Att fånga vinden – vår tids energiutmaning

Vi använder gärna uttrycket "som en flyktig sommarbris" – vinden är svår att fånga in. Solen alstrar vindarna på vår planet och ger oss därmed två källor till förnybar energi, genom direkt solstrålning och genom atmosfärens rörelser till följd av temperatur- och tryckskillnader.

Svårigheten för alla som vill ersätta fossila energikällor med grön energi är att kunna lagra och distribuera kraften dygnet runt och året runt.

Vi kan tvingas att använda baskraft från vattenkraftverk, kraftverk eldade med biobränsle, kärnkraftverk eller i sämsta fall kol- och oljeeldade kraftverk för att stöda den utsläppsfria energiproduktionen då det inte blåser eller solen befinner sig under horisonten.

Ett stort skifte inom energipolitiken

Att lösa denna utmaning är en del av ett mycket större skifte inom energipolitiken.

Med vind- och solkraft skapar vi lokala energikluster, som inte är beroende av de stora nationella näten och av storskaliga och därmed sårbara produktionsanläggningar.

Vi frikopplar därmed en viktig del av den nationella infrastrukturen från de nuvarande aktörerna och tar själva makten över vår el- och värmeproduktion, precis som förut när varje gård hade sin egen vedpanna.

Het energidiskussion i Sverige

I Sverige går energidiskussionen het mellan kärnkraftsanhängare och vindkraftsförespråkare, medan biokraftsbranschen har hamnat i kläm.

Det som man dock är ense om är att de fossila bränslenas tid är förbi, för alltid. Vindkraftens andel av den totala energimixen överstiger redan 17 procent, mer än 28 terawattimmar. Solenergins andel är 1,1 terawattimmar, 0,6 procent.

Vår tids oljeborrtorn

När man färdas på västkusten och i Österbotten idag ser man vår tids motsvarighet till oljeborrtornen i Texas under första halvan av nittonhundratalet.

Hundratals vindkraftverk alstrar elektrisk energi, som motsvarar behovet för tusentals hus och lägenheter. Vid sidan av dessa vindturbiner i industriell skala växer en helt ny sektor fram – småskaliga vindturbiner för lokala behov.

Dessa finns från någon kilowatts effekt för sommarstugor och egnahemshus upp till hundratals kilowatt för industrier eller sammanslutningar som byalag. I den nedre ändan av effektskalan finns vertikalaxlade vindturbiner, som påminner om roterande mobilmaster och som genererar el vid låga vindhastigheter utan att skapa oljud eller utgöra en risk för fåglar.

Lokala lågspänningsnät i Sverige

I Sverige är det sedan den 18 november i fjol möjligt att bygga lokala lågspänningsnät – tidigare var det förbjudet att skicka egenproducerad ström över tomtgränsen.

Det här öppnar helt nya möjligheter för samverkan mellan mindre lokala aktörer. Fortfarande gäller dock regeln att produktion över 50 megawattimmar per år kräver koncession om man vill släppa ut el på regionala eller nationella nät.

Kriget i Ukraina, de stigande gaspriserna och därmed de fluktuerande priserna på elektricitet, har gett en rejäl skjuts åt planerna på lokala nätverk som är frikopplade från elnätet, så kallade off-grid-lösningar. För att detta skall bli en verklighet krävs att vind- och solenergin kan lagras.

I dag finns minst ett halvdussin möjligheter att spara grön förnybar energi. En förutsättning är att man kan ta tillvara överskottet av elektricitet när det finns för att sedan balansera upp nätet när underskott råder.

Elektrolys av vatten

Den teknik som växer snabbast i Sverige och ute i Europa är att strömmen används för elektrolys av vatten. Då får man vätgas, syrgas och värme.

I Sverige kräver Naturvårdsverket att värmen tas tillvara, till exempel i ett växthus eller för uppvärmning av en fastighet, innan man beviljar medel för att stöda investeringar i vätgasproduktion.

Vätgasen kan sedan trycksättas och sparas i princip i det oändliga eftersom den inte är känslig för vare sig tid eller temperatur.

För att återvinna energin matas vätgasen in i en bränslecell som alstrar elektricitet och värme när luft tillförs. Tekniken är känd sedan 1838 och är väl beprövad. Därmed kan man balansera elnätet då övrig effekttillförsel saknas.

Relativt hög investeringskostnad

Investeringskostnaden är relativt hög, men sedan kan man garantera ett stabilt elpris på cirka tre cent per kilowattimme under minst tio år – exklusive energiskatt.

Vätgasen kan också användas för drift i fordon med bränsleceller eller för fastigheters energibehov. Gasen kan transporteras på samma sätt som nuvarande fossila bränslen och kan snabbt tankas – en personbil fylls med vätgas på 2–3 minuter.

Det planerade finsk-svenska pipelinenätverket kring norra Bottenviken är en utmärkt distributionsmöjlighet för vätgas.

EU satsar 430 miljarder euro på projekt kring produktion, lagring och distribution av grön vätgas från förnybara energikällor, särskilt vindkraften.

Nackdelen med vätgas är att verkningsgraden är låg, mellan 60 och 70 procent. Ett kilogram vätgas ger cirka 30 kilowattimmar elektricitet och 8 kilowattimmar värme.

Höga kostnader och kortare livslängd

Det andra vanliga alternativet, batterier, har en högre verkningsgrad, upp mot 95 procent av den energi som lagras kan återvinnas. Nackdelen är hög vikt, höga kostnader, kortare livslängd och energiförluster över tid och i både låga och höga temperaturer. Återvinningen av vissa batterier är också problematisk.

Men, det finns fler alternativ. Så kallad potentiallagring innebär att man använder elöverskottet till att pumpa upp vatten på en kulle eller i ett vattentorn. När el behövs låter man vatten strömma ner genom en turbin – ett minivattenkraftverk.

Saltbatterier är en annan energiform, som utvecklas bland annat av svenska och danska företag. Elektriciteten används för att smälta saltkristaller, som när de kristalliseras på nytt avger energi. Metoden lämpar sig närmast för storskalig balansering av elnätet.

El i form av varmvatten

Elektriciteten kan också sparas i form av varmvatten – det uppvärmda vattnet förvaras i isolerade tankar och via värmeväxlare kan man utnyttja den lagrade energin i form av elektricitet. Detta kan kompletteras med spillvärme från andra källor, till exempel cellulosatillverkning.

Ny teknik finns också bakom nästa dörr. I ett samarbete mellan Aaltouniversitet och Umeå Universitet håller man på att ta fram ny teknik för vätgasproduktion utan dyra och sällsynta katalysatormetaller. Dessutom är elektrolysören mer effektiv än de nuvarande, men vi får vänta några år på att den blir verklighet.

I Göteborg har forskare vid Chalmers tekniska högskola utvecklat teknik att spara energi i form av polymera molekyler som man omvandlar till en annan struktur. När energi ska återvinnas återgår molekylen till sin ursprungsform.

Denna typ av batterier är mycket lovande för mindre energibehov i stället för batterier, men den kanske aldrig blir aktuell för att spara energi från vindturbiner.

Komplettering med solpaneler

För att vi ska komma vidare med lagring av vindalstrad energi måste vi skapa system där den kompletteras med elektricitet från solpaneler.

Annars blir självförsörjningsgraden för låg för att investeringen skall rättfärdigas ur ekonomisk synpunkt.

När man börjar blanda växelström från vindturbiner med likström från solpaneler och styr över en del till lokala eller regionala nätverk och en del till elektrolysörer eller andra lagringslternativ krävs en mycket avancerad styrning.

I dag finns system som klarar omkopplingen på tio millisekunder, det vill säga en hundradels sekund. Det är en delikat utmaning för ingenjörerna att hela tiden se till att det råder balans i vår nya lokala energiförsörjning, att lampor inte blinkar, att pumpar och fläktar inte stannas, att datorer inte tappar minnet.

Stora affärsmöjligheter

Här tror jag att vi kan se mycket stora affärsmöjligheter för företag som i dag är inne på styrsystem för olika industriella tillämpningar. Och i övrigt ser jag att vi på lokal och regional nivå med hjälp av vindkraft och olika lagringsalternativ kan minska vår sårbarhet och reducera känsligheten för prisvariationer på elektricitet till följd av internationella svängningar i energipriserna.

Här kan du läsa fler kolumner av Kjell Skoglund.