I de flesta rikare städer och regioner i världen är det tre huvudkomponenter som utgör den komplexa mekanism vi kallar elnätet. Det är kraft- eller elverk som producerar elektricitet, transmissionsledningar som leder den över avstånd och distributionsnätverk som levererar den till kommersiella- och industriella slutanvändare samt till våra hem.

Det är skapat för att leverera elektricitet från centraliserade producenter till många olika konsumenter och är i grunden ett en-vägs-system. Tillförlitlighet, räckvidd och kapacitet är styrkor med denna struktur, planerad och byggd under förra århundradet, men den är inte anpassad för detta århundrades skifte till ren och förnybar energi.

Koncentrerat fossilbränsle, kärnkraft och till stor del vattenkraft, är förutsägbart och hanterbart vilket gör det möjligt att matcha utbud mot efterfrågan. Men förnybara energikällor som sol och vind är variabla och betydligt mer distribuerade. De kan inte standardiseras och leverera elektricitet precis när det behövs. För att hantera den här typen av fluktuationer behövs smidigare och mer anpassningsbara nät.

Det är därför det som kallas smarta elnät spelar en nyckelroll för skapa nya tjänster och för att balansera energianvändningen. I synnerhet nu när energimixen förändras snabbt och elektrifiering pågår inom en rad sektorer, inte minst inom transporter.

Förväntningarna på den här tekniken har länge varit höga och en rad större pilotprojekt har genomförts i bland annat Hyllie i Malmö, på Gotland och Norra Djurgårdsstaden i Stockholm.

Smarta elnät balanserar användning och produktion

Tanken med denna nya typ av elnät är att genom smart teknik balansera användningen och produktionen av den nya förnybara elproduktionen, lokalt och centralt, på ett effektivt och intelligent sätt. Exempelvis kan du se till att varmvattenberedaren, eller elbilsladdningen, slås på automatiskt när det finns god tillgång på billig förnyelsebar el och att den slås av när elpriset stiger. Parallellt utvecklas nya tjänster och lösningar för energianvändarna som gör systemet mer flexibelt.

Sveriges elsystem har länge varit ett av de bästa i världen både sett till att det är extremt leveranssäkert, men också att vi har ett av världens renaste energiproduktion. Vi har kunnat lita på att det alltid finns el i uttaget, till skillnad från hur det ser ut i många andra länder. Att förändra och förbättra elnätet, med hjälp av digital teknik som sensorer, behövs för att klara de ökade behov av kapacitet och effekt, inte minst i våra växande svenska städer.

Välfungerande elsystem för ett modernt samhälle

Den exponentiella teknikutvecklingen och digitaliseringen i kombination med den variabla förnybara energin driver nu på de smarta elnätens utveckling. I grunden handlar smarta elnät om att skapa välfungerande elsystem för ett modernt samhälle, där vi med en stor andel förnybar el behöver ett elnät där det går att variera och balansera användningen.

Elektrifieringen av inte minst fordon ställer i allt högre utsträckning andra krav på systemet. Kraftigt sjunkande priser på batteri gör det i allt högre utsträckning möjligt att mellanlagra energi. Men det råder ingen motsättning mellan framtida smarta elnät och storskalig energilagring. Tvärtom kompletterar de båda metoderna varandra.

Styrning och felsökning med sensorer i smarta elnät

Centralt för de smarta elnäten är möjligheten att styra och felsöka dem med hjälp av sensorer. Idag är det svårt att se och felsöka när det sker ett elavbrott långt ner i systemet men det pågår redan pilotprojekt kring självläkande nät. Här delas elnätet in i zoner där den del där det är avbrott kan isoleras medan eltillförseln fortsatt fungerar på övriga nätet.

Digitalisering av näten leder också till att fler aktörer ger sig in på marknaden. ABB, Vasakronan och Ikea är exempel på företag som utvecklar nya tjänster och affärsmodeller. Teknikutvecklingen förstärker den förändring som redan sker, mot ett mindre centraliserat, mer flexibelt och effektivt, smart elsystem.

Kortfattat ser skillnaderna mellan ett traditionellt och ett smart elnät ut på det här sättet:

• Produktion: Från ett fåtal stora till många små elproducenter
• Marknad: Från en centraliserad, oftast nationell, till en decentraliserad och internationell marknad
• Transmission: Från ett fåtal med hög kapacitet till många småskaliga och regionala transmissioner
• Distribution: Från topp till botten, till distribution i båda riktningarna
• Konsumenten: Från passivitet, enbart betalande, till aktivitet och deltagande i systemet

Forskningsprogram inom smarta elnät

Smarta elnät har länge varit ett prioriterat område för Energimyndigheten. Mellan 2011 och 2015 satsade myndigheten i snitt 79 miljoner konor per år på elnätsforskning. Näringslivet samfinansierade med i snitt 171 miljoner kronor per år.

Tre av de mer framstående forskningsprogrammen är:

SweGRIDS – Svenskt centrum för framtidens elnät och energilagring

Inom kompetenscentret SweGRIDS, Svenskt centrum för framtidens elnät och energilagring, bedriver näringsliv och akademi forskning inom flexibla kraftsystem, digitalisering av kraftsystemet, styrbara kraftkomponenter och ny materialteknik för elnät och energilagring. Centret har en budget på totalt 228 miljoner kronor där industrin, Energimyndigheten och universiteten bidrar med en tredjedel var under perioden 2018 till 2021.

SamspEL

SamspEL är ett forsknings- och innovationsprogram som samlar Energimyndighetens insatser inom elnätsområdet och innefattar både samhällsvetenskapligt och tekniskt arbete. Programmer omfattar totalt 173 miljoner kronor under 2016-2020. Läs mer på framtidenselsystem.se

EN SES

Sverige deltar aktivt i det europeiska forsknings- och innovationssamarbetet Era-Net Smart Energy Systems, EN SES. Inom EN SES genomför de drygt 20 deltagande myndigheterna sedan 2015 årliga gemensamma utlysningar inom områdena smarta elnät och integrerade lokala och regionala energisystem.

Likström – massiv energiöverföring öppnar för mer förnybart

I Sverige är vårt stamnät baserat på växelströmteknik, som är den dominerande tekniken i elförsörjningens alla led. När stamnätet förstärks görs det vanligen med 400 kilovolts luftledningar. Svenska kraftnät menar att detta uppfyller kraven på ett kostnadseffektivt, driftsäkert och miljöanpassat elöverföringssystem, som är ryggraden i en trygg och säker svensk elförsörjning.

Idag är växelströmstekniken helt dominerande inom elsförsörjningen och i hela världen produceras, överförs och mottas elektricitet som växelström. Men i elens barndom, innan växelströmmen etablerades, var likström den dominerande tekniken för elöverföring.

Fördelen med likströmstekniken är att den har egenskaper som gör den användbar för att överföra el på långa avstånd, från en punkt till en annan. Den har också fördelen att den kan läggas under mark, eller hav, utan de tekniska begränsningar som växelström har.

Därför används idag likström i olika förbindelser där syftet är att överföra el på långa avstånd mellan två punkter i ett kraftsystem. Det kan handla om att att knyta ihop olika kraftsystem, exempelvis två växelströmssystem som inte är synkrona med varandra, och att möjliggöra överföring i sjökablar på längre avstånd. Det gör att tekniken främst används i förbindelser mellan, men också inom, länder. I Sverige finns bland annat SydVästlänken, som delvis består av en likströmsförbindelse, och som överför el från mellersta till södra Sverige för att kompensera för produktionsbristen i landets södra delar.

Men likström har också en viktig koppling mot förnybar energi. Exempelvis används tekniken för att ansluta vindkraft långt ut till havs. I takt med att allt större solcellsanläggningar byggs används också likström för överföring över långa avstånd.

Ett exempel är Sun Cable som ska förbinda en enorm solfarm, med 10 gigawatts kapacitet, i Northern Territory i Australien med Singapore. Elen kommer att exporteras via en likströmsledning som vindlar sig igenom den Indonesiska arkipelagen till Singapore. Enligt uppgift kommer solenergin att täcka ungefär en femtedel av den lilla önationens elbehov och ersätta den gas som idag används för elproduktionen, och som blir allt dyrare.

Supraledare – den heliga graalen för energiöverföring

Blickar vi längre framåt kan stora tekniska genombrott förändra hela det globala energisystemet. Tillsammans med fusionsenergi är supraledare en helig graal inom energiforskningen.

Om ett enda material blev supraledande och ledde elektrisk ström utan motstånd vid rumstemperatur så skulle vi kunna lösa hela världens energiproblem. Utöver kraftledningar utan elektriska förluster så skulle supraledaren göra det möjligt att exempelvis bygga svävande tåg och kraftfulla datorer mindre än ett mynt. I supraledande slingor skulle det vara möjligt att lagra sommarens solenergi som sedan kunde användas under kalla vinternätter. Supraledande slingor skulle dessutom kunna ersätta batterier i elbilar.

Forskning inom området har pågått länge. Men flertalet genombrott har gjorts som gör det möjligt att producera supraledare på ett enklare sätt, där de dessutom har högre prestanda och fungerar i högre temperaturer än tidigare. Bland annat har framsteg gjorts inom supraledande grafen på Linköpings Universitet och på MIT.

Även forskare vid University of Rochester i USA har gjort en potentiellt revolutionerande upptäckt. De har lyckats skapa ett material som är supraledande i rumstemperatur.