Energilagringens ekonomi

Principen bakom energilagring är att köpa el när priset är lågt som man sedan kan sälja. I dagsläget görs detta knappt men tros bli viktigare i takt med att förnyelsebara intermittenta kraftslag som sol- och vindkraft ökar.

Men vad kostar egentligen energilagring? Ganska mycket visar det sig.

Det som påverkar lönsamheten för energilagring är främst dessa faktorer:

Investeringskostnad

Livslängd

Underhålls- och driftkostnad

Kalkylränta

Verkningsgrad för uppladdning respektive urladdning

Antal cykler per år

Investeringskostnad

Investeringskostnaden givetvis viktig och är generellt en funktion av både installerad effekt och lagringskapacitet. Exempelvis så relaterar lagringskapaciteten för ett pumpkraftverk till hur stor damm som byggs medans den installerade effekten styrs av hur många turbiner/pumpar man har installerat. På samma sätt är det med flödesbatterier där en elektrolyterna cirkuleras med en pump vilken måste vara större ju högre effekt man vill ta ut ur batteriet.

Ett sentida populärt exempel är Teslas batteri Powerwall som kostar ca 30 000 kr för varianten som tillåter daglig cykling med 7 kWh vid en effekt på 3 kW.

Livslängd

Livslängden varierar från väldigt lång för exempelvis pumpkraftverk till betydligt kortare för ett batteri.

Exempelvis så beror livslängden för ett litium-jonbatteri som Teslas powerwall både på kalendertid och hur man laddar ur det (antal cykler). Tesla ger en garanti på 10 år vilket för majoriteten av köparna bara betyder 1000 fulla urladdningscykler.

Underhålls- och driftskostnad

Underhållskostnad varierar och är ofta fast i sin karaktär. Sandia National Laboratories anger följande värden i sin publikation DOE/EPRI 2013 Electricity Storage Handbook in Collaboration with NRECA

Pumpkraft: 5.60 - 8.21 $/kW-yr och omfattande underhåll för 112 $/kW var 20:e år
CAES: 3 - 5 $/kW-yr och omfattande underhåll för 90 $/kW var 4-7 år

Kalkylränta

En viktig parameter för produktionskostnaden är vilken avkastningskrav investerarna har på sina pengar. Hur stor denna ränta är beror på risken de tar. Är risken stor vill man också ha en stor belöning. Normala siffror för företag är runt 10% medan en villaägare kanske räknar med en väldigt låg ränta.

Då energilagring är att anse som en riskabel investering på grund av stora osäkerheter är det rimligt att tro att avkastningskravet skulle vara högt.

Verkningsgrad

Alla energiomvandlingar medför förluster och dessa påverkar ekonomin. Vanligtvis anges en totalverkningsgrad för omvandlingen från el till lagrad energi i batteriet och tillbaka till el. Dessa varierar för olika typer av energilagring. Här är några typiska värden hämtade från IVA:s publikation om energilagring:

Pumpkraftverk: 65-85%
CAES (tryckluftslager): 42-54%
Blybaserade batterier: 60-95%
Litiumbaserade batterier: 85-100%     (100% ??)
Flödesbatterier: 70-85%
Svänghjul: 95%

För att kunna göra en ekonomisk kalkyl är dock inte bara totalverkningsgraden viktig att veta utan även hur stor del sker i upp- respektive urladdning.

Antal fulla cykler per år

Hur många fulla cykler per år som utförs är av yttersta vikt eftersom hela principen bygger på att man kan kapitalisera på den prisskillnad som uppstår. Vanligtvis ser man att beräkningar sker med 365 cykler per år. I fall där väldigt tillfälliga överskott sker exempelvis vid överproduktion av sol- och vindkraft är det inte alls säkert att detta resulterar i särskilt många cykler. Exempelvis så är fluktuationerna för vindkraft ofta på dygnsskala vilket kanske bara resulterar i ett fåtal cykler per år. Samma sak gäller för solkraft. En villaägare som kombinerar sina solpaneler med ett batteri för att spara pengar på prisskillnaden mellan inköpt el (ca 100 öre/kWh) och priset för utmatad el (ca 30 öre/kWh) kanske bara får ut 100 fulla cykler på ett år.

Förenklad investeringskalkyl

För att avgöra hur lönsamheten ser ut kan ställa upp följande uttryck där investeringskostnaden jämförs med framtida intäkter och utgifter. Varje år köps en viss mängd el till ett lågt pris och nästan samma mängd säljs för ett annat pris. För enkelhetens skull antar vi att dessa priser är samma vid varje tillfälle och år. Det leder till följande ekvation som säger att investeringen är lönsam när investeringskostnaden (I0) är mindre än de summerade intäkterna (minus drift och underhåll) för anläggningens livslängd. 

För att även beakta ränta kan ekvationen ovan skrivas om enligt:

Eftersom vi antar att intäkter och utgifter är samma varje år så kan täljaren lyftas ut och uttrycket skrivas om enligt följande

där N är antal fulla cykler per år, E är lagringskapaciteten i kWh, P är elpriset i kr/kWh, n1 och n2 (eta 1 och 2) är verkningsgraden för uppladdning respektive urladdning, r är kalkylräntan och n är livslängden.

Vad behöver då prisskillnaden vara för att investeringen ska vara lönsam?

Exempel 1 - Tesla powerwall

Gunnar har köpt just köpt en Tesla powerwall till sitt tidigare införskaffade och överdimensionerade solcellsystem. Orsaken är att han vill slippa behöva sälja sin el till spotpriset på ca 30 öre/kWh när han är på jobbet för att sedan behöva köpa tillbaka elen på kvällen för ca 100 öre/kWh. På ett år förväntas han kunna köra 120 st fulla cykler á 7 kWh. Hans alternativa investering är att betala av på huslånet som ligger med en ränta på 3-4%.

Vad måste elpriset uppgå till för att investeringen ska anses lönsam?

I₀ = 30 000 kr
r = 0.03
n = 10 år
P_dyr = ???
P_billig = 0.3 kr/kWh
E = 7 kWh
N=120 cykler/år
DoU = 0 kr/år
n₁ = 0.95
n₂ = 0.95

Lösning: variera P_dyr tills högerledet i ekvationen ovan blir lika med 30 000 kr eller använd formuläret nedan.

Svar: Inköpspriset på elen måste vara över 474 öre/kWh för att investeringen ska vara lönsam.

Exempel 2 - Pumpkraftverk för lagring av solel sommartid

Året är 2025 och det är 10 år sedan Miljöpartiet införde nettodebitering med avräkningsperiod på årsbasis. Konsekvensen blev att landets alla villaägare installerade gigantiska solpaneler för att täcka årsförbrukningen genom att kvitta den mot den el som solpanelerna producerar på sommaren. Resultatet har blivit väldigt låga priser mitt på dagen i södra Sverige sommartid när solkraften är prissättande och höga senare på dagen när gasturbinerna startar. Detta pågår i ca 90 dygn per år.

För att främja investeringar i pumpkraft vill Miljöpartiet höja skatten på gaskraftverken så att privata investerare ska bygga pumpkraftverk. Hur dyr måste gaskraften bli för att detta ska ske?

Pumpkraftverk 1000 MW och 8 GWh

I₀ = 46 miljarder kr
r = 0.10
n = 30 år
P_dyr = ???
P_billig = 0.0 kr/kWh
E = 8 GWh
N=90 cykler/år
DoU = 72 miljoner kr/år
n₁ = 0.90
n₂ = 0.90

Svar: Gaskraften måste beskattas så priset stiger till ca 764 öre/kWh.

Exempel 3 - Peaker-pumpkraft, 365 dagar per år

Med samma förutsättningar som ovan men med 365 cykler per år och ett lågt pris på 30 öre/kWh måste priset vid toppförbrukning stiga till 225 öre/kWh. Detta stämmer väl överens med de siffror man kan hitta i litteraturen för pumpkraftverk.

Exempel 4 - Pumpkraft i Danmark

Danmark har en stor andel vindkraft och producerar redan idag tidvis mer än 100% av elförbrukningen då och då. Dessa toppar kan dock absorberas av grannländerna. Vad skulle hända om det sker en samtidig överproduktion i grannländer och export (och senare import) inte var möjlig. Är pumpkraft ett alternativ för att spara elen?

Så här ser Danmarks vindproduktion och förbrukning ut. I botten ligger sådan baskraft som inte lätt stängs av och kan vara exempelvis fjärrvärme som tjänar pengar på värmen. Det behövs också en viss svängmassa i ett elsystem.

När man kollar på bilden är det lätt att se problemet. Topparna såväl som dalarna är relativt långa. Det skulle här behövas väldigt stora vattenmagasin och stor installerad effekt för att absorbera dessa överskott. Så länge pumpkraftverken inte är dimensionerade för att ta långvariga underskott kan de heller inte garantera effekten och ett annat kraftslag, exempelvis gaskraft, måste garantera effekten.

Men om vi räkneexemplet bortser från det och ställer oss i skorna på en pumpkraftverkinvesterare - finns någon lönsamhet att bygga ett pumpkraftverk?

Lösning: Räknar man tiderna med överskott så ser man att de endast uppgår till ca 9 st på en månad. Det blir 108 st på ett år. Om vi antar pumpkraftverket i exempel 2 men istället räknar på 108 st fulla cykler per år blir svaret att elen måste kosta 637 öre/kWh.

Slutsatser

Som man kan se i exemplen ovan är ekonomin för energilagring inte lysande. För samtliga fall behövs väldigt stora prissvängningar för att lagringen ska löna sig och andra sätt att producera el kommer föredras (t.ex fossilkraft). För att energilagring ska ha potential att bli billigt måste man kunna cykla den många gånger per år. Det gör att säsongslagring blir i princip en omöjlighet.

Räkna själv

Nedan kan du räkna på hur lönsamheten för energilagring med dina egna indata. Hur billiga behöver Teslas batteri bli för att det ska vara en lönsam investering?

Lagringsförmåga, E (kWh):
Antal fulla cykler per år, N (st):
Verkningsgrad uppladdning, η1 (%):
Verkningsgrad urladdning η2 (%):
Investeringskostnad, I0 (kr):
Årlig underhållskostnad (kr):
Ränta (%):
Ekonomisk livslängd, n (år):
Pris köpt el, Pbillig (öre/kWh):
Pris såld el, Pdyr (öre/kWh):