Scenarioanalys över Sveriges elproduktion år 2050

Transkript

1 UPTEC-ES12028 Examensarbete 30 hp September 2012 Scenarioanalys över Sveriges elproduktion år 2050 Kan Sverige försörja sig med 100 % förnybar elproduktion? Ida Adolfsson

2 Abstract Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box Uppsala Telefon: Telefax: Hemsida: Scenarioanalys över Sveriges elproduktion år Kan Sverige försörja sig med 100 % förnybar elproduktion? Analysis of the Swedish electricity production Can Sweden provide 100% domestic renewable electricity to cover the demand in 2050? Ida Adolfsson The aim of this report was to investigate if Sweden can have 100 % renewable electricity production in the year The conclusion is that it is possible but under certain conditions. For instance wave power must be in commercial use. When wind power and solar power represent a large percentage of the electric production there will be a lack of electric power during the winter but during the summer there will be a surplus of electric power. Both the surplus and the lack of electric power need to be taken into account. Two possible ways to handle this are by demand side management and to have good transmissions capacity to other countries. Both ways have their benefits and disadvantages and more studies need to investigate if those ways can manage the surplus and the lack of electric power. Handledare: Fredrik Martinsson Ämnesgranskare: Mikael Höök Examinator: Kjell Pernestål ISSN: , UPTEC ES12028

3 IVL Scenarioanalys över Sveriges elproduktion år 2050 Kan Sverige försörja sig med 100 % förnybar elproduktion? Ida Adolfsson

4 Abstract The aim of this report was to investigate if Sweden can have 100 % renewable electricity production in the year The conclusion is that it is possible but under certain conditions. For instance wave power must be in commercial use. When wind power and solar power represent a large percentage of the electric production there will be a lack of electric power during the winter but during the summer there will be a surplus of electric power. Both the surplus and the lack of electric power need to be taken into account. Two possible ways to handle this are by demand side management and to have good transmissions capacity to other countries. Both ways have their benefits and disadvantages and more studies need to investigate if those ways can manage the surplus and the lack of electric power. 2

5 Sammanfattning Ett av Sveriges klimatmål är att år 2050 ska Sverige inte ha några netto-emissioner av växthusgaser. Rapporten Swedish long-term low carbon scenario visar hur väl Sverige kan uppnå målet. I rapporten antas att Sveriges elförbrukning år 2050 kommer vara 160 TWh och 75 TWh av dessa var inte specificerad i detalj. Syftet med denna rapport är att undersöka hur dessa 75 TWh skulle kunna produceras år De energikällor som har undersökts är: kärnkraft, vindkraft, solceller, vågkraft, småskalig vattenkraft och strömkraftverk. Övriga energikällor som vattenkraft och kraftvärme var redan specificerade i Swedish long-term low carbon scenario och därför har inte studeras djupare. Syftet med denna rapport har bestått av tre delar, där den första delen är en litteraturstudie över olika scenariometodiker och utifrån litteraturstudien väljs en metod ut för att kunna genomföra scenarioanalysen Sveriges elproduktion år I scenarioanalysen har olika elproduktionsmixer tagits fram och även studerats vilka krav och möjligheter som behövs för att ha ett elsystem när elproduktionen är 100 % förnyelsebart. Den sista delen bestod av att utvärdera programvaran LEAP, Long Energy Alternatives Planing System som användas i scenarioanalysen. Det finns olika sätt att klassificera och indela olika typer av scenarier. Ofta används de tre huvudkategorier prediktiva, explorativa och normativa. (Börjesson, 2006) Varje kategori står för olika syften och varje kategori har en fråga som ska besvaras. Prediktiva scenarier svarar på frågan: Vad kommer att hända? Explorativa svarar på frågan: Vad kan hända? Medan normativa svarar på frågan: Hur ska ett visst mål uppnås? Sveriges elproduktion år 2050 var ett normativt scenario eftersom målet med scenarioanalysen var att se om Sverige kan ha en 100 % förnybar elproduktion. Resultatet visar att det är möjligt men under vissa förutsättningar. En viktig förutsättning är att vågkraft och strömkraft finns i kommersiellt bruk. Andra förutsättningar är att laststyrning och bra överföringskapaciteter till andra länder måste finnas. När elproduktionen består till 100 % förnybart kommer det vara eleffektbrist under vintern men eleffektöverskott under sommaren för att solceller producerar maximalt samtidigt som elbehovet är som lägst. Laststyrning innebär att elkonsumenter styr sin elförbrukning från perioder med eleffektbrist till perioder med eleffektöverskott. Ett annat sätt är att importera eleffekt från grannländerna när det är eleffektbrist i Sverige och visa versa. Centrala och södra Europas elbehov är det motsatta till det svenska. De har eleffektbrist under sommaren och eleffektöverskott under vintern. Genom att förstärka överföringskapaciteten med 1 GW till andra länder kan alla dagar tillgodoses med hjälp av import år LEAP, Long-range energy alternative planning system, är ett simuleringsprogram som används för scenarioanalyser med ett tidsintervall på 25 till 50 år. LEAP är en programvara som är väldigt flexibel. Den kan bygga upp nästan alla typer av scenarier. Det är en användarvänlig programvara och lämpar sig även i utlärningssyfte om energisystemets 3

6 utveckling. En nackdel är att det blir för flexibelt så att vissa noggrannheter har bort prioriterade. Till exempel kan inte export eller import vara varierande. En annan teknisk nackdel med programvaran är att den inte klara av att hantera produktionsvariationer på timbasis. Ordlista Effektbrist Energibrist LEAP Kausala samband Normalår Systemstruktur Teknisk potential VSV Utnyttjandegrad Uppstår när elbehovet är större än produktionen Uppstår om effektbrist har var under en längre tid Long Range Energy Alternative Planing System Ett samband som bygger på orsak och verkan förhållanden Medelårsvärdet för elproduktion Beskiver hur systemet är uppbyggt Andelen energi som en produktionskälla kan producera om alla möjliga platser byggs ut Vindkraft, solceller och vågkraft Kvoten mellan producerad energi och maximalt producerad energi 4

7 Innehållsförteckning 1 Inledning Bakgrund Mål Metod Antaganden och begränsningar 8 2 Litteraturstudie Scenariometodik Prediktiva scenarier Vad kommer att hända? Explorativa scenarier Vad kan hända? Normativa scenarier- Hur kan ett visst mål uppnås? Genomförandefaser Inventeringsfasen Modellering och simulering Utvärdering av resultatet Modelleringsprogram Long range Energy Alternative Planning, LEAP Markal/Time MiniCam Exempel på olika scenarier World energy outlook 2011,WEO Energy technology perspectives, ETP Sveriges energiförsörjning år Slutsatser av litteraturstudien 15 3 Inventering Sveriges elsystem idag Sveriges elproduktionsmix Vattenkraft Kärnkraft Vindkraft Andra förnybara energikällor Balansering av elproduktion och elförbrukning Möjligheter och utmaningar för framtida elsystem Laststyrning Energilager Transmissionsledningar Scenarioanalys: Sveriges elproduktion år Teknisk potential Utnyttjandegrad 25 5

8 4.3 Scenarier Scenario kärnkraft, SK Scenario mitten, SM Scenario förnybart, SF Modellering och simulering Simulering 29 6 Resultat Huvudscenarierna, HS Utvärdering av resultaten Utnyttjandegraden för vindkraft ökar med 10 %, KA Vattenkraften ökar sin utnyttjandegrad med 10 %, KA Elbehovet minskar med 10 %, KA Diskussion Resultat Utformningen av Sveriges elförbrukning år Utvärdering av simuleringsprogrammet LEAP 42 8 Slutsatser Litteraturförteckning Bilaga Bilaga

9 1 Inledning 1.1 Bakgrund Denna rapport bygger vidare på rapporten Swedish long-term low carbon scenario, som IVL, Svenska Miljöinstitutet, tog fram. Rapporten beskriver hur långt Sverige kan nå för att bli ett land utan nettoemissioner av växthusgaser. Resultatet visar att Sverige kan nå långt men nollemissioner kan inte uppnås. Ett annat resultaten visar att år 2050 kommer den totala elproduktionen vara 160 TWh, jämfört med 147 TWh som producerades år Det är en ökning på 7 % jämfört med år 2005 som är basåret för rapporten. Det ökade elbehovet antas bero på befolkningsökning och att elbilar kommer att utgöra en stor del av bilflottan. I Tabell 1 återfinns år 2050s elproduktionsmix enligt denna rapport. Tabell 1 Sveriges elproduktion år 2050 från Swedish long- term low carbon scenario Elproduktion i TWh År 2005 År 2050 Vattenkraft Kärnkraft 70 * Vindkraft 0,9 * Vågkraft 0 * Solceller 0 * Kärnkraft, vågkraft, vindkraft - 75 och solceller Kraftvärme i fjärrvärme 7,3 7 Kraftvärme i industrin 4,6 10 Totalt 157,8 160 Idag producerar vattenkraft 65 TWh (Elåret 2010,2010) ett normalår. Ökningen till 68 TWh beror på klimatförändringarna, vilket ökar tillrinningen till vattenkraftsdammarna. Rapporten kvantifierar inte andelen kärnkraft, vindkraft, solceller och vågkraft. Denna rapport ska studera hur dessa 75 TWh kan produceras. De energikällor som studeras är vindkraft, solceller, vågkraft och kärnkraft. Kärnkraften utgör idag en viktig roll i Sveriges elsystem och kärnkraftens framtid är oviss. Förutom att specificera denna elproduktion kommer även behovet av balansering studeras när elproduktionen består av 100 % förnybart. IVL vill ha en utvärdering av energisimuleringsprogrammet Long- range Alternative Energy Planning System, LEAP, som är utvecklad av Stockholm Environment institut, SEI. (Stockholm Environment Institute, 2011) 1.2 Mål Det övergripande målet för denna rapport är att ta fram olika scenarier för ett antal möjliga utvecklingar för Sveriges elproduktion fram till år All elproduktion ska ha låga koldioxidsemissioner och ska kunna tillgodose elbehovet för alla dagar under året. 7

10 Rapporten innehåller även några delmål och dessa är: Utforma en litteraturstudie över scenarioanalysmetodik för att kunna välja ut en metod som ska användas i fortsatta analysen. Utforma tre scenarier utifrån rimliga antaganden angående utvecklingshastigheter och tekniska potentialer. Simulera scenarierna med simuleringsprogrammet LEAP och utvärdera scenarierna och programvaran. I analysen kommer även behovet av lösningar för effektstyrning av elbehovet att tas upp. 1.3 Metod Rapporten genomfördes i tre delar. Den första delen bestod av en litteraturstudie om scenarioanalyser. Litteraturstudien handlade om vilka olika metoder som finns inom scenarioanalys och generella genomförandeprocesser för scenarier som studerar tidshorisonter på 25 till 50 år. Den andra delen bestod av att samla in information om dagens och morgondagens elsystem. Utifrån den insamlade informationen utformades tre scenarier där alla scenarier kommer att producera 160 TWh år 2050 och det som skiljde scenarierna åt är var 75 TWh ska produceras. Resterande 85 TWh står vattenkraften och kraftvärmen 1 för. Övriga produktionskällor som har studeras är vindkraft, solceller, vågkraft, strömkraft, småskalig vattenkraft och kärnkraft. På grund av bristfällig information antogs att småskalig vattenkraft och strömkraft följde samma produktionsmönster som vågkraften. Den sista delen bestod av att simulera utformningen av scenarierna i simuleringsprogrammet LEAP och även en utvärdering av LEAP genomfördes. 1.4 Antaganden och begränsningar Utformningen av de tre scenarierna grundande sig på antaganden från rapporten Swedish long-term low carbon scenario och nedanstående antagande syftar till de ospecificerade 75 TWh i rapporten Swedish long-term low carbon scenario. All produktion ska ske inom Sveriges landsgränser. Produktionskällorna ska inte släppa ut växthusgaser under elproduktion. Bioenergi ska inte inkluderas. 2 De begränsningar som har gjorts är: Ekonomiska aspekter på utvecklingen av olika energikällor. 3 Elnätet i sig kommer inte medföra några begränsningar. 1 Ett samlingsbegrepp för kraftvärme i industrin och i fjärrvärmenätet. 2 Bioenergi var redan definierad i IVL rapporten Swedish long-term low carbon scenario 3 Till exempel marknadshinder med mera 8

11 Lagar och regler som begränsar eller gynnar framväxten av olika energikällor. Ekologiska påverkningar i lokala ekosystem från elproduktionsanläggningar. Acceptans för olika energikällor. 2 Litteraturstudie 2.1 Scenariometodik Scenarier kan användas i många olika sammanhang. Scenarier kan till exempel beskriva en hypotetisk framtid eller beskriva hur en önskad vision kan uppnås. (Krüger Nielsen, 2007) Beroende på syftet med scenariot finns olika kategorier. Dessa kategorier är: prediktiv, explorativa och normativa. Där varje kategori svara på en fråga. Prediktiva scenarier svara på frågan: Vad kommer att hända? Explorativa scenarier besvarar: Vad kan hända? Medan normativa scenarier svara på frågan: Hur kan ett visst mål uppnås? Alla kategorier har underkategorier och i Figur 1 visas en schematisk bild över dem. Figur 1 Schematiskbild över kategorierna inom scenariometodik Förutom kategorierna finns några begrepp som florerar i litteratur om scenarier. Dessa är systemstruktur, inner- och yttre faktorer. Systemstruktur beskriver hur olika delar av systemet samverkar och påverkar varandra och hur randvillkor påverkar systemets utveckling. Innerfaktorer beskriver faktorer som påverkar systemet och som går att styra över, medan yttre faktorer beskriver det motsatta. Det är faktorer som påverkar systemet men som inte går att styra över Prediktiva scenarier Vad kommer att hända? Prediktiva scenarier förutspår vad som kommer att hända i systemet och ofta antas att rådande systemstruktur är oförändrad under tidsperioden. Tidperioden är ofta kort, upp till några månader. Ju länge tidsperioden är desto osäkrare blir resultatet. Historiska data och sannolikhetsberäkningar används ofta vid utformningen av prediktiva scenarier. 9

12 Prognoser beskriver den troligaste utvecklingen för systemet när systemstrukturen är oförändrad. Resultat från prognoser kan bestå av högsta och lägsta utfallet. Prognoser används bland annat vid planeringsarbete. (Börjeson, Höjer, Dreborg, Ekvall, & Finnveden, 2006) Prognoser kan vara självuppfyllande. Till exempel på 70-talet prognostiserades att elbehovet skulle öka, vilket låg till grund för utbyggnaden av kärnkraften. Tillgången på elenergi ökade kraftigt vilket gjorde att elenergi användes inom fler områden än tidigare som till exempel eluppvärmning i byggnader. Resultatet blev att elförbrukningen ökade kraftigt i Sverige. (Gode, Särnholm, Zetterberg, Arnell, & Zetterberg, 2010) Ifall -scenarier visar om vad som händer i systemet om något förutbestämt sker. Det förutbestämda kan vara förändringar av inner- och yttre faktorer. Ofta består ifall - scenarierna av flera olika prognoser där skillnaden mellan prognosen ska vara tydliga. Skillnaden ska vara ja eller nej för viktiga parametrar och inte vara storleken på vissa värden. (Börjeson, Höjer, Dreborg, Ekvall, & Finnveden, 2006) Explorativa scenarier Vad kan hända? Explorativa scenarier används för att visa vad som kan hända och de består ofta av flera olika scenarier som studerar systems utveckling i många olika perspektiv. Ofta finns det även ett referensscenario som inte innehåller några förändringar. Det som skiljer explorativa scenerier från ifall scenarierna, som tillsynses är liknar varandra, är att explorativa scenarier studerar systemets utveckling mer strukturellt och djupgående. Tidsperioden är en annan skillnad. Där explorativa scenarier har en längre tidperiod än ifall - scenarierna. Externa scenarier beskriver hur systemet kommer att påverkas av yttre faktorer. Externa scenarier studerar hur okontrollerbara parametrar påverkar systemet. De används ofta i utformning av strategiska planer. De ger en bild av vad som kan hända och därigenom kan robusta strategier tas fram. Strategiska scenarier beskriver olika av ett strategiskt beslut utifrån hur omvärlden kan förändras. De används bland annat för att få en inblick i hur politiska strategier kommer att påverkar olika delar av samhället vid olika antaganden, om hur framtiden kommer se ut och ger inspiration till politiska analytiker och forskargrupper Normativa scenarier- Hur kan ett visst mål uppnås? Normativa scenarier beskriver hur ett specifikt mål kan uppnås. Det som kännetecknar normativa scenarier är att de utgår från en vision om framtiden, ofta långt fram i tiden. Det är till de normativa scenarierna att staka ut en väg som leder till den önskade visionen och målet. De underkategorier som finns är preserverande- och transformerande scenarier. Preserverande scenarier beskriver hur målet kan uppnås genom att omstrukturera 10

13 nuvarande systemstruktur. Transformerande scenarier beskriver vägen till målet, när rådande systemstruktur blockerar en nödvändig förändring. Preserverade scenarier beskriver den mest effektiva vägen att uppnå målet och ofta handlar det om att hitta den mest kostandaseffektiva vägen. Oftast används en optimeringsmodell eller en kvalitativ modell, se mer i kapitel Kvalitativa modeller används ofta inom planering på kommunal nivå. Transformerande scenarier, exempelvis backcasting, används när rådande utvecklingstrender inte klarar av att nå målet och det krävs ett trendbrott. Ofta handlar det om visioner över hur samhällsproblem ska lösas i ett långt tidsperspektiv och vilka förändringar som krävs för att uppnå målet. Ett problem med transformerande scenarier är att det ofta blir dyrare i ett kort tidsperspektiv och under tiden fram till slutåret kan nyare och bättre lösningar vara möjliga. (Börjeson, Höjer, Dreborg, Ekvall, & Finnveden, 2006) 2.2 Genomförandefaser Att utforma scenarier börjar med att formulera ett syfte och utifrån syftet väljs en av kategori som har beskrivets ovan. Oberoende av vilken kategori som väljs genomgår all kategorier tre olika faser. Olika faser tar olika lång tid beroende på vilken kategori som har valts. De tre faserna är inventering, modellering och simulering, och utvärdering av resultat. Nedan ges en mer ingående beskrivning av alla faser Inventeringsfasen Inventeringsfasen består av att samla in information och kunskap om framtiden. Inom normativa scenarier är inventeringsfasen en viktig del. Ett vanligt sätt är att använda sig av kvalitativa metoder. Det finns en mängd olika kvalitativa metoder som till exempel workshops, tankesmedjor och Delphimetoden. Delphimetoden bygger på att fler individer har lättare att skapa en bättre helhetsbild än en enskild individ. Det finns många olika varianter av Delphimetoden men grundtanken är att olika experter får besvara på en specifik fråga. Svaren sammanställs och redovisas. Därefter får experterna möjlighet att ändra sitt svar. Processen genomförs fram tills alla är nöjda med svaret. Fördelar med Delphimetoden är att metoden ger ett resultat på kort tid och metoden används ofta vid komplexa frågor Modellering och simulering Utifrån den insamlade informationen sammanställs allt till en helhet, ett system. Oftast används matematiska modeller för att bygga upp systemet. Tidserieanalyser, explantoriska modeller och optimeringsmodeller är exempel på matematiska metoder som oftast används. Under modelleringsfas väljs hur komplext systemstrukturen ska vara. Antingen grundar sig utformningen på enkla antaganden som till exempel explorativa metoder för att beskriva utvecklingen eller så består systemstrukturen av kausala samband mellan variabler. Kausala 11

14 samband innebär att systemstrukturen bygger på orsakssamband. Det måste alltid finnas minst en orsak följt av en verkan i systemet, till exempel kommer viljan att köpa minska om priset går upp. (Börjeson, Höjer, Dreborg, Ekvall, & Finnveden, 2006) En komplex systemstruktur ger inte alltid en bättre bild av verkligheten jämfört med en förenklad systemstruktur och det finns en risk att ju mer komplext systemstrukturen blir desto färre personer verkligen förstår systemstrukturen. (Krüger Nielsen, 2007) Modelleringen sker oftast med hjälp av datorer, antingen färdiga programvaror, se mer kapitel 2.3, eller hemmabyggen. Fördelen med datoriserade modeller är att stora mängder information kan hanteras på ett enkelt sätt och det är ett bra sätt att förutse framtiden på i kända system. Det problem som finns vid modellering är att det är svårt och ibland omöjligt, att modellera mänskligt beteende och stokastiska system, till exempel väder. (Börjeson, Höjer, Dreborg, Ekvall, & Finnveden, 2006) Många kritiserar energiscenerier för att de överser hur sociala och politiska utvecklingar inverka på systemet som ofta har en viktig roll i hur utvecklingen blir. (Krüger Nielsen, 2007) I välkända system används ofta tidsserieanalyser och explantoriska modeller för att förutse framtiden. Tidsserieanalyser bygger på historiska data, vilket gör att tidsserieanalyser förutser vad som kommer att hända i framtiden om dagens trender gäller. Optimeringsmodeller är den tredje typen av matematiska samband som ofta används för att beskriva systemstrukturen. Optimeringsmodeller fungerar genom att hitta det effektivaste tillvägagångssättet för att nå ett mål. Oftast optimeras systemet mot att hitta den mest kostnadseffektiva vägen. En nackdel med optimerings modeller är att den utgår från dagens begränsningar, lösningar och möjligheter. Det kan medföra, i ett långt tidsperspektiv, att modellen missar viktiga lösningar som kan i dagsläget är dyrare men i ett annat perspektiv är en bättre lösning för exempelvis miljö- och sociala aspekter. I normativa scenarier, speciellt för transformerade scenarier, är modelleringen inget ultimat tillvägagångssätt. Det beror på att i tranformerande scenarier ofta består av stora förändringar vilket kan innebär att systemstrukturen måste ändras för att uppnå målet. Dock kan modelleringsmetoder vara en del av utformningen av scenariot. Tidsserieanalyser och explantoriska beskriver dagens trender och de ger indikationer på hur vägen till målet ska uppnås Utvärdering av resultatet Efter att modelleringen har gett ett eller flera resultat, ska resultatet utvärderas. Utvärderingar kan bestå av att ta fram många olika körningar där olika parametrar har ändras. På så sätt kan man se vilka parametrar som har störst påverkar av resultatet, både som enskilda parametrar och vilka parametrar som påverkar andra parametrar, det vill säga orsakssamband. (Börjeson, Höjer, Dreborg, Ekvall, & Finnveden, 2006) 12

15 2.3 Modelleringsprogram För att skapa olika scenarier kan olika modelleringsprogram användas. Olika programvaror har olika styrkor och svagheter och beroende på scenariots syfte ska en anpassad programvara användas. De program som tas upp nedan är programvaror som är anpassade för energiscenarier och kan utforma scenariot utifrån ett top-down angreppsätt samt har ett långt tidsperspektiv Long range Energy Alternative Planning, LEAP LEAP är en simulerande programvara som används för scenarioanalyser av energisystemet och kan kopplas till växthusgasutsläpp. Programvaran är utvecklat av Stockholm Environment Institute, SEI, för att främst användas i utvecklingsländer. LEAP används för att analyser ett lands energisystem i ett långt tidsperspektiv, 25 till 50 år. Tidssteget är ett år men elproduktion och elbehovet kan delas upp från timmar till säsong. LEAP är en flexibel programvara där användaren har en mängd olika valmöjligheter att bygga upp sin systemstruktur. Det är allt från grundläggande utformningar som top-down eller bottom-up, till hur utvecklingshastigheten av olika parametrar ser ut. Andra valmöjligheter är att det finns optimeringsmöjligheter och med hjälp av LEAP kan konsekvenser av olika styrmedel studeras. LEAP har använts av flera olika länder och används främst för att se hur olika vägval kommer att påverka utsläppen av växthusgaser och energibehovet. Till exempel i Kina har programvaran använts för att illustrera fördelarna med att energieffektivisera byggnader Markal/Time Markal/Time är utvecklad av International Energy Agency, IEA. Där huvudanvändningsområdet är att studera hur indata förändras över tiden, ofta för energioch miljösystem i ett global eller regionalt system. Tidsaspekten är ofta mellan 25 till 50 år. Det årliga elbehovet kan om så önskas ställa in på säsong-, veck- och timbasis. Alla typer av produktionsanläggningar finns med som till exempel termiska och förnybara anläggningar. Markal/Time är en optimerande programvara som tar fram det bästa resultatet utifrån valda parametrar. Resultatet kan begränsas av både politiska och fysiska begränsningar. Markal/Time har använts i framtidsstudier som till exempel för att studera kärnkraftens roll i framtiden. Europakommissionen använde Markal/Time i sina rapporter om hur EU ska klara av en stor andel av förnybar elproduktion MiniCam MiniCam är en snabb och flexibel programvara som används i extrema långa tidperioder och vid stora förändringar i antingen globalt eller regionalt för energi- eller jordbrukssystem. För att behärska MiniCam väl, behövs månader av träning. MiniCam simulerar ekonomisk aktivitet, energibehov och utsläpp av växthusgaser i tidssteg på 15 år. Olika typer av marknader som till exempel olja, gas, kol och biomassa kan inkluderas. Även olika kostnader 13

16 för de olika energisystemen kan tas med. Ett stort fokusområde är olika energiteknik som till exempel produktionskällor. Dock finns inte fjärrvärme, batterier och pumpkraft med. Ett annat fokusområde är hur det uppbyggda systemet påverkar den globala uppvärmningen. MiniCam har används för att utvärdera hur uran- och oljeförbrukningen kommer att påverkas i framtid. (Connolly, 2009) 2.4 Exempel på olika scenarier Det finns många kända rapporter som innehåller olika scenarier för framtiden. Nedan finns ett antal energiscenariorapporter beskrivna. Rapporternas författare går sällan ut med vilken metodik de använder. Därför har det utgåtts ifrån deras beskrivningar för att säga något om vilken typ av metodik de har använt World energy outlook 2011,WEO Varje udda år ger IEA ut rapporten World Energy Outlook, WEO. Rapporten består av en analys över de globala energimarknaderna idag och 25 år framåt. Analysen bygger på de senaste data, politiska utvecklingen och erfarenhet från tidigare WEO-rapporter. WEO innehåller även det globala energibehovet och tillgångar utifrån olika scenarier. Varje scenario är uppdelat i länder, bränsle och sektorer. WEO 2011 är uppdelat i tre huvudscenarier. New policies scenario är det scenariot som ligger i fokus. Den innehåller olika politiska åtgärder. Dessa politiska åtgärder syftar till att minska utsläppen av växthusgaser. Dock kommer inte åtgärderna att klara av, att upp nå två gradersmålet. Målet handlar om att koldioxidhalten i atmosfären inte får överskrida 450 ppm. Olika versioner av new policies finns med. Till exempel studeras vad som kommer att hända om utbyggnaden av kärnkraften minskar som en påföljd av händelserna i Fukushima. Det andra huvudscenariot är 450 scenario. Detta scenario utgår från det internationella två gradersmålet. Det sista scenariot är current policies scenario. Det bygger på att inga nya politiska åtagande kommer att tillkomma efter år Detta scenario visar hur dagens politiska åtgärder kommer att påverka i framtiden. (IEA, World energy outlook 2010, 2010) De olika huvudscenarierna använder sig av olika metodiker. Current policies har en prediktiv karaktär för att den studera hur dagens politiska åtaganden kommer utvecklas under de närmaste 25 år. I New policies antas att politiska åtgärder kommer att införas vilket gör att IEA har använt sig av en explorativ metod Energy technology perspectives, ETP IEA, ger vartannat år ut rapporten Energy technology perspective, ETP. Rapporten innehåller olika energiscenarier över världen år Fokus ligger på hur nya teknik ska användas i olika sektorer och på olika platser. Grundtanken med rapporten är att ge en bild över hur utsläppen av växthusgaser kan minska samtidigt som energisäkerheten stärks även då behovet av energi i utvecklingsländer ökar. 14

17 Rapporten består av två huvudscenarier. Det ena scenariot är ett referensscenario som bygger på WEOs referensscenario. Den innehåller inga nya politiska åtagande inom energi och klimat. Den andra delen kallas för BLUE MAP case och består av flera olika varianter. Målet för samtliga scenarier i BLUE MAP case är att minska utsläppen av växthusgaser med 50 % jämfört med år 2005 och att hitta det mest kostnadseffektiva förslaget med befintlig och ny teknik, som har låga koldioxidutsläpp. Andra aspekter som är en del av målet är energisäkerhet och att hitta andra värdegrunder för ekonomisktillväxt som till exempel att hälsan förbättras när luftföroreningarna minskar. Energisäkerhet innebär bland annat att minska behovet av fossila bränslen. (IEA, Energy technology perspectives 2011, 2011) ETP 2010 använder sig av två typer av scenariometodiker. Referensscenariot bygger på prognoser och genom att titta på det historiska behovet kan framtida behov fås fram med antagandet att inga nya förändringar kommer att ske. Det andra scenariot är av normativ karaktär. Målet är klart och väl specificerat och utifrån vissa antaganden tas olika möjliga vägar fram för att nå målet. IEA använder sig av transformeringsscenarier för att de vill visa hur en förändring kan ske men då måste den rådande strukturer förändras Sveriges energiförsörjning år 2030 Energimyndigheten ger vart annat år ut rapporten Sveriges energiförsörjning Syfte med rapporten är att ge en bild över Sveriges energisystem idag fram till år Genom att studera dagens styrmedel och antaganden om bland annat ekonomisk utveckling och oljepriser tas en prognos fram. Energimyndigheten ser prognosen som en konsekvensanalys för gällande styrmedel och antaganden. Prognosen bygger på basåret 2007 och visar hur Sveriges energitillförsel och energiförbrukning kommer se ut för olika sektorer. I Sveriges energiförsörjning år 2030 finns ett huvudscenario och två alternativa scenarier. Det ena alternativa scenariot bygger på att den ekonomiska tillväxten är högre och den andra antar att priset på fossila bränslen är högre än i huvudscenariot. (Energimyndigheten, Sveriges energiförbrukning 2030, 2010) Sveriges energiförsörjning 2030 är ett prediktivt scenario för att rapporten vill visa att hur dagens trender kommer att påverka framtiden. 2.5 Slutsatser av litteraturstudien Alla scenarier börjar med en frågeställning och utifrån frågeställningens syfte väljs en scenariokategori ut. I Tabell 2 finns en sammanställning på scenariokategorierna och vilken fråga som korrelerar till vilken scenariokategori. Utgångspunkten för denna rapport är att undersöka om Sverige kan ha 100 % förnyelsebar elproduktion år Frågeställningens syfte har en normativ karaktär för att den utgår från en vision om framtiden. Däremot är det inte lika tydligt om det är ett preserverande eller ett transformerande scenario. 15

18 En viktig del i transformerande scenarion är att ett trendbrott måste ske för att uppnå målet. Under de senaste åren har förnyelsebar elproduktion ökat vilket indikerar att det inte behövs ett trendbrott för att uppnå 100 % förnybar elproduktion. Dock kräver ett 100 % förnybar elproduktion att kärnkraften avvecklas och idag är trenden den motsatta. Idag genomförs stora satsningar på kärnkraften genom effekthöjning vilket indikerar att kärnkraften inte ska läggas ned. Preserverade scenarier använder ofta optimering för att hitta den effektivaste vägen för att uppnå målet, något som inte har används. Vid utformningen av Sveriges elproduktion år 2050 användes en blandning av ett preserverande scenario och ett transformeranade scenario för att det både krävs trendbrott och omfördelning av resurser för att ha 100 % förnybar elproduktion år

19 Tabell 2 Sammanställning över scenariokategorierna och exempel på kända scenarier Tid Syfte Verktyg/modell Exempel Prediktiva Vad kommer att hända? Prognoser Kort Om gällande utveckling fortgår Tidsserier Explanatorisk Optimering Ifall Kort Ett spann av olika händelser Explanatorisk Optimering Energimyndighetens prognosrapport WEO, ETP Explorativa - Vad kan hända? Externa Långt Hur yttre faktorer påverkar systemet Strategiska Långt Studerar konsekvenser av strategiska beslut Explanatorisk Optimering Explanatorisk Optimering WEO Normativa- Hur ska ett visst mål uppnås? Transformering Långt Trendbrott krävs för att uppnå målet Preservering Långt Kräver omstrukturering för att uppnå målet Olika typer av Backcastning Optimering WEO, ETP 3 Inventering 3.1 Sveriges elsystem idag Sveriges elproduktionsmix Sveriges elproduktion är uppbyggd på fyra hörnstenar. Den första byggstenen är baskraften som utgör ungefär 90 % av totala elproduktionen. Kärnkraft, kraftvärme och en del av vattenkraften utgör baskraften. Kraftvärme är både elproduktion från fjärrvärmesystem och elproduktion från industrin, till exempel producerar pappersbruk elektrisk effekt från ånga som används vid torkning. Den andra byggstenen är balanskraft som utgörs av vattenkraften. Genom att nederbörden samlas upp i stora dammar kan vattenkraften producera när det behövs för att utjämna skillnaden mellan elproduktion och elbehov, och på så sätt kan frekvensen i elnätet hållas på en önskad nivå. Vindkraft, solceller och vågkraft, i denna rapport förkortas med VSV 4, är den tredje hörnstenen. Den utgörs idag främst av vindkraft. Vid årsskiftet 2010 och 2011 utgjorde vindkraften ungefär 4 % av totala elproduktionen. Den sista hörnstenen av Sveriges elsystem är infrastruktur, elnätet. Ett välfungerande och stabilt elnät gör det möjligt att transmittera elektrisk effekt från kraftanläggningar till kunder. Nästan all vattenkraft är belägen i norra Sverige medan elbehovet är som störst i södra Sverige. (Lindholm, 2011) 4 VSV är inte ett vedertaget uttryck men har används i denna rapport 17

20 3.1.2 Vattenkraft Under ett normalår producerar vattenkraften 65 TWh, men den årliga vattenkraftsproduktionen varierar upp till 30 TWh mellan det torraste torråret och det blötaste blötåret. (Åhrling-Rundström, 2011) Vattenkraften är utbyggd i nästan alla älvar i Sverige. Endast fyra älvar är skyddade enligt svensk lag och dessa älvar är Torne älv, Pite älv, Kalix älv och Vindelälven. (Energimyndigheten, Energikunskap, 2011). Nästan all vattenkraft kan ses som reglerbar för att det i de övre delarna av älvarna finns stora vattenmagasin som styr vattenflödet till vattenkraftverk som är belägna nedströms i älven och de har inte samma möjlighet att magasinera vatten(dahlbäck, 2011). Dock är älvsystemen komplexa och det är många olika faktorer som påverkar hur mycket elektrisk effekt ett vattenkraftverk kan producera. I Figur 2 visas en del av Ljusnas älvsystem. Förutom det enskilda vattenkraftverkets krav på dammsäkerhet måste ett samspel mellan närliggande vattenkraftverk ske så att inte närliggande dammar sinar eller svämmar över. (Forsell, 2011) Figur 2 Bild över en del av älvsystemet Ljusnan. Källa (Vattenreglering, 2009) Förutom tekniska begränsningar, som till exempel dammsäkerhet måste även vattendomarna följas. Vattendomarna beskriver bland annat ett intervall på hur mycket vatten som ett vattenkraftverk måste transportera nedströms. Det finns en tendens till att det tillåtna intervallet minskar vid omprövning av nya vattendomar. Det beror på nya EUdirektiv som vill främja den biologiska mångfalden. Redan idag finns det vattenkraftverk som producerar maximalt. (Rundström, 2011) 18

21 MWh/h Kärnkraft Idag producerar kärnkraften mellan 40 och 50 % av Sveriges elproduktion. På tre platser i Sverige finns tio reaktorer som tillsammans årligen producerar i genomsnitt 64 TWh. Under åren 2009 och 2010 var den årliga produktionen betydligt lägre, 50 respektive 56 TWh vilket beror på tekniska problem för kärnkraftanläggningarna. Utnyttjandegraden har sjunkit de senaste åren. I början på 2000-talet låg utnyttjandegraden på 85 % och år 2010 var utnyttjandegraden nere på 70 %. (Energimyndigheten, 2010) Just nu genomförs ombyggnads- och moderniseringsprogram på flera kärnkraftsblock. Programmen ska öka säkerheten och förbättra utnyttjandegraden. Genom dessa förbättringar förlängs livslängden från nuvarande 40 år till 50 till 60 år. (Jönsson, 2011) Från första januari 2011 genomfördes en lagändring som innebär att kärnkraftsanläggningar kan genomföra ett generationsskifte. Maximalt får tio kärnkraftsreaktorer bytas ut mot nya kärnkraftreaktorer och inga nya kärnkraftverk får byggas på nya områden. (Energimyndigheten, Energiläget 2010, 2010) Vindkraft Vindkraft är en förnyelsebar energikälla som har en varierande produktion. I Figur 3 visar hur den totala vindkraftsproduktionen varierade år Även om vindkraftverk endast producerar när det blåser, kan ett vindkraftverk styra elproduktionen till exempel att vinkla bladen. (Anjar, Dalberg, & Uppsäll, 2011) 1 600, , , ,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 Sveriges vindkraftsproduktion år 2010 Figur 3 Vindkraftsproduktionen för varje timme år Källa Svenska kraftnät Vindkraft har ökat kraftigt de senaste åren. Mellan åren 2010 och 2011 ökade vindkraften med 74 %, från 3,5 TWh till 6,1 TWh. År 2011 producerade vindkraften samma mängd elenergi som ett kärnkraftblock. Enligt Svensk vindenergi kommer vindkraften fortsätta att öka och under år 2012 beräknas vindkraften producera 8 TWh. (Lundström, 2012) 19

22 3.1.5 Andra förnybara energikällor Solceller finns uppkopplade till elnätet men i små mängder. År 2009 fanns det elva anläggningar i Sverige som totalt producerade 212 MWh. (Energimyndigheten, Energiläget 2010, 2010). Idag finns det ingen kommersiell vågkraft men viljan är stor att det ska bli en kommande energikälla. De problem som fortfarande finns kvar är bland annat att vågkraftsverk ska klara av extrema stormar och hantering av ojämn elproduktion. Sverige har globalt sett dåliga vågförhållanden men med anpassad teknik har vågkraften en fysisk potential på 45 TWh. (Marklund, 2009) EU definierar vattenkraftverk som småskaligt om den installerade effekten är mindre än 10 MW. Enligt Svensk Vattenkraftförening producerar småskalig vattenkraft årligen ungefär 4,3 TWh. Strömkraftverk finns inte än i kommersiellt bruk men enligt Uppsala Universitet kan strömkraftverk producera årligen upp till 5 TWh. Fördelen med strömkraftverk jämfört med vattenkraftverk är att strömkraftverk roterar med en lägre hastighet vilket troligen medför en mindre miljöpåverkan för till exempel fiskar. (Bergendorff, 2009) Biobränsle hanteras inte här eftersom det redan var specificerat och ingick i elproduktionsmixen i rapporten Swedish long-term low carbon energy scenario. 3.2 Balansering av elproduktion och elförbrukning All elektrisk effekt som produceras måste förbrukas vid samma tidpunkt. För att förhindra att elnätet ska kollapsa finns en mängd olika tillvägagångssätt. I första hand görs prognoser över elförbrukningen för att kunna planera produktionen. Planeringsarbetet sker från en vecka till en dag innan produktionstimmen. Om planeringsarbetet skulle missvisa, det vill säga att produktionen är större eller mindre än elbehovet, finns strategier för att lösa problemet. (Dahlbäck, 2011) Det första som händer om det uppstår en skillnad mellan produktion och konsumtion är att frekvensen antigen stiger eller sjunker. Det finns en tröghet i elsystemet i form av roterande massor i synkrongeneratorer som aktiveras på några sekunder. Det kallas för primärreglering och det är vattenkraften som står för primärregleringen. Om primärregleringen inte skulle klara av att balansera förhållandet mellan produktion och förbrukning aktiveras sekundärregleringen. Sekundärregleringen ska vara driftklar och producera maximalt på en kvart. Även här används vattenkraft men även gasturbiner kan förekomma. (Andersson & Elofsson, 2009) Förutom primär och sekundär reglering finns reservkraft som används för att snabbt kunna ersätta produktionsbortfall som till exempel ett kärnkraftsblock eller en transmissionsledning. (Dahlbäck, 2011) 20

23 3.3 Möjligheter och utmaningar för framtida elsystem VSV producerar elektrisk effekt utefter vad naturen ger och det gör att deras elproduktion varierar mer och är mer oförsägbar än exempelvis kärnkraft. (Erik Ela, 2011) En studie över Tysklands vindkraftsproduktion visade att det är lättare att prognostisera vindkraftproduktion över större ytor och fler vindkraftparker än enskilda vindkraftverk. Studien visade även att standardfelet var ungefär 5,7 % av installerad effekt en dag innan och 2,6 % två timmar innan produktionstimmen. Behovet av driftreserver ökar när vindkraften ökar i elsystemet. Statistiska studier visar att det största behovet av reglering är mellan en till sex timmar. Behovet av primärreglering är för närvarande ingen stor utmaning. Dock kan det uppstå problem i små elnät med stora andelar vindkraft i framtiden. Med hjälp av statistiska metoder har det ökade behovet av korttidsreglering tagits fram och resultatet varierar mellan olika studier. Om vindkraften står för 10 % av totala elproduktionen varierar regleringsbehovet mellan 1 till 15 % av installerad effekt för vindkraft. Motsvarande siffror är 4 till 18 % om vindkraften står för 20 % av den totala elproduktionen. Det ökade behovet av reglering, behöver inte betyda nya investeringar. När vindkraften utgör en stor andel av den totala elproduktionen, är den största utmaningen att hantera hög elproduktion samtidigt som elförbrukning är låg, till exempel under blåsiga nätter. Under nätter har ofta andra produktionskällor en lägre produktionsnivå och kan öka sin produktion om vindkraftsproduktionen skulle minska. Om andra förnybara energikällor som vågkraft och solceller tillkommer till elsystemet kommer med stor sannolikhet deras totala elproduktionsvariation minska. (Söder, 2009) Ofta skiner solen vindstilla dagar medan det är molnigt när det blåser som mest. (Widén, 2011) Hur stor andel av förnybar elproduktion som ett elsystem klarar av att balansera beror på hur flexibelt elsystemet är. Elsystemet kan vara flexibelt på många olika sätt. Till exempel genom att ha bra överföringskapaciteter till närliggande elsystem och att ha möjligheten att kunna styra både elproduktion och elbehovet. Genom att förbättra och förstärka ovan nämnda flexibilitet kan elsystemet bli bättre på att hantera produktionsvariationer. (Söder, 2009) Laststyrning Laststyrningens grundtanke är att slutanvändaren ska minska sin förbrukning under tidpunkter då det är eleffektbrist och öka sin förbrukning när det är eleffektöverskott. Genom kontinuerlig information om elpriset ger det indikationer på när det är mest lönsamt att till exempel starta diskmaskinen. Exakt hur informationen om elpriset ska synliggöras är inte fastställt än men idéer finns att det till exempel ska finnas elprismätare i bostaden och mer programmerade lösningar. En idé är att tvättmaskinen startar när elpriset är tillräckligt lågt. (Larsson & Ståhl, 2009) Andra idéer är att kompresson i kylskåpet är avstängd under de timmar som elbehovet är som 21

24 högst. Idag sker laststyrning i viss mån i industrin och planer finns att införa laststyrning för hushållssektorn. (Tröste, Kuwahata, & Ackermann, 2011) Tillverkare av produkter som visualiserar elpriset hävdar att genom manuella åtgärder kan slutanvändarna minska sin elförbrukning med 10 till 20 %. Dessa siffror är troligen i överkant för en längre tidsperiod. Sollentuna Energi har under de senaste fyra åren haft effekttariffer, en variant av laststyrning. Deras kunder betalar inte för sin energiförbrukning utan för sin effektförbrukning. Det innebär att de kunder som har en jämnare effektförbrukning får en lägre elkostnad medan de kunder som har en mer varierande effektförbrukning får en högre elkostnad. Efter en kortare utvärdering av effekttarifferna hade det totala effektbehovet minskat med 5 %. (Nylén, 2011) Energilager Elenergi har många fördelar men en stor nackdel är att den inte kan lagras utan måste omvandlas till en annan energiform för att kunna lagras. Idag finns det en mängd olika varianter av energilager som används i olika situationer i elsystemet. Pumpkraft står för 99 % av världens energilagringskapacitet. Komprimering och lagring av luft där den näst största energilagringskällan i världen. Batterier av olika slag och svänghjul finns på marknaden idag men i liten skala. Pumpkraft består av två vattendammar som är belägna på olika höjder. Under perioder med eleffektöverskott pumpas vatten från den lägre dammen till den högre och viceversa under perioder med eleffektbrist. En stor nackdel med pumpkraft är den kräver specifika miljöer för att kunna byggas upp och kräver stora investeringskostnader. (Östergård, 2011) En möjlig energilagring i framtiden är elbilar. I IVLs rapport antogs att en stor del av bilflottan kommer bestå av elbilar. Med rätt utrustningen kan elbilar både transmittera eleffekt från och till elnätet. Elbilar har en stor möjlighet att balansera elnätet då ungefär 80 % av bilflottan är parkerad även under rusningstrafik. I rapporten Plug-in Hybrid Electric Vehicles as Control Power visas att endast elbilar kan ersätta dagens behov av primär- och sekundärreglering. (Andersson & Elofsson, 2009) Transmissionsledningar I norra Sverige är elproduktionen högre än vad elbehovet är medan södra Sverige har motsatta förhållanden. En stor del av den producerade eleffekten i norra Sverige transmitteras ner till södra Sverige i stamnätet. Stamnätet i sig har överföringsbegränsningar. Från första november år 2011 infördes fyra elområden i Sverige, där varje elområde har sitt elpris. Elområdena är indelade efter stamnätets överföringsbegränsningar. Syftet med elområdena är att lyfta fram var i stamnätet överföringskapaciteten behöver förbättras och att ge en indikation var elproduktionen bör öka. (Jäderberg, 2011) 22

25 Sveriges elnät är ihopkopplat med stora delar av norra Europa. Sverige har transmissionsledningar till Norge, Finland, Danmark, Tyskland och Polen. Sammanlagt har Sverige en överföringskapacitet på 9200 MW till andra länder och Sverige kan importera 9000 MW. (Organisation for the Nordic Transmission System Operators, 2011) Centrala och södra Europas elbehov är som störst under sommaren medan Sveriges elbehov är som högst under vintern. Genom att ha bra överföringskapacitet till olika länder med olika elbehov kan export och import vara en del i balanseringen mellan produktion och förbrukning. (Tröste, Kuwahata, & Ackermann, 2011) 4 Scenarioanalys: Sveriges elproduktion år 2050 Scenarioanalysen Sveriges elproduktion år 2050 genomfördes i tre olika etapper. Dessa etapper beskrivs nedan: Utforma rimliga årliga elproduktionsmixer för scenarier år Ta fram dagens och anta morgondagens utnyttjandegrader för alla energikällor. Ta fram de installerade effekterna för alla energikällor för år 2050 med hjälp av utnyttjandegraderna och de årliga behoven av elproduktion. Utformningen av elproduktionsmixerna bygger på utvecklingshastigheter, tekniska potentialer och ett förhållande mellan två olika produktionskällor. Alla elproduktionsmixerna kommer totalt producera 160 TWh år

26 4.1 Teknisk potential Potentialer för produktionskällor är ett vitt begrepp. I Figur 4 illustrerar olika typer av potentialer. Figur 4 Visar olika typer av potential. (Blomqvist, Nyberg, Simonsson, Sköldberg, & Unger, 2008) I denna rapport har endast den tekniska potentialen studerats för att få en uppfattning om hur mycket som kan byggas ut för varje produktionskälla. Den tekniska potentialen används som en begränsning vid utformningen av elproduktionsmixerna. Ingen av produktionskällorna antas producera mer år 2050 än vad den tekniska potentialen är. Nedan finns en kort genomgång över teknisk potential för förnybart som ingår elproduktionsmixerna och i Tabell 3 finns en sammanställning av de tekniska potentialerna för VSV. En rapport från Elforsk visar att den tekniska potentialen för vindkraft är 510 TWh på land och 46 TWh till havs. Rapporten bygger på en grundlig genomgång av de potentiella ytorna för vindkraftparker i Sverige. Dessa potentiella ytor tas fram utifrån prioriteringar som till exempel att vindkraftsparken måste befinna sig 200 meter från regional- och transmissionsledningar samt bortser från tätbebyggda områden. (Blomqvist, Nyberg, Simonsson, Sköldberg, & Unger, 2008) På 50-talet fanns det ungefär 4000 småskaliga vattenkraftverk och med en restaurering och utbyggnad skulle småskalig vattenkraft kunna producera 7 TWh. (Svensk vattenkraftförening) I Sverige finns det ungefär 400 miljoner kvadratmeter tak och fasad som har en högre solinstrålning än 70 % av den maximala solinstrålningen. De tak som räknas med är plana, 24

27 svagt lutande och de flesta av de starkt lutande taken. De starkt lutande taken som inte tas med är tak som lutar mot nordöst till nordväst. Med en systemverkningsgrad på 10 % ger det en årlig elproduktion på 40 TWh. (Kjellsson, 2000) Vågkraft och strömkraft finns inte i kommersiellt bruk och är därför betydligt svårare att hitta tillförlitlig data för. Vågkraften antas ha en fysisk potential på 45 TWh (Marklund, 2009) och enligt forskare vid Uppsala Universitet kan strömkraftverk producera upp till 5 TWh. (Bergendorff, 2009) Tabell 3 Teknisk potential för förnyelsebart. Vindkraft Solceller Vågkraft* Strömkraftverk Småskalig vattenkraft Teknisk potential (TWh) * Potentialen för vågkraften är den fysiska potentialen 4.2 Utnyttjandegrad Utnyttjandegraden beskriver förhållandet mellan producerad energi och maximala producerade energin under ett bestämt tidsintervall, ofta ett år, det vill säga kvoten mellan producerad energi och installerad effekt multiplicerad med tidsintervallet. Utnyttjandegraden för förnyelsebara energikällor är betydligt lägre än för termiska anläggningar som till exempel kärnkraft. Utnyttjandegrad ska inte blandas ihop med tillgänglighet. Tillgängligheten beskriver hur många timmar på året som en produktionskälla kan producera medan utnyttjandegraden beskriver hur många timmar på året produktionskällan faktiskt producerar. ( Stockholm Environment Institute, 2011) År 2010 var utnyttjandegraden för vindkraft 18 % medan kärnkraften hade 70 % vilket var lägre än normalårsvärde på ca 85 %. (Hammers, 2010) När VSV är på en större geografisk yta kommer varaktigheten att öka, det vill säga antal timmar med produktion ökar och utjämnar produktionstopparna. Dock kommer inte utnyttjandegraden att stiga. Utformningen av utnyttjandegraden för kärnkraft, vindkraft, vattenkraft och kraftvärme är alla baserad på data från Svenska Kraftnäts hemsida. På grund av att varken solceller och vågkraft finns med i Svenska Kraftnäts statistik har andra tillvägagångssätt använts. Utnyttjandegraden för solceller är baserad på solinstrålningsdata från Norrköping medan vågkraften är baserad på teoretiska värden för ett vågkraftverk utanför Horns rev. Alla utnyttjandegrader för år 2010 och 2050 finns i bilaga 2. Vindkraft och kraftvärmens utnyttjandegrad bygger på produktionsdata år 2010 medan kärnkraften bygger på produktionsdata från år År 2006 var den årliga utnyttjandegraden för kärnkraften ungefär 85 %. Kraftvärmens utnyttjandegrad bygger endast på elproduktion från fjärrvärme systemet för att data från elproduktion i industrin inte hittades. Vattenkraften kan variera väldigt mycket mellan olika år beroende på tillgång 25

28 till vatten. Därför användes ett medelvärde som är baserat på vattenkraftens produktionsdata under de senaste fem åren. Från simuleringsprogrammet METEONORM hämtades solinstrålningsdata på en kvadratmeter i Norrköping. Norrköping är beläget ungefär i mitten av den sydligaste tredjedelen av Sverige och där bor ungefär 80 % av Sveriges befolkning. Nästan alla solceller antas integreras på byggnader vilket gör Norrköping till en bra mätstation. Med solinstrålningsdata och solcellers medelsystemverkningsgrad på 10 % (Edoff, 2011) togs utnyttjningsgraden fram. Vågkraftens utnyttjandegrad är baserad på rapporten Wave power base load poperties. I rapporten fanns den teoretiska utnyttjandegraden för ett vågkraftsvek utanför Horns rev mellan åren 2002 och 2003 på månadsbasis. (Andersson M., 2008) Ett medelvärde för åren togs fram. År 2050 antas att utnyttjandegraden ökar till 30 % för vindkraften och för solceller ökar utnyttjargraden till 20 %. Utnyttjandegraden för vindkraft ökar för att tekniken blir bättre anpassad till sin omgivning, till exempel ökar utnyttjargraden om tornet blir högre för att medelvinden ökar. Produktionsvariationerna för vindkraft och solceller är dock de samma för att utspridningen av dem antas vara på samma ställe som idag. Vågkraftens utnyttjandegrad antas vara konstant. Även vattenkraftens utnyttjandegrad kommer stiga marginellt vilket beror på klimatförändringarna som gör att tillrinningen till vattenkraftsdammarna ökar. Kärnkraft och kraftvärme antas ha samma utnyttjandegrad mellan åren 2010 och Scenarier Scenarioanalysen Sveriges elproduktion år 2050 består av tre scenarier. Alla scenarier har en total elproduktion på 160 TWh år Det som skiljer scenarierna åt är mängden kärnkraft. Scenario kärnkraft innehåller ungefär dagens kärnkraftsproduktion och ska ses som ett referensscenario. I scenario förnybart består elproduktionsmixen endast av förnybara elproduktionskällor år Det sista scenariot är Scenario mitten som bland annat består av ungefär halva dagens produktion av kärnkraft. Nedan kommer en mer ingående beskrivning av de tre scenarierna Scenario kärnkraft, SK Kärnkraftsägare i Sverige antas satsa stora summor på att bygga nya kärnkraftverk och att effekthöja sina gamla anläggningar under de närmaste 40 åren. Totalt sett med både effekthöjningar och nya anläggningar antas att kärnkraften producerar 60 TWh år De resterande 15 TWh av de 75 TWh ospecificerade kommer vindkraften att stå för. Vindkraften kommer att öka med i genomsnitt 0,4 TWh/år, vilket kan jämföras med en ökning på 2,5 TWh/år som vindkraften ökade mellan åren 2010 och I Tabell 4 finns elproduktionsmixen och installerad effekt för scenario SK. I bilaga 1 finns alla utvecklingshastigheter för alla produktionskällor för åren 2010 till 2050 för SK. 26

29 Tabell 4 Sveriges elproduktion och installerad effekt år 2050 för scenario kärnkraft Scenario SK Vattenkraft kraftvärme Kärnkraft Vindkraft Installerad effekt år 2050 (MW) Elproduktion år 2050 (TWh) Scenario mitten, SM Mitten scenariot, SM, består av ungefär hälften förnybart och hälften kärnkraft. Kärnkraftsägarna antas rusta upp de yngsta kärnkraftverken genom effekthöjningar och bygga nya kärnkraftreaktorer. I Tabell 6 återfinns vilka kärnkraftsblock som tas ur drift fram till år Genom effekthöjningar, utbyggnad och avveckling kommer kärnkraften producera 30 TWh år 2050 i detta scenario. Resterande 45 TWh kommer bestå av solceller och vindkraft. Förhållandet mellan vindkraft och solceller bygger på två artiklar, oberoende av varandra, som kommer fram till att om vindkraften är 70 % och solceller är 30 %, kommer skillnaden mellan den gemensamma produktionen och elbehovet vara som minst. (Widén, 2011), (Hand & Denholm, 2011) Solceller kan under några timmar producera från noll till maximalt på morgonen och vice versa på kvällen. Vindkraften variera under längre tidsperioder. (Widén, 2011) I Tabell 5 finns information om installerad effekt och elproduktion år 2050 för SM och i Bilaga 1 finns utvecklingshastigheter för alla produktionskällor mellan år 2010 till år Tabell 5 Sveriges elproduktion och installerad effekt år 2050 för scenario mitten Scenario SM, år 2050 Installerad effekt (MW) Elproduktion (TWh) Vattenkraft Kraftvärme Kärnkraft Vindkraft Solceller ,5 13,5 Tabell 6 När och vilket kärnkraftblock som avvecklas för SM Avvecklings år Avvecklande effekt (MW) Vilket kärnkraftsblock som avvecklas O1 och O2 R1 F1 R2 F2 27

30 4.3.3 Scenario förnybart, SF Scenario förnybart, SF, bygger på att år 2050 kommer all kärnkraft vara avvecklad. De yngsta kärnkraftverken kommer att genomföra effekthöjningar men inget nytt kärnkraftverk kommer att byggas, vilket gör att alla kärnkraftverk passerar sitt bäst-före-datum innan år Det yngsta kärnkraftverket är från 1985 och med effekthöjning kan livslängden förlängas till 60 år som beskrevs i Det innebär att det yngsta kärnkraftsblocket passerat sitt bäst-före-datum år Elproduktionsmixen år 2050 kommer till stor del bestå av vindkraft. I Tabell 7 finns den totala elproduktionsmixen för SF. Förhållandet mellan vindkrafts- och solcellsproduktion bygger på samma antagande som i SM. Vindkraften kommer att öka med 1,1 TWh/år och ökningen kan jämföras med produktionsökningen på 2,6 TWh som var mellan åren 2010 och För solceller kommer det behövas en kraftig utbyggnad. Från nästan noll till 19,5 TWh. Det ger en produktionsökning på 0,5 TWh/år. Tyskland har en stor andel solceller och på 20 år har de ökat deras produktion från 1 TWh till nästan 12 TWh. Mellan år 2009 till 2010 ökade Tyskland sin solcellsproduktion med 5 TWh. (Development of renewable energy sources in Germany, 2011). I Tyskland bor det ungefär tio gånger fler människor än i Sverige och solinstrålningen är nästan lika stor. Ett rimligt antagande är därför att Sverige kan öka sin produktion med en tiondel av Tysklands ökning. Det ger en ökning på 0,5 TWh vilket är precis vad som krävs för att uppnå 19,5 TWh år Resterande 10 TWh kommer att består av en kombination av småskalig vattenkraft, vågkraft och strömkraft. Exakta förhållanden mellan dessa är svårt att bedöma men med rätt politiska åtgärder är det inte ett orimligt antagande. Tabell 7 Sveriges elproduktion och installerad effekt år 2050 för scenario förnybart Scenario SF år 2050 Installerad effekt (MW) Elproduktion (TWh) Vattenkraft Kraftvärme Vindkraft Solceller Vågkraft ,5 19,5 10 Tabell 8 När och vilket kärnkraftblocks som avvecklas för SF. Avvecklings år Avvecklad effekt (MW) Vilket kärnkraftsblock som avvecklas O1 och O1 R2 R1 F1 R2 F2 R4 O3 F3 5 Ett samlingsnamn för vågkraft, strömkraft och småskalig vattenkraft 28

31 5 Modellering och simulering 5.1 Simulering Modelleringsverktyget LEAP har använts som modelleringsverktyg. För en övergripande beskrivning av LEAP se Modellen av Sveriges elproduktion är baserat på dagsvärden. Ambitionen var att använda timdata men programmet klarade inte av att hantera den mängden data. LEAP matades in med installerad effekt för åren 2010 och de framtagna installerade effekterna för år Utbyggnadstakten för alla produktionskällor, förutom kärnkraften, antas vara linjär från år 2010 till Kärnkraften antas avvecklas i etapper, där en etapp är ett kärnkraftsblock. Förutom de förutbestämda elproduktionsmixerna programmeras även gasturbiner in. Gasturbinerna programmeras på ett sådant sätt att de endast producerar elektrisk effekt när de resterande produktionskällorna inte klara av att tillgodose elbehovet. Gasturbinerna ska ses som reservkraft, dagar då elbehovet inte kan tillgodoses. För varje tidssteg räknar LEAP fram hur mycket av den installerade effekt som är tillgänglig genom att multiplicera installerad effekt med utnyttjandegraden vid det aktuella tidsteget. Utifrån en prioriteringsordning räknar LEAP fram behovet av produktion för varje energikälla så att elbehovet tillgodoses. All vattenkraft kommer att användas som balanskraft, vilket innebär att vattenkraften kommer producera när övriga energikällor (ej gasturbiner) inte klarar av att tillgodose elbehovet. Ingen import- eller exportnivå antas ske och det beror på att LEAP endast klarar av att ha en konstant import- eller exportnivå för varje tidssteg. Det betyder att elbehovet ökar eller minskar med motsvarande mängd som exporten eller importen antas vara. Elbehovets variation över året bygger på samma variation som år 2010 och elbehovets variation antas vara likadan fram till år I Figur 5 finns elbehovet i procent av det högsta dags elbehovet för år Elbehovets variation bygger på data från Svenska Kraftnäts hemsida. 29

32 Procent av maxlast Elbehovskurva i procent av maxlast Dagar Figur 5 Elbehovet under ett år. Procent av maxlasten. 6 Resultat Resultatet är uppdelat i två delar, där den första delen består av ett huvudscenario, HS, som består av antaganden från kapitel 4 och den andra delen består av en känslighetsanalys där viktiga parametra har ändrats i simuleringen. 6.1 Huvudscenarierna, HS I Tabell 9 Simuleringsresultatet för alla scenarier.återfinns simuleringsresultatet för alla scenariers elproduktion för slutåret Tabell 9 Simuleringsresultatet för alla scenarier. Elproduktion år Gasturbiner Vattenkraft Sol Våg Vind Kraftvärme Kärnkraft 2050 (TWh) SK 6,4 61, ,1 59,6 SM 9,7 56,8 13,5-31,2 17,1 31,6 SF 13,8 55,1 19,5 9,6 44,8 17,1 - Gasturbinerna är inte med i de förutsagda elproduktionsmixerna utan gasturbinerna är simulerade att endast producera när de förutsagda elproduktionsmixerna inte klarar av att tillgodose elbehovet. Gasturbiner kan ses som import och skulle även hypotetiskt kunna bytas ut mot någon annan energikälla. SK har det lägsta årliga behovet av gasturbiner medan SF har det högsta. I Tabell 9 återfinns skillnaden mellan den förutsagda elproduktionsmixen och det simulerade resultatet. 30

33 Tabell 10 Differens mellan de simulerade resultaten och de förutsagda elproduktionsmixerna Dif. mellan Gasturbiner Vattenkraft Solceller Våg Vind Kraftvärme Kärnkraft simulering och förutsagda SK 6,4 6, ,1 0,4 SM 9,7 11,2 0-0,3 0,1 1,6 SF 13,8 12,9 0 0,4 0,7 0,1 - Den största skillnaden kan ses för vattenkraften och gasturbinerna för alla scenarier. Vattenkraften i simuleringsresultatet producerar mindre än de förutsagda elproduktionsmixerna vilket innebär att vattenkraften troligtviss måste spilla vatten. SF har både det högsta behovet av gasturbiner och den lägsta vattenkraftsproduktionen. Skillnaden mellan övriga energikällor är marginella för alla scenarier. I Figur 6 till Figur 8 åskådliggörs den totala elproduktionen för varje år fram till slutåret För SF och SM avvecklas kärnkraften i etapper, där en etapp motsvarar ett kärnkraftsblock. Figur 6 SK: Elproduktionen mellan åren 2010 till