Vetenskapsområdet för teknik och naturvetenskap

Den rätta mixen av grön energi

I Sverige får vi lika mycket energi från kärnkraft (40–45 procent) som från vattenkraft. Därefter kommer vindkraften på 10–14 procent.

Klarar vi oss på enbart förnybar energi? Kan energi från sol, vind och vatten täcka behoven av elektricitet – även en vindstilla och gråmulen dag i Norden? Kanske, men det ställer nya krav.

De nordiska länderna skulle kunna klara energiförsörjningen enbart genom att bygga ut förnybar energi, visar en studie från Uppsala universitet. Men det finns flera utmaningar på vägen, menar Mikael Bergkvist, forskare i elektricitetslära.

– I studien kunde vi visa att det inte är uppenbart omöjligt, även om det är svårt inom en nära framtid.

Svårigheten med elproduktion är att den sker i realtid – den el som behövs just nu, måste produceras just nu. Samtidigt varierar vår elkonsumtion, under dygnets timmar och under året. Ju mer beroende vi blir av variabla källor som vindkraft, desto större krav ställs det på flexibel reglerkraft.

– I Sverige är vi lyckligt lottade eftersom vi har mycket vattenkraft som snabbt kan reglera variationer men också, tack vare de stora vattenkraftmagasinen, är möjlig att lagra från tillfällen när vi har hög vindkraftsproduktion och låg efterfrågan på el. Men det kräver mycket planering. I dagens system har vi goda möjligheter att balansera variationer under dygn och årstider men det är svårare vid till exempel ett par veckor med vindstilla väder, säger Mikael Bergkvist.

I Sverige får vi lika mycket energi från kärnkraft (40–45 procent) som från vattenkraft. Därefter kommer vindkraften på 10–14 procent. Slutligen har vi kraftvärmeverk, kondenskraft och gasturbiner som tillsammans ger cirka 10 procent.

Frodeparken i Uppsala. Foto: Mikael Wallerstedt

Mer ovanligt på våra breddgrader är solenergi, men det pågår mycket forskning och utveckling. Ett exempel är bostadshuset Frodeparken i Uppsala, där hela den svarta glasfasaden producerar el. Huset är täckt av tunnfilmssolceller som utvecklats från forskningen vid Uppsala universitet.

Från Uppsala leds också ett internationellt EU-projekt om solcellsteknik som kan integreras i byggnader. Det är Marika Edoff, professor i fasta tillståndets elektronik, som är koordinator för projektet. I fokus står tunnfilmssolceller och hur de kan göras mer effektiva och integreras i byggnader.

– Inom byggnadsintegration finns det unika möjligheter för tunnfilmssolceller, framför allt att se estetiskt annorlunda ut. Med tunna filmer finns det också möjligheter att göra solceller flexibla och i lättvikt, säger Marika Edoff.

Den dominerande tekniken på marknaden är solceller av kisel. Tunnfilmssolcellerna bygger på en annan teknik och består av mikroskopiskt tunna filmer som monteras på till exempel glas. Modulerna kan göras till helt svarta byggstenar, som på fasaden till Frodeparken.

Utmaningen för forskarna är att göra materialen tunnare utan att försämra effektiviteten eller verkningsgraden, som idag ligger på 21 procent. För att lyckas med det används olika optiska tekniker, som att bygga in speglar i de tunna skikten så att dubbelt så mycket ljus absorberas.

– Det kan verka larvigt att göra skikten ännu tunnare eftersom deras sammanlagda tjocklek är ungefär tre mikrometer, vilket man får om man tar ett hårstrå och skivar det i tjugo skivor. Men vi vill pressa det här ytterligare, minska materialåtgången och göra de ljusabsorberande skikten en halv mikrometer tjocka istället för två, säger Marika Edoff.

Marika Edoff, professor i fasta tillståndets elektronik, var med och grundade solcellsföretaget Solibro och har
i många år arbetat både som forskare och inom företaget. Foto: Mikael Wallerstedt

Internationellt har solenergi slagit igenom stort de senaste åren och även om det går trögt i Sverige växer marknaden, med olika stödsystem för att installera solceller i byggnader.

– Genom EU-projektet kan vi samla kompetenser och hoppas också öka synligheten för solceller och lobba för att få fram långsiktiga lösningar i Sverige, säger Marika Edoff.

Hon var själv med och grundade solcellsföretaget Solibro och har i många år arbetat både som forskare och inom företaget. När hon började med tunnfilmssolceller år 1990 hade solcellerna en verkningsgrad på 10 procent. Nu har de kommit upp i 21 procent, inte långt ifrån världsrekordet på 22,6 procent.

Framgången tillskriver hon det nära samarbetet mellan universitet och företag.

– Olika EU-projekt har varit avgörande för att tekniken har kommit så långt fram, genom att gynna samarbetat mellan företag och forskargrupper. Det har varit superviktigt.

Ett annat EU-projekt handlar om vindkraft, New Wind Atlas (NEWA), och har kartlagt vindresurserna över hela Europa. Stefan Ivanell är projektledare för den svenska delen av projektet.

Han leder forskningen på avdelningen för vindkraft på Campus Gotland, som hör till institutionen för geovetenskaper vid Uppsala universitet. Medan forskarkollegorna i Uppsala gör vädermodeller i stor skala arbetar forskarna i Visby med modeller som visar det detaljerade flödet i en vindkraftspark.

Kopplar man ihop dessa två typer av modeller kan man göra beräkningar i större skala, för att se var det är bäst att bygga en vindkraftspark.

– När vi studerar interaktionen mellan vindkraftparker tar beräkningen flera dagar eller veckor med en superdator, så det är ganska tunga beräkningar. Därför behöver vi komplettera med grövre beräkningsmetoder, säger Stefan Ivanell.

Stefan Ivanell, forskare i geovetenskap, leder forskningen vid avdelningen för vindkraft på Campus Gotland. Han är också föreståndare för den nationella satsningen StandUp for Wind. Foto: Mikael Wallerstedt

Inom projektet undersöker de till exempel vindflöden i skogar och möjligheterna att bygga ut vindkraft där. Forskarna intresserar sig för placeringen av vindkraftverk och hur turbinerna – men också hela vindkraftparker – interagerar med varandra. För att förstå detta gör de simuleringar som visar hur det placeringen påverkar vilken typ av flöde turbinen står i och hur stor turbulensen är.

– Vi utvecklar modeller för hur man kan ta ut energin på ett klokare sätt och samtidigt minska lasterna på turbinerna så att de håller längre, säger Stefan Ivanell.
Vindkraft är den tredje största elproduktionsformen i Sverige, men utbyggnaden har stannat av.

– Trots det låga energipriset i Sverige så satsas det nu rekordstora invensteringar på vindkraft. Ska man bygga ny energiproduktion är vindkraft väldigt konkurrenskraftigt, säger Stefan Ivanell, som också är föreståndare för StandUp for Wind, en nationell satsning på vindkraft där flera svenska universitet ingår.

Nyligen startade ett forskningsprojekt vid Uppsala universitet, där forskarna ska räkna på hur Gotland skulle klara att bli självförsörjande på förnybar energi, som solenergi, vindkraft och biobränsle. Ett 20-tal forskare är inblandade i projektet vid institutionerna för geovetenskaper, teknikvetenskaper och kemi.

En viktig fråga är acceptansen hos lokalbefolkningen, för ett samhälle med utbyggd vind-  och solkraft kan se väldigt annorlunda ut.

– Idag kommer 50 procent av energin på Gotland från vindkraft. Ska man bli helt självförsörjande måste det skalas upp till lands, till havs och i solcellsparker, säger Stefan Ivanell. Just nu försöker vi modellera tänkbara scenarier för framtiden. Om man bygger på vissa sätt, hur påverkar det acceptansen? Vilka för- och nackdelar finns det med olika lösningar? Luftledningar och elkablar skulle krävs för distributionen, men hur skulle de uppfattas av allmänheten?

Att studera Gotland som förnybart system är lämpligt eftersom det är väl avgränsat, menar Stefan Ivanell. I samarbete med regionen undersöks nu olika möjligheter som transporter med elbilar och hur man kan lagra energi i batterier eller i gasform.

– Det handlar om vilka förnybara resurser det finns men också om att balansera det med en begränsad kabelförbindelse med fastlandet. Vi behöver ett system som kan lagra energin och ser till att det vi stoppar in i systemet alltid motsvarar förbrukningen.

Vattenkraften spelar en nyckelroll. Foto: Matton

Om vi återvänder till studien om hela Nordens energiförsörjning, visar den att vattenkraften spelar en nyckelroll. Genom att lagra vattenkraft går det att få en jämn tillgång till el, trots variationer i produktionen.

– Det finns farhågor om att vi med förnybar energi får ett instabilt elnät och inte kan hantera situationen, men det kan vi i Sverige. Vattenkraften är en enorm tillgång för att lagra energi, jämfört med batterilager som inte alls har samma kapacitet och framför allt är en lokal lösning, säger Mikael Bergkvist.

Ett annat problem att lösa är hur den förnybara energin ska kunna levereras i hela Norden. Med dagens distributionssystem blir det svårt att klara leveransen överallt med enbart förnybar el. I Sverige har vi till exempel väldigt mycket produktion i norr men mest konsumtion i söder.

– Våra beräkningar har inte tagit hänsyn till begränsningarna i kraftnätet. Där är det bara en fråga om att bygga ut, men det kommer förstås att kosta mycket och tillståndsprocessen för en ny ledning kan ta decennier.

Forskarna konstaterar också i sin studie att det gäller att hitta den rätta mixen av förnybara energikällor.

– Det blir bättre om vi optimerar mixen av vågkraft, vindkraft och solenergi, men det är svårt att styra eftersom vi lever i en demokrati med fri företagsamhet, konstaterar Mikael Bergkvist.
Även i fortsättningen kommer det alltså att finnas en flora av olika energilösningar som tillsammans gör det svårt – men inte omöjligt – att ställa om till förnybar energi i Norden.

---

Fakta:

CIGS-solceller består av tunna skikt av ämnena indium, gallium, koppar och selen. Detta halvledarmaterial absorberar ljus väldigt effektivt och kan beläggas på olika typer av underlag. Forskningen vill uppnå en så hög verkningsgrad som möjligt, genom att använda olika material, olika kombinationer av material samt att förändra tillverkningsprocessen.

EU-projektet ARCIGS-M startade i december 2016 och koordineras från Uppsala universitet. Det är ett samarbete mellan 13 parter från akademi och näringsliv från fem olika länder. Projektet har beviljats 4,5 miljoner euro på tre år och ska pågå fram till 2019.

Stand up for wind är ett centrum för forskning om projektering och etablering av vindenergi i Sverige, i samarbete mellan Uppsala universitet, KTH, Luleå universitet och Sveriges Lantbruksuniversitet, inom ramen för regeringens strategiska forskningsområde STandUP for Energy. Forskningscentret har en omsättning på ca 30 miljoner svenska kronor för forskning, utbildning och samverkan.

2018-05-22