Solenergiens tillväxt kräver ett smartare och mer motståndskraftigt elnät

Den globala övergången från fossila bränslen till solkraftsnät

I kölvattnet av elnätskollapsen på den iberiska halvön (Portugal och Spanien) ifrågasatte många vad som låg bakom händelsen. Och, precis som många saker idag, blev diskussionen snabbt politiserad, med solenergi anklagad för att vara orsaken till kraschen.

Källa: RNZ

Och det kan delvis vara sant, åtminstone i viss utsträckning. Elnätet designades för decennier sedan med en centraliserad, fossila bränslen‑centrerad konstruktion byggd kring några få massiva kraftverk som kunde generera el på begäran.

Jämfört med detta fungerar ett decentraliserat och förnybart energiförsörjningssystem på många olika sätt. Allt eftersom solenergi blir billigare kommer den sannolikt att ta över en allt större del av den totala energiproduktionen. För närvarande står solenergi för 80 % av ny kraftproduktion som lagts till nätet, och vindkraft ytterligare 10 %.

Med 585 GW ny kapacitet stod förnybara energikällor för över 90 % av den totala kraftutbyggnaden globalt år 2024.

Sol‑ och vindenergi fortsatte att expandera mest, gemensamt ansvarade de för 96,6 % av alla nettoförnybara tillägg år 2024. Över tre fjärdedelar av kapacitetsökningen var i solenergi som ökade med 32,2 % till 1 865 GW, följt av vindenergi som växte med 11,1 %.

Källa: Irena

Så medan en grön, förnyelsebaserad kraftförsörjning verkar nära förestående, blir det avgörande att elnätet kan hantera den. Speciellt eftersom varje elnätsfel, som det senaste, om det verkligen orsakades av solenergi, skulle bromsa antagandet av solenergi och indirekt hålla koldioxidutsläppen höga längre.

Hur elnät fungerar och varför de fallerar

Ett nyckelelement att förstå om elnätets betydelse och svårigheterna att hålla det i drift är att elektricitet är mycket svårt att lagra.

Teoretiskt sett är det vad batterier gör, men ett lands elnät hanterar kraftnivåer flera storleksordningar över vad även de största batterianläggningarna kan lagra.

Så för närvarande måste kraft produceras i exakt samma mängd som den förbrukas, i realtid.

För att göra denna svåra uppgift ännu svårare måste kraft också levereras till rätt plats och vid rätt tid. Till exempel hjälper inte solkraft som genereras i Nevada Kansas‑nätet om den inte är ansluten med tillräckligt många kraftledningar. I Spaniens fall var sammankopplingarna med det franska elnätet inte tillräckligt stora för att rädda det från lokala problem.

Källa: ResearchGate

Slutligen måste spänningsnivåer justeras. Långdistansöverföring av kraft kan bara ske effektivt vid hög spänning, vilket kräver transformatorer för att höja spänningen innan elektriciteten förs in i kraftledningarna. Förbrukning måste ske vid lägre spänning, vilket också görs med transformatorer.

Källa: EIA

Spanska elnätsfel: Vad gick fel?

Frekvensproblem

Medan det sannolikt kommer att debatteras intensivt i månader och år vilka de grundläggande orsakerna till den iberiska nätkollapsen var, har vi några datapunkter som delvis kan indikera vad som hände.

Den första är att själva felpunkten inte handlade om över- eller underproduktion av kraft, utan om elnätets elektriska frekvens.

Frekvensen är en teknisk egenskap hos nätet, bestämd av växelströmmens oscillation.

Källa: Wikipedia

Olika elnät har olika standardfrekvenser, vilket gör dem inkompatibla med varandra. Till exempel har de baltiska staterna nyligen bytt till den europeiska frekvensen, efter årtionden av att ha behållit den frekvens som ärvdes från Sovjetunionen.

Om frekvensen avviker för mycket från standarden kan den bokstavligen förstöra transformatorer och annan högspänningsutrustning, liksom konsumenternas apparater. Det finns många inbyggda mekanismer i elektriska enheter som automatiskt kopplar bort om frekvensen fluktuerar för kraftigt.

Orsakade solenergi det spanska nätfelet?

Nätfrekvensen stabiliserades tidigare av den fysiska rotationen hos massiva generatorer, vanligtvis drivna av fossila bränslen, men också av vattenkraft och kärnkraftverk. Detta gav nätet mycket tröghet, vilket gjorde det svårt för frekvensen att avvika mycket från de avsedda nivåerna. Solenergi genererar däremot ingen sådan tröghet.

Källa: SmartGrid

Det är alltså inte så mycket att solenergi skapade kraschen, utan att dess avsaknad av tröghet inte hjälpte till att stabilisera nätfrekvensen, vilket var en nyckelfaktor i kraschen.

Med den kontinuerliga ökningen av integrationen av förnybara källor, vilket reflekteras av många länder, såsom Indien, som planerar att utnyttja de rikligt tillgängliga förnybara resurserna, kommer den minskade nättrögheten att bli ett ständigt problem och väcker frågan om hantering i nätet som också innehåller konventionell produktion.

Det förklarar dock inte varför frekvensen fluktuerade från början. Förutom bristen på tröghet, som kan kopplas till solenergi, verkar vissa dåliga rutiner och gamla konstruktioner också ha bidragit till den iberiska nätkraschen genom att göra den sårbar för vad nätoperatören beskrev som ett “extremt sällsynt väderfenomen”.

Uppgradering av elnät för en förnybar framtid

Eftersom äldre konstruktioner av transformatorer, kraftledningar och annan infrastruktur är den vanligaste orsaken till avbrott, är det logiskt att det första steget för att förbättra elnätet är att uppgradera utrustningen.

Ett steg framåt är de så kallade smarta näten, som övervakar mycket närmare vad som händer på varje nivå i elnätet i realtid, istället för en mer generell analys. Detta inkluderar även många individuella automatiska system.

På så sätt kan en frekvensfluktuation som är lokaliserad i ett specifikt område, på grund av ett väderfenomen till exempel, isoleras från resten av nätet omedelbart innan problemet sprider sig vidare.

Förbättringar av kraftledningarna kan också hjälpa. Ett tätare kraftnät möjliggör omdirigering av kraft från en region till en annan och minskar känsligheten för en enskild felpunkt. Bättre isolering eller nedgrävda kraftledningar kan också skydda dem mot stormar, snö & frost, skogsbränder med mera.

Fler anslutningar mellan avlägsna regioner kan också hjälpa till att jämna ut fluktuationer i kraftproduktion från ett soligt område till ett annat. Detta kräver generellt dedikerad infrastruktur för ultralångdistans krafttransport, något som Kina är global ledare inom, med sitt ”supergrid” som använder ultrahögspänning (UHV) AC‑ och DC‑ledningar, redan med 30 000 km UHV‑ledningar (18 600 miles).

Källa: IEEE

Det är sannolikt att liknande transkontinentala anslutningar också måste byggas i Europa och Nordamerika, till exempel mellan Spanien och Nordeuropa, eller mellan östra och västra USA, där många oberoende nät ännu inte är så sammankopplade.

I det avseendet är det sannolikt ingen slump att de värsta nätavbrotten de senaste åren inträffade i Texas och Spanien, båda relativt små och isolerade nät.

Källa: ASME

Slutligen, när elektrifieringen blir den dominerande trenden inom transport, uppvärmning och industriella processer, behövs mer kraftöverföringskapacitet totalt för att hantera den växande efterfrågan som rör sig bort från kol, olja och gas. Detta kräver inte en förändring i design eller ny teknik, utan mer investering för att bygga fler kraftledningar.

Stabilisering av nätfrekvens i förnybara energisystem

Batterilagring och virtuell tröghet i elnät

Medan smarta nät är en del av svaret, kommer de främst att minska exponeringen för miljöeffekter och begränsa fel till mindre, mer hanterbara områden än ett landsomfattande haveri.

För att undvika haverier från början, särskilt när tröghetsfri solkraft blir den primära elkälla, behövs andra lösningar.

Storskalig batterilagring (LSBS) kan ge viss hjälp. Dessa batterier kommer i alla fall att behövas för ett mestadels förnyelsebaserat energisystem, eftersom solpaneler inte producerar energi på kvällen när efterfrågan är som högst.

De kan också tillhandahålla frekvenströghet, dock på ett annat sätt än traditionella stora roterande generatorer. Tröghet från batterier kallas virtuell tröghet, eller syntetisk, simulerad eller digital tröghet.

När störningar utanför den normala frekvensen upptäcks, trycker FFR tillbaka nätfrekvensen till dess normala driftsintervall genom att snabbt injicera eller dra kraft från nätet.

Virtuell tröghet kan svara ännu snabbare än traditionella generatorer på instabilitet i frekvensen, på mindre än 2 sekunder.

Detta är en tjänst som först erbjöds kommersiellt 2022 av batterianläggningar byggda av Tesla (TSLA ).

Det stora batteriet kan leverera ~2 000 “megawattsekunder” (MWs) av en tröghetsekvivalens för att hjälpa hålla nätet stabilt. Det gör det via Teslas Virtual Machine Mode‑tjänst. Det kommer kunna leverera ~15 % av Sydaustraliens tröghetsunderskott.

Kan solpaneler hjälpa till att stabilisera nätfrekvensen?

Enligt sig själva ger solpaneler ingen tröghet, eftersom det saknas fysisk rotation och kinetisk energi. Men de kan användas på sätt som ger stöd till nätet också.

Till exempel har solprojekt traditionellt designats och incitamenterats för att maximera produktionen hela tiden. Men genom att behålla någon reservgenereringskapacitet kan de tillhandahålla den vid en frekvensnedgång.

Detta är mycket enkelt att göra tekniskt och har mer att göra med hur solkraftverk kompenseras av elbolag och nätoperatörer.

En mindre skala av energilagring på solkraftverksnivå kan på liknande sätt användas för att absorbera små spikar i kraft och en ökning i frekvens. Nätoperatören skulle kunna avsätta en specifik mängd generation för lagring och göra den tillgänglig för omedelbar utsläppning om frekvensen sjunker.

Samma metod kan användas med inverterarna kopplade till solpanelerna. En anläggningskontroller kan teoretiskt överstyra inverterkontrollerna under en kort tidsram för att stoppa en frekvensnedgång, ”köra den varmt”, men under den nivå där fysisk skada skulle uppstå på inverterarna.

I det scenariot skulle varje solpanelinverter fungera som en mini‑stabilisator och tillhandahålla ytterligare virtuell tröghet.

Återställning av nättröghet med mekaniska roterande lösningar

Om tröghet behövs, och traditionellt tillhandahålls av att snurra hundratals ton metall i hög hastighet, kan lösningen på för lite tröghet vara just det.

Vissa enheter och energilagringsformer är av roterande typ: synkrona kondensorer och svänghjul.

Synkrona kondensorer: Tillför tröghet till elnät

Synkrona kondensorer är likströmsmotorer vars axlar inte är kopplade till något annat utan snurrar fritt. De genererar eller förbrukar ingen kraft, utan justerar förhållandena på elöverföringsnätet.

De är faktiskt ett mycket bra alternativ för att tillföra tröghet till nätet, men erbjuder väldigt få andra tjänster. Så om många av dem måste läggas till blir det en extra kostnad, vilket delvis motverkar framstegen i att sänka priset på förnybar energi.

Kondensorer är också mycket viktiga för att starta om ett kraschat nät, eftersom de ger den tröghet som behövs när lite kraft finns i nätet. De kan också hjälpa till att absorbera överladdning i nätet i flera sekunder, vilket minskar risken för kortslutning.

Svänghjulsenergilagring för nätstabilitet

Svänghjul är ett annat intressant alternativ. Dessa roterande skivor är i princip roterande batterier som lagrar energi i en mekanisk form istället för en kemisk.

De roterar i vakuum på ett magnetiskt lager, med hastigheter så höga som 20 000 till 50 000 varv per minut. Systemet lagrar eller återger energi genom att accelerera eller bromsa svänghjulet.

Källa: Stornetic

Genom att naturligt tillhandahålla ”verklig” tröghet, istället för virtuell tröghet, kan ett svänghjul vara ett bra alternativ att lägga till bland de ”batterier” som behövs för gröna nät, och samtidigt leverera både frekvenströghet och energilagring. Detta placerar dem över enklare synkrona kondensorer som inte kan lagra och återge energi.

Alternativa roterande energilagringslösningar

Alla energilagringssystem som snurrar kan tillföra tröghet till nätet. Så, förutom svänghjul, finns även andra möjligheter.

Till exempel erbjuder startupen Cheesecake Energy ett modulärt, containeriserat paket för lagring av tryckluft. Värmen som genereras av kompressionen lagras i billig grus i värmebatterier, och kompressionen sker med återanvända gamla lastbilsmotorer. Lagringen och återgenereringen av kraft involverar också roterande metallaxlar, likt en konventionell generator.

Andra icke‑kemiska energilagringsformer finns, såsom gravitationsbatterier, pumpkraftverk, betonglagring, värmebatterier eller termisk solenergi, som vi utforskade i den dedikerade artikeln “Icke‑kemiska alternativ till batterier för energitransitionen”.

Skapa en marknad för nättröghet och frekvenskontroll

Hittills har tröghet varit en slags ”gratis tjänst” som levererats av operatörer av kraftverk med roterande generatorer. Eller mer exakt, så antogs att detta var en del av den tjänst som betalades för när elbolag köpte megawatt från dem.

Förändringar i energiproduktion innebär att en mer explicit marknad för frekvensstabilisering bör skapas för att stimulera tillhandahållandet av tröghet.

Detta är något som pionjäras av länder med små isolerade nät, som de baltiska staterna.

Med lanseringen av frekvensmarknaden av Litgrid (Litauen), Augstsprieguma tīkls (Lettland) och Elering (Estland) kan elproducenter lämna bud varje morgon för nästa dag, och ange hur mycket energi de är villiga att hålla i reserv.

Priset är cirka 0,5 cent per kilowattimme, vilket motsvarar ungefär €1 per månad för en hushållskonsument.

Största utmaningarna som bromsar globala elnätsuppgraderingar

Transformatorbrist hotar nätmodernisering

En av de mest framträdande frågorna i dagens nätförbättring är bristen på transformatorer. Decennier av underinvestering i nätinfrastruktur har lett till en situation där inte bara ny utrustning behövs för att hantera ökad förbrukning, utan även för att ersätta åldrande transformatorer.

Källa: Utility Dive

En ökning av skador från orkaner och skogsbränder hjälpte inte heller.

Den extra efterfrågan möter också leveransproblem, eftersom speciellt elektriskt stål, som är vitalt för att minska transformatorns energiförluster, förblir dyrt och svårt att få tag på.

“Leverans av en ny transformator som beställs idag kan ta upp till tre år. För fem år sedan var väntetiden fyra till sex veckor.”

Peter Ferrell – National Association of Electrical Manufacturers, eller NEMA, Director of Government Relations

Kopparbrist kan hindra förnybara energinät

En annan fråga som kan sakta ner nätuppgraderingarna är brist på naturresurser. Medan litium och andra mineraler för batterier kan finnas i tillräcklig mängd, är det oklart om den globala kopparproduktionen är tillräcklig, särskilt eftersom elbilar och annan teknik som är viktig för elektrifieringen ökar konsumtionen också.

Och att vända trenden för kopparförsörjning kan vara mycket långsam, med bristen förväntad att bestå i åratal.

“Efterfrågan skulle kunna mötas genom att öppna tre ‘tier‑one’-gruvor (varje med en årlig kapacitet på 300 000 ton) varje år under de kommande 29 åren, vilket skulle innebära en historisk expansion för branschen, med en kostnad på över 500 mdollar.

Regulatoriska godkännanden för nya koppargruvor är på en nedåtgående trend och har fallit till den lägsta nivån på 15 år. Detta är särskilt oroande, med tanke på att gruvor kan ta 10 till 20 år att godkänna och utveckla”

Källa: International Energy Forum

Tariffer på nätkomponenter kan fördröja USA:s uppgraderingar

För USA specifikt är det möjligt att handelstvister och tariffer kan stå i vägen för leveransen av den utrustning som behövs.

År 2024 exporterade Kina 46,5 mdollar i elektriska transformatorer, vilket var den 9:e mest exporterade produkten (av 1 211) i Kina, med USA som huvuddestination (4,66 mdollar i handel).

På liknande sätt levereras batterier och andra elektroniska och kraftkomponenter sannolikt delvis av kinesiska företag och kommer att behöva alternativa leverantörer.

Slutligen använder de flesta långdistanskraftledningar aluminium, vilket också var föremål för speciella 25 %‑tariffer i år. Detta kan öka projektkostnaderna och fördröja de mycket behövda uppgraderingarna av landets kraftinfrastruktur.

Slutsats: Bygga ett motståndskraftigt nät för en grön framtid

Att återuppbygga elnätet för att hantera övergången till förnybar energi är en ganska skrämmande uppgift. Genom att minska betydelsen av gasturbiner och andra fossila kraftverk tar energitransitionen också bort en viktig källa till frekvensstabilitet, samtidigt som elproduktionen blir mer intermittent.

Samtidigt innebär elektrifieringen att elnäten är mer belastade än någonsin av en ständigt ökande efterfrågan för transport, uppvärmning och industriell verksamhet.

Grön energi är sannolikt lösningen på problemet den själv orsakar. Batteripaket, redan nödvändiga i massiva storlekar för att balansera produktionsintermittens, kommer sannolikt att bli den främsta leverantören av frekvensstabilitet. Solkraftverkens invertrar kommer också sannolikt att mobiliseras för denna uppgift.

Samtidigt kommer andra teknologier som tryckluft, svänghjul och synkrona kondensorer också sannolikt att hjälpa.

På kort sikt kommer otillräcklig produktion av transformatorer och den speciella stålkvalitet de kräver att hindra nätförbättringar. På längre sikt kommer förmågan att korrekt belöna leverantörer av frekvensstabilitet, den politiska viljan att förbättra elnätet och en stadig tillgång på energilagringslösningar att vara nyckelfaktorer för en lyckad energitransition.

Investera i elnätet

GE Vernova

GE Vernova (GEV ) är resultatet av uppdelningen av det gigantiska konglomeratet GE år 2024 i GE Aerospace (GE ), GE HealthCare och GE Vernova, där Vernova är inom energisegmentet.

I det avseendet gör detta GE Vernova till den direkta arvtagaren av det 130 år gamla ursprungliga kärnan i General Electric (GE.TO ) ‑företaget.

Med för närvarande 75 000 anställda i över 100 länder har företaget producerat 55 000 vindkraftverk och 7 000 gasturbiner, vilket hjälper till att generera ungefär 25 % av världens el.

Det är närvarande på alla nivåer av elproduktion och distribution, särskilt i turbinnedelarna som vind, vatten och kärnkraft, men också i elnätet, där det har projekt i backlog på 16 mdollar.

Källa: GE Vernova

Företaget ser att efterfrågan på el kommer att fördubblas till 2040, med 4 triljoner dollar som behövs för att ersätta kolkraftverk, vilket representerar en massiv möjlighet för tillverkare av elektrisk utrustning.

Källa: GE Vernova

GE är en nära partner till många av världens största elbolag, inklusive franska Engie, amerikanska Duke Energy (DUK ), och Southern Company (SOT.DE ) (SO ), tyska RWE, spanska Iberdrola, Taiwan Power Company med mera.

Vad gäller nätlösningar och elektrifiering tillhandahåller GE Vernova batterilagringssystem, synkrona kondensorer, pumpkraftverk (PSPP), ugnselektrifiering, termisk lagring, solinvertrar, vätgas kompressorer, med mera.

Källa: GE Vernova

GE Vernova är också en kraftspelare inom energirelaterad F&U (1 mdollar i årlig F&U‑budget), särskilt med koldioxidinfångning, HVDC‑kablar, vätgasgasturbiner och en liten modulär reaktor (SMR)‑design i samarbete med Hitachi.

Källa: GE Vernova

Leveransproblem och brist på industriell utrustning i USA kan vara en möjlighet för företaget, tack vare en kumulativ global CAPEX‑ och F&U‑investering på 9 mdollar fram till 2028 för nya produktionsanläggningar. Detta inkluderar 50 M$ för nästa generations kärnbränsledesign, 300 M$ för gaskraft och LNG‑export, 600 M$ i amerikanska fabriker till 2026, med mera.

På grund av bredden i GE Vernovas verksamhet behöver investerare i företagets aktie inte vara säkra på vilken teknik som kommer att vinna energitransitionen de kommande 5‑10 åren:

• Om naturgas förblir viktig är GE Vernova redan en stor aktör i segmentet.
• Om kärnkraft verkligen får en renässans, kommer kärnkraftsturbiner och SMR att lyckas.
• Om vätgas, vindkraft, pumpkraft eller koldioxidinfångning & lagring blomstrar, kommer GE Vernova också kunna ta del av dessa marknader.

Så totalt sett är GE Vernova en bra aktie att överväga för investerare som är medvetna om den växande elefterfrågan, behovet av ett bättre nät, och som är övertygade om att GE kommer vara en del av svaret, vare sig det gäller vattenkraft, vind, kärnkraft eller nästan någon annan energiform.

Senaste om GE Vernova