Kapitel 2: Hållbara energisystem

För att omställningen till ett hållbart samhälle ska bli verklighet behöver alla förändra och tänka nytt, inte minst kring hur vi försörjer stadsdelar med energi. Vilka omgivande faktorer är viktiga att förhålla sig till i framtidens energisystem? Vilka krav ställs och vilka nya möjligheter öppnas för hållbara energilösningar i bebyggelse och städer? och vilka innovativa städer och projekt kan bidra till kunskapsutbyte?

Förutsättningarna för ett hållbart energisystem bygger på fyra steg, där man måste börja från början:

Minska den slutgiltiga energianvändningen
– vara så energieffektiva som möjligt.

Minimera energiförlusterna i alla led.

Sluta kretsloppen – t.ex. använda organiskt avfall till energi.

Se till att den energi som måste användas är förnybar och att möjliggöra lagring och efterfrågeflexibilitet.

I detta kapitel kommer vi att fokusera på del fyra: Tillförande och lagring av hållbar energi.

Aktuella trender inom solenergi och energisystem

Energianvändningen spås öka

Energianvändningen i Sverige har de senaste åren legat relativt still, kanske till och med minskat något. Trenden pekar dock på en ökad användning, något som hänger ihop med elektrifiering av stora energianvändare som ståltillverkning, elementtillverkning, fordonsflottan, datacenter och 5G, där vissa beräknas öka med upp till så mycket som 40 % jämfört med idag.

Kärnkraften avvecklas

Många länder har lagstiftat om att minska kärnkraften, till exempel har Tyskland beslutat att samtliga kärnkraftverk i landet ska stängas till år 2022. I Sverige har stödet för att fasa ut kärnkraften ökat under de senaste tio åren. Alldeles oavsett vilken åsikt man har om kärnkraft så behöver den svenska kärnkraftsparken avvecklas på grund av åldersskäl.

Pris på sol- och vindkraft och energilagring sjunker

Globalt har priset på sol- och vindenergi sjunkit, samtidigt som verkningsgraden kontinuerligt går upp. Idag ligger världsmarknadspriset på solenergi på under 20 öre/kWh. Återbetalningstiden för de som investerar i och äger solpaneler blir därmed allt kortare. Priset på batterier sjunker också, samtidigt som batterikapaciteten ökar. Vi ser även en ökad användning av bränsleceller för att skapa stabila elnät, framför allt utanför Sverige.

Ökat fokus på klimatavtryck och cirkulär ekonomi

Medvetenheten om vår världs påverkan på miljön och klimatet har ökat kraftigt de senaste åren, och därmed ökar också förväntningarna på att företag och organisationer agerar mer hållbart. Det ställs också högre krav från kommuner och kunder på till exempel fastighetsbolag att hålla en hög hållbarhetsprofil med miljöcertifieringar av fastigheter, och detta kommer sannolikt att fortsätta öka.

Smarta system ökar effekten

I och med den tekniska utvecklingen i form av artificiell intelligens (AI), Smarta nät, Sakernas internet (Internot of Things, IoT), virtuella kraftverk och efterfrågeflexibilitet får vi allt smartare system som styr våra energisystem. Solpaneler är idag en självklarhet på möjliga ytor, men det är viktigt att kombinera dem med smarthet för att utnyttja potentialen till max.

Elnätets kapacitet idag och imorgon

– utmaningar och möjligheter

Allt mer förnybar elproduktion i form av vind- och solkraft tillförs till elsystemet samtidigt som den förväntade avvecklingen av kärnkraft i Sverige ser ut att fortgå som planerat. Följden av detta blir att andelen planerbar produktion i kraftsystemet fortsätter att minska. Samtidigt förväntas den framtida användningen öka kraftigt genom bl.a. elektrifiering av industri och transporter samt etablering av nya näringar. Omställningen av energisystemet fortsätter dock utan avgörande förändringar av inriktning menar vissa kritiker, och pekar på följande utmaningar i kraftsystemet:

Utmaning 1: Kraftsystemet behöver anpassas för att kunna drivas med tillräcklig teknisk stabilitet.

Utmaning 2: Balanseringsprocessen behöver förbättras för att säkerställa frekvenshållningen.

Utmaning 3: Elmarknaden behöver utvecklas för att ge förutsättningar för långsiktig effekttillräcklighet.

Utmaning 4: Nätets överföringskapacitet behöver öka.

Slutsats: Effekttoppar i elnätet måste minskas, och istället jämnas ut över tid.

Kontrollerad solenergi – ett elsystem i förändring

En självklarhet idag att ta vara på solenergin när solen lyser och vinden när det blåser, och det finns många andra förnybara energikällor på väg in. Vi kan konstatera att energiproduktionen inte är det stora problemet, utan hanteringen av det. Vi strävar nu efter att skapa lösningar för att använda den producerade solelen och vindkraften så effektivt som möjligt och en utmaning är att balansera elnätet i framtiden, när både tillförsel och efterfrågan kommer att se annorlunda ut.

Balans i systemet krävs
För att säkerställa ett stabilt elnät måste elen måste nämligen användas i samma sekund som den produceras, om energin inte lagras i till exempel batterier eller i form av vätgas. Det måste därför råda en balans i elsystemet mellan produktion och användning. En elleverantör är enligt ellagen skyldig att leverera samma mängd el som kunderna använder, något som kallas balansansvar. Som elsystemet ser ut idag kan det avlastas för att inte bli instabilt.

Alla blir resurser
I framtiden ska alla fastigheter och produktionsanläggningar kunna integreras och bli resurser i elnätet genom att bygga in en responsiv och dynamisk energikontroll i fastigheterna där vi tar hand om intermittent elproduktion som t.ex. solenergi och lagrar den. Genom att använda till exempel batterier kan vi hjälpa till att styra den överproducerade energin för att använda den senare, och samtidigt styra ner effektuttagstoppar och därmed platta ut kurvan för effektkurvan i elnätet.

Likströmsnät för god kontroll
Med hjälp av lokala, smarta likströmsnät kan en lokal router kontrollera energiflödet till ett bostadsområde och styra hur energin ska fördelas. Idag sker det genom förutbestämda parametrar, längre fram kan det styras med hjälp av AI. Med solceller på taket kan fastigheten därmed bli en smart och lönsam resurs – en prosumer – istället för en enbart konsumerande lastpunkt i elnätet. Det är alltså viktigt att man tänker solenergi redan från början, då kan man få snygga lösningar som gör både boende, arkitekter, ägare och klimataktivister nöjda.

Virtuella kraftverk

Att skapa virtuella kraftverk är en flexibel och hållbar lösning för balansering av elnätet, där befintliga anläggningar kan användas samtidigt som till exempel fastighetsägare som förfogar över energiresurser erbjuds nya intäktsmöjligheter. Ett virtuellt kraftverk består av ett flertal sammankopplade energiresurser som kan tillföra eller ta ut effekt från elsystemet, likt ett fysiskt kraftverk. Därigenom kan ett virtuellt kraftverk bidra till balansering (frekvensreglering) av elnätet, något som blir allt viktigare i en växande andel förnybara energikällor i Sveriges energiproduktion.
Genom virtuella kraftverk kan man till exempel stänga av sin klimatkylanläggning, eller reglera temperaturen någon grad vid uttagstoppar. Genom att bygga in efterfrågeflexibilitet och smarta styrningar i sitt bostadsområde kan fastighetsägare bli en viktig spelpartner i energisamhället.

”Virtuella kraftverk kan bidra till balansering av elnätet, något som blir allt viktigare i en växande andel förnybara energikällor i Sveriges energiproduktion.”

Energilagring

Energilagring handlar framför allt om att minska kostnader för effekttoppar och maximera nyttan i elnätet.
Batterier är för kortare lagring, på dygnsbasis, för att minska energiuttagstopparna och avlasta det stora elnätet. Vätgas är ett exempel som är lämpat för längre lagring, till exempel säsongslagring för att minska effekttoppar orsakade av årstider.

Batterier

Adaptiva styrningar, att anpassa batteriet efter omgivningarna är något som syns mer och mer idag. Batteriet kan också användas på flera olika sätt, och det går att applicera olika affärsmodeller på samma batteri och därigenom maximera nyttan. Återanvändning av fordonsbatterier som lagringsmetod är också mycket intressant – att återvinna bilbatterier ger såväl en minskad resursanvändning, en klimateffekt som en kostnadsminskningseffekt.

Placering av batterierna

En viktig fråga att ta ställning till är var batterier ska placeras i eller kring en byggnad, och vem som äger batterierna? Är detta fastighetsägaren, nätägaren, elproducenten eller en extern aktör som leasar ut utrustningen? Det gäller givetvis också andra komponenter i ett hållbart energisystem som till exempel solceller och bränsleceller.

Laddning av elbilsbatterier

Sverige har antagit målet att ha en fossiloberoende fordonsflotta till år 2030. De senaste åren har vi också sett en tydlig minskning i priset på elbilar. Framför allt i städerna sker redan nu en markant ökning av elbilar för kortare körsträckor, både vad gäller privatägda bilar liksom servicebilar, kommunala transportmedel och transporter. När fastighetsägare och stadsplanerare bygger bostadsområden kommer frågan om elbilar och laddningsinfrastruktur därmed att vara högst aktuell.
Den stora utmaningen även när det gäller elbilsladdning är effekttopparna, medan energianvändningen troligen inte är något större problem. Detta kan relativt enkelt hanteras med grövre kablar till laddstationer, men kanske framför allt genom smartare styrning och komplettering med lokala batterier.
Med smarta, kommunicerande laddare som styrs av smart grids/AI/IoT kan infrastrukturen utnyttjas och den elektriska lasten fördelas på ett bra sätt. Den nya tekniken öppnar också för många nya marknadsmöjligheter. Genom blockchain-teknik kan bilägare till exempel spåra varifrån elen kommer och säkerställa att enbart grön el köps, även om bilägaren laddar sin bil vid en offentlig laddstation.

Vätgas och bränsleceller

Vätgas är en typ av energikälla som lämpar sig väl för lagring av stora mängder energi över en längre tid. Fördelar med vätgas är framför allt att den kan komprimeras, den förstörs inte över tid och den kan transporteras långa sträckor utan att tappa sitt energiinnehåll. Bränsleceller kan drivas med vätgas. Tillsammans med syret i luften bildas en kemisk reaktion och el och värme skapas. Avgaserna från en bränslecell är rent vatten.
Stationära bränslecellslösningar i t.ex. stadsmiljö får god verkningsgrad, där kan en verkningsgrad på ungefär 50 % av energiinnehållet i vätgas nås, och 50 % värme som till exempel kan använda för att värma en byggnad.

Fem nyttor med energilagring

Genom att använda batterier på så många sätt som möjligt ger de ett större värde.

Energiförflyttning i tid

Genom att ta vara på solenergi och lagra den kan kilowattimmarna användas på till exempel kvällen. Detta är kanske den mest intuitiva funktionen för ett batteri, men också den minst ekonomiskt viktiga. Det är svårt att ”räkna hem” kostnaden för batterilagring med enbart denna funktion.

Effektkontroll

Batteriet laddas ur under effekttoppar för att laddas upp igen vid ett lägre energiuttag ur elnätet. Att styra hur batteriet laddar ur är ekonomiskt betydelsefullt.
Används denna funktion i kombination med den första punkten fås en betydligt högre kostnadsbesparing.

Ersätta hårdvaruuppgraderingar i el-infrastrukturen

Istället för att överdimensionera elnätet för att klara de högsta topparna i systemet kan man hålla nere investeringen och satsa på ett batteri för att minska effektutgifterna istället.

Redundans/backup

Istället för att vid ett strömavbrott driva hela fastigheten med backuppalternativ, något som kräver en mycket stor batterikraft, väljs vilka laster som är särskilt viktiga och använder batteriet enbart för dem, genom att mata ut på selektiva platser i fastigheten.

Aggregerad funktion med direkt elnätsstöd

Bli en resurs istället för att bara betala. Trösklarna för detta är dock ganska höga fortfarande – i Stockholm och Uppsala behövs en produktion >100 kW. Genom att fastigheter aggregeras och går ihop kan man skapa lokala nät med gemensamma energilager. Ett exempel på detta är lösningen Stockholm Flex som startar hösten 2020.

Om 2020 är elektricitetens decennium, så blir 2030-talet vätgasens

De flesta bedömare räknar med att användningen av vätgas som bränsle kommer att ta fart i stor skala under 2030-talet. Till år 2050 bedöms vätagasen stå för hälften av världens elanvändning.
I Norden saknas infrastruktur för vätgas på det sätt den finns i Europa. Vi har istället satsat på ett väl utbyggt elnät och andra fossila bränslen. Det kan bli billigare att transportera stora mängder energi i form av vätgas än att transportera el trots ett visst svinn. Det har hittills visat sig billigare att bygga gasledningar än elnät, och det undersöks för vindkraft till havs att placera själva elektrolysören till havs och dra gasledning.

Miljonprogramsområdet blev självförsörjande:

Vätgas och bränslecellsteknik för säsongslagring av solenergi

I en fastighet i ett miljonprogram med 172 lägenheter har fastighetsbolaget Vårgårda Bostäder genom omfattande renoveringar och en multifunktionell energilösning minskat energianvändningen dramatiskt och därmed ökat värdet på fastigheten.

Innan renoveringen låfg energianvändningen i byggnaderna mellan 130 och 230 kW/år. Genom en omfattande renovering, ökad isolering, solpaneler, batterier för långtidslagring av vätgas, energieffektiva ventilationssystem och värmepumpar har området blivit helt självförsörjande på el och värme, det genererar till och med ett visst överskott.

Under vår, sommar, höst produceras vätgas med hjälp av solel, som lagras och under vintern driver bränslecellen. Det finns oändliga möjligheter i att kombinera olika tekniker och lösningar i bostadsområden, till exempel med fjärrvärme, effektstyrning och mikronät. Det går även att hämta en del värme från bränslecellens elektrolysör som omvandlar solenergin till vätgas. Verkningsgraden i detta bränslecellssystem är högre än i de flesta av dagens system. Frågan om explosionsrisk måste dock hanteras, men det är en mognadsfråga för energi- och fastighetsbranschen.

Sammanfattning:
• Energisnål byggnad
• Investeringsstöd ger rimliga hyror
• 100% fossilfritt
• Miljövänlig elförsörjning – inga transporter
• 100% emissionsfritt
• Framtidssäkrad investering
• Ökat fastighetsvärde

Nästa generations energisystem
– Integrering av små- och storskaliga lösningar

Idag levererar stora, centrala elproducenter el till företag och hushåll via stora centrala nät. Man behöver inte tänka på när man konsumerar, eftersom det finns ett centralt system i bakgrunden som reglerar effektuttag och produktion så att användningen inte påverkar frekvensen i elnätet. Men med fler och fler icke-styrbara produktionskällor som t.ex. vind- och solenergi krävs lagring i allt större grad för att bevara flexibiliteten i systemet. Det kommer att ta tid innan elnäten är utbyggda så att de är anpassade till och integrerade med de nya energikällorna som finns, men elnätet är under snabb förändring.

Nästa generations energisystem låter oss dynamiskt flytta energi i tid och rum. Här finns både stora och små aktörer, och istället för en traditionell uppdelning av producenter och konsumenter är alla procumenter.

En avreglerad elhandelsmarknad

På en avreglerad elhandelsmarknad kan man idag och i framtiden handla med el över tid via ett flertal olika marknadsplatser, till exempel:

• Elavtalet – konsumtion och produktion. Idag är det billigt, ca 10 öre/kWh. Ett bra elavtal kan man tjäna pengar på.
• Utsläppsrätter och elcertifikat – handlas på elbörsen på den avreglerade marknaden med full fri konkurrens.
• Stockholm Flex – en tillfällig flexibilitetsmarknad i Stockholm där man kan få betalt för sin effekt genom att avstå effekt eller öka sin egna produktion. Stockholm Flex är ett samarbete mellan energiföretagen Vattenfall och Ellevio. Initiativet är skapat för att möta effektbristen i området och företagen har för avsikt att initiativet ska bli permanent. Än är det oklart hur ersättningen blir. I Uppsala har ersättning legat på 230 kr/MWh samt en fast ersättning.
• Coordinet – EU-projekt Uppsala, Gotland, Skåne. Projekt löper i fyra år, där fem flexibilitetsleverantörer har levererat 3,3 MWh.
• FCR – marknad som drivs av Svenska kraftnät. Kräver helst reglering på minutnivå.

Mikronät

Mikronät kan vara ett sätt för en fastighetsägare eller ett bostadsområde att bli självförsörjande på el. De stora energiföretagen ser idag mikronät som möjliga lösningar för bostadsområden från 1 000 lägenheter och uppåt. Ägarstrukturen kan se olika ut, och aktörer kan ha ganska olika målbilder – några vill äga allt själv och bli självförsörjande, de vill ha en egen geoenergianläggning och solceller överallt. Det finns också de som vill bara göra det mest nödvändiga, och som enbart vill köpa energi. Energibolagen menar idag att det kommer att finnas rum för alla aktörer i mikronäten, det handlar om investeringsvilja och mål.

Reglering av elnätet i framtiden

Behövs det en hårdare reglering av elnätet för att klara av att styra effekterna i systemet och säkerställa att frekvensen hålls stabil? Denna fråga står idag och väger – en del aktörer vill ha ökad avreglering, men det finns starka krafter bland annat hos stora energibolag som pratar om återreglering, i form av införda regler, och att man får betalt för effekt.

Hinder för framtidens elnät

• Dagens lagstiftning skapar vissa hinder för dessa flexibla elnät. Det är till exempel inte tillåtet att utan koncessionsrätt dra ett elnät över fastighetsgränser, Hela området måste alltså vara en enda stor fastighet för att få bygga ett lokalt nät med dagens lagstiftning. Nätkoncessionslagar kommer sannolikt att prövas i framtiden och kommer kanske inte alls se ut på samma sätt i framtiden.
• Urbanisering och överföring av el har många flaskhalsar som kräver alternativ för transport av energi till tätbefolkade områden.
• Nimby – not in my backyard – därför placeras tex sol- och vindkraft långt från städer, ibland ute till havs.

Hur pandemin har påverkat energiförsörjningen

Stadsbyggnad kommer att behöva ta hänsyn till framtida kriser, som till exempel pandemier. Coronaepidemin har satt fingret på många av vårt samhälles sårbarheter, och om den inte har förändrat helt så har den definitivt katalyserat en många mönster för hur vi lever våra liv. Inställning till hemmaarbete till exempel har förändrats radikalt på bara några få månader. Det kommer att vara mycket betydelsefullt för fastighetsägare och stadsplanerare att ta hänsyn till resiliens och självförsörjning både lokalt och regionalt, till exempel i form av förberedelser för en eventuell ny kris.

Framtiden – slutord

I Sverige idag är vi kanske lite för nöjda med den el-infrastruktur som finns och fungerar bra. Bekvämligheten bromsar därmed omställningen mot ett mer hållbart samhälle. Det finns dock stor kunskap som bör kunna användas för att driva på utvecklingen mot en snabbare och mer kraftfull omställning till ett hållbart energisystem.
Att bygga bostäder och kontor är en långsiktig investering som kräver långsiktig framförhållning på en mängd olika områden, även energiförsörjningen. Ska då fastighetsägare arbeta med visionen att bli självförsörjande på el inom ett par decennier? Svårt att säga. Experterna menar att det alltid kommer att finnas ett behov av det stora nätet, men att det snarare kommer att bli ett integrerat system sammankopplat med mikronät där alla aktörer samverkar.

Ett bra tips vid stadsutveckling är att redan i inledningsskedet kontakta försäkringsbolagen för öppen dialog runt försäkringssäkert boende. De har ofta har kommit långt när det gäller hållbarhet och klimatanpassningar av fastigheter eftersom det är de som ofta påverkas ekonomiskt först. Även finansiärer som ger gröna lån m.m. kan vara en bra kontakt för input om energiförsörjning och hållbarhet.

Viktigt för fastighetsägare och samhällsbyggare är också att hålla sig ständigt uppdaterade eftersom det händer oerhört mycket på området energiförsörjning. Det kommer att komma nya affärsmodeller framöver som kommer att påverka energiförsörjning och -användning.
Det är svårt att förändra ett elnät på kort tid, medan ekonomin snabbt kan förändras. Vi måste integrera det storskaliga och det småskaliga, vi måste hitta de flexibla lösningarna för framtiden och titta på samordningsvinsterna, och arbeta med aktörer som till exempel försäkringsbolagen för att hitta de goda lösningarna.

Deltagare som bidragit till materialet:

Tomas Wall, Desiderate

Agneta Persson, Anthesis Group

Staffan Sandblom, Fortum

Magdalena Andersson, Vattenfall

Jonas Tannerstad, ÖrebroBostäder

Andreas Eriksson, Netmore Group

Jan Thorsson, Powercell

Magnus Nilsson, Glava Energy Center

Mats Karlström, FerroAmp

Henrik Dahl, CEO Future Position X

Egil Öfverholm, Anthesis

Kristina Landfors, Anthesis

Catalina Turcu, Processor, University College of London

Vill du ha handboken i skriftligt format?

Fyll i dina uppgifter i formuläret bredvid, så skickar vi ett ex!

Kapitel 2: Hållbara energisystem