Solvækst kræver et smartere, mere robust elnet

Den globale overgang fra fossile brændstoffer til solenergi‑net

I kølvandet på strømnetkollapset på den iberiske halvø (Portugal og Spanien) stillede mange spørgsmål ved den egentlige årsag til hændelsen. Og ligesom mange andre emner i dag blev diskussionen hurtigt politiseret, hvor solenergi blev beskyldt for at være årsagen til sammenbruddet.

Kilde: RNZ

Og det kan delvist være sandt, i hvert fald i nogen grad. Strømnettet blev designet for årtier siden med et centraliseret, fossilt brændstof‑centreret design bygget omkring nogle få massive kraftværker, der kunne generere strøm efter behov.

I sammenligning fungerer en decentraliseret og vedvarende energiforsyning på mange forskellige måder. Efterhånden som solenergi bliver billigere, vil den sandsynligvis overtage en stadig større del af den samlede energiproduktion. I øjeblikket udgør solenergi 80 % af den nye strømproduktion, der tilføjes nettet, og vindkraft yderligere 10 %.

Med 585 GW tilføjelser af kapacitet udgjorde vedvarende energikilder over 90 % af den samlede strømudvidelse globalt i 2024.

Sol- og vindenergi fortsatte med at vokse mest og udgjorde samlet 96,6 % af alle netto‑tilføjelser af vedvarende energi i 2024. Over tre fjerdedele af kapacitetsudvidelsen var i solenergi, som steg med 32,2 % og nåede 1 865 GW, efterfulgt af vindenergi, som voksede med 11,1 %.

Kilde: Irena

Så selvom en grøn, vedvarende baseret energiforsyning ser ud til at være nært forestående, er det afgørende at gøre strømnettet i stand til at håndtere den. Især vil enhver netnedbrud som det nylige, hvis det virkelig blev forårsaget af solenergi, bremse udbredelsen af solenergi og indirekte få CO₂‑udledninger til at forblive høje i længere tid.

Hvordan elektriske elnet fungerer, og hvorfor de fejler

Et centralt element at forstå om vigtigheden af elnettet og vanskelighederne ved at holde det i drift, er at elektricitet er meget svær at lagre.

I teorien er det, hvad batterier gør, men et lands elnet håndterer energiniveauer, der er flere størrelsesordener over, hvad selv de største batterianlæg kan lagre.

Så indtil videre skal strømmen produceres i præcis samme mængde som den forbruges, i realtid.

For at gøre denne vanskelige opgave endnu sværere, skal strømmen også leveres til det rette sted på det rette tidspunkt. For eksempel vil solenergi produceret i Nevada ikke hjælpe Kansas‑nettet, hvis det ikke er forbundet med tilstrækkelige kraftledninger. I Spaniens tilfælde var forbindelserne til det franske elnet ikke store nok til at redde det fra de lokale problemer.

Kilde: ResearchGate

Endelig skal der foretages ændringer i spændingen. Langdistancetransmission af strøm kan kun ske effektivt ved høj spænding, hvilket kræver transformatorer til at øge spændingen, før elektriciteten føres ind i kraftledningerne. Forbruget skal ske ved en lavere spænding, hvilket også håndteres med transformatorer.

Kilde: EIA

Spanske elnetnedbrud: Hvad gik galt?

Frekvensproblemer

Selvom de grundlæggende årsager til det iberiske netkollaps sandsynligvis vil blive hedt debatteret i måneder og år fremover, har vi nogle få datapunkter, der delvist kan indikere, hvad der skete.

Den første er, at det egentlige fejlpunkts ikke handlede om overdreven eller utilstrækkelig strømproduktion, men om den elektriske frekvens i elnettet.

Netfrekvens er en teknisk egenskab ved nettet, bestemt af vekselstrømmens oscillation.

Kilde: Wikipedia

Forskellige elnet har forskellige standardfrekvenser, hvilket gør dem uforenelige med hinanden. For eksempel har de baltiske stater for nylig skiftet til den europæiske frekvens efter årtier med den frekvens, de arvede fra USSR.

Hvis frekvensen afviger for meget fra standarderne, kan den bogstaveligt talt ødelægge transformatorer og andet høj‑effekt‑udstyr samt almindelige brugeres apparater. Der er adskillige indbyggede mekanismer i elektriske enheder, der automatisk afbryder, hvis frekvensen svinger for meget.

Forårsagede solenergi det spanske netnedbrud?

Netfrekvensen blev tidligere genereret og stabiliseret af den fysiske rotation af massive generatorer, som typisk blev drevet af fossile brændstoffer, men også af vandkraft og atomkraftværker. Dette gav nettet stor inertial, hvilket gjorde det meget svært for frekvensen at afvige fra de ønskede niveauer. Solenergi genererer dog ikke sådan inertial.

Kilde: SmartGrid

Det er altså ikke så meget, at solenergiens produktion skabte sammenbruddet, men at dens mangel på inertial ikke hjalp med at stabilisere netfrekvensen, hvilket var en nøglefaktor i nedbruddet.

Med den fortsatte stigning i integrationen af vedvarende energikilder, som afspejles i mange lande, såsom Indien, der planlægger at udnytte de rigelige vedvarende ressourcer, vil den reducerede netinertial blive et vedvarende problem og rejser spørgsmålet om styring i nettet, som også indeholder konventionel produktion.

Det forklarer dog stadig ikke, hvorfor frekvensen svingede i første omgang. Ud over mangel på inertial, som kan knyttes til solenergi, ser det ud til, at nogle dårlige praksisser og gamle design også bidrog til det iberiske netkollaps ved at gøre det sårbart over for det, netoperatøren beskrev som et “ekstremt sjældent vejrfænomen”.

Opgradering af elnet til en vedvarende energifremtid

Da ældre design af transformatorer, kraftledninger og anden infrastruktur er den mest almindelige årsag til strømafbrydelser, giver det mening, at det første skridt til at forbedre elnettet er at opgradere udstyret.

Et skridt fremad er de såkaldte smarte net, som i realtid overvåger meget tæt, hvad der sker på hvert niveau af elnettet, i stedet for en mere generel analyse. Dette inkluderer også mange individuelle automatiske systemer.

På denne måde kan en frekvensfluktuation, der er lokaliseret i et specifikt område på grund af en vejrhændelse, for eksempel, isoleres fra resten af nettet med det samme, før problemet spreder sig yderligere.

Forbedringer af kraftledningerne kan også hjælpe. Et tættere elnet tillader omdirigering af strøm fra én region til en anden og reducerer følsomheden over for et enkelt fejlpunkt. Bedre isolering eller nedgravning af kraftledninger kan også beskytte dem mod storme, sne & frost, skovbrande osv.

Flere forbindelser mellem fjerne regioner kan også hjælpe med at udligne fluktuationer i strømproduktion fra et solrigt område til et andet. Dette kræver generelt dedikeret infrastruktur til ultralange afstande for strømtransport, noget som Kina er verdensledende inden for, med sit “super‑grid”, der bruger ultrahøjspændings‑ (UHV) AC‑ og DC‑kraftledninger, allerede med 30.000 km UHV‑linjer (18.600 miles).

Kilde: IEEE

Det er sandsynligt, at lignende transkontinentale forbindelser også skal bygges i Europa og Nordamerika, for eksempel mellem Spanien og Nordeuropa eller mellem øst og vest i USA, hvor mange uafhængige net endnu ikke er så forbundne.

I den forbindelse er det sandsynligvis ingen tilfældighed, at det værste netnedbrud i de seneste år fandt sted i Texas og Spanien, begge relativt små og isolerede net.

Kilde: ASME

Endelig, efterhånden som elektrificering bliver den dominerende tendens inden for transport, opvarmning og industrielle processer, er der generelt behov for mere kapacitet til strømtransmission for at håndtere den stigende efterspørgsel, der bevæger sig væk fra kul, olie og gas. Dette kræver ikke et designskifte eller ny teknologi, men mere investering i at bygge flere kraftledninger.

Stabilisering af netfrekvens i vedvarende energisystemer

Batterilagring og virtuel inertial i elnet

Selvom smarte net er en del af løsningen, vil de primært reducere eksponeringen for miljøpåvirkninger og indeholde fejl i mindre, mere håndterbare områder end et landsdækkende sammenbrud.

For at undgå sammenbrud i første omgang, især når inertial‑fri solenergi bliver den primære kilde til elektricitet, er andre løsninger nødvendige.

Storskala batterilagring (LSBS) kan give noget hjælp. Disse batterier vil uanset hvad blive nødvendige for et primært vedvarende energisystem, da solpaneler ikke producerer energi om aftenen på spidsbelastningstidspunkter.

De kan også levere frekvensinertial, dog på en anden måde end traditionelle store roterende generatorer. Inertial fra batterier kaldes virtuel inertial, eller syntetisk, simuleret eller digital inertial.

Når forstyrrelser uden for den normale frekvens opdages, skubber FFR netfrekvensen tilbage til sit normale driftsområde ved hurtigt at injicere eller trække strøm fra nettet.

Virtuel inertial kan reagere endnu hurtigere end traditionelle generatorer på ustabilitet i frekvensen, på under 2 sekunder.

This is a service that was først tilbudt kommercielt i 2022 af batterianlæg bygget af Tesla (TSLA ).

The Big Battery er i stand til at levere ca. 2.000 “megawattsekunder” (MWs) af en inertialækvivalens for at hjælpe med at holde nettet stabilt. Det gør den via Teslas Virtual Machine Mode‑tjeneste. Den vil kunne levere ca. 15 % af Sydaustraliens inertialmangel.

Kan solpaneler hjælpe med at stabilisere netfrekvensen?

Solpaneler giver i sig selv ingen inertial, da der ikke er nogen fysisk rotation og kinetisk energi til at skabe den. Men de kan også bruges på måder, der giver støtte til nettet.

For eksempel er solprojekter traditionelt designet og incitamenteret til at maksimere produktionen til enhver tid. Men ved at opretholde en vis reservekapacitet kunne de levere den i tilfælde af et frekvensfald.

Dette er teknisk meget let at gøre og har mere at gøre med, hvordan solanlæg kompenseres af forsyningsselskaber og netoperatører.

Mindre skala af energilagring på solanlæggets niveau kunne på lignende måde bruges til at absorbere små spidser i strøm og en stigning i frekvensen. Netoperatøren kunne afsætte en specifik mængde produktion til lagring og gøre den tilgængelig for øjeblikkelig afsendelse, hvis frekvensen falder.

Den samme metode kunne anvendes med inverterne, der er knyttet til solpanelerne. En anlækskontrol kunne teoretisk overstyre inverterkontrollerne i en kort tidsramme for at stoppe et frekvensfald, “køre den varmt”, men under det niveau, hvor fysisk skade ville blive forårsaget på inverterne.

I dette scenarie ville hver solpanelinverter fungere som en mini‑stabilisator, der leverer yderligere virtuel inertial.

Genoprettelse af netinertial med mekaniske roterende løsninger

Hvis inertial er nødvendig, og traditionelt leveret ved at rotere hundredevis af tons metal ved høj hastighed, kan løsningen på for lidt inertial være netop at gøre det.

Nogle enheder og energilagringsformer er af den roterende type: synkrone kondensatorer og flywheel‑systemer.

Synkrone kondensatorer: Tilføjelse af inertial til elnet

Synkrone kondensatorer er DC‑motorer, hvis aksler ikke er forbundet til noget, men roterer frit. De genererer eller forbruger ikke strøm, men justerer forholdene på eloverførselsnettet.

De er faktisk en meget god mulighed for at tilføje inertial til nettet, men leverer meget få andre tjenester. Så hvis mange af dem skal tilføjes, vil dette medføre ekstra omkostninger, som delvist udligner de fremskridt, der er gjort med at reducere prisen på vedvarende energi.

Kondensatorer er også meget vigtige for at genstarte et nedbrudt net, da de leverer den nødvendige inertial, når der kun er lidt strøm i nettet. De kan også hjælpe med at absorbere overbelastning i netværket i flere sekunder, hvilket reducerer risikoen for kortslutning.

Flywheel‑energilagring for netstabilitet

Flywheel‑systemer er en anden interessant mulighed. Disse roterende skiver er i bund og grund roterende batterier, der lagrer energi i en mekanisk form i stedet for en kemisk.

De roterer i vakuum på et magnetisk leje med hastigheder på op til 20.000 til 50.000 omdrejninger pr. minut. Systemet lagrer eller frigiver energi ved at accelerere eller bremse flywheel‑en.

Kilde: Stornetic

Ved naturligt at levere “rigtig” inertial i stedet for virtuel inertial kan en flywheel være en god mulighed at tilføje til blandingen af “batterier”, der er nødvendige for grønne net, da den samtidig leverer frekvensinertial og energilagring. Dette placerer dem over enklere synkrone kondensatorer, som ikke kan lagre og afgive energi.

Alternative roterende energilagringsløsninger

Al enhver energilagring, der roterer, kan tilføje inertial til netværket. Så ud over flywheel‑systemer er andre muligheder også mulige.

For eksempel startup-virksomheden Cheesecake Energy tilbyder en modulær, containeriseret pakke med komprimeret luftenergilagring. Varmen, der genereres ved kompressionen, lagres i billig grus i varmelagringsbatterier, og kompressionen udføres med genbrugte gamle lastbilmotorer. Lagringen og regenereringen af strøm involverer også roterende metalaksler, svarende til en konventionel generator.

Andre ikke‑kemiske energilagringsformer findes, såsom gravitationsbatterier, pumpet vandkraft, betonlagring, varmelagringsbatterier eller termisk solenergi, som vi udforskede i den dedikerede artikel “Ikke‑kemiske alternativer til batterier for energiovergangen”.

Skabelse af et marked for netinertial og frekvenskontrol

Indtil nu har inertial været en slags “gratis service”, leveret af operatører af kraftværker med roterende generatorer. Eller mere præcist blev det antaget, at dette var en del af den service, der betales for, når forsyningsselskaber købte megawatt fra dem.

Ændringer i energiproduktion betyder, at et mere eksplicit marked for frekvensstabilisering bør oprettes for at tilskynde leveringen af inertial.

Dette er noget, der bliver pioneret af lande med små isolerede net, som de baltiske stater.

Med lanceringen af frekvensmarkedet af Litgrid (Litauen), Augstsprieguma tīkls (Letland) og Elering (Estland) kan elproducenter afgive bud hver morgen for den følgende dag, hvor de angiver, hvor meget energi de er villige til at holde i reserve.

Prisen er omkring 0,5 cent per kilowatt‑time, hvilket svarer til cirka €1 per måned for en husholdningsforbruger.

Kilde: International Energy Forum

Topudfordringer, der bremser globale opgraderinger af elnet

Transformermangel truer modernisering af elnet

Et af de mest fremtrædende problemer med at forbedre nettet i dag er mangel på transformatorer. Årtiers underinvestering i netinfrastruktur har ført til en situation, hvor der ikke kun er brug for nyt udstyr for at håndtere den stigende forbrug, men også for at erstatte aldrende transformatorer.

Kilde: Utility Dive

En stigning i skader fra orkaner og skovbrande hjalp heller ikke.

Den ekstra efterspørgsel møder også forsyningsproblemer, da specielt elektrisk stål, som er vigtigt for at reducere transformatorers energitab, forbliver dyrt og svært at skaffe.

“Levering af en ny transformer bestilt i dag kan tage op til tre år. For fem år siden var ventetiden fire til seks uger.”

Peter Ferrell – National Association of Electrical Manufacturers, eller NEMA, Direktør for regeringsrelationer

Kobbermangel kan hæmme vedvarende energinet

Et andet problem, der kan bremse opgraderinger af nettet, er mangel på naturressourcer. Selvom lithium og andre mineraler til batterier måske er i tilstrækkelig forsyning, er det uklart, om den globale kobberproduktion er høj nok, især da elbiler og andre teknologier, der er vigtige for elektrificering, også øger forbruget.

Og at ændre retningen af kobberforsyningen kan være meget langsomt, med forventning om, at manglen vil vare i flere år.

“Efterspørgslen kunne imødekommes ved at åbne tre ‘tier‑one’ miner (hver med en årlig kapacitet på 300.000 metriske tons) hvert år i de næste 29 år, hvilket ville udgøre en historisk udvidelse for industrien til en pris på over 500 milliarder dollars.

Regulatoriske godkendelser for nye kobberminer er på en nedadgående tendens og er faldet til det laveste niveau i 15 år. Dette er særligt bekymrende, da miner kan tage 10 til 20 år at godkende og udvikle

Kilde: International Energy Forum

Told på netkomponenter kan forsinke amerikanske opgraderinger

For USA specifikt er det muligt, at handelskrige og toldsatser kan komme i vejen for at levere det udstyr, de har brug for.

In 2024, Kina eksporterede $46,5 mia. elektriske transformatorer og var det 9. mest eksporterede produkt (ud af 1.211) i Kina, med USA som hoveddestination (handel til en værdi af 4,66 mia.).

Tilsvarende leveres batterier og andre elektroniske og strømkomponenter sandsynligvis delvist af kinesiske virksomheder og vil have brug for alternative leverandører.

Endelig bruger de fleste langdistancetransmissioner aluminium, som også var underlagt særlige 25 % toldsatser i år. Dette kan øge projektomkostningerne og forsinke de meget nødvendige opgraderinger af landets strømforsyningsinfrastruktur.

Konklusion: Bygning af et robust net for en grøn fremtid

At genopbygge elnettet for at håndtere overgangen til vedvarende energi er en temmelig skræmmende opgave. Ved at reducere betydningen af gasturbiner og andre fossile kraftværker fjerner energiovergangen også en vigtig kilde til frekvensstabilitet, samtidig med at strømproduktionen bliver mere intermitterende.

Parallelt betyder elektrificering, at elnettene er mere belastede end nogensinde på grund af en konstant stigende efterspørgsel efter transport, opvarmning og industriel aktivitet.

Grøn energi vil sandsynligvis være løsningen på det problem, den forårsager. Batteripakker, som allerede er nødvendige i massive størrelser for at balancere produktionsintermitter, vil sandsynligvis blive den primære leverandør af frekvensstabilitet. Solcelleanlæggets invertere vil også sandsynligvis blive mobiliseret til denne opgave.

I mellemtiden vil andre teknologier som komprimeret luft, flywheel og synkrone kondensatorer også sandsynligvis hjælpe.

På kort sigt vil utilstrækkelig produktion af transformatorer og den specielle ståltype, de kræver, hindre netforbedringer. På længere sigt vil evnen til korrekt at belønne leverandører af frekvensstabilitet, den politiske vilje til at forbedre elnettet og en stabil forsyning af energilagringsløsninger være de afgørende faktorer for en vellykket energiovergang.

Investering i elnettet

GE Vernova

GE Vernova (GEV ) er resultatet af opdelingen af den gigantiske koncern GE i 2024 i GE Aerospace (GE ), GE HealthCare og GE Vernova, hvor Vernova er i energisegmentet.

I den henseende gør dette GE Vernova til den direkte arving af den 130 år gamle oprindelige kerne i General Electric (GE.TO ) ‑virksomheden.

Med i øjeblikket 75.000 medarbejdere i over 100 lande har virksomheden produceret 55.000 vindmøller og 7.000 gasturbiner, hvilket hjælper med at generere cirka 25 % af verdens elektricitet.

Den er til stede på alle niveauer af elproduktion og -distribution, især i turbine‑relaterede segmenter som vind, vand og atom, men også i elnettet, hvor den har projekter til en værdi af 16 mia. dollars i pipeline.

Kilde: GE Vernova

Virksomheden ser efterspørgslen efter elektricitet vokse tofold inden 2040, med 4 billiarder dollars nødvendige for at erstatte kulkraftværker, hvilket udgør en enorm mulighed for producenter af elektrisk udstyr.

Kilde: GE Vernova

GE er en tæt partner til mange af verdens største forsyningsselskaber, herunder den franske Engie, den amerikanske Duke Energy (DUK ), og Southern Company (SOT.DE ) (SO ), den tyske RWE, den spanske Iberdrola, Taiwan Power Company osv.

Med hensyn til netløsninger og elektrificering leverer GE Vernova batteri‑energilagringssystemer, synkrone kondensatorer, pumpelagringskraftværker (PSPP), ovne‑elektrificering, termisk lagring, solinvertere, brintkompressorer osv.

Kilde: GE Vernova

GE Vernova er også en kraftcenter inden for energirelateret F&U (1 mia. dollars i årligt F&U‑forbrug), især med kulstofsequestrering, HVDC‑kabler, brintgasturbiner og et lille modulært reaktor (SMR) design i partnerskab med Hitachi.

Kilde: GE Vernova

Forsyningsproblemerne og manglen på industrielt udstyr i USA kan være en mulighed for virksomheden, takket være en samlet global CAPEX‑ og F&U‑investeringsplan på 9 mia. dollars frem til 2028 for nye produktionsfaciliteter. Dette inkluderer 50 M dollars til næste generations kernebrændselsdesign, 300 M dollars til gaskraft og LNG‑eksport, 600 M dollars i amerikanske fabrikker inden 2026, osv.

På grund af bredden af GE Vernova’s aktiviteter behøver investorer i virksomhedens aktie ikke at være sikre på, hvilken teknologi der vil vinde energiovergangen i de næste 5 eller 10 år:

• Hvis naturgas forbliver vigtigt, er GE Vernova allerede en stor aktør i segmentet.
• Hvis atomkraft faktisk gennemgår en renæssance, vil atomturbiner og SMR få succes.
• Hvis brint, vindkraft, pumpet vandkraft eller kulstofopsamling & -sequestrering blomstrer, vil GE Vernova også kunne erobre en del af disse markeder.

Alt i alt er GE Vernova en god aktie at overveje for investorer, der er opmærksomme på den stigende efterspørgsel efter elektricitet, behovet for et bedre net, og som er sikre på, at GE vil være en del af svaret, hvad enten det er med vandkraft, vind, atom eller næsten enhver anden energiform.

Seneste om GE Vernova