Grunnleggende om energisystem

Professor Jan Emblemsvåg (NTNU/Ålesund) har skrevet en lengre artikkel i tidsskriftet NATUREN (nr.2/2023) om «De grunnleggende forholdene et energisystem må ta hensyn til for at det skal være bærekraftig»:

https://www.idunn.no/doi/10.18261/naturen.147.2.2 (bak betalingsmur).

Sammendrag i artikkelen:

«Artikkelen ser på de grunnleggende forholdene som må oppfylles for at et kraftsystem i det hele tatt skal fungere rent teknisk, men også i det store, samfunnsmessige bildet der nye energikilder må gis en viss energimessig avkastning for i det hele tatt være relevante for dagens utfordringer. Dessverre mangler det ikke på publiseringer som er teknisk umulige eller som ikke tar inn over seg den energimessige avkastningen som en teknologi må ha, for i det hele tatt å være relevant for diskusjonen. Hovedformålet med denne artikkelen er å bidra til å øke forståelsen av hva et kraftsystem faktisk må levere teknisk og når det gjelder energiavkastning».

Siden artikkelen er lang (og bak en betalingsmur), gis det nedenfor en oppsummering av noen viktige punkt.

Bærekraftige energisystem må respektere RAM

RAM er en forkortelse for Reliability, Availability and Maintainability (Pålitelighet, Tilgjengelighet og Vedlikeholdbarhet). 

Det er vanlig å sammenligne forskjellige energisystem ved beregning av LCOE (Levelized Cost of Energy). Der tas det sjelden eller aldri med RAM, og som Lazard (2016) bemerker i en av sine analyser: «This analysis does not take into account potential social and environmental externalities or reliability-related considerations».

RAM er viktig for kraftsystemet, for det er basert på fysikken i systemet. I Norge, og i mange andre land, er elektrisitet til vanlige forbrukere tilbudt med 230V spenning og 50Hz frekvens. For å sikre riktig spenning og frekvens, må samtlige bidragsytere inn i kraftsystemet bidra på nøyaktig samme måte – synkronisert på tidels-sekundet.

Etterspørselen etter elektrisitet varierer, men synkroniseringen må skje hele tiden. Dette styres på 3 hovedmåter:

• Treghetsrespons (treghetsmoment fra store, roterende generatorer i vannkraftverk, kjernekraftverk, biokraftverk og fossile kraftverk)
• Kraftreserve (magasinert vannkraft eller fossile kraftkilder)
• Ramping (kjøring av turbinene opp/ned etter behov)

Det er her viktig å være klar over at sol- og vindkraft går inn på kraftnettet via omformere, men uten egen synkronisering. Det må sikres av de synkrone kraftkildene. I tillegg er sol- og vindkraft ikke stabil.

Tidsintervall er viktige. Det er kun treghet fra synkrone energikilder som fungerer på hurtig variasjon, og de store variasjonernei vindkraften byr på store utfordringer for å holde systemet i balanse dersom synkrone energikilder mangler. Et godt eksempel på dette er Tyskland, som i løpet av 20 år økte produksjonskapasiteten (GW), gjennom en kraftig utbygging av vind- og solkraft, med 80%. Elektrisitetsproduksjonen (GWh) økte derimot med kun 5%.

Denne situasjonen fins også globalt. De siste 20 år er andelen primærenergi fra sol og vind kun gått fra 0 til 4%. Tilgang på energ har endret seg lite i forhold til innsatsen. Det var også konklusjonen til den tyske riksrevisjonen om det tyske Energiewende. 

Grunnen til at Danmark (og andre land) kan påberope seg til tider høy andel fornybar energi, er at kraftsystemet kan synkroniseres fra et nabosystem. Hadde naboene hatt like høy andel sol- og vindkraft som Danmark, ville hele systemet kollapset.

Alle analyser som ser på 100% sol- og vindkraft, er derfor økonomisk umulig med dagens teknologi, og langt på veg også teknisk.

Selv Norge har begrenset mulighet for hurtig opp- og nedkjøring av turbinene. Det skyldes at norsk vannkraft ble prosjektert for å kjøre med moderate systemvariasjoner, aldri for å integrere hurtigendrende kraftkilder som vindkraft. For å bygge ut vindkraft i signifikant skala, må Norge:

1. Økte nettreserven (som stort sett allerede er oppbrukt).
2. Øke responsen på dagens vannkraft (det innebærer økt effektkjøring og økte kostnader).
3. Importere mer kraft (dersom tilgjengelig)

 

Det er åpenbart at alle disse opsjonene innebærer vanskelige valg, og de vil uansett innbære økte kostnader.

EROI (Energy Return On Investment) er kritisk for samfunnsutviklingen

EROI er forholdet mellom total energiproduksjon i et livsløp og den energimengden som trengs brukt for å produsere denne energien. EROI er ikke avhengig av markedsmessige forhold, og derfor et direkte uttrykk for ressursbruken ved produksjon av energi. 

Energi er driveren bak all sosioøkonomisk utvikling, og ethvert samfunn må ha en EROI som overskrider en minimumsverdi (terskelverdi). I samfunn som har en EROI lavere enn terskelverdien, vil fdet skje en kollaps av samfunnsstrukturene. Det er liten uenighet om dette, og for et moderne samfunn må denne terskelverdien ligge i området 5-7. Legger man dagens OECD-planer for «grønn vekst» innen 2060 til grunn, er det beregnet at den globale gjennomsnittlige EROI vil falle fra dagens nivå på 12 til 3-5 innen midten av århundret, dvs en samfunnsmessig kollaps.

I artikkelen er det vist en figur med beregnede verdier EROI for en rekke energikilder. Dersom det antas at energikildene blir balansert (om nødvendig), viser figuren følgende verdier for EROI:

• solkraft i Tyskland: 1,6
• biomasse: 3,5
• vindkraft : 3,9
• solkraft i ørken: 9
• gasskraft (CCGT): 28
• kullkraft: 30
• vannkraft (middels stort): 35
• kjernekraft: 75

Det går frem av denne listen at sol- og vindkraft er dårlige alternativ for et bærekraftig samfunn. Kjernekraft kommer klart best ut, etterfulgt av vannkraft og fossil kraft.

Et annet viktig aspekt ved valg av energikilder, er materialbehovet for de enkelte energikildene. Uttrykt i tonn/TWh (tonn per milliard kilowattimer)er følgende materialbehov beregnet

• solkraft ca. 16000 tonn
• vannkraft ca. 14000 tonn (hovedsaklig betong)
• vindkraft ca. 10000 tonn (mye betong)
• geotermisk kraft ca. 5500 tonn
• biomasse ca. 1000 tonn
• kjernekraft ca. 900 tonn

Også her kommer sol og vind meget dårlig ut. Disse energikildene er også de, spesielt solkraft, som har størst behov for sjeldne jordart-metall. Utvinning av slike metall fører ofte til meget store miljøskader.

Forfatteren (Jan Emblemsvåg) konkluderer med at dagens energipolitikk i Europa i stor grad er feilslått. Det er satset på variable og ikke-kontrollerbare energikilder med lav EROI fremfor kontrollerbare kilder med høy EROI. Systemtekniske forhold er i stor grad neglisjert.

Artikkelen avsluttes med et sitat av forfatteren Ayn Rand:

Du kan ignorere virkeligheten, men du kan ikke ignorere konsekvensene av å ignorere virkeligheten.