UPTEC ES 19015

Examensarbete 30 hpJuni 2019

Teknisk utvärdering av befintliga och potentiella teknologier för automatisk frekvensreglering i det svenska elnätet

Sophia Appelstål

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Technical evaluation of existing and potentialtechnologies for automatic frequency control in theSwedish power systemSophia Appelstål

The increasing amount of renewable energy in the power system have led to new challenges to balance supply and demand in the electric grid. To maintain the balance in the power system the system operator can activate power reserves to restore the balance at a frequency deviation. Today these reserves consist exclusively of hydropower in Sweden. With more volatile power generation new types of technologies to provide these reserves are desirable.

The aim of this master thesis is to investigate the technical potential for using wind power, demand response and energy storage for automatic frequency control in the Swedish power system. The thesis examines the performance of the different technologies to see if they meet the technical requirements for delivering reserves set by the TSO. Moreover, the available capacity from the technologies throughout the year are estimated.

The results show that all three technologies potentially could be used for frequency control. However, the technical requirements are not always fulfilled. In order to enable new technologies to provide power reserves some of the requirements needs to be modernized. Generally, demand response proved to have the largest available capacity for frequency control today. The study shows that demand response from industries and electric heated households could potentially provide all automatic frequency control. Modern wind turbines can be used for frequency control and for down regulation of the frequency the potential is considerable. Energy storages are not yet widely used in Sweden but with reduced costs they can play an important role in regulating the frequency in the future.

Tryckt av: Uppsala universitetISSN: 1650-8300, UPTEC ES 19015Examinator: Petra Jönsson Ämnesgranskare: Cecilia BoströmHandledare: Jakob Helbrink

Popularvetenskaplig sammanfattning

Varldens lander har enats om att om ett nytt klimatavtal for att begransa utslappen avvaxthusgaser och att halla den globala temperaturokningen under 2 grader. Darfor har Sve-rige satt upp ambitiosa mal om att till exempel ha 100 % fornybar elproduktion fram 2040och inga nettoutslapp av koldioxid efter 2045. Men med en okande andel fornybar elproduk-tion foljer nya utmaningar for det svenska kraftsystemet. For att Sverige ska ha ett sakert ochstabilt kraftsystem maste det alltid rada balans mellan den elektricitet som produceras ochden elektricitet som konsumeras. En obalans mellan produktion och konsumtion hanterasav Sveriges systemoperator Svenska kraftnat genom att automatiskt aktivera de sa kalladereglerreserver. Dessa reserver kan besta utav anlaggningar som kan anpassa sin elproduktionvid en obalans men aven utav anlaggningar som kan anpassa sin elkonsumtion. Som ett mattpa balansen i elnatet anvands frekvensen som alltid bor ligga kring 50 Hz. Sjunker frekvensenfinns det behov av uppreglering vilket sker genom att produktionsreserverna okar elproduk-tionen eller att forbrukningsreserverna minskar sin elforbrukning. Pa motsvarande satt skernedreglering av frekvensen genom minskad produktion eller okad konsumtion. Idag bestardessa reserver nastan uteslutande av vattenkraft i Sverige eftersom den varit en ekonomiskoch flexibel resurs att tillga.

Att reserverna bestar till storsta del av vattenkraft har visat sig ha vissa nackdelar. Sy-stemet blir till exempel kansligt for hydrologiska aspekter sa som varfloden och torka vilketpaverkar vattenkraftens formaga att leverera reserver. Med en mer diversifierad reserv okarkonkurrensen pa reservmarknaden och Sverige skulle kunna fa en battre spridning pa reser-verna som idag till storsta del ar lokaliserade i norr. Dessutom kommer behovet av reservertroligtvis att oka da Sverige gar mot ett fornybart elsystem.

Detta examensarbete syftar till att utreda hur nya teknologier kan tillhandahalla dessa re-server och fungera som ett komplement till vattenkraften for automatisk frekvensreglering.Teknologierna som studien har undersokt ar vindkraft, forbrukningsflexibilitet och energila-ger. Studien undersoker bade huruvida de nya teknologierna kan uppfylla de tekniska kravsom stalls fran Svenska kraftnat pa leverantorer av reserver och aven hur stor kapacitet dessakan tillhandahalla under aret. Studien ar avgransad till att enbart studera potentialen forde automatiska reserverna FCR(Frequency Containment Reserve) och aFRR(automatic Fre-quency Restoration Reserve) i Sverige. Parallellt med arbetet utvarderades teknologiernasekonomiska potential av en annan student for att se om de ar konkurrenskraftiga jamtemotvattenkraften.

For att utvardera den tekniska potentialen for de nya teknologierna delades arbetet uppi olika delmoment. Dessa infattade en omfattande litteraturstudie, intervjuer med aktorerinom branschen och som ett avslutande moment sattes en modell upp for att ta fram kapa-citeten for respektive teknologi under ett ar.

Resultatet av studien identifierade ett par hinder for att fa in de nya teknologierna pareservmarknaden. Detta beror pa att dagens marknad lange varit anpassad for enbart vat-tenkraft. Ett exempel som studien funnit ar kravet om att en regleringsreserv maste ha entimmes uthallighet och alltsa bidra med full reglering under en hel timme. For aFRR kanaven volymkravet om 5 MW vara problematiskt for teknologierna.

Studien fann att den storsta potentialen idag finns inom forbrukningsflexibilitet hos industri-er och hushall med eluppvarmning. Som mest ar den tillgangliga kapaciteten for dessa cirka2000 MW var vilket skulle kunna tacka Sveriges behov av reserver. Tillganglig kapacitet franindustrier ar densamma aret runt medan for eluppvarmda hushall varierar med utomhus-temperaturen. Energilager anvands fortfarande i relativt liten utstrackning idag. Det finnsinga storskaliga system som anvands for frekvensreglering pa grund av att kostnaderna forenergilager fortfarande ar hoga. Daremot finns det kapacitet som kan utnyttjas for reserverfran redan existerande batterier i t.ex. UPS system. Sjunker priserna for energilager kan avenstorskaliga system bli aktuella for frekvensreglering eftersom de passar val for andamalet.Aven vindkraft har undersokts for att tillhandahalla frekvensreglering. Vindkraft kan tek-niskt satt bidra med bade uppreglering och nedreglering av frekvensen. Men att anvandavindkraft for uppreglering innebar att elproduktionen maste hallas vid en lagre niva for attpa sa satt skapa en effektmarginal som kan anvandas for att reglera upp frekvensen. Dettainnebar forlorade intakter for elproduktionen och elcertifikat. Darfor ar potentialen storstpotential att anvanda vindkraft for nedreglering dar det under vissa manader skulle finnasuppemot 2500 MW tillganglig kapacitet i Sverige.

Slutsatsen av studien ar att i ett framtida elsystem med ett stort behov av reglerreser-ver kan teknologierna vindkraft, forbrukningsflexibilitet och energilager ha en stor mojlighetatt vara med och balansera elnatet och for att underlatta introduktionen av dessa bor vissakrav ses over.

Exekutiv sammanfattning

Den okade andelen fornybar elproduktion staller nya krav pa balanseringen av det svenskakraftsystemet. Balanseringen sker bland annat genom att Svenska kraftnat handlar upp sakallade frekvensreglerings reserver for att hantera avvikelser i elnatsfrekvensen. De automatis-ka reserverna FCR och aFRR bestar idag till storsta del av vattenkraft. Men under de senastearen har bade behovet av reserverna och dess priser okat vilket lett till att Svenska kraftnatmed detta examensarbete vill undersoka nya potentiella teknologier som kan tillhandahalladessa tva reserver. Teknologierna som undersokts ar vindkraft, forbrukningsflexibilitet ochenergilager. Examensarbetet studerar bade huruvida en teknologi kan uppfylla de tekniskakrav som stalls pa en leverantor av reserver samt vilken kapacitet denna kan leverera underaret. Berakningarna utgick framforallt ifran den befintliga kapacitet som finns idag.

Resultatet av studien har visat att flera av de undersokta teknologierna skulle kunna anvandasfor frekvensreglering och mota de tekniska kraven som stalls. Daremot har studien identifi-erat ett flertal krav som skulle kunna ses over for att underlatta introduktionen for de nyateknologierna pa reservmarknaden. Ett sadant exempel ar sanka kravet pa uthallighet franen timme till att battre representera faktisk aktivering. Detta hade inneburit att till exempelett befintligt energilager hade kunnat buda in en storre kapacitet till reservmarknaden. Ettannat exempel som studien funnit ar kravet pa hur lang i forvag som buden skall laggas.Att fa lagga bud narmare driftstimmen hade underlattat for t.ex. vindkraft da det minskarosakerheterna och hade gjort att buden som laggs kunde varit hogre. Flera av de andratekniska kraven diskuteras i rapporten.

Studien visade aven att storst teknisk potential for FCR fanns hos forbrukningsflexibilitet.Bade inom industrin och eluppvarmda hushall fanns en stor kapacitet att utnyttja. Till ex-empel fann studien att de hushall med elektrisk varmepump som finns i Sverige skulle kunnabidra med uppemot 2180 MW av FCR-D vilket skulle kunna tacka hela behovet av dennareserv. Daremot varierar denna kapacitet under aret och var som lagst under sommaren daden enbart var cirka 400 MW.

Anvandningen av energilager i Sverige ar fortfarande liten och det finns annu inga storskaligaenergilager for frekvensreglering. Daremot finns det potential med att utnyttja batterier ibefintlig infrastruktur som t.ex. elbilar och UPS system for serverhallar. Studien uppskattabland annat att kapaciteten fran alla serverhallar i Sverige kan bidra med cirka 42 MWFCR-D. Med fortsatta sjuknade priser och okad anvandning kan detta bli en potentiellt storleverantor av reserver i framtiden.

Aven vindkraftens formaga att tillhandahalla reserver undersoktes i denna studie. Storstpotential fanns for att anvanda vindkraft for nedreglering. Att anvanda vindkraft for upp-reglering innebar forluster i elproduktion samt forlorade intakter fran Elspot och elcertifikatvilket gjort att det annu inte ar lonsamt for en vindkraftsagare att leverera reserver. Ka-

paciteten av reserver fran vindkraft varierar under aret beroende pa aktuell vindhastighet.Men under 2017 var den tillgangliga kapaciteten hogst under januari da den skulle kunnatbidragit med i snitt 2500 MW aFRR nedreglering.

Slutsatsen av studien ar att nar behovet av reserver okar i framtiden kan vindkraft, forbruk-ningsflexibilitet och energilager ha stor teknisk potential att tillhandahalla automatiska reser-ver. Men for att underlatta introduktionen kan vissa av de tekniska kraven behova anpassasfor fler teknologier an bara vattenkraft.

Forord

Detta examensarbete skrivs for Uppsala universitet som det avslutande momentet pa civilin-genjorsutbildningen inom Energisystem. Arbetet omfattar 30 hp och har utforts i samarbetemed affarsverket Svenska kraftnat med syftet att undersoka den tekniska potentialen for nyateknologier att tillhandahalla systemtjanster i form av automatisk frekvensreglering.

Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare Jakob Helbrink och Linda Thell for ertstod och er vagledning under detta arbete. Jag vill ocksa tacka min amnesgranskare CeciliaBostrom pa Uppsala universitet for dina kommentarer och aterkoppling pa rapporten. Tillsist vill jag ocksa tacka alla de som stallt upp pa intervjuer och moten och lagt ner tid paatt besvara vara fragor.

Rapporten har skrivits i samarbete med Anna Lindgren som ocksa har skrivit sitt examens-arbete vid Svenska kraftnat. Syftet med Lindgrens studie var att undersoka den ekonomiskapotentialen for de nya leverantorerna av systemtjanster samt att utveckla en ekonomiskmodell for att kunna jamfora de olika teknologiernas konkurrenskraft jamtemot varandra.Samarbetet innebar bland annat att moten och intervjuer kunde genomforas tillsammansoch att resultaten av studierna kunde diskuteras.

Sophia AppelstalUppsala, juni 2018

Begrepp

Aggregering: Produktionen eller forbrukningen av el for ett antal mindre enheter slassamman for att uppna storre volymer och kunna delta som aktor pa el-marknaden.

Dimensionerande fel: Den storsta storningen som kan intraffa i det nordiska elsystemet och denstorning om systemet ar dimensionerat for.

Forbrukningsflexibilitet: Innebar att elanvandningen kan forflyttas i tid for att matcha behovet ochreglera balansen i elnatet.

N-1 kriteriet: Kriteriet innebar att kraftsystemet ska klara av att hantera att en huvud-komponent faller bort och samtidigt kunna uppratthalla leveranssakerheten.

Systemansvar: I Sverige har Svenska kraftnat systemansvaret for elektricitet vilket innebaratt de ansvarar for att kraftsystemet ar tillforlitligt och att kostnader fordriften optimeras. En del i detta ansvar ar att balansera produktion ochkonsumtion av elektricitet under drift.

Systemtjanster: Ar ett begrepp for de funktioner i natet som hjalper till attuppratthalla ett stabilt system. Nagra vanliga exempel ar frekvensreglering,spanningsreglering och svangmassa.

Forkortningar

aFRR: automatic Frequency Restoration Reserve (automatisk frekvensaterstallningsreserv)

BESS: Battery Energy Storage Systems

ENTSO-E: European Network of Transmission System Operators for Electricity. Representerar 43 styc-ken TSO:er fran 36 olika lander i Europa.

FCR-D: Frequency Containment Reserve for Disturbances (Frekvenshallningsreserv - storningsdrift)

FCR-N: Frequency Containment Reserve for Normal operation (Frekvenshallningsreserv - normal-drift)

mFRR: manual Frequency Restoration Reserve (manuell frekvensaterstallningsreserv )

SOC: State Of Charge. Utrycker batteriets aktuella kapacitet som procent av den maximala ka-paciteten.

TSO: Transmission System Operator. TSO ar den engelska benamningen pa en organisation somhar det overgripande systemansvaret for kraftsystemet, i Sverige ar Svenska kraftnat TSO.

UPS: Uninteruped Power Supply

Parametrar

αrc Varme atervinningsfaktornAi Total area for en byggnads del [m2]Aturbin Turbin area [m2]Cp Aerodynamisk effektkoeffincientCp,luft Luftens varmekapacitet [Wh/m3C◦]gsol Solfaktornh Hojd [m]Nboende Antal boende i byggnaden [st]Nvent Luftomsattning [h−1]Pboende Personvarme fran boende [W/m2]Pel Varme fran elektriska apparater [W]Psol Solinstralning mot vertikal yta [W]Pvind Producerad effekt fran ett vindkraftverk [W]ρ Luftens densitet [kg/m3]Qboende Varmetillforsel fran boende [W]Qel Varmetillforsel fran elektriska apparater [W]Qsol Varmetillforsel fran solinstralning [W]Qvarmepump Varmetillforsel fran elektrisk varmepummp [W]τ Byggnadens tidskonstant [h]t Tid [h]Tinne Inomhustemperatur [C ◦]Tref Referens temperatur [C ◦]Tute Utomhustemperatur [C ◦]U Vindhastighet [m/s]Ui Varmegenomgangskoefficient for en byggnads del i [W/m2C◦]Vb Inre volymen for huset [m3]Xboende Narvarotid i huset [h/dygn]z0 VindskjuvningΛvent Varmeforlust fran ventilation [W/C ◦]Λtran Varmeforust fran byggnadsskalet [W/C ◦]

Innehall

1 Introduktion 11.1 Syfte och mal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Fragestallningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Avgransningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Disposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Bakgrund 42.1 Den svenska elmarknaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Elnatets uppbyggnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Balansering och frekvensreglering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3.1 Primarreglering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3.2 Sekundarreglering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.3 Tertiarreglering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3.4 Svangmassa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.5 Vattenkraft som reglerreserv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.6 Analys av frekvensen och den faktiska aktiveringen av reserverna . . . 12

2.4 Tidigare studier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Metod och teori 153.1 Forstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.2 Kartlaggning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.3 Modellering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3.1 Energilager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3.2 Forbrukningsflexibilitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3.3 Vindkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4 Kartlaggning av teknologierna 224.1 Energilager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1.1 Batteri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.1.2 Svanghjul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Forbrukningsflexibilitet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.2.1 Hushallsvarmepumpar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2.2 Industrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.3 Vindkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 Resultat fran modellering 325.1 Energilager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.1.1 Batterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.1.2 Svanghjul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2 Forbrukningsflexibilitet fran hushallsvarmepumpar . . . . . . . . . . . . . . 335.3 Vindkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385.4 Jamforelse mellan teknologierna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.5 Ekonomisk potential for teknologierna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6 Diskussion 49

7 Slutsats 54

8 Appendix 58

Figurforteckning

1 Marknadsplatserna med motsvarande handelsperiod for den svenska elmark-naden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Sveriges elproduktion fordelad per kraftslag 2017 (Energimyndigheten 2018a) 63 Sveriges fyra elomraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Uthallighet och svarstid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Frekvensreglering i det svenska elsystemet (Eng och Johansson 2014) . . . . 106 Varaktighetsdiagram over frekvensen 2018 (Lindgren 2019) . . . . . . . . . . 137 Metodaval for examensarbetet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Ideal SOC for de olika reserverna. Dvs. SOC 100 % for FCR-D (och aFRR

upp), 50% for FCR-N och 0 % for aFRR ner . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Andel av tiden som varmepumpen ar aktiverad vid olika utomhustemperatu-

rer. Den roda kurvan visar kurvanpassningen for de simulerade vardena . . . 3410 Tillganglig kapacitet av FCR-D fran en varmpump i SE3 . . . . . . . . . . . 3411 Tillganglig kapacitet av FCR-D for forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar

per elomrade och ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3512 Tillganglig kapacitet av FCR-N for forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar

per elomrade och ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3613 Tillganglig kapacitet av aFRR nedreglering for forbrukningsflexibilitet fran

varmepumpar per elomrade och ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3614 Inomhustemperaturen efter varmepumpen slagits av for ett standardhus. . . 3715 Tillganglig kapacitet av FCR fran ett vindkraftverk utifran vindhastigheten . 3816 Elproduktion fran Nasuddens vindkraftverk under 2017 . . . . . . . . . . . . 3917 Antal timmar under 2017 som ett vindkraftverk kunde leverera FCR . . . . 4018 Produktionsvariation mellan 2 timmar for vindkraft i Sverige 2017 (i procent

av installerad effekt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4019 Varktighetsdiagram over kapaciteten fran vindkraft for respektive reserv i de

olika elomradena under 2017. Dvs hur manga timmar om aret vindkraften kanleverera en viss kapacitet av reservena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

20 Genomsnittlig tillganglighet fran vindkraften under 2017 for de olika elomradena 4321 Tillganglig kapacitet av FCR-D fran vindkraft per elomrade och ar . . . . . 4322 Tillganglig kapacitet av FCR-N fran vindkraft per elomrade och ar . . . . . 4423 Tillganglig kapacitet av aFRR nedreglering fran vindkraft per elomrade och ar 4424 Total tillganglig kapacitet av reserverna under 2017 fran de olika undersokta

teknologierna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4625 Tillganglig kapacitet av FCR for forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar

under en vinterdag i januari 2017 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1 Introduktion

Varlden star infor en stor utmaning for att stalla om till ett fossilfritt energisystem. Fornybarakraftslag okar i manga lander for att minska koldioxidutslappen och det skapar nya utma-ningar for kraftsystemet (Svenska kraftnat 2017b). For att kraftsystemet ska vara driftsakertkravs det att det i varje ogonblick ar balans mellan den elektricitet som produceras och densom konsumeras. Okningen av intermittenta kraftslag sa som sol- och vindkraft leder tillokad problematik med att uppratthalla denna balans. I Svenska kraftnats roll som system-ansvarig for Sveriges elnat ingar det att hantera de eventuella obalanser som uppstar. Dettagor de bland annat genom att i forhand handla upp automatiska och manuella reglerreserversom ska aktiveras vid en avvikelse. Idag utgors de automatiska reserverna nastan uteslutandeav vattenkraft. Vattenkraften ar en effektiv resurs att tillga eftersom den kan tillhandahallasnabb och billig balansering. Men under senare ar har efterfragan pa alternativa reglerreser-ver okat (Energimyndigheten 2016).

En av anledningarna till att behovet av nya reglerresurser okar ar for att frekvenskva-liten i elnatet successivt forsamrats under de senaste aren. Den framsta anledningen tillforsamringen av frekvenskvaliten beror pa att variationerna i elproduktion ar bade storreoch snabbare an tidigare samtligt som den inneboende svangmassan forsvinner fran syste-met (Svenska kraftnat 2015). Trenden med forsamrad frekvenskvalite forvantas fortsatta dautbyggnaden av fornybara kallor fortsatter for att uppna Sveriges energimal om att ha 100% fornybar energi fram till 2040 (Svenska kraftnat 2017b). Utan nya reglerreserver finns deten risk att fossilbaserade reserver maste utnyttjas oftare. Svenska kraftnat har uppskattatatt behovet av nya reglerreserver kommer att oka fram till 2040 for att anpassa sig till detnya systemet och det kan aven kravas nya typer av reserver i framtiden. Utan nya reserverkommer systemet bli mer kansligt for storningar och det kommer bli svarare att uppratthalladrift- och leveranstryggheten i natet (Energimyndigheten 2016).

En annan anledning till att alternativa reglerreserver undersoks ar att Svenska kraftnat ochandra myndigheter vill fa en mer diversifierad reglerresurs med fler olika typer av teknologiersom levererar reserverna. Med dagens reserver som till storsta delen bestar av vattenkraftblir elsystemet kansligt for olika hydrologiska fenomen. Ett sadant hydrologiskt fenomen arvarfloden da vattenvolymen som kan regleras ar begransad. Vidare, under ar med hoga tem-peraturer minskar mangden vatten i vattenkraftsmagasinen vilket i sin tur leder till minskadkapacitet som kan anvandas for frekvensreglering och dyrare reserver. Ar 2018 var ett spe-ciellt ar da fordelen med nya reglerreserver blev extra tydlig. Aret inleddes med kyla foljtav en ovanligt kraftig varflod som sedan foljdes av en extrem torr sommar. Detta ledde tillatt kostnaderna for reserverna blev mer an dubbelt sa dyra 2018 jamfort med aret innan(Svenska kraftnat 2019b). Genom en introduktion av nya typer av reglerreserver skulle den-na kanslighet minska samtidigt som konkurrensen pa reservmarknaden skulle oka (Svenskakraftnat 2017a). Med flera reserver ar det aven mojligt att frigora kapacitet fran vattenkraf-ten for att bli ny baskraft nar karnkraften fasas ut (Energimyndigheten 2016).

1

Ytterligare en anledning till att infora nya reglerreserver ar att fa en storre geografisk sprid-ning av reserverna. Idag ar alla reserverna placerade i norra Sverige dar vattenkraften arlokaliserad men med nya teknologier mojliggors tillgang pa reserver i fler elomraden och dekan dessutom vara lokaliserade narmare slutanvandarna (Energimyndigheten 2016).

Mot denna bakgrund ska denna studie utvardera nya potentiella teknologier for automa-tisk frekvensreglering samt vilken kapacitet dessa kan leverera under olika sasonger. De nyateknologiernas tekniska egenskaper och geografiska lokalisering undersoks ocksa. Rapportensyftar till att studera de automatiska frekvensreglerings reserverna FCR (Frequency Contain-ment Reserve) och aFRR (automatic Frequency Restoration Reserve). Studien ar framforallten jamforande studie mellan olika teknologier snarare an en djupgaende studie. Detta for attkunna fa en oversiktlig bild over reserverna och potentiella leverantorer.

1.1 Syfte och mal

Syftet med denna studie ar att utreda hur vindkraft, forbrukningsflexibilitet och energilagerkan tillhandahalla systemtjanster i form av FCR och aFRR och fungera som ett komple-ment till vattenkraft for automatisk frekvensreglering. Utover det syftar rapporten till attundersoka tillgangligheten av dessa systemtjanster fran teknologierna under olika sasongerfor att sakerstalla frekvensstabiliteten i elnatet under hela aret.

1.2 Fragestallningar

• Hur kan teknologierna vindkraft, forbrukningsflexibilitet och energilager tillhandahallasystemtjanster i form av frekvensreglering idag?

• Vad kravs for att dessa teknologier ska uppfylla de tekniska kraven som finns forautomatisk frekvensreglering (FCR och aFRR) och vilka tekniska egenskaper begransarderas formaga att tillhandahalla systemtjanster?

• Vad ar svarstiden, kapaciteten och uthalligheten for dessa teknologier samt hur sertillgangligheten ut over aret? Dvs. hur stor volym skulle respektive teknologi kunnaleverera under olika sasonger.

• Var ar (i vilket elomrade) de nya teknologierna lokaliserade?

1.3 Avgransningar

For att begransa arbetet har flera avgransningar gjorts. Bland annat kommer arbetet en-bart att studera potentialen for de tre automatiska reserverna (FCR-N, FCR-D, aFRR) ochdarmed inte ovriga reserver, sa som effektreserven, mFRR eller storningsreserven. Utover dethar analysen avgransats till det svenska kraftsystemet eftersom de automatiska reservernaupphandlas inom landets granser. Analysen tar darmed inte hansyn till att reservmarknaden

2

vantas bli mer internationell i framtiden.

Denna studie undersoker inte de ekonomiska aspekterna kopplade till nya systemtjansterutan enbart den tekniska potentialen. En ekonomisk analys av de framtida leverantorer avsystemtjanster gors parallellt med detta arbete av en annan student pa Svenska kraftnat.

Studien avgransas till att studera teknologier som finns tillgangliga och kan implemente-ras pa marknaden idag. Alltsa undersoks de teknologier som natt en sadan mognadsgrad attdessa kan fungera for frekvensreglering i dagslaget. Rapporten studerar darmed inte nyareteknologier som ar pa forskningsstadiet och kan komma att bli aktuella i framtiden. Rappor-ten har inte heller tagit hansyn till tekniska framsteg som kan ske for de olika teknologiernautan har utgatt ifran hur teknologin fungerar idag.

Rapporten avgransas ocksa till att undersoka den tekniska potentialen som finns i dagslagetoch tar inte hansyn till nagot framtida scenario. Detta gors pa grund av svarigheten att vetahur kraftsystemet kommer fungera i framtiden.

1.4 Disposition

Inledningsvis beskriver rapporten en bakgrund till den svenska elmarknaden och elnatetsuppbyggnad. Vidare ges en introduktion till balans- och regleringsmarknaden och dess aktorer.

I nastkommande avsnitt forklaras det metodval som gjorts for att besvara fragestallningenoch arbetets olika delmoment.

Efter metodavsnittet presenteras resultaten fran kartlaggningen av de olika teknologiernasom undersokts. Kartlaggningen innehaller en beskrivning av hur respektive teknologi kantillhandahalla reserver samt hur stor deras mojlighet att klara de tekniska kraven for att faleverera reserver till Svenska kraftnat ar. Denna kartlaggning sammanfattar ocksa informa-tionen som erholls fran utforda intervjuer. I den andra delen av resultat presenteras resultatetfran modelleringarna dar tillganglig kapacitet och uthallighet for respektive teknologi tagitsfram.

Rapporten avslutas med ett analysavsnitt dar de viktigaste slutsatserna framstalls och disku-teras. Har diskuteras ocksa de begransningar som finns med studien och forslag pa framtidautredningar.

3

2 Bakgrund

I detta avsnitt presenteras bakgrunden till studien for att ge lasare en grundlaggande forstaelsefor elsystemet och de begrepp som anvands. Forst ges en introduktion till den svenska elmark-naden och Svenska kraftnats roll pa denna. Darefter foljer en kort beskrivning av elnatetsuppbyggnad och nagra viktiga begrepp kopplade till det. Ett senare stycke beskriver nagra avsystemtjansterna och deras tekniska specifikationer. Avslutningsvis sammanfattas ett urvalav vad som undersokts tidigare kopplat till rapportens syfte.

2.1 Den svenska elmarknaden

Den svenska elmarknaden ar komplex och bestar utav ett stort antal aktorer med olika syftenoch uppgifter. Har ges en kort introduktion till elmarknaden och dess uppbyggnad. Handelnmed elektricitet kan ske pa olika tidskalor fran langsiktig handel pa flera ars kontrakt ner tillminutbasis. Detta illustreras i figur 1.

Figur 1: Marknadsplatserna med motsvarande handelsperiod for den svenska elmarknaden

Den langsiktiga handeln sker pa Nasdaq1, dar aktorer kan sakra sitt elpris flera ar framat.Pa Nasdaq-borsen sker finansiell handel med terminer och eloptioner for att bland annatundvika variationer i elpriset (Energiforetagen Sverige, Oberoende Elhandlare och Svenskakraftnat 2018). Majoriteten av handeln av elektricitet i Sverige sker dock pa den nordiskaelborsen Nord Pool. Nord Pool ags av de nordiska och baltiska TSO:erna (Transmission Sy-stem Operator) men elhandeln sker i flera lander. I Sverige ar Svenska kraftnat TSO (NordPool 2019b). Elborsen uppstod efter avregleringen av den svenska elmarknaden 1996 ochidag saljs cirka 95 % av all elektricitet pa Nord Pool (Nord Pool 2019a).

Marknadsplatserna pa Nord Pool bestar utav dagen-fore-marknaden och intradag-marknaden.Pa dagen fore marknaden, aven kallad Elspot, sker fysisk handel med elektricitet ett dygni forvag. Dar lammar kopare och saljare bud pa hur mycket elektricitet de kommer behovarespektive kan producera varje timme kommande dag. Systempriset satts sedan utifran ut-bud och efterfragan pa spotmarknaden. Intradag-marknaden eller Elbas ar en slags juste-ringsmarknad dar aktorerna har mojlighet att kopa upp elektricitet fram till en timme fore

1https://www.nasdaq.com/ [2019-02-07]

4

leverans for att undvika obalans (Energiforetagen Sverige, Oberoende Elhandlare och Svens-ka kraftnat 2018).

Utover Elspot och Elbas handlas elektricitet aven pa reglerkraft- och balansmarknaden. Pareglerkraftsmarknaden (RKM) handlar Svenska kraftnat och andra systemoperatorer i Nor-den upp reglerkraft for att kunna hantera eventuella obalanser som kan uppsta. Detta ar ensa kallad intra-hour marknad dar balansansvariga kan lagga fram bud fram till 45 minuterinnan drifttimmen och buden kan galla bade upp- och nedreglering. Uppreglering sker narfrekvensen ar lag och da kan de balansansvariga antingen oka sin produktion eller minskasin konsumtion medan vid nedreglering ar frekvensen hog och da minskar de sin produktioneller okar sin konsumtion istallet. Dessa bud ar bindande och avropas i prisordning med detbilligaste budet forst. De aktorer som orsakade obalansen fran borjan blir betalningsskyldigafor vad regleringen kostade (Svenska kraftnat 2017b). Pa reglerkraftsmarknaden upphandlasden manuella reserven mFRR. Handeln med reglerreserver pa balansmarknaden beskrivs iett senare stycke.

Aktorerna pa elmarknaden

ElproducenterElproducenter ar de som skoter sjalva produktionen av elektricitet, alltsa de som agerkraftanlaggningarna.

ElanvandarnaElanvandaren ar sjalva slutkonsumenterna av elektriciteten och kan bade vara industrier,foretag och hushall. Dessa har tecknat ett avtal med bade elnatsforetagen om att fa kopplain sig till elnatet och till ett elhandelsbolag for att kopa elektriciteten. Sedan avregleringenkan elkunden sjalv valja vilket elhandelsbolag denne vill teckna ett avtal med. Medan vilketelnatsforetag som elanvandaren tecknar elnatsavtal med beror var anlaggningen ar placerad.

ElnatsforetagenElnatsforetagen ar de som ansvarar for att elektriciteten kan transporteras fran producen-terna fram till kunden. Det finns olika elnatsforetag som ansvarar for olika delar av natetnamligen; stamnat, regionnat och lokalnat.

ElhandelsforetagElhandelsbolagen, aven kallad elleverantor, ar de bolag som koper och saljer elektricite-ten fran producenterna till konsumenterna. Dessa har ett balansansvar gentemot Svenskakraftnat, vilket innebar att de maste balansera sin produktion och konsumtion i planerings-skedet. Det ar mojligt for elhandelsbolaget att sjalv ta balansansvaret och bli en s.k. balans-ansvarig aktor (BRP) eller sa kan de anlita ett annat bolag som tar over deras balansansvar.(Energiforetagen Sverige, Oberoende Elhandlare och Svenska kraftnat 2018)

5

TillsynsmyndigheterUtover ovan namnda aktorer finns det aven flera tillsynsmyndigheter sa som Energimyndig-heten, Elsakerhetsverket och Energimarknadsinspektionen som skoter tillsynen av elmarkna-dens aktorer och overvakar att ellagen foljs. (Energiforetagen Sverige, Oberoende Elhandlareoch Svenska kraftnat 2018)

2.2 Elnatets uppbyggnad

Sveriges elnat brukar delas upp i tre nivaer namligen stamnat, regionnat och lokalnat.Stamnatet ar den hogsta nivan och skoter transporten av elektricitet fran kraftverken tillregionnatet. Regionnatet overfor sedan elektriciteten vid en lagre spanning till lokalnatet.Darefter distribueras elektriciteten ut till elanvandarna via de lokala naten. Stamnatetoverfor stora mangder elektricitet over langa avstand medan de lokala och regionala natenar mer maskade och transporterar elektriciteten kortare avstand (Svenska kraftnat 2014).Aven om stamnatet overfor elektriciteten over langre avstand ar det lokalnatet som har denlangsta totala ledningslanden vilket kan ses i tabell 1.

Tabell 1: Egenskaper for det svenska elnatet (Svenska kraftnat 2014)

Spanningsniva Total ledningslangd[kV] [km]

Stamnat 220 - 400 16 000Regionnat 40 - 130 30 000Lokalnat 10-20 506 000

I Sverige star vattenkraft och karnkraft fortfarande for majoriteten av elproduktionen. Till-sammans star de for cirka 80 % av den totala elproduktionen. Under senare ar har elpro-duktionen fran vindkraft okat och stod 2017 for 11 % av den totala mangden produceradelektricitet. Totalt producerades 160 TWh elektricitet under 2017 och i figur 2 illustrerasfordelningen mellan de olika kraftslagen. (Energimyndigheten 2018a)

Figur 2: Sveriges elproduktion fordelad per kraftslag 2017 (Energimyndigheten 2018a)

6

Kraftslagen brukar ibland delas upp i olika kategorier ur ett balansperspektiv. De tre huvud-kategorierna ar baskraft, reglerkraft och intermittent kraft. Baskraft ar de kraftslag som intestyrs av efterfragan utan har en relativt konstant elproduktion over tid. Reglerkraft ar dekraftslag som kan anvandas for att balansera variationer i produktion och konsumtion. Det-ta ar typiskt kraftslag med snabb aktiveringstid. I Sverige fungerar karnkraften framforalltsom baskraft medan vattenkraften ar Sveriges reglerkraft. Intermittent kraft ar kraftslag darproduktionen kan variera kraftigt beroende pa hur forutsattningarna ser ut vid den aktuellatidpunkten, typiskt vaderberoende kraftslag som exempelvis sol- och vindkraft.

Den elektricitet som produceras forbrukas sedan av elanvandarna. Jamfort med andra landerhar Sverige en hog elanvandning per invanare. Detta beror bland annat pa att Sverige haren stor elintensiv industri och ett kallt klimat (IVA 2016). Produktionen och konsumtionenutav elektricitet ar ojamnt fordelad over landet. En stor del av elektriciteten produceras ide norra delarna av landet medan den hudsakliga elanvandningen sker i soder. Overskottetpa elektricitet i norr behover darmed transporteras langa strackor for att na slutanvandarnavilket kan leda till stora forluster i stamnatet (Svenska kraftnat 2014).

Det svenska elnatet ar uppdelat i fyra stycken elomraden som brukar kallas SE1-SE4 ochillustreras i figur 3. Eftersom stamnatet har en begransad overforingskapacitet uppstar detflaskhalsar som begransar mangden elektricitet som kan overforas mellan tva angransandeomraden. De fyra elomradena infordes ar 2011 for att representera dessa flaskhalsar. In-delningen i elomraden har inneburit att elpriset stundtals varierat mellan olika platser ochgenerellt har konsumenter i soder haft ett hogre elpris an konsumenter i norra Sverige (Ener-gimarknadsinspektionen 2014). De fyra elomradena ar synkront ihopkopplade med de ovriganordiska landernas elsystem vilket innebar att hela elsystemet har samma frekvens.

Figur 3: Sveriges fyra elomraden

7

2.3 Balansering och frekvensreglering

For att det svenska elnatet ska fungera kravs det att frekvensen i hela systemet alltid ar den-samma. Ett viktigt begrepp som anvands i dessa sammanhang ar frekvensstabilitet vilketrepresenterar systemets formaga att uppratthalla en stabil frekvens. For att uppratthalla enstabil frekvens kravs det att produktionen och konsumtionen av elektricitet ar lika stor i varjetidsogonblick. For det nordiska synkronomradet skall frekvensen idealt vara 50 Hz men dentillats variera mellan 49,9 till 50,1 Hz. Vikten av att halla frekvensen stabil vid 50 Hz berorpa att tekniska komponenter kopplade till natet kan ta skada av for stora frekvensavvikelser.Eftersom det ar svart att halla produktion och konsumtion lika over tid finns ett behovav att kunna balansera eventuella obalanser som uppstar. I Sverige har Svenska kraftnatsystemansvaret for elektricitet vilket bland annat innebar att de ar ansvariga for balanseni natet under drift. Om en frekvensavvikelse uppstar skall regleringsreserverna aktiveras foratt aterstalla frekvensen till nominell frekvens. Regleringsreserverna brukar delas in i trestycken nivaer, namligen primarreglering, sekundarreglering och tertiarreglering. Nedan gesforst en introduktion till hur frekvensreglering fungerar och darefter foljer en mer noggrannbeskrivning av de tre typerna av reserver.

Fore drift ligger balansansvaret pa de balansansvariga aktorerna pa marknad, dessa kantill exempel vara elleverantorer. De balansansvariga maste ange vilken produktion respek-tive konsumtion de vantas ha under kommande dygn. Om de balansansvariga inte lyckasatt planera sin kraftbalans och Svenska kraftnat maste aktivera reserverna for att aterstallabalansen far den aktor som orsakat obalansen betala vad regleringen kostade. Kostnadenberaknas genom sa kallad balansavrakning (Energiforetagen Sverige, Oberoende Elhandlareoch Svenska kraftnat 2018).

For att kunna balansera natet under drift har Svenska kraftnat i forvag upphandlat regler-reserver. Volymen som kravs for dessa reglerreserver bestams utav de sa kallade N-1 krite-riet. N-1 kriteriet innebar att kraftsystemet skall klara av att vara stabilt aven om en storproduktions- eller konsumtionsanlaggning skulle falla bort. Vid dimensionering av regle-ringsreserverna i norden ar utgangspunkten det sa kallade dimensionerande felet. Det ar denstorsta storningen som kan intraffa i det nordiska elsystemet. I norden ar karnkraftsblocketOskarshamn 3 det storsta dimensionerande felet som kan uppsta vilket motsvarar 1400 MW.Alltsa, det totala reglerbehovet i norden ar 1400 MW vilket fordelas ut mellan landernaoch for Sverige motsvarar detta 427 MW. Systemet skall ocksa vara helt aterstallt inom 15minuter for att klara en lika stor storning till. Reglerreserverna kan besta utav produktions-anlaggningar eller konsumenter som kan anpassa sin elkonsumtion. Den absoluta merpartenav det befintliga reglerreserverna och dagens systemtjanster tillhandahalls av vattenkrafti Sverige. Vattenkraft ar en mycket effektiv resurs ur saval ett tekniskt som ett ekono-miskt perspektiv da den tillhandahaller en snabb och billig flexibilitet (Svenska kraftnat2015). For reserverna skiljer man pa uppregleringsformaga och nedregleringsformaga. Upp-regleringsformaga ar formaga att oka produktion eller minska forbrukning medan nedregle-ringsformaga ar formaga att minska produktion eller oka forbrukning.

8

For att fa leverera reserver till Svenska kraftnat kravs det att leverantoren uppfyller vissatekniska krav. Kraven som finns for reglerreserverna galler bland annat uthallighet, svarstidoch repeterbarhet. Dessa begrepp definieras nedan och illustreras i figur 4.

• Uthallighet definieras av hur lange en viss reglerresurs kan bidra med frekvensreglering(t2)

• Svarstid eller aktiveringstid ar den tid det tar for reglerresursen att aktiveras frantidpunkten da obalansen uppkom (t1)

• Repeterbarhet ar ett matt pa hur ofta reglerresursen kan bidra med frekvensreglering.Alltsa hur efter hur lang tid reserven kan aktiveras igen efter den aktiverats (t1 + t2++eventuell uppladdnings- eller aterhamtningstid)

Figur 4: Uthallighet och svarstid

2.3.1 Primarreglering

Vid en obalans aktiveras forst primarregleringen som automatiskt aktiveras for att motverkafrekvensavvikelsen. Den primara regleringen bestar utav tva stycken automatiska reservernamligen en frekvenshallningsreserv for normaldrift (FCR-N) och en frekvenshallningsreservfor storningsdrift (FCR-D). Under normal drift nar frekvensen ar inom 50 ± 0,1 Hz aktive-ras FCR-N for att reglera frekvensen. FCR-N aktiveras automatisk vid en frekvensavvikelsefran 50 Hz for att halla frekvensen stabil inom intervallet 49,9 till 50,1 Hz. Vid storre fre-kvensavvikelser da frekvensen understiger 49,9 Hz aktiveras istallet FCR-D. FCR-N aktiverasalltsa for att balansera elnatet vid sma storningar medan FCR-D ofta anvands vid storrestorningar som till exempel bortfall av en stor produktionsanlaggning (Svenska kraftnat2017b). En viktig skillnad mellan dessa tva reserver ar att FCR-N ska klara av uppreglering-och nedreglering av samma volym medan FCR-D idag enbart behover klara uppreglering.Darfor brukar FCR-N kallas for en symmetrisk reserv och FCR-D for en asymmetrisk reserv.FCR-N ar 100 % aktiverad vid 50,1 HZ och vid frekvenser lagre an 49,9 Hz, dvs hela dentillgangliga kapaciteten anvands da. FCR-D ar fullt aktiverad vid 49,5 Hz.

9

I Sverige finns det idag ett volymkrav pa att det alltid ska finnas minst 227 MW FCR-N tillgangligt varje timme. Volymen FCR-D beror av det aktuella dimensionerande felet. DaOskarshamn 3 ar i drift ar detta det storsta dimensionerande felet och da upphandlas 427MW FCR-D varje timme for Sverige (Eriksson 2019). Kravet for FCR-N ar ocksa att 63% av kapaciteten maste kunna vara aktiverad inom 60 sekunder och sedan 100 % inom 3minuter. For FCR-D stalls ytterligare krav pa hur snabbt kapaciteten maste aktiveras, 40 %maste kunna aktiveras inom nagra fa sekunder och 100 % inom 30 sekunder. I tabell 2 visasde tekniska krav som stalls pa reserverna idag nar det galler aktiveringstid, uthallighet ochminsta kapacitet. Den primara reserven aterstalls efter 15 minuter igen for att sakerhetsstallaatt systemet kan klara (N-1) kriteriet (Svenska kraftnat 2018a).

Tabell 2: Tekniska krav for primarreglings reserverna (Svenska kraftnat 2018a)

FCR-N FCR-D

Minsta budstorlek 0,1 MW 0,1 MW

Aktiveras automatiskt vid frekvensavvikelse automatiskt vid frekvensavvikelseinom 49,90 – 50,10 Hz under 49,9 HZ

Aktiveringstid 63% inom 60 s och 100 % inom 3 min 50 % inom 5 s och 100 % inom 30 s

Volymkrav 227 MW 427 MW

Uthallighet minst en timme minst en timme 1

1 Beror pa hur kraven tolkas

Primarreserverna handlas upp en till tva dygn i forvag genom att leverantorerna lamnar budpa vilken kapacitet de kan avsatta. Buden avropas sedan i prisordning och leverantoren farsedan betalt for den kapacitet de angivit. For FCR-D far leverantorerna enbart betalt for denkapacitet de angivit medan for FCR-N far de aven energiersattning for den energimangd somblev aktiverad under leveranstimmen. For att fa leverera reserver pa FCR-marknaden masteleverantorerna genomga en sa kallad prekvalificering i samarbete med Svenska kraftnat forsakerstalla att alla krav uppfylls (Energimarknadsinspektionen 2016). De olika typerna avreserver kan visulaiseras i figur 5.

Figur 5: Frekvensreglering i det svenska elsystemet (Eng och Johansson 2014)

10

2.3.2 Sekundarreglering

Den andra typen av reglering ar sekundarreglering. Den bestar av en automatisk frekvensater-stallningsreserv (aFRR). Efter primarregleringen har frekvensavvikelsen stabiliserats vid enniva som skiljer fran nominell frekvens. Syftet med aFRR ar att aterstalla frekvensen till 50Hz och avlasta FCR sa den finns tillganglig om en ny obalans intraffar. Aven denna reservhar ett flertal tekniska krav som maste vara uppfyllda, dessa presenteras i tabell 3. Minstabudvolym for aFRR ar 5 MW och denna kapacitet ska kunna vara helt aktiverad inom 120sekunder.

Tabell 3: Tekniska krav for sekundarreglings reserverna (Svenska kraftnat 2018a)

aFRRMinsta budstorlek 5 MWAktiveringstid 100 % inom 120 sVolymkrav 150 MWUthallighet minst en timme

Reserven aFRR infordes 2013 for att forbattra frekvenskvaliten i det nordiska elsystemet.Reserven upphandlas en gang i veckan for kommande vecka och buden avropas i prisordninglikt FCR. En leverantor av aFRR ersatts bade for den upphandlade kapaciteten och for denenergimangd som faktiskt aktiveras. Reserven behover bara kunna reglera i en riktning, alltsakan buden vara galla antingen upp- eller nedregleringen, och ska klara att vara aktiveradunder minst en timme. For tillfallet handlas aFRR nationellt men de nordiska TSO:erna harsom mal att infora en gemensam marknad for aFRR inom nagra ar (Energimarknadsinspek-tionen 2016).

2.3.3 Tertiarreglering

Den tredje typen av regleringsreserv ar den tertiara reserven. Den bestar utav tre stycken ma-nuella reserver; manuell frekvensaterstallningsreserv (mFRR), effektreserven och stornings-reserven. De tertiara reserverna aktiveras manuellt pa begaran av Svenska kraftnat (Svenskakraftnat 2019b). Tertiar reserven mFRR avlastar aFRR och har ocksa som syfte att aterstallafrekvensen till 50 Hz. mFRR upphandlas for varje timme pa reglerkraftsmarknaden (RKM)som ar en marknad som drivs av de nordiska TSO:erna. Pa RKM lamnas frivilliga bud paupp- och nedreglering fran och med 14 dagar innan leverans fram till 45 minuter fore le-veranstimmen. Minsta budstorlek for mFRR ar 10 MW i alla omraden forutom i SE4 darvolymkravet istallet ar 5 MW. Dessa ska vara aktiverade inom 15 minuter efter felet in-traffade (Energimarknadsinspektionen 2016).

Storningsreserven ar en reserv som syftar till att stotta systemet kortsiktigt vid stora oforut-sedda storningar. Den upphandlas av Svenska kraftnat och bestar idag utav ett antal gastur-biner som kan balansera systemet under kortare perioder (Svenska kraftnat 2018b). Utover

11

dessa finns ocksa en sa kallad effektreserv som anvands for att sakerhetsstalla effektbalan-sen de timmar under vintern da elforbrukningen ar hog (Svenska kraftnat 2018b). Det arSvenska kraftnat som tillhandahaller effektreserven genom att teckna avtal med elprodu-center och stora elforbrukare arligen for perioden november till mars. Den kan besta utavbade forbrukningsreduktion och produktionsokning (Svenska kraftnat 2019a). De tertiarareserverna kommer inte att analyseras vidare i denna rapport.

2.3.4 Svangmassa

En annan viktig systemtjanst som blivit allt mer uppmarksammad under senare tid arsvangmassa. Svangmassa skapas av synkrongeneratorer som ar kopplade till kraftsyste-met. Dessa skapar en troghet till systemet vilket hjalper till att stabilisera snabba fre-kvensandringar som kan uppsta. Da kraftslag med synkront kopplade generatorer, som exem-pelvis karnkraft, avvecklas minskar mangden tillganglig svangmassa. Detta tillsammans medokad installation av intermittenta kraftslag har bidragit till att frekvenskvaliten forsamratsoch efterfragan pa nya snabba reglersreserver okat. Fornybara kraftslag som vindkraft och so-lenergi saknar synkrongeneratorer och kan darmed inte bidra med konventionell svangmassa(Svenska kraftnat 2017b).

2.3.5 Vattenkraft som reglerreserv

Dagens reglerreserv for FCR och aFRR bestaende av vattenkraft kommer att redogoras kort-fattat har. Vattenkraft ar en viktig resurs i Sverige och totalt finns ca 2000 vattenkraftverk.Vattenkraft omvandlar rorelseenergi fran strommande vatten till elektrisk elenergi genom attlata vattnet passera en turbin som driver en generator. Den producerade effekten fran ettvattenkraftverk beror bland annat pa fallhojden och den mangd vatten som tillats passeraforbi turbinen. Vattenkraft har formagan att lagra energi i dammarna for att anvanda dennar den behovs. For att leverera reserver styrs mangden vatten som passerar forbi turbinenoch pa sa vis kan elproduktionen okas eller minskas vid en frekvensavvikelse. Vid en avvi-kelse skickas en styrsignal automatisk och inom sekunder justeras produktionen. Den enklastyrningen och de stora volymerna som kan regleras for vattenkraft har historisk gjort dentill en uppskattad och billig reglerreserv. (Energimyndigheten 2016)

2.3.6 Analys av frekvensen och den faktiska aktiveringen av reserverna

For att fa leverera automatiska reserver till Svenska kraftnat kravs det att leverantorengaranterar att de kan tillhandahalla reserven under minst en timme eller sa lange frekvens-avvikelsen faktiskt varar. Den faktiska aktiveringen av reserverna analyserades i Lindgrensstudie genom att studera uppmatt frekvensdata fran 2018. Figur 6 visar ett varaktighetsdi-agram over frekvensen under aret baserat pa 5 sekunders matvarden.

12

Figur 6: Varaktighetsdiagram over frekvensen 2018 (Lindgren 2019)

Fran figuren konstateras att majoriteten av tiden ligger frekvensen inom intervallet 50 ±0,1 Hz. Enbart i 1,1 % av fallen sjonk frekvensen under 49,9 Hz vilket kravde aktivering avFCR-D. Lindgrens studie uppskattade ocksa hur mycket reserverna i snitt behovde aktiverasunder en timme. FCR-N var som mest 90,9 % aktiverad men majoriteten av tiden (97 %)var aktiveringen mindre 60 % under en timme. Frekvensen sjonk aldrig till 49,5 Hz underaret dvs. FCR-D behovde aldrig vara 100 % aktiverad som mest var FCR-D aktiverad 5,2% i snitt under en timme. Lindgrens resultat visar alltsa att reserverna aldrig var 100 %aktiverade under en hel timme i strack under 2018. (Lindgren 2019)

2.4 Tidigare studier

Flera tidigare studier har identifierat behovet av nya teknologier som kan leverera system-tjanster for att stabilisera elnatet. I Svenska kraftnats systemutvecklingsplan fram till 2027namns att behovet av systemtjanster fran t.ex. energilager och forbrukningsflexibilitet kom-mer att oka (Svenska kraftnat 2017b). Hittills har undersokningar kring nya teknologierframst utforts i andra lander sasom i Tyskland och Storbritannien dar avsaknaden av vat-tenkraft gjort balanseringen av elnatet dyrare an i Sverige. I Tyskland har till exempelflera praktiska projekt redan utforts for att anvanda storskaliga energilager och vindkraftfor automatisk frekvensreglering (Linder m. fl. 2018). For Sveriges del har intresset for denya teknologierna fram tills nyligen varit svagt men nu okar intresset aven har och ett parpilotprojekt har utforts (Svenska kraftnat 2018b).

Teknologierna som undersoks i rapporten ar energilager, vindkraft och forbrukningsflexibilitet.For storskaliga energilager har mycket forskning redan gjorts for att undersoka den tekniskapotentialen for att anvanda dessa for automatisk frekvensreglering. Dessutom har studiergjorts for att se hur energilager paverkas av att anvandas i detta syfte. Till exempel un-dersoktes hur batteriers livslangd paverkas av att tillhandahalla frekvensreglering i en studie

13

av Swierczynski m.fl. (Swierczynski m. fl. 2013) medan en annan studie av Thorbergssonm.fl. undersokte vilken ekonomiska potential som finns for storskaliga batterilager for fre-kvensreglering (Thorbergsson m. fl. 2013).

Ett flertal rapporter har studerat vindkraftens mojligheter att stabilisera elnatet. I ett ar-bete av Alemedia m.fl. studeras hur styrningen av vindkraft kan ske med syftet att fungerasom primar frekvensreglering. Utover det simulerar rapporten hur styrningen klarar av atthantera olika typer av obalanser som kan uppsta (Almeida och Lopes 2005). Men studierpa hur stor den faktiska tillgangliga kapaciteten fran vindkraft for olika frekvensregleringsreserver ar saknas.

For forbrukningsflexibilitet har de flesta tidigare studier undersokt potentialen som finnsfor att flytta last fran hoglast- till laglastimmar. Detta undersoktes bland annat i en rap-port fran Energimarknadsinspektionen som skrevs 2016 (Energimarknadsinspektionen 2016).Daremot finns en kunskapslucka nar det kommer till att anvanda forbrukningsflexibilitet forautomatisk frekvensreglering. Vidare har fa studier gjorts som jamfor olika teknologiers po-tential for att leverera frekvensreglerings reserver.

14

3 Metod och teori

I foljande avsnitt beskrivs och motiveras metodvalet som anvands for att besvara arbetetsfragestallningar. Vidare ges en beskrivning till arbetets olika delmoment.

Arbetet har delats in i fyra delmoment. I det forsta delmomentet genomfors en litteraturstu-die for att kartlagga vad som har gjorts inom detta omrade tidigare. Nasta moment var attforbereda och genomfora intervjuer med experter inom de olika branscherna och med fors-kare vid universitetet for att sammanstalla den tekniska informationen kring teknologierna.I det tredje delmoment utvecklades modeller for att simulera och berakna teknologiernas re-gleringsformaga och som ett avslutande delmoment analyseras de resultat som tagits fram.En illustration over metoden kan ses i figur 7.

Figur 7: Metodaval for examensarbetet

3.1 Forstudie

En litteraturstudie genomfordes for att fa en battre forstaelse for hur reservmarknaden fun-gerar idag, vilka teknologier som kan vara av intresse for automatisk frekvensreglering samtvad som har undersoks inom amnet tidigare. I denna del studerades flertal rapporter kringSvenska kraftnats balansansvar men aven tidigare forskning kring de teknologier som skall un-dersokas. Under forstudien identifierades vilka teknologier som sannolikt har storst potentialoch hur dessa skulle fungera for frekvensreglering. Teknologierna som undersoks som poten-tiella leverantorer av systemtjansterna ar energilager, vindkraft och forbrukningsflexibilitet.Dessa undersoks eftersom Svenska kraftnat identifierat dem som mest intressanta i nartid.For energilager undersoks potentialen for litium-jon batterier, blybatterier och svanghjul me-dan for forbrukningsflexibilitet undersoks potentialen fran varmepumpar i smahus. Vidarediskuteras den potential som finns for forbrukningsflexibilitet i industrier.

3.2 Kartlaggning

Nar forstudien var klar genomfordes ett antal intervjuer med personer inom berorda bran-scher. Samtliga personer som blev intervjuade under detta moment finns presenterade itabell 4. Syftet med intervjuerna var att fa en battre forstaelse for de mojligheter och hindersom finns kopplade till respektive teknologis formaga att tillhandahalla frekvensreglering.Intervjuerna fungerade ocksa som ett komplement till litteraturstudien vid kartlaggningenav teknologierna. Intervjuerna holls med personer som var insatta i amnet inom de oli-ka teknologierna och hade visat intresse for reservmarknaden. Intervjuerna var sa kallade

15

semi-strukturerade intervjuer. Vid sadana intervjuer har fragor i forhand forberetts men tillskillnad fran helt strukturerade intervjuer finns det mojlighet att avvika fran dessa vid be-hov. Pa sa satt kan personen som blir intervjuade fa utrymme att ta upp det som denneanser viktigt samtidigt som intervjun begransas till amnet (Kvale och Brinkmann 2014).

Tabell 4: Sammanstallning av de personer som deltagit i intervjuer for examensarbetet

Namn Organisation Titel Datum Plats

Juan De Santiago Uppsala Docent i teknisk fysik med inriktning 2019-03-01 UppsalaUniversitet mot elektricitetslara

Martin Fregelius Uppsala Doktorand vid Institutionen for 2019-03-01 Uppsala

Universitet teknikvetenskaper, Elektricitetslara

Bjorn Berg Ngenic CEO 2019-03-06 Uppsala

Ilari Alapera Fortum Business Development Manager 2019-03-06 Uppsala

Pia Ruokolainen Fingrid Specialist 2019-03-07 Sundbyberg

Heidi Uimonen Fingrid Electricity Market Specialist 2019-03-07 Sundbyberg

Jonne Jappinen Fingrid Development Manager 2019-03-07 Sundbyberg

Richard Ogiewa Enercon GmbH Sales and grid Engineer 2019-03-13 Sundbyberg

Ana Kosareva Enercon GmbH Data Analyst / Project Manager 2019-03-13 Sundbyberg

Tomas Bjorlin- Northvolt Project Manager Battery Systems 2019-03-21 StockholmSvozil

Filip Englund Holmen Energi AB Energy Manager 2019-03-22 Sundbyberg

Per Aslund Expektra Director of Marketing and Sales 2019-03-27 Sundbyberg

Peter Olofsson Northvolt Technical Account Manager 2019-03-28 Uppsala

Kristoffer Simonsson Piller Sales Manager Scandinavia 2019-04-09 Sundbyberg

Johan Borje Stockholm Exergi Head of Marketing and Sales 2019-04-16 Sundbyberg

Den 2:a april deltog jag och Lindgren pa en konferens med temat energismarta datacenter2.Under konferensen diskuterades bl.a. hur datacenter kan hjalpa till med frekvensreglering avelnatet. Samtal fordes med representanter fran Eaton, Banhof, Piller och Stockhlm Exergi.

3.3 Modellering

Detta stycke beskriver de modeller som anvands for att berakna den tillgangliga kapacitetenfor de olika teknologierna. Eftersom teknologierna ar vasentligt olika i dess funktion behovdesolika berakningsmetoder anvandas for respektive teknologi.

2https://dcd.events/conferences/energy-smart [2019-05-23]

16

3.3.1 Energilager

BatterierFor att berakna vilken kapacitet som finns tillganglig fran batterier idag beraknas forstvilken energivolym som finns tillganglig idag utifran vad som tagits fram i kartlaggningenav teknologierna. Darefter beraknas vilken kapacitet detta skulle motsvara for att klaradet tekniska kravet om uthallighet for de olika automatiska reserverna. Tva samband somanvands for berakningarna ar ekvation 1 och 2.

EBatteri = PBatteri ∗ t (1)

SOC =Tillganglig kapacitet

Nominell kapacitet(2)

Dar SOC (State Of Charge) 100 % innebar att batteriet ar fulladdat och 0 % innebar attbatteriet ar helt urladdat. SOC ar en viktig parameter for att kunna leverera reserver. Ombefintliga batterier i t.ex. UPS system anvands bor SOC vara enligt figur 8 for att kunnaleverera sa stor kapacitet av reserverna som mojligt. Genom att ha batteriet i UPS systemet100 % laddat kan de leverera maximalt av kapaciteten for uppreglering medan for FCR-Nsom maste kunna leverera lika mycket upp som nedreglering ar det istallet optimalt att liggapa SOC 50 %.

Figur 8: Ideal SOC for de olika reserverna. Dvs. SOC 100 % for FCR-D (och aFRR upp),50% for FCR-N och 0 % for aFRR ner

SvanghjulEftersom det i dagslaget inte finns nagon omfattande anvandning av svanghjul som kananvandas for frekvensreglering i Sverige gjordes darfor en case studie. Detta for att beraknahur svanghjul skulle behova dimensionernas for att kunna mota de volym- och uthallighetskrav som stalls for att fa leverera reglerreserver. Berakningarna utgick ifran det enkla sam-bandet mellan energi och effekt (se ekvation 3).

ESvanghjul = PSvanghjul ∗ t (3)

17

3.3.2 Forbrukningsflexibilitet

Forbrukningsflexibilitet fran hushalls varmepumparFor att simulera uthalligheten och den tillgangliga kapaciteten for forbrukningsflexibilitetenfran varmepumpar sattes en modell upp i Simulink. I detta avsnitt beskrivs modellen somanvandes for simuleringarna och de parametrar som anvands. Modellen och ekvationernabygger pa en lastmodell som tagits fram av Sandels och simulerar varmeeffektbehovet franvarmepumpen i en standardvilla i Sverige under ett ar (Sandels 2016). Modellen bestammervarmeeffektbehovet fran varmepumpen genom att simulera varmebalansen i villan.

Syftet med varmepumpen ar att halla temperaturen inomhus vid en viss temperatur. Varme-pumpen overfor varme fran en varmesanka med lag temperatur till husets hogre temperaturvilket kraver att ett arbete utfors i form av tillforsel av elektrisk energi. Koldmediet inutivarmepumpen absorberar varme i en forangare och komprimeras sedan genom en kompres-sor vilket far temperaturen att stiga. Den varmen kan sedan overforas till byggnaden via envarmevaxlare. (Muhssin m. fl. 2018)

Uppvarmningsbehovet regleras genom att lata inomhustemperaturen hallas konstant vid enforutbestamd referenstemperatur, Tref som kontrolleras av en termostat i huset. Tillforselnav varmen sker forutom genom varmepumpen genom tre processer; (1) genom solinstralningQsol, (2) genom boende i huset Qboende och (3) genom varmestralning fran elektrisk utrust-ning Qel. Solinstralningen tillfor varme till huset genom fonsterna och varmeeffekten somtillfors beror pa arean pa fonsterna (Afonster), solinstralningen mot en vertikal yta (Psol) ochsolfaktorn (g). Varmen som tillfors huset via fonstrena bestams av ekvation 4.

Qsol = Psol ∗ g ∗ Afonster (4)

De boende i huset tillfor varme da de befinner sig i huset genom sin metabolism. Qboende

bestams utav hur manga (Nboende), hur lang tid de befinner sig i huset (Xboende) och hurmycket varme varje individ utstralar (Pboende), se ekvation 5. For varmen fran elektriskaapparater anvandes ett standardvarde pa att 70 % av den hushallselektriciteten som anvandsomvandlas till varme (Boverket 2007).

Qboende = NboendePboendeXboende (5)

Dartill forloras varme fran huset genom sa kallade transmissionsforluster Qtran och ventila-tionsforluster Qvent. Transmissionsforluster sker genom byggnadens yttre skal till omgivning-en nar utomhustemperaturen ar lagre an referenstemperaturen i huset. Denna forlust berorpa isoleringskonstanten Λtran som definieras enligt 6.

Λtran =∑

UiAi (6)

Dar Ui ar varmegenomgangskoefficient for varje byggnadskomponent och Ai ar motsvarandearea. Ui och Ai har satts till standardvarden for ett hus i Sverige och kan ses i tabell 19

18

och 20 i Appendix. For ventilationsforlusterna gar varmeeffekt forlorad vid ventilationen avhuset. Storleken av denna forlust beror av Λvent som bestams utav ekvation 7.

Λvent = VbNventCp,luft(1 − αrc) (7)

Dar Vb ar den totala inomhus volymen for huset, Nvent ar den hastighet som luftutbytet skermed, Cp,luft ar luftens varmekapacitet och αrc ar den sa kallade varme atervinningsfaktornfor ventilationssystemet alltsa hur mycket av varmen som kan atervinnas. Fran Λtran ochΛvent kan den totala varmeforlusten beraknas genom ekvation 8.

Qforlust = (Tinne(t) − Tute(t))(Λtran + Λvent)) (8)

De ovan namnda varmeflodena kommer att paverka vad inomhus temperaturen i huset blir.Detta samband beskrivs av ekvation 9.

T (t+ 1) = T (t) +Qvarmepump +Qsol +Qboende +Qel −Qforlust

τ(Λtran + Λvent)(9)

Detta samband beskriver alltsa vad temperaturen kommer bli i nasta tidsogonblick beroen-de pa vad temperaturen ar, varmeflodena genom huset och husets termiska egenskaper. τ arbyggnadens tidskonstant och mats i timmar. Denna konstant beskriver vilken varmetroghethuset har eller vilken varmemangd som kan lagras i husets massa. En vanlig villa har entidskonstant pa mellan 1-4 dygn (Boverket 2012).

Genom att inomhustemperaturen alltid skall hallas kring sitt referensvarde i modellen kon-trolleras Qvarmepump for att uppfylla detta. Utover varmetillforseln for uppvarmningen avhuset tillkommer aven uppvarmning av varmvatten som utgor en femtedel av varmebehovet(Energimyndigheten 2017b). Utifran riktlinjer fran Boverket over hur en villa i olika klimat-zoner och i denna storleksklass bor dimensionera sin varmepump gar det att ta fram hurstor del av tiden varmepumpen ar aktiverad beroende pa utomhustemperaturen och darmedhur stor effekt som skulle finnas tillganglig for att leverera reserver vid olika temperaturer.Vanliga varmepumpar har tva driftslagen; de ar antingen pa eller avslagna och det ar ut-omhustemperaturen som avgor hur stor del av tiden de paslagna (aktiverade). For FCR-Doch aFRR uppreglering kan andelen aktiverade varmepumpar stangas av for att reglera uppfrekvensen vilket ger dess tillgangliga effekt. Om manga varmepumpar aggregeras kommerdet i varje tidsogonblick finnas en viss effekt aktiverad beroende pa utomhustemperatur.Uppreglering sker dels genom att aktiverade varmepumpar stangs av och dels genom attvarmepumpar som skulle slagits pa halls avstangda. Nedreglering av frekvensen gors genomatt starta igang varmepumparna dvs. aFRR nedreglering har storst tillganglig kapacitet daandelen aktiverade varmepumpar ar lag. For FCR-N som behover kunna reglera lika storeffekt upp som ned och alltsa maste kunna bade stanga av och starta igang varmepumparfor att reglera frekvensen blir den tillgangliga kapacitet det minsta vardet utav upp- ochnedregleringsformagan. Detta skalas sedan upp for att se den potentiella kapaciteten somskulle finnas tillganglig i de olika elomradena under ett ar. Modellen verifieras mot vad

19

uppvarmningsbehovet for en genomsnittlig villa med varmepump av denna storlek var i Sve-rige under motsvarande ar.

For att simulera vilken uthallighet som denna teknologi kan tankas ha simuleras hur langeen varmepump kan klara att vara avstangd utan temperaturen sjunker till sadana nivaer attinomhuskomforten paverkas.

For simuleringarna anvands klimatdata fran SMHI for aren 2017 och 2018 for fyra olikaplatser i Sverige. Platserna ar representativa for de elomraden de befinner sig i.

3.3.3 Vindkraft

I detta stycke presenteras modellen som anvants for att ta fram den tillgangliga kapacitetenfran vindkraften i Sverige. Forst undersoks potentialen for ett enskilt vindkraftverk genomatt simulera dess produktion under ett ar och darefter analyseras den tillgangliga kapacitetenfor respektive elomrade genom att utga fran den faktiska vindkraftsproduktionen under ettar.

Den producerade effekten fran ett vindkraftverk ges av ekvation 10.

Pvind =1

2ρAturbinU

3Cp (10)

Dar:Pvind : Producerad effekt fran ett vindkraftverkρ : Luftens densitetAturbin : Area for turbinbladenU: VindhastighetenCp : Aerodynamisk effektkoefficient

I normalfallet saknar vindkraft uppregleringsformaga. For att darfor kunna leverera system-tjanster som reglerar upp frekvensen kravs det att den uttagna effekten fran kraftverket hallsvid en lagre niva, generellt 90 % av totala tillgangliga effekten. Detta ar ett standardvardesom anvands inom branschen och motiveras ytterligare i kartlaggningen. De ovriga 90 % saljspa Nord Pool och kan darmed inte anvands for att leverera reserver. Det innebar att 10 % avden maximala effekten kan anvandas for FCR-D. For FCR-N som behover kunna leverera ensymmetrisk produkt kan enbart 5% av den maximala producerade effekten anvandas. aFRRhar tva separata produkter, en for nedreglering och en for uppreglering. For uppregleringenfinns precis som for FCR-D 10 % av maximal produktion tillganglig medan for nedreglering-en hela den producerade effekten anvandas for nedreglering.

Tillganglig kapacitet fran ett befintligt vindkraftverk fas genom att utga ifran uppmattvinddata for platsen dar vindkraftverket ar lokaliserat och verkets tekniska egenskaper. Forrapporten anvandes vindkraftverket Nasudden som utgangspunkt. Vid Nasudden lag ett av

20

Sveriges forsta vindkraftverk och det finns mycket data att tillga om verket (se tabell 21i Appendix). Idag finns har cirka 100 verk dar varav Vattenfall ager 8 av dem (Vattenfall2019). Den uppmatta vinddatan fran SMHI mattes vid en hojd pa 10 meter. For att ta framvad vindhastigheten var vid turbinhojden anvandes den s.k. logaritmiska lagen (se ekv. 11).

U2 = U1

ln(h2

z0)

ln(h1

z0)

(11)

Dar:U1: Vindhastigheten vid hojden h1 mU2: Vindhastigheten vid hojden h2 mz0: Vindskjuvningen (konstant for variation av vindhastigheten i hojdled)h1: Mathojdh2: Turbins navhojd

Modellen over det enskilda vindkraftverket verifierades genom att jamfora den totala si-mulerade elproduktionen [MWh] med den faktiskt uppmatta elproduktionen samma ar.

For att se hur tillgangligheten for vindkraften varierar over aret i de olika elomradena jamforsden installerade effekten med den producerade effekten under ett ar (se ekvation 12). Dettafor att identifiera eventuella sasongsvariationer. Har anvands data fran Svenska kraftnat overden uppmatta vindkraftsproduktionen varje timme under 2017 och 2018.

xtillganglighet =Producerad effekt

Installerad effekt(12)

Vindkraft har ingen begransning gallande uthallighet, forutsatt att vindhastigheten ar tillrack-ligt hog kan reserver tillhandahallas. For att istallet undersoka vindkraftens uthallig- hetstuderades hur stor skillnaden i produktion ar mellan tva efterfoljande timmar. Den totalatillgangliga kapaciteten for varje timme blir alltsa den lagsta produktionen som sker un-der timmen. Detta for att kunna garantera att samma kapacitet kan levereras under en heltimme.

21

4 Kartlaggning av teknologierna

4.1 Energilager

Energilager ar en tankbar teknologi som har potential att leverera systemtjanster till elnatet.Detta stycke sammanfattar den teknologin som finns tillganglig idag och hur teknologin kanfungera som frekvensreglering.

4.1.1 Batteri

En typ av energilager som undersoks i studien ar batterier. Batterier bestar av tva (ellerflera) elektroder inneslutna i en behallare som skiljs at av en elektrolyt. Batterier lagrarenergi elektrokemiskt dar elektrisk energi omvandlas till kemisk energi via kemiska reaktio-ner vid elektroderna. Nar batteriet laddas ur overfors elektroner fran elektrolyten till en avbatteriets elektroder medan joner vid den andra elektroden avger elektroner. Det omvandagaller for uppladdning av batteriet (Luo m. fl. 2015).

Batterier kan tillhandahalla reglerreserver pa flera satt. Antigen genom att som forbrukareanpassa uppladdningen av batteriet. Alltsa genom att stoppa uppladdningen, och minskakonsumtionen, for att hoja frekvensen eller borja ladda batteriet och darmed reglera nerfrekvensen. Eller genom att batteriet fungerar som en producent och kan injicera elektricitettill natet for att reglera frekvensen. Idag far en leverantor av reserver inte bade vara enforbrukare och en producent av elektricitet (Svenska kraftnat 2018a).

Batteriindustrin har under den senaste tiden expanderat och det existerar idag manga olikasorters batterier. De mest kanda ar bly-batterier, nickel-cadmium, litium-jon, natrium/sulfat,zink/brom, vanadadium-redox och nickel-metal hybrid batterier (Luo m. fl. 2015). Beroendepa deras olika kemiska sammansattning har de olika egenskaper och lampar sig darfor bast forolika andamal. I projekt kopplade till frekvensreglering ar det oftast litium-jon batterisystemsom har undersokts vilket kan ses i tabell 5.

Tabell 5: Andel av det totala antalet batteriprojekt for frekvensreglering (over 1 MW) perbatterityp (Thom 2018)

Batteri typ [%]Litium-jon 78,3Natrium-Sulfat 8,9Bly 8,3Vanadium-flodesbatteri 3,2Ovrigt 1,3

Till skillnad fran bly-batterier, som fortfarande ar den vanligaste typen av batteri somanvands, har litium-jon batterier hog cyklingsformaga och bade hog effekt- och energiden-sitet. Fordelen med att litium-jon batterier bade har hog energi- och effektdensitet gor att

22

den lampar sig val for frekvensreglering. Dessutom tar litium-jon upp mindre plats och harsnabbare svarstid an andra batterier (Luo m. fl. 2015). De tekniska egensaker for litium-jonbatterier presenteras i tabell 6. Vart att notera ar att svarstiden for batterier ar betydligtsnabbare an vad som kravs for att fa leverera reserver. Hur manga cykler ett batteri klaraav beror mycket pa hur batteriet anvands. Om urladdningen sker med fullstandiga cyklervarje gang haller batteriet kortare tid an om batteriet laddas ut med mindre djupa cykler(Olofsson 2019)∗.

Tabell 6: Tekniska egenskaper for Li-jon batterier (Luo m. fl. 2015) (IVA 2015)

Egenskap VardeSvarstid millisekunderVerkningsgrad 90 - 97 %Antal cykler 1000- 10 000Passande lagringstid minuter – timmar

Eftersom blybatterier fortfarande ar den absolut vanligaste typen av batteri pa marknadenidag lyfts aven denna upp har. Blybatterier har som tidigare namnts samre cyklingsformagaan t.ex. litium-jon vilket gor att den inte lampar sig lika bra for frekvensreglering. Det gart.ex. inte att anvanda blybatterier for FCR-N eftersom att den ar aktiverad sa pass oftaoch kraver att batteriet bara ar delvis uppladdat. Daremot finns det potential att anvandablybatterier for FCR-D da den aktiveras mer sallan (Vihersalo 2019)∗. Blybatterier harprecis som litium-jon snabb svarstid och kan aktiveras efter ett par millisekunder. Det tarupp relativt stor plats vilket gor att de passar bast for stationara andamal (Luo m. fl. 2015).Ytterligare tekniska egenskaper for blybatterier presenteras i tabell 7.

Tabell 7: Tekniska egenskaper for blybatterier (Luo m. fl. 2015) (IVA 2015)

Egenskap VardeSvarstid millisekunderVerkningsgrad 63 - 90 %Antal cykler 500 - 1800Passande lagringstid minuter – timmar

En svarighet med att anvanda batterier for FCR-N ar att de maste kunna reglera i tvariktningar vilket innebar att batterierna maste ligga pa 50 % av kapaciteten hela tiden.Kapaciteten som kravs for att darmed klara volymkraven ar mycket stor (De Santiago ochFregelius 2019)∗. Dartill visar historisk data att frekvensen tenderar att ligga under 50 Hzi genomsnitt, vilket ocksa forsvarar hanteringen av batteriets laddningsniva och batterietriskerar att ladda ur (Borje 2019)∗.

∗Se muntliga kallor i referenslistan

23

Urladdningen av batterier sker med relativt konstant spanning tills den nar en laddningsnivada batteriet drabbas av ett stort spanningsfall (Barua m. fl. 2015).

Oftast kan inget enskilt batteri anvandas for mota de volymkrav som finns utan ett sy-stem maste med flera moduler serie- eller parallellkopplade maste anvandas, dessa kallasBESS (Battery Energy Storage Systems).

Kostnaderna for litium-jon batterier ar fortfarande hoga men redan idag har flera landertestat teknologin for frekvensreglering. Till exempel i New York finns ett storskaligt Li-jon batterilager (8MW/2MWh) med enda syfte att bidra med frekvensreglering (Luo m. fl.2015). Ett annat exempel pa ett BESS for frekvensreglering ar Hornsdale Power Reserve iAustralien. Detta ar varldens storsta BESS med en total kapacitet pa 100 MW och av dessaanvands 70 MW for frekvensreglering. Systemet har varit i drift sedan 2017 och har visatsig fungera val. Vid ett tillfalle lyckades batterisystemet radda elsystemet fran kollaps daett kolkraftverk plotsligt kopplades bort fran elnatet (Fitzgerald Weaver 2017). Priserna palitium-jon batterier har sjunkit med 85 % sedan 2010 och priserna vantas fortsatta sjunkaframover ocksa vilket kan leda till att storskaliga batterisystem likt dessa kan bli vanligare(Goldie-Scot 2019).

Att anvanda ett storskaligt BESS system enbart for frekvensreglering ar idag oftast for dyrt.Darfor undersoks har potentialen att anvanda batterier som redan anvands i andra syften tillatt ocksa kunna leverera reglerreserver. Nagra sadana exempel ar att anvanda batterierna ielbilar eller att anvanda batterierna i olika UPS system. Dessa system anvander batterier somen back-up for eventuella storningar som kan uppsta pa elnatet. Svenska kraftnat ser en storpotential hos UPS system i serverhallar att leverera reserver och gjorde 2018 ett pilotprojekttillsammans med Fortum for att se hur just energilager i olika serverhallar kan leverera FCR-D (Svenska kraftnat 2018b). For att sakerhetsstalla driften av serverhallen ar UPS systemenkraftigt overdimensionerade under normal drift. Det ar enbart overkapaciteten for dessa UPSsystem som kan anvandas for att leverera frekvensreglerings reserver da resterande kapaci-tet behovs av serverhallen sjalv under kritiska timmar (Alapera, Honkapuro och Paananen2018). Resultatet fran Svenska kraftnats projekt visade att de fanns en teknisk potential fordetta och att systemet uppfyllde de tekniska kraven som stalls for FCR-D. Ett problem somidentifierades vid pilotprojektet var dock att UPS systemet direkt efter frekvensreglering-en borjade ladda upp energilagret igen vilket kan paverka kraftsystemet negativt (Svenskakraftnat 2018b). I pilotprojekt anvandes blybatterier.

Blybatterier ar den vanligaste typen av batterier i UPS system idag p.g.a. dess laga ka-pitalkostnad. Antalet cykler ar begransat men for UPS system som normalt sett inte aravsedda for kraftig cykling ar detta inte nagot problem. Dessa kan p.g.a. begransad cyk-lingsformaga enbart anvandas for FCR-D alternativt aFRR uppreglering om flera systemaggregeras. Om batterierna skulle ersattas med litium-jon batterier skulle UPS systemenaven kunna anvandas for FCR-N. Daremot kommer det inte att bli aktuellt att anvanda

24

batterier i UPS system for aFRR nedreglering da det innebar att batteriet delvis star urlad-dat och darmed inte kan uppfylla sin huvudsakliga back-up funktion.

Hur mycket overkapacitet som finns tillgangligt fran UPS systemen skiljer sig mellan oli-ka serverhallar men den kan vara sa hog som 50 % av lasten (Alapera, Honkapuro, Tikkam. fl. 2018). Denna studie antagit en overkapacitet pa 25 % av lasten for berakningarna vil-ket bedoms vara ett typiskt scenario. Typiskt ska UPS systemet ocksa klara av att forsorjaserverhallen med elektricitet i 10 minuter (Alapera, Honkapuro och Paananen 2018). Omstorningen varar langre an 10 minuter startar serverhallen igang dieselmotorer for att skyd-da mot stromavbrott.

Det finns ingen aktuell statistik pa hur manga serverhallar som finns i Sverige eller vil-ken effekt dessa drar. Ar 2013 uppskattades det att datacenter i Sverige hade en installeradeffekt pa 150 MW (IVA 2016). Totalt fanns vid den tidpunkten ca 135 st serverhallar somvar storre an 0,3 MW (Lind m. fl. 2016). Fran 2013 har industrin for serverhallar vuxit ochbland annat har Facebook oppnat ett datacenter i Lulea med en total installerad effekt pa120 MW (Alpman 2012). Okningen forvantas fortsatta och IVA har gjort uppskattningar omatt 2020 kommer serverhallar konsumera 1000 MW bara i Sverige (IVA 2016).

4.1.2 Svanghjul

Ett svanghjul ett energilager som lagrar kinetisk energi mekaniskt i roterande massor. Mang-den kinetisk energi som kan lagras i svanghjulet ar proportionell mot rotationshastighetenoch troghetsmomentet. Svanghjul bestar av en cylinder med ett skaft som kan rotera medhog hastighet inuti en robust behallare. Rorelseenergin overfors till och fran svanghjulet viaen elektrisk maskin som bade kan fungera som motor eller generator beroende pa situation.Svanghjulet ar placerad i vakuum for att minimera friktionsforlusterna fran luften och harmagnetiska lager for samma syfte. Lag friktion ar nodvandigt for att uppna hog hastighetoch sma energiforluster. Den elektriska maskinen bestar av en rotor och en stator. Som enmotor overfors elektrisk energi fran statorlindningarna till ett vridmoment som accelererarotorn och rorelseenergin okar. Nar den sedan anvands som en generator, omvandlas denlagrade kinetiska energin i rotorn tillbaka till elektrisk energi igen genom att anbringa ettvridmoment (Bolund, Bernhoff och Leijon 2007). Detta gor det mojligt for svanghjul att badeinjicera och konsumera elektricitet fran elnatet och darmed kunna leverera reglerreserver forbade upp- och nedreglering av frekvensen (Eyer och Corey 2010).

Redan idag finns nagra kommersiella svanghjul som anvands for frekvensreglering. I NewYork finns ett 20 MW system som levererar cirka 10 % av New Yorks totala behov av fre-kvensreglering. Systemet har en uthallighet pa 15 minuter och bestar av 200 svanghjul franBeacon Power. (Yulong m. fl. 2017). Nagra tekniska parametrar for svanghjulen som anvandsdar illustreras i tabell 8.

25

Tabell 8: Tekniska egenskaper for Beacon Powers svanghjul i New York (Beacon Power 2019)

Egenskap VardeKapacitet 100 kWEnergiinnehall 25 kWhUrladdningstid 15 min

Svanghjul har flera egenskaper som gor att den lampar sig bra for att anvandas till frekvens-reglering. Till exempel har de hog effektdensitet, snabb svarstid och kort uppladdningstid.Forutom detta ar svanghjulet uppskattat for att den nastan inte alls degraderas under enladdningscykel vilket gor att livslangden ar valdigt lang. Den anvander dessutom miljovanligamaterial och gar enkelt att skala upp utefter applikation (Bolund, Bernhoff och Leijon 2007).De tekniska egenskaperna finns presenterade i tabell 9.

Tabell 9: Tekniska egenskaper for svanghjul (Luo m. fl. 2015)

Egenskap VardeSvarstid millisekunderVerkningsgrad 90 - 95 %Antal cykler 20 000 +Passande lagringstid sekunder - minuter

Ett problem med att anvanda svanghjul for frekvensreglering ar dess begransade uthallighet.Foljaktligen kan de enbart leverera en hog effekt under en begransad tid och darfor brukarsvanghjul ibland kallas for ett effektlager snarare an ett energilager. For att komma upp iuthallighetskraven skulle det kravas manga svanghjul. En alternativ losning ar att svanghjulanvands i kombination med nagon annan teknik som t.ex. batterier. Da kan svanghjuletstabilisera de snabbaste frekvensandringarna medan batteriet de langvariga. Inforandet aven snabbare reserv t.ex. FFR (Fast Frequency Response) ar ocksa nagot som diskuteras idagoch for detta syfte skulle svanghjul passa mycket bra (De Santiago och Fregelius 2019)∗.

4.2 Forbrukningsflexibilitet

Traditionellt sett har kraftsystemet balanserats fran produktionssidan men i framtida el-system kommer konsumtionsidan bidra till balanseringen. Forbrukningsflexibilitet brukardefinieras som ett verktyg for att forflytta elanvandningen hos slutkonsumenterna i tid foratt battre matcha utbudet pa elektricitet med efterfragan. Kunden kan da manuellt ellerautomatisk oka eller minska sin elkonsumtion.

Forbrukningsflexibilitet kan delas in i tre stycken kategorier beroende pa hur de styrs. Denforsta kategorien ar att forbrukningen styrs via elpriset. Pa sa vis kan konsumenten minskasin forbrukning nar priset ar hogt och sedan oka den nar priset ar lagre. En annan variant ar

∗Se muntliga kallor i referenslistan

26

forbrukningsflexibilitet som automatisk frekvensreglering da kan styrs forbrukningen utefternatfrekvens for att balansera systemet. Den sista kategorien ar att forbrukningsflexibilitetkan bidra med manuell frekvensreglering. Den vanligaste kategorin idag ar att konsumtionenstyrs utifran en prissignal (Albadi och El-Saadany 2008).

I praktiken kan forbrukningsflexibilitet se ut pa manga olika satt och kan innebara regleringav forbrukningen i allt ifran elintensiva industrier till varmepumpar i hushall. For att tekni-ken skall fungera kravs kontinuerlig overvakning av forbrukningen och utrustning som kanmata och styra denna forbrukning (Energimarknadsinspektionen 2016).

For att kunna bidra med automatisk frekvensreglering kravs det att elanvandningen garatt styra automatisk vilket kraver att systemet har en viss troghet. Ett exempel pa ett sy-stem med stor troghet ar varme- och kylsystem som darfor har blivit en av de mest aktuellateknologierna for automatisk frekvensreglering. For hushall ar det framst om apparater sasom ar kylar, frysar, direktverkande elvarme och varmepumpar som kommer kunna bidramed forbrukningsflexibilitet. Intresset for att leverera forbrukningsflexibilitet har aven blivitstorre inom vissa industrier som ser det som en mojlighet att minska sin elrakning (Ener-gimarknadsinspektionen 2016). Denna rapport kommer fokusera pa forbrukningsflexibilitetinom sma hushall med varmepumpar och forbrukningsflexibilitet inom industrier.

Expektra har utformat en prototyp till en plattform for att hantera forbrukningsflexibilitetmen annu inte satt den till verket. De menar att det an sa lange inte finns nagon fungerandemarknad for forbrukningsflexibilitet och att det inte funnits tillrackliga incitament att ut-nyttja flexibiliteten. Det har ocksa varit svart for flexibla forbrukare att se vilken ekonomiskpotential som finns pa reservmarknaden. (Aslund 2019)∗

4.2.1 Hushallsvarmepumpar

Hushallens varmepumpar kan leverera reserver genom att lata en aggregator styra uppvarm-ningen automatiskt. Aggregatorn tecknar avtal med ett flertal elkunder for att samla ihopderas individuella flexibilitet till storre volymer och darmed kunna bjuda in bud till reserv-marknaden. Genom aggregatorer kan de begransningar som kan finns pa t.ex. minsta bud-volym overvinnas. For att kunna anvanda hushallens varmepumpar som en reserv kommeren sadan aggregator att kravas da flexibiliteten fran en enskild kund inte uppfyller kraven.Aggregatorn kommer ocksa att kravas for att underlatta kommunikation och budgivningenpa marknaden. I tidigare studier som gjorts har det konstaterats att villors uppvarmningkan styras under flera timmar utan att inomhuskomforten markbart paverkas. Tillganglighetfran varmepumparna beror pa nar uppvarmningsbehovet finns och alltsa indirekt pa utom-hustemperaturen. (Energimarknadsinspektionen 2016)

Elvarme ar den vanligaste uppvarmningsformen i smahus i Sverige. Till detta raknas bade

∗Se muntliga kallor i referenslistan

27

direktverkande el och varmepumpar. Den vanligaste typen av varmepump i smahus idagar luftvarmepumpen. Fran Energimyndighetens statistik har antalet varmepumpar per el-omrade kunnat raknas fram (se tabell 10). Detta ar hushallen som enbart har varmepumpsom enda uppvarmningssatt och alltsa inte varmepump i kombination med nagon annanuppvarmningsform (Energimyndigheten 2017a).

Tabell 10: Antal varmepumpar per elomrade

Egenskap Antal [st]SE1 28 000SE2 71 000SE3 418 000SE4 184 000Totalt 701 000

Forbrukningsflexibilitet fran hushalls varmepumpar ar nagot foretaget Ngenic arbetar med.Deras teknik syftar idag till att bidra proaktivt med frekvensreglering snarare an reaktivt.En av anledningarna till detta ar att de for tillfallet inte uppfyller kraven pa svarstiden somfinns for att leverera automatiska reserver. Deras teknik har en svarstid pa 5 till 15 minutervilket beror pa att de vill undvika att snabbstoppa varmepumparna eftersom detta kan in-nebara extra slitage. Istallet for att snabbstoppa varmepumparna later de dem kora klart sinpumpcykel innan de stangs av. Styrningen sker helt automatiskt och kan ske utifran frekven-sen. Enligt deras berakningar kan deras teknik styra 2-3 kW fran varje villas varmepumpunder en vinterdag (Berg 2019)∗. Svarstiden for en enskild varmepump uppfyller alltsa intede tekniska kraven som stalls av Svenska kraftnat for de automatiska reserverna. Daremothar andra studier visat att aktiveringstid for ett stort aggregerat uppvarmningsbehov kanske momentant (Nyholm m. fl. 2016).

4.2.2 Industrier

Forbrukningsflexibilitet kan ocksa utnyttjas fran elintensiva industrier. Idag finns det ingaindustrier som levererar automatiska reserver till Svenska kraftnat men intresset har okatunder senare tid. En av drivkrafterna till att intresset okar ar att industrier ofta har hogaelkostnader och genom att erbjuda sin flexibilitet till reservmarknaden ser de potentialenatt minska dessa. Sverige har en valdigt elintensiv industri och elanvandningen okar i taktmed att oljeanvandningen inom industrin gar ner. Under 2017 anvande industrin 50 TWhelektricitet vilket motsvarar 34 % av Sveriges elanvandning. Mest elektricitet anvands inommassa- och pappersindustrin (Ekonomifakta 2019).

Den tekniska potentialen for forbrukningsflexibilitet fran industrin har uppskattats till attvara uppemot 2000 MW. Pa grund av att manga av industriprocesser har stalltider och kan faokat slitage om de stoppas for snabbt ar det inte sakert att all denna flexibilitet ar tillganglig

∗Se muntliga kallor i referenslistan

28

for de snabba automatiska reserverna (Energimarknadsinspektionen 2016). For att kunna le-verera automatiska reserver ar det framforallt processer med inneboende varmetroghet ellerbuffertkapacitet som lampar sig bra. Expektra har gjort ett flertal studier dar de undersoktforbrukningsflexibilitet fran industrier. De har identifierat flera mojliga processer som skullekunna leverera reserver till Svenska kraftnat sa som pappersmassaindustrin, stalverk, elekt-rolys, sagverk eller ovriga industrier med nagon form av kompressorer eller elpannor (Aslund2019)∗. Men manga industrier i Sverige ar fortfarande oroliga att genom att buda in kapacitettill reservmarknaden stors produktionen och kvaliten blir forsamrad (Energimarknadsinspek-tionen 2016). Vidare kan det administrativt jobbigt for industrier att varje dag behova lamnain bud till reservmarknaden (Aslund 2019)∗.

I Finland bestar en stor del av de primara reserverna av forbrukningsflexibilitet fran indu-strier. Under 2018 hade de 4 MW FCR-N och 430 MW FCR-D fran forbrukningsflexibilitetpa marknaden (Fingrid 2019). For FCR-D kommer majoriteten av denna kapacitet franindustrier. I Finland har de flesta industrierna prekvalificerats for FCR-D eftersom den arasymmetrisk och darmed enklare att hantera da de enbart behover kunna koppla bort lastenvid en frekvensavvikelse. Dessutom har FCR-D generellt aktiverats vid farre tillfallen anFCR-N vilket innebar en mindre paverkan pa industriprocesserna. (Jappinen, Ruokolainenoch Uimonen 2019)∗. Finland har likartad industri som Sverige, med mycket pappersmas-saindustri och stalverk etc., och totalt var elkonsumtionen for den finska industrin 31 TWhunder 2017 (Statistikcentralen 2019). I Finland har det bara varit tillatet for industrier attmedverka pa FCR marknaden sedan 2017 och alltsa prekvalificerades 430 MW FCR-D inomett ar efter marknaden oppnade. Skulle samma utveckling ske i Sverige med en industrisektorsom kraver 1,6 ganger sa mycket elektricitet som den finska skulle det motsvara en tillgangligkapacitet for FCR-D pa 690 MW redan nasta ar.

Holmen ar en skogskoncern i framforallt Sverige med flera olika typer av industrier bland an-nat sagverk, pappers- och kartongproduktion (med egen massatillverkning pa farska trafibrer).De har identifierat flera processer som potentiellt kan leverera reserver till Svenska kraftnat.T.ex. genom att styra elpannor, angackumulatorer, flaktar och sagar. Eftersom dessa pro-cesser skiljer sig mycket at och har olika tekniska egenskaper passar de for olika typer avreserver. En del av processerna ar enklare och snabba vilket gor att de raknar med en svarstidpa ca 5-30 s och en uthallighet pa minst en timme. Vilket alltsa skulle uppfylla kraven foratt fa leverera FCR och aFRR. Deras processer ar igang alla timmar under aret bortsett frannagon dag om aret da de har underhallstopp. Darfor skulle deras reserver vara tillgangligahela aret runt. Den totala kapaciteten fran Holmen ar svar att bestamma men de uppskattart.ex att det finns en kapacitet pa 5-10 MW att utnyttja fran varje ackumulator. (Englund2019)∗

∗Se muntliga kallor i referenslistan

29

4.3 Vindkraft

Under senare tid har potentialen for att anvanda vindkraft for frekvensreglering blivit alltmer omdiskuterat. I takt med att mer intermittent kraft installeras och att reglerbehovenvantas oka sa har vindkraftindustrin blivit mer intresserade av att hjalpa till och stabiliseranaten. Bade forskningen och ett flertal pilot projekt har lyckats visa att det finns en teknis-ka potentialen for vindkraften att leverera reserver (Linder m. fl. 2018). I natkoderna somENTSO-E (European Transmission System Operators of Electricity) har tagit fram star detdessutom att det i framtiden kommer att finnas krav pa att nyproducerad vindkraft skallkunna bidra med reglerreserver (Svenska kraftnat 2013).

I Sverige har mangden installerad vindkraft okat under senare tid. Tabell 11 visar hur mycketsom fanns installerad ar 2017 i respektive elomrade. Storst installerad effekt fanns i SE2 foljtav SE3. Ett genomsnittligt vindkraftverk i Sverige var 2017 cirka 2,5 MW (Energimyndig-heten 2018b).

Tabell 11: Vindkraften i Sverige 2017 (Energimyndigheten 2019)

Elomrade Installerad effekt [MW] Antal verk [st]SE1 523 236SE2 2347 915SE3 2120 1260SE4 1621 965

For vindkraft ar det framforallt intressant att leverera nedreglering av frekvensen dvs. att viden frekvensavvikelse minska elproduktionen. Idag kan ren nedreglering enbart levereras foraFRR. For att kunna tillhandahalla FCR-D kravs det att vindkraften kan oka produktionenvid en obalans och for att tillhandahalla FCR-N maste de kunna leverera lika mycket upp-som nedreglering. Primarreglering (FCR-D och FCR-N) fran vindkraft har undersokts i fleraprojekt da vindkraftsproduktionen satts till en lagre niva an den maximala tillgangliga effek-ten. Da skapas en effektmarginal som kan anvandas for uppreglering av frekvensen. Genomatt ligga under maximal produktion forloras intakter fran elproduktionen och darfor masteersattning for att leverera reserver vara hogre an priset pa elektricitet och elcertifikat for attdetta ska bli aktuellt (Linder m. fl. 2018).

Det finns tva metoder for att styra att uteffekten fran vindkraft ligger under den maxi-mala effekten och det ar genom; rotor speed control och pitch angle control (Bao och Li2014). Normalt sett styrs vindkraftverk for att maximera effektuttaget fran vinden genomatt ha en sa kallad MPT (maximum power tracker). Den optimerar effektuttaget genom attandra vinkeln pa bladen (pitch vinkel) for olika vindhastigheter. Vid maximal produktionar pitch vinkeln 0 grader. Ar vinkeln skild ifran 0 ar produktionen inte maximal. Den andratypen av styrning ar rotor speed control eller overspeeding. Da halls pitch vinkeln konstantoch istallet kontrolleras rotor hastigheten (Dıaz-Gonzalez m. fl. 2014). Typiskt brukar utef-

30

fekten vara 90 % av den maximala vilket innebar att 10 % av den tillgangliga effekten kananvandas for att leverera reserver (Bao och Li 2014).

Svarstiden for vindkraft som frekvensregleringsreserv ar mindre an 0,5 sekunder och alltsalangt under de krav som stalls for att fa leverera reserver (Linder m. fl. 2018).

Ett hinder for att anvanda vindkraft for automatisk frekvensreglering ar svarigheten attforutspa hur stor produktionen kommer vara nagra dygn framat och alltsa hur stor volym dekan buda in till reservmarknaden. Vilken kapacitet som finns tillganglig fran vindkraft berorpa hur val den prognostiserade produktionen stammer overens med den verkliga produktio-nen. Obalansen mellan prognos och faktiskt produktion beror pa vilken tidshorisont det rorsig om. I en rapport som Svenska kraftnat gjorde 2013 konstaterades det att det maxima-la prognosfelet 1 timme innan leverans var 11 % men 36 timmar innan var det maximalaprognosfelet 34 % (Svenska kraftnat 2013). For FCR lamnas buden in 1-2 dygn innan leve-ransdag medan for aFFR lamnas bud veckan innan aktuell leverans. For att sakerstalla attde kan leverera den effekt som de budat in varje timme kravs det att dessa osakerheter tas ini berakningarna. Mojligheten att fa lamna bud narmare leveranstimmen skulle gynna vind-kraftens som reglerreserv eftersom budstorleken enklare kan faststallas. VindkraftsforetagetEnercon menar att de skulle kunna lagga bud pa reservmarknaden tva dagar innan leve-rans med ganska stor sakerhet men helst vill de lagga bud annu narmare budtimmen foratt kunna buda in storre volymer (Kosareva och Ogiewa 2019)∗. Svarigheterna att forutseproduktionen gor att aFRR som budas in en vecka i forvag inte ar aktuell for vindkraft idag.

Det ar fordelaktigt att aggregera vindkraftverk pa olika geografiska platser eftersom det-ta innebar att en leverantor av reserver ar mindre beroende av vindforhallandena pa enspecifik plats. Kan ett stort omrade aggregeras forsvinner en del av osakerheterna kopplattill prognosfel etc. (Kosareva och Ogiewa 2019)∗

∗Se muntliga kallor i referenslistan

31

5 Resultat fran modellering

5.1 Energilager

5.1.1 Batterier

Med antagandena om 1000 MW installerad effekt for serverhallar, en overkapacitet pa25 % och en driftstid pa 10 minuter som faststalldes i kartlaggningen skulle den totalaoverskottsenergin i UPS systemen bli cirka 42 MWh i hela Sverige. Detta skulle motsva-ra den nominella energikapaciteten dvs. den energimangd som finns tillgangligt i batterietom den laddas ur fran 100 % SOC ner till minsta tillatna spanningsniva. Med kravet pauthallighet for reserverna som ar satt till en timme blir den totala tillgangliga kapacitetenenligt tabell 12. For FCR-N har det antagits att samtliga batterier ersatts med litiumjonannars ar denna kapacitet 0 MW idag.

Tabell 12: Potentiellt tillganligt kapacitet fran batterier i UPS system [MW] i serverhallar

FCR-D FCR-N aFRR ner aFRR upp42 21 0 42

Kapaciteten i figur 12 motsvarar vad den tillgangliga kapaciteten fran serverhallar skulle va-rit om alla budade in sin kapacitet under samma timme. Tabellen illustrerar den tillgangligakapaciteten som skulle finnas for respektive reserv om all kapacitet levereras enbart for enreserv, dvs. UPS systemen kan antingen leverera 42 MW FCR-D eller 21 MW FCR-N etc.

Efter att reserven har aktiverats behover batteriet laddas upp igen. Hur lang tid denna upp-laddning tar, dvs vilken repeterbarhet UPS systemet har, beror pa flera olika parametrar.Parametrar som paverkar repeterbarheten ar hur stor effekt som utnyttjades vid aktivering,hur lange den var aktiverad och storleken pa laddstrommen.

Tillgangligheten for batterier ar densamma aret runt, alltsa skulle de kunna leverera reserverhela aret. Majoriteten av de storre datacentren ar lokaliserade i Stockholms, Norrbottens,Skanes och Vastra Gotalands lan (Lind m. fl. 2016). Detta innebar att den tillgangliga kapa-citeten fran UPS systemen ar utspridda de olika elomradena men majoriteten av kapacitetenfinns i SE1, SE3 och SE4.

5.1.2 Svanghjul

Den tillgangliga kapaciteten fran svanghjul som finns installerad idag och skulle kunnaanvandas for frekvensreglering ar nastintill forsumbar. Darfor har ett teoretiskt case anvandsfor denna analys. For att klara reservernas uthallighetskrav kravs det att manga svanghjulaggregeras. Om svanghjulet fran Beacon Power som finns presenterat i tabell 8 skulle anvandasi Sverige skulle ett svanghjulslager behova dimensioneras enligt tabell 13 for att uppfylla kra-ven om minsta volym och uthallighet som finns.

32

Tabell 13: Dimmensionering av svanghjul

Reserv Kapacitet [MW] Antal svanghjul [st]FCR-D 0,1 4FCR-N 0,1 8aFRR upp 5 200aFRR ner 5 200

Kortare krav pa uthallighet skulle gynna en teknologi som svanghjul och kunna oka tillgangenpa snabba reserver. Kortare uthallighetskrav kan bli ett faktum i framtiden da de nordis-ka TSO:erna har som mal att infora 15 minuters avrakningsperiod istallet for 1 timme.Ett svanghjulslager skulle kunna leverera lika mycket reserver aret runt eftersom derastillganglighet ar densamma oberoende pa sasong.

Ett svanghjul har symmetrisk upp- och urladdning dvs. det tar lika lang tid att ladda uppsvanghjulet som det tar att ladda ur det. Darmed kommer repeterbarheten att paverkas avhur lang tid som svanghjulet maste aktiveras for frekvensreglering (Beacon Power 2019).Till exempel, om svanghjulet ar 100 % aktiverat under en hel timme (som ar kravet forreserverna) kommer det kravas en timme for att ladda upp det igen. Svanghjul skulle alltsasom mest kunna lagga bud varannan timme. Vid analysen av frekvensen (se 2.3.6) framkomatt den faktiska aktiveringen av reserverna aldrig ar 100 % under en hel timme. Under 2018var t.ex. FCR-N maximalt aktiverad 90,9 % under en timme och majoriteten av tiden varaktiveringen under en timme mindre an 60 % (Lindgren 2019). Hade svanghjulen dimensio-nerats utifran den faktiska energiaktiveringen snarare an utifran de tekniska kraven skullede darfor kunna lagga bud oftare an varannan timme.

5.2 Forbrukningsflexibilitet fran hushallsvarmepumpar

Detta avsnitt avser att presentera de resultat som funnits angaende kapaciteten som finnsfor forbrukningsflexibilitet i hushallens varmepumpar.

I figur 9 illustreras hur stor del av tiden som en varmepump ar aktiverad beroende pautetemperaturen och alltsa hur stor del av tiden som den gar att anvanda som reglerreservfor uppreglering av frekvensen. Vid en temperatur pa minus 15 grader ar varmepumparnapaslagna nastan 100 % av tiden vilket innebar att det finns manga enheter som kan stangasav for att reglera upp frekvensen vid en avvikelse vid denna temperatur utan att paverkainomhusklimatet. For temperaturer over 20 grader ar nastan inga varmepumpar paslagnafor att varma husen men ca 10 % ar anda paslagna for uppvarmningen av tappvarmvattentill hushallen.

33

Figur 9: Andel av tiden som varmepumpen ar aktiverad vid olika utomhustemperaturer. Denroda kurvan visar kurvanpassningen for de simulerade vardena

Figur 10 visar hur stor effekt en varmepump (i SE3) under 2017 och 2018 kravde. Varmebehovetinklusive varmvatten for en standardvilla i SE3 med eluppvarmning var 15 600 kWh vil-ket kan jamforas med det simulerade varmebehovet pa 15900 kWh. Dvs det simuleradevarmebehovet ar 2 % hogre en det faktiska.

(a) 2017 (b) 2018

Figur 10: Tillganglig kapacitet av FCR-D fran en varmpump i SE3

Eftersom kapaciteten fran en varmepump beror av varmebehovet i villan och alltsa pa ut-omhustemperaturen kan tydliga skillnader observeras mellan de tva aren. 2018 inleddes med

34

svalare temperaturer an 2017 men sommaren var mycket varmare vilket ger skillnaderna ikapacitet mellan aren.

I figur 11 visas den tillgangliga kapaciteten av FCR-D i de olika elomradena under sammaar. Denna kapacitet togs fram genom att skala upp kapaciteten fran en enskild varmepumpmed antalet varmepumpar i respektive elomrade ifran tabell 10.

(a) 2017 (b) 2018

Figur 11: Tillganglig kapacitet av FCR-D for forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar perelomrade och ar

Den genomsnittliga tillganglig kapaciteten FCR-D fran varmepumpar i Sverige under 2017var som storst i januari da kapaciteten uppgick till totalt 2180 MW. Svenska kraftnat haruppskattat att det totala utbudet av FCR-D idag ar ungefar 1000 MW. Denna tillganglighetvarierar lite over aret och ar generellt lagre under sommarhalvaret (Helbrink, 2019)∗. Kapa-citeten for aFRR uppreglering ar densamma som for FCR-D.

Den genomsnittliga tillgangliga kapaciteten for FCR-N och aFRR nedreglering i de olikaelomradena presenteras i figur 12 och 13. Tabell 14 visar den totala tillgangliga kapaciteten isamtliga elomarden under aren 2017 och 2018. Av de fyra elomradena var potentialen storsti SE3 dar cirka 60 % av den totala kapaciteten i Sverige fanns under 2017. I SE4 fanns mot-svarande 30 % av den totala kapaciteten. Samtliga resultat finns aven presenterade i tabell22 och 23 i Appendix.

∗Se muntliga kallor i referenslistan

35

(a) 2017 (b) 2018

Figur 12: Tillganglig kapacitet av FCR-N for forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar perelomrade och ar

For aFRR nedreglering regleras frekvensen ner genom att starta igang de varmepumparnasom ar avslagna. Darmed finns storst potential for detta under sommaren da varmepumparnagenerellt satt ar mindre aktiverad vilket kan ses i figur 13. Dock bor det namnas att dentekniska potentialen for detta inte nodvandigtvis kommer att realiseras da inte alla kommervara villiga att varma upp huset extra under det varmaste manaderna enbart for hjalpa tillatt reglera frekvensen.

(a) 2017 (b) 2018

Figur 13: Tillganglig kapacitet av aFRR nedreglering for forbrukningsflexibilitet franvarmepumpar per elomrade och ar

36

Tabell 14: Beraknad total tillganglig kapacitet fran varmepumpar for samtliga elomraden2017 och 2018 [MW]

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

2017 FCR-N 1030 1055 1222 1234 825 476 320 354 700 1122 1245 1282FCR-D 2178 2128 1797 1601 970 549 424 455 715 1133 1732 1985aFRR ner 1038 1090 1421 1617 2248 2669 2794 2763 2503 2006 1486 1233aFRR upp 2178 2128 1797 1601 970 549 424 455 715 1133 1732 1985

2018 FCR-N 1045 731 887 1115 553 363 121 250 609 1048 1196 1140FCR-D 2146 2487 1400 655 474 298 390 672 672 1109 1654 2014aFRR ner 1072 731 899 1818 2563 2744 2920 2828 2546 2020 1564 1204aFRR upp 2146 2487 1400 655 474 298 390 672 672 1109 1654 2014

Uthalligheten for forbrukningsflexibilitet hos varmepumpar, dvs. den tid som varmepumpenkan vara avslagen utan att forsamra inomhusklimatet, beror pa vilken tid pa dygnet ocharet som varmepumpen stangs av och aven vilken under grans for inomhustemperaturensom tillats i huset. Uthalligheten ar som kortast under vintern och de timmar solen inteskiner. Figur 14 visar hur inomhustemperaturen sjunker i huset efter varmepumpen slagitsav da utomhustemperaturen ar minus 15 grader och solen inte skiner. Fran figuren kan detkonstateras att om temperaturen tillats sjunka till 18 grader kommer forbrukningsflexibilitetfran varmepumpar minst ha en uthallighet pa 9 timmar for standardhuset. Om inomhus-temperaturen istallet enbart tillats sjunka en grad blir uthalligheten ca 3 timmar.

Figur 14: Inomhustemperaturen efter varmepumpen slagits av for ett standardhus.

Varje enskild varmepump uppfyller inte volymkraven for att fa leverera reserver utan dessamaste aggregeras av en aggregator. Hur manga varmepumpar som maste aggregeras for attklara volymkraven beror pa den tillgangliga kapaciteten fran en enskild varmepump. Dennakapacitet varierar under aret och beroende pa vilken typ av reserv det ror sig om. I tabell15 presenteras hur manga varmepumpar som minst maste aggregeras for respektive reservunder den timme da den tillgangliga kapaciteten ar som storst.

37

Tabell 15: Minsta antal varmepumpar som behover aggregeras for respektive reserv

Maximal kapacitet [MW] Antal aggregerade varmepumpar [st]FCR-D 3218 22FCR-N 1569 44aFRR ner 3218 1089aFRR upp 2966 1182

Tabell 15 visar det minsta antalet varmepumpar som behover aggregeras men vissa dagarunder aret kommer den tillgangliga kapaciteten vara betydligt lagre och da kommer flervarmepumpar behova aggregeras. Under sommaren ar den tillgangliga kapaciteten for FCR-Dtill exempel nara noll vissa varma timmar. Under dessa timmar ar nastan alla varmepumparar avslagna och da kommer det kravas att fler varmepumpar aggregeras for att uppfyllavolymkraven. Tabellen visar ocksa den maximala tillgangliga kapaciteten under en timmefor respektive reserv i hela Sverige.

5.3 Vindkraft

Fran figur 15 kan det konstateras att for att ett genomsnittligt (2,5 MW) vindkraftverk iSverige skall kunna leverera FCR-D kravs en vindhastighet pa minst 10 m/s for att klaravolymkravet. For att kunna leverera FCR-D vid lagre vindhastigheter behover fler vindkraft-verk aggregeras, exempelvis skulle 5 verk i en vindkraftspark kunna uppfylla volymkravenredan vid 5 m/s etc. For FCR-N som behover klara av att leverera lika mycket upp- ochnedreglering kravs istallet minst 12,5 m/s for att klara kraven. For aFRR kommer ett enskiltvindkraftverk aldrig klara volymkraven eftersom kravet ar att leverera 5 MW. For att klaravolymkraven for aFRR kravs det alltsa att flera vindkraftverk aggregeras.

Figur 15: Tillganglig kapacitet av FCR fran ett vindkraftverk utifran vindhastigheten

38

Produktionen fran Nasuddens vindkraftverk 2017 illustreras i figur 16. Fran figuren obser-veras stora variationer i produktionen under aret och darmed aven stora variationer i vilkentillganglig effekt som finns av reserverna. Grafen over produktionen ar svar att tolka ochdarfor kommer varaktighetsdiagram anvandas framover for att tolka resultaten for vindkraf-ten. Den totala simulerade produktionen for Nasuddens vindkraftverk var 2017 3224 MWhvilket var 1 % hogre an den faktiska produktionen samma ar.

Figur 16: Elproduktion fran Nasuddens vindkraftverk under 2017

Figur 17 visar ett varaktighetsdiagram over hur manga timmar om aret som Nasuddenkan tillhandahalla primarreserver. Fran figuren kan det konstateras att vindkraftverket kanleverera FCR-D under 779 timmar om aret och FCR-N under 175 timmar. Verket ar endel av en vindkraftspark med 8 st verk. Med antagandet om att alla verken kan produceralika mycket skulle parken kunna leverera FCR-D 4547 timmar och FCR-N 3113 timmar.Motsvarande park skulle aven kunna leverera aFRR nedregleringen under 1481 timmar menaldrig klara kraven for aFRR uppreglering.

39

Figur 17: Antal timmar under 2017 som ett vindkraftverk kunde leverera FCR

Vindkraftsproduktionen kan variera fran en timme till nasta vilket paverkar hur stor kapa-citet som vindkraften skulle kunna buda in pa reservmarknaden. Figur 18 visar hur storavariationerna i tillganglighet var under 2017 mellan tva efterfoljande timmar. Den maximalaskillnaden var 11 % i hela Sverige. Fran tabellen kan det konstateras att sannolikheten attdet inte ska vara nagon variation i produktion mellan tva efterfoljande timmar ar ungefar20 %. Tabell 16 visar hur stor skillnaden maximalt ar mellan tva timmar under aret forrespektive elomrade. Den visar ocksa hur stor del av aret som avvikelsen i tillganglighet armindre an 5 % mellan tva timmar.

Figur 18: Produktionsvariation mellan 2 timmar for vindkraft i Sverige 2017 (i procent avinstallerad effekt)

40

Tabell 16: Produktionsvariationen mellan tva timmar for vindkraft i respektive elomrade2017 (i procent av installerad effekt)

Elomrade Maximal skillnad Andel av aret med avvikelsemellan tva timmar [%] mindre an 5% mellan 2h [%]

SE1 22 90SE2 18 87SE3 16 89SE4 19 86

Storst ar skillnaden i produktion mellan tva efterfoljande timmar 22 % men ungefar 90 % avtiden ar skillnaden mindre an 5 %. Variationen mellan 2 efterfoljande timmar ar alltsa mind-re for hela Sverige an for varje enskilt elomrade. Detta pavisar fordelen med att aggregerastorre omraden for att jamna ut variationerna i produktion fran vindkraft. Dessa variatio-ner i produktion tas med i berakningarna for vilken tillganglig effekt som finns for de olikareserverna dar det lagsta vardet inom timmen satter gransen for vad vindkraften kan leverera.

Figur 19 visar varaktighetsdiagram over vindkraftens tillgangliga kapacitet for respektivereserv i Sverige under 2017. Alltsa hur manga timmar under 2017 som de kan leverera enviss kapacitet. T.ex. skulle vindkraften i SE1 kunna leverera 30 MW FCR-D i 900 h un-der det aret. Storst tillganglig kapacitet under flest timmar finns for aFRR nedreglering iSE3. Vindkraften skulle kunna bidra med minst 580 MW i SE3 under halften av aret. Storalikheter observeras ocksa mellan tillgangligheten for SE2 och SE3.

41

(a) FCR-D (b) FCR-N

(c) aFRR nedreglering (d) aFRR uppreglering

Figur 19: Varktighetsdiagram over kapaciteten fran vindkraft for respektive reserv i de olikaelomradena under 2017. Dvs hur manga timmar om aret vindkraften kan leverera en visskapacitet av reservena.

Den genomsnittliga tillgangligheten for vindkraften i Sverige kan ses i figur 20 och den ge-nomsnittliga tillgangliga kapaciteten for respektive elomraden under 2017 och 2018 i figur21, 22 och 23. Samtliga resultat finns presenterade i tabell 24 och 25 i Appendix. Den genom-snittliga kapaciteten ar baserad pa att alla vindkraftverk i respektive elomarde aggregeras.

42

Figur 20: Genomsnittlig tillganglighet fran vindkraften under 2017 for de olika elomradena

Tillgangligheten i figur 20 illustrerar vindkraftverkens verkliga produktion over en manadjamfort med den maximala installerade effekten. For SE1 och SE2 var tillgangligheten storstunder januari manad medan for SE3 och SE4 var den storst under oktober. Tillganglighetenvarierade under aret fran 19 % upp till 52 %.

(a) 2017 (b) 2018

Figur 21: Tillganglig kapacitet av FCR-D fran vindkraft per elomrade och ar

43

Fran graferna over tillganglig kapacitet for reserverna konstateras stora skillnader mellan2017 och 2018. Till exempel var kapaciteten av FCR-D halften sa stor i SE1 under januari2018 an aret innan. Detta aven fast den installerade effekten vindkraft hade okat. Dettapavisar svarigheterna att uppskatta hur mycket kapacitet vindkraften kan bidra med pareservmarknaden.

(a) 2017 (b) 2018

Figur 22: Tillganglig kapacitet av FCR-N fran vindkraft per elomrade och ar

(a) 2017 (b) 2018

Figur 23: Tillganglig kapacitet av aFRR nedreglering fran vindkraft per elomrade och ar

Den totala tillgangliga kapaciteten for samtliga elomaden kan ses i tabell 17. Tabellen visarden totala kapaciteten per manad och typ av reserv for bade 2017 och 2018. Det bor noterasatt den tillgangliga kapaciteten for aFRR uppreglering ar samma som for FCR-D.

44

Tabell 17: Beraknad total tillganglig kapacitet fran vindkraft i samtliga elomraden 2017 och2018 [MW]

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

2017 FCR-N 126 97 107 96 68 87 65 69 69 125 109 116FCR-D 253 194 215 192 137 173 129 138 138 250 219 232aFRR ner 2527 1943 2149 1919 1371 1700 1292 1384 1380 2500 2185 2324aFRR upp 253 194 215 192 137 173 129 138 138 250 219 232

2018 FCR-N 98 80 79 84 64 88 41 79 139 129 112 107FCR-D 195 161 158 169 129 177 82 159 277 258 223 214aFRR ner 1952 1605 1578 1688 1285 1767 818 1590 2772 2575 2234 2138aFRR upp 195 161 158 169 129 177 82 159 277 258 223 214

Den faktiska tillgangliga kapaciteten skulle varit lagre p.g.a. att buden som laggs behover tahansyn till prognososakerheter for att garantera en uthallighet pa minst en timme. Fran tabell17 observeras att storst tillganglig kapacitet finns for aFRR nedreglering och under 2017uppgick den till som mest 2500 MW i snitt under januari vilket skulle kunna tacka behovetav denna reserv. Det bor ocksa namnas att eftersom aFRR enbart budas in en gang i veckanser inte vindkraftsproducenterna det som mojligt att lagga bud pa den marknaden idag, dvs.den praktiskt tillgangliga kapaciteten ar noll for aFRR. Tillgangligheten varierar under aretvilket kan ses i figur 20 och generellt ar tillgangligheten nagot hogre under vintermanaderna.Den installerade effekten fran vindkraft var som storst i SE2 och SE3 och under 10 manaderom aret var aven den tillgangliga kapaciteten pa reserver storst i dessa tva elomraden.

5.4 Jamforelse mellan teknologierna

Detta stycke sammanfattar de viktigaste resultaten fran kartlaggningen och modelleringenfor att pa ett overskadligt satt kunna jamfora teknologierna med varandra. Tabell 18 visarsvarstiden och uthalligheten for respektive teknologi medan figur 24 visar den tillgangligakapaciteten over aret.

Tabell 18: Sammanstallning av nagra tekniska egenskaper for teknologierna

Uthallighet SvarstidBatteri min-h msSvanghjul s-min 1 msForbrukningsflexibilitet industri minst en timme 5 -30 sForbrukningsflexibilitet varmepump minst 3 timmar 5-15 (idag)Vindkraft N/A 0,5 s

1 Flera svanghjul kan aggregeras for att klara en timme

45

(a) FCR-D (b) FCR-N

(c) aFRR nedreglering (d) aFRR uppreglering

Figur 24: Total tillganglig kapacitet av reserverna under 2017 fran de olika undersokta tek-nologierna

Fran tabell 18 observeras att samtliga teknologier med undantaget for forbrukningsflexibilitetfran varmepumpar skulle kunna uppfylla Svenska kraftnats krav om svarstid for att fa le-verera reserver. For forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar ar svarstiden idag 5-15 mi-nuter men i en framtid med manga flexibla forbrukare aggregerade skulle aven dessa kunnaaktiveras tillrackligt snabbt. Kravet om uthallighet bedoms inte vara nagot problem forforbrukningsflexibilitet eller vindkraft, sa lange som vindhastigheten ar tillrackligt hog. Bat-terier och svanghjul kan uppfylla kravet om 1 timmes uthallighet om flera enheter kopplassamman men ar mer passande for andamal med kortare tidsintervall.

Den tillgangliga kapaciteten ar for FCR ar storst fran forbrukningsflexibilitet. For forbruknin-gsflexibilitet fran industrier ar kapaciteten stor aret runt medan fran varmepumpar storst forvintermanaderna. Figur 24 visar att vindkraften har stor potential att leverera aFRR ned-

46

reglering jamfort med ovriga teknologier. Aven forbrukningsflexibilitet fran varmepumparskulle kunna leverera stora volymer aFRR nedreglering under sommaren. Det bor dock no-teras att detta innebar att varmepumparna paslagna oftare under de varma manaderna. Dentillgangliga kapaciteten galler for om teknologin enbart levererade en av systemtjansterna.Alltsa forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar skulle antingen kunna leverera 2100 MWFCR-D i januari eller 1000 MW FCR-N men inte bada samtidigt.

Figur 24 visar den genomsnittliga tillgangliga kapaciteten fran de fyra teknologierna forvarje manad. Emellertid kan det finnas stora variationer under en manad. Det finns in-te bara variationer fran dag till dag utan det kan ocksa finnas variationer inom dygnet.For forbrukningsflexibilitet blir dygnsvariationerna tydliga eftersom temperaturen och so-linstraln- ingen skiljer sig mycket fran dagtid till kvallstid. Figur 25 visar hur den tillgangligakapaciteten varierade en vinterdag i januari 2017. Hogst tillganglig kapacitet av FCR-Dfinns alltsa under natten medan FCR-N kan tillhandahalla mer reserver under dagen. Enfordel med att anvanda forbrukningsflexibilitet fran industrier och energilager ar att desstillgangliga kapacitet inte beror av tidpunkten pa dygnet. For vindkraften varierar dentillgangliga kapaciteten men nagon tydlig dygntrend gick inte att identifiera. Generellt varkapaciteten fran vindkraft nagot hogre nagot under dagtid an under kvallstid.

Figur 25: Tillganglig kapacitet av FCR for forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar underen vinterdag i januari 2017

47

5.5 Ekonomisk potential for teknologierna

Syftet med detta stycke ar att satta examensarbetets resultat i ett storre sammanhang foratt forsta vilken potential som faktiskt finns for att anvanda de olika teknologierna for au-tomatisk frekvensreglering i Sverige. For detta sammanfattas de viktigaste resultaten somfunnits i Lindgrens studie ”Ekonomisk kartlaggning av teknologier som potentiellt skullekunna leverera reserverna FCR och aFRR”. Lindgrens studie undersokte lonsamheten for deolika teknologierna under dess livstid. Berakningarna baserades pa timvisa marknadspriseroch frekvensdata for 2017 och 2018 samt investerings- och lopande kostnader for att tillhan-dahalla reserverna. Resultaten visade att den ekonomiska potentialen ar storst i fallen daexisterande infrastruktur kan anvandas eftersom detta innebar lagre investeringskostnader.Att anvanda forbrukningsflexibilitet fran industrier och varmepumpar var darfor mest kon-kurrenskraftigt. Aven att anvanda existerande energilager i t.ex. UPS system visade sig varanastan lika lonsamt. For vindkraften var alternativkostnaderna i form av forlorad inkomstfran Elspot och elcertifikat sa pass stor att det inte var ett konkurrenskraftigt alternativ panagon av reservmarknaderna. Studien visade ocksa att storskaliga energilager som finns iandra lander inte skulle vara lonsamma i Sverige idag. (Lindgren 2019)

48

6 Diskussion

I detta arbete har potentialen for att anvanda energilager, vindkraft och forbrukningsflexibil-itet som automatisk reserv undersokts. Vidare har studien visat pa teknologiernas tillgangligakapacitet under aret och lokalisering. For energilager undersoktes potentialen for svanghjuloch batterier medan for forbrukningsflexibilitet undersoktes detta fran industrier och franvarmepumpar i hushall. Med ett okat behov av automatiska reserver kan dessa teknologierbli intressanta komplement till dagens reserv bestaende av 100 % vattenkraft. Resultatetav studien har visat att potential for FCR ar storst for forbrukningsflexibilitet. Dar utnytt-jas flexibla processer for att styra elkonsumtionen utifran frekvensen i elnatet. For indu-strier kan kapaciteten uppga till hela 2000 MW och for hushallens varmepumpar till 2180MW vilket skulle tacka hela volymkravet pa FCR. Det sistnamnda kan jamforas med attEnergimarknadsinspektionen uppskattning om att potentialen fran eluppvarmda hushall foreffektreserven ar 2000 MW (Gaverud 2008). Kapaciteten fran industrierna ar densammaunder hela aret medan for varmepumparna varierar kapaciteten beroende utomhustempera-turen. For aFRR nedreglering har vindkraften oftast storst potential och kapaciteten underjanuari 2017 uppgick till i hela 2500 MW. Energilager anvands fortfarande i relativt litenutstrackning idag men deras tekniska egenskaper kan uppfylla kraven och gora dem till enintressant teknologi i framtiden. Resultatet har ocksa visat pa att energilager i UPS systemkan bidra med FCR-D redan idag.

Huruvida den tekniskt tillgangliga kapaciteten som tagits fram i denna studie realiserasberor pa flera ekonomiska aspekter. De nya teknologierna maste konkurrera med de fortfa-rande relativt billiga reserverna fran vattenkraften. Flera av de nya teknologierna visade sigvara lonsamma sett till hela livslangden baserat pa 2017 och 2018 ars data. Lonsamhetenvar storst da det gick att utnyttja existerande infrastruktur och pa sa vis undvika storainvesteringskostnader. Hur den ekonomiska potentialen ser ut i framtiden kommer bero paflera faktorer. En sadan faktor ar hur vattenkraftens formaga att tillhandahalla reserver kom-mer utveckla sig. Med varmare somrar som under 2018 kommer reserverna bli dyrare vilketkommer oka de ekonomiska incitamenteten for nya teknologier. Dessutom om mer av vatten-kraften skall anvandas som baskraft i framtiden kommer mindre kapacitet finnas tillgangligfor att leverera reserver och priser pa dessa kommer stiga. Den ekonomiska lonsamhetenpaverkar ocksa vilken typ av reserv som teknologierna kommer buda in sin tillgangliga ka-pacitet till. Till exempel ar ersattningen for FCR-N hogre an for FCR-D. Uppfylls kravenfor FCR-N kommer det darmed vara ett mer ekonomiskt alternativ.

Teknologierna besitter olika for- och nackdelar som ar viktigt att vara medveten om. Harfoljer en kortfattad sammanfattning av de viktigaste som studien funnit. Forbrukningsflexibili-tet har i denna rapport delats in i tva kategorier namligen flexibilitet fran industrier och franhushalls varmepumpar. Industrisektorn har visat stort intresse for att vara delta pa reserv-marknaden da de ser en mojlighet att sanka sin elkostnad. Daremot finns en viss oro hosindustrierna for att detta kan komma att paverka deras tillverkning. Darfor anses det tro-

49

ligt att industrierna till att borja med enbart kommer leverera reserver for FCR-D som araktiverad vid farre tillfallen under aret an t.ex. FCR-N. Detta har ocksa visat sig sant i Fin-land dar industrier redan idag deltar pa reservmarknaden. For vissa industriprocesser masteavstangningen ske under kontrollerade former vilket innebar att de inte kan snabbstoppasvid en frekvensavvikelse. Detta innebar att sadana processer lampar sig battre for de litelangsammare reserver sa som mFRR eller effektreserven. Vad galler forbrukningsflexibilitetfran varmepumpar kan aven dessa ta skada vid ett snabbstopp. Detta medfor att det kanvara svart att uppfylla de krav pa snabb svarstid som finns for de automatiska reserverna.Daremot om manga varmepumpar aggregeras kan den totala svarstiden goras kortare foratt pa sa vis uppfylla kraven. For forbrukningsflexibilitet fran varmepumpar kravs det enaggregator vilket kan gora det svarare att se den ekonomiska potentialen for varje enskilthushall.

Att i framtiden anvanda vindkraft for frekvensreglering ar framforallt intressant for nedregle-ring. I annat fall maste elproduktionen laggas lagre an vad som ar optimalt vilket resulterari att fornybar elektrisk energi gar forlorad. Men om marknadspriserna for reserverna stigerkan det aven bli aktuellt att leverera uppreglering. Vindkraftsutbyggnad vantas fortsatta attoka i framtiden och darmed de tillgangliga reserverna. Det innebar ocksa att det blir mervariationer i elproduktionen och att behovet av reserver okar. Till foljd av det har ENSTO-Esatt upp regler pa att nyproducerad vindkraft i framtiden ocksa behover kunna bidra medfrekvensreglering i viss utstrackning. Forutom genom den styrning som namnts i denna rap-port skulle detta ocksa kunna ske genom att vindkraftverken utrustas med ett energilager.Pa sa vis skulle vindkraftverket kunna fortsatta producera maximalt och undvika forlusteri elproduktionen som det annars innebar for att dem for att kunna leverera uppreglering.Istallet skulle vindkraften enbart hantera eventuell nedreglering och det tillhorande energi-lagret eventuell uppreglering. Darmed skulle en sadan kombination passa bra for att levereraFCR-N.

Mycket forskning utfors idag for att anvanda batterier till att reglera elnatsfrekvensen. An arden tillgangliga kapaciteten lag i Sverige och nagra storskaliga batterilager ar annu for dyra.Anvandningen av batterier okar daremot i eldrivna fordon och i UPS system for serverhallarvilket gor dem till en intressant framtida teknologi for att leverera reserver. Batteriernascyklingsformaga avgor ofta vilken typ av reserv som kan levereras. For FCR-N kravs idagbatterier som kan klara av manga urladdningscykler och darmed ar det framst litium-jonsom kan anvandas. Litium-jon batterier ar fortfarande dyra att tillverka vilket innebar attanvandning av dessa ar begransad. Med sjunkande priser for litium-jon batterier kommerdessa bli allt mer vanliga i framtiden. En betydligt mer vanlig batterityp ar blybatteriersom idag anvands i stor utstrackning i t.ex. UPS system. Dock ar deras cyklingsformagabegransad och de klara enbart av att leverera FCR-D.

Svanghjul ar en intressant teknologi for frekvensreglering eftersom de har en snabb akti-veringstid och kan leverera hog effekt. Dock kravs det att manga svanghjul kopplas samman

50

for att uppfylla de tekniska kraven pa uthallighet och foljaktligen ar tekniken till ett dyrtalternativ idag. Svanghjul ar lampliga att anvanda for annu snabbare reserver for att t.ex.ersatta forlusten av svangmassa. Aven att anvanda svanghjul i kombination med andra tek-nologier skulle vara fordelaktigt, da svanghjulen kan ta de allra snabbaste frekvensaviklesernamedan en langsammare teknologi som t.ex. forbrukningsflexibilitet eller batterier kan svarafor de langvariga storningarna. Detta skulle aven innebara mindre slitage sa att t.ex. batte-riernas livslangd forlangs eller att varmepumparna undviker att snabbstoppas.

Dagens reserver ar placerade i elomradena SE1 och SE2 dar majoriteten av vattenkraf-ten ar lokaliserad. En motivering till att undersoka nya teknologier for frekvensreglering arfor att oka spridningen av reserverna i landet. For forbrukningsflexibilitet fran hushallensvarmepumpar finns den storsta kapaciteten i SE3. Fran vindkraften ar den tillgangliga ka-paciteten som storst i SE2 och SE3 dar cirka 70 % av de totala resverna finns. Reservernafran UPS system i serverhallar och fran industrierna ar nagorlunda jamt fordelade i samtligaelomraden. Introduktion av de undersokta teknologierna pa reservmarknaden innebar alltsabattre geografisk spridning av reserverna.

Flera antaganden och begransningar har behovts goras for studien som maste tas i beaktandenar resultaten tolkas. Studien undersoker tre vasentligt olika teknologier for frekvensregleringvilket innebar att resultaten inte ar helt jamforbara med varandra. Vart att notera ar ocksaatt studien enbart har studerat potential under tva ar och att stora skillnader mellan aren harobserverats for vindkraft och forbrukningsflexibilitet da dessa beror av vaderforhallandenaunder det aktuella aret. Den tillgangliga kapaciteten ar ocksa beraknade utifran dagens kravoch ingen hansyn har tagits for tekniska framsteg eller andra forandringar i t.ex. kravensutformning som kan tankas ske tills dess att teknologierna introduceras pa marknaden. Ettviktigt antagande som gjordes var att utga fran ett standardhus vid berakningarna av kapa-citeten fran varmepumparna i Sverige. Att anvanda ett standardhus kan ge en uppskattningav den kapacitet som finns tillganglig men bor ej ses som ett exakt varde. Ytterligare en po-tentiell felkalla med studien ar att modellen for forbrukningsflexibilitet fran varmmepumparoch modellen for ett enskilt vindkraftverk har verifierats emot den totala elkonsumtionenrespektive produktionen under ett specifikt ar. Det kan alltsa finnas variationer mellan si-mulerade varden och de faktiska vardena under kortare tidsperioder som modellerna inteidentifierar. Hade en mer djupgaende undersokning gjorts for respektive teknologi hade detvarit intressant att verifiera modellerna aven i kortare tidsinvervall for att se hur bra model-len stammer med verkligheten pa en mer detaljerad niva. Men eftersom studiens syfte varatt gora en jamforande undersokning antas modellerna stamma tillrackligt bra.

Pa dagens reservmarknad finns ingen av de nya teknologierna som undersokts i rappor-ten representerade an i Sverige. Vid ett flertal intervjuer framkom det att ett hinder for nyateknologier att komma in pa reservmarknaden var att marknadsstrukturen och kraven forreserverna var anpassade enbart utifran vattenkraftens egenskaper. For att gynna nya tekno-logier kan andrade krav underlatta introduktionen. Har diskuteras nagra av kravandringarna

51

som foreslagits. En svarighet med att anvanda energilager som reserv ar kravet om en tim-mes uthallighet. Sarskilt kritiskt ar uthallighets kravet for svanghjul men aven batterierskulle gynnas av en kortare uthallighet. Det har dessutom visat sig att kravet pa 1 timmear onodigt hogt da reserverna aldrig ar 100 % aktiverade under en hel timme. Hade ener-gilagrena dimensionerats utefter faktiskt aktivering istallet for utefter de tekniska kravenskulle en storre kapacitet finnas tillganglig. Idag fors diskussioner om att sanka kravet till 15minuter vilket alltsa skulle gynna en teknologi som energilager. Ett annat krav som kan varaproblematiskt for de nya teknologierna ar kravet pa att lamna bud 1-2 respektive 7 dagarinnan leveranstimmen. For vindkraften skulle mojligheten att fa lamna bud narmare inpaleveranstimmen minska osakerheterna i prognoser etc. och storre bud skulle kunna lamnas.Daremot for industrierna ar det onskvart att fa lagga bud for langre perioder i strack. Ef-tersom de har samma kapacitet aret runt skulle detta minska det administrativa arbetet. ForFCR-N ar kravet pa symmetrisk reglering ibland problematiskt och att dela upp den i tvaolika reserver, en for uppreglering och en for nedreglering, skulle kunna oka den kapacitetsom kan budas in. Vindkraft ar ett exempel pa en teknologi som skulle gynnas av att delaupp FCR-N i tva separata produkter. Idag begransas deras kapacitet for FCR-N av hurmycket uppreglering de kan bidra med, alltsa hur mycket under maximal elproduktion deligger. Skulle det istallet vara mojligt att leverera enbart FCR-N nedreglering enbart skulleden tillgangliga kapaciteten bli storre. Aven for batterier ar FCR-N:s symmetriska strukturett problem eftersom det innebar att batteriet alltid maste vara uppladdat till 50 % av sinfulla potential for att kunna leverera lika stor effekt i bada riktningarna. Detta innebar attbatterierna maste goras storre an om de bara kunde fa reglera i en riktning. For aFRR ar etthinder for att fa in nya teknologier pa marknaden volymkravet om 5 MW. For att uppfyllavolymkravet behover manga leverantorer aggregeras.

Idag handlas reserverna upp flera dagar innan den aktuella leveranstimmen. Daremot garutveckling i samhallet mot att allt mer kan styras via internet. I framtiden kommer en alltstorre andel av dagens elektriska apparater vara uppkopplade och kontrollerbara online. Forapparater som styr troga system som t.ex. varme- och kylanlaggningar i butiker, hushall,kontor etc. finns det darmed en stor potential att reglera frekvensen i realtid. Aven laddning-en av t.ex. eldrivna fordon skulle kunna styras i realtid utifran behoven av frekvensreglering.Att apparater och fordon kommer finnas uppkopplade online kommer kunna ske oavsett,men om de ska kunna ha betydelse for frekvensregleringen kommer det kravas ytterligarestudier och mjukvara for att kunna styra apparater i realtid samt flexiblare krav for att faleverera reserver.

Framtida studierI framtida studier av nya teknologier for automatisk frekvensreglering skulle det vara intres-sant att inte bara studera vilken tillganglig kapacitet som finns under aret utan aven hur valtillgangligheten for respektive teknologi overensstammer med de faktiska obalanserna. Vida-re skulle det vara intressant att studera ett framtida scenario dar mer obalanser p.g.a. storreandel intermittent kraft kan vara ett faktum. Det skulle ocksa vara intressant att inkludera

52

en djupare ekonomisk analys med genomtankta affarsmodeller och kalkyler for Sverige.

For att oka kunskapen kring detta skulle aven fler praktiska tester och projekt behovautforas i Sverige. Dels for att oka kunskapen om behovet av reserver men ocksa for attvisa pa framgangsrika exempel och den lonsamheten som finns for att fa in fler leverantorerpa marknaden.

Det finns aven en kunskapslucka nar det kommer till hur teknologierna paverkas att le-verera automatisk frekvensreglering. Darfor skulle det vara intressant att studera vidare pat.ex. hur slitaget av vindkraftverk och varmepumpar skulle bli och hur batteriers livslangdskulle paverkas av att vara med och reglera frekvensen. Utover det finns det ytterligare tek-nologier som skulle vara intressanta for frekvensreglering i framtiden som inte tagits upp idenna rapport som t.ex. andra typer av energilager, kraftvarme och pumpkraft och avenandra typer av forbrukningsflexibilitet som inte har tagits upp har som exempelvis styrningav ovrig hushallsutrustning.Dessa skulle ocksa vara bra att ha med i jamforelsen mellan nyateknologier for frekvensreglering i Sverige. En intressant mojlighet som konstaterats men intetagits upp ingaende i denna studie ar ocksa att anvanda kombinationer av de nya tekno-logierna for frekvensreglering. Att studera sadana kombinationer hade varit av intresse forframtida studier.

53

7 Slutsats

Studien har undersokt hur vindkraft, forbrukningsflexibilitet och energilager kan tillhan-dahalla systemtjanster i form automatisk frekvensreglering idag. For detta genomfordes enlitteraturstudie samt intervjuer med flera experter inom branschen. Varefter den tillgangligakapaciteten under aret modellerades for respektive teknologi. Med dagens krav for att faleverera reserver har ett flertal hinder identifierades for att fa in nya teknologier pa reserv-markanden. Dessa ar till exempel kravet pa att ha en uthallighet pa en timme och att levererasymmetriska bud for FCR-N. Aven budvolymen samt tidshorisonten for budgivning av aFRRhar visat sig svarare for nya teknologier.

Den storsta potentialen for FCR av de undersokta teknologierna hade forbrukningsflexibilitetfran industrier och hushall med varmpepumpar medan for aFRR nedreglering hade vindkraftstorst potential. Dessa teknologier skulle under stor del av aret kunna tacka hela behovetav automatiska reserver. Potentialen for att anvanda energilager for frekvensreglering idagvar lagre men uppfyllde de tekniska kraven som stalls. Energilager skulle fungera val somett komplement till andra teknologier om kravet pa uthallighet minskade. Potentialen forenergilager kommer oka om priserna pa dessa sjunker och allt fler elbilar och UPS systeminforskaffas.

De nya teknologierna skulle innebara en battre spridning i landet da studien har identi-fierat att potentialen for de nya teknologierna ar storst i elomraden 3 och 4.

Sammanfattningsvis, nar behovet av reserver okar i framtiden kan vindkraft, forbruknings-flexibilitet och energilager ha stor teknisk potential att tillhandahalla automatiska reserveroch innebara battre spridning pa reserverna i landet. Men for att underlatta introduktionenav de nya teknologierna kan vissa av de tekniska kraven behova ses over.

54

Referenser

Alapera, Ilari, Samuli Honkapuro och Janne Paananen (2018). “Data centers as a source ofdynamic flexibility in smart girds”.

Alapera, Ilari, Samuli Honkapuro, Ville Tikka och Janne Paananen (2018). “Dual-purposingUPS batteries for energy storage functions: A business case analysis”.

Albadi, M.H. och E.F. El-Saadany (2008). “A summary of demand response in electricitymarkets”.

Almeida, Rogerio G de och J. A. Pecas Lopes (2005). “Primary frequency control participa-tion provided by doubly fed induction wind generators”.

Alpman, Marie (2012). Facebook gillar kylan i Lulea. url: https://www.nyteknik.se/digitalisering/facebook-gillar-kylan-i-lulea-6400207 (hamtad 2019-05-07).

Bao, Yu-Qing och Yang Li (2014). “On deloading control strategies of wind genreators forsystem frequency regulation”.

Barua, Sourav, Tanjim Asif Ahmed Chowdhury Nur-e-, Rahman Arif, Saju Banik ochMd. Saiful Islam Tasim (2015). “Modelling and analytical studies on Graphene basedsupercapacitor comparing with traditional batteries”.

Beacon Power (2019). “Beacon Power - Flywheel Energy Storage Systems”.Bolund, Bjorn, Hans Bernhoff och Mats Leijon (2007). “Flywheel energy and power storage

systems”.Boverket (2007). “Indata for energiberakningar i kontor och smahus”.— (2012). “Handbok for energihushallning enligt Boverkets byggregler”.Dıaz-Gonzalez, Francisco, Melanie Hau, Andreas Sumper och Oriol Gomis-Bellmunt (2014).

“Participation of wind power plants in system frequency control: Review of grid coderequirements and control methods”.

Ekonomifakta (2019). Elanvandning per sektor. url: https://www.ekonomifakta.se/

fakta/energi/energibalans-i-sverige/elanvandning-utveckling/ (hamtad 2019-04-15).Energiforetagen Sverige, Oberoende Elhandlare och Svenska kraftnat (2018). “Svensk El-

marknadshandbok 18B”.Energimarknadsinspektionen (2014). “Sverige ar indelat i fyra elomraden”.— (2016). “Atgarder for okad efterfrageflexibilitet i det svenska elsystemet”.Energimyndigheten (2016). “Vattenkraftens reglerbidrag och varde for elsystemet”.— (2017a). “Energistatistik for smahus 2016”.— (2017b). Spara energi och varmvatten. url: http : / / www . energimyndigheten . se /

snabblankar / lattlast / sa - har - kan - du - spara - energi / spar - energi - och -

varmvatten/ (hamtad 2019-04-10).— (2018a). Elproduktion (nettoproduktion) per kraftslag fr.o.m. 1970, TWh. url: http:

//pxexternal.energimyndigheten.se/pxweb/sv/%C3%85rlig%20energibalans/%C3%

85rlig%20energibalans__El-%20och%20fj%C3%A4rrv%C3%A4rmeproduktion/EN0202_

25.px/table/tableViewLayout2/?rxid=e910fe1f-3446-4ef6-939f-02c074755cda

(hamtad 2019-01-31).— (2018b). “Vindkraftsstatistik 2017”.

55

Energimyndigheten (2019). Vindkraftsstatistik - Antal verk, installerad effekt och vindkraft-produktion per elomrade. url: http://pxexternal.energimyndigheten.se/pxweb/sv/Vindkraftsstatistik/-/EN0105_2.px/table/tableViewLayout2/?rxid=5e71cfb4-

134c-4f1d-8fc5-15e530dd975c (hamtad 2019-04-09).Eng, Michael och Bengt Johansson (2014). “Undersokning av mojligheter for svenska kraftvarmeverk

att leverera primar frekvensreglering, FCR-N.”Eyer, Jim och Garth Corey (2010). “Energy Storage for the Electricity Grid : Benefits and

Market Potential Assessment Guide”. I: doi: SAND2010-0815.Fingrid (2019). Demand-Side management. url: https://www.fingrid.fi/en/electricity-

market/demand-side-management/ (hamtad 2019-04-11).Fitzgerald Weaver, John (2017). The battery races to save Australien grid from coal plant

crash - injecting 7 MW in milliseconds.Gaverud, Henrik (2008). “Effektfragan - Behovs en centralt upphandlad effektreserv? ”Goldie-Scot, Logan (2019). A Behind the Scenes Take on Lithium-ion Battery Prices. url:

https://about.bnef.com/blog/behind- scenes- take- lithium- ion- battery-

prices/ (hamtad 2019-05-14).IVA (2015). “Energilagring - Teknik for lagring av el”.— (2016). “Framtidens elanvandning En delrapport”.Jansson, Anders (2012). “Vattenfall Nasudden Vast Miljokonsekvensbeskrivning”.Kenersys (2019). Kenersys K100 2.5MW. url: https://en.wind-turbine-models.com/

turbines/760-kenersys-k100-2.5mw (hamtad 2019-04-17).Kvale, Steinar och Svend Brinkmann (2014). Den kvalitativa forskningsintervjun.Lind, Fredrik, Olof Sundstrom, Stefan A Deutscher och Arvid Warrenstein (2016). “Captu-

ring the Data Center Opportunity”.Linder, Andreas, Ana Kosareva, Konstantin Kunz, David Mcmullin och Bettina Lenz (2018).

“Balancing by Wind and Energy Storage”.Lindgren, Anna (2019). “Ekonomisk kartlaggning av teknologier som potentiellt skulle kunna

leverera reserverna FCR och aFRR”.Luo, Xing, Jihong Wang, Mark Dooner och Jonathan Clarke (2015). “Overview of current

development in electrical energy storage technologies and the application potential inpower system operation”.

Muhssin, Mazin T, Liana M Cipcigan, Nick Jenkins, Shane Slater, Meng Cheng och Zeyad AObaid (2018). “Dynamic Frequency Response from Controlled Domestic Heat Pumps”.

Nord Pool (2019a). History. url: https://www.nordpoolgroup.com/About-us/History/(hamtad 2019-02-07).

— (2019b). Organisation. url: https://www.nordpoolgroup.com/About-us/organisation/(hamtad 2019-02-07).

Nyholm, Emil, Sanket Puranik, Erika Mata, Mikael Odenberger och Filip Johnsson (2016).“Demand response potential of electrical single-family dwellings”.

Swierczynski, Maciej, Daniel Ioan Stroe, Ana Irina Stan och Remus Teodorescu (2013).“Primary frequency regulation with Li-ion battery energy storage system: A case studyfor Denmark”.

56

Sandels, Claes (2016). “Modeling and Simulation of Electricity Consumption Profiles in theNorthern European Building Stock”.

Statistikcentralen (2019). Finlands officiella statistik (FOS): Statistik over industrins energi-anvandning - Tabellbilaga 1. Energianvandningen inom industrin efter energikalla 2017.url: http://www.stat.fi/til/tene/2017/tene_2017_2018-11-19_tau_001_sv.html (hamtad 2019-05-14).

Svenska kraftnat (2013). “Integrering av vindkraft”.— (2014). “Elnat i fysisk planering”.— (2015). “Anpassning av elsystemet med en stor mangd fornybar elproduktion”.— (2017a). “Slutrapport pilotprojekt Flexibla hushall”.— (2017b). “Systemutvecklingsplan 2018–2027”.— (2018a). “Avtal om Balansansvar for el mellan Affarsverket svenska kraftnat (Svenska

kraftnat”) och”.— (2018b). “Slutrapport pilotprojekt inom forbrukningsflexibilitet och energilager”.— (2019a). Effektreserv. url: https : / / www . svk . se / aktorsportalen / elmarknad /

information-om-reserver/effektreserv/ (hamtad 2019-02-06).— (2019b). “Svenska kraftnat arsredovisning 2018”.Thom, Lucas (2018). “Lithium-Ion Battery Storage for Frequency Control Tentative Imple-

mentation in the Nordic Power System”.Thorbergsson, Egill, Vaclav Knap, Maciej Swierczynski, Daniel Stroe och Remus Teodore-

scu (2013). “Primary Frequency Regulation with Li-Ion Battery Based Energy StorageSystem - Evaluation and Comparison of Different Control Strategies”.

Vattenfall (2019). Nasudden. url: https://powerplants.vattenfall.com/sv/nasudden(hamtad 2019-04-14).

Yulong, Pei, Andrea Cavagnino, Silvio Vaschetto, Chai Feng och Alberto Tenconi (2017).“Flywheel energy storage systems for power systems application”.

Muntliga kallor

Berg, Bjorn. Ngenic. Uppsala: 2019-03-06Borje, Johan. Stockholm Exergi. Stockholm: 2019 -04-16De Santiago, Juan och Fregelius, Martin. Uppsala universitet. Uppsala: 2019-03-01Englund, Filip. Holmen Energi AB. Sundbyberg: 2019-03-22Eriksson, Maria. Svenska Kraftnat. 2019-05-23Helbrink, Jakob. Svenska kraftnat. 2019-05-02Jappinen, Jonne, Ruokolainen, Pia och Uimonen, Heidi. Fingrid. Sundbyberg: 2019-03-07Kosareva, Ana och Ogiewa, Richard. Enercon. Sundbyberg: 2019-03-13Olofsson, Peter. Northvolt. Uppsala: 2019-03-28Vihersalo, Jussi. Eaton. Stockholm: 2019-04-02Aslund, Per. Expektra. Sundbyberg: 2019-03-27

57

8 Appendix

Tabell 19: Parametrar for simulering av varmbehovet

Parameter Beskrivning Vardeαrc Varme atervinningsfaktorn 0d Hojden av byggnaden (envangings hus) 2,5 mAgolv Golv area 130 m2

Atak Tak area 130 m2

Afonster Fonster area (jamt fordelade pa varje sida av huset) 20% av Agolvm2

Adorr Dorr area 4 m2

Avagg Vagg area 4 m2

g Solfaktorn 0,75Cp,luft Luftens varmekapacitet 0,33 Wh/m3C◦

τ Byggnadens tidskonstant 100 h (medeltung byggnad)Vb Inre volymen for huset 350 m3

Nboende Antal boende i huset 3 stNvent Luftomsattning 0,2 h−1

Pboende Pesonvarme fran boende 80 W/m2

Xboende Narvarotid i huset 14 h/dygnPel Varme fran elektriska apparater (70 % av hushalls elektriciteten) WTref Referens temperatur 21 C ◦

Tabell 20: Parametrar for simulering av varmbehovet

Parameter Beskrivning VardeUgolv Golv varmegenomgangskoefficient 0,4 W/m2C◦

Utak Tak varmegenomgangskoefficient 0,25 W/m2C◦

Ufonster Fonster varmegenomgangskoefficient 3 W/m2C◦

Udorr Dorr varmegenomgangskoefficient 1,5 W/m2C◦

Uvagg Vagg varmegenomgangskoefficient 0,3 W/m2C◦

Pdim,1 Installerad effekt, SE1 5,5kWPdim,2 Installerad effekt, SE2 5,0 kWPdim,3,4 Installerad effekt, SE3 och SE4 4,5kWPV armebehov Varmebehov eluppvarmnd villa 120 kWh/m2

SCOP Arsvarmefaktor 3

58

Tabell 21: Parametrar for ett vindkraftverk

Parameter Beskrivning Varded Diamter 100 m (Kenersys 2019)h Tornhojd 85 m (Kenersys 2019)P Effekt 2,5 MW (Kenersys 2019)ρ Luftens densitet 1,225 kg/m3

Ur Mark vindhastighet 14 m/s (Kenersys 2019)Ucut−in Lagsta vindhastighet 3 m/s (Kenersys 2019)Ucut−out Hogsta vindhastighet 25 m/s (Kenersys 2019)Cp effektkoefficient 0,2Z0 Vindskjuvning 0.15 - 0,3 (Jansson 2012)

59

Tabell 22: Beraknad tillganglig kapacitet fran varmepumpar i respektive elomrade 2017 [MW]

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

SE1 FCR-N 30 23 35 51 60 38 27 33 53 59 40 23FCR-D 124 130 118 103 74 39 27 33 53 83 113 131aFRR ner 30 24 36 51 80 116 127 121 101 71 41 23aFRR upp 124 130 118 103 74 39 27 33 53 83 113 131

SE2 FCR-N 81 87 118 135 112 80 56 67 100 143 117 89FCR-D 274 265 227 201 134 81 56 67 101 83 236 266aFRR ner 81 90 128 154 221 274 299 288 254 193 119 89aFRR upp 274 265 227 201 134 81 56 67 101 83 236 266

SE3 FCR-N 611 630 717 722 471 268 164 197 402 693 749 711FCR-D 1265 1239 1041 943 565 316 240 261 410 741 1013 1160aFRR ner 616 642 840 938 1316 1565 1641 1620 1471 1140 868 721aFRR upp 1265 1239 1041 943 565 316 240 261 410 741 1013 1160

SE4 FCR-N 308 312 351 326 183 90 73 57 146 226 328 359FCR-D 516 494 410 354 197 113 100 94 151 227 369 427aFRR ner 312 334 418 474 631 715 728 734 677 601 459 401aFRR upp 516 494 410 354 197 113 100 94 151 227 369 427

Totalt FCR-N 1030 1055 1222 1234 825 476 320 354 700 1122 1245 1282FCR-D 2178 2128 1797 1601 970 549 424 455 715 1133 1732 1985aFRR ner 1038 1090 1421 1617 2248 2669 2794 2763 2503 2006 1486 1233aFRR upp 2178 2128 1797 1601 970 549 424 455 715 1133 1732 1985

Tabell 23: Beraknad tillganglig kapacitet fran varmepumpar i respektive elomrade 2018 [MW]

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

SE1 FCR-N 12 11 19 51 46 37 12 26 46 56 52 25FCR-D 142 143 135 100 52 37 12 26 49 84 101 129aFRR ner 12 11 19 54 102 117 142 128 105 70 53 25aFRR upp 142 143 135 100 52 37 12 26 49 84 101 129

SE2 FCR-N 68 41 67 129 88 65 34 60 97 132 127 96FCR-D 287 314 286 192 92 65 34 60 100 84 217 259aFRR ner 68 41 69 163 263 290 321 295 255 182 138 96aFRR upp 287 314 286 192 92 65 34 60 100 84 217 259

SE3 FCR-N 620 419 512 670 308 210 59 132 357 635 699 668FCR-D 1253 1462 1361 824 372 281 181 224 394 705 959 1198aFRR ner 628 419 520 1057 1509 1600 1700 1657 1487 1176 922 683aFRR upp 1253 1462 1361 824 372 281 181 224 394 705 959 1198

SE4 FCR-N 345 261 290 265 110 50 16 33 109 225 318 351FCR-D 465 567 536 284 139 90 72 80 129 235 377 428aFRR ner 363 261 292 544 689 738 756 748 699 593 451 400aFRR upp 465 567 536 284 139 90 72 80 129 235 377 428

Totalt FCR-N 1045 731 887 1115 553 363 121 250 609 1048 1196 1140FCR-D 2146 2487 1400 655 474 298 390 672 672 1109 1654 2014aFRR ner 1072 731 899 1818 2563 2744 2920 2828 2546 2020 1564 1204aFRR upp 2146 2487 1400 655 474 298 390 672 672 1109 1654 2014

60

Tabell 24: Beraknad tillganglig kapacitet fran vindkraft i respektive elomrade 2017 [MW]

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

SE1 FCR-N 11 7 9 6 6 5 5 6 5 7 7 5FCR-D 22 13 17 13 12 10 10 11 11 13 14 10aFRR ner 221 133 172 123 117 96 99 114 107 131 136 103aFRR upp 22 13 17 13 12 10 10 11 11 13 14 10

SE2 FCR-N 51 28 37 30 25 25 22 23 19 37 36 37FCR-D 101 57 74 61 49 50 45 46 38 75 71 73aFRR ner 1016 568 741 608 490 499 447 461 375 747 714 734aFRR upp 101 57 74 61 49 50 45 46 38 75 71 73

SE3 FCR-N 42 33 36 34 20 31 21 24 26 47 41 43FCR-D 84 66 72 68 39 61 41 48 52 94 82 85aFRR ner 836 658 721 684 392 615 413 475 517 943 824 851aFRR upp 84 66 72 68 39 61 41 48 52 94 82 85

SE4 FCR-N 23 29 26 25 19 26 17 17 19 34 26 32FCR-D 45 58 52 50 37 52 33 33 38 68 51 64aFRR ner 455 583 516 504 371 520 333 333 381 677 512 637aFRR upp 45 58 52 50 37 52 33 33 38 68 51 64

Totalt FCR-N 126 97 107 96 68 87 65 69 69 125 109 116FCR-D 253 194 215 192 137 173 129 138 138 250 219 232aFRR ner 2527 1943 2149 1919 1371 1700 1292 1384 1380 2500 2185 2324aFRR upp 253 194 215 192 137 173 129 138 138 250 219 232

Tabell 25: Beraknad tillganglig kapacitet fran vindkraft i respektive elomrade 2018 [MW]

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

SE1 FCR-N 5 5 5 5 7 7 4 8 10 11 15 11FCR-D 11 9 9 9 14 15 7 16 21 21 31 23aFRR ner 110 92 91 91 141 149 72 159 209 214 308 230aFRR upp 11 9 9 9 14 15 7 16 21 21 31 23

SE2 FCR-N 32 25 23 22 25 39 15 31 47 43 45 39FCR-D 63 51 47 44 51 79 30 62 93 86 91 78aFRR ner 632 510 469 443 509 768 303 618 934 862 906 781aFRR upp 63 51 47 44 51 79 30 62 93 86 91 78

SE3 FCR-N 35 30 29 32 19 27 13 25 52 47 32 32FCR-D 69 60 58 64 39 54 27 49 104 93 65 65aFRR ner 690 596 576 640 385 538 265 491 1042 931 645 648aFRR upp 69 60 58 64 39 54 27 49 104 93 65 65

SE4 FCR-N 26 20 22 26 12 15 9 16 29 28 19 24FCR-D 52 41 44 51 25 29 18 32 59 57 38 48aFRR ner 520 407 441 514 250 293 178 321 587 568 375 479aFRR upp 52 41 44 51 25 29 18 32 59 57 38 48

Totalt FCR-N 98 80 79 84 64 88 41 79 139 129 112 107FCR-D 195 161 158 169 129 177 82 159 277 258 223 214aFRR ner 1952 1605 1578 1688 1285 1767 818 1590 2772 2575 2234 2138aFRR upp 195 161 158 169 129 177 82 159 277 258 223 214

61