Svaret finns i smarta elnät 

Världens elnät måste förändras om världen ska kunna minska utsläppen av koldioxid i den takt som klimatpolitiken kräver.

Synkroniseringen mellan de roterande ångturbiner är drivna av kol, gas, vattenkraft och kärnkraft och det elnät som de försörjer är dubbelriktad. De elektromagnetiska fält som kopplar ihop dem innebär att förhållandena på elnätet påverkar hur generatorerna fungerar – och vice versa.

Turbinernas egenskaper

Det här betyder att de egenskaper som den roterande metallen och dess anslutningar kännetecknar, av fortplantar de vidare ut i elnätet. Tröghet är en sådan egenskap. Turbinerna vill fortsätta att rotera och denna vilja begränsar hur enkelt eller svårt det är för nätets frekvens att fluktuera. En annan är det som man kallar ”reaktiv effekt”. Reaktiv effekt är ett motstånd som växelströmmen och dess natur medför för flödet av energi genom systemet och ”kortslutningsström”. Reaktiv effekt kan användas för att hantera fluktuationer i spänningen. Kortslutningsströmmen avslöjar problem vilken man kan använda för att åtgärda dem. Eftersom dessa aspekter av elnätet är så viktiga för att det ska fungera kallar man de ofta för stödtjänster.

Solpaneler, vindturbiner och batterier är anslutna till elnät genom noggrant kontrollerad elektronik, snarare än genom elektromagnetismens våldsamma kraft. Den likström som solpaneler och batterier genererar omvandlar man sedan till växelström genom växelriktare. Dessa använder i huvudsak teknik som den som vi återfinner i ventilrummen i de yttre ändarna av förbindelserna med högspänd likström, HVDC. Den lågfrekventa växelström som vindkraftverk producerar måste man bearbeta på liknande sätt. Därför kallar man sådant som batterier, vindkraftverk och solkraftsanläggningar resurser baserade på växelriktare i energibranschen.

Problemet med det här är att elnät där numera mer än 60 procent av energin kommer från resurser baserade på växelriktare, börjar få allvarliga problem med stabiliteten om man inte kan hjälpa upp situationen. Detta enligt Ben Koprovski vid USA:s National Renewable Energy Lab i Colorado. De flesta av dagens växelriktare spottar ut ström med egenskaper som matchar dem som växelriktarna ser på nätet. Det innebär att de, till skillnad från turbiner, inte har förmåga att driva nätet i önskad riktning. De kan till och med förvärra förhållandena genom att förstärka de obalanser som redan finns.

Spinnreserver

Ett sätt att hantera detta är att använda den så kallade spinnreserven. Vilket är gasdrivna kraftverk där turbiner fortsätter att snurra fast de producerar mycket lite el. Men det är dyrt och dessutom innebär det att man bränner naturgas på ett ovanligt ineffektivt sätt. Därför blir nätoperatörerna allt mer villiga att betala för andra alternativ. Turbinerna hos brittiska energibolaget Drax drar in pengar på det här sättet. Samma gäller de i Cruachan, ett skotskt pumpkraftverk som Drax köpte upp 2018.

Ett annat exempel är synkronkondensatorn vid tidigare nämnda Lister Drive, en anläggning som det norska energi­bolaget Statkraft skapat. Ytterligare ett exempel är det 100-megawattsbatteri som Zenobe, ett brittiskt batteriföretag, har kopplat in på nätet inte alltför långt från Lister Drive. När de stängde det stora kolkraftverket Fiddler’s Ferry ledde det till oroväckande brist på stödtjänster i Liverpool­området. Därför har just detta blivit en plats där man prövar nya metoder.

Smart elnät

Anledningen till att just den här anläggningen är speciell är inte dess batterier. Anledningen är växelriktarna, som enkelt uttryckt inte följer nätet utan har förmåga att bygga upp, eller bilda, nätet. Det betyder att de kan programmera dessa för att förse elnätet med energi av exakt den typ och frekvens som nätopera­törerna behöver. Vilket i sin tur kompenserar nätet för frånvaron av stödtjänster. Nätbildande växelriktare utgör ett stort steg från en värld av elektromagnetism till en värld av kod och elektronik.

Den hårdvara som driver de nätbildande systemen skiljer sig inte särskilt mycket från den som man använder i system som följer ett nät. Däremot är algoritmerna som bearbetar den ström som flödar genom dem mycket mer sofistikerade. Tillväga­gångssättet behöver heller inte begränsas till batterier. I framtiden skulle alla växelriktare vid vindkraftverk och solkraftverk kunna bli nätbildande. Samt att i vissa fall kanske förändringen inte kräver mer än en programuppdatering, enligt Ben Koprovski. I fråga om nätstabilitet skulle detta kunna förvandla växelriktarbaserade resurser från problem till lösning. Det skulle kunna vända på den gamla synen på förnybara energikällor. Med rätt elektronik skulle man genom att addera förnybara energikällor och den lagring som de bidrar med till nätet göra det mer stabilt, istället för mindre stabilt.

Stödtjänster ger stabilitet

Elnät med stödtjänster från växelriktarna vid de förnybara energikällorna skulle i slutändan kunna bli enklare och billigare att driva än den gamla sortens elnät. Den operatör som driver ett nät som man bara försörjer med el genom nätbildande växelriktare behöver inte anstränga sig lika mycket för att hålla nätfrekvensen och spänningen stabil i hela systemet. Om alla anslutningar kan justeras med lätthet borde det gå att förebygga konsekvenserna av en ojämn frekvens. Man skulle kunna jämföra det hela med en enväxlad cykel, en sådan där pedalerna roterar med hjulet. Algoritmerna i de nätbildande växelriktarna skulle helt enkelt iaktta hur överföringsnätets pedaler snurrar och försiktigt, med en dators perfekta timing, börja trampa igen som det passar dem.

Vilka är stötestenarna? Om det är möjligt att göra saker och ting enklare påverkar det hur snabbt man kan bygga ut näten. Även om man bortser från sådant som byråkrati, spekulationer och tillståndsprocesser, är det ändå en mödosam process att addera stora mängder ny elproduktion till dagens elnät. Men om den nya elproduktionen levereras komplett med elektronik för nätbildning borde den bli enklare att koppla in. Nytillskotten skulle kunna anpassa sig till elnätets lokala behov i stället för att nätet måste anpassas till dem.

Nätbildande tjänster förenklar

Förbindelser med högspänd likström, HVDC, kan redan i dag erbjuda liknande funktioner. Det är också en av anledningarna till att de blir allt vanligare. Att anslutningshallarna till Scottish and Southern Electricitys Caithness-Moray-förbindelse har potential att fungera nätbildande har fått företaget att överväga att utrusta dem för att klara den ultimata nätbildningen. En så kallad ”svart start”. Att starta upp ett nät som har brutit samman är minst sagt knepigt. De generatorer som är kopplade till ångturbinerna behöver hjälp av dieselgeneratorer för att klara av det. Ett annat problem är att växelriktare som är designade för att följa nätet inte är till mycket hjälp när det inte finns något nät att följa. Nätbildande tjänster kan göra denna komplicerade process avsevärt mycket enklare. Särskilt när de är anslutna till vindkraftverk som genererar stora mängder energi, vilket de är i Caithness.

Denna extra fördel kommer att göra HVDC mer attraktivt och i takt med att efterfrågan ökar lär tekniken bli billigare. På det sättet kommer efterfrågan att öka ytterligare. Det kommer också att ge möjligheter till allt mer ambitiösa sammankopplingar.

Stora investeringar på förnybar energi

Vissa ser möjligheter att bli föregångare. Sun Cable hade planer på en 420 mil lång kabel som skulle förse Singapore med förnybar energi från Australien. Om nu inte företaget nyligen gått i konkurs. XLinks, ett nystartat företag, jobbar på ett system som skulle kunna ge Storbritannien konstant tillgång till 3,6 gigawatt kraft från förnybara källor och batteribackup i Marocko. Man uppskattar kostnaden till 18 miljarder pund. Den kabel på 380 mil som skulle krävas utgör en stor del av totalkostnaden. Om XLinks skulle lyckas lär det komma fler liknande projekt.

Men det finns fler orosmoln än finansieringen för den här typen av enorma högspänningslänkar. Redan innan sprängningen av Nordstream2-pipelinen i Östersjön väckte tanken på att så mycket el skulle komma från en enda leverantör via en så lång navelsträng frågor. Frågor om politiska risker som tekniken inte kan lösa. Den här typen av direktförbindelser kan medföra betydande sårbarheter och frågetecken kring beroendefrågan.

Elnäten som måltavla

Elnät har länge varit måltavlor i krigstid. Ukrainas elnät har blivit utsatt för omfattande beskjutning av ryska missiler och granater. Elnät är också frestande måltavlor för cyberattacker. Eftersom elnäten är så beroende av balans, kan också ett angrepp på en relativt liten komponent ge förödande resultat. Speciellt när effekterna sprider sig genom systemet som ringar på vattnet. Och ju fastare ett elnät är knutet till utomstående aktörer vars säkerhet man inte har någon kontroll över, desto mer oro har man anledning att känna.

Ett elektroniskt skapat nät, med större behov av kommunikation och beräkningar, kan göra sådana sårbarheter ännu värre. Och i takt med att el allt mer blir den primära energikällan för olika tillämpningar, kan attacker mot elnätet bli mer skrämmande. I dag slår strömavbrott av lampor och luftkonditionering, men om några årtionden kan de även lamslå uppvärmning och transporter. Samtidigt skulle robust elektronik kunna minska möjligheten att en attack på en enskild, svag punkt orsakar fel som sprider sig genom hela elnätet. Att expandera elnäten har också fördelar, om de mer avlägsna delarna kan man försvara effektivt. Att det ukrainska elnätet synkroniserades med det europeiska elnätet Continental Europe Synchronous Area, CESA, strax efter Rysslands invasion, var till stor hjälp för landet.

Förändring behövs för att matcha klimatpolitiken

Men alla dessa potentiella fördelar är sekundära. I alla fall jämfört med det faktum att man måste måste förändra världens elnät om världen ska kunna minska utsläppen av koldioxid. I den takt som klimatpolitiken kräver. Förändringarna kommer att vara komplexa och dyra, oavsett vilken teknik som man använder. Investeringarna kommer sannolikt att uppgå till tiotusentals miljarder dollar. Men om denna enorma och nödvändiga förändring blir genomförd på rätt sätt kommer den inte bara att göra det möjligt för världen att fortsätta som förut. Som när vi drev våra elsystem med förbränning av fossila bränslen. Genom att göra det enklare än någonsin att förflytta energi och låta den mest kostnadseffektiva energiproduktionen ta en större del av marknaden, kommer energin med tiden att bli billigare. Robusta elnät som det är enkelt att addera ny, billig elproduktion till, kan ge ett energiöverflöd som dagens bränslen inte kan ge.

En av fördelarna är att motsättningarna mellan förespråkarna för allt kraftfullare nät och de som förordar decentraliserade system kan upphöra. Med nätbildande växelriktare kan mikro- och makronät bli sammankopplade på ett betydligt enklare sätt. Det innebär också att nätanslutna konsumenter kan bygga upp egna elproduktions- och lagringssystem – och att elnätet kan utnyttja dessa. Om bara vissa standarder följs, kan det som sker bakom växelriktaren hållas kvar bakom den. Ändå kan ström flöda ut och in.

Expanderande elnätens hinder

Om man tänker sig att utvecklingen ger upphov till en god cirkel där ett expanderande elnät gör det lättare för elproduktionen att växa ytterligare, skulle det inte vara första gången. Det fanns en liknande positiv återkoppling också i det gamla energis­ystemet. Bättre motorer och generatorer gjorde det billigare att utvinna, distribuera och konsumera fossila bränslen. Vilket i sin tur gjorde det möjligt att förse ännu fler motorer och generatorer med energi.

Elnät har länge varit frestande måltavlor i krigstid och för cyberattacker. Ukrainas har blivit föremål för ryska missiler och granater.

Men tillväxten stötte på två olika typer av hinder. Det ena var påtvingade ekonomiska och politiska begränsningar när det gällde tillgång på bränsle. Det andra handlade om i hur hög grad miljön kunde absorbera det oundvikliga avfallet. Uppfinningsrikedom, investeringar och statlig styrning kan bli använda för att minska de första hindren. Men kortsiktighet, snöda egenintressen och problemets enorma omfattning bidrog till att det andra hindret blev ignorerat. Inget av dessa hinder försvann. Men inget av dem gäller på samma sätt för ett elsystem som är dominerat av el från förnybara energikällor och kärnkraft. Det vill säga om det stöds av tillräcklig lagringskapacitet och är anslutet till ett flexibelt, stabilt och elektroniskt nät.

Utmaningar kommer alltid att finnas

Inget kan bli ständigt bättre. Det nya, fossilfria energisystem som blir möjligt tack vare de nya elnäten, kommer säkert också att stöta på begränsningar. Men det kommer inte att handla om begränsningar när det gäller bränslen. Det kommer heller inte att handla om de skador som man orsakar när jordens grundläggande kretslopp medvetet bli stört. Initialkostnaderna för att bygga ut elnätet är enorma. Utmaningarna när det gäller att nå de mål för fossilfri elförsörjning som krävs för att stabilisera klimatet är minst sagt överväldigande. Men när övergångsprocessen väl har kommit i gång och kostnaderna börjar falla, vet ingen var det kan sluta.