Sol og vind

I forbindelse med opslaget vedr. IDA & AAU’s store plan for Danmarks fremtidige energiforhold har Søren Holst Kjærsgård gennemført en større analyse af situationen vedr. elforsyningen. Vi bragte nogle udpluk i omtalen af planen, men det er nok umagen værd at kigge lidt mere på resultaterne. Det vil yderligere underbygge konklusionen, at man aldrig kan opnå en stabil elektricitetsforsyning baseret på sol- og vindkraft som hovedkilder.

IDA’s plan havde som bekendt hovedformålet at gøre Danmark CO₂-neutralt i 2045. Det skulle primært realiseres ved en kraftig elektrificering af samfundet. El skulle bruges til opvarmning (varmepumper), industriprocesser og transport, dels batteridrevne elbiler, men også flydende brændstoffer fremstillet ud fra el-baseret brint.  Vind og sol skulle stå for stort set hele elproduktionen. Atomkraft er slet ikke inde i billedet, og IDA holder igen med biomassen, da det jo efterhånden er bredt erkendt, at Danmarks nuværende forbrug ikke kan anses for at være bæredygtigt på globalt plan.

Der er således tale om en voldsom udbygning af kapaciteten af vind- og solenergi ifølge IDA’s plan. Tabel 1 viser situationen, hvor de aktuelle tal fra 2020 er sammenlignet med visionen for 2045. Der skal installeres i alt 18 GW vindkraft og 10 GW solceller, hvilket skal give en produktion på i alt 91 TWh (terawatt-timer = 1000 milliarder watt-timer), hvilket er 5 gange så meget som i dag. Det fremtidige forbrug kommer til at matche denne produktion, så der er balance mellem de to.

IDA ofrer ikke mange tanker på det faktum, at sol og vind giver et meget varieret udbytte over dagen, måneden eller året. 91 TWh pr. år, svarende til 28 GW får man ikke jævnt hver dag. Om natten leverer solcellerne ingenting, mens vinden kan veksle mellem nul og fuld produktion i løbet af få timer.

Fig. 1 viser et eksempel på situationen. Her er tal fra 2020 brugt som udgangspunkt, og de er så ganget op, så de svarer til den påtænkte kapacitet i 2045. Der er udvalgt en periode af ca. en uges varighed henover månedsskiftet februar-marts. Man ser de små daglige toppe fra solenergien, den giver ikke meget om vinteren så langt mod nord, som vi befinder os. Vindenergien er der anderledes variation i. I de første ca. 3 døgn er der megen blæst og møllerne leverer en kolossal mængde energi. På 4.-dagen er billedet skiftet, og i de følgende 3 døgn leverer møllerne ganske lidt. Generelt bemærker man også, at der er store udsving fra time til time i den vedvarende energis produktion.

Fig. 2 viser forbruget (”load”) i den samme periode, igen 2020-tal, der er ganget op til IDA’s 2045-niveau. Forbruget viser et standardbillede, lavere om natten, højere om dagen med et maksimum sidst på eftermiddagen/først på aftenen. Minimumforbruget kommer dog aldrig under 8.000 MW (8 GW), og sammenligner man med fig. 1, kan man se, at i perioder når vind og sol tilsammen end ikke der op.

Det er vist mere tydeligt på fig. 3, hvor summen af produktionen fra sol og vind er sammenholdt med forbruget. I de første 3 dage, hvor det blæste godt, er produktionen meget højere end forbruget, og den overskudsstrøm skal lagres, bortskaffes eller elimineres ved at standse møller. Til gengæld er der et stort underskud af energi i de sidste 3 dage.

I fig. 4 er så vist forskellen mellem forbrug og produktion (forbrug minus produktion). Når kurven er under nul har vi for meget strøm, når den er over nul er det straks værre. Vil man undgå strømafbrydelser til folk (”blackouts”), må man enten importere, køre med alternative, fyrede, kraftværker eller tappe fra nogle lagre. IDA satser på import, men det er nok relativt urealistisk i den målestok, der er brug for her. Alle vores nabolande har jo til den tid også installeret en masse solceller og vindmøller, og når det er vindstille i Danmark er det meget ofte tilfældet i resten af Nordeuropa. Så naboerne har ikke noget strøm, de kan undvære til os.

Fig. 5 viser en tilsvarende situation, denne gang fra juni måned. Denne gang giver solen meget mere hver dag, maksimum er det dobbelte af februars og der er flere timer hver dag, hvor der genereres energi. Men det er stadigvæk et meget varierende forløb, primært pga. vinden, der også her svinger mellem nul og 15.000 MW. Summen af de to kurver er indtegnet, her står vi med en samlet produktion, der svinger mellem 0 og knap 24.000 MW, stort set inden for samme døgn.

Resultatet er da også meget broget, når vi igen sammenholder produktionen med forbruget, se fig. 6. Forbrugskurven ligner meget den fra februar, men forskellen mellem forbrug og produktion svinger mellem et underskud på produktionen på op til 7.000 MW (de første 3 dage), og derefter et overskud på op til 12.000 MW.

Konklusionen er helt klart, at sol og vind aldrig på egen hånd kan levere en stabil elektricitetsforsyning, der time for time (eller rettere, sekund for sekund) kan matche efterspørgslen. Det kan konventionelle kraftværker ved sindrige reguleringer, hvor ét eller flere værker tager sig af de hurtige variationer, mens der ved siden af kører grundlastenheder, der giver en stabil produktion. Alle variationer i systemet er kun dem, som forbrugets svingninger påfører det.

Med sol og vind som kilder får vi pludseligt påtrykt endnu et sæt svingninger, og de er meget voldsommere, end hvad forbruget giver, og dertil forholdsvis uforudsigelige. Som vi kan se af figur 3 og 5, er der tale om meget store ændringer over kort tid.

Alle tanker om intelligent forbrug eller aftapning af lidt strøm fra folks elbiler er selvfølgeligt helt utilstrækkelige i situationer som vist her. Fig. 4 viser en situation, hvor vi flere dage i træk konstant mangler mellem 5.000 og 10.000 MW strøm. De 5.000 MW er faktisk allerede mere, end Danmarks gennemsnitsforbrug i dag – bare for at sætte størrelsesforholdet i perspektiv. I fig. 6 er der igen nogle dage, hvor der konstant mangler 5.000 MW eller mere.

Til gengæld er der dage, hvor vi producerer alt for meget strøm, og den vil gå til spilde, hvis ikke der er taget drastiske initiativer til at gemme den. Bemærk fra tabel 1 at IDA’s plan er, at alt den producerede strøm skal udnyttes (de regner dog med et lille tab), så vi kan ikke bare smide energi væk i store mængder, så kommer vi til at mangle den, når solen ikke skinner og vinden ikke blæser.

Batterier som backup

IDA har ikke nogen god løsning på dette dilemma, andet end en mindre justering af noget brintproduktion samt ”intelligent” forbrug. Man påtænker ikke nogen form for lagring af strøm. Med hensyn til lagring kan vi så erklære os enige med IDA, hvilket vil fremgå af det følgende.

Andre energifolk taler åbenlyst for batterier i stor skala til backup af elforsyningen. Batterier har den fordel, at energitabet ved konvertering frem og tilbage er relativt begrænset, måske 10-20 %, og batterierne kan levere en stor effekt med kort varsel. Andre løsninger, f.eks. varme sten eller smeltet salt, har langt større energitab, over 50 % eller mere. Vandreservoirer i højden, hvor man kan pumpe vand op, når der er overskud af strøm, er en meget fin løsning, der også praktiseres i større omfang allerede i dag. Men løsningen kræver nogle bjerge, hvor man kan bygge sine dæmninger, fordi der helst skal være en stor højdeforskel i spil, ellers bliver effektiviteten alt for lille. Danmark og andre flade lande er således helt afskåret fra den løsning, og i Norge har man allerede taget de mest oplagte muligheder i brug, så heller ikke her kan der formentligt ekspanderes meget mere. Nye projekter støder i øvrigt ofte på indædt modstand fra lokale miljøforkæmpere, hvilket også har begrænset mulighederne i mange tilfælde.

Så lad os fokusere på batterier og igen tage udgangspunkt i IDA’s fremtidsvision. Ser vi på fig. 6 igen, var der underskud af strøm de første 3 dage. Her må vi så trække på vores batteri. De næste 3 dage er der overskud af strøm og her kan vi bruge det til at fylde på batteriet igen. Situationen er vist på fig. 7. Træk eller opladning af batteriet er vist time for time, målt i MW. Man ser, at der i visse timer er brug for, at batterierne leverer næsten 10.000 MW. Omvendt skal de til andre tider kunne lades op med en effekt, der er større end de 10.000 MW. Fig. 7 viser endvidere en akkumuleret kurve. Her er de enkelte timers opladning eller aftapning lagt sammen, hvorved vi får et udtryk for den samlede (akkumulerede) udveksling i energi, målt i MWh. Denne kurve siger noget om hvor stort vores batteri skal være, for at kunne opveje svingningerne i leverancerne fra sol og vind. På fig. 7 starter kurven i nul – hvilket selvfølgeligt er helt tilfældigt. Derefter falder den, i takt med at vi skal trække på batteriet, og den når helt ned på minus 430.000 MWh, før der atter bliver overskud af strøm, og vi igen kan begynde at lade batteriet op.

Det betyder, at bare for at klare denne uges problemer skal vores batteri være i stand til at levere minimum 10.000 MW strøm, og det skal have en kapacitet på mindst de 430.000 MWh.

Men over året er det langt værre. Fig. 8 viser situationen fra januar til december, stadigvæk IDA’s plan for 2045, baseret på de faktiske tal fra 2020. Man ser, at forskellen mellem forbrug og produktion svinger kolossalt over året, men med middelværdien omkring 0.

Alligevel er der over årstiderne en mindre ubalance, og den giver sig udslag i situationen vist på fig. 9. Her er forskellene akkumuleret, svarende til beholdningen i batterierne, jfr. fig. 7. Kurven starter ved 0 ved årets start, og den slutter også på 0, svarende til at batterierne netop kan dække årets behov for strøm. Til kurven her er medregnet det tab, man kan forvente ved opladning og afladning af batterier.

Billedet er dramatisk. Der er mere overskud af strøm om vinteren og i foråret og batterierne bliver derfor ladet op. Det topper først ved 6.500 GWh i marts måned. Derefter begynder en gradvis afladning, dog med udsving undervejs, og i december når vi ned på nul igen, svarende til, at batterierne netop dækkede variationerne i produktionen. De 6.500 GWh svarer til 6,5 TWh, hvilket er ca. 7 % af det årlige forbrug (91 TWh).

Nu er batterier ikke helt billige. Man regner stadigvæk med en pris på 200-300 US$ pr. kWh kapacitet, når vi taler om store batterier til backup af strømforsyninger. Kapaciteten på de 6.500 GWh ville, med en pris på 200 $/kWh, så koste ca. 1300 milliarder dollars eller næsten 10 billioner danske kroner, hvilket svarer til 5 gange vores årlige nationalprodukt.

Batterier er helt sikkert ikke vejen frem for den grønne omstilling.

Backup fra biomasse

Man kunne jo også tænke sig, at man havde en stribe biomassefyrede kraftværker stående standby til at levere strøm, når forbruget overstiger leverancerne fra sol og vind. IDA’s plan regner med lidt elproduktion fra biomasse + affald, og hvis man regner med, at vi lukker brintproduktionen ned, hver gang der mangler strøm, så vil vi i alt skulle bruge ca. 10.000 GWh hen over året. Det svarer så til, at der skal bruges ca. halvdelen af den til rådighed værende mængde biomasse (+ affald), hvilket stemmer meget godt overens med IDA’s plan.

Imidlertid vil svingningerne i behovet for backup været et stort problem. Fig. 10 viser behovet time for time og man ser hvorledes det svinger meget voldsomt, fra 0 til 10 GW i løbet af ganske få timer. Det er svært at forestille sig, hvorledes biomassefyrede anlæg vil være i stand til at præstere så stærkt varierende en produktion. Hertil kommer, at de skal have en voldsom overkapacitet. Med et årligt behov på 10.000 GWh og en spidslast-kapacitet på 10 GW vil anlæggene kun skulle producere ca. 12 % af den årlige energimængde de er designet til.

Det bliver ikke nemmere af at anlæggene leverer ca. halvdelen af energien som fjernvarme, der kun i mindre omfang kan bruges om sommeren. Der må derfor etableres yderligere store lagre til denne varme (bassiner med varmt vand).

Med i scenariet her er, at brintproduktionen skal tage sig af en væsentlig del af variationerne fra sol og vind. For at hjælpe backup-værkerne skal elektrolysen kompensere for en nedgang svarende til de første 3.000 MW. Den skal således køres op og ned mellem 0 og 3.000 MW, i takt med svingningerne. Men da man jo også ønsker at udnytte overskudsstrømmen til brint, er elektrolysekapaciteten forudset af IDA til at være 5-6 GW. Det vil sige, at vi skal have en teknologi, der tillader at vores brintproduktion svinger mellem nul og hvad der svarer til 6 GW strøm – næsten fra time til time. Det bliver nok ikke helt simpelt.

Konklusion

Der er mange planer fremme i øjeblikket for hvordan man kan realisere den grønne omstilling. IDA kom som nævnt med én lige for nyligt, og for nogle uger siden var det det Internationale Energiagentur (IEA), der kom med en plan. Fælles for dem alle er den evige undervurdering af vanskelighederne med at bruge variabel sol og vind som grundelementet i en stabil elforsyning. Det kan simpelthen ikke lade sig gøre, i hvert fald ikke inden for realistiske tekniske og økonomiske rammer.

Danmark har en væsentlig del af sit elforbrug dækket af sol og vind. Men det går kun godt, fordi vi (stadigvæk) kan eksportere og importere store mængder af el, når vores møller og solceller producerer for lidt eller for meget. Det er ikke det samme som en selvbærende forsyning baseret på sol og vind. Muligvis er priserne pr. kWh forholdsvis billige fra solceller og vindmøller, når de producerer, og hvis de blot skal tjene deres egne udgifter til investering og drift hjem. Men bag dem skal der stå hele systemet af backup, for Danmarks vedkommende bestående af norsk vandkraft, svensk atomkraft og lidt kulkraft i ny og næ fra Tyskland. Det vil ikke fortsætte med at være sådan. Samtidigt vil vores yderligere elektrificering af samfundet gøre det hele meget værre. I dag kan vi som regel klare os med import af maks. 3000 MW strøm, når det er vindstille, og solen ikke skinner (vi har jo lidt kraftvarmeværker, der stadigvæk kører ved siden af). Men i IDA’s fremtidsscenarie kunne vi komme til at mangle 12.000 MW eller mere, og det er der ingen af vores nabolande, der kan hjælpe os med, hvis deres møller også står stille, fordi hele Nordeuropa ingen vind har.

Backup ved hjælp af lagring af strøm i batterier er helt prohibitivt dyr i investering. En backup baseret på biomassefyrede kraftværker, som foreslået af IDA, vil løbe ind i det problem at produktionen fra vind og sol svinger så meget fra time til time, at anlæggene vil have meget svært ved at følge med og opretholde balancen mellem forbrug og forsyning. Anlæggene skal også være kraftigt overdimensionerede og vil ende med gennemsnitligt at køre med en meget lav procent af deres kapacitet.

Man kan kun appellere til at drømmerierne om den ”grønne vedvarende energi” kommer ind på et mere realistisk spor, gerne inden politikerne for alvor kaster sig ud i de enorme investeringer, som der følger med.