Backup af vedvarende energi

I det følgende gennemføres en beregning af det tyske backup-behov ved en elforsyning baseret på sol, vind, hydro og biomasse, baseret på landets timetal for 2023. Artiklen er delt i to, første del vedrørende batterier som lager kommer her, og om et par dage følger del to, hvor der bruges brint til lagringen.

Formålet med dette lille notat er at skaffe os et overblik over den europæiske energipolitik, og vi arbejder fortrinsvis med tyske tal. Danmark er i denne sammenhæng ret uinteressant. Vi ligger imellem lande med meget større elsystemer end vort eget, hvilket giver os en meget lettere adgang til at kompensere for de voldsomme og ustyrlige svingninger i den grønne elproduktion, og vi er små nok til at kunne basere en stor del af vor energiforsyning på importeret biomasse. En mulighed, som Tyskland af indlysende grunde ikke kan have. Hvortil kommer, at EU-kommissionen netop har udgivet en rapport, hvor man kan læse: 

Danmarks forbrug af biomasse til energi ligger ifølge rådet på over 30 GJ pr. indbygger, hvorimod IPCC peger på, at et bæredygtigt forbrug af biomasse højst kan være 10 GJ/år (317 watt) pr. verdensborger i 2050.

I 2022 brugte en dansker i gennemsnit 3,6 kW, heraf 600 watt biomasse.

Så hvad nu lille land? Hvis vi hverken vil bruge fossile brændsler eller atomkraft, har vi kun vind og sol tilbage. Nedenstående forsøger jeg at belyse, hvilke problemer det vil give.

Figurerne 1 og 2 nedenfor viser grøn tysk strøms andel af elforbruget, time for time i 1. og 3. kvartal 2023. Der er 168 timer svarende til en uge imellem de lodrette delelinjer.

Det er indlysende, at der vil være et betydeligt behov for backup, og under forudsætning af at biomasse og vandkraft allerede er udnyttet fuldt ud, er der kun én vej frem, en massiv udbygning af vind- og solenergi.

I 2022 var Tysklands energiforbrug i alt 390 GW. I 2023 ydede vind + sol + biomasse + vandkraft i gennemsnit 31 GW, varierende mellem 67 GW og 7,6 GW. Og svarende til 8% af det totale energiforbrug.

Vind og sol alene i gennemsnit 22,5 GW, varierende ukontrollabelt mellem 60 GW og 0,6 GW. I gennemsnit svarende til 5,8% af energiforbruget. Der mangler stadig væk en del i at blive klimaneutral.

Der er i princippet 360 GW, der ikke er grønne. Hvis man ikke kan forøge anvendelsen af biobrændsel og næppe heller af vandkraft, vil vind og sol skulle forøges med en faktor 360/22,5 = 16.

Det er forstemmende at følge med i tysk TV og følge hvilken til kaos grænsende utilfredshed, der præger landet. Dette vil næppe mindskes, ved forceret udbygning af vind- + solenergi.   

Stærke elnet fra land til land vil hjælpe, men løser ikke problemet, som det turde fremgå klart af nedenstående figur 3 og 4.

Det fremgår af tabel 1, at en sammenlægning af ydelserne fra flere lande, vil dæmpe svingningerne i den grønne strøms andel af elforbruget, men på ingen måde udligne det, og slet ikke overflødiggøre en backup, som meget uregelmæssigt men med stor hyppighed må kunne yde 70-80% af elforbruget.

Beregning af tysk backup behov ved elforsyning baseret på sol, vind, hydro og biomasse baseret på tyske timetal for 2023.

Beregningsforudsætninger:

1. Timetal for elforbrug og produktion 2023 iflg. Entsoe.
2. Ydelses- og forbrugsprofil som i 2023. Disse profiler vil naturligvis være anderledes i andre perioder.
3. Der er udført en beregning for forbruget i 2023 og for et forbrug 1,25, 1,50, 1,75 og 2,00 gange dette forbrug.
4. Der regnes med uændret ydelse fra biomasse og vandkraft (hydro).
5. Resultatet af beregningerne viser lagerbehovet henholdsvis ved anvendelse af batterier og brint som lagringsmedium.
6. Der forudsættes et tab på 5% ved lagring af batterier og et tab på 5% ved træk fra batteriet. Batteriprisen sættes til 500 €/kWh.
7. Der observeres ved alle beregningerne et uhyrligt krav til lagrings- og ydelseskapaciteten. Under forudsætning af det nuværende elforbrug vil batterier skulle kunne modtage 76-169 GW og kunne yde 57-124 GW. Til sammenligning lå det gennemsnitlige tyske elforbrug i 2023 på 52,9 GW.
8. Selve lagerkapaciteten vil for batterier skulle være 21-47 TWh svarende til en investering på henholdsvis 132.000 € og 295.000 € per indbygger. Til sammenligning har de svenske vandmagasiner en kapacitet på ca. 34 TWh.
9. En fremtidig fordobling af elforbruget og dækket af “grøn” strøm i Tyskland vil give en effekt på i alt 105 GW. Tysklands totale energiforbrug i 2022 var 390 GW, mod 401 GW i 2021. Et fremtidigt ”fossilfrit Tyskland” vil i det væsentlige være et Tyskland baseret på grøn elektricitet, da der kun er stærkt begrænsede mængder biobrændsel til rådighed. Der er lang vej fra de 31 GW grøn el Tyskland producerede i 2023 til et energiforbrug på 390 GW. Medregnes tabene ved ellagring og PtX, tør man formode at vejen vi være uendelig lang.

Det tyske elforbrug i 2023 var i gennemsnit 52,9 GW mod 55,3 GW i 2022. Et fald på godt 4%. Og måske forklaringen på de mange strejker i Tyskland med krav om betydelige lønforhøjelser og udbetaling af Klimageld til mindre bemidlede.

Det danske elforbrug faldt tilsvarende fra 3997 MW i 2005 til 3957 MW i 2023, til trods for at befolkningstallet er steget med ca. 10% i perioden. Så omstillingen til el synes at gå ret trægt.

I tabel 2 nedenfor har vi forsøgt at beregne konsekvenserne af at udbygge vind + sol således at det nuværende elforbrug (2023) ville kunne dækkes af den nuværende vandkraft og biomasseafbrænding + en forøget produktion af vind og solenergi + et batterilager, der kunne opsamle energien ved overskud af vind og sol og levere elektricitet igen, når vind og sol + biomasse + vandkraft ikke vil være leveringsdygtige. Vi er gået ud fra, at vandkraft og biomasse allerede yder den regulerings-kraft, de kan, og at denne ikke kan udbygges væsentligt.

Vi har ikke regnet med, at elforbruget i nogen grad vil kunne reguleres, og dermed reducere problemerne med vind og sol. Det nuværende elforbrug vil næppe kunne reguleres væsentligt uden at skabe nye problemer, medens det vel går an at antage, at et fremtidigt meget større elforbrug i nogen grad vil kunne reguleres.

Forklaring tabel 2:
Øverst i tabellen vises de anslåede tab ved opladning og afladning af et batteri. Vi er gået ud fra, at der mistes 50 W/kW eller 5% både ved opladning og afladning. Prisen for batterier i fuld skala på realiserede projekter ligger p.t. ikke under 4.000 kr./kWh. Det svarer til godt 500 €/kWh. Muligvis bliver batterierne billigere i fremtiden, det får vi at se. 

Elprisen er sat til 110 €/MWh svarende til 82,5 øre/kWh. Nok noget højere end prisen ab vindmølle, men det er jo ikke gratis at transportere strøm fra Nordsøen til Sydtyskland.

I næste del af tabellen er tallene fra 2023 ganget op med faktorer mellem 1 og 2. Her skal grøn el + et lagersystem kunne dække forbruget i 2023 gange henholdsvis 1,00; 1,25; 1,50; 1,75 og 2,00.

Næste linje viser de beregnede fremtidige gennemsnitlige ydelser fra vind og sol.

Derefter vises med hvilken faktor den nuværende (2023) ydelse fra vind + sol skal forøges for at nå disse mål.

De to sidste linjer i denne sektion viser de beregnede maksimale og minimale ydelser fra et fremtidigt vind- + solcellesystem.

Dernæst kommer de beregnede lagringstab. Det er ikke omkostningsfrit at oplade og aflade en akkumulator, og den vil også aflade med tiden. Vi har sat tabet til 5% ved opladning og det samme ved afladning, hvorved tabet sammenlagt vil blive 9,75 % af den tilførte elmængde. Den sidste linje viser, hvor mange milliarder € tabet vil udgøre per år.

I 2023 ydede tysk vind + sol i gennemsnit 22,5 GW. Iflg. tabel 2 skal denne ydelse forøges til 45,7 GW, hvis man vi have elforbruget besørget af vind + sol + biomasse + hydro.

Finnernes nyeste atomkraftværk Olkiluoto 3 kostede 81 milliarder kroner og yder regelmæssigt 1500 MW, svarende til 7,5 milliarder €/GW. 

Ville man i stedet fremskaffe de manglende 23 GW ved atomkraft, ville investeringen blive 23 * 7,5 = 172 milliarder €.

Den sidste vindmøllepark, vi har tal for, er Kriegers Flak, der kostede ikke under 9 milliarder kroner og i gennemsnit yder 300 MW svarende 4 milliarder €/GW.

Lavere end for atomkraft. Javist. Men hertil er at indvende, at transmissions-ledninger fra tyske havområder til de vindstille områder i Sydtyskland ikke er gratis. Den uundgåelige energilagrings/backup- kapacitet heller ikke. Vælges batteriløsningen vil denne iflg. tabel 2 koste 122.000 € per tysker i alt 9760 milliarder € + 96 milliarder til ny vindkraft + elledninger!

Endelig var Olkiluoto 3 en prototype, der ved masseproduktion burde kunne blive betydeligt billigere. Og både koreanere og russere kan bygge atomkraftværker til ca. den halve pris. Hvorfor kan europæere så ikke?

Tallene ovenfor er naturligvis meget usikre, men størrelsesordenen kan ikke være helt forkert.

I øvrigt er materialeforbruget, især metalforbruget, for vindkraft betydeligt højere end for atomkraft. Europæisk klima/miljøpolitik har i det væsentlige fordrevet produktion af metaller fra Europa. Så kinesere og andet godtfolk vil fremover kunne fastsætte prisen for disse. Dette burde kunne stemme store metalforbrugere til alvor.

Tabel 2 viser herefter under ”tillægsomkostning” elprisens beregnede stigning som følge af lagertabet og den resulterende elpris. Disse tal er ekskl. batteriomkostningerne, der i stedet er vist som ekstraregningen per tysker.

Endelig viser den sidste linje i denne blok hvor mange tusinde € batteriregningen per tysker vil løbe op i. Allerede i dag udbetales der Klimageld til Geringverdiener, dvs. ”klimapenge” til de fattige.  Det vil ikke blive nemt at finansiere den fremtidige Klimageld.

De nederste linjer på tabel 2 viser lagerbehovet for de forskellige scenarier, altså hvilken batterikapacitet, der vil være behov for. Tallet 19,7 TWh er ikke i sig selv meget sigende, men sammenholdes det med batteriomkostningen per indbygger nederst i tabel 2, vil man forstå, at omkostningen vil være betydelig. Til sammenligning er lagerkapaciteten i de svenske vandmagasiner ca. 34 TWh. Så vi befinder os ikke i småtingsafdelingen.

Lagerbehovet svarer til 15-16 dages gennemsnitsproduktion. Man støder af og til på begejstrede beskrivelser af nye store batterier, med en kapacitet på nogle hundrede MWh, når det går højt.  Til sammenligning er det danske elforbrug ca. 4000 MWh/h. Så et batteri på f.eks. 1000 MWh, vil altså kunne dække det danske elforbrug i 15 minutter.

I skrivende stund den 02.03.2024 kl. 16,15 var det danske elforbrug 4137 MW, og vindydelsen 459 MW.  Kl. 8,01 var forbruget 4112 MW og vindydelsen 2704 MW, så det må være klart, at vindkraft kræver et solidt backup-system.

I en artikel i Ingeniøren den 29.02.2024 hævdes det, at udsigt til EU-stramninger kan true dansk biomasseforbrug. Ret alvorligt idet importeret biomasse i 2022 tegnede sig for 2086 MW mod vind- og solkraftens 2525 MW

Så hvad, nu lille land? Kan vi forlade os på import ved strømmangel, træk på et ellager, eller hvad?

Ved betragtning af dataene for tysk behov, vil det være rimeligt at antage, at Tyskland i hvert fald ikke vil kunne dække sit backup-behov ved import.

Linjen ”Maks. til lager” i tabel 2 ovenfor viser, hvor store eloverskud der vil kunne forekomme ved de forskellige scenarier og angiver værdierne 66-146 GW. Det tyske elforbrug i 2023 var i gennemsnit 53 GW.  Et lagersystem stort nok til at modtage en effekt svarende til hele det tyske elforbrug, kan man vanskeligt forestille sig.

Man kan vælge at skære toppen af, og dermed miste strøm, og i princippet vælge at bygge endnu flere vindmøller til at kompensere for tabet. En skrue uden ende.     

Afgangen fra lageret er mindre, af to grunde. For det første tabes der som ovenfor vist omtrent 10% af strømmen ved lagringen, og for det andet er forbrugsmønstret mindre varierende end vind- og solkraften.

Så der vil skulle kunne regenereres fra 54 GW til 116 GW.  Også et utænkeligt niveau.

Nedenstående figurer 5 – 7 referer til 100% dækning ved grøn strøm, baseret på tallene fra 2023 og med batterier som lagermedium.

Den røde kurve viser time for time det tyske strømforbrug i 1. kvartal 2023, og hvorledes den grønne ydelseskurve ville se ud ved uændret hydro + biomasse og samtidig forøgelse af vind + sol så det nuværende strømbehov kunne dækkes ved hjælp af et batterilager.

Det ses, at ydelsen, den blå kurve, er i meget ringe overensstemmelse med forbruget (den røde kurve). Og at man skal være en hård benægter for at hævde, at dette ikke er et alvorligt problem.

Figur 6 viser energilagerets energiindhold angivet i GWh i løbet af året.

Figur 7 viser tilgang og afgang fra elektricitetslageret. Vi har ikke specielt forstand på batterier, men vil dog antage, at de voldsomme ændringer ikke vil være befordrende for batteriets levetid.

Vi er ret sikre på at beregningerne ud fra de givne tal og forudsætninger er korrekte. Forudsætningerne kan naturligvis diskuteres, men er dog baserede på tanker og tal, der er fremme i tiden. Først og fremmest ideen om, at vi skal være ”klimaneutrale” i en ikke for fjern fremtid.

Resultaterne er absurde hinsides enhver forestillingsevne. 

P. Sørensen Fugholm kunne have spurgt ”Hvems er skylden og hvaffor?

Jeg stiller mig det samme spørgsmål.