Solenergiens vekst krever et smartere, mer robust strømnett

Den globale overgangen fra fossilt brensel til solenergi‑nett

I etterkant av strømnettkollapsen på Den iberiske halvøy (Portugal og Spania) stilte mange spørsmål ved den underliggende årsaken til hendelsen. Og, som mange ting i dag, ble diskusjonen raskt politisert, med solenergi anklaget for å være årsaken til krasjet.

Kilde: RNZ

Og det kan være delvis sant, i hvert fall i noen grad. Strømnettet ble designet for flere tiår siden, med et sentralisert, fossilt brensel‑sentrert design bygget rundt noen få massive kraftverk som kunne generere strøm på etterspørsel.

I sammenligning fungerer en desentralisert og fornybar energiforsyning på mange ulike måter. Etter hvert som solenergi blir billigere, vil den sannsynligvis ta over stadig større andel av den totale energiproduksjonen. For øyeblikket utgjør solenergi 80 % av ny kraftproduksjon som legges til nettet, og vindkraft ytterligere 10 %.

Med 585 GW nye kapasitetstillegg utgjorde fornybar energi over 90 % av den totale kraftutvidelsen globalt i 2024.

Sol‑ og vindenergi fortsatte å vokse mest, og stod samlet for 96,6 % av alle netto fornybare tillegg i 2024. Over tre fjerdedeler av kapasitetstillegget var i solenergi, som økte med 32,2 % og nådde 1 865 GW, etterfulgt av vindenergi som vokste med 11,1 %.

Kilde: Irena

Så selv om en grønn, fornybar energiforsyning ser uunngåelig ut, vil det være avgjørende å gjøre strømnettet i stand til å håndtere den. Spesielt siden enhver strømnettkollaps som den nylige, dersom den virkelig ble forårsaket av solenergi, vil bremse adopsjonen av solenergi og indirekte få karbonutslipp til å forbli høye lenger.

Hvordan elektriske strømnett fungerer og hvorfor de svikter

Et nøkkelpunkt å forstå om viktigheten av strømnettet og vanskelighetene med å holde det i drift, er at elektrisitet er svært vanskelig å lagre.

I teorien er dette hva batterier gjør, men et lands strømnett håndterer kraftnivåer som er flere størrelsesordener høyere enn det selv de største batterianleggene kan lagre.

Så foreløpig må kraft produseres i nøyaktig samme mengde som den forbrukes, i sanntid.

For å legge til denne vanskelige oppgaven, må kraft også leveres til riktig sted og til rett tid. For eksempel vil solenergi produsert i Nevada ikke hjelpe Kansas‑nettet hvis det ikke er koblet til det med nok kraftlinjer. I tilfelle Spania var tilkoblingene til det franske strømnettet ikke store nok til å redde det fra de lokale problemene.

Kilde: ResearchGate

Til slutt må spenning endres. Langdistansetransmisjon av kraft kan kun gjøres effektivt ved høy spenning, noe som krever transformatorer for å øke spenningen før elektrisiteten føres inn i kraftlinjene. Forbruk må skje ved lavere spenning, noe som også gjøres med transformatorer.

Kilde: EIA

Spania strømnettkollaps: Hva gikk galt?

Frekvensproblemer

Selv om de underliggende årsakene til den iberiske nettkollapsen sannsynligvis vil bli heftig debattert, potensielt i måneder og år fremover, har vi noen datapunkter som delvis kan indikere hva som skjedde.

Det første er at det faktiske feilpunktet ikke handlet om overdreven eller utilstrekkelig kraftproduksjon, men om den elektriske frekvensen i strømnettet.

Nettfrekvens er en teknisk egenskap ved nettet, bestemt av oscillasjonen i vekselstrøm.

Kilde: Wikipedia

Ulike strømnett har ulike standardfrekvenser, noe som gjør dem inkompatible med hverandre. For eksempel har de baltiske statene nylig byttet til den europeiske frekvensen, etter tiår med å beholde frekvensen arvet fra Sovjetunionen.

Hvis frekvensen avviker for langt fra standardene, kan den bokstavelig talt ødelegge transformatorer og annet høyspenningsutstyr, samt enheter hos vanlige brukere. Det finnes mange innebygde mekanismer i elektriske enheter som automatisk kobler fra dersom frekvensen svinger for mye.

Forårsaket solenergi den spanske nettkollapsen?

Nettfrekvensen ble tidligere generert og stabilisert av den fysiske rotasjonen av massive generatorer, vanligvis drevet av fossilt brensel, men også vannkraft og kjernekraftverk. Dette ga nettet mye treghet, noe som gjorde det svært vanskelig for frekvensen å avvike mye fra de tiltenkte nivåene. Solenergi genererer imidlertid ikke slik treghet.

Kilde: SmartGrid

Det er altså ikke så mye at solenergiproduksjon skapte krasjet, men at mangelen på treghet ikke bidro til å stabilisere nettfrekvensen, som var en nøkkelfaktor i krasjet.

Med den stadige økningen i integreringen av fornybare kilder, som reflekteres av mange land, som India, som planlegger å utnytte de rikelig tilgjengelige fornybare ressursene, vil den reduserte netttregheten bli et vedvarende problem og reiser spørsmål om styring i nettet som også inneholder konvensjonell produksjon.

Likevel forklarer det ikke hvorfor frekvensen svingte i utgangspunktet. I tillegg til mangel på treghet, som kan knyttes til solenergi, ser det ut til at noen dårlige praksiser og gamle design også bidro til den iberiske nettkollapsen ved å gjøre den sårbar for det nettoperatøren beskrev som et «ekstremt sjeldent værfenomen».

Oppgradering av strømnett for en fornybar energifremtid

Siden eldre design av transformatorer, kraftlinjer og annen infrastruktur er den vanligste årsaken til strømbrudd, er det fornuftig at det første steget for å forbedre strømnettet er å oppgradere utstyret.

Et skritt fremover er de såkalte smarte nettverkene, som i sanntid overvåker mye nærmere hva som skjer på hvert nivå av strømnettet, i stedet for en mer generell analyse. Dette inkluderer også mange individuelle automatiske systemer.

På denne måten kan en frekvensfluktuasjon lokalisert i ett spesifikt område, for eksempel på grunn av en værhendelse, isoleres fra resten av nettet umiddelbart før problemet sprer seg videre.

Forbedringer av kraftlinjene kan også hjelpe. Et tettere kraftnett gjør det mulig å omdirigere kraft fra én region til en annen og reduserer sensitiviteten for ett enkelt feilpunkt. Bedre isolasjon eller nedgraving av kraftlinjer kan også beskytte dem mot stormer, snø og frost, skogbrann osv.

Flere tilkoblinger mellom fjerne regioner kan også bidra til å jevne ut fluktuasjoner i kraftproduksjon fra ett solrikt område til et annet. Dette krever vanligvis dedikert infrastruktur for ultra‑langdistansestrømtransport, noe Kina er verdensledende på, med sitt «supernett» som bruker ultrahøyspente (UHV) AC‑ og DC‑kraftlinjer, med allerede 30 000 km UHV‑linjer (18 600 miles).

Kilde: IEEE

Det er sannsynlig at lignende transkontinentale forbindelser også må bygges i Europa og Nord‑America, for eksempel mellom Spania og Nord‑Europa, eller Øst‑ og Vest‑USA, med mange uavhengige nett som ennå ikke er så godt koblet.

I den forbindelse er det sannsynligvis ingen tilfeldighet at den verste nettkollapsen de siste årene skjedde i Texas og Spania, begge relativt små og isolerte nett.

Kilde: ASME

Til slutt, ettersom elektrifisering blir den dominerende trenden innen transport, oppvarming og industrielle prosesser, er mer kraftoverføringskapasitet generelt nødvendig for å håndtere den økende etterspørselen som beveger seg bort fra kull, olje og gass. Dette krever ikke en endring i design eller ny teknologi, men mer investering for å bygge flere kraftlinjer.

Stabilisering av nettfrekvens i fornybare energisystemer

Batterilagring og virtuell treghet i strømnett

Selv om smarte nettverk er en del av svaret, vil de hovedsakelig redusere eksponeringen for miljøpåvirkninger og innkapsle feil i mindre, mer håndterbare områder enn et landsomfattende krasj.

For å unngå krasj i første omgang, spesielt ettersom treghetsfri solenergi blir den primære kilden til elektrisitet, trengs andre løsninger.

Storskala batterilagring (LSBS) kan gi noe hjelp. Disse batteriene vil uansett bli nødvendig for et hovedsakelig fornybart energisystem, ettersom solpaneler ikke produserer energi om kvelden når forbruket er på topp.

De kan også gi frekvenstreghet, men på en annen måte enn tradisjonelle store roterende generatorer. Treghet fra batterier kalles virtuell treghet, eller syntetisk, simulert eller digital treghet.

Når forstyrrelser utenfor normal frekvens oppdages, presser FFR nettfrekvensen tilbake til sitt normale driftsområde ved raskt å injisere eller trekke kraft fra nettet.

Virtuell treghet kan reagere enda raskere enn tradisjonelle generatorer på ustabilitet i frekvensen, på under 2 sekunder.

Dette er en tjeneste som først ble tilbudt kommersielt i 2022 av batterianlegg bygget av Tesla (TSLA ).

The Big Battery er i stand til å levere ~2 000 «megawatt‑sekunder» (MWs) av en treghetsekvivalens for å hjelpe med å holde nettet stabilt. Den gjør dette via Teslas Virtual Machine Mode‑tjeneste. Den vil kunne levere ~15 % av Sør‑Australias treghetsunderskudd.

Kan solpaneler hjelpe med å stabilisere nettfrekvensen?

I seg selv gir solpaneler ingen treghet, siden det ikke er noen fysisk rotasjon eller kinetisk energi som skaper den. Men de kan også brukes på måter som gir støtte til nettet.

For eksempel har solprosjekter tradisjonelt blitt designet og incentivert for å maksimere produksjonen til enhver tid. Men ved å opprettholde noe reserveproduksjonskapasitet, kan de levere dette i tilfelle en frekvensnedgang.

Dette er teknisk sett veldig enkelt å gjøre og har mer å gjøre med hvordan solkraftverk kompenseres av energiselskaper og nettoperatører.

Mindre skala av energilagring på solkraftverksnivå kan på lignende måte brukes til å absorbere små kraftspisser og en økning i frekvensen. Nettoperatøren kan avsette en spesifikk mengde produksjon for lagring og gjøre den tilgjengelig for umiddelbar utsendelse dersom frekvensen faller.

Den samme metoden kan brukes med inverterne knyttet til solpanelene. En anleggsleder kan teoretisk overstyre inverterkontrollene i en kort tidsperiode for å stoppe en frekvensnedgang, «kjøre den varmt», men under nivået der fysisk skade ville oppstå på inverterne.

I dette scenariet vil hver solpanel‑inverter fungere som en mini‑stabilisator, og gi ekstra virtuell treghet.

Gjenoppretting av netttreghet med mekaniske roterende løsninger

Hvis treghet er nødvendig, og tradisjonelt levert av hundrevis av tonn metall som roterer i høy hastighet, kan løsningen på for lite treghet være nettopp det.

Noen enheter og energilagringsformer er av roterende type: synkrone kondensatorer og svinghjul.

Synkrone kondensatorer: Legge til treghet i strømnett

Synkrone kondensatorer er DC‑motorer hvis aksler ikke er koblet til noe, men roterer fritt. De genererer eller forbruker ikke kraft, men justerer forholdene på det elektriske kraftoverføringsnettet.

De er faktisk et svært godt alternativ for å legge til treghet i nettet, men gir svært få andre tjenester. Så dersom mange av dem må legges til, vil dette medføre ekstra kostnader, noe som delvis oppveier fremgangen gjort i å redusere prisen på fornybar energi.

Kondensatorer er også svært viktige for å starte et krasjet nett på nytt, da de gir den tregheten som trengs når lite kraft er tilstede i nettet. De kan også hjelpe med å absorbere overbelastning i nettverket i flere sekunder, og redusere risikoen for kortslutning.

Svinghjul‑energilagring for nettstabilitet

Svinghjul er et annet interessant alternativ. Disse roterende skivene er i hovedsak roterende batterier som lagrer energi i en mekanisk form i stedet for en kjemisk.

De roterer i vakuum på et magnetisk lager, med hastigheter på opptil 20 000 til 50 000 omdreininger per minutt. Systemet lagrer eller gir tilbake energi ved å akselerere eller bremse svinghjulet.

Kilde: Stornetic

Ved naturlig å levere «ekte» treghet, i stedet for virtuell treghet, kan et svinghjul være et godt alternativ å legge til blandingen av «batterier» som trengs for grønne nett, og samtidig gi frekvenstreghet og energilagring. Dette plasserer dem over enklere synkrone kondensatorer som ikke kan lagre og sende tilbake energi.

Alternative roterende energilagringsløsninger

All energilagring som roterer kan legge til treghet i nettet. Så, utover svinghjul, er også andre alternativer mulige.

For eksempel tilbyr oppstartsbedriften Cheesecake Energy en modulær, containerbasert pakke med komprimert luft‑energilagring. Varme generert av komprimeringen lagres i billig grus i varmelagringsbatterier, og komprimeringen utføres med ombygde gamle lastebilmotorer. Lagringen og regenereringen av kraft involverer også roterende metallakser, lik en konvensjonell generator.

Andre ikke‑kjemiske energilagringsformer finnes, som gravitasjonsbatterier, pumpet vannkraft, betonglagring, varmelagringsbatterier eller termisk solenergi, som vi utforsket i den dedikerte artikkelen «Ikke‑kjemiske alternativer til batterier for energiovergangen».

Skape et marked for netttreghet og frekvenskontroll

Hittil har treghet vært en slags «gratis tjeneste» levert av operatører av kraftverk med roterende generatorer. Eller mer presist, ble det antatt at dette var en del av tjenesten som betales for når energiselskaper kjøpte megawatt fra dem.

Endringer i energiproduksjon betyr at et mer eksplisitt marked for frekvensstabilisering bør opprettes for å stimulere leveringen av treghet.

Dette er noe som blir pionert av land med små isolerte nett, som de baltiske statene.

Med lanseringen av frekvensmarkedet av Litgrid (Litauen), Augstsprieguma tīkls (Latvia) og Elering (Estland) kan strømprodusenter legge inn bud hver morgen for påfølgende dag, og angi hvor mye energi de er villige til å holde i reserve.

Prisen er omtrent 0,5 cent per kilowattime, noe som tilsvarer omtrent €1 per måned for en husholdningsforbruker.

Topputfordringer som bremser globale oppgraderinger av strømnett

Manglende transformatorer truer modernisering av strømnett

Et av de mest fremtredende problemene med å forbedre nettet i dag er mangel på transformatorer. Tiår med underinvestering i nettinfrastruktur har ført til at ikke bare nytt utstyr er nødvendig for å håndtere økt forbruk, men også for å erstatte aldrende transformatorer.

Kilde: Utility Dive

En økning i skader fra orkaner og skogbranner hjalp heller ikke.

Den ekstra etterspørselen møter også leveringsproblemer, da spesialelektrisk stål, som er avgjørende for å redusere transformatorers energitap, fortsatt er dyrt og vanskelig å skaffe.

“Levering av en ny transformator bestilt i dag kan ta opptil tre år. For fem år siden var ventetiden fire til seks uker.”

Peter Ferrell – National Association of Electrical Manufacturers, eller NEMA, direktør for offentlige relasjoner

Kobbermangel kan hindre fornybare energinett

Et annet problem som kan bremse oppgraderingene av nettet er mangel på naturressurser. Mens litium og andre mineraler til batterier kan være i tilstrekkelig forsyning, er det uklart om global kobberproduksjon er høy nok, spesielt ettersom elbiler og andre teknologier viktige for elektrifisering øker forbruket også.

Og å endre retningen på kobberforsyningen kan være svært langsomt, med forventning om at mangelen vil vedvare i flere år.

Etterspørselen kunne dekkes ved å åpne tre «tier‑one» gruver (hver med en årlig kapasitet på 300 000 metriske tonn) hvert år i de neste 29 årene, noe som ville representere en historisk ekspansjon for industrien, med en kostnad på over $500 milliarder.

Regulatoriske godkjenninger for nye kobbergruver er på en nedadgående trend, og har falt til det laveste nivået på 15 år. Dette er spesielt bekymringsfullt, gitt at gruver kan ta 10 til 20 år å godkjenne og utvikle”

Kilde: International Energy Forum

Toll på nettkomponenter kan forsinke oppgraderinger i USA

For USA spesielt er det mulig at handelskriger og tollsatser kan komme i veien for å levere utstyret landet trenger.

I 2024 eksporterte Kina for $46,5 milliarder i elektriske transformatorer, og var det 9. mest eksporterte produktet (av 1 211) i Kina, med USA som hoveddestinasjon (handel verdt $4,66 milliarder).

Tilsvarende blir batterier og andre elektroniske og kraftkomponenter sannsynligvis delvis levert av kinesiske firmaer og vil trenge alternative leverandører.

Til slutt bruker de fleste langdistansestrømlinjer aluminium, som også var underlagt spesielle 25 % tollsatser i år. Dette kan øke prosjektkostnadene og forsinke de sårt trengte oppgraderingene av landets kraftinfrastruktur.

Konklusjon: Bygge et robust strømnett for en grønn fremtid

Å bygge om strømnettet for å håndtere overgangen til fornybar energi er en ganske skremmende oppgave. Ved å redusere betydningen av gasturbiner og andre fossile kraftverk, fjerner energiovergangen også en viktig kilde til frekvensstabilitet, samtidig som kraftproduksjonen blir mer intermittente.

Parallelt betyr elektrifisering at strømnett er mer belastet enn noen gang av en stadig økende etterspørsel etter transport, oppvarming og industriell aktivitet.

Grønn energi er sannsynligvis løsningen på problemet den forårsaker. Batteripakker, som allerede trengs i massive størrelser for å balansere produksjonsintermittens, vil sannsynligvis bli den viktigste leverandøren av frekvensstabilitet. Solkraftverk‑invertere vil også sannsynligvis bli mobilisert for denne oppgaven.

Samtidig vil andre teknologier som komprimert luft, svinghjul og synkrone kondensatorer også sannsynligvis bidra.

På kort sikt vil utilstrekkelig produksjon av transformatorer og den spesielle stålkvaliteten de krever hindre nettforbedringer. På lengre sikt vil evnen til å belønne leverandører av frekvensstabilitet på riktig måte, den politiske viljen til å forbedre strømnettet, og en jevn forsyning av energilagringsløsninger være nøkkelfaktorene i en vellykket energiovergang.

Investere i strømnettet

GE Vernova

GE Vernova (GEV ) er resultatet av delingen av det gigantiske konglomeratet GE i 2024 i GE Aerospace (GE ), GE HealthCare og GE Vernova, med Vernova i energisegmentet.

I den forbindelse gjør dette GE Vernova til den direkte arvtakeren av det 130 år gamle originale kjernen i General Electric (GE.TO ) -selskapet.

Med for tiden 75 000 ansatte i over 100 land, har selskapet produsert 55 000 vindmøller og 7 000 gasturbiner, og bidrar til å generere omtrent 25 % av verdens elektrisitet.

Det er til stede på alle nivåer av elektrisitetsproduksjon og distribusjon, spesielt i turbinrelaterte segmenter som vind, vannkraft og kjernekraft, men også i strømnettet, hvor det har prosjekter til en verdi av $16 milliarder i backlog.

Kilde: GE Vernova

Selskapet ser at etterspørselen etter elektrisitet vil dobles innen 2040, med 4 billioner dollar nødvendig for å erstatte kullkraftverk, noe som representerer en enorm mulighet for produsenter av elektrisk utstyr.

Kilde: GE Vernova

GE er en nær partner til mange av verdens største energiselskaper, inkludert franske Engie, amerikanske Duke Energy (DUK ), og Southern Company (SOT.DE ) (SO ), tyske RWE, spanske Iberdrola, Taiwan Power Company osv.

Når det gjelder nettløsninger og elektrifisering, leverer GE Vernova batteri‑energilagringssystemer, synkrone kondensatorer, pumpekraftverk (PSPP), ovne‑elektrifisering, termisk lagring, sol‑invertere, hydrogenkompressorer osv.

Kilde: GE Vernova

GE Vernova er også en kraftsentral innen energirelatert FoU ($1 milliard i årlig FoU‑budsjett), spesielt med karbonfangst, HVDC‑kabler, hydrogen‑gasturbiner og et design for en liten modulær reaktor (SMR) i samarbeid med Hitachi.

Kilde: GE Vernova

Forsyningsproblemene og mangelen på industrielt utstyr i USA kan være en mulighet for selskapet, takket være en samlet global capex‑ og FoU‑investeringsplan på $9 milliarder gjennom 2028 for nye produksjonsanlegg. Dette inkluderer $50 millioner for neste generasjons kjernekraftstoffdesign, $300 millioner for gasskraft og LNG‑eksport, $600 millioner i amerikanske fabrikker innen 2026, osv.

På grunn av bredden i GE Vernova sin virksomhet, trenger investorer i selskapets aksje ikke å være sikre på hvilken teknologi som vil vinne energiovergangen de neste 5 eller 10 årene:

• Hvis naturgass forblir viktig, er GE Vernova allerede en stor aktør i segmentet.
• Hvis kjernekraft faktisk gjennomgår en renessanse, vil nuklearturbiner og SMR lykkes.
• Hvis hydrogen, vindkraft, pumpet vannkraft eller karbonfangst og -lagring blomstrer, vil GE Vernova kunne ta del av disse markedene også.

Så samlet sett er GE Vernova en god aksje å vurdere for investorer som er klar over den økende etterspørselen etter elektrisitet, behovet for et bedre nett, og er sikre på at GE vil være en del av svaret, enten det er med vannkraft, vind, kjernekraft eller nesten enhver annen energiform.

Siste om GE Vernova