brukerne generer en stadig større andel av innholdet gjennom blant annet blogger, Facebook m.m.
På samme måte som informasjon og nyheter har blitt billig (eller gratis) gjennom utvidelsen av internett, vil energi bli billig i det nye kraftnettet. De distribuerte kraftproduksjonsteknologiene og lagringssystemene vil bli billigere og tilpassede IT-systemer vil gjøre det enklere å drifte kraftsystemet. Kanskje kan vi også sende strøm gjennom nettet på samme måte som vi sender e-post i dag. IT-næringen er allerede på god vei inn i energimarkedet, og en gang i fremtiden betaler vi kanskje strømregningen til Google eller Apple istedenfor til Hafslund eller BKK.
Energinæringen står foran sin kanskje største utfordring siden liberaliseringen av kraftmarkedet, men det gjelder også byggenæringen. Det gir mange spennende muligheter til innovasjon og nyskaping.
***
Strømkvalitet: Fordeler med desentralisert produksjon Det er flere kriterier som definerer god strømkvalitet, men de viktigste er frekvens og spenning. Strømmen i nettet skal ha 50 Hz og 220 V. En vekselretter omformer likestrøm (for eksempel produsert med solceller) til vekselstrøm. Slik vekselretterne fungerer i dag, «leser» de frekvens og spenning fra nettet og tilpasser seg denne. Noen ganger kan det imidlertid være behov for såkalt «reaktiv» effekt i nettet. Vekselretterne kan levere denne typen effekt dersom det er behov for det, og denne effekten kan for eksempel bidra til å stabilisere spenningen i nettet.
Når strøm føres gjennom en ledning, får man et tap som er proporsjonalt med motstanden i ledningen og strømstyrken. Når strøm føres fra store kraftverk over store avstander før de kommer til kunden, får vi store tap. Likeledes får man store tap ved høyt forbruk, ettersom tapet er proporsjonalt med strømstyrken. I tillegg er det tap i transformatorer som opererer mellom forskjellige spenningsnivåer. Når det produseres kraft hos forbrukeren, reduseres mengden energi som transporteres gjennom nettet med mer enn den lokale produksjonen. Dersom det for eksempel er 10 prosent tap i nettet og en kunde produserer 10 kW, vil effekten være redusert transport av 11 kW. Samtidig vil lokal produksjon bidra til lavere belastning i transformatorene. Siden levetiden til en transformator er avhengig av belastningen, vil levetiden til transformatoren forlenges.
Når strøm føres gjennom en ledning, synker spenningen jo lenger bort man kommer fra spenningskilden. Ved høyt kraftforbruk kan spenningsfallet bli veldig stort, men dersom det mates inn kraft langs med ledningen, kan spenningen heves slik at de som bor lengst bort fra spenningskilden også får strøm med riktig spenningsnivå.
Dersom det blir veldig høy tetthet av lokale småkraftanlegg, kan det imidlertid by på problemer. For eksempel kan spenningsnivået helt ytterst i ledningen bli for høyt og strømmen kan begynne å flyte motsatt vei. Det finnes imidlertid flere løsninger på dette problemet. Batterier kan for eksempel bidra til redusert innmating og dermed også lavere spenning. Justeringer på transformatoren kan også løse problemet.
