Hållbar Ö en analys av möjligheterna att försörja ett modellösamhälle i Stilla Havet med solel Johannes Vallgårda
Bachelor of Science Thesis EGI-2012-017 BSC Title: Hållbar Ö en analys av möjligheterna att försörja ett modellösamhälle i Stilla Havet med solel Johannes Vallgårda Approved Examiner Supervisor 11 juni 2012 Catharina Erlich Commissioner Jon-Erik Dahlin Contact person Institutionen för Energiteknik Abstract The goal of this paper is to provide a model for a sustainable electricity system to an island, in the Pacific Ocean near the equator. The method which has been used is to model supply and demand of electricity in the computer program Stella, through the creation of a dynamic system that balances them against each other. The result from the model will then be used to calculate the electricity price per kwh for the island. The result of the work is that electricity from solar energy is comparable with electricity produced from oil, if the oil pays for all its external costs, and the potential for pumped hydro storage plants is located. It also requires that consumers of electricity can be their own producers to avoid the expenditure of tax and reducing the cost of distribution. But since oil is a finite resource and has had a rising cost in recent years, while solar energy has had a declining cost, perhaps this will be a more competitive solution in the future
Sammanfattning Syftet med denna kandidatuppsats är att göra en grundläggande undersökning om hur vida en ös elsystem som ligger nära ekvatorn kan var hållbart med solceller. Med hållbart menas ekonomiskt, socialt och ekologiskt hållbart. Målet med uppsatsen är i korthet att skapa en modell för ett hållbart elsystem, till en ö i Stilla havet nära ekvatorn. Den metod som har använts är att modellera tillgången och efterfrågan av energi i datorprogrammet Stella, och genom det skapa ett dynamiskt system som balanserar dessa mot varandra. Detta för att sedan använda data från modellen till att räkna ut energipriset per kwh för ön i Excel. Rapportens resultat är att solenergi är jämförbart för elkonsumenterna med el producerat från olja, om oljan får stå för alla sina externa kostnader och möjligheten till pumpkraftverk finns. Det kräver också att elkonsumenterna kan vara sina egna producenter för att slippa utgifter som skatt och kunna minska kostnaderna för distribution. Det kräver även en viss momental anpassning till utbudet av solenergin. Men eftersom att oljan är en ändlig resurs och har haft en stigande kostnadstrend den senaste tiden, medan solenergi haft en sjunkande kostnadstrend, kanske detta blir en mer konkurrenskraftig lösning i framtiden.
Innehållsförteckning Abstract... 2 Sammanfattning... 3 1 Nomenklatur och förkortningar... 6 2 Syfte... 8 3 Introduktion... 8 3.1 Grundantaganden om ön... 8 Grundläggande antaganden om ön:... 8 3.2 Väderförhållanden... 9 3.2.1 Solstrålning... 9 3.2.2 Vindförhållanden... 10 3.2.3 Temperaturförhållanden... 11 3.3 Energisystemet... 11 3.3.1 Produktion... 12 3.3.2 Distribution... 19 3.3.3 Energianvändning... 20 3.4 Ekonomi och Affärsystem... 27 3.4.1 Elpriser... 28 4 Mål... 29 4.1 Delmål:... 29 4.2 Antaganden och begränsningar för modellen... 29 5 Metod och modell... 30 5.1.1 Huvudekvationerna... 31 5.2 Användning... 31 5.2.1 Ekvationer:... 32 5.3 Produktion... 34 5.3.1 Ekvationer:... 34 5.4 Batteri... 36 5.4.1 Ekvationer:... 36 5.5 Elprisuträkning... 37
5.6 Känslighetsanalys... 38 6 Resultat och Diskussion... 39 6.1 Användning... 39 6.2 Produktion... 40 6.3 Batteri... 42 6.4 Elpriser... 44 7 Slutsatser och framtida arbete... 46 8 Litteraturförteckning... 47 Bilaga 1... 50 Bilaga 2... 51 Bilaga 3... 52 Bilaga 4... 53 Bilaga 5... 54 Bilaga 6... 55 Bilaga 7... 56 Bilaga 8... 58 Bilaga 9... 62 Bilaga 10... 66 Bilaga 11... 70
1 Nomenklatur och förkortningar Benämning Tecken Enhet Area A 1 (m 2 ) Användning per capita K 2 (kwh/capita och vecka) Amerikanska dollar USD (Valuta) Delat tid dt (h) Energi per sträcka P 1 (kwh/km) Effektivitetskonstant E (1) Förlustkonstant F 2 (1) Förlustkonstant F 3 (1) Hushållskonstant D 1 (1) Industrikonstant D 2 (1) Initialvärde för batteri B 1 (1) Prisjusteringskonstant K 1 (1) Pris för produktion Pris 1 (SEK) Sträcka S 1 (km) Solinstrålningskonstant C 1 (1) Solinstrålningskonstant C 2 (1) Svenska kronor SEK (Valuta) Tid t (h) Förkortningar Bruttonationalprodukt Central Intelligence Agency BNP CIA
International Energy Agency National Aeronautics and Space Administration IEA NASA För indata till parametrarna se bilagor
2 Syfte Syftet med denna kandidatuppsats är att göra en grundläggande undersökning över hur vida en ös elsystem som ligger nära ekvatorn kan var hållbart. Med hållbart menas ekonomiskt, socialt och ekologiskt hållbart. Detta ska undersökas genom att modelera ett elsystem baserat på förnybarenergi, för att beräkna kostnaderna för elen och jämföra dem med konventionella alternativ. Modellen kommer att baseras på antaganden om en fiktiv ö, där ett samhälle ska byggas från grunden. 3 Introduktion Denna inledande studien behandlar i huvudsak tre områden: Fakta om hur ett energisystem fungerar, de metrologiska spelreglerna och de ekonomiska spelreglerna för den fiktiva ön. Studien börjar med att sätta upp spelreglerna för ön, grundantaganden om befolkning, ekonomi, statskick och naturresurser. Sedan beskrivs energisystemet uppdelat i produktion, distribution och användning. Avslutningsvis behandlas elpriser och affärssystem för implementering av ett energisystem. 3.1 Grundantaganden om ön Grundantagandet för den fiktiva ön är att det är ett välutvecklat demokratiskt samhälle, med ett välstånd som motsvarar Sveriges. Ön är positionerad i Stilla havet nära ekvatorn. Samhället finns inte ännu, utan ska byggas från grunden. Målet är att konstruera ett samhälle som är hållbart ur ett ekonomiskt, ekologiskt och socialt perspektiv. Detta arbete koncentrerar sig på en hållbar elförsörjning för ön. Grundläggande antaganden om ön: Position: Latitud 0; Longitud +160 Befolkning: 100 000 invånare. Yta: 10 kvadratkilometer Ekonomi: BNP per capita; cirka 350 000 SEK (motsvarande Sveriges). Naturresurser: Inga andra än de som ges naturligt av det geografiska läget, med det menas sol, vind och vatten. Infrastruktur: Modernt demokratiskt samhälle.
3.2 Väderförhållanden Denna ö ska vara energimässigt självförsörjande med enbart de resurser som ges naturligt av det geografiska läget. De resurser som syftas på är sol och vind, då dessa är de mest kommersiellt gångbara av de förnybara resurserna, för en ö i Stillahavet. För att kunna undersöka möjligheterna för dessa måste de geologiska spelreglerna först bestämmas. Med detta menas vilka energiresurser det geografiska väderförhållandet ger bäst möjlighet till att använda. De presenteras nedan för det geografiska läget latitud 0 och longitud 160, vilket är ett område vid ekvatorn i Stillahavet. Ön är fiktiv men läget är det reella läget för koordinaterna, med de verkliga väderförhållandena för området. De väderdata som presenteras nedan är baserad på NASA:s världsomspännande databank för olika geografiska väderförhållanden på jorden. 3.2.1 Solstrålning Med solstrålning menas den energi som solen strålar in över en vertikal yta på marknivå från solen. En del av denna energi går sedan att omvandla till användbar energi, för uppvärmning eller elektricitet. För att bestämma potentialen hos denna energikälla måste den instrålade solenergin per dag och över året kartläggas. Detta för att avgöra pålitligheten och kapaciteten hos denna energikälla. Det som tydligt framgår i Figur 1 är att solen är en pålitlig och jämn energikälla året runt vid det geografiska läget (longitud 160, latitud 0). Antalet dagar med sol utan moln är 11-14 per månad och dessa har bara några procent högre instrålad effekt än den genomsnittliga instrålade effekten som är presenterad i Figur 1. Detta betyder att solförhållandena för det geografiska läget relativt för jorden, för solenergi, är mycket bra. (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a). kwh/m 2 /dag 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Instrålad solenergi jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Medel Min Max Figur 1. Diagrammet visar den genomsnittliga solinstrålningen per dag de olika månaderna under ett år, uppmätt under en 22 års period (kilowattimmar per kvadratmeter och dag). De tre olika kurvorna står för de tre olika scenariona (medel, min och max) beskrivna i texten till Tabell 9, Bilaga 1. (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a).
Figur 2 visar hur effekten från solen varierar under en dag. Detta måste fastsällas för att kunna dimensionera solcellerna efter den effekt som energibehovet kräver vid olika tider över dagen. Det som framgår är att dygnsvariationen är ganska lik året runt. Detta är bra då solen går att använda under liknande förutsättningar året runt. 0,90 0,80 0,70 0,60 Dyngsvariationen för solinstrålning vid olika årstider, med tre timmars intervall kw/m 2 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 jan maj sep 0,00 0 03 06 09 12 15 18 21 24 Figur 2. Den genomsnittliga dygnsvariationen för januari, maj och september med tre timmars intervall. Baserad på data från Tabell 10 bilaga 1. (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a). Slutsatsen av dessa data för solinstrålningen är att det finns stor potential för solkraft i området, då det finns gott om solenergi året runt. 3.2.2 Vindförhållanden Med vindförhållanden menas de förutsättningar som finns för det geografiska läget att utvinna energi ur vinden, alltså hur mycket det blåser. Tabell 1. Den genomsnittliga vindhastigheten för de olika månaderna på året, mätt under en 22 års period, i meter per sekund, för 50 och 100 meters höjd. Data i tabellen är från (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a). Vindhastighet vid 50 meters höjd i meter per sekund (m/s) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Årsgenomsnitt 10- Års Genomsnitt 3,99 4 3,85 3,69 3,52 3,26 3,34 3,59 3,98 3,5 4,24 4,15 3,75 Vindhastighet vid 100 meters höjd i meter per sekund (m/s) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Årsgenomsnitt 10-Års Genomsnitt 4,42 4,43 4,27 4,09 3,9 3,61 3,7 3,98 4,41 3,88 4,7 4,6 4,16
I tabell 1 framgår det att vindhastigheten ligger mellan 3 och 4 m/s för det geografiska området, vilket är alldeles för lågt för att vindkraft ska vara lönsamt. Enligt MIUU-modellen måste årsgenomsnittsvindhastigheten på 71 meters höjd (nodpunkten) överstiga 6 sekundmeter, för att det ska vara lönsamt att installera vindkraft (Blomqvist, Nyberg, Simonsson, Söderberg, & Unger, 2008). Eftersom att det blåser för lite på denna plats kan vindkraft uteslutas. 3.2.3 Temperaturförhållanden Med temperaturförhållanden menas den genomsnittliga temperaturen på ön. Denna information behövs för att få en uppfattning om uppvärmnings- eller kylbehovet på ön. Enligt Figur 3 så är den genomsnittliga temperaturen mellan 26 och 28 grader Celsius året runt, för det geografiska läget. Detta betyder att ön främst har ett kylbehov, för att få en behaglig rumstemperatur i bostäder och på arbetsplatser. Temperatur Celsius 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 Temperaturvariationer Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec 22-Års Genomsnitt Minimum Maximum Figur 3, Diagram över den genomsnittliga temperaturen för de olika månandena på året, uppmätt under en 22 års period. Baserad på data från Tabell 11 Bilaga 2. (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a). 3.3 Energisystemet Energi går inte att förstöra utan enbart att omvandla till olika former. Ett energisystem är det system som omvandlar en form av energi till en annan, för att vi lättare ska kunna använda den. Energi är en slags potential skillnad som alltid strävar mot jämvikt. Det är denna strävan mot jämvikt som vi utnyttjar till att utföra ett arbete. Energisystemet besår av tre delar: produktion, distribution och användning. Produktionen är de metoder vi använder för att omvandla energi från en form till en annan, för att kunna distribuera/lagra den. Distributionen är de system vi använder för att föra energin från produktionen till användningen. Användningen är den del då vi utnyttjar energin för att utföra ett arbete åt oss. För att energisystemet ska vara hållbart ska detta gälla systemets alla tre delar.
Detta arbete kommer att fokusera på elsystemet. Det som är viktigt att säkerställa i ett elsystem är att frekvensen hålls jämn i ledningarna, och där av att det tillförs lika mycket effekt som det används momentant. Problemet med el är att den är dyr att lagra, vilket betyder att man bör sträva efter att producera lika mycket energi som används momentalt. 3.3.1 Produktion I dagsläget produceras majoriteten av all el i världen ur fossila bränslen, vilket beror på att det är det mest kostnadseffektiva i dagsläget, utifrån det ekonomiska system vi har idag. Av de förnybara bränslena är vattenkraft den största, vattenkraften utgör cirka 16 % av produktionen. Andra förnybara produktionsslag som sol, vind och biobränsle är på frammarsch, men långt ifrån att på något sätt ersätta den fossila elkraftproduktionen. För små öar ser denna karta lite annorlunda ut. Där dominerar fossila bränslen ännu mer kraftproduktionen. På Hawaii tillexempel (som består av några öar i Stilla havet, nära ekvatorn) kommer 92,8 % av elproduktionen från fossila bränslen, varav cirka 82,6 % av de fossila bränslena kommer från olja och 15,3 % av dem från kol. (National Aeronautics and Space Administration, NASA). Elproduktion i världen efter produktionsslag Övrigt 3% Vattenkraft 16% Kärnkraft 14% Kol och koks 41% Naturgas 21% Olja 5% Figur 4. Diagrammet visar elproduktionen i världen uppdelat efter produktionsslag, mätt i procent (%). Data i diagramet är från Tabell 15, Bilaga 4. (IEA, International Energy Agency, 2011)
Den fiktiva ön har som grundkrav att den ska ha en hållbar energiförsörjning utifrån det geografiska läget. Med det menas att den inte har några naturresurser som tillexempel vattenkraft eller geotermiska källor för kraftproduktion, utan enbart de resurser den har naturligt utifrån sina metrologiska förutsättningar. 3.3.1.1 Förnybar produktion Egentligen finns det ingen oändligt förnybar energi, då all energi tar slut så småningom. All energi strävar efter jämvikt. Enligt de termodynamiska lagarna uppstår denna totala jämvikt så småningom, den så kallade värme döden. Då finns det inga potentialskillnader utan allt är i jämvikt. Det vi kallar förnybart är den energi som går att återskapa inom ramen för en överskådlig framtid under en lång tid framöver. Det vi kallar för hållbarenergi är den energi som går att bruka på ett hållbart sätt över en överskådlig tid, ofta relaterat till förnybar. Nästan all energi som går under förnybar energi, kommer idag från solen direkt eller indirekt. Till exempel är solenergi en direkt källa från solen, medan vattenkraft, vindkraft och biobränslen är en indirekt kraftkälla från solen. Några av undantagen är tidvattenkraft och geotermisk kraft. Det finns gott om förnybar energi, till exempel motsvarar den energi som solen strålar in mot jorden 2 850 gånger den årliga energianvändningen i världen per år (BWS Solar). Problemet ligger i att utvinna den förnybara energin på ett miljövänligt och kostnadseffektivt sätt som passar våra behov. Ett problem med tillexempel direkt solenergi är att den införskaffas under dagen och därför är som mest användbar under dagen. Detta beror på att det är dålig verkningsgrad och dyrt att spara el. El bör alltså användas i samma takt som det förbrukas. Ett annat problem är att den är dyr att producera då solceller har lågverkningsgrad och är dyra. 3.3.1.1.1 Solkraft Solkraft är när solenergi omvandlas till värme/kyla eller elektricitet. Problemet med solkraft är att det idag inte går att fånga upp tillräckligt med solenergi på ett kostnadseffektivt sätt, för att tillgodose alla våra energibehov. Detta beror på tre faktorer: 1. Dålig verkningsgrad Solenergin strålar in över jorden från solen i form av strålar. Dessa strålar har olika våglängder. Problemet med solenergi är att olika material absorberar olika våglängder. Det betyder att ett material bara kan fånga upp energi från ett visst spann av de våglängder solen strålar in, vilket ger en låg verkningsgrad. Det finns mer komplicerade solceller med flera lager av olika material som fångar upp olika våglängder. Dessa kallas multijunction cells och kan ha en verkningsgrad på över 40 %. Dessa är dock inte kommersiellt gångbara då de är dyra (Russ Jones, 2009).
2. Dyra - Solceller är dyra att producera gentemot den el de producerar, jämfört med många andra energislag. 3. Opålitlighet - Att solen enbart lyser på dagen och olika mycket olika dagar. Detta är ett problem då det är dyrt och kan leda till förluster i att spara el. Den direkta solenergi som är mest kostnadseffektiv i dagsläget är enklare solceller med låg verkningsgrad och termisk solenergi. Denna litteraturstudie är koncentrerad till elförsörjningen av den fiktiva ön. Den billigaste typen av solkraft för elproduktion är solceller och därför koncentreras arbetet till solceller. 3.3.1.1.1.1 Solceller (PV, PhotoVoltaic) Solceller är en typ av solkraft som omvandlar solenergi till elektricitet. Solstrålarna skapar en potentialskillnad i solcellen som sedan kan ledas bort i form av ström, som illustreras i figur 5. Figur 5. Visar hur en solcell fungerar. Det som sker i solcellen är att solen skapar en elektromagnetiskspänning i solcellen, som leds bort i form av ström som vi kan utnyttja till arbete, till exempel glödlampan i bilden. (Solceller) Det finns idag i huvudsak två typer av solceller för kommersiellt bruk. Kristallina celler och tunnfilmsceller, varav kristallina celler är vanligast idag då de har en högre verkningsgrads än tunnfilmsceller. De kristallina celler som är vanliga på marknaden idag har en verkningsgrad på runt 20 %. Dock har det hänt mycket på sistone då tunnfilmsceller har blivit billiga att producera och fått högre verkningsgrad. Detta har lett till att tunnfilmsceller numer är billigast per producerad kilowattimme. De tunnfilmsceller som idag är mest kostnadseffektiv har en verkningsgrad på runt 10 % av den instrålade solenergin, men det finns nya metoder som ger en verkningsgrad på upp mot 20 % av den instrålade solenergin. (Martin A. Green, 2011)
3.3.1.1.1.2 Priser Priset på el producerat från solenergi har sjunkit kraftigt de senaste åren. Det är fortfarande en omogen teknik som inte helt kan bära sina egna kostnader, men den närmar sig. När man räknar ut priset på solel, räknar man oftast med en hög initial kapitalkostnad som förläggs på elpriset över en längre tid. Figur 6. Diagramet illustrerar prisnedgången av solceller sedan 1975 till 2008. Den visar även den då förväntade prisnedgången fram till 2012, vilket dock har visat sig bli ännu större. Tagen från (McKinsey, 2009) Det som tydligt framgår av figur 6 är att solceller ständigt har blivit billigare och effektivare. Enligt Solarbuzz (konsultbyrå inom solenergimarknaden) är priset nu nere på 0,81 USD per peak watt installerad solkraft för de billigaste varianterna (tunnfilmceller) i de soligaste områdena (Solarbuzz, 2012a). Det motsvarar cirka 5,4 svenska kronor per peak watt installerad solkraft. Om vi istället ser till kostnaden för ett solenergisystem relativt vad vi får ut i kilowattimmar, är priset med den mest priseffektiva tekniken för elproduktion (tunnfilmceller) nere runt 0,25 dollar per kilowattimme (Solarbuzz, 2012). Det motsvarar cirka 1,7 svenska kronor per kilowattimme. Figur 5 visar tre olika scenarion för elproduktion med PV celler för ett år, med den mest priseffektiva solenergi tekniken. Figuren består av tre scenarion. 1. Scenario ett: privatpersoner installerar el på sitt hustak och har ett batteri för att stödja produktionen, med en effekt på 2 kilowatt. Kostnaden för systemet är 14 810 US dollar, eller motsvarande cirka 100 000 svenska kronor.
2. Scenario två: en småskalig solanläggning på marknivå utan batteri som är nätbunden på 50 kilowatt. Kostnaden för systemet är 269 353 US dollar, eller motsvarande cirka 1 800 000 svenska kronor. 3. Scenario tre: solceller i stor skala på taket till en industrianläggning, med en effekt på 500 kilowatt. Kostnaden för systemet är 1 955 330 US dollar, eller motsvarande cirka 13 000 000 svenska kronor. (Solarbuzz, 2012b) Det som framgår från figur 7 är att priserna för solceller har minskat stadigt under året. 35,0 Pris per kilowattimme US Cent/kWh 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Hustak med batteri, på 2 kw Markanliggning utan bateri på 50 kw Industritak utan bateri på 500 kw 0,0 feb mar apr maj 11 11 11 11 jun 11 jul 11 aug 11 sep 11 okt 11 nov 11 dec 11 jan 12 feb 12 Figur 7. Diagrammet visar prisutveckling för de olika scenariona presenterade ovanför tabell 5, för att producera solenergi med PV celler. Med data från tabell 2.2, bilaga 2. (Solarbuzz, 2012a). Det går att dra tre generella slutsatser om solkraft, i form av solceller, baserat på det som presenterats ovan: 1. Storskaligt är billigare än småskaligt. a. Detta beror på att större enheter kan dela på tilläggsenheter som tillexempel omriktare (omriktare är en enhet som gör om likström till växelström och vise versa). b. De har även fördel i economics of scale (storskalig drift) vilket kan vara avgörande för att få ett bra pris på en ö i Stilla havet, där möjligheterna för egen produktion är små, och import kan vara dyr om den sker i för liten skala. 2. Nätburen solkraft är billigare än icke nätburen a. Detta då det inte kräver dyra batterikostnader vilket icke nätburna system gör. Dock kräver ett nätburet system att det finns något slags storskaligt kompletterande system, för att backa upp solenergin när det inte finns sol.
3. Prisutvecklingen för solceller pekar nedåt a. Priserna har de senaste åren sjunkit rejält och kan därför förväntas fortsätta nedåt. 3.3.1.1.1.3 Solceller på taket Solenergi tar upp väldigt mycket plats. För en liten ö kan det vara smart att placera solceller på hustaken, för att inte ta upp onödigt utrymme på ön. Att placera dem på taket behöver inte vara så mycket dyrare än att placera dem storskaligt. I detta fall ska en ö med 100 000 invånare byggas från grunden. Detta betyder att det ska köpas solceller till 100 000 människors hustak, vilket borde betyda att det går att få ner priserna så att de närmar sig de storskaliga anläggningarna. 3.3.1.2 Fossila bränslen På en ö är det vanligt med fossila bränslen som energiproduktionsslag. På till exempel Hawaii produceras majoriteten av all el från olja. Figur 8 visar priset på att producera el från olika fossila råvaror. Priset är baserat på råvarukostnaden plus kapitalkostnaden för anläggningen som producerar energin. Det som framgår tydligt är att det är betydligt billigare att producera el från fossila bränslen än det är att producera el av solkraft. En annan fördel är att det är lättare att styra produktionen efter användningen med fossila bränslen än med solkraft. Svenska ören per kilowattimme (ören/kwh) 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Pris på elproduktion efter råvara 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Kol Gas Olja Figur 8. Diagrammet visar produktionspriset för olja, kol och gas, baserat på kostnaden för råvaran och anläggningen, mätt i svenska ören per kilowattimme. Diagrammet baseras på data från tabell 3.1, bilaga 3. (Nuclear Energy Institute, NEI, USA) Det som inte är inräknat i diagrammet ovan är de ekonomiska externaliteter som förbränning av fossila bränslen ger upphov till. 3.3.1.3 Ekonomiska externaliteter Ekonomiska externaliteter är kostnaderna för den påverkan produktionsformen har på samhället i stort, men som produktionsformen traditionellt sett inte behövt ta ansvar för ekonomiskt. Exempel på sådana är växthuseffektens förväntade kostnader för världsekonomin, och kostnaden för de sjukdomar som luftföroreningar från till exempel kolkraftverk kan ge upphov till för samhället. Idag
tas många initiativ till att beskatta dessa ekonomiska externaliteter och på så sätt föra in dem i kostnadskalkylen för energislaget. Till exempel Europas handel med utsläppsrättigheter eller Sveriges elcertifikat. Problemet är att det är svårt att uppskatta de externa kostnaderna för en produktionsform. Detta på grund av två anledningar: för det första att de externa kostnaderna beror på många komplexa parametrar, och för det andra vet oftast ingen hur tillexempel kolproduktion kommer att påverka omvärlden. Tabell 2, Tabellen visar kostnaderna per kilowattimme för de ekonomiska externaliteter som produktionsslaget har på samhället i övrigt, mätt i svenska ören per kilowattimme. Dessa siffror är grovt beräknade då det är väldigt svårt att få exakta siffror på den här typen av data. Data i tabellen är baserad på data från (ExternE - Externalities of Energy. A Reserch Prodject of the European Commission) Land Kol Olja Gas PV Sverige 26,5 Danmark 48,6 22,1 Tyskland 39,8 57,5 13,26 5,3 England 57,5 35,4 8,8 Tabell 2 visar uppskattningar av kostnaderna för de ekonomiska externaliteter som kol, olja, gas och solceller i Sverige, Danmark, Tyskland och England ger upphov till. Om dessa adderas till de kostnader som dessa bränslen redan har för produktionsslaget, så är fossila bränslen fortfarande mycket billigare än den billigaste solkraften. Olja som är dyrast och vanligast på små isolerade öar är nästan lika dyrt som solceller, med de ekonomiska externaliteter som den ger upphov till inräknade (men fortfarande billigare). De siffor som lagts på för ekonomiska externaliteter som dessa slag ger upphov till är teoretiska uppskattningar. Svenska ören per kilowattimme (Öre/kWh) 140 120 100 80 60 40 20 0 Råvarupriser med ekonomiska externaliteter inräknade 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Kol Gas Olja Figur 9. Diagrammet visar produktionskostnaderna för kol, gas och olja med ekonomiska externaliteter inräknande, mätt i svenska ören per kilowattimme. Diagrammet baseras på data från Tabell 13, Bilaga 3 (Nuclear Energy Institute, NEI, USA) och Tabell 2, (ExternE - Externalities of Energy. A Reserch Prodject of the European Commission).
3.3.2 Distribution Distributionen är den väg energin tar från produktion till användning. Det som är intressant att belysa är hur distributionen ska regleras/styras för att bäst utnyttja de resurser som finns att tillgå. Detta arbete är begränsat till elförsörjningen och där av elnätet som distributionsform. 3.3.2.1 Elnätet Oftast har ett elnät ett stort stamnät där produktionen skickar in energi. Stamnätet delar sedan in sig i mindre nät som så småningom når användarna (hushåll, industri, etc). Kostnaden för distributionstjänsten av el kostar i Sverige 40 till 50 svenska ören per kilowattimme för privatpersoner och runt 20 svenska ören per kilowattimme för industri andra näringsverksamheter. Öre per kilowattimme 70 60 50 40 30 20 10 0 Nättjänstpris per sektor Lägenhet Villa utan elvärme Villa med elvärme Jord- och skogsbruk Näringsverksamhet Småindustri Figur 10. Diagrammet visar genomsnittspris för olika typkunder för distributionsnätstjänsten i Sverige, mätt i svenska ören per kilowattimme. Data från Tabell 14, Bilaga 3. (Statistiska Centralbyrån, Sverige, 2012) 3.3.2.2 Smart elnät (Smart Grid) När ett energisystem är baserat till stor del på opålitliga förnybara energikällor måste systemet ha en backup. Till exempel när Sverige bygger ut sin vindkraftflotta måste vi kunna backa upp vindkraften med lika stor kapacitet som vi bygger ut den med. I Sverige görs detta med hjälp av vattenkraft, import/export av el med grannländerna, och i mindre skala med avtal om förbrukningsreglering av el med industrin. I Sverige i dagsläget och historiskt är det en väldigt låg priskänslighet på elmarknaden då konsumenterna köper sin el oavsett elpriserna. Detta försöker Svenska kraftnät och Nord Pool Spot att luckra upp genom att göra förbrukningsregleringsavtal med industrin, och de ser gärna att även privatpersoner blir mer priskänsliga i framtiden genom smartare el lösningar. (Norlund, 2011), (Hammarstedt, 2012).
För den fiktiva ön i Stilla havet kommer det inte att finnas några grannländer att importera/exportera el med, för att stödja systemet och effektivare kunna utnyttja de förnybara resurserna. Det betyder att det måste byggas reservkapacitet för att stödja systemet. Detta kostar mycket pengar då det leder till dubbla systemkostnader, både för det primära och för det sekundära backup systemet. För att minska denna kostnad måste användningen till viss grad anpassas efter tillgången, ett så kallat smart elnät. 3.3.2.3 Batterier I ett elnät måste man idag ha en kapacitet som är långt högre än genomsnittsförbrukningen över en dag. Detta är på grund av den ojämna elanvändningen över dagen, då den mesta förbrukningen sker under dag tid. Om till exempel USA skulle installera en storskalig nätburen energilagring i sitt nät skulle de kunna minska sin energiproduktionskapacitet med 20, 30 procent av vad den är idag. I USA som är världens största kärnkraftsproducent skulle det motsvara den kapacitet som deras kärnkraft står för idag (Rogers, 2012). Idag står den lagrade kapaciteten att generera el för cirka 3 % av den totala eleffekten i värden, cirka 90 gigawatt. Nästan hela effekten utgörs av pumpkraftverk, då dessa är billigast vid längre förvaring. Problemet med pumpkraftverk är att det måste finnas höjdskillnader för att de ska vara lönsamma att bygga. De är alltså begränsade till vissa geografiska områden. Behovet att spara el är stort då det är en förutsättning för att kunna bygga ut den förnybara elen i en större skala. Idag är det pumpkraftverk som är mest kostnadseffektiva om de geografiska förutsättningarna ger möjlighet till det. Men batterier av olika slag börjar närma sig att bli konkurrenskraftiga. Om man gör en livscykelskostnadskalkyl så kostar det att lagra och generera el från pumpkraftverk cirka 0,34 öre per kilowattimme, utöver det ordinarie tillverkningspriset för elen. Medan för batterier ligger detta omkring 1,2 till 4,3 svenska ören per kilowattimme, beroende på hur de används. (Ward T. Jewell, 2008) 3.3.3 Energianvändning Att bedöma en fiktiv ö:s energiförbrukning är svårt, då energiförbrukningen beror på många faktorer. Det som generellt avgör energiförbrukningen är välståndet (hur utvecklat landet är), klimatet och kostnaden för den el som är möjlig att producera. Figur 11 visar fördelningen av energianvändningen mellan industri, bostäder, transport och icke energiändamål. Denna fördelning, där energin i huvudsak består av tre tårtbitar med jämförbar storlek, är representativ för flera av de utvecklade länderna.
Världens energianvändning per sektor 2008 8688 TWh 9% 35319 TWh 36% 27273 TWh 28% Industri Transporter Bostäder och service Icke-energi- ändamål 26742 TWh 27% Figur 11. Detta är ett diagram över fördelningen av energianvändningen mellan de olika sektorerna; industri, transport, bostäder och icke energiändamål, i terrawattimmar. Data i diagrammet är från; (IEA, International Energy Agency, 2011) I till exempel Sverige är det en liknande fördelning som den i figur 11, med en något mindre andel för transport. Vilket framgår av tabell 3. Sverige har en ganska hög energianvändning per capita, vilket beror på att Sverige är ett välutvecklat land med en höglevnadsstandard (hög energiförbrukning och välstånd är ofta starkt sammankopplade). Två andra faktorer som spelar in är att Sverige är ett kallt land och behöver mycket uppvärmning på vintern samt att Sverige har relativt billiga energiresurser, vilket har lett till att Sverige har utvecklat en energiintensiv industri. Tabell 3, Sveriges energianvändning per sektor, mätt i terawattimmar. (Energimyndigheten, Sverige, 2011) Industri Transport (inrikes) Bostäder och service Förluster (exklusive kärnkraft) Förluster kärnkraft Utrikestransporter och icke energiändamål Total energianvändning 2008 149 91 142 32 120 64 597 2009 132 89 145 32 97 62 558 2010 149 96 166 46 108 51 616
Tabell 4, Sveriges elanvändning per sektor, mätt i terawattimmar. (Energimyndigheten, Sverige, 2011) Industri Transport (inrikes) Bostäder och service Fjärrvärme Distributionsförluster Total elanvändning 2008 55,6 2,7 69,5 4,7 9,3 141,8 2009 49,4 2,4 71,2 4,6 10,7 138,4 2010 52,4 3 76,8 3,5 11,1 146,8 Sveriges elförbrukning är fördelat liknande mellan industri och bostäder som den totala energianvändningen är, med undantag för transport då den nästan helt uteslutande drivs på förbränning av fossilbränslen i fordonet och inte av elnätet. Elnätet står för cirka 147 terawattimmar av energianvändningen medan den totala (utan förluster inräknade) står för cirka 411 terawattimmar. Alltså cirka 36 % av det totala energibehovet i Sverige. Av de 147 TWh är 11 TWh distributionsförluster, vilket beror på att en stor del av Sveriges energi produceras i norra Sverige medan den största användningen finns i södra Sverige. Att elen måste transporteras så långa vägar leder automatiskt till förluster i elnätet. Tabell 5, Elproduktionen i OECD länderna, mätt i kilowattimmar per capita. (OECD, Organisation for Economic Cooperation and Development, 2009) Island Norge Kanada Finland Sverige USA OECD totalt Schweiz Japan Vattenkraft/Geotermisk 52 813 26 388 10 942 2 477 7 008 957 1 130 4 648 637 Vindkraft 0 209 113 56 269 232 180 0 27 Kärnkraft 0 0 2 696 4 409 5 382 2 699 1 869 3 607 2 198 Fossilkraft 0 919 4 572 4 822 431 9 424 5 186 117 5 178 Biobränsle och avfall 0 63 239 1 670 1 281 219 189 313 128 Total bruttoproduktion 52 625 27 549 18 566 13 428 14 375 13 531 8 554 8 699 8 169 Import Export 0 1 858 1 059 2 270 506 111 10 273 0 Total elanvändning 52 625 25 691 17 507 15 698 14 881 13 642 8 564 8 426 8 169 Belgien Frankrike Nederländerna Tyskland Danmark Spanien Storbritannien Italien Polen Vattenkraft/Geotermisk 74 897 12 288 0 707 84 912 63 Vindkraft 93 121 278 461 1 218 794 138 102 29 Kärnkraft 4 388 6 371 254 1 644 0 1 143 1 120 0 0 Fossilkraft 3 330 871 5 767 4 314 4 636 3 582 4 411 3 636 3 736 Biobränsle och avfall 436 93 465 491 727 91 204 132 137 Total bruttoproduktion 8 319 8 351 6 777 7 200 6 584 6 320 5 958 4 783 3 965 Import Export 167 400 296 149 55 176 47 745 58 Total elanvändning 8 152 7 951 7 073 7 051 6 638 6 145 6 005 5 527 3 907
Tabell 5 är en tabell över elförbrukningen i några industriländer. Det som framgår är att det är tre faktorer som leder till hög elförbrukning: 1. Billig el De länder som har störst andel vattenkraft/geotermisk energi är de länder som har högst elförbrukning per capita (vattenkraft och geotermisk energi är billiga att producera el från). Ett exempel på detta är Island, med enorma vattenkraft- och geotermiska resurser som lagt grunden till en stor energikrävande aluminiumindustri. Billig energi minskar även incitamenten att energieffektivisera. 2. Höglevnadsstandard Höglevnadsstandard drar mer resurser. Ett exempel på det är Japan med en relativt hög elförbrukning per capita trots att landet är resursfattigt. Det har en låg andel billig el jämfört med den höga elförbrukningen. Omvänt så har Polen lägst elförbrukning per capita i tabellen och lägst BNP per capita i tabellen 3. Kallt Generellt av dessa länder har de länder som ligger längst norrut högst elförbrukning. Detta kan ifrågasättas då det är vanligt med andra resurser än el för uppvärmning, men ändå har de nordligaste länderna högst elkonsumtion. 3.3.3.1 Belastning över dygnet 3.3.3.1.1 Elbelastningen Att bedöma elbelastningen över dygnet på en fiktiv ö i Stilla havet är svårt då den beror på många faktorer. Det som dock är typiskt för elbelastningen i ett varmt land med höglevnadsstandard, där kylbehovet är stort dagtid när solen ligger på, är att toppbelastningen på elnätet följer kurvan för solens instrålade effekt över dagen (vilket framgår i figur 12). Detta dock med en viss förskjutning då värmen från solen värmer upp successivt och hänger kvar med en viss fördröjning. Detta är bra för solenergi, då solenergin bättre kan täcka elbehovet. Det som även framgår i figur 12 är att belastningstoppen är lika stor på vintern och sommaren men att den på vintern är mer fördelad till morgon och kväll, medan den på sommaren är mest förlagd till mitt på dagen. Dock är lågbelastningsperioden lägre på sommaren än vintern då det inte behövs så mycket nedkylning nattetid på sommaren, men mycket uppvärmning nattetid på vintern.
Figur 12. Detta är ett diagram över belastningen på elnätet i USA, fördelat över ett dygn, mätt i fraktioner per timme av den totala belastningen över ett dygn. De olika prickarna står för olika elområden i USA och sträcket är medelvärdet av dessa. Det vänstra diagrammet visar sommarbelastningen och det högra vinterbelastningen. (David J. Sailora, 2004) 3.3.3.1.2 Trafikbelastningen Att bedöma trafikbelastningen i ett modernt välutvecklat samhälle är mindre komplicerat då den ser relativt lik ut världen över. Den består oftast av två belastningstoppar; den första morgontid (när folk börjar jobbet) och den andra kvällstid (när folk slutar jobbet). Mellan dessa toppar är belastningen medelhög då all arbetstrafik är i gång, och på nattetid är den låg då folk sover. Figur 13 visar hur belastningen ser ut i några av de större städerna i USA, där detta mönster (beskrivet ovan) syns tydligt. Det som är intressant är att Figur 27, Bilaga 5, som är ett diagram över andelen stillastående bilar på Öland i Sverige, har ett nästan identiskt liknande mönster som det i figur 13 över belastningen i USA. Figur 13. Detta är ett diagram över trafikbelastningen i några av USA:s större städer. Prickarna representerar olika städer medan sträcket representerar medelbelastningen. Diagrammet är över ett dygn, utryckt i fraktioner per timme av dygnsbelastningen. (David J. Sailora, 2004)
3.3.3.2 Transportinfrastruktur Det mest energisnåla transportmedlet i en stad är idag tunnelbanan, dock är tunnelbanesystemet alldeles för dyrt för att byggas på en liten ö med 100 000 invånare. Däremot är spårtaxi väldigt bra anpassade för små öar med en befolkning på 100 000 invånare, då ön innebär korta avstånd och en lagom stor befolkning för att det ska vara lönsamt. En spårtaxi drar fem gånger mindre energi än en personbil. Den drar dessutom mindre energi än en elbil, då elbilen är tyngre med sina tunga batterier och har större förluster i sina hjul mot vägen än vad spårbilen har mot spåren. Om infrastrukturen byggs från grunden är det ekonomiskt hållbart att bygga en infrastruktur bestående av spårtaxi för 3-5 personer istället för biltrafik. Spårbilen drar cirka 0,18 kilowattimmar per personkilometer. Ett problem med personbilstransport är att många åker själva i sin bil, vilket är väldigt resursslösande. Med spårtaxi kommer alla invånare att dela på några spårbilar som därigenom kan utnyttjas optimalt. Vid till exempel rusningstrafik skulle det kunna vara möjligt att koppla ihop dem i större enheter, så att de kan transportera fler åt gången och på så sätt utnyttjas kapaciteten ännu bättre. (Näringsdepartementet, 2009) 3.3.3.3 Hushåll Att bedöma den exakta energiåtgången i ett hushåll är svårt. Det som är tydligt är att energiåtgången är stor då det behövs kylas ner eller värmas upp i bostäderna, vilket syns tydligt i figur 10 (där elbelastningen följer solens uppvärmning på sommaren, och går ner något mitt på dagen då solen värmer men i övrigt är relativt hög dygnet runt på vintern). I Sverige har vi under de kallaste perioderna en temperatur på 10 minusgrader (Celsius), detta är cirka 30 grader mindre än en behaglig rumstemperatur. Medan det på den fiktiva ön är en temperatur runt 27 grader (Celsius), vilket bara är 5-6 grader från en behaglig rumstemperatur. Detta betyder att kylbehovet är relativt litet och ganska begränsat till dagtid då solen lyser. Enligt en undersökning gjord i Italien, Tyskland, England och Sverige går det med befintlig teknik att bugga hushåll som är nästintill energineutrala. Detta kan uppnås med solenergi på taket, bättre isolering, värmeväxling och smartare användning (Giorgio Busnelli, 2011). Med andra ord om ön byggs från grunden finns det idag material och tekniker som gör energibehovet väldigt lågt.
3.3.3.4 Industri Efter att ha studerat Hawaii som tillhör USA, Cypern och Maldiverna framgår det att alla de tre ländernas/öarnas största näringar är turism, och de näringar som skapas kring turistnäringen. Ingen av dem har någon större tung/energikrävande industri (The Central Intelligence Agency (CIA) ). Detta beror på tre anledningar: 1. För små öar för att utnyttja economics of scale - Att få effektivare produktion genom att utnyttja fördelarna med att producera i stor skala. 2. Resursfattiga Dyra råvaror och dyr energiproduktion. 3. Transportsträckor långa transportsträckor för import och export. När det gäller denna fiktiva ö ligger den hyfsat isolerat i Stilla havet. Den har inga naturresurser som till exempel Island som tillåter tung industri. Ön är alltså för liten, har för få invånare och för få naturresurser för att storskalig industriproduktion ska vara lönsamt. Det som skulle passa bäst för ön är alltså att i huvudsak syssla med turistnäring vilket i sin tur betyder att industrin borde ha relativt låg energikonsumtion, förutsatt att turistverksamheten bedrivs på ett miljömässigt sätt.
3.4 Ekonomi och Affärsystem Elen i ett nät tar två vägar till slutkunden; en faktisk väg från produktion genom näten till elanvändare, och den andra från produktion till en prisstyrningsmekanism (tillexempel en elbörs) där ett elhandelsbolag köper elen och säljer den till kunden (elanvändaren). Figur 14 illustrerar hur denna uppdelning ser ut i Sverige; mellan den ekonomiska vägen och den tekniska vägen. Det finns två huvudfrågor att ta ställning till när en elmarknad ska konstrueras; hur ska prissättningen styras och vilka ska få vara aktörer på elmarknaden. Med det menas hur vida privatpersoner ska kunna producera el och sälja den på samma villkor som de stora elproducenterna, och hur prisbilden kan styra elanvändningen för att bättre anpassa sig efter tillgången. Figur 14, Bilden illustrerar hur den svenska elmarknaden är strukturerad. Med en ekonomisk väg för elen från producent till elanvändare och en fysisk väg. Den ekonomiska vägen går från producent till elbörsen Nord Pool. Där säljs och köps den för att sedan säljas till elanvändarna via ett elhandelsföretag. (Svenska kraftnät, 2011)
3.4.1 Elpriser I Sverige har vi relativt billig el då vi har tillgång till en stor mängd vattenkraft. I Sverige skulle inte solenergi vara konkurrenskraftigt då produktionskostnaden för den är cirka 1,7 svenska kronor per kilowattimme och konsumentpriset ännu dyrare. Dock är det inte realistiskt att en liten isolerad ö skulle ha lika billigt elpris som Sverige. Tabell 6, tabellen visar det genomsnittliga elpriset för slutkunden (elanvändaren) i Sverige, mätt i Svenska ören per kilowattimme. (Energimyndigheten, Sverige, 2011) År Privatperson (Ören) Industri (Ören) 2008 142 67 2009 168 72 2010 151 77 På små isolerade öar är det vanligt att producera el från olja. Att producera el från olja skulle kosta slutkunderna cirka 2 Sek kilowattimmen med skatter, kostnader för distributionstjänsten och externa kostnader inräknat i produktionspriset. Att producera solenergi kostar cirka 1,7 Sek om man bortser från alla tilläggskostnader, men skulle kosta upp mot 2,7 Sek om dessa kostnader räknas med. Fördelen med solenergi är att kunden kan vara sin egen producent. Detta betyder att det skulle kunna vara lönsamt för en elkonsument att installera solenergi istället för att köpa från nätet, då produktionspriset för solenergi är lägre än nätpriset för el producerat av olja. Teoretiskt elpris för slutkund Svenska ören per kilowattimme (sek/kwh) 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Kol Gas Olja Figur 15, Detta är ett diagram över ett teoretiskt elpris för slutkonsument för de olika produktionsslagen; olja, kol och gas. I priset ingår; produktionskostnad för energislaget, anläggningskostnad fördelad på produktionen, nättjänstavgift (distributionskostnad) och skatt. Diagrammet är baserat på bilaga 3, (Statistiska Centralbyrån, Sverige, 2012). bilaga 3, (Nuclear Energy Institute, NEI, USA), svensk elskatt (Svensk Energi, 2011) och bilaga 5, (ExternE - Externalities of Energy. A Reserch Prodject of the European Commission).
4 Mål Målet med detta arbete är att skapa en modell för ett hållbart elsystem, till en ö i Stilla havet nära ekvatorn. 4.1 Delmål: Skapa en modell för elanvändningen på ön, som är tidsdynamisk över flera dygn. Elanvändningen ska motsvara svensk levnadsstandard men vara anpassad till öns förutsättningar. Detta med data från liknande områden som de rådande på ön. Skapa en modell baserad på förnybar produktion, som är tidsdynamisk över flera dygn. Produktionen ska baseras på rådande förutsättningar för öns position. Den ska även vara kapabel att match elanvändningen momentalt med hjälp av stödfunktioner. Räkna ut elpriset för energilösningen och jämföra den med de som är etablerade på små isolerade öar i Stilla havet i dagsläget. 4.2 Antaganden och begränsningar för modellen För att kunna konstruera en modell för ett elsystem till en fiktiv ö måste ett antal antaganden och begränsningar göras. Detta för att kunna bestämma hur elsystemet ska fungera, dimensionera det och beräkna ett teoretiskt värde för elpriset. De antaganden och begränsningar som har valts är: 1. Ön producerar all el från solenergi. 2. Solenergin produceras med solceller; på hustak eller i små anläggningar nära elkonsumenterna. 3. Elanvändningen på ön påverkas momentalt av tillgången på solenergi. Dock begränsat. 4. Produktionspriset för solenergi på ön motsvarar det lägsta marknadspriset. 5. Elanvändningen liknar den i USA på sommaren Figur 12, då båda har ett kylbehov dagtid på grund av värmen från solen under dagtid. 6. Trafikbelastningen liknar den i Amerikanska städer Figur 13 och den på Öland (Figur 27, bilaga 5). 7. Lagringspriset för el på ön beror på de geografiska förutsättningarna, och efter som att de är fiktiva, räknas flera scenarion ut för olika förutsättningar. 8. Väderdata för ön baseras på väderdata från koordinaterna latitud 0 longitud +160. Se Tabell 9 och Tabell 10 bilaga 1. 9. Öns transporter består av spårtaxi.
5 Metod och modell Den metod som har använts är att modellera tillgången och efterfrågan på energi i programmet Stella (Stella är ett dataprogram för att simulera flöden, figur 16, 17, 18, 19, 21, 22 och 23 år från Stella), för att skapa ett dynamiskt system som balanserar dessa mot varandra. Detta för att sedan använda data från modellen till att räkna ut energipriset per kwh för ön i Excel. Systemet består av tre huvuddelar: elanvändning, produktion och batteri. Under dessa huvuddelar finns det stödfunktioner som solprofil, elprofil, trafikprofil, prisjustering och balans. Det är dessa stödfunktioner som ger inputs till huvudfunktionerna och balanserar dem mot varandra. Dag 2 Dag 3 Dag 4 Dag 5 Dag 6 ~ D1 D2 D3 ~ Dag 1 Dag 7 D4 Elprof il Transportprof il D5 D6 hushåll Industri Transport D7 Energianv ändning per v ecka kwh Anv ändning kw Väderjustering Balans ~ Solinstrålning VH Prisjustering Solprof il VL Solenergi Produktion kwh Prduktion kw Batteri kwh + + Uppladdning kw Urladdning kw Outny ttjad Energi kwh Överskott kw Figur 16, Figuren visar den modell för ett energisystem som har använts för att beräkna användning, produktion, lagring och förluster av el för ön. Programmet som har använts för att skapa modellen är Stella.
5.1.1 Huvudekvationerna Färgerna är synkade med figur 15. n Energi = k=0 (Effekt t) [kwh] Ekvation 1 Ekvation 1 är den grundläggande ekvationen för hela modellen för ön i programmet Stella. I Ekvation 1 är delta t lika med en timme, vilket gör att resultatet blir i kilowattimmar. Hela modellen går ut på att beräkna effekten i de olika delarna, för att sammanställa effektbehovet från de olika delarna, och det totala energibehovet. Hur effekten över tiden och energin är beräknad förklaras mer noggrant under 6.2 Användning, 6.3 Produktion och 6.4 Batteri. Elpris = n (Produktion kw Överskott kw) Pris1 Uppladdning kw Pris1+Urladdning kw Pris2) k=0 n k=0(produktion kw Överskot kw) [Sek/kWh] Ekvation 2 Ekvation 2 är den ekvation som räknar ut energipriset för elektriciteten på den fiktiva ön. Ekvationen baseras på antagandet att elkonsumenten producerar sin egen el. Detta betyder att producenten producerar och använder elen för produktionspriset. Den el elkonsumenten inte använder av den producerade elen säljer elkonsumenten till nätet som lagrar elen. Sedan när elkonsumenten har elbrist köper den tillbaka el från nätet med ett pålägg på priset för distributionstjänsten och lagringstjänsten. 5.2 Användning Användningen är uppdelad i tre sektorer: industri, transport och hushåll. Industri och hushåll får inputs från funktionen elprofil. Elprofilen bygger på belastningsprofilen över elbelastningen i USA för sommaren se Figur 12, för de exakta siffrorna se Bilaga 6, Tabell 17. Transport får input från transportprofil som bygger på trafikbelastningen i USA se Figur 13 och Öland se Bilaga 5, Figur 27, för exakta siffror se bilaga 6, Tabell 17. Utöver detta sker det en prisjustering för användningen. Prisjusteringen fungerar så att den ökar användningen desto mer solenergi det finns att tillgå momentalt och minskar användningen desto mindre solenergi det finns att tillgå. Variablerna: transport, industri och hushåll adderas momentalt i Användning kw för att sedan adderas över tiden i Energianvändning per vecka kwh.
Dag 2 Dag 3 Dag 4 Dag 5 Dag 6 ~ D1 D2 D3 ~ Dag 1 Dag 7 D4 Elprof il Transportprof il D5 D6 hushåll Industri Transport D7 Energianv ändning per v ecka kwh Anv ändning kw Prisjustering Solprof il Figur 17, figuren visar den del av modellen som styr användningen. 5.2.1 Ekvationer: Färgerna i ekvationerna är synkade med figur 17. Energianvändning per vecka kwh(t) = Energianvändning per vecka kwh(t dt) + (Användning kw) dt; Ekvation 3 Dt = Steglängden delta t motsvarar en timme (h) t = tiden är den tid som har förflutit (h) Initialvärde för funktionen är noll Ekvation 3 är ekvation till huvudfunktionen för användningen. Det är den funktionen som får inputs från stöd funktionerna Transport, Hushåll och Industri från funktionen Användning kw. Delta tiden (dt) är steglängden för varje beräkning. Vilken är en timme för att beräkningen ska resultera i kilowattimmar. Tiden (t) är den tid som har förflutit. INFLOWS: Användning kw = (Hushåll + Industri + Transport) Ekvation 4 Funktionen INFLOWS gör så att det bara kan gå positiva värden genom ekvationen. Hushåll = Elprofil D 1 (0. 1 Prisjustering + 0. 9) K 2 Ekvation 5
D 1 = 0,56; vilket är andelen av elanvändningen som går till hushållen, baserat på Figur 11(IEA, International Energy Agency, 2011) (IEA, International Energy Agency, 2011). K 2 = 27 kwh; Elförbrukningen per capita och dag för den fiktiva ön, baserat på Tabell 5(OECD, Organisation for Economic Co-operation and Development, 2009) (OECD, Organisation for Economic Co-operation and Development, 2009). Ekvation 5 ger den momentala elförbrukningen för ön för ett hushåll. Ekvationen består av den genomsnittliga elförbrukningen för en heldag per capita (K 2 ), gånger den andel av förbrukningen som hushållen står för (D 1 ). Detta gångras med variabeln Elprofil för att dimensionera denna över en dag och variabeln prisjustering ökar användningen desto mer solenergi det finns att tillgå och minskar användning desto mindre solenergi det finns att tillgå. Industri = Elprofil D 2 (Prisjustering 0. 1 + 0. 9) K 2 Ekvation 6 D 2 = 0,44; vilket är andelen av elanvändningen som går till industrin, baserat på Figur 11. K 2 = 27 kwh; Elförbrukningen per capita och dag för den fiktiva ön, baserat på Tabell 5. Ekvation 6 fungerar på samma sätt som ekvation 5. Den enda skillnaden är konstanten D 2 som står för andelen av elförbrukningen som industrin står för. Elprofil = (Dag 1 + HISTORY(Dag 2, TIME 24) + HISTORY(Dag 3, TIME 48) + HISTORY(Dag 4, TIME 72) + HISTORY(Dag 5, TIME 96) + HISTORY(Dag 6, TIME 120) + HISTORY(Dag 7, TIME 144)) Ekvation 7 HISTORY är en funktion som bestämmer när en funktion startar. Dag 1 = GRAPH(TIME 1 ) Ekvation 8 GRAPH(TIME 1 ) = Den momentala elbelastningen (fraktion/timme) se tabell 6.1 bilaga 6. Ekvation 8 är den ekvation som beskriver elbelastningen över en dag per timme för ön. GRAPH(TIME 1 ) är elbelastningen i fraktioner per timme över en dag. Transport = Trafikprofil P 1 (0. 1 Prisjustering + 0. 9) S 1 Ekvation 9 S 1 =5,6 km; Transportsträcka per capita och dag, baserat på antagandet om öns storlek på 10 kvadratkilometer. P 1 =0,18 kwh/km; Energiåtgången per personkilometer. (Näringsdepartementet, 2009) Ekvation 9 är den ekvation som beskriver funktionen för transportbelastningen för elsystemet. Den bygger på ett antagande om energiåtgången per person och dygn för transport Trafikprofil = (D1, +HISTORY(D2, TIME 24) + HISTORY(D3, TIME 48) + HISTORY(D4, TIME 72) + HISTORY(D5, TIME 96) + HISTORY(D6, TIME 120) + HISTORY(D7, TIME 144)) Ekvation 10 D1 = GRAPH(TIME 2 )
GRAPH(TIME 2 ) = Den momentala trafikbelastningen (fraktioner/timme) se tabell 6.1 bilaga 6. Ekvation 11 är ekvationen för prisjusteringsfunktionen i modellen. Den ökar användningen när det finns gott om solenergi momentalt. Denna funktion baseras på antagandet om ön att elen är billigare när den finns att tillgå direkt utan att ha lagrats och därför ökar då användningen, och minskar när dyr lagrad el måste köpas. Prisjustering = Solprofil/K 1 (fraktioner/timme) Ekvation 11 K 1 =0,2; konstant för prisjustering 5.3 Produktion Produktionen i modellen består av solenergi. Variabeln Solenergi får inputs från solprofil, som bygger på väderdata från NASA; Tabell 9 Tabell 9 och Tabell 10 Bilaga 1, för de faktiska värdena se Tabell 17 Bilaga 6. Parametrarna Väderjustering, VH och VL är för att kunna köra olika väderscenarion. Solenergin adderas momentalt i Produktion kw för att adderas över tiden i Produktion kwh. Väderjustering ~ Solinstrålning VH Solprof il VL Solenergi Produktion kwh Prduktion kw Figur 18, figuren visar den del av modellen som styr produktionen. 5.3.1 Ekvationer: Färgerna i ekvationerna är synkade med figur 18. Produktion kwh(t) = Produktion kwh(t dt) + (Produktion kw) dt; Ekvation 12 dt= Steglängden delta t motsvarar en timme (h) t= tiden är den tids som har förflutit (h) Initialvärdet för funktionen är noll Ekvation 12 för huvudfunktionen för produktionen. Det är denna funktion som adderar eltillverkningen från solenergin. INFLOWS: Produktion kw = Solenergi Ekvation 13
Funktionen INFLOWS gör så att det bara kan gå positiva värden genom ekvationen. Solenergi = Solprofil E 1 A 1 Ekvation 14 E=0,15; vilket är den antagna effektiviteten för solceller. A 1 =40 m 2 ; vilket är arean som solcellerna täcker per capita. Solprofil = VL+ HISTORY(VH, TIME 24) + HISTORY(Väderjustering, TIME 48) + HISTORY(VL, TIME 72) + HISTORY(VH, TIME 96) + HISTORY(Väderjustering, TIME 120) + HISTORY(VL, TIME 144) Ekvation 15 HISTORY är en funktion som bestämmer när en funktion ska starta. VH = Solinstrålning C 1 Ekvation 16 C 1 =1,2; Den högsta genomsnittliga avvikelsen för en månad, från den genomsnittliga solinstrålningen, under en 22 års period. (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a) VL = Solinstrålning C 2 Ekvation 17 C 2 =0,8; Den lägsta genomsnittliga avvikelsen för en månad, från den genomsnittliga solinstrålningen, under 22 år. (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a) Väderjustering= Solinstrålning Ekvation 18 Solinstrålning = GRAPH(TIME 3 ) Ekvation 19 TIME 3 är en funktion för solinstrålningen över tiden. För inputvärden se tabell 5,2 bilaga 2.
5.4 Batteri Batterifunktionen bygger på en balanseringsfunktion som balanserar användning, produktion och batteri så att det alltid momentalt finns tillräckligt med effekt i elnätet. Batteriet styrs av funktionen Balans. Funktionen Balans tar inputs från Användning kw och Produktion kw för att bestämma om batteriet ska laddas eller ge effekt. Balans ger även input till funktionen Överskott kw, för att den el som inte batteriet kan laddas med då batteriet är fullt ska registreras där. Anv ändning kw Balans Prduktion kw Batteri kwh + + Uppladdning kw Urladdning kw Outny ttjad Energi kwh Överskott kw Figur 19, visar den del av modellen som styr lagringsfunktionen i nätet. 5.4.1 Ekvationer: Färgerna i ekvationerna är synkade med figur 19. Batteri kwh(t) = Batteri kwh(t dt) + (Uppladdning kw Urladdning kw) dt Ekvation 20 dt= Steglängden delta t motsvarar en timme (h) t= tiden är den tids som har förflutit (h) Initialvärdet för funktionen är 10 kwh, vilket motsvarar batteriets startladdning för modellen per capita. INFLOWS: Uppladdning kw = IF (Batteri kwh < B 1 ) THEN Balans*F 2 ELSE 0 Ekvation 21
Med IF menas om det är mindre än B 1 kwh i batteriet så ska (THAN) Batteriet laddas (Balans*F 2 ) annars (ELSE) ska det inte laddas (0). F 2 =0,9; förlusterna vid uppladdning av batteriet. Funktionen INFLOWS gör så att det bara kan gå positiva värden genom ekvationen, vilket betyder att funktionen balans inte adderas när den är negativ. B 1 =17 kwh; lagringskapaciteten för batteriet (kwh), baserat på dimensionering av modellen efter antagande om lite sol. OUTFLOWS: Urladdning kw = -Balans*F 3 Ekvation 22 F 3 =1,1; förlusterna vid urladdning av batteriet, anledningen till att de är 1,1 är för att det ska subtraheras mer än vad som behövs för att täcka upp förlusterna. Funktionen OUTFLOWS är en funktion som gör att enbart positiva värden kan gå genom ekvationen men att de subtraheras från ekvationen. Outnyttjad Energi kwh(t) = Outnyttjad Energi kwh(t - dt) + (Överskott kw) * dt Ekvation 23 dt är tidsintervallet för beräkningarna (h) t är den förflutna tiden (h) Initialvärdet är noll för ekvationen INFLOWS: Överskott kw = IF (Batteri kwh < B 1 ) THEN 0 ELSE Balans Ekvation 24 Funktionen INFLOWS gör så att det bara kan gå positiva värden genom ekvationen Med IF menas om batteriet är mindre än B 1 kwh ska (THAN) inte överskott registreras (0) annars (ELSE) ska överskott registreras (Balans). B 1 =17 kwh; lagringskapaciteten för batteriet (kwh), baserat på dimensionering av modellen efter antagande om lite sol. Balans = Produktion kw - Användning kw Ekvation 25 5.5 Elprisuträkning Elpriset räknas ut från data som modellen genererade. Se bilaga 8 till 11, tabell 18 till 22. Elpris = n Produktion kw-överskott kw *Pris1-Uppladdning kw*pris1+urladdning kw*pris2) k=0 n k=0(produktion kw-överskot kw) [Sek/kWh] Ekvation 2 Pris 2 = Pris 1 + Nättjänstavgift + Batterkostnad Ekvation 26 1. Nättjänstavgift är den förväntade kostnaden för nättjänsten (Sek/kWh), se Tabell 7. (Statistiska Centralbyrån, Sverige, 2012)
2. Är den förväntade kostnaden för batterilagringen (Sek/kWh), se Tabell 7. (Ward T. Jewell, 2008) 3. Pris 1 =1,7 Sek per kwh; vilket är produktionspriset för solkraft (Solarbuzz, 2012) För koden som har använts i Stella se bilaga 7. 5.6 Känslighetsanalys Modellen är dimensionerad till den lägsta genomsnittliga solinstrålningen per dag, över en månad under en 22 års period, för området. Efter att ha kört energisystemet efter dessa förhållanden så har fyra olika solinstrålningsscenarion körts baserat på data från (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a) för området: 1. Låginstrålad effekt: Solinstrålningen per timme gångrad med en faktor på 0,8. Alltså en 20 % minskning av effekten från solinstrålningen per timme. 2. Medelinstrålad effekt: Den genomsnittliga solinstrålningen per timme. 3. Höginstrålad effekt: Solinstrålningen per timme gångrad med 1,2. Alltså en 20 % höjning av solinstrålningen per timme. 4. Blandad instrålad effekt: En blandning av de tre scenariona ovan över en 7 dagars period för systemet. Alltså med varierande solinstrålning från dag till dag. Efter att de olika scenariona har körts har data genererats för dem Se bilaga 8-11. Från dessa data har tre olika elpriser för varje scenario räknats ut. De tre olika elpriserna har räknats ut utifrån tre olika prisscenarion: 3. Minimumpris: Minimumpriset har räknats ut från en uppskattad lägsta kostnad för batterifunktionen och distributionstjänsten. 4. Medelpris: Räknas ut från en genomsnittlig uppskattad kostnad för batteri och distributionstjänsten. 5. Maximumpris: Räknas ut från ett uppskattat högsta värde för batterifunktionen och distributionstjänsten.
6 Resultat och Diskussion Modellen för den fiktiva öns elsystem i Stella, är dimensionerad per capita (1:100 000). Ett av grundkraven för modellen var att öns elsystem skulle vara dimensionerat så att det skulle kunna klara 7 dagar av svag sol. Definitionen i arbetet för vad som är svag sol är 20 % lägre solenergiinstrålning än genomsnittsinstrålningen, för området under en av de mindre soliga månaderna. Detta är valt för att det är den största genomsnittliga avvikelsen över en månad de senaste 22 åren för det geografiska området. Efter att ha dimensionerat energisystemet efter 7 dagar av svag sol, kördes systemet med 4 olika solscenarion; mycket, medel, lite och blandad sol. Sedan räknades elpriset per kilowattimme ut för de 4 olika scenariona med 3 olika prisscenarion. Sammanlagt ger detta 12 prisresultat, som dessutom är ordentligt spridda. Det som var mest avgörande för resultatet var antagandet om lagringspriset för el. Om pumpkraftverk kunde användas blev priset betydligt lägre än om annan teknik än pumpkraft användes. 6.1 Användning Resultaten för användningen på ön bygger på antagandet om att öns industri och hushåll har en elkonsumtion på cirka 9800 kwh per person, och att transporterna sker i form av spårtaxi. Dessa antaganden gav en total elförbrukning på cirka 10330 kwh per person. Detta är en väldigt låg elförbrukning om man tar hänsyn till att transportsektorn också går på el och inte fossila bränslen. Detta är för att energiförbrukningen för spårtransport är 5 gånger så energieffektiv som biltransport. Fördelningen mellan sektorerna Transport 4% Industri 42% Hushåll 54% Figur 20, Fördelningen mellan elanvändningssektorerna; industri, hushåll och transport
Eftersom att användningen i viss mån styrdes av tillgången i modellen så ökade användningen till cirka 10620 vid mycket sol, men minskade till cirka 10040 vid svag sol. Anledningen till att tillgången inte påverkade användningen mer är att det idag inte finns några exempel på områden där användningen styrs i större utsträckning av tillgången, elmarknaden idag är inte särskilt priskänslig. Dock är det ett område som det behövs forskas mer på; huruvida det går att få en mer dynamisk användning som anpassar sig efter tillgången momentalt. 6.2 Produktion Produktionen för den fiktiva ön består av solenergi i form av solceller, i modellen som har använts. Modellen är dimensionerad per capita (1:100 000) för att lättare kunna jämföra den med andra länders elförsörjning. Grundantagandet för solenergin är att den fångas av solceller med en 15 procentig verkningsgrad. Med detta antagande visade det sig att det behövdes 40 kvadratmeter solceller per person för att klara energiförsörjningen. Detta då produktionen anpassades till att klara av 7 dagar med svag sol. Kravet var att produktionen alltid skulle klara av att producera lika mycket som konsumerades av elanvändarna, detta antingen genom att använda det producerade direkt eller att lagra över skottet och använda det senare. Detta medför ett problem då ön enbart är 10 kvadratkilometer, och då skulle 40 % av ön täckas av solceller. Produktionen under förutsättningarna svag sol genererare en effekt på 4,32 kw per person. Detta är alltså den minsta möjliga maxeffekten som systemet måste klara av att generera för att det ska hålla i 7 dagar. Med scenariot stark sol gick denna maxeffekt upp till 6,48 kw, detta är dock en onödigt hög effekt då användningen aldrig överstiger 1,91 kw per person under scenariot stark sol. Den totala produktionen varierade stort mellan de olika scenariona, med 16170 kwh per capita för stark sol och 10780 kwh per capita för svag sol. Dock så dimensionerades produktionen så att den gick på jämt ut under scenariot svag sol med förluster inräknat, men så att den fick ett rejält överskott under scenariot stark sol som inte användes eller lagrades. Detta då batteriet fick en kapacitetsgräns för att hålla nere kostnaderna. Överskottet som inte gick att lagra var noll för svag sol, men blev 4540 kwh per capita under scenariot stark sol. Figur 21 23 nedan visar förhållandena mellan produktion, användning och överskott för scenariona svag sol, blandad sol och stark sol.
1: 2: 3: 1: Anv ändning kw 2: Prduktion kw 3: Överskott kw 7 1: 2: 3: 4 1: 2: 3: Page 1 0 0,00 42,00 84,00 126,00 168,00 Hours 12:04 den 3 maj 2012 Anv ändning, Produktion och Öv erskott, mätt i kilowatt per timme Figur 21, Användning, produktion och överskott för elsystemet vi svag sol, mätt i kw per timme. 1: 2: 3: 1: Anv ändning kw 2: Prduktion kw 3: Överskott kw 7 1: 2: 3: 4 1: 2: 3: Page 1 0 0,00 42,00 84,00 126,00 168,00 Hours 11:46 den 3 maj 2012 Anv ändning, Produktion och Öv erskott, mätt i kilowatt per timme Figur 22, produktion och överskott för elsystemet vi blandad sol, mätt i kw.
1: 2: 3: 1: Anv ändning kw 2: Prduktion kw 3: Överskott kw 7 1: 2: 3: 4 1: 2: 3: Page 1 0 0,00 42,00 84,00 126,00 168,00 Hours 13:29 den 3 maj 2012 Anv ändning, Produktion och Öv erskott, mätt i kilowatt per timme Figur 23, produktion och överskott för elsystemet vi stark sol, mätt i kw. 6.3 Batteri Batterifunktionen bygger på ett antagande om att det sker en förlust på 10 % vid uppladdning och en förlust på 10 % vid urladdning. Utifrån detta antagande har batteriet dimensionerats så att det ska klara minst 7 dagar av svag sol. Detta krav ger att lagringskapaciteten måste vara minst 16,58 kwh, för att kunna möta efterfrågan på el, när solen inte lyser trots svag sol på dagen. Efter att ha dimensionerat batteriet till en kapacitet på 17 kwh, skapades en funktion som gör så att batteriet bara kan laddas när det är under 17 kwh i batteriet och resten registreras som överskott av el. För att modellen ska fungera så dras överskottet bort från kostnaden att producera el då det inte kostar mer att producera mer el från en given kapacitet. Om inte modellen hade konstruerat det på det viset, hade det (enligt modellen som har använts) blivit dyrare att producera el desto mer solenergi det finns att tillgå vilket inte är logiskt. Figur 24-26 visar hur detta samspel mellan överproduktion och batteri ser ut för de tre olika scenariona lite sol, blandad sol och mycket sol.
1: 2: 1: Batteri kwh 2: Outny ttjad Energi kwh 36 1: 2: 18 1: 2: Page 1 0 0,00 42,00 84,00 126,00 168,00 Hours 12:04 den 3 maj 2012 Batterif unktion och energiöv erskott i elnätet, mätt i kwh Figur 24, Energi i batteriet och överskottsenergin som inte går att använda per timme, för lite sol, mätt i kwh. 1: 2: 1: Batteri kwh 2: Outny ttjad Energi kwh 36 1: 2: 18 1: 2: Page 1 0 0,00 42,00 84,00 126,00 168,00 Hours 12:00 den 3 maj 2012 Batterif unktion och energiöv erskott i elnätet, mätt i kwh Figur 25, Energi i batteriet och överskottsenergin som inte går att använda per timme, för blandad sol, mätt i kwh
1: 2: 1: Batteri kwh 2: Outny ttjad Energi kwh 36 1: 2: 18 1: 2: Page 1 0 0,00 42,00 84,00 126,00 168,00 Hours 13:29 den 3 maj 2012 Batterif unktion och energiöv erskott i elnätet, mätt i kwh Figur 26, Energi i batteriet och överskottsenergin som inte går att använda per timme, för mycket sol, mätt i kwh 6.4 Elpriser Avslutningsvis användes den data som genererades från modellen till att beräkna elpriset för ön. Detta gjordes genom att kombinera de fyra olika solscenariona med tre olika prisscenarion. Modellen för att räkna ut elpriset bygger på antagandet att elanvändarna är elproducenterna. På detta sett kan elanvändarna momentalt konsumera elen till produktionspriset, och sälja den el de inte använder momentalt till elnätet. Nätet köper då den el de har kapacitet för att lagra, för att sedan sälja tillbaka den till konsumenterna när de har produktionsbrist, alltså när solen inte genererar någon el. De säljer då tillbaka elen med ett pålägg för lagrings- och distributionstjänsten. Säljpriset är 1,7 Sek per kwh och köppriset varierar beroende på vad det finns för geografiska möjligheter att spara elen och vad distributionstjänsten kostar. I bästa fall är priset för att köpa tillbaka elen 2,29 Sek per kwh. Det scenariot förutsätter möjlighet till pumpkraftverk och en distributionskostnad på 0,25 Sek per kwh, vilket är den lägsta genomsnittliga distributionskostnaden för Sverige under ett år. De två övriga scenariona medel och max förutsätter batterilagring. Anledningen till att batterilagringen får ett större spektra för kostnaderna 1,21 till 4,3 Sek per kwh är för att det är svårare att uppskatta kostnaderna för dessa metoder för nätansluten långtidslagring då de inte är lika vanliga i värden. För medelkostnadsscenariot är medelkostnaden för distributionstjänsten i Sverige 0,28 Sek per kwh antagen och den billigaste batterilösningen på 1,21 Sek per kwh antagen. Detta ger ett köppris på 3,19 Sek per kwh. Värstafallscenariot (max) är den dyraste batterilösningen 4,3 Sek per kwh antagen och dyraste genomsnittliga distributionstjänstkostnaden 0,35 Sek per kwh antagen. För dessa antaganden se tabell 3.2 bilaga 3 och texten om batterilagring under stycket om distribution (Ward T. Jewell, 2008).
Tabell 7, Prisantaganden för produktion av sol el, lagring och distribution av el. Nätavgift (Sek/KWh) Batteri (Sek/KWh) Köppris (Sek/KWh) Säljpris (Sek/KWh) Min 0,25 Pumpkraft: 0,34 2,29 1,7 Medel 0,28 Batteri: 1,21 3,19 Max 0,35 Batteri: 4,30 6,35 När köp och säljpriserna har blivit applicerade på data modellen (för data från modellen se bilaga 8 till 11) framgår det att de olika solscenariona inte har så stor påverkan på priset utan köppriset är det mest avgörande, och det mest avgörande för köpriset är huruvida det finns möjlighet till ett pumpkraftverk för lagring. Priserna blev lite billigare vid mycket sol men prisbilden förändrades inte allt för kraftigt beroende på solen. Detta är för att prisjusteringen på elkonsumtionen efter tillgång är ganska liten i förhållande till den totala elkonsumtionen. Om vi jämför värden i tabell 9 som visar elpriserna för slutkonsument och de för fossila bränslen i figur 15, ser vi att solenergi är jämförbart med elproduktion av olja. Dock förutsatt att det finns möjlighet till pumpkraftverk och att externa kostnader som distribution, skatter och föroreningar läggs på priset för elproduktion av olja. Tabell 8, Tabell över konsumentpriserna för ett elsystem baserat på solenergi, med lagringskostnader inräknade, mätt i sek per KWh. Elpris Lite sol (Sek/KWh) Medel sol (Sek/KWh) Mycket sol (Sek/KWh) Blandad sol (Sek/KWh) Min 1,98 1,91 1,90 1,94 Medel 2,37 2,26 2,23 2,30 Max 3,72 3,50 3,40 3,56
7 Slutsatser och framtida arbete Resultatet för arbetet är att solenergi är jämförbart för elkonsumenterna med el producerat från olja, om oljan får stå för alla sina externa kostnader, och möjligheten till pumpkraftverk finns. Det kräver också att elkonsumenterna kan vara sina egna producenter, för att slippa utgifter som skatt och kunna minska kostnaderna för distribution. Det kräver även en viss anpassning till utbudet av solenergi. Men eftersom att oljan är en ändlig resurs och har haft en stigande kostnadstrend den senaste tiden, medan solenergi haft en sjunkande kostnadstrend, kanske detta blir en mer konkurrenskraftig lösning i framtiden. En annan fördel är att en stor del av landets/öns ekonomi inte går åt till att importera olja, om de dessutom tillverkar solcellerna själva, eller åtminstone får en livskraftig sektor runt försäljning och underhåll av dem, så leder det till att en mindre del av landets ekonomi går till import av olja. Denna studie är en grundläggande undersökning av möjligheterna till att försörja ett land med enbart solenergi. Det som var tydligt i arbetet var att desto mindre som behöver lagras i form av energi desto billigare blir det. Om förnybar produktion ska gå att använda i större skala så måste användandet antingen anpassas bättre efter tillgången, eller priset på lagrad elenergi bli billigare. Förslag till framtida studier är därför att undersöka möjligheterna att påverka/begränsa el användandet med olika typer av styrmekanismer. Antingen genom prismekanismer som gör elen billigare desto mer det finns att tillgå eller med kontrollerade tekniska system. Ett annat förslag till framtida studier är implementering av olika affärssystem som får fossila bränslen att stå för sina externa kostnader och på så sätt gör förnybar energi mer ekonomiskt attraktivt.
8 Litteraturförteckning Blomqvist, P., Nyberg, M., Simonsson, D., Söderberg, H., & Unger, T. (2008). Vindkraft i framtiden. Energimyndigheten, Elfors, Vindfors. BWS Solar. (u.d.). Experience from Germany and oportunities in Turky. Hämtat från Clean Globe: http://www.cleanglobe.org/pdf/59.pdf den 28 02 2012 David J. Sailora, L. L. (2004). A top down methodology for developing diurnal and seasonal anthropogenic heating profiles for urban areas. Portland, USA. New Orleans, USA: Department of Mechanical Engineering, Portland State University. Department of Mechanical Engineering, Tulane University. Energimyndigheten, Sverige. (2011). Energiläget 2011. Eskilstuna: Energimyndigheten. ExternE - Externalities of Energy. A Reserch Prodject of the European Commission. (u.d.). Results of ExternE (Figures of the National Implementation phase). Hämtat från http://www.externe.info: http://www.externe.info/results.html den 23 April 2012 Giorgio Busnelli, V. S. (Oktober 2011). Winning the battle for the home of the future. Hämtat från www.mckinseyquarterly.com: https://www.mckinseyquarterly.com/energy_resources_materials/electric_power/winning _the_battle_for_the_home_of_the_future_2874 den 3 Mars 2012 Hammarstedt, U. (den 13 April 2012). Stuidebesök på Nord Pool Spot, Sverige. (J. Vallgårda, Intervjuare) IEA, International Energy Agency. (2011). IEA Energy Balances of Non-OECD Countries 2010. Paris, Frankrike: IEA, International Energy Agency. Martin A. Green, K. E. (2011). Solar cell efficiency tables (version 39). Sydney, Australia.: ARC Photovoltaics Centre of Excellence, University of New South Wales. Martinsson, F. (den 09 Maj 2009). Vindkraft och elbilar på Öland år 2020. Hämtat från http://www.regionforbund.se/documents/miljo/vindkraft/vindkraftskonferens%202009%20 dokumentation/tema%20eln%c3%a4t/09.35%20bilbatterier%20som%20n%c3%a4tnytta.pd f den 12 Mar 2012 McKinsey. (September 2009). www.mckinseyquarterly.com. Hämtat från Evaluating the potential of solar technologies:
https://www.mckinseyquarterly.com/wrapper.aspx?ar=2426&story=true&url=http%3a%2f% 2fwww.mckinseyquarterly.com%2fEvaluating_the_potential_of_solar_technologies_2426%3 fpagenum%3d1%23interactive&pgn=evpo09_exhibit den 02 03 2012 National Aeronautics and Space Administration, NASA. (den 01 Mars 2012a). Surface meteorology and Solar Energy. Hämtat från nasa.gov: http://eosweb.larc.nasa.gov/cgibin/sse/grid.cgi?&num=341091&lat=0.0&submit=submit&hgt=100&veg=17&sitelev=&email =jval@kth.se&step=2&p=grid_id&p=swvdwncook&p=midday_dwn&p=clrskycook&p=clrskyd ay&p=swv_dwn&p=exp_dif&p=avg_dnr&p=srf_dwn0&p=avg_kt&p=avg_nkt&p= den 01 Mars 2012 National Aeronautics and Space Administration, NASA. (u.d.). Air Pollution as a Climate Forcing: A Workshop. Hämtat från www.giss.nasa.gov: http://www.giss.nasa.gov/meetings/pollution2002/d3_kaya.html den 21 April 2012 Norlund, F. (den 25 Oktober 2011). Studiebesök på Svenska Kraftnät. (J. Vallgårda, Intervjuare) Nuclear Energy Institute, NEI, USA. (u.d.). U.S. Electricity Production Costs and Components (1995-2010). Hämtat från http://www.nei.org: http://www.nei.org/resourcesandstats/documentlibrary/reliableandaffordableenergy/graphi csandcharts/uselectricityproductioncostsandcomponents/ den 20 April 2012 Näringsdepartementet. (2009). Pionjärbanor för spårbilar. Stockholm, Sweden: Regeringskansliet. OECD, Organisation for Economic Co-operation and Development. (2009). OECD in figures 2009 edition. Paris, Frankrike: OECD. Rogers, M. (Januari 2012). Five technologies to watch. Hämtat från www.mckinseyquarterly.com: https://www.mckinseyquarterly.com/energy_resources_materials/electric_power/five_tec hnologies_to_watch_2902 den 6 Mars 2012 Russ Jones. (den 11 December 2009). www.spectrolab.com. Hämtat från New Frontiers in Solar Cell Conversion Efficiency: http://www.spectrolab.com/datasheets/pv/pv_tech/evolution%20of%20multijunction%20t echnology.pdf den 3 April 2012 Solarbuzz. (2012). Cost-Competitiveness. Hämtat från www.solarbuzz.com: http://www.solarbuzz.com/facts-and-figures/markets-growth/cost-competitiveness den 2 Mars 2012
Solarbuzz. (Februari 2012a). Charge Controller Prices. Hämtat från www.solarbuzz.com: http://www.solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/module-prices den 02 Mars 2012 Solarbuzz. (Februari 2012b). Solar electricety price. Hämtat från www.solarbuzz.com: http://www.solarbuzz.com/facts-and-figures/retail-price-environment/solar-electricityprices den 2 Mars 2012 Solceller. (u.d.). Hämtat från www.exotech.se: http://www.exotech.se/solceller.html den 6 Mars 2012 Statistiska Centralbyrån, Sverige. (den 21 Mars 2012). Priser på elenergi och på överföring av el (nättariffer). Hämtat från http://www.scb.se: http://www.scb.se/pages/producttables 6429.aspx den 23 April 2012 Svensk Energi. (den 15 November 2011). Region Nytt - Mitt. Hämtat från www.lundsenergikoncernen.se: http://www.svenskenergi.se/upload/vi%20arbetar%20med/regional%20verksamhet/region %20Mitt/Region%20Nytt/RegNytt_mitt_111115.pdf den 25 04 2012 Svenska kraftnät. (den 24 May 2011). Kort Om Svenska Kraftnät. Hämtat från www.svk.se: http://www.svk.se/global/02_press_info/pdf/faktablad/faktablad_kort_om.pdf den 3 Mars 2012 The Central Intelligence Agency (CIA). (u.d.). The world factbook. Hämtat från www.cia.gov: https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/fields/2038.html den 20 April 2012 Ward T. Jewell, P. P. (2008). Analysis of the Cost per Kilowatt Hour to Store Electricity. Wichita: IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION.
Bilaga 1 Tabell 9 Genomsnittlig instrålad solenergi på en horisontal yta i kilowattimmar per kvadratmeter och dag, med tre olika scenarion. Genomsnittlig instrålad solenergi per dag under de olika månaderna på ett år, uppmätt under 22 år. (medel) Lägsta uppmätta genomsnittlig solinstrålning per dag under de olika månaderna på ett år, uppmätt under 22 år. (min) Högsta uppmätta genomsnittliga solinstrålningen per dag under de olika månaderna på ett år, uppmätt under 22 år. (max) Data i tabellen är från (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a) Genomsnittlig instrålad solenergi på horisontal yta i kilowattimmar per kvadratmeter och dag (kwh/m 2 /dag) jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Års medel Medel 5,7 6,0 6,0 5,9 5,8 5,6 5,8 6,0 6,5 6,2 5,9 5,5 5,9 Största och minsta värde för instrålad solenergi i procent på en horisontal yta (%) jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Års medel Min 0,9 0,8 0,7 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 Max 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,1 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,3 1,2 Största och minsta värde för instrålad energi på horisontal yta (kwh/ m 2 /dag) jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Års medel Min 5,3 4,5 4,1 4,5 4,6 4,4 4,7 4,9 5,4 4,9 4,5 4,2 4,7 Max 6,8 7,4 7,3 7,3 6,8 6,3 6,8 7,0 7,6 7,3 7,1 6,9 7,0 Tabell 10, Genomsnittlig dygnsvariation av den instrålade effekten på marknivå mot en horisontell yta, mätt under en 22 års period. Mätt i kilowatt per kvadratmeter. Mätningarna är gjorda med tre timmars intervall Data i tabellen är från (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a) Genomsnittlig instrålning med tre timmars intervall (kw/m 2 ) Tid jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec 0 - - - - - - - - - - - - 03 - - - - - - - - - - - - 06 - - - - - - - - - - - - 09 0,22 0,22 0,23 0,26 0,27 0,26 0,24 0,26 0,30 0,33 0,31 0,26 12 0,70 0,75 0,75 0,74 0,72 0,70 0,71 0,75 0,80 0,79 0,76 0,70 15 0,68 0,72 0,71 0,68 0,67 0,65 0,68 0,70 0,75 0,71 0,67 0,63 18 0,23 0,26 0,24 0,21 0,20 0,20 0,23 0,23 0,23 0,18 0,17 0,18 21 - - - - - - - - - - - - 24 - - - - - - - - - - - -
Bilaga 2 Tabell 11, Genomsnittlig temperatur under de olika månaderna på året, med tre olika scenarion. Genomsnittlig temperatur de olika månaderna på ett år, uppmätt under 22 år. (medel) Lägsta uppmätta genomsnittlig temperatur under de olika månaderna på ett år, uppmätt under 22 år. (min) Högsta uppmätta genomsnittliga temperatur under de olika månaderna på ett år, uppmätt under 22 år. (max) Data i tabellen är från (National Aeronautics and Space Administration, NASA, 2012a) Lat 0 Lon 160 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Medel 27,2 27,1 26,9 26,8 26,9 26,7 26,7 26,8 26,8 26,9 27,2 27,3 26,9 Min 26,4 26,3 26,1 26 26 25,9 25,9 25,9 25,9 25,9 26,2 26,4 26,1 Max 28 27,9 27,7 27,5 27,6 27,5 27,4 27,5 27,6 27,8 28 28 27,7 Tabell 12, Tabellen visar prisutvecklingen för de mest priseffektiva solcellerna det senaste året, i US cent per kilowattimme. De tre olika scenariona är förklarade i texten ovan. Med data från (Solarbuzz, 2012a). Årsgenomsnitt Solenergisystem Enhet US Cent/kWh Hustak med batteri, på 2 kw Markanliggning utan batteri på 50 kw Industritak utan batteri på 500 kw feb 11 mar 11 apr 11 maj 11 jun 11 jul 11 aug 11 31,0 30,5 30,4 30,3 30,3 30,1 29,8 29,5 29,4 29,3 29,2 29,1 29,0 21,3 20,9 20,7 20,7 20,7 20,5 20,3 20,0 19,9 19,7 19,7 19,6 19,5 16,6 16,3 16,2 16,1 16,1 16,0 15,8 15,6 15,5 15,4 15,3 15,3 15,2 sep 11 okt 11 nov 11 dec 11 jan 12 feb 12
Bilaga 3 Tabell 13, tabellen visar kostnaden för att producera el från olika fossila bränslen, mätt i Sek per kwh (Nuclear Energy Institute, NEI, USA) År Kol Gas Olja 1995 17,5 25,4 39,9 1996 16,5 31,1 40,5 1997 15,9 31,5 36,0 1998 15,6 27,6 25,6 1999 15,0 29,9 30,6 2000 14,7 49,5 44,3 2001 15,0 49,8 40,8 2002 14,9 31,6 39,0 2003 14,7 43,6 46,7 2004 15,2 43,6 44,3 2005 16,5 54,6 60,8 2006 17,2 47,1 69,7 2007 17,5 45,5 73,4 2008 19,1 53,4 119,0 2009 20,3 34,1 87,7 2010 20,6 32,7 102,0 Tabell 14, Tabellen visar kostnaden för elanvändaren för distributionstjänsten av el, mätt i Svenska ören per kwh. (Statistiska Centralbyrån, Sverige, 2012) Typkund 1 jan 1997 1 jan 1998 1 jan 1999 1 jan 2000 1 jan 2001 1 jan 2002 1 jan 2003 1 jan 2004 1 jan 2005 1 jan 2006 1 jan 2007 1 jan 2008 1 jan 2009 1 jan 2010 1 jan 2011 Lägenhet 41,1 42,3 42,3 42,3 42,9 42,8 44,1 45,9 46,8 46,9 47,5 48,9 52,5 56,2 59,1 Villa utan elvärme 36,2 37,1 37,2 37,2 37,5 37,6 38,5 40,6 40,8 40,9 41,1 42,4 45,6 48,9 51,3 Villa med elvärme 21,6 20,7 20,6 20,8 20,8 20,9 21,7 22,4 22,8 22,8 22,9 23,3 24,7 26,2 27,6 Jord- och skogsbruk 22,5 21,7 21,8 21,9 22,2 22,2 22,9 23,9 24,4 24,5 24,7 25,4 27,0 28,8 30,4 Näringsverksamhet 15,4 15,3 15,2 15,3 15,3 15,4 16,0 16,7 17,1 17,1 17,2 17,6 18,6 19,7 20,7 Småindustri 16,5 14,8 15,0 15,2 15,0 15,3 15,6 16,4 16,9 16,8 16,9 17,6 18,5 19,7 20,8 Genomsnitt 25,6 25,3 25,4 25,5 25,6 25,7 26,5 27,6 28,1 28,2 28,4 29,2 31,2 33,3 35,0
Bilaga 4 Tabell 15, Elproduktion i världen efter produktionsslag, 1990-2008, uttryckt i TWh. Tabellen är tagen från (Energimyndigheten, Sverige, 2011). Energimyndigheten har baserat tabellen på data från (IEA, International Energy Agency, 2011). År Kol och koks Olja Naturgas Kärnkraft Vattenkraft Övrigt Totalt 1990 4 420 1 240 1 726 2 013 2 145 277 11 821 1991 4 526 1 244 1 752 2 106 2 213 242 12 084 1992 4 605 1 223 1 763 2 124 2 211 260 12 186 1993 4 709 1 182 1 816 2 191 2 340 240 12 477 1994 4 843 1 174 1 890 2 242 2 362 272 12 783 1995 4 985 1 164 1 995 2 332 2 481 267 13 222 1996 5 219 1 155 2 062 2 417 2 515 277 13 647 1997 5 352 1 175 2 205 2 393 2 545 273 13 942 1998 5 456 1 222 2 347 2 445 2 556 270 14 295 1999 5 583 1 188 2 547 2 531 2 563 287 14 699 2000 5 997 1 155 2 728 2 591 2 621 303 15 395 2001 6 002 1 132 2 869 2 638 2 560 301 15 502 2002 6 280 1 130 3 064 2 661 2 629 340 16 104 2003 6 712 1 123 3 215 2 635 2 642 361 16 688 2004 6 926 1 156 3 443 2 738 2 809 404 17 476 2005 7 332 1 155 3 628 2 768 2 925 450 18 258 2006 7 755 1 076 3 837 2 791 3 030 481 18 971 2007 8 208 1 098 4 147 2 719 3 072 561 19 804 2008 8 253 1 076 4 301 2 731 3 208 612 20 181 Tabell 16, Tabellen visar kostnaderna per kilowattimme för de ekonomiska externiteter som produktionsslaget har på samhället i övrigt, mätt i svenska ören per kilowattimme. Dessa siffror är grovt beräknad då det är väldigt svårt att få exakta siffror på den här typen av data. Data i tabellen är baserad på data från (ExternE - Externalities of Energy. A Reserch Prodject of the European Commission) Land Kol Olja Gas PV Sverige 26,5 Danmark 48,6 22,1 Tyskland 39,8 57,5 13,26 5,3 England 57,5 35,4 8,8
Bilaga 5 Figur 27, Detta är ett diagram över andelen stillastående bilar på Öland, uttryckt i procent per timme över en dag. (Martinsson, 2009)