Vindkraft och elbilar på Öland år 2020

Transkript

1 ES09018 Examensarbete 30 hp Oktober 2009 Vindkraft och elbilar på Öland år 2020 Är smart laddning av elbilar lösningen på ett framtida flaskhalsproblem? Fredrik Martinsson

2

3 Abstract Vindkraft och elbilar på Öland år Wind power and electric vehicles on the island of Öland in the year of Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box Uppsala Telefon: Telefax: Hemsida: Fredrik Martinsson The Island of Öland has one of the best wind climates for land based wind power in Sweden. An objective for the Island is to become self sufficient using electricity from renewable source of energy such as wind. There is currently 55 MW capacity installed on the Island and it is estimated that grid congestion will occasionally occur if more than 135 MW was installed. The aim of this thesis is to investigate he possibilities for load management by smart charging of electric vehicles, EV. The definition of smart charging is that the charging is done to some extent with an ICT-system, (information and communication technology) that correlates wind electricity generation to the charging of electric vehicles. The purpose is to avoid grid congestions on the sub-sea cable that connects Öland to the mainland because that in turn would curtail wind energy production. Without grid congestion and the consequent wind energy curtailment, additional cost efficient wind turbines could be established on the island. An alternative to EV load management is to increase grid capacity with a costly new sub-marine transmission cable. A Matlab model was used to estimate potential wind energy curtailments in scenarios that compared different assumed amounts of EV, installed wind power and EV-charging alternatives. The model shows that using the current sub-marine cable, 190 MW installed wind power on Öland would produce an estimated 545 GWh of electricity per year but there would be about 7 GWh ( >1 % ) curtailed. However, the model also shows that this curtailment could be reduced to near zero with a future EV car fleet using smart charging. This would allow the establishment of an additional 55 MW of cost efficient wind power using the existing sub-marine cable. I conclude that load management with EV s is an interesting alternative to grid reinforcement and should be investigated further together with some other alternative load management options. Handledare: Gunnar Grusell (Svensk Vindkraftförening) Ämnesgranskare: Marcus Berg (UU) Examinator: Ulla Tengblad (UU) ISSN: , ES09018 Sponsor: Vattenfall AB

4 Sammanfattning Detta examensarbete handlar om vindelgenerering på Öland och möjligheten att utnyttja effekttoppar för laddning av elbilar för att därmed undvika en framtida instängd vindenergi på ön. Alternativet till denna lösning är att förstärka elnätet till fastlandet genom en ny och kostsam kabel. Med en vindkraftsutbyggnad hoppas Öland bli självförsörjande på förnybar el och tillsammans med elbilar har Kalmar län som mål att bli en region fri från fossila bränslen till år I dagsläget kan Öland installera ungefär MW vindkraft till och uppnå en nivå på 135 MW totalt. Denna utbyggnad skulle räcka för täcka dagens elbehov på Öland, utan elbilar. Om mer vindkraft byggs utöver den nivån kommer det vid blåsiga tillfällen uppstå en flaskhals i överföringen (transmissionen) av el mellan Öland och fastlandet. Det innebär att vindkraftverk måste kopplas ur eller regleras ned och därmed förloras intäkter för vindelen. En "instängd vindenergi som inte kan utnyttjas uppstår. Likaväl kan elbilarna i framtiden orsaka flaskhalsproblem vindstilla dagar då många elbilar laddar samtidigt. Ett alternativ för att undvika instängd vindenergi, är att investera i ytterligare en transmissionskabel som klarar av att överföra all ström. Kostnaden för kabeln är en helt avgörande faktor för hur mycket vindkraft som kommer att byggas på Öland i framtiden. Om kostnaden för en till kabel är mycket högre än den minskade intäkten för vindkraftselen blir det svårt att ekonomiskt motivera en sådan utbyggnad. Med hjälp av elbilar kan "instängda vindenergin" utnyttjas genom att ladda mer när det finns stor tillgång på vindel och mindre då vinden mojnar. Därmed kan vindkraften göras mer lönsam samtidigt som elbilarna drivs med grön el. För att detta ska vara möjligt krävs att laddning sker med hjälp av ett utvecklat smart laddningssystem som kommunicerar med resten av nätet, vindkraftverken och tar in information från vindprognoser. Ett viktigt villkor är att laddningen uppfyller elbilägarens behov att kunna köra sin elbil när det behövs och tillräckligt långt. Syftet med rapporten är att undersöka potentialen för elbilsladdningen att minska den instängda vindenergin med hjälp av realistiska antaganden för en smart laddning. Exakt hur ett smart laddningssystem är konstruerat undersöks inte i rapporten. För att kunna studera laddningen av elbilar har en modell utvecklats i Matlab. I den har tre olika scenarier för utbyggnaden av vindkraften kombinerats med fem olika scenarier för andelen elbilar på Öland: 0 %, 11.5%, 21 %, 26 % samt 100 %. Den norska elbilen Think City är förebild för elbilarna som används i modellen. Tre olika laddningsalternativ för elbilarna har använts vid varje scenario: Alternativ L1 antar en nattladdning av elbilarna. De bilar som står stilla är inkopplade på elnätet klockan 18:00 till 06: V enfas eluttag med en 10 A säkring används. Laddningen styrs delvis för att så långt som möjligt undvika flaskhalsar på transmission mellan Öland och fastlandet. Detta sker även i L2 och L3. 2

5 Instängd vindenergi ( GWh/år) Alternativ L2 utgår från att elbilar i varierande utsträckning är anslutna dygnet runt och har möjlighet att till viss del ladda ur batterier till nätet. Statistik från nationella resevaneundresökningen, RES, har använts för att avgöra tillgängligheten för bilarna att vara anslutna till nätet olika tider på dygnet. Samma eluttag som i L1 antas. Alternativ L3, liknande alternativ som L2 men med ett dubbelt så stort batteri och en ökad laddningseffekt med en 16 A säkring. Alternativet ger en större flexibilitet för systemet i och med det stora batteriet och den ökade laddningseffekten. Resultatet från modellen visar bland annat att om 190 MW installerad vindkraft (55 MW mer än den dagsläget möjliga enligt E.ON) på Öland uppstår en instängd vindenergi på ungefär 7 GWh per år. Det är ungefär 1,3 % av den beräknade elgenereringen på 545 GWh per år från vindkraften på ön. Enligt modellen skulle en bilflotta på Öland bestående av 100 % elbilar med smart laddning, enligt alternativ L3, reducera nästan hela den instängda vindenergin och därmed öka intäkten från vindkraften på ön, se Figur 1. Samtidigt minskar bensin- och dieselanvändningen med 187 GWh, vilket är personbilarnas totala uppskattade bränsleförbrukning på Öland under år 2020, se tabell 1. Att ersätta bränslet med vindel ger en minskning av koldioxidutsläppen med ton/år. 8 Instängd vindenergi vid 190 MW vindkraft på Öland 0% 6 11,50% 4 21% 2 26% 0 Nattladdning(L1) Dygnet runt(l2) Dygnet runt(l3) Elbilsladdningsalternativ 100% Figur 1. Diagrammet visar resultat för beräknad instängd vindenergi vid 190 MW vindkraft på Öland. De olika färgerna representerar andelen elbilar av totala bilflottan på Öland. 3

6 Se (100 % elbilar) S3 (26 % elbilar) S2 (21 % elbilar) S1 (11,5 % elbilar) Bränsle[GWh] El[GWh] S0 (0 % elbilar) GWh/år Figur 2. Diagrammet visar hur mycket el respektive bränsle som måste tillföras till personbilar på Öland för respektive scenario. S0 är scenariot utan elbilar och Se är scenarier med endast elbilar. Förstärkning av regionnätet med en till sjökabel över Kalmarsund skulle enligt uppskattningar ge en högre årlig kapitalkostnad, 8,2 MSEK, än värdet av 7 GWh/år elektrisk energi som görs tillgänglig med en ny kabel. Slutsatsen från rapporten är att det finns starka ekonomiska motiv att vidare studera ett smart laddningssystem för elbilar på Öland som ett alternativ eller komplement till en nätutbyggnad. Även andra typer av elektrisk laststyrning bör studeras exempelvis batteri-stationer, avsaltningsanläggningar, fryshus och vätgasframställning En intelligent laddning av elbilar med vindenergi medför att mer förnybar elgenerering i form av vindkraft blir tillgänglig på Öland och världen i framtiden. 4

7 Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Innehållsförteckning... 5 Förord... 8 Förkortningar och definitioner Inledning Bakgrund Problemformulering Syfte Frågeställningar Avgränsningar Rapportens disposition Metod och genomförande Litteraturstudie och intervjuer Datainsamling Databehandling, modell och simulering Basfakta om Öland Allmänt Elanvändning Elgenerering Teori Elgenerering med vindkraft Stall- och pitchreglerade vindkraftverk Begränsande faktorer i elnätet vid installation av vindkraftverk Flaskhalsar och instängd vindenergi Elhandel och balansansvar Vad är SmartGrids?

8 4.7 Elbilar och laddhybridbilar - en kort presentation Insamlade data till modellen Belastningsdata Vindkraft på Öland Elkonsumtionen under år 2007 på Öland Vindkraft i framtiden på Öland Kabeln över Kalmarsund Personbilar och resvanor Antal elbilar i framtiden på Öland Modellbeskrivning Generella antaganden för hela modellen ÖLAST2020- Elkonsumtion på Öland år Vindmodellen för att skapa ÖVIND2020(t k ) Modell för elbilsladdning på Öland år Kombinera alla delar Instängd vindenergi Resultat Instängd vindenergi, W Resultat vid en utbyggnad av vindkraften till 190 MW, V Resultat för belastningen i kabeln Några resultat från V2, 190 MW Några resultat från V1, 135 MW Självförsörjningsgrad av el på Öland Diskussion Vad innebär ett smart laddningssystem? Modell kritik En jämförelse av laddningsscenarier

9 8.4 Andra fördelar med smart elbilsladdning Alternativa metoder för reglering av belastningen i kabeln över Kalmarsund Slutsatser MW Vindkraft på Öland MW Vindkraft Förslag på åtgärder och fortsatta studier Referenser Publikationer Litteratur Internetsidor Intervjuer, telefon och e-post Bilaga A Bilaga B Bilaga C Exempel på elbilsladdning enligt L3 vid 190 MW vindkraft Bilaga D Vindsimulering Vindkraft effektgrans EBladd, nattladdning scenario S EBladd, L2(Se)

10 Förord Denna rapport är skriven på uppdrag av Svensk Vindkraftförening och är ett examensarbete under civilingenjörsutbildningen i Energisystem vid Uppsala Universitet och Sveriges Lantbruksuniversitet. Då Svensk Vindkraftförening, SVIF, firade 20 års jubileum i Falkenberg gav Vattenfall Vindkraft AB föreningen i present att bekosta två examensarbeten som SVIF självständigt utser och leder. Det första Nätanslutning av vindkraftverk utfördes år 2007 av Alexander Wegener på Sveriges lantbruksuniversitet[1]. SVIF:s avsikt med detta examensarbete är att belysa hur vindkraften i framtiden kan användas som fordonsbränsle och därmed bidra till omställningen till ett energisystem med förnybara energikällor. De som hade idéer om vad de ville skriva om fick själva skicka in förslag där SVIF sedan valde ut ett slutligt bidrag genom att en arbetsgrupp inom styrelsen granskade förslagen innan styrelsen gjorde det slutliga urvalet. Studien ska undersöka om och hur laddning av elbilar och elgenerering från vindkraftverk i framtiden kan samverka för att få effektivare utnyttjande av elnätet och den generade elenergin. Användning av vindel som drivmedel till personbilar ger också en drastisk minskad miljöpåverkan, vilket ska belysas. Jag vill framföra ett stort tack till alla inblandade i denna rapport. Dessa är min handledare Gunnar Grusell från SVIF, Göran S Eriksson på Regionförbundet i Kalmar län, Christer Asplund på Power Circle, min ämnesgranskare Marcus Berg på institutionen för teknikvetenskaper vid Uppsala Universitet, Bengt Carlsson på IT-institutionen vid Uppsala Universitet, Anton Fors på IT-avdelningen på Länsstyrelsen i Kalmar län, Erik Bengtsson och Peter Elmersson på E.ON Nät i Kalmar, Esad Music på E.ON statistikcentral i Malmö, Benny Wennberg på Borgholm Energi AB, Stig Göthe och Bo Normark på Power Circle, Lennart Söder på KTH samt alla andra som bidragit på något sätt. Sist men inte minst vill jag tacka mina nära och kära för allt stöd under uppsatstiden. 8

11 Förkortningar och definitioner C export Maximal effektbelastning för befintliga sjökabeln över Kalmarsund vid export av el från Öland. Gränsen är -120 MW. Enligt konvention används minustecken vid export av el från Öland. C import Maximal effektbelastning för befintlig sjökabel över Kalmarsund vid import av el. Gränsen är 90 MW. Enligt konvention används positivt tecken vid import av el från Öland. EBLadd(t k ) Timvärden [MWh/h] för lasten vid laddning av elbilar på Öland. L1 L2 L3 M1 M2 Laddningsalternativ för elbilar på Öland. Laddingen sker mellan klockan 18:00 och 06:00. Laddningseffekten är 2,3 kw/bil. Klockan 06:00 har bilflottan energi i batterierna för att köra minst 7,7 mil per/bil (dubbla medelkörsträckan/dygn). Den maximala körsträckan som kan uppnås är 17 mil med ett fulladdat batteri på 28,2 kwh. Laddningen av elbilar sker mer eller mindre under hela dygnet. Andel elbilar som kan ladda bestäms av data från en undersökning av resvanor gjord av Statens Institut för Kommunikationsanalys (SIKA). Samma antaganden om laddningsnivån vid klockan 06:00 som i L1. 50 % av stillastående elbilar dagtid antas ha tillgång till eluttag. 40 % av de inkopplade elbilarna antas erbjuda sig att leverera el från sina batterier för systemtjänster åt elnätet. Samma alternativ som L2 men med modifikationen att laddeffekten är 3,7 kw och batteriet kan lagra dubbla energimängden: 56,4 kwh. Modell för beräkning av timvärden för uteffekten från Ölands vindkraft med antagande om att alla vindkraftverk möter samma vind vid varje givet tillfälle. Modellen multiplicerar timvärden [MWh/h] från uteffekten från vindkraftparken Stora Istad på Öland med den bestämda installerade effekten i modellen. Modell för beräkning av timvärden [MWh/h] för uteffekten från Ölands vindkraft. Korrelationen i uteffekten mellan fyra geografiskt skilda vindkraftsparker används i modellen. Modellen simulerar timvärden genom en stokastisk linjär parametermodell skattad från 8760 timvärden från vindkraftsparken Stora Istad. S0 Scenario då 0 % av bilflottan på Öland är elbilar år S1 Scenario då 11,5 % av bilflottan på Öland är elbilar år S2 Scenario då 21 % av bilflottan på Öland är elbilar år 2020 S3 Scenario då 26 % av bilflottan på Öland är elbilar år Se Scenario då 100 % av bilflottan på Öland är elbilar år

12 SIstad0807(t k ) 8760 timvärden[mwh/h] av uteffekten från vindkraftsparken Stora Istad på Öland under delar av år 2007 och V1 Scenario då 135 MW vindkraft byggs på Öland till 2020 bestående av 13,5 vindkraftparker på 10 MW av samma typ som den befintliga i Stora Istad på Öland. Vid denna nivå beräknas Öland vara självförsörjande på elektrisk energi. V2 Scenario då 190 MW vindkraft byggs på Öland till 2020 bestående av 19 vindkraftparker av samma typ som Stora Istad. V3 W Scenario då 250 MW vindkraft etableras på Öland bestående av 25 vindkraftparker på 10 MW. Instängd vindenergi. Elektrisk energi som inte kan användas på grund av att flaskhalsen (sjökabel) på elnätet utgör ett hinder. W S0 Instängd vindenergi vid scenariot då 0 % av bilflottan på Öland är elbilar år ÖBEL2007(t k ) ÖBEL2020(t k ) Timvärden för effektbelastningen[mwh/h] i sjökabel över Kalmarsund under år Simulerade timvärden för effektbelastningen[mwh/h] i sjökabel över Kalmarsund under år ÖLAST2007(t k ) Timvärden för konsumtion av elektriskenergi[mwh/h] på Öland under år 2007 ÖLAST2020(t k ) Simulerade timvärden för konsumtion av elektriskenergi[mwh/h] på Öland under år ÖVIND2007(t k ) Timvärden för elgenerering [MWh/h] från vindkraften på Öland under år ÖVIND2020(t k ) Simulerade timvärden för elgenerering [MWh/h] från vindkraften på Öland under år

13 1 Inledning 1.1 Bakgrund EU-rådet och EU-parlamentet antog den 18 december år 2008 direktivet om att minska EU:s årliga koldioxidutsläpp med 20 % till år 2020 jämfört med 1990 års nivå, bland annat genom att öka andelen förnybar energianvändning[4]. För Sveriges del innebär direktivet att 49 % av energianvändningen ska komma från förnybara energikällor till år Storskalig vattenkraft ingår inte i ökningen. År 2005 var andelen ungefär 40 %. Det medför för Sverige att förnybara energikällor inom elgenereringen måste öka. Vindkraften är en del av den ökningen. Energimyndigheten kom år 2007 med ett föreslaget planeringsmål för vindkraften på 30 TWh/år vindel i Sverige år 2020[2], där 20 TWh är landbaserad och 10 TWh är havsbaserad vindkraft. Detta att jämföra med 2007 års nivå på 1,4 TWh vindel [5]. Den 5 februari 2009 gjorde partiledarna i regeringen en överenskommelse om en långsiktig och hållbar energipolitik där planeringsmålet på 30 TWh vindkraft till år 2020 fastställs[3]. Målet med en ökad vindkraftsetablering är att minska koldioxidutsläppen men även att möta en ökad efterfrågan på elektricitet. En ökad elektrifiering i samhället är trolig orsak till en höjd efterfrågan på el i framtiden, bland annat genom ett ökat elbehov till eldrivna fordon. Elektricitet från förnybara energikällor skulle också kunna bli en större exportvara i framtiden till våra europeiska grannländer som inte har lika goda förutsättningar för förnybar elgenerering som Sverige. För att nå målen inom EU:s klimatpolitik måste andelen förnybara bränslen för transporter öka. Drygt 45 TWh fossila bränslen används varje år av Sveriges 4,3 miljoner personbilar[6]. Det är inom transportsektorn fossilbränsleberoendet är som störst och svårast att bryta. Genom att delvis ersätta fossila bränslen i personbilar med vindel i laddhybridbilar tros koldioxidutsläppen kunna minska med 13 % till år 2020 i Sverige, enligt en rapport från Svensk Vindenergi[5]. Detta är en betydande del av hela klimatmålet. Regionförbundet i Kalmar län har satt upp målet att Kalmar län ska bli en region fri från fossila bränslen till år Kampanjen går under namnet NoOil [24]. Det finns även en vision för Öland att bli självförsörjande på energi. Som ett första steg har Borgholms kommun ingått i projektet Vind i tankarna som drivs av elkraftsbranschens intresseorganisation, Power Circle [25]. Projektet syftar till att starta upp framgångsrika demonstrationsplatser för elbilar som laddas med el från vindkraft. Genom detta stimuleras även utbyggnaden av vindkraften. 1.2 Problemformulering Öland valdes ut som en lämplig avgränsning för rapporten och där kunde problemformuleringen konkretiseras än mer och sättas i perspektiv till Ölands olika miljömål. 11

14 Det gynnsamma vindläget på Öland gör ön till ett av Sveriges mest ekonomiskt lönsamma områden för vindkraftsetablering. En kraftig utbyggnad av vindkraften på Öland kräver dock förstärkningar av elnätet på ön och av kabeln till fastlandet. Idag, år 2008, kan enligt nätägaren på Öland, E.ON Nät AB, vindkraften byggas ut till 135 MW[41]. Detta svarar mot en ökning med 90 MW vindkraft från en nivå på ca 45 MW som fanns vid årsskiftet 2007/2008[41]. För ytterligare utbyggnad behövs det framför allt en förstärkning av den kabel som går över Kalmarsund som idag utgör den enda transmissionsvägen för el till och från Öland. Energibäraren elektricitet lagras inte i någon större skala idag, utan det råder en ständig jämvikt mellan produktion och konsumtion på elnätet. Vatten som energikälla till vattenkraft går att lagra men inte energikällan till vindkraften. Tidpunkter då det är goda vindförhållanden samtidigt som elkonsumtionen på Öland är låg, innebär att kabeln i framtiden kan utgöra en flaskhals för export av el från Öland. För att undvika en överbelastning av kabeln måste vindkraftverk kopplas ur eller regleras ned. Det uppstår en så kallad instängd vindenergi med elenergi från vindkraften som inte kan konsumeras på nätet. Detta kommer att inträffa vid en kraftig vindkraftsutbyggnad på Öland. Problemet kan lösas genom en nätförstärkning. Om kostnaden för ytterligare en kabel är mycket högre än den ökade intäkten för vindelen som görs tillgänglig, är det svårt att ekonomiskt motivera en sådan utbyggnad. Kostnaden för kabeln är en avgörande faktor för hur mycket vindkraft som kommer att byggas på Öland i framtiden. I en framtid där elbilar används i stor skala på Öland kommer laddningen av dessa att påverka elsystemet. Genom att möjliggöra styrning av en del av elkonsumtionen då det finns ett överskott på vindel minskar transmissionen av el i landöverföringen och flaskhalsproblemet kan undvikas. En storskalig användning av elbilar som laddas på elnätet kan utgöra en sådan möjlighet. Genom att bilar laddas då tillgången på vindel är stor på Öland minskar behovet av laddning vid tidpunkter med lite vind. Det gör att ett framtida problem med överbelastning i kabeln på grund av en för stor last på Öland minskar. En bil används en liten andel av tiden. Det finns uppgifter om att 80 % av bilparken står stilla under rusningstrafik[14]. Stor tillgång på eluttag för elbilar gör att dessa kan vara uppkopplade på elnätet stor del av tiden. Med hjälp av IT-utrustning som optimerar laddningen utifrån data från vindenergiprognoser, vindkraftverk, elnätet, bilbatteriets status och elbilägarens behov kan belastningen på kabeln över Kalmarsund minska vid risk för överbelastning. Vindelen lagras då i bilarnas batterier på Öland istället. Samtidigt som elbilarna hjälper elkraftsystemet så minskar de kraftigt den stora miljöpåverkan som dagens personbilar utgör. Med en smart elbilsladdning är det möjligt att uppföra fler vindkraftverk utan att drastiskt höja investeringskostnaderna på grund av en dyr elnätsinvestering. En förutsättning för ett smart laddningssystem är att elbilskundens behov inte försummas. Prismekanismer för elpriset måste utformas så att elkonsumenter, som hjälper elsystemet, belönas. Viktigt är också det IT-system som behövs testas och införs redan i ett tidigt stadium. Annars finns risk för ett omfattande arbete med höga kostnader och stora inkörningsproblem. 12

15 1.3 Syfte Syftet med rapporten är att undersöka potentialen för elbilsladdning att reducera risken för överbelastning i kabeln över Kalmarsund. Genom en lägre risk för överbelastning minskar även den instängda vindenergin. I examensarbetet undersöks teoretiskt hur belastningen i kabeln över Kalmarsund varierar under det studerade året. I tänkta scenarier för år 2020 med olika nivåer av andelen elbilar och installerad effekt hos vindkraften ska elgenerering och elkonsumtionen på Öland modelleras och simuleras. I modellen skapas olika varianter av elbilsladdning. Det minskade behovet av fossila bränslen är även det viktigt att kartlägga. Rapporten ska framför allt ses som en framtidsvision för samspelet mellan vindkraft och elbilar i ett framtida hållbart energisystem. Informationen i rapporten kan användas i samband med framtida beslut för utbyggnad av vindkraft, elnät och laddningssystem för elbilar på Öland. Rapporten kan även vara av värde för andra öar, som planerar utbyggnad av vindkraft eller annan förnybar elgenerering. 1.4 Frågeställningar Det som ska utredas utifrån simuleringsresultaten är: 1. Hur mycket instängd vindenergi beräknas för de olika scenarierna? 2. Vilket laddningsalternativ ger minst instängd vindenergi? 3. Hur mycket kostnadseffektiv vindkraft kan byggas på Öland med ett smart laddningssystem? Andra frågor att ta hänsyn till är: 4. Vad är ekonomiskt mest riktigt, en utökad kapacitet för landöverföringen eller en bibehållen begränsning av vindkraften? 5. Hur stor självförsörjningsgrad av elektricitet, inklusive drivmedel till elbilar, ger vindkraften på Öland för de olika scenarierna? 6. Finns det andra för- och nackdelar? Vad skulle vara intressant att undersöka mer? 1.5 Avgränsningar Studien har en hög systemnivå vilket innebär att specifikt tekniska och praktiska detaljer, såsom exakt hur styrningen av laddningen av elbilarna sker, inte ingår mer än i diskussionen. Ön Öland skapar en tydlig och bra avgränsning för rapporten. Endast vindkraft, elkonsumtion och elbilar anslutna till elnätet som finns på Öland kommer att beaktas. Med elbilar i rapporten avses elbilar som endast har en elektrisk drivlina. Laddhybrider finns inte med modellen. 13

16 På grund av den tid som ett examensarbete har så kommer inte begränsningar i elnätet på Öland att undersökas mer ingående. Antaganden görs istället för att underlätta beräkningar. För elgenerering och elkonsumtion på Öland antas att båda sker så distribuerat att inga flaskhalsar i elnätet på ön uppstår eller att motsvarande nätförstärkningar kommer att genomföras så att flaskhalsar undviks. Inhämtade data rörande elektrisk effekt har en upplösning på en timme. Det gör att alla beräkningar och antaganden har medeleffekten under en timme som utgångspunkt. Endast aktiv effekt kommer att användas. 1.6 Rapportens disposition Metod Fakta om Öland Teori Elgenerering från vindkraft Flaskhalsar på elnätet SmartGrid Elbilar Data till modellen Belastning i sjökabeln Elkonsumtion Vindel Elbilsladdning Vindkraft Modellen Resultat Elbilsladdning Diskussion och Slutsats Förslag på åtgärder 2 Metod och genomförande 2.1 Litteraturstudie och intervjuer En kortare förstudie gjordes våren 2008 då förslaget skickades in till Svensk Vindkraftförening. En stor tillgång för arbetet var rapporterna Med vindkraft i tankarna av Svensk Vindenergi [5] och Plug-in hybrider - Elfordon för framtiden av Elforsk [6]. En mer grundläggande litteraturstudie i ämnet gjordes i september 2008 då arbetet startade. Till stor del handlade det om att få en överblick av vad Elforsk tidigare har gjort i ämnet. Ett stort antal elbilsprojekt världen över startades under hösten, vilka gav underlag för litteraturstudien. 14

17 Sedan gjordes intervjuer på Regionförbundet i Kalmar län, som är en av fyra noder i Nätverket för vindbruk och har ansvar för näringslivs- och affärsutvecklingsfrågor. Från kontakter på E.ON Nät i Kalmar [41] och Borgholms energi [42] inhämtades mycket information om elnätet och vindkraften på Öland. Vid deltagandet i ett miljöforum om vindkraft vid skördefesten på Öland delgavs mycket information om utbyggnaden av vindkraften på Öland. Under arbetets gång har diskussioner kring arbetet förts på Power Circle AB, som bland annat har ansvaret för projektet Vind i tankarna. 2.2 Datainsamling Datainsamling för att konstruera en modell har varit en viktig del av arbetet. Det som i första hand behövdes var data om Ölands elkonsumtion och vindelgenerering. Insamling av data gjordes genom ett samarbete mellan berörda vindkraftsägare och nätägarna E.ON Nät AB och Borgholm Energi AB. Dels inhämtades timvärden, MWh/h, från transformatorstationen vid Linsänkan på Öland, där kabeln över Kalmarsund är ansluten. Eftersom Öland har egen kraftproduktion i form av vindkraft innehåller timvärdena en kombination av Ölands elkonsumtion och elgenerering. Tidsserien innehöll timvärden från perioden, till E.ON tillhandhöll aggregerade timvärden från nästan hela Ölands vindkraftspark under år 2007 som kompletterades med timvärden från två vindkraftverk i Wannborga som är inkopplade på Borgholm Energis lokalnät. Timvärden från ytterligare tre vindkraftsparker samlades in genom att uppge anläggningsidentifikationen för vindkraftverken till E.ON Nät i Malmö. Parkerna är fem vindkraftverk i Stora Istad, tre vindkraftverk i Grönhögen och nio vindkraftverk i Kastlösa, se karta i Figur 4. Data om fordonsflottan på Öland har inhämtats från Statens Institut för kommunikationsanalys (SIKA), Statistiska centralbyrån (SCB) och Vägverket konsult AB. Indata till elbilarna i modellen hämtades från det norska elbilsföretaget Think Global AS nya elbil, Think City. 2.3 Databehandling, modell och simulering Timvärden för tillförd el på Öland, ÖLAST(t k ), fås genom att addera timvärden från den sammanlagda vindkraften på Öland, ÖVIND(t k ), med synkroniserade timvärden från belastningen i kabeln, ÖBEL(t k ). Med hjälp av timvärden från belastningen i landöverföringen, timvärden från vindkraften och elbilsdata skapades i MATLAB och Excel ett antal modeller av vindkraften och laddning av elbilar på Öland år Programkoden för dessa ses i Bilaga. En av modellerna för att simulera uteffekten från vindkraften år 2020, ÖVIND2020(t k ), på Öland är M2. Den karaktäriseras av en stokastisk ARprocess (AutoRegressive) av första ordningen på formen Ekvation 1. En AR-modell av första ordningen. y ( t ) a y( t ) k k 1 e( t 1 k ) där y(t k ) är timvärdet för uteffekten och y(t k-1 ) är timvärdet timmen innan och a 1 är den skattade parametern från inhämtade mätdata och e(t k ) är en stokastisk störsignal. Denna relativt enkla modell 15

18 ger tillräckligt bra prediktion av uteffekten jämfört med mer avancerade modeller som ARMA och Box Jenkins. Se mer om hur modellen är utformad och valet av modell i avsnitt 6.3. Utifrån modellerna kan sedan en belastning i landöverföringen simuleras. Genom att sätta in gränsvärden för elbilsladdningen tillsammans med ÖVIND2020(t k ) och ÖLAST2020(t k ) och använda linjärprogrammering för ett dygn i taget ges det slutgiltiga resultatet. Arbetsgången för modellen kan ses i Figur 3. Förkortningar och definitioner ses i Timvärden Ölands vindkraft år 2007 Timvärden Elkonsumtionen År 2007 Timvärden. Belastningen i kabel Modeller för vindkraft Predikterade timvärden Vindkraft Predikterade Timvärden Elkonsumtion inklusive elbilsladdning 2020 År 2007 Modeller för elbilsladdningen Predikterade timvärden Belastningen i kabel år 2020 resultat Figur 3. Databehandlingen för att skapa modeller som simulerar belastningen i landöverföringen år Basfakta om Öland 3.1 Allmänt Öland tillhör Kalmar län, men är ett eget landskap. Det är Sveriges näst största ö och är drygt 13 mil lång och knappt 2 mil bred på bredaste stället, se Figur 4. Ön har två kommuner, Borgholm i norr och Mörbylånga i söder. Öland är känd för att vara solens och vindarnas ö. Den brukar ofta finnas med i toppen av solligan och har också bland de högsta medelvindhastigheterna i Sverige på land, med över 7,1 m/s (71 m över nollplaneförskjutningen) eller mer på stora delar av ön, se karta i Bilaga A. 16

19 Det fanns personer folkbokförda på Öland i slutet av år 2007 [31] (10933 i Borgholms kommun och i Mörbylångas). Ungefär 90 % av befolkningen bor i småhus, vilket är långt över genomsnittet i Sverige. På sommaren ökar befolkningen avsevärt, ungefär tio gånger (ca ) är en siffra som brukar nämnas[9]. Noggrannare uppgifter har inte funnits att tillgå. I slutet av år 2006 var stycken [28] bilar registrerade I de båda kommunerna. De allra flesta var bensindrivna. Det har inte funnits några uppgifter om hur många fler bilar som finns på Öland under turistsäsongen att tillgå, men uppskattningar har gjorts i avsnitt Elanvändning Under år 2007 tillfördes 368 GWh el till Öland, enligt inhämtade data från E.ON [45], vilket motsvarar ungefär 0,25 % av Sveriges totala eltillförsel. Förlusterna i elnätet på Öland uppgår till 7,8 % (28 GWh) enligt uppskattningar från SCB [31], vilket innebär att elanvändningen var 340 GWh. Effektbehovet, lasten, var i medeltal 36 MW, maximalt 69 MW och som minst 7 MW, baserat på timvärden från år 2007 [45]. Till skillnad från stora delar av övriga Sverige kan det största effektbehovet uppkomma under sommartid, speciellt lokalt på de norra delarna av ön. Största enskilda förbrukare är Cementas fabrik i Degerhamn på sydvästra Öland, se Figur 4. I övrigt är det de större samhällena som är de stora förbrukarna: Färjestaden och Mörbylånga i centrala och södra delarna samt Borgholm och Löttorp i norr[13], se Figur 4 Ölands elnät är inget separat nät med egen frekvens, såsom på Gotland. Det står i direkt förbindelse med det nordiska elnätet via en 3 km lång AC-kabel under vatten med en nominell spänning på 130 kv. Denna ansluts vid Linsänkan, mitt på öns västkust, se Figur 4. På Öland finns ett regionnät på 50 kv i nordsydlig ritning och från det finns förgreningar på 10 kv (lokalnät), se Bilaga A. Det är i huvudsak E.ON Nät som är ägare av elnätet, med undantag för nätet runt Borgholm som Borgholm Energi äger. Direkt på regionnätet är de större vindkraftsparkerna anslutna: Utgrunden på 10 MW, Stora Istad(10 MW) och Kastlösa Väst 10 MW [41]. 3.3 Elgenerering Den inhemska elgenereringen kommer till 100 % från vindkraft (november 2008). Den totala genereringen under år 2007 var 107 GWh[45] (29 % självförsörjningsgrad). Medeleffekten var 12,3 MW och som mest 46,4 MW. Under 33 timmar (d.v.s. knappt 4 promille av tiden) var uteffekten 0 MW enligt timvärden från E.ON.[45] 17

20 I november 2008 fanns 65 vindkraftverk, med en installerad effekt på 53,3 MW och med en beräknad årsproduktion på 130,6 GWh [42]. På kartan i Figur 4 ses hur vindkraftverken är fördelade på Öland genom de blåa turbinsymbolerna. Figur 4. Karta över Öland där vindkraftverk och transmissionskabeln som strömförsörjer ön är utmärkta [46]. 18

21 4 Teori 4.1 Elgenerering med vindkraft Länder som Danmark, Tyskland och Spanien har redan en väl utbyggd vindkraftsgenerering med nivåer på upp till 20 % av den totala elgenereringen [21]. Såsom med många av de förnybara energikällorna (bl.a. sol, våg) är också vindkraften intermittent. Med stor andel vindkraft i det elektriska energisystemet kommer också krav på en god integrering och reglering. Den behövs bland annat för att hantera vindkraftens kraftiga fluktuationer i elgenereringen. Variationerna blir stora eftersom uteffekten från ett vindkraftverk är beroende av vindhastigheten i kubik vilket ses i Ekvation 2. Ekvation 2. Sambandet för uteffekten från ett vindkraftverk. P 1 3 Av C el p 2 verk där ρ är luftens densitet, A är rotorns svepta area, v är vindens ostörda hastighet och η verk är sammanlagda verkningsgraden för växellåda, lager, generator och transformator. C p är en kvot mellan rotorns mekaniska effekt och effekten i vinden. Det maximala teoretiska utnyttjandet av vinden är 59,3 % enligt Albert Betz teori. Moderna vindkraftverk idag har ett C p -värde på 50 % i bästa fall.[21] Vindkraften har alltså inte någon baslastegenskap, men sammanlagringseffekter uppstår då ett större område med vindkraft betraktas. Det vill säga, det är inte vindstilla eller storm samtidigt över hela området, vilket gör att variationerna i uteffekten minskar. På Öland är sammanlagringseffekten liten, eftersom ön har en begränsad geografisk utbredning och landskapet har tämligen likartad karaktär. I Figur 5 syns att för hela Sveriges vindkraft blir det en viss utjämningseffekt jämfört med Ölands vindkraft. Mellan den enskilda vindkraftsparken Stora Istad på mellersta Öland, och hela Ölands vindkraft ses däremot ingen större skillnad. 19

22 Figur 5. Varaktighetsdiagram över vindelgenereringens effekt under år 2007 för Sverige, Öland och den enskilda vindkraftsparken Stora Istad. Vindkraftverk placeras där det finns goda vindförhållanden. Det gör att de ofta placeras på svaga elnät och närmare konsumenten jämfört med de stora vatten- och kärnkraftverken i Sverige idag. Distribuerad generation är en benämning på vindkraft med sådan placering. Närheten mellan konsumtion och produktion av el kan i många fall göra att förlusterna på elnätet minskar. Vindkraftverket har då ett så kallat effektvärde för elkraftsystemet [7]. Ett annat effektvärde som vindkraften har är att den under året samvarierar med elkonsumtionen i Sverige, se Figur 6. För Öland är skillnaderna i elkonsumtion mellan vinter och sommar inte riktigt lika stora. En tydlig uppgång i elförbrukningen finns i juli, se Bilaga A. Vindenergin varierar mellan olika år. I Figur 7 visas hur totala årsenergin i vinden varierar mellan olika år. Avvikelsen från medelvärdet är som mest 16 %. 20

23 Figur 6. Diagram från Driftuppföljning av vindkraftverk [8] Här framkommer tydligt hur elförbrukningen och vindelgenerering samvarierar över året. Figur 7. Olika års vindindex i Sverige. Index 100 utgörs av medelvärdet av de redovisade åren. Figuren kommer från rapporten Driftuppföljning av vindkraftverk [8]. 4.2 Stall- och pitchreglerade vindkraftverk I ett vindkraftverk som utnyttjar stallreglering (överstegringsreglering) är rotorbladens vinkel konstant. Över en viss inkommande aerodynamisk effekt sker en överstegring hos bladet och därmed begränsas den kraft som verkar på bladen. På så sätt begränsas uteffekten hos vindkraftverket vid vindhastigheter högre än märkvind. Kraften på rotorn i den inkommande vindens förlängning kommer dock att öka med kvadraten på vindhastigheten. Det gör att belastningen på torn och fundament blir stora vid drift i höga vindhastigheter. Snabba förändringar i vindhastighet kommer inte att kunna omvandlas med hög effektivitet av ett stallreglerat verk. De vindkraftverk som använder sig av stallreglering har generatorer med fast varvtal. Det innebär bland annat att generatorn arbetar under ett i det närmaste konstant varvtal och är kopplad direkt 21

24 på elnätet. Det starka nätets frekvens bestämmer vilket varvtal rotorn måste ha för att leverera effekt till nätet. Det behövs en växellåda för att generatorn ska komma upp i rätt varvtal i förhållande till nätets frekvens. Pitchreglering (Bladvinkelreglering) använder sig däremot av en aktiv reglering av bladvinkeln för att kunna reglera kraften som luften utövar på bladen. Det innebär att bladet vrids längs sin egen längdaxel. Vid en inkommande vind som ligger lägre än märkvinden (vind då märkeffekt uppnås) är bladvinkeln sådan att den maximerar effektuttaget från vinden, d.v.s. maximerar effektkoefficienten, Cp. Effektkoefficienten är en funktion av löptalet och bladvinkeln. Vid vindstyrka högre än märkvinden regleras bladvinkeln så att effekten blir konstant. Snabba effektvariationer i vinden kan tas upp av rotorn genom att bladvinkel (och till viss del rotationshastighet) snabbt kan ändras. Pitchregleringen kan användas för att minska effekten hos verket genom att bladet ställs i en vinkel som ger ett lägre aerodynamiskt effektupptag. För att varvtalet hos rotorn ska kunna varieras måste generatorn ha ett variabelt varvtal. Det innebär att den inte är kopplad direkt mot nätet. Kraftelektronik gör om elektriciteten så att den har rätt spänning och frekvens för elnätet. Pitchreglerade vindkraftverk ger en större möjlighet att styra uteffekten från en vindkraftspark. I en framtid på Öland kommer förmodligen pitchreglerade vindkraftverk att dominera bland vindkraftverken, vilket antas i modellen, se avsnitt Begränsande faktorer i elnätet vid installation av vindkraftverk Den mest uppenbara begränsningen vid installation av vindkraftverk är att elnätets överföringskapacitet inte är tillräcklig. Den elektriska effekten hos vindkraftverken medför att den sammanlagda effekt som kan överföras på nätet överskrids. En förstärkning av nätet åtgärdar problemet genom att belastningen i kabeln kan minska vid hög uteffekt från vindkraften. Men även om överföringskapaciteten är tillräcklig så finns det andra kriterier som gör att anslutningen kan begränsas. Generellt kan sägas att moderna vindkraftverk med mer avancerad kraftelektronik har lättare att anslutas till elnätet [11]. Långsamma spänningsvariationer uppstår då produktion och konsumtion av effekt varierar på nätet. De har ett tidsintervall på minuter. För moderna vindkraftverk med variabelt varvtal och en generator kopplad till nätet via kraftelektronik finns möjlighet att kompensera den reaktiva effekten från generatorn. Därmed kan spänningen ändras så att spänningen på elnätet kan följas [11]. Snabba spänningsvariationer uppstår av vindens turbulens som verkar på rotorn och ger en varierad spänning från generatorn på sekundnivå. Det ger upphov till så kallat flicker (flimmer) på elnätet. Det finns rekommendationer för hur mycket flimmer som får förekomma på elnätet. Den främsta anledningen att undvika flimmer är att det mänskliga ögat störs av flimmer från glödlampor. Mest störs vi av flimmer med en frekvens på 9 Hz [11]. Om kortslutningseffekten på nätet ( styrkan på 22

25 nätet ) är låg i förhållande till vindkraftverkets effekt ger variationerna större genomslag på nätet. Kortslutningseffekten är nätets nominella spänning gånger den maximala felströmmen som kan uppstå i nätet. Om kortslutningseffekten är ungefär 30 gånger högre än nominell effekt på den anslutna vindkraften kommer inte snabba spänningsförändringar utgöra något problem [11]. Med en generator kopplad till nätet via modern kraftelektronik så är dock inte behovet av ett starkt nät lika stort. Förmåga att klara kortslutningar på nätet ( ride through ) är viktig för större vindkraftsparker. Vid en kortslutning på nätet sjunker spänningen. Om parken tappar spänningssättning är det risk att hela elnätet slås ut. Nätägaren är skyldig att ansluta vindkraft på elnätet så länge som nätet klarar av den extra belastningen. Nätägaren på Öland har exempelvis ingen skyldighet att ansluta vindkraft på Öland om inte sjökabeln över Kalmarsund klarar det. Boverket har en tumregel som säger att på en 20 kv ledning kan ungefär 15 MW vindkraft anslutas. Om spänningen dubblas kan fyra gånger så mycket vindkraft installeras [21]. 4.4 Flaskhalsar och instängd vindenergi I elnätet uppstår flaskhalsar då mer elektrisk effekt ska överföras från ett område till ett annat än vad det finns möjlig kapacitet för i transmissionsnätet. Växelström kan överföras genom en luftledning eller en kabel. En elkabel består av en eller flera ledningar med isolering som gör att den kan grävas ned i marken eller placeras i vatten medan en ledning är mindre isolerad och hänger i luften. Det som avgör kapaciteten att överföra elektrisk effekt i en ledning/kabel är temperaturbegränsningar i ledaren/kabeln. Vid för höga temperaturer kommer metallen i ledarmaterialet att utvidga sig mer än omgivande material så att kabeln går sönder. För en luftledning kan begränsningen vara att termiska förlängningen gör att ledningen hänger för långt ned mot marken så att det uppstår en risk för överslag[12]. För ledare av aluminium är den maximala temperaturen C och för andra typer ledare av koppar är den ungefär C [12]. I verkligheten är temperaturen som kabeln/ledningen tål under en längre tid lägre, C, och avgörs av en mängd faktorer t.ex. åldern på ledaren, geometrin i hos ledaren och höjden över marken. Temperaturen i ledaren avgörs av vilken ström som går genom den och vilken resistans den har, enligt 2 p ri (där r har enheten [Ω/m]), liksom av värmetransport från ledaren genom konvektion av vinden, q k, värmetransport genom strålning mot omgivningen, q r, samt uppvärmning från solinstrålning, q s. Sambandet ges av följande ekvation[12]. Ekvation3. Sambandet för värmebalansen i en elektrisk ledare. q k q r ri 2 q s 23

26 4.4.1 Hantering av flaskhalsar Det mest uppenbara alternativ som kan vidtas för att undvika flaskhalsar är att förstärka elnätet så att överföringskapaciteten ökar. Förstärkningar är mycket kostsamma, exempelvis ungefär 4 MSEK/km för en luftledning på stamnätet[12]och ungefär 10 MSEK/km för sjökabel över Kalmarsund enligt uppskattningar från ABB [48]. Den största delen av tiden finns gott om extra överföringskapacitet i ett snitt där en flaskhals uppstår. Problemet ligger inte i att överföra mängden elektrisk energi utan att klara av extrema effektsituationer. I snitt 2 i det svenska stamnätet där det ibland uppstår en flaskhals används under 4000 timmar under året 60 % av överföringskapaciteten eller mindre [2]. Strukturella åtgärder för att utjämna behovet av överföring av effekt är alltså att föredra om det går. Nedan kommer några exempel på sådana. Mothandel Om överföringskapaciteten i ett snitt inte är tillräcklig på det svenska stamnätet tillämpar den systemansvarige, Svenska Kraftnät(SvK), en så kallad mothandel för att elhandeln ska kunna fortgå normalt. I området där flaskhalsen skapar ett underskott av elgenerering betalar SvK elproducenter för att öka sin kapacitet eller konsumenter att minska sin last. På detta sätt kan det fysiska flödet av el minska i flaskhalsen. Likaledes så betalar SvK elproducenter att minska sin elgenerering i området med överskott eller elkonsumenter att öka sin last. Kostnaderna för mothandel finansieras av avgiften, nättariffen, för överföring av el på stamnätet. Ofta kan mothandeln genomföras med den sekundära reglerkapaciteten som finns tillgänglig för reglering av nätfrekvensen, se avsnitt 4.5. Långsiktiga kostnader för mothandel måste ställas mot vad en nätförstärkning vid en frekvent flaskhals kostar. Elbilar på Öland skulle kunna agera i enlighet med principen för mothandel för att minska transmissionsbehovet till eller från ön vid eventuella flaskhalsar. Det sker genom ökad laddning vid överskott av el på Öland och minskad laddning vid ett underskott. Prisområdesindelning Genom simuleringar beräknar de systemansvariga överföringskapaciteterna för nästa dygns elhandel. Framgår det att en flaskhals kommer att bildas vid elhandeln under nästa dygn, så sätts olika elpris på varsin sida om flaskhalsen. Ett dyrare pris sätts i området som totalt har elunderskott och ett lägre i området med överskott. Dyrare elkraft, som annars inte skulle ha använts, kan nu förse underskottsområdet och därmed minskas behovet av transmissionskapacitet till detta område. På detta sätt kan flaskhalsar undvikas innan de inträffar. Metoden tillämpas mellan länder i det nordiska elsystemet och i Norge används det även inom landet [12] Modeller för beräkning av instängd vindenergi Vid en större vindkraftsetablering är det lämpligt att i förväg kunna beräkna den erforderliga överföringskapaciteten för vindkraftsparken och undersöka om det uppstår någon instängd vindenergi. I Figur 8 visas den övergripande strukturen och de olika delarna i elkraftsystemet som innefattas i en modell för beräknandet av eventuell instängd vindenergi. 24

27 Annan elkraft Planerad vindkraft Last Begränsad överföringskapacitet Annan elkraft Vindkraft Last Figur 8. Beskrivande bild på strukturen för modellen som beräknar instängd vindenergi vid nyetablering av vindkraft. Olika metoder för beräkning av instängd vindenergi har utvärderats i en doktorsavhandling från KTH [12]. Den metod som kommer att tillämpas i modellen över Öland är en variant på den så kallade direkta metoden [12]. I Den direkta metoden används vinddata, v(t k )[m/s], som är samtida och med samma tidssteg som effektbelastningsdata, P t (t k )[W], i den transmissionsöverföring där en eventuell flaskhals kan uppstå efter en vindkraftsetablering. Vindhastigheter konverteras till uteffekt, P v (t k ), hos vindkraftverken genom effektkurvan från de tänkta vindkraftverken. Den önskade överföringskapaciteten efter etablerad vindkraft blir P ö (t k ) = P t (t k ) + P v (t k ). Om den maximala överföringskapaciteten är konstant, C, blir den instängda vindenergin summan av alla önskade effektvärden som överskrider C enligt följande: Ekvation4. Sambandet som ger den instängda vindenergin. W P spill * t k t k t C där P spill = P ö C, för alla P ö >C, och W är den instängda elektriska energin från vindkraften. I Figur 9 visas beräkningar grafiskt med hjälp av varaktighetskurvor över tidserierna. 25

28 Figur 9. Graferna visar effekt-varaktighetskurvor under ett år för: den planerade vindkraften, WPDC, den nuvarande effektbelastningen i kabeln, TDC, summan av de båda, Pö =WPDC+TDC samt den maximala överföringskapaciteten, C. Det skuggade området visar den instängda vindenergin, W, som uppstår enligt modellen. Figuren är hämtad från en doktorsavhandling från KTH[12]. Vid konstruktion av modellen över Ölands framtida vindkraft har inte tidsserier med vinddata använts utan P v (t k ) har simulerats direkt med tidsserier av uteffekt från vindkraftparker på Öland, se avsnitt 6.3. Simulerad uteffekt från Ölands vindkraft för år 2020 benämns som ÖVIND2020(t k ). 4.5 Elhandel och balansansvar Alla elhandelsföretag har ett ansvar att se till så att deras produktion och konsumtion överensstämmer. De kan antingen gör det själva eller låta någon annan balansansvarig göra det. Ett dygn innan ett driftsdygn rapporteras beräknad produktion och konsumtion för det kommande dygnet in till den systemansvarige, Svenska Kraftnät, som har det övergripande ansvaret för det svenska elnätet. På en spotmarknad sätts sedan priserna på den nordiska elbörsen, Nord Pool, utifrån de inrapporterade prognoserna. Tekniskt ansvarig är nätägaren som rapporterar in värden över konsumtion/produktion till den balans- och systemansvarige. Den balansansvarige har möjlighet att ändra sin prognos upp till en timme innan drifttimmen genom handel på elbasbörsen. Under själva drifttimmen är den systemansvarige ansvarig för balansen på elnätet. De obalanser som uppstått under drifttimmen debiterar den systemansvarige de enskilda balansansvariga. För en balansansvarig med stort innehav av vindkraft är det därför viktigt att ha tillgång till bra vindprognoser och/eller flexibel elgenerering för att inte obalanserna ska bli för stora. Svenska Kraftnät sköter obalanserna genom primär- och sekundärreglering. I ett kontrollrum som är bemannat dygnet runt hålls nätets frekvens mellan gränsvärdena 49,9 och 50,1 Hz. Primärreglering sker på sekundnivå och innebär att den fysiska balansen upprätthålls genom att ett 30-tal vattenkraftverk reglerar sin effekt automatiskt till rätt nivå genom så kallad frekvensreglering. I Sverige finns 600 MW primärregleringseffekt [24]. Sekundär balansreglering innebär att en 26

29 manuell handel sker med elhandelsbolag som tecknat avtal med Svenska kraftnät under själva drifttimmen. Normalt är att en upp- eller nedreglering sker med tio minuters varsel. Vid en ökning av vindkraftens elgenerering till 30 TWh/år, 12 GW, beräknas behovet av reglerkapacitet öka med MW enligt en rapport av Svenska Kraftnät [24]. Ungefär 15 % av den extra kapaciteten bedöms vara primärreglering medan resterande kan komma från reglering som sker på minut- och timnivå. En del av den extra regleringen skulle exempelvis kunna vara batterierna hos el- och laddhybridbilar. Mer om hur reglering med laddhybridbilar fungerar och beräknad ekonomisk lönsamhet för bilägaren finns att läsa i ett examensarbete från år 2009 [14]. 4.6 Vad är SmartGrids? Behovet av ett nytt tankesätt inom eldistribution har uppkommit eftersom allt fler koncept för förnybar elgenerering har introducerats, till stor del beroende på den senaste tidens klimatdebatt och tider med dyrare fossila bränslen. Förnybar elgenerering är ofta mycket mer distribuerad på elnätet till skillnad mot de senaste 100 årens centraliserade storskaliga elgenerering (mindre centraliserat i Sverige). Elmarknaden i Europa har även blivit mer liberaliserad och dynamisk. Därmed finns möjlighet för fler aktörer, vilket kräver ett bättre samspel dem emellan. I en rapport från Elforsk, SmartGrids, listas drivkrafter som ska uppfyllas för att ett framtida elnät ska fungera [10]. Dessa är: Ge fördelar för alla parter som söker effektivitet Uppfylla de miljö-, politiska och sociala kraven som ställs på energiförsörjningen Medföra säkerhet, hållbarhet och vara konkurrenskraftigt Lämplig tid för teknikförnyelse, i och med de omfattande förnyelsebehov som finns i dagens elsystem Integrering av förnybar energi och distribuerad generering, DG, i elnätet. Kunna hantera flaskhalsar i överföringen med marknadsbaserade metoder, se avsnitt Teknikframsteg SmartGrids(SG) kan sägas vara lösningen för att nå de listade målen. Mycket av informationen i Elforsk-rapporten är hämtad från den gemensamma europeiska tekniska plattformen för SG, ETP-SG, som startade år Den strävar efter att skapa en gemensam vision för det europiska elnätet. Alla punkter ingår till viss del i detta examensarbete. Den mest tydliga kopplingen är drivkraften för att kunna hantera flaskhalsar i överföringen med marknadsbaserade metoder. Det koncept som gör att elbilarnas laddning regleras med marknadsbaserade metoder så att en flaskhals i överföringen mellan Öland och fastlandet undviks är alltså SmartGrid. 4.7 Elbilar och laddhybridbilar - en kort presentation 27

30 4.7.1 Laddhybridbilen En laddhybridbil (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) har en intern förbränningsmotor som komplement till elmotorn med batteri. En PHEV har alltså två olika motorer och två olika bränslen. Drivlinan kan vara en serie- eller parallellhybrid. Det förekommer även bilar med både serie- och parallellkoppling samtidigt. I en seriehybrid driver alltid elmotorn hjulen och förbränningsmotorn laddar batterierna vid behov medan en parallell hybrid kan använda båda motorerna för framdrift[6]. Utvecklingen av PHEV har gått via elhybridbilar, utan möjlighet till extern laddning av batterierna. Exempelvis har Toyota Prius funnits på den svenska marknaden sen år 2000[6]. Utvecklingen av PHEV går nu mot allt större batterier, mindre och effektivare förbränningsmotorer och lättare elmotorer med högre effekt. GM planerar att lansera en PHEV, GM Volt, år 2010 som har en räckvidd på 64 km på ren eldrift och. Den kinesiska biltillverkaren BYD har redan en PHEV, F3DM, där batterierna ger en räckvidd på 300 km [14] Elbilen En elbil har, som namnet anger, endast elmotorn som drivlina. Fördelarna med detta är att bilen kan göras lättare med endast elmotor/er utan växellåda. Elmotorn har en hög verkningsgrad, uppemot 95 %, vid optimum, och har fördelen mot en Otto- eller dieselmotor att den ger ett konstant vridmoment över ett stort varvtalsintervall. Det gör att behovet av en växellåda minskar. Elmotorer kan idag konstrueras med effekttäthet på uppemot 1 kw/kg. Den högsta effekttätheten har permanentmagnet-motor [6]. Nackdelarna en elbil har jämfört med en PEHV är att räckvidden blir begränsad av batteriets prestanda liksom den momentana effekten vid acceleration. Några intressanta elbilar som finns på marknaden i dag är MiEV från Mitsubishi och Think City från norska företaget Think. I Tabell 1 ses några viktiga karaktäristika för de båda elbilarna. De går än så länge bara att köpa på sina hemmamarknader, Norge och Japan. Den norska elbilen Think City kommer att användas på Öland i projektet Vind i tankarna som drivs av Power Circle. Data från denna bil används i modellen för elbilar på Öland, se avsnitt 6.4 Tabell 1. Två exempel på elbilar som finns på den kommersiella marknaden år Batterikapacitet Körsträcka/laddning Accelerationstid km/h Think City 28,2 kwh. 3 olika typer 170 km 16 s (80 km/h) i MieV 16 kwh 160 km 9 s Litiumjonbatterier Uppladdningsbara litiumjonbatterier är idag de som används i de flesta mobila applikationer, från bärbara datorer till elbilar. Fördelarna med dessa batterier är bland annat hög energi- och 28

31 effektdensitet och låg självurladdningsgrad. Idag har batteriforskningen stort fokus på att öka batteriernas livslängd. De måste klara minst 300 cykler utan att tappa mer än 20 % av sin kapacitet för att bli kommersiella [15], men livslängden ökar ständigt och i vissa fall är siffran minst 2000 cykler. Andra utvecklingsområden är förbättring av säkerheten, minskade kostnader för framställningen av batterierna och att öka energi- och effektdensiteten ytterligare. En viktig aspekt är också att minska koldioxidutsläppen för tillverkning av litiumjonbatterier. Idag uppskattas att ett batteri som kan lagra 1 kwh ger ett utsläpp på 70 kg CO 2 vid tillverkning [15]. Den fysiska tillgången på litium är dock inget större problem. Uppskattningsvis 30 % av världens kända litiumtillgångar skulle åtgå om världens alla 800 miljoner bilar och lätta lastbilar skulle få varsitt 15 kwh batteri. Då är inte litiumtillgångar i haven inräknade [15]. Idag har ett standard litiumjonbatteri för fordonsapplikationer en energitäthet på omkring 100 Wh/kg[6]. Det innebär idag att en lång aktionsradie för en elbil ges på bekostnaden av en tung elbil med sämre prestanda. Ett batterisystem på 350 kg och en energiförbrukning på 1,5 kwh per mil ger en räckvidd på drygt 233 km, se beräkning nedan. 350 kg * 0,1 kwh / kg 35 kwh 233 0,15 kwh / km km 35 kwh Men redan nu finns framtagna batterier med den dubbla energidensiteten [6] vilket är 5 gånger mer än energidensiteten för traditionella bly-syrabatterier [15]. Forskningen kring billigare och bättre katodmaterial går också framåt. Bland annat testas batterier med nya typer av katodmaterial där det dyra grundämnet kobolt bytts ut mot billigare alternativ [6]. På Uppsala universitet har ett billigare katodmaterial, järnsilikat, testats med framgång Laddningsalternativ Beroende på batteriladdaren, batteriet och säkringen för eluttaget kan elbilar laddas olika snabbt. Om alla tre faser används kan tre gånger så mycket effekt tillföras vid samma säkringsnivå. De flesta eluttag i svenska hem har en 10 A eller 16 A säkring och går på en fas. Det samma gäller för motorvärmaruttag. Det behövs alltså ingen större infrastrukturutbyggnad för att det ska vara möjligt för ett stort antal bilar att ladda från dessa uttag. 29

32 Följande kategorisering av laddningshastigheten har gjorts efter enkla uppskattningar i en Elforskrapport [6]. Tabell 2. En enkel klassificering av laddningstider för ett 8 kwh Litiumjonbatteri utifrån tillgängligt eluttag. Klassificering av laddningen Eluttag Effekt Laddningstid för 8 kwh batteri. 100 % SOC Långsamladdning 10 A, 230 V, 1-fas 2,3 kw 3 h 30 min 16 A, 230 V, 1-fas 3,7 kw 2 h 15 min Semisnabb 16 A, 400 V, 3-fas 11,1 kw 45 min 32 A, 400 V, 3-fas 22,2 kw 22 min Snabbladdning 63 A, 400V, 3-fas 43,6 kw 12 min Think City kommer att kunna laddas med de båda alternativen för långsamladdning. Det ger en laddningstid på timmar för fullt batteri på 28,2 kwh. Laddning till 80 % av full laddning går i praktiken betydligt snabbare än 80 % av full laddningstid [16]. Det krävs en hög tillgänglighet hos eluttag för att en långsam laddning användas i större skala. En studie i Kalifornien har visat att bara omkring % skulle ha möjlighet att ladda sin elbil över natten[14]. På Öland torde den siffran vara betydligt högre eftersom 90 % av befolkningen bor i småhus, se avsnitt 3, vilka ofta har tillgång till eluttag för bilen. I Sverige finns fördelen att det på många parkeringar finns tillgång till eluttag för motorvärmare, vilka lika väl skulle kunna användas för långsam laddning av elbilar. Därför kommer långsam laddning att användas i modellen för laddning av elbilar på Öland, se avsnitt Vehicle to Grid, V2G Om elektrisk effekt kan tas ut från elnätet kan det också levereras till elnätet. Elbilar skulle kunna leverera el ifrån sitt batteri till nätet. Funktionen skulle kunna användas som reservkraft vid strömavbrott, reglerkraft för att hålla nätfrekvensen och för klara effekttoppar [14]. Denna funktion finns med i två laddningsalternativ, L2 och L3, för elbilar på Öland i framtiden. 30

33 5 Insamlade data till modellen 5.1 Belastningsdata Data för belastningen kommer från transformatorn 130/50 kv AC i Linsänkan, se karta i Bilaga A, under perioden till Under 2007 var den vanligaste belastningen 32,5 (± 1,25) MW som uppmättes under drygt 10 % av årets timmar. Det är timvärden, ÖBEL(t k ), för den aktiva effekten, P, som har använts i modellen. I Figur 10 ses att gränsvärden för effekten i kabeln sträckt sig från knappt 70 MW (import av el till ön) till -7 MW (export av el). Export av el har inträffat endast några få procent av år Sambandet i Ekvation5 för tillförsel av el på Öland ger att: export av el från Öland innebär att ÖBEL(t k ) < 0 import av el till Öland innebär att ÖBEL(t k ) 0 Figur 10. Figuren visar ett frekvensdiagram av timvärden från belastningen i kabeln mellan fastlandet och Öland under år Om 90 MW extra vindkraft byggs utifrån det som fanns i slutet av år 2007, så innebär det att effekten vid export skulle kunna uppgå till -90 MW vilket är maxbelastningen i reservmatningskabeln (se vidare avsnitt 5.5). Det är alltså detta som ligger till grund för E.ON Näts utredning, som har fastslagit att 90 MW vindkraft extra kan byggas utöver den vindkraft som fanns i slutet av år

34 5.2 Vindkraft på Öland De data som samlats in är dels ackumulerade timvärden för hela Ölands vindkraft under 2007, ÖVIND2007(t k ), men även ett års timvärden från vindkraftverk i fyra olika parker. Samtliga platser kan ses på kartan över Öland i avsnitt 3. Tabell 3 Sammanställning av vilka enskilda verk som data samlats ifrån. Plats antal typ Effekt [MW] tornhöjd[m]/rotordiameter [m] Stora Istad 5 Enercon 1,95 78/82 Wannborga 2 Vestas 0,85 44/52 Kastlösa 8 WindWorld 0,6 40/42 Grönhögen 2 Vestas 0,225 30/27 De insamlade timvärdena är hämtade från mycket olika typer av vindkraftverk. Förutom att vindläget skiljer sig något mellan de platser där verken står har de alla olika egenskaper som spelar in på vad de ger för uteffekt. Exempelvis ses i Tabell 6 att tornhöjden skiljer sig avsevärt mellan de olika verken. Även kvoten mellan den svepta arean och nominella generatoreffekten(märkeffekten) är betydelsefull. Skillnaderna gör att valet av vindkraftverk som data kommer ifrån måste beaktas då en modell konstrueras. Vindkraftverken i Stora Istad är idag troligen de mest representativa för framtida vindkraftverk. Som synes i Figur 11 har verken i Stora Istad en låg uteffekt en mindre andel av tiden jämfört med de andra. Medeleffekten från en sådan vindkraftspark är således högre än en motsvarande park med vindkraftverk från exempelvis Kastlösa. 32

35 3% 8% 13% 18% 23% 28% 33% 38% 43% 48% 53% 58% 63% 68% 73% 78% 83% 88% 93% 98% Jämförelse av uteffekten från vindkraftverk på Öland frekvens 40% 30% 20% 10% 0% Stora Istad Wannborga Kastlösa Grönhögen Effekt/Nominell effekt Figur 11. Jämförande histogram med en frekvensfördelning som visar hur stor del av tiden som elgenereringen sker med en viss andel av full effekt. 5.3 Elkonsumtionen under år 2007 på Öland Genom att subtrahera timvärden för den tillförda elenergin från vindkraften på Öland, ÖVIND2007(t k ), från timvärden för import(+)/export(-) av elenergi via kabeln till ön (belastningen), ÖBEL2007(t k ) så fås timvärden för den sammanlagda elkonsumtionen på Öland inklusive förluster(lasten), ÖLAST2007(t k ). Ekvation5. Sambandet mellan timvärden för lasten, belastningen i kabeln och generad vindel på Öland ÖLAST t ) ÖBEL ( t ) ÖVIND ( t ) för 1 k 8760 ( k k k Där ÖVIND(t k ) 0 ÖLAST(t k ). 33

36 00:30 12:30 00:30 12:30 00:30 12:30 00:30 12:30 00:30 12:30 00:30 12:30 00:30 12:30 ÖLAST MWh/h Figur 12 visar hur lasten på Öland varierar under en vintervecka respektive en sommarvecka under år Under sommarveckan så skiljer det något mera mellan lägsta lasten och högsta lasten på dygnsnivå, ca % lägre på natten. På vintern är lasten % lägre på natten. Under vintersöndagar skiljer sig lastens mönster väsentligt. ÖLAST Vinter och Sommar ÖLAST JAN ÖLAST JULI Tid[timmar] Figur 12. Timvärden för elkonsumtionen på Öland under en januarivecka (15-21 jan) och en julivecka (9-15 juli) med början på en måndag. 5.4 Vindkraft i framtiden på Öland Vid en utbyggnad av vindkraften med befintligt elnät på ön, ungefär 135 MW, skulle vindkraften kunna generera i medeltal ungefär lika mycket elektrisk energi som konsumtionen på Öland, 340 GWh/år, vid 28 % fullasttimmar. Länsstyrelsen i Kalmar län har tillsammans med de båda kommunerna på Öland tagit fram 19 platser som lämpar sig för utbyggnad av vindkraft, se Figur 13. Detta har gjorts för att på ett oberoende sätt ta fram områden där vindkraftverken påverkar sin omgivning så lite som möjligt, för att minimera inverkan på landskapsbilden. Det innebär bland annat att bibehålla stora områden fria från vindkraftverk. På så vis kan turismens värde för ön bevaras samtidigt som Öland blir självförsörjande på elenergi. Utredningen har även syftat till att utbyggnaden av vindkraften ska ske så effektivt som möjligt [42]. 34

37 Företaget Eolus Vind AB, som stod för uppförandet av vindkraftsparken i Stora Istad, projekterar även mer vindkraft på Öland. De uppger på sin hemsida att etablering av vindkraftverk på 7 platser på Öland planeras och att vissa parker redan har tillstånd. Vid de flesta platser planeras för 5 stycken 2 MW vindkraftverk av samma typ som i Stora Istad [34]. En modell för den utbyggda vindkraften på Öland bör alltså innehålla en stor andel av dessa vindkraftverk (Enercon E-82). Även andra intressenter för etablering av vindkraft på Öland finns. Det har funnits en debatt om hur en finansiering av en extra sjökabel mellan Öland och fastlandet skulle gå till. Bland annat har en part vädjat om pengar hos regeringen för förstärkningen av elnätet[35]. Detta ledde fram till en utredning utförd av nätägaren, E.ON Nät. E.ON Nät har tagit fram riktlinjer för hur vindkraftsutbyggnaden ska ske för att elnätet på Öland ska klara av en ökad elgenerering. Som nämnts innan är det kapaciteten på kabeln över Kalmarsund som är det mest kritiska vid en kraftig utbyggnad. E.ON Nät:s utredning har kommit fram till en gräns på maximalt 135 MW installerad vindkraftskapacitet och att den kommande utbyggnaden måste ske på följande vis: Ca 30 MW vindkraft kan anslutas direkt på regionnätet, 50 kv, vid Linsänkan i mitten av Öland Ca 30 MW kan anslutas i norra delarna av Öland. Det finns där inget krav att det ska vara anslutning direkt på regionnätet, 50 kv. Ca 30 MW kan anslutas i de södra delarna av Öland med samma krav som för de norra delarna. I modellen över vindkraften på Öland kommer tre olika nivåer för installerad effekt för vindkraften på Öland att testas. Dessa nivåer baseras på den karta som länsstyrelsen i Kalmar län tagit fram över vindkraftutbyggnaden på Öland, se Figur 13, på E.ON Näts utredning över vad landöverföringen klarar av, samt på information om vilka vindkraftverk som planeras i dagsläget. Alternativ V1, 135 MW installerad effekt. Alternativ V1 representerar den bedömda nivå som E.ON Nät satt som en gräns för vad befintligt elnät klarar av. Främst är det landöverföringens kapacitet för export av vindel som är den svaga länken. Det är också vid denna nivå som det är beräknat att Öland blir självförsörjande på el. En installerad effekt på 135 MW representeras i modellen av 13,5 parker på 10 MW av samma typ som Stora Istad. All befintlig vindkraft antas vara avvecklad. Utbyggnaden sker enligt de riktlinjer som E.ON angivit för att möjliggöra utbyggnaden med befintligt elnät. Alternativ V2, 190 MW installerad effekt Alternativ V2 är den nivå som uppfylls då samtliga 19 utredningsområden, Figur 13, byggs ut med vindkraftparker av samma typ som Stora Istad, 19*10 MW och att befintlig vindkraft avvecklas till år Alternativ V3, 250 MW installerad effekt 35

38 Alternativ V3 är motsvarande nivå som V2 med skillnaden att den befintliga vindkraften (år 2008 är den ungefär 55 MW) ersätts med lika mycket installerad effekt nya vindkraftverk av samma typ som i Stora Istad. Totalt blir det 25 parker av samma typ som i Stora Istad. I både V2 och V3 förutsätts att mindre lokala förstärkningar av elnätet på Öland görs medan landförbindelsen är den samma som idag. Figur 13. Karta över Öland som visar de 19 områden som Länsstyrelsen i Kalmar län tillsammans med kommunerna på Öland tagit fram över lämpliga områden för utbyggnad av vindkraft på Öland [46]. 36

39 5.5 Kabeln över Kalmarsund Det finns en överföring av el till och från Öland som ansluter på Öland vid Linsänkan, LIN, se karta i Bilaga A. Den består av en sjökabel för växelström med en nominell spänning på 130 kv och en maximal effektöverföring på 140 MW. Under längre stunder kan dock inte effekten vara så hög utan är i praktiken knappt 120 MW [41]. För att kunna säkra elförsörjningen på Öland vid avbrott på 130 kv-kabeln finns en reservmatningskabel på 50 kv med en kapacitet på ca 90 MW. Det innebär i praktiken att belastningen vid import, C import, måste hållas under 90 MW[41] på huvudkabeln, 130 kv, för att undvika en större bortkoppling av lasten på Öland vid ett reservmatningsfall. Belastningen vid export, C export, kan dock vara ca -120 MW om det är möjligt att snabbt nedreglera och koppla ur elproduktion på Öland till 90 MW så att reservmatningskabeln, 50 kv, klarar belastningen. E.ONs utredning har dock utgått från 90 MW gränsvärde för belastning i båda riktningar. Anledningen att detta kommer att frångås i denna rapport är antagandet om att de nya vindkraftverk som byggs har en snabb respons för att reglera ned effekten till 90 MW. Öland Vindkraft (pitchreglerad) Last Maximal import 90 MW Maximal export 120 MW Fastlandet Vindkraft Last Annan elkraft Tabell 4. Antagna gränsvärden för nettoöverföring av elektrisk effekt [MW] till/från Öland. Cimport Cexport 90 MW 120 MW 5.6 Personbilar och resvanor Antalet av vägverket registrerade bilar i de båda kommunerna uppgick vid slutet av år 2006 till sammanlagt 13269, se Tabell 5. Hur många av dessa som användes regelbundet är svårt att säga. En övervägande del, 93 %, var bensindrivna medan 6,5 % drevs med diesel. Endast 0,5 % av bilarna drevs med något annat än bensin eller diesel. 37

40 Tabell 5. Statistik över personbilsparken på Öland uppdelad i kommun och drivmedel vid slutet av år 2006, angivet i antal bilar[28]. Kommun Bensin Diesel El Etanolhybrid/E85 Övriga hybrider Naturgas/Biogas Övriga Totalt BORGHOLM MÖRBYLÅNGA Totalt Statens Institut för Kommunikationsanalys, SIKA, har i samarbete med Statistiska Centralbyrån, SCB, tagit fram statistik över antal bilar, bränsleförbrukning och resvanor för olika kommuner och regioner i Sverige. Värden för genomsnittliga årliga bränsleförbrukningen per bil för Borgholms och Mörbylångas kommuner har förts in i Tabell 6. Genom dessa uppgifter har en beräkning av de öländska personbilarnas energiförbrukning gjorts. Den har skett genom att kombinera Tabell 5 med Tabell 6 samt att använda värden på det effektiva värmevärdet hos bensin (8,7 MWh/m 3 ) och diesel (9,8 MWh/m 3 ) [22]. Antagandet är att antalet bilar under 2007 var konstant och att de 0,5 % av bilarna som inte använder bensin och diesel försummas. Energiförbrukningen blir då 132,6 GWh fördelat på bensin och diesel. Detta ska jämföras med transporternas totala energiförbrukning på Öland år 2006 som var 205,4 GWh [31]. För hela Sverige användes år TWh till transporter varav ungefär 45 TWh användes till personbilar [6]. Tabell 6 Statistik över 2007 års förbrukning hos en medelbil uppdelat på kommun och drivmedel [29]. För beräkningar används det effektiva värmevärdet (9,8 MWh/m 3 ) för diesel MK1 och 8,7 MWh/m 3 för motorbensin[22] Diesel Bensin Diesel Bensin Totalt l/medelbil/år l/medelbil/år MWh/medelbil/år MWh/medelbil/år GWh/år Borgholm ,1 9,5 59,9 Mörbylånga ,5 9,4 72,7 132,6 Ett problem som uppkommer då en uppskattning av energiförbrukningen för personbilar på Öland ska göras är att förbrukningen är starkt säsongsberoende. En vanlig tumregel för Öland säger att befolkningen tiodubblas på sommaren[9]. Data för antal bilar som befinner sig på Öland under olika tidpunkter är svåra att hitta. För att göra en uppskattning används istället uppgifter om trafikflödet på Ölandsbron. Antagandet är att trafiken på bron är direkt proportionell mot antal bilar som befinner sig på Öland. Det innebär att följande antaganden görs: Antalet bropassager per bil och dag antas vara konstant över året. 38

41 Antal bilar [tusental] antalet bilar som befinner sig på Öland är som lägst under vecka Det är lika med antalet registrerade bilar vid slutet av 2006, se Tabell 5. Vid viktning mot trafikflödet på Ölandbron [18] så uppskattas det att som mest finns ungefär bilar momentant på Öland, ungefär 2,5 gånger fler än på vintern. I Figur 14 visas den uppskattade variationen av antalet bilar på Öland under år Om alla extra bilar på Öland har samma genomsnittliga körsträcka och bränsleförbrukning som de öländska bilarna, så blir den totala energiförbrukningen för bilar som befinner sig på Öland under året 189 GWh. Uppskattade variationen av bilar på Öland Vecka Figur 14. Uppskattning av antal bilar som befann sig på Öland år Sambandet mellan antalet registrerade bilar på Öland och trafiken över Ölandsbron användes för uppskattningen. 5.7 Antal elbilar i framtiden på Öland Antalet elbilar på Öland redovisas i 5 scenarier: inga elbilar, låg, måttligt, hög och extrem tillväxt av elbilar. Som underlag för dessa antaganden har rapporten Plug-in hybrider - Elhybrider för framtiden, Elforsk rapport 08:10 [6], utnyttjats. I rapporten är fyra olika scenarier framtagna för hur stor ökningen av plug-in hybrider kommer att vara fram till år 2030 i Sverige. Tillväxten av bilflottan uppskattas till 0,8 % per år och bränsleförbrukningen antas minska till 81 % av dagens fram till Det innebär vid linjär extrapolering en sänkning till 90 % år 2020 jämfört med 2007 års nivå. Osäkerheterna i dessa scenarier är bland annat utvecklingen av antal bilar, resvanor, hur elbilar påverkar utvecklingen, priser och skatter på bränsle. Dessa scenarier kommer användas och appliceras på Öland till år Istället för plug-in hybrider, som i genomsnitt använder en förbränningsmotor 30 % av sträckan [6], kommer rena elbilar med ett batteri på 28,2 kwh att 39

42 antal elbilar användas med samma prestanda som de norska elbilar som hemtjänsten i Borgholms kommun kommer att använda, se avsnitt Scenario 0, S0. Ett referensscenario där inga elbilar introduceras. Scenario 1, S1. Långsam tillväxt av elbilar 11,5 % av bilflottan är elbilar. För Öland innebär S1 att prognosen över antalet elbilar under år 2020 ses i Figur 15. Scenario 2, S2. Måttlig tillväxt 1 miljon Elbilar till 2020 ca 21 % för hela Sverige. För samma utveckling på Öland, se Figur 15. Scenario 3, S3. Hög tillväxt 1,25 miljoner Elbilar till 2020, ca 26 %. För Öland, se S3 i Figur 15. Scenario Extrem, Se. Förbud mot förbränningsmotorer införs 100 % av bilflottan är elbilar. Se för Öland, se Figur 16. I Figur 15 visas S1, S2 och S3 separat för att lättare kunna urskiljas. I Figur 16 ses samtliga scenarierna för elbilsutvecklingen på Öland. Flest elbilar uppskattas finnas under vecka 28, med 4274 elbilar enligt S1, 7805 elbilar enligt S2, 9669 elbilar för S3 och ungefär elbilar för Se. Uppskattad årsvariation av elbilar på Öland år S3(26%) S2(21 %) 4000 S1(11,5%) tid[vecka] Figur 15. Uppskattad årstidsvariation av elbilar på Öland år Variationen uppskattas från underlaget i Figur

43 antal elbilar Uppskattad årsvariation av elbilar på Öland år tid[vecka] S3(26%) S2(21 %) S1(11,5%) Se(100%) Figur 16. Uppskattad årstidsvariation av elbilar på Öland år 2020 inklusive scenariot med 100 % elbilar (översta kurvan). 6 Modellbeskrivning Modellen bygger på den metod som beskrivs i avsnitt 4.4.2, där storleken på den instängda vindenergin, W, uppskattas. Den kallas för en direkt metod eftersom den använder synkroniserade dataserier och tar hänsyn till den verkliga korrelationen mellan timvärden för belastningen och simulerade timvärden för vindkraftsproduktionen. Alternativet är att använda någon form av sannolikhetsfunktion [12]. I det här fallet kommer synkroniserade timvärden under ett år för vindelgenereringen, (ÖVIND2020(t k )), och elkonsumtionen inklusive förluster (ÖLAST2020(t k )) användas. I elkonsumtionen ingår timvärden för elbilsladdningen (EBLadd(t k )). Dessa ger slutligen timvärden för nettoöverföringen av el till och från Öland, ÖBEL2020(t k ), vilket ges av sambandet i Ekvation 6. Ekvation 6. Sambandet för lasten, belastningen i kabeln och vindel på Öland ÖBEL t ) ÖLAST ( t ) ÖVIND ( t ) för 1 k 8760 ( k k k där ÖVIND(t k ) 0 ÖLAST(t k ). Eftersom att inga sådana timvärden existerar idag måste modeller för att generar dem byggas. 41

44 6.1 Generella antaganden för hela modellen Den tillgängliga transmissionskapaciteten kommer att vara konstant under det år som simuleras. Exempelvis sker aldrig några avbrott så att reservmatningskabeln måste användas. Avsättning finns för all elproduktion som når fastlandet. Endast aktiv effekt kommer att behandlas. Distributionen av last och generering av vindel på Öland är sådan att inga trånga sektorer uppstår på ön. Alternativt förstärks regionnätet på ön. 6.2 ÖLAST2020- Elkonsumtion på Öland år 2020 ÖLAST2020 (t k ) kommer att anta samma värden som ÖLAST2007(t k ) men med timvärden från elbilsladdningen adderade, se exempel på ÖLAST2007(t k ) i Figur 12. Förutsättningen för detta antagande är att inga stora förändringar i elkonsumtionen på Öland tillkommer till år 2020 jämfört med situationen år 2007 förutom den tillkommande elbilsladdningen. En ökad användning till följd av befolkningsökning bör kunna kompenseras av en effektivisering. ÖLAST2007(t k ) är framtagen från data som inhämtats från E.ON Näts driftcentral i Malmö [45]. Genom att kombinera synkroniserade timvärden under år 2007 från nettoöverföringen vid transformatorstationen (130/50 kv), ÖBEL2007(t k ), med aggregerade timvärden från hela Ölands vindkraftspark, ÖVIND2007(t k ), fås timvärden för ÖLAST2007(t k ), se avsnitt 5.3. För att generera ÖVIND2020(t k ) och EBladd(t k ) måste mer ingående antaganden göras. Modellerna kommer att beskrivas i avsnitten som följer. I Figur 17 nedan beskrivs hur de olika delarna i modellen hänger ihop. ÖVIND2007 SIstad0807 Wannborga Grönhögen Kastlösa ÖLAST2007 ÖBEL2007 M 1 och M2 ÖVIND2020 ÖLAST EBLadd = ÖBEL2020 L1 L2 L3 EBLadd ÖBEL2020 W Figur 17. Figuren visar strukturen för data och modeller. Se kapitel Förkortningar och definitioner för förklaring av de olika förkortningarna. 42

45 6.3 Vindmodellen för att skapa ÖVIND2020(tk) För att simulera uteffekten från vindkraften, ÖVIND2020(t k ), kan olika modeller användas. Den bästa metoden är att använda sig av vinddata som via effektkurvor för vindkraftverken ger uteffekten. Tillräckligt bra vinddata med hög tidsupplösning har inte funnits att tillgå för detta ändamål. Istället kommer insamlade timvärden från befintliga vindkraftverk att utnyttjas. Timvärden från fyra enskilda vindkraftsparker, förutom de aggregerade timvärdena för hela Öland, har inhämtats. Två olika förutsättningar för modellen kan väljas. 1. Den ena är att anta att alla vindkraftverk på Öland möter samma vindstyrka vid varje given tidpunkt. Detta innebär att uteffekten från alla Ölands vindkraftverk betraktas som ett stort vindkraftverk. Den utgångspunkten används i Modell 1, M1. 2. Den andra är att i modellen försöka beskriva den korrelation i uteffekten som finns mellan vindkraftverk på olika delar av Öland. På en yta som är lika stor som Öland uppstår trots allt en viss utjämning av uteffekten då vinden vid ett givet tillfälle varierar mellan olika platser på ön. I Modell 2, M2, används korrelationen mellan de fyra vindkraftsparkerna. De båda modellerna, M1 och M2, kommer att generera timvärden för de tre olika expansionsnivåer för vindkraften på Öland som definieras i avsnitt 5.4. V1 innebär 135 MW, V2 innebär 190 MW och V3 innebär 250 MW M1: Modell med alla verk adderade till ett stort I M1 kommer inte korrelationen i uteffekten mellan olika vindkraftlägen att beaktas. M1 är ingen simulering av timvärden, utan modellen är helt baserad på verkliga värden. Data kommer från tidsserien med timvärden från produktionen från Stora Istad under tiden 1 januari 2008 till 14 oktober 2008 som kompletterats med tidsserien från 15 oktober 2007 till 31 december 2007 är utgångspunkten för modellen. Anledningen till att tidsserier från två olika år har använts är att vindkraftparken togs i bruk först under våren Hela tidsserien från år 2008 kunde inte användas då data insamlades i oktober år För att få timvärden från ett helt år kombinerades därför åren 2007 och 2008 till SIstad0807(t). Tidsserien SIstad0807(t k ) multipliceras med en faktor för att ge rätt installerad effekt. Vindkraftsparken i Stora Istad har en installerad effekt på 10 MW. Ekvation7. Ett enkelt samband för simulera timvärden för vindelgenerering på Öland år 2020 enligt modell M1. ÖVIND 2020 ( t ) x SIstad 0807 ( t ) k k för 1 k 8760 X kommer att varieras enligt scenarier för utbyggnaden. För V1 är x = 13,5 och för V2 är x = 19 och för V3 är x = 25, se avsnitt

46 6.3.2 M2: Modell med hänsyn till korrelationen i uteffekt Denna modell använder sig av den framtagna korrelationen i uteffekt från fyra olika befintliga vindkraftparker under perioden 1 maj 2007 till 31 dec 2007, se avsnitt 5.2. Data kommer från E.ON Näts driftcentral i Malmö. Korrelationen mellan verken ses i Tabell 7. Tabell 7. En Symmetrisk matris innehållande korrelationen i uteffekt mellan fyra befintliga vindkraftsparker under större delen av år Stora Istad Kastlösa Grönhögen Wannborga Stora Istad 1 0,726 0,725 0,846 Kastlösa 0, ,868 0,779 Grönhögen 0,725 0, ,784 Wannborga 0,846 0,779 0,784 1 Stora Istad är den vindkraftpark som utgör basen i modellen. En AR-modell skapas av timvärden från Stora Istad, SIstad0807(t k ), i system identification tool i Matlab. enligt avsnitt 2.3. Sambandet i Ekvation8 simulerar fyra olika tidsserier, y 1-4, som var och en representerar timvärden från elgenereringen från en 10 MW vindkraftspark av samma typ som Stora Istad och med en inbördes korrelation enligt Tabell 7. Ekvation8. Stokastisk parameterskattad modell som ger simulerade timvärden för vindelgenereringen på Öland år y t ) 0,9327 y( t ) e ( t ) för 1 k 8760 ( 1 4 k k k Där e(t k ) är ett korrelerat brus som skapas ur kovariansmatrisen i Tabell 7. Eftersom modellen skapas av data som innehåller diskontinuiteter måste gränsvärden för predikterade värden införas. Exempelvis kan inte timvärden för uteffekten bli högre än märkeffekten på 10 MW och inte heller lägre än 0 MW. Alltså gäller att 0 y Införandet av begränsningar innebär dels att variansen för tidsserien blir lägre än vad den borde och dels att korrelationen ökar mellan de olika tidsserierna y 1-4. Två kompenseringar för dessa brister görs genom att en konstant framför bruset, e(t k ), ökar variansen för y 1-4 så att ungefär samma varians som för SIstad0807(t k ) uppnås. Den andra kompenseringen är att en liten slumpvariabel (med en varians = 0,2) införs för de värden som korrigeras upp eller ned av gränsvärden. Det gör att dessa inte hamnar exakt på gränsvärdet och därmed ökar korrelationen mellan y 1 -y 4 något. 44

47 Varje enskild tidsserie, y 1 -y 4, multipliceras sedan med en faktor för att uppnå nivån för den installerade effekten för de olika scenarierna. Ekvation9. Sambandet för att ge önskad installerad effekt hos Ölands vindkraft år 2020 enligt modell M2. ÖVIND 2020 ( t ) x * ( y ( t ) y ( t ) y ( t ) y ( t )) k 1 k 2 k 3 k 4 k för 1 k 8760 För V1 är x = (135/40)=3,375 och för V2 är x =(190/40)=4,75 och för V3 är x = (250/40)=6,25. ( Division med 40 görs därför att y 1 -y 4 ger en effekt på 40 MW). 6.4 Modell för elbilsladdning på Öland år 2020 En mängd olika förenklingar och antaganden måste göras för att på ett enkelt sätt och inom tidsramarna för examensarbetet göra en modell av laddningen av elbilarna på Öland år Totala körsträckan för genomsnittsbilen på Öland, 1410 mil, delad med årets dagar blir det 3,86 mil/dag. Medelkörsträckan per dag omfattas även av bilar på tillfälligt besök. I Tabell 8 ses energianvändningen för de olika scenarierna. 187 GWh bensin och diesel motsvarar alltså 55,2 GWh tillförd el som energibärare till de framtida elbilarna. Tabell 8. Tabellen visar hur mycket el respektive bränsle som måste tillföras för respektive scenario. S0 är scenariot utan bilar och Se är scenariot med bara elbilar. El[GWh] Bränsle[GWh] S0 (0 % elbilar) 0,0 187,0 S1 (11,5 % elbilar) 6,4 165,5 S2 (21 % elbilar) 11,6 147,7 S3 (26 % elbilar) 14,4 138,4 Se (100 % elbilar) 55,2 0,0 45

48 6.4.1 Allmänna antaganden 1. För de olika scenarierna kommer årstidsvariationen av antalet bilar som behöver laddas bestämmas av uppskattningarna visades i Figur 15 och Figur Reslängden per elbil, 1410 mil, är samma som personbilarna på Öland färdades i genomsnitt per år under tiden 1998 till 2007 [29]. 3. Reslängden per dag är konstant över året. Det innebär att en bil kör i snitt lika långt en vecka på sommaren som en vecka på vintern. 4. Antalet bilar på Öland är konstant under en och samma vecka. 5. Energiförbrukningen är 1,66 kwh el/mil för de antagna elbilarna [47]. En batterikapacitet på 28,2 kwh ger en körsträcka på 170 km enligt europeisk körcykel [47]. 6. Medelförlusterna i elnätet på Öland under året antas vara 7,8 % enligt uppgifter från SCB. 7. Verkningsgraden för laddaren antas vara 95 % [47]. 8. Endast aktiva effektflöden kommer att beaktas. 9. Laddningen sker med konstant effekt under hela laddningen. 10. För ett batteri med kapacitet på 28,2 kwh antas att ett genomsnitt på 44 % SOC, State of Charge, vara tillräckligt för att bilparken ska påbörja ett dygns resande. I genomsnitt kommer ett dygns resor att ta 22 % av batteriets kapacitet i anspråk, ca 6,3 kwh. 11. Ingen hänsyn tas till ökad energiåtgång för klimatanläggning under vinter eller sommar. 12. Maximalt antal bilar som kan ladda varje timme utgår ifrån data när folk startar sin resa i Figur 18. Resande bilar den timmen och timmen innan bedöms då inte kunna ladda aktuell timme. Maximal last från laddning av elbilar blir antal bilar multiplicerat med andel stillstående bilar i Figur 16 då dessa använder aktuell laddeffekt. 13. Laddningen kommer inte att orsaka flaskhalsar i regionnätet på Öland då bilarna vid laddningstillfällena kommer att vara jämt fördelade på elnätet. 46

49 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 stillastående bilar Andel bilar som teoretiskt kan ladda 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Figur 18. Andel bilar som teoretiskt kan laddas vid olika tidpunkter på dygnet. Data bygger på uppgifter om när på dagen allmänna resor startar och hur lång tid en genomsnittlig bilresa varar [17] Modellspecifika antaganden för elbilsladdning Tid på dygnet Tre olika modeller för elbilsladdning kommer att användas, L1, L2 och L3. Dessa innefattar antaganden om tid och tillgänglighet för laddningen med utgångspunkt från uppgifter om resvanor i Figur 18. Laddningseffekt och batteristorlek ändras vid ett av scenarierna. Samtliga modeller innefattar till viss del fjärrstyrning av laddningen av elbilar. Fjärrstyrningen innebär in- och urkoppling av elbilsladdningen så att gränserna för ÖBEL2020(t k ) försöker hålls inom C export. In- och ur koppling av elbilssladdning har begränsats så att de inte kommer att inverka på de körsträckor och resvanor som antas i modellerna. Laddningen antas ske i hemmet, på jobbet och på parkeringsplatser runt om på Öland med vanliga 10 och16 ampere enfasuttag. Timvärden för laddningen benämns som EBladd(t k ). Varje enskild modell beskrivs närmare nedan Alternativ L1, Modellen för nattladdning Modellen utgår från att elbilarna på Öland endast laddas nattetid, kl Under den perioden kommer lasten från laddningen aldrig att överskrida den maximala laddeffekten från laddningen av det antalet bilar som står stilla en viss tidpunkt enligt Figur 18. De eluttag som används har en 10 A säkring vilket ger en effekt på 2,3 kw. Under dagtid kl kommer ingen laddning av att ske. De eventuella elbilar, som inte kommer att kunna laddas tillräckligt under natten, antas vara försumbara. 47

50 Summan av en natts laddning kommer att kunna varieras för ett bestämt antal bilar. Den kommer inte automatiskt att bli exakt samma som den genomsnittliga förbrukningen per dygn, dygnenergi. Detta görs genom att sätta en gräns för den lägsta genomsnittliga energinivån, LagerL. Det är energin för den dubbla genomsnittliga körsträckan eller 44 % av batterikapaciteten hos elbilsflottan och måste minst uppfyllas varje dag klockan 06:00. Som mest blir självfallet batterierna 100 % laddade och får då en energinivå som benämns som LagerH. Batterinivån i bilarna kommer alltså att befinna sig mellan % klockan 06:00 varje morgon. Alla gränsvärden uppdateras sedan beroende på hur många bilar som finns på Öland. I Bilaga D finns programmet för laddningen av bilarna och programmet för gränsvärden för laddeffekten och summan av nattladdningen Alternativ L2, Modellen för laddning dygnet runt Modellen innebär att bilarna kan laddas under hela dygnet och att det i viss mån kommer att laddas tillbaka el från bilarna till nätet enligt principen beskriven i avsnitt 4.6. Under natten används samma villkor för laddningstillgänglighet som i L1. Under dagen antas att 50 % av bilarna, som är stillastående enligt Figur 18, har tillgång till eluttag där de befinner sig. Det kan vara i hemmet, på arbetet eller köpcentrum eller dylikt. Eluttagens effekt är även här 2,3 kw. Även i denna modell kommer samma krav på energilagret i bilflottans batterier att finnas. Det innebär att minst dubbelt så mycket energi som den genomsnittliga dygnskörsträckan kräver, finns i batterierna klockan 06:00 varje dag. Av de bilar som har möjlighet att ladda vid varje given timme på dygnet antas att maximalt 40 % av dessa vill eller har möjlighet att sälja el från sitt bilbatteri för att sälja som systemtjänst åt elnätet, se avsnitt Andelen 40 % är baserad på att den andel av bilarna som gör mycket korta resor, (< 10 km) varje dag och som i övrigt har möjlighet att ha låg SOC i batteriet. Summan av urladdningen kan aldrig överstiga dygnenergi eller motverka att villkoren för lagrad energi i batterierna klockan 06:00 uppfylls, dvs. att den lagrade energin ska motsvara minst den dubbla dygnsmedelkörsträckan ( 2*6,3 kwh) Alternativ L3 Det som skiljer denna modell från L2 är att säkringen i eluttagen för laddningen är 16 A som ger ungefär 3,7 kw vid 230 V och att bilbatteriets lagringskapacitet fördubblas till 56,2 kwh. Scenariot är inte helt orealistiskt med tanke på dagens batteriutveckling. I en exklusiv elbil finns redan Lijonbatterier som har lite drygt 56,4 kwh i lagringskapacitet [36]. 6.5 Kombinera alla delar De genererade tidsserierna ÖVIND2020(t k ) och ÖLAST2020(t k ) används tillsammans med modellerna för elbilsladdning, L1-L3. ÖLAST2007(t k ) och ÖVIND2020(t k ) skapar gränsvärden för när belastningen i kabeln, ÖBEL2020(t k ), blir för stor. Vid dessa tidpunkter kan laddning av elbilar minska belastningen. Samtidigt har modellerna för elbilsladdningen många andra villkor att uppfylla, vilket i vissa fall gör 48

51 att villkoret för belastningen inte kan uppfyllas. En linjärprogrammeringsfunktion i MATLAB sätter in alla gränsvärden, utför beräkningarna och skapar ÖBEL2020(t k ) för ett dygn i taget. I verkligheten innebär det att all information om vindkraftproduktionen och lasten finns för ett helt dygn i taget. Ekvation10. Beskriver sambandet som ger timvärden för belastningen ÖBEL 2020 ( t ) ÖLAST 2007 ( t ) EBLadd ( t ) ÖVIND 2020 ( t ) k k k k där 1 k 8760 och ÖVIND(t k ) 0 och ÖLAST2007(t k ) + EBLadd(t k ) = ÖLAST2020(t k ) Sambandet innebär att export av el från Öland sker för ÖBEL2020(t) <0 medan ÖBEL2020(t) >0 innebär import av el till Öland. En tidsserie med ett års timvärden för belastningen skapas för varje scenario. I bilden nedan finns en gren för varje nivå på utbyggnaden. Med alla kombinationer fås 90 olika ÖBEL2020(t k ), (3*2*3*5 = 90) det vill säga 30 kombinationer för varje nivå på utbyggnaden av vindkraften på Öland. I Figur 19 ses kombinationerna för V2 i de ljusröda rutorna S0-Se. V2 M1 M2 L1 L2 L3 L1 L2 L3 S0 S0 S0 S0 S0 S0 S1 S1 S1 S1 S1 S1 S2 S3 S2 S2 S2 S2 S3 S4 S3 S3 S3 S3 Se Se Se Se Se Se Figur 19 Organisationsschema för modellen vid nivån med 190 MW installerad effekt på Öland, V2. Strukturerna för V1 och V3 ser likadana ut. Förklaringar till de olika alternativen finns i avsnittet Förkortningar och definitioner Worst case scenario År 2007 var högsta och lägsta lasten på Öland 69 MW respektive 7 MW. Om dessa värden används kan ett värsta fall beräknas för belastningen i kabeln över Kalmarsund för varje fall. För import av el är värsta fallet högsta last, dvs. samtliga elbilar laddar samtidigt och vindhastigheten är under 3 m/s på hela Öland. Värsta fallet för exportbelastningen gäller det omvända: minsta last, dvs. ingen elbilsladdning och en vindhastighet mellan m/s på hela Öland med alla vindkraftverk tillgängliga. I Figur 20 visas de värsta scenarierna för export respektive import av el till Öland. 49

52 ÖBEL[MW] Värsta scenariot för belastning vid import/export av el S1 S2 S3 Se L1 och L2 L3 V1 V2 V3 Cimport Cexport Figur 20. Stapeldiagram som illustrerar hur stor belastningen kan bli i värsta fall för de olika kombinationerna av vindkraft och elbilar. S1-Se representeras av andel ebilar på Öland, se avsnitt Instängd vindenergi Beräkningen av den instängda vindenergin för varje kombination sker enligt följande samband W ÖBEL 2020 ( t k ) C för ÖBEL2020(t k )<C export exp ort där W är den instängda vindenergin och C export är maximala kapaciteten för transmissionskabeln vid en nettoexport av el från Öland vilket är -120 MW enligt resonemanget i avsnitt Flaskhals vid import av el till Öland En flaskhals vid import av el kan naturligtvis inträffa. Den kommer dock inte att påverka elgenereringen från vindkraften på Öland. Därför kan detta inte orsaka någon instängd vindenergi. Laddas bilar när det finns tillgång till vindel minskar risken för att de behöver laddas mycket när det är vindstilla och därmed minskas risken för en flaskhals vid import av el till Öland. Uppstår en flaskhals vid import av el ändå kommer det att uppmärksammas i resultatet. 50

53 W [GWh/år] 7 Resultat Tre olika huvudresultat för var och ett av de scenarier som bedömts som mest intressanta kommer att presenteras. Det är dels hur stor den instängda vindenergin W är (om den uppstår) och dels exempel på frekvensfördelning av timvärden, ÖBEL2020(t k ). Det tredje resultatet beskriver självförsörjningsgraden av el för de olika scenarierna. Resultat som anses mindre viktiga för rapportens syfte kommer att placeras i Bilaga C. 7.1 Instängd vindenergi, W Resultaten för V2, 190 MW, är de mest intressanta då påverkan från elbilsladdningen blir mest synlig. För V1, 135 MW, blir W=0 för samtliga scenarier. För V3 blir W extremt stor för alla scenarier vilket gör att det resultatet är mindre intressant. Inget av scenarierna visar att importen av el blir begränsad. Resultat vid en utbyggnad av vindkraften till 190 MW, V L1 (M1) L2 (M1) L3 (M1) L1 (M2) L2 (M2) L3 (M2) S0 6,97 6,97 6,97 7,29 7,29 7,29 S1 6,62 6,04 5,75 7,05 6,47 6,17 S2 5,94 5,36 4,58 6,36 5,65 4,91 S3 5,65 4,72 3,48 6,17 5,25 4,22 Se 4,11 0,61 0,06 5,13 1,32 0,06 S0 S1 S2 S3 Se Figur 21. Samlat resultat för beräknade instängda vindenergin, W, för alla 30 olika kombinationer av ÖBEL2020(t k ) för scenario V2, 190 MW vindkraft. M1 och M2 är två olika modeller som använts för att simulera generad vindel år 2020 från den öländska vindkraften, se avsnitt

54 7.1.1 S S S2 Utan elbilar i scenario S0 ger modellerna M1 och M2 att den instängda vindenergin, W, blir ungefär 7 GWh/år med befintlig transmissionskabel, se Figur 21. Detta motsvarar en dryg årsproduktion från ett 2,5 MW vindkraftverk i ett mycket bra vindläge på Öland (31 % fullasttimmar). 11, 5 % elbilar totalt på Öland ger en minskning i värdet på W på 0,35 GWh (L1) till 1,2 GWh (L3) jämfört med obefintlig elbilsladdning. Då 21 % elbilar antas ökar W för samtliga laddningsaltarnativ jämfört med Se och S3. I enlighet med de övriga nivåerna med elbilar är W minst vid laddningsalternativ L3 och högst vid L1. Skillnaden i värdet på W jämfört med S3 är minst då laddningsalternativ L1 används S3 Vid antagandet om 26 % elbilar i S3 och laddningsalternativ L3 minskar W till ungefär hälften i M1 (3,5 GWh/år) och nästan lika mycket i M2 (4,2 GWh/år) jämfört med då inga elbilar laddas Se För laddningsalternativ, L2, ökar W med 1,2 GWh/år i M1 och med 1 GWh/år i M2 jämfört med W då laddning sker enligt alternativ L3. Då nattladdning antas ökar W med ytterligare 1 GWh/år för både M1 och M2 jämfört med L2. I scenario Se, 100 % elbilar, blir mycket lite vindkraftsenergi instängd om bilarna tillåts ladda även dagtid enligt laddningsalternativ L3. Nästan hela den begränsade exportkapaciteten i scenario S0 på 7 GWh/år kan användas. W blir endast 0,06 GWh/år för både M1 och M2. Elgenerering från 190 MW kan utnyttjas i det närmaste fullt ut med detta alternativ. Det vill säga 55 MW mer (27 stycken 2 MW verk) än de 135 MW som beräknats som maximala gränsen idag. I laddningsalternativet L2 kommer W att bli större: 0,6 GWh/år för M1 och 1,3 GWh/år för M2. Det blir en större skillnad mellan de olika modellerna, men båda visar en kraftig minskning av W jämfört med den i S0. Vid nattladdningsalternativet, L1, kommer värdet på W att vara betydligt högre jämfört med de andra alternativen. Detta är en genomgående trend för samtliga elbilsscenarier. 7.2 Resultat för belastningen i kabeln För att på ett överskådligt sätt visa de simulerade resultaten för belastningen i kabeln kan en frekvensfördelning göras. Då visas hur ofta timvärden inom ett visst intervall uppträder under året. Endast några exempel kommer att visas. För att begränsa informationsmängden, kommer resultaten för V3 inte att redovisas här på grund av det är mindre sannolikt att 250 MW vindkraft byggs ut som det ser ut idag. Inget av de 90 scenarierna har någon överbelastning när det gäller import av el till Öland utan endast vid export. Det beror på att laddningen av elbilar oftast sker då mycket vindel är 52

55 tillgänglig på Öland vilket minskar importbehovet av el. Dock blir inte exporten så mycket mindre av elbilsladdningen att överbelastning helt kan utebli. Några resultat från V2, 190 MW För att visa på skillnaderna i ÖBEL2020(t k ) för de olika scenarierna har två extremfall valts ut. Det första gäller för M1 då inga elbilar laddas, se Figur 22. Det framgår att C import (90 MW) inte överskrids och att den vanligaste belastningen (ca 6 % av året) är ca 30 MW. Värdet på W (6,97 GWh) som redovisats i Figur 21 är summan av staplarna till vänster om C export gånger årets alla timmar. C import och C export representeras i Figur 22 av en lila respektive svart vertikal linje. Figur 22. Diagrammet visar frekvensfördelningen för ÖBEL2020(t k ) då Modell 1 används för S0 (0 % elbilar) och Se (100 % elbilar) med laddningsalternativ L3. Några resultat från V1, 135 MW I Figur 23 visas en frekvensfördelning för ÖBEL2020(t k ) då inga elbilar finns. Modell 2 är använd för att genera vindel i detta fall. Där framgår att ingen överbelastning sker och därför uppstår inte någon instängd vindenergi. Gränsvärden för belastning visas som vertikala linjer. Den vanligaste belastningen är ungefär 10 MW och uppträder 4 % av året. I Figur 24 visas motsvarande diagram då 26 % av bilflottan är elbilar. Ingen större skillnad märks mellan de båda. Fördelningen i Figur 24 är förskjuten något åt höger. 53

56 Procent av år 2020 Frekvensfördelning av ÖBEL2020. M2 med S0 4% 3% 2% 1% ÖBEL2020[MW] Figur 23. Stapeldiagrammet visar frekvensfördelningen för ÖBEL2020(t k ) då 135 MW vindkraft finns på Öland och modell 2 utnyttjas. Inga elbilar laddas. Figur 24. Diagrammet visar frekvensfördelningen för ÖBEL2020(t k ) då 135 MW Vindkraft finns på Öland och 26 % av bilarna är elbilar som laddas enligt alternativ L3. 54

57 GWh/år 7.3 Självförsörjningsgrad av el på Öland I Figur 25 visas hur mycket el som används i respektive scenario samt hur mycket som sannolikt tillförs från vindkraften. Elkonsumtion inklusive laddning av elbilar ingår i S0-Se. För den tillförda elen från vindkraften har en osäkerhet på ±10 % införts för att göra jämförelsen mer realistisk. Resultatet visar att: Med den tillförda elen från V1, 135 MW vindkraft, under ett medelår uppnås självförsörjning för alla scenarier förutom vid Se, 100 % elbilar, där ungefär 92 % självförsörjning uppnås. För V2 uppnås självförsörjning i samtliga fall. Det blir ett överskott på minst % (Se-S0) av den totalt använda elen. Det innebär att den producerade elen bland annat ersätter 187 GWh bränsle per år som personbilarna på Öland beräknas förbruka år 2020 i scenario med 0 % elbilar. Detta motsvarar ett minskat utsläpp av koldioxid på minst ton/år. Detta räknat på att bensin/diesel släpper ut 310 g/kwh i ett livscykelperspektiv [38]. En minskning av de årliga koldioxidutsläppen i Sverige med 20 % till år 2020 jämfört med 1990 innebär en reduktion med 11,3 miljoner ton [20]. För V3 blir överskottet minst % av den totala använda elen. 800 Självförsörjningsgrad S0 S1 S2 S3 Se Använd el(inkl. förluster) V V V Figur 25. Diagrammet visar använd el jämfört med tillförd el under det studerade året. De blå staplar står för använd el på Öland inklusive förluster. 55

58 8 Diskussion Resultatet visar tydligt att laddning av elbilar på Öland år 2020 kan minska den instängda kapacitet som skulle uppstå om vindkraften byggdes ut med befintligt elnät. De frågor som är viktiga att diskutera är: Vad minskningen är värd? Hur genomförs den och vad är kostnaden för den? Vad är alternativkostnaden för att minska den instängda vindenergin W genom att öka kapaciteten genom en extra transmissionskabel? Vad blir den totala kostnaden för vindkraften inklusive elnät i de olika fallen? En extra transmissionskabel som klarar av att överföra all vindel kan sägas vara ekonomiskt motiverad om värdet på den instängda vindenergin är högre än den årliga kapitalkostnaden för en ny transmission [12]. Värdet på den instängda elenergin varierar beroende på det aktuella elpriset då den säljs. Ett medelvärde på 1 SEK/kWh innebär ungefär 7 MSEK/år i minskade intäkter för den öländska vindkraften om 190 MW byggs ut. En 130 kv transmissionskabel över Kalmarsund har en totalkostnad (inklusive arbetskostnad) på ungefär SEK/m [48] och en avskrivningstid på ungefär 40 år [41]. Avståndet till fastlandet där den befintliga kabeln idag ligger är ca 3 km [37], men om en extra kabel ska dras är det bättre att lägga den så att belastningen på 50 kv-nätet på Öland fördelas. En möjlighet finns att den dras strax norr om Mönsterås enligt en planerad dragning som finns på kartan i Bilaga A. Där blir avståndet ca 14 km [37]. Båda dragningarna visas i Bilaga A. Med en ränta på 5 % (utan hänsyn till inflationen) fås en årlig kapitalkostnad på ungefär 8,2 MSEK då 14 km kabel dras strax norr om Mönsterås. Det är alltså inte ekonomiskt motiverat att bygga en till transmissionskabel enligt de antaganden som gjorts ovan, eftersom det är billigare att vid vissa tillfällen reglera ned uteffekten från vindkraftverken. Vid en årlig produktion på ca 546 GWh (±10%) blir kostnaden för en ny kabel 1,4 1,7 öre/kwh, medan nedregleringen i form av förlorade intäkter för vindkraftsägaren kostar ungefär 1,3 öre/kwh. Givetvis går det att diskutera om andra fördelar med en till kabel väger upp så att en dyrare investering ändå är mer fördelaktig. Vid en nivå på 250 MW installerad vindkraft går det däremot att ekonomiskt motivera en ytterligare transmissionskabel, eftersom värdet på den nedreglerade vindkraften vida överstiger kapitalkostnaden för en till kabel. Det ekonomiska värdet för minskning av W vid 190 MW motsvaras av ökningen av elförsäljningen. I Tabell 9 har värdet på den extra elenergin uppskattats med ett genomsnittligt elpris på 1 SEK/kWh inklusive gröna elcertifikat. 56

59 Tabell 9 Det ekonomiska värde som minskningen av W medför för de olika scenarierna då 190 MW vindkraft installeras på Öland. MODELL 1 MODELL 2 MSEK/ÅR L1 L2 L3 L1 L2 L3 S S1 0,4 0,9 1,2 0,2 0,8 1,1 S2 1,0 1,6 2,4 0,9 1,6 2,4 S3 1,3 2,2 3,5 1,1 2,0 3,1 Se 2,9 6,4 6,9 2,2 6,0 7,2 Med 100 % elbilar, Se, som laddas enligt scenario L3 så kommer mervärdet för hela Ölands vindkraftspark inklusive elnät att bli ungefär 7 MSEK/år för både M1 och M2. Motsvarande värde för S3 är 3,1 3,5 MSEK/år, för S2 2,4 MSEK/år och för S1 1,1 1,2 MSEK/år. 8.1 Vad innebär ett smart laddningssystem? En förutsättning för att kunden ställer upp på att låta sin elbil tankas med någon form av restriktioner är att han/hon får något tillbaka i form av t.ex. billigare drivmedel. För att detta ska vara möjligt krävs att elpriset är differentierat. Det måste finnas en snabb uppdatering av elpriset beroende på tillgång till vindel på Öland. Det måste även finnas en prognos över det lokala elpriset som sträcker sig minst några timmar in i framtiden, helst ett helt dygn. Information om elpriset måste kunna mottas och användas av en dator i laddaren och även visualiseras för kunden. Liknande system har utvecklats av bland andra det amerikanska företaget Grid Point [32] och Better Place [39]. Har kunden gott om tid kan han/hon låta programvaran i elbilladdaren optimera för billigast möjliga tankning (fram till dess att avfärd måste ske), till exempel under natten. Om kunden väljer att låta bilen stå en dag kan han/hon meddela det till programvaran i elbilladdaren tillsammans med uppgifter om vilken batterinivå som ska uppfyllas vid dagens slut. Under dagen kan bilens batteri delta i ett smart laddningssystem. Självklart ska det gå bra att ladda sin elbil när som helst utan några restriktioner men då till ett dyrare/normalt elpris. Snabbladdningsstationer (30-40 kw) bör finnas som ett komplement för elbilsägare som har ont om tid. Investeringen för en sådan station kommer att göra att elpriset blir betydligt högre här. Förlusterna vid laddning ökar med en snabbare laddning. Dessutom finns risken att livslängden på batterierna minskar. Ett smart laddningssystem måste också kunna se till att inte alla bilar laddar samtidigt för att undvika att överbelastning av import av el till Öland uppkommer vid lite vind. Detta kanske kan vara ett 57

60 tillräckligt skäl i sig för att införa systemet med smart laddning för de kommande elbilarna. Kalla vindstilla vinterdagar med dagens maxlast 69 MW och dessutom de elbilar som laddas med 3,7 kw per bil innebär en överbelastning vid en övergång till reservmatningskabeln, se extremfallen i Figur 20. Kostnaden för ett smart laddningssystem för elbilar på Öland år 2020 är det svårt att uttala sig om. Tanken är att den extra investering som krävs från elbilskunden ska betala igen sig i form av ett i genomsnitt lägre elpris för elbilsladdningen och att vindkraftsägaren får bättre betalt för sin överskottsel. Bilägare idag är mycket priskänsliga. Går det att välja ett billigare bränsle så gör man det. Detta visar en artikel i Ny Teknik 28/ Där nämns att försäljningen av E85 har minskat med 70 % under hösten Det är svårt att dra slutsatsen att detta ensamt skulle bero på ett minskat bilåkande. Raset som oljepriset gjorde under hösten med sjunkande bensin- och dieselpriser har förmodligen den största betydelsen, tillsammans med en svag ökning av priset på E85. En liten miljöpåverkan bidrar självklart till en satsning på el som fordonsbränsle men även det faktum att milkostnaden för en elbil förmodligen kommer att bli betydligt lägre än dagens. 8.2 Modellkritik En jämförelse av M1 och M2 En jämförelse av modellerna av vindkraften på Öland år 2020 visar att i M1 påverkar laddningen av elbilar den instängda vindenergin något mer än i M2. En av förklaringarna till detta är att M2 fångar lite av den utjämningseffekt som uppstår då vindkraften är utspridd över ett större område. Det gör att perioder med hög uteffekt från vindkraften i M2 varar längre, vilket medför att elbilarnas lagringskapacitet inte räcker till. Visserligen kommer inte ÖVIND2020(t k ) i M2 innehålla lika många extremvärden som i M1, men även mindre extrema värden kan ge en överbelastning i kabeln då exempelvis 190 MW är installerat och högsta tillåtna belastning är 120 MW. M2-modellen har dock brister, eftersom det i en stokastisk AR-modell inte kan finnas diskontinuiteter i den tidsserie som modellen genereras ifrån. Med diskontinuitet menas att uteffekten från ett vindkraftverk är lika med 0 innan startvind och lika med 0 efter stoppvind. Detta har inneburit att uteffekten under simulering begränsats så att den inte blivit negativ eller högre än givet. Randvillkoren i modellen gör att de värden som generas efter en begränsning i vissa fall inte exakt kan följa modellen. Korrelationen mellan olika vindkraftsparker blir något högre då randvillkoren finns. Variansen för den simulerade tidsserien blir dessutom något lägre på grund av randvillkoren. I M2 har det gjorts kompenseringar för bristerna. Exempelvis har variansen ökats genom att multiplicera de generade timvärdena med en konstant. För de värden som begränsats av randvillkoren har en liten slumpvariabel lagts till för att de inte exakt ska uppfylla randvillkoren. Genom det minskar korrelationen mellan de simulerade vindkraftsparkerna. 58

61 Istället för att skapa modellen utifrån timvärden av uteffekten skulle ett bättre val vara att göra den utifrån vinddata. Simulerade vinddata kan sedan omvandlas till uteffekt genom att använda effektkurvor från vindkraftverken i modellen enligt den princip som presenteras i avsnitt Vinddata med tillräcklig hög upplösning, en timmes medelvärde eller lägre, från flera olika platser har dock inte gått att finna. Vindläget på Öland är så fördelaktigt att det kan finnas skäl att inte lämna ut insamlade vinddata för att på så sätt minska konkurrensen om platsen. På grund av tidsbegränsning har inte datainsamlingen fått den tid det skulle ha behövts för att undersöka möjligheten till vinddatainsamling närmare. M1-modellen beskriver inte utjämningseffekten då vindkraftverk sprids över ett större geografiskt område, se avsnitt 4.1. En annan brist i modellen är att den är deterministisk. Exakt samma värden skapas varje gång vilket gör att de stokastiska egenskaper som vinden har saknas. En frekvensfördelning över uteffekten från vindkraften på Öland skiljer sig mellan olika år. Modellerna kompletterar varandra bra och visar trots sina olikheter upp liknande resultat. Flexibiliteten i elbilsladdningen som används för de olika modellerna gör förmodligen också att skillnaderna utjämnas. På grund av att två så olika modeller kan ge ett liknande resultat för den instängda vindenergin bedöms detta tyda på en hög säkerhet hos simuleringsresultatet. Naturligtvis kan de antaganden, som modellerna baseras på, utgöra felkällor. Det är i praktiken svårt att kontrollera tillförlitligheten hos modellerna då det skulle krävas en validering med verkliga data, det vill säga uppmätta timvärden från den utbyggda vindkraften och laddning av de framtida elbilarna Felkällor i data till modellen En av de största felkällorna torde vara uppskattningen av årstidsvariationen av antalet bilar på Öland på och andel stillastående bilar under dygnet. Årstidsvariationen har uppskattats med statistik från ett år över trafikflödet av bilar till/från Öland. Överensstämmelsen mellan trafikflödet och antal bilar på Öland borde logiskt sett vara god, men variationer i bropassager per bil och dag finns förmodligen. För att ta fram information om andel stillastående bilar under dygnet borde en riktig undersökning på Öland utföras. Skillnader mellan vardag och helg respektive dag och natt borde också framgå i modellen. Modellen över vindkraft på Öland bygger på ett års timvärden. Det skulle behövas timvärden från olika år för att göra en säkrare modell. Resultaten skulle även bli säkrare om en högre tidsupplösning användes för medeleffekten, exempelvis 10 min. 8.3 En jämförelse av laddningsscenarier Alternativ L1 visar sig ge högst instängd vindkraftsenergi. En förklaring till detta är att nattladdningen inte kan konsumera vindkraftens effekttoppar som uppstår under dagtid. Eftersom skillnaden i elkonsumtionen mellan dag och natt visat sig vara relativt liten (se Figur 12) kan inte enbart en 59

62 ökning av den ordinarie elkonsumtionen på Öland motverka att maxbelastningen, C export, överskrids under dagtid. Om en liten andel av laddningen sker dagtid och urladdning av batterier till elnätet tillåts som i alt. L2, så minskar W jämfört med värdet på W vid nattladdning, L1, se Figur 21. Minskningen för samma andel elbilar jämförs med de 7 GWh (W s0 ) som uppkom utan elbilarnas laddning. För en andel elbilar på 11,5-26 % är minskningen runt 10 % av W 0. Vid 100 % elbilar är förändringen mycket större, 50 %. Tabell 10. Jämförelse av hur stor minskningen (uttryckt i % av W S0 ) blir med laddningsalternativ L2 och L1. L1 L2 S1 8 % S2 8 % S3 13 % Se 50 % Vid en liknande jämförelse mellan alternativ L2 och L3 så framkommer att minskningen i W blir ungefär lika stor som mellan L1 och L2, men inte för 100 % elbilar då minskningen är bara 8 % istället för 50 %. Tabell 11. Jämförelse av hur stor minskningen (uttryckt i % av W S0 ) blir med laddningsalternativ L2 och L3. L2 L3 4 % 11 % 18 % 8 % I en framtid med stor andel elbilar är den största vinsten att gå från L1 till L2. Enbart nattladdning bör alltså undvikas. 8.4 Andra fördelar med smart elbilsladdning Vid 135 MW installerad vindkraft på Öland blir W=0 för samtliga scenarier. Kan det trots det finnas andra fördelar med en delvis kontrollerbar last? Nedan kommer några fördelar som bör undersökas vidare Nätförluster En lokal produktion för lokal konsumtion innebär att transmissionsförluster blir lägre än om avståndet är större (givet samma spänningsnivå). Det innebär också att tiden med en hög effektbelastning på elnätet som strömförsörjer Öland minskar, vilket ger lägre totala förluster. 60

63 En smart elbilsladdning på Öland med öländsk vindel har förmodligen en potential att sänka förlusterna totalt i elnätet. Tyvärr är detta inget som behandlas i denna rapport Balansansvar och reglerkraft Kostnaderna för elhandelsbolag att inte uppfylla sitt balansansvar är stora [24]. Med ett smart laddningssystem kunde balansansvaret i högre grad uppfyllas om elhandelsbolagen fick använda elbilarna som resurs. Effekterna av osäkerheten i produktionen från vindkraftverken kan minskas om elbilsladdningen reglerar uteffekten till överliggande nät. Genom att prognoser för produktion och konsumtion av elektrisk effekt får en ökad säkerhet minskar behovet av att använda reglerkraft, vilket i sin tur kan leda till minskade utsläpp från fossil reglerkraft, främst i länder med liten tillgång till vattenkraft. I ett examensarbete från Chalmers har en modell utvecklats, där laddhybridbilar används som reglerkraft i Sverige och Tyskland. Det visar sig att det kan vara ganska lönsamt för bilägaren att låta bilens batteri användas som reglerresurs [14]. 8.5 Alternativa metoder för reglering av belastningen i kabeln över Kalmarsund Distribuerade batteristationer I princip skulle elbilar kunna ha tankstationer på samma sätt som fossildrivna bilar har mackar idag. Det innebär att batteriet snabbt byts ut när elbilen kommer till en batteristation, medan det urladdade lämnas på stationen. Detta koncept utvecklas av företaget Better Place [39]. Elbilarna måste med detta koncept ha mer än ett batteri per bil, men om det finns en hög tillgänglighet på batteristationer och bytet går snabbt, behöver inte batteriet vara stort. Batteriet med tillhörande laddningstjänst hyr bilägaren av en bilbatterioperatör. Batteristationerna skulle kunna vara strategiskt placerade i elnätet, gärna nära stora vindkraftsparker. En smart laddning för att stundtals minska Ölands vindkraftsöverskott och öka utnyttjandegraden för vindkraftverken skulle lättare kunna tillämpas och kontrolleras vid ett 10-tal batteristationer istället för hos tusentals bilar Produktion av vätgas vid vindkraftverken På liknande sätt som för batteristationer skulle det fungera att med hjälp av elektrolys framställa vätgas ur vatten vid tankstationer för vätgas, förutsatt att det finns bilar som kan använda den. Effektbehovet för elektrolysen skulle regleras så att det framställs mycket vätgas när det finns ett överskott på vindel på Öland. Nackdelen med vätgasframställning är den dåliga verkningsgraden och de många omvandlingsstegen. Det innebär ett väsentligt dyrare bränsle Produktion av sötvatten Elektriska laster som har ett visst tidsoberoende går att anpassa till uteffekten från vindkraften. Ett alternativ är att reningsanläggningar, där havsvatten görs till sötvatten, används som en reglerresurs för vindkraften. Företaget Globelive AB har planer på att använda sin patenterade lösning för rening 61

64 av vatten just för detta ändamål på Öland [33]. Reningen av dricksvatten skulle kunna ske närhelst det finns ett överskott på vindel. Totala mängden framställt vatten för att uppnå behovet är inte avhängigt av när vattnet framställs, eftersom vatten kan lagras Varierad effekt i fryshus Med bra isolering kan kylan lagras länge i ett fryshus. Därmed kan kylmaskinen köras mer intermittent i samvariation med tillgången på vindel. Ett projekt i EU-projekt Nederländerna, Night wind - Storage of energy in cold stores, syftar till att minska effekttopparna på elnätet på dagen och förbättra lönsamheten för vindkraft och fryshusägare [40]. Genom att minska temperaturen i stora fryshus på nätterna (öka lasten) när priset är lågt och stänga av dem på dagen (minska lasten) kan effekttopparnas storlek minska. Upp till 55 % minskade energikostnader för fryshusägaren utlovas. Detta kan vara ett intressant koncept även för att minska belastningen i kabeln på Öland. 62

65 9 Slutsatser Modellresultaten i denna rapport tyder på att med en hög andel elbilar som ingår i ett smart laddningssystem så kan mer än 135 MW vindkraft etableras på Öland, utan att överbelastning sker på befintlig sjökabel över Kalmarsund. I en framtid med en bilflotta bestående av 100 % elbilar på Öland kan uppemot 190 MW vindkraft etableras utan att en extra kabel behöver byggas. Förutsättningen för det är att bilarna laddas enligt alternativ L3. Detta kan medföra stora kostnadsbesparingar för en framtida vindkraftsetablering på Öland. Resultaten visar också att enbart nattladdning inte är att föredra för att minska överbelastningen i sjökabeln, utan att en viss laddning också på dagen ger en väsentlig skillnad. Nedan kommer några specifika slutsatser för varje utbyggnadsnivå av vindkraften MW Vindkraft på Öland Vid 190 MW vindkraft uppstår en instängd vindenergi, W, på ca 7 GWh/år med befintlig kabel över Kalmarsund. Enligt resultat från modellen kan elbilarna med givna antaganden laddas så att W minskar. Med en bilflotta som består av 100 % elbilar som laddas enligt laddningsalternativ L3 så minskas den instängda vindenergin till nära noll (60 MWh) Vindkraften producerar ett överskott på minst % av den totalt använda elektriska energin, inkl. förluster, se Figur 25 Om 100 % elbilar används så bidrar det till 0,5 % av hela Sveriges mål för minskningen av koldioxidutsläpp fram till år Detta om utsläppen från batteritillverkningen bortses ifrån MW Vindkraft Enligt resultaten från rapportens modeller och givna antaganden så skapar inte 135 MW installerad vindkraft och laddning av elbilar (0-100 % av bilparken) på Öland några problem för belastningen i kabeln. Det uppstår inte någon instängd vindenergi. 100 % självförsörjningsgrad av el uppnås vid år med högt vindindex, förutom då 100 % av bilarna på Öland är elbilar. I det senare fallet måste vindindex vara extremt högt om självförsörjning ska uppnås. 63

66 10 Förslag på åtgärder och fortsatta studier Utvärdera om ytterligare en sjökabel kommer att kunna byggas inom 10 år eller om den som redan finns ska ersättas. Vilken kapacitet ska den i så fall ha och var ska den byggas? Hur ska den finansieras? Är det möjligt att bilda en lokal nätinvesteringsfond till en utbyggnad? I denna studie bör alternativet med smart laddning av elbilar tas upp som ett alternativ till en utbyggnad. Ta fram bättre statistik på årstidsvariation av antalet bilar och personer som befinner sig på Öland. Data behövs för att utreda lastens variationer vid elbilsladdning i framtiden. Studera potentialen i att använda batteristationer, avsaltningsanläggningar, fryshus och vätgasframställning i syfte att i framtiden minska den instängda vindenergin. Undersök olika ICT-system, (information and Communication Technology), som kan användas för smart laddning av elbilar. Information om sådana system går att finna i referens [14], [32], [39] och [40]. Undersök möjligheten till en lokal spotmarknad för el på Öland. Genom en lokal marknad skulle elpriset på Öland bättre spegla tillgången på vindel. Ekonomiska incitament för att minska belastningen i sjökabeln över Kalmarsund skulle förbättras med ett dynamiskt elpris. Gör en studie för att utreda potentialen för elbilar att hjälpa balansansvariga, med mycket vindkraft på Öland, att minska sina obalanser. Viktigt är att utreda ekonomiska incitament för elbilsägaren att agera på reglermarknaden, se referens [14]. 64

67 11 Referenser 11.1 Publikationer [1] Wegener, A. Nätanslutning av vindkraft- vindkraftbranschens aktörers perspektiv på nätanslutning och tariffer. D-uppsats i FEK vid SLU [2] Statens Energimyndighet, Nytt planeringsmål för vindkraften, ER 2007: [3] Regeringens presentation av överenskommelsen om energipolitiken, från [4] Europaparlamentets och rådets direktiv om främjandet av användning av förnybar energi, [5] Andersson N, Widing A. Med vindkraft i tankarna - Vindkraft i Sverige Svensk Vindenergi 2008 [6] Bergman, S. Plug in hybrider Elhybridfordon för framtiden. Elforsk Rapport 08: [7] Söder L. Vindkraftens effektvärde - Elforsk Rapport 97: [8] Carlstedt, N-E. Driftuppföljning av Vindkraftverk- årsrapport Elforsk Rapport 08: [9] Eckerberg, Lena m.fl. Gör Öland självförsörjande på förnybar energi. Energikontoret i SydÖst [10] Naderi R, Gustafsson K. Smart Grids. Elforsk Rapport 08: [11] Carlsson O, Lundberg S m.fl. Elektriska system i vindkraftverk. Elforsk Rapport 06: [12] Matevosyan, Julija. Wind power in areas with limited export capability Avsnitt ur doktorsavhandling. KTH 2006 [13] Montano, Raul. Wind power impact on Öland sub transmission losses. Examensarbete från KTH [14] Andersson, S-L, Elofsson A, Plug in hybrid electric vehicles as control power - case studies of Sweden and Germany. Examensarbete vid CTH och ETH [15] Armand. M, Tarascon J.-M. Building better batteries. Nature. Vol februari [16] New Generation Electric Vehicle i-miev. Presentation om i-miev från Mitsubishi Motors R&D of America den 15 September [17] RES Den nationella resevaneundersökningen. Statens Institut för Kommunikationsanalys (SIKA) [18] Vägverket konsult, Trafiken på Öland

68 [19] Melkersson, Maria. Körsträckor år SIKA statistik. 2007: [20] Energiläget 2007, Statens energimyndighet Litteratur [21] Wizelius T, Vindkraft i teori och praktik, 2:a upplagan. Studentlitteratur [22] Rydh, Carl Johan m.fl. Livscykelanalys- en metod för miljöbedömning av produkter och tjänster. Studentlitteratur [23] Ljung L, Glad T, Modellbygge och simulering. Studentlitteratur Internetsidor [24] Hemsida för regionförbundet i Kalmar län, besökt [25] Hemsida för Elkraftsbranchens intresseorganisation, besökt [26] Svenska Kraftnäts hemsida, besökt [27] Driftsstatistik för vindkraftverk i hela Sverige. Ansvarig utgivare: Vattenfall AB. Besökt [28] tabell RSK3, Personbilar i trafik efter kommun och drivmedel vid slutet av år Besökt [29] tabell nr 7 Bensin- respektive dieselförbrukningen per invånare och medelbil år Besökt [30] SIKA Statistik- transportarbetets utveckling Besökt [31] Statistiska centralbyråns hemsida. [32] Hemsida för amerikanskt bolag som utvecklar systemtjänster för elnätet. Besökt [33] Hemsida för bolag som vill använda elöverskott från vindkraft till avsaltning av havsvatten. Besökt [34] Hemsida för vindkraftsprojektören Eolus Vind AB. Besökt [35] artikel Vingkraft ber regeringen om hjälp- vill ha ny kabel över Kalmarsund Besökt [36] besökt [37] Karttjänster. Kontinuerliga besök [38]

69 [39] Hemsida för ett kaliforniskt bolag, som bygger upp laddningsinfrastruktur för PHEV världen över. Besökt [40] Night wind- Storage of energy in cold stores. EU-projekt I Nederländerna. Besökt Intervjuer, telefon och e-post [41] Erik Bengtsson och Peter Elmersson, E.ON Nät i Kalmar, löpande telefon och e-post [42] Benny Wennberg, VD Borgholm Energi, telefon och e-post [43] Göran S Eriksson, Vindkraftssamordnare på Regionförbundet i Kalmar län [44] Hans Elsberg, Statistiska Central Byrån, telefonsamtal [45] Esad Music, E.ON Nät Statistik i Malmö, datainsamling [46] Anton Fors, IT-avdelningen på Länsstyrelsen i Kalmar län, kartor [47] Egil Mollestad, Think Global AS, e-post [48] Magnus Röstlund, ABB High Voltage Cables I Karlskrona, telefonsamtal

70 Bilaga A Figur A1. 68

71 Figur A2. Kartan visar medelvindhastigheten på Öland(72 m över nollplaneförskjutningen) och var vindkraftverk finns etablerade i slutet av år 2008 [46]. 69

72 Figur 26. På kartan visas var kabeln går idag och uppe till höger kan avståndet 3 km avläsas. Figur 27 En möjlig alternativ dragning för en extra kabel. Avståndet är ungefär 13,7 km. 70