Men trots att dessa nyheter numer oftast handlar om utliggare så är det svårt att förneka att solceller i soliga länder håller på att bli ganska billigt och kommer troligtvis att kunna bli ännu billigare. Men betyder detta att vi nu riskerar att tappa all vår elintensiva produktion till soliga länder kring ekvatorn? Knappast säger jag - åtminstone inte om dessa länder tar klimathotet på allvar. Då kommer de nämligen att behöva bygga mycket energilagring för att kunna använda den när solen inte lyser.
För att betrygga mig om detta har jag gjort en mycket förenklad men optimistisk systemkostnadsstudie där vi helt orealistiskt antar 365 dagar om året perfekt solsken. I detta system adderar vi sedan den nödvändiga dygnslagringen för att kunna använda solelen när solen gått ner. Trots detta behövs även någon planerbar backup, vilket inkluderas i mixen. Resultatet, som jag redovisar nedan, är väldigt dyr el där väldigt stora riktade stöd behövs för att få denna tillväxt.
I formuläret nedan kan de olika delarna (och antaganden för kraftslagens kostnader) varieras och resultat i form av den totala systemkostnaden visas. Mer ingående beskrivning ges längre ner i inlägget. Tycker du jag har använt fel indata? Justera då parametrarna och tryck på dela-knappen och få en url med dina egna favoritvärden.
Modell
| Systemkostnad: | Systemutsläpp: | Systemutsläpp: | |||
| (inkl. indirekt utsläpp: | |||||
Alla fält måste fyllas.
Resultat
Grundscenario
I grundscenariot består systemet av 36 500 MW solpaneler. Dessa genererar ett överskott på knappt 150 GWh/dygn (maximalt ett effektöverskott på > 26 000 MW). Nästan hela detta överskott lagras in i batterier med en sammanlagd kapacitet på 136 GWh vid en verkningsgrad på 92%. Det gör att endast ett minimalt behov måste fyllas med gaskraft (knappt 1 GWh/dygn).
Total kostnad för detta är 145 öre/kWh vid 6% ränta. Det kan jämföras med 43 öre/kWh om hela systemet skulle drivas med kolkraft eller 56 öre/kWh med det något dyrare men renare kärnkraften. Det skulle behövas en koldioxidskatt på drygt 1400 kr/ton för att sol+batteri-systemet skulle bli billigare.
Framtida kostnadsreduktioner
Troligtvis har såväl solkraft som energilagring en kostnadsreduktion att se fram emot så det kan vara av intresse att se hur systemkostnaden varierar med olika grader av kostnadsreduktion för de olika komponenterna. I tabell 1 redovisas resultatet av en parameterstudie för där nuvärdeskostnaden för solkraft och energilagring varierats mot för grundscenariot.
| Relativ kostnad solkraft | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 20% | 40% | 60% | 80% | 100% | ||||||||||||
| Relativ kostnad energilagring | 20% | 33.6 | 41.1 | 48.6 | 56.1 | 63.6 | ||||||||||
| 40% | 54.0 | 61.5 | 69.0 | 76.5 | 84.0 | |||||||||||
| 60% | 74.3 | 81.8 | 89.3 | 96.8 | 104.3 | |||||||||||
| 80% | 94.7 | 102.2 | 109.7 | 117.2 | 124.7 | |||||||||||
| 100% | 115.1 | 122.6 | 130.1 | 137.5 | 145.0 | |||||||||||
I tabell 1 kan man se att endast vid kostnadsreduktioner där energilagringen går ner till 20% av dagens och solkraft till 40% av dagens blir detta system billigare än kolkraft. För solkraft motsvarar det i runda slängar 3 000 kr/kW och för batterisystemet en kostnad på 700 SEK/kWh utan behov av att byta batteri under anläggningens livslängd (20 år). En sådan drastisk kostnadsreduktion verkar orimlig och då får man också tänka på de andra optimistiska antagandena som görs i denna analys.
Lönsamhet och kannibalism
Förutom det faktum att systemkostnaden blir väldigt hög så finns problem med den enskilda kraftslagens lönsamhet. Solkraften kannibaliserar t.ex. på sig självt när produktionen överskrider förbrukningen (eller egentligen innan dess då alla verkliga elsystem kommer ha en viss "måste-gå"-baskraft och inte kan helt stoppa den planerbara produktionen). Exempelvis visar Figur 1 ett scenario med 5% överproduktion men där över 50% av intäkten tappats. Det beror på att priset på elmarknaden sätts av marginalkostnaden för att producera den sista kilowattimmen och eftersom solkraft inte har någon marginalkostnad (den har inget att vinna på att inte producera), kommer spotpriset sjunka till nära noll. Detta är en väldigt stor risk som solkraftsproducenter som säljer i PPA-avtal slipper axla. Istället tar nätägaren denna risk.
 |
| Figur 1. Överkottsscenario för solkraft. |
Pumpkraft
Någon undrar säkert varför inte pumpkraft inte är beaktat i grundscenariot då det är den billigaste energilagringen per kWh. Skälet är att det är en teknik som kräver väldigt speciella förutsättningar i topografin. Det är också en väldigt gammal teknik där första kraftverket byggdes år 1890 och utvecklingspotentialen är knappast lysande. Folk hypar också batterier mer. Om man ändå skulle försöka sig på en uppskattning skulle man behöva mer solkraft då pumpkraft har en lägre totalverkningsgrad, ca 70-80%. Då själva energilagret i pumpkraft är en vattenbassäng borde detta inte vara den stora kostnadsdrivaren utan det är troligtvis den installerade effekten. Effekten styr storleken på såväl turbinerna/pumparna som de tunnlar som krävs. De siffror jag sett ligger kring 2200 $/kW (förutsatt att rätt förutsättningar finns) vilket med 6% ränta och 60 års livslängd ger en årlig kostnad på 136 $/kW. Det innebär att de dryga 30 000 MW i installerad pumpkraft som skulle behövas skulle kosta 4084 miljoner $ eller 36 756 MSEK/år. Slår man ut det på det totala elbehovet i exemplet (240 GWh/dygn) blir kostnaden +42 öre/kWh. Det är betydligt billigare än motsvarande lithium-jonbatteri men fortfarande en häftig summa att betala bara för att lagra el. Den totala systemkostnaden blir då ca 93 öre/kWh.
 |
| Figur 2. Scenario med 30 000 MW pumpkraft. Då "toppen" innehåller relativt lite energi kapas den med fördel. |
Slutsatser
Som man själv kan se och lätt övertyga sig själv om finns stora ekonomiska hinder för ett elsystem helt baserat på solkraft till och med i länder där dygnslagring räcker långt. Ändå fortsätter vi höra just detta av många debattörer (här, här, här och här). Det är störande. Däremot kan solkraft i vissa länder säkert bli en relativt billig bränsle-sparare. Jag tror att vi i soliga länder kommer att se att solkraften planar ut vid en installerad effekt grovt motsvarande elförbrukningen. Det skulle då motsvara en produktion likt den i figur 3. Detta beror dock helt på vilken annan produktion som finns och vilka stöd solkraften ges.
 |
| Figur 3. Troligt sluttillstånd för solkraft i soliga länder om prisutvecklingen fortsätter. |
Appendix: Kort beskrivning av modell och antaganden
Allmänt
I räkneexemplet antar jag att alla dagar ser likadana ut. Medelförbrukningen över dygnet är 10 000 MW varje dygn året runt. Det motsvarar ungefär vad ett industriland med ca 10 miljoner innevånare kan tänkas förbruka. Elsystemet består av tre komponenter, 1) Solpaneler, 2) Energilager och 3) Någon sorts planerbar kraft (ex gaskraft) garant för att systemet alltid har den effekt som krävs.
- Medelförbrukning 10 000 MW (240 GWh/dygn eller 87.6 TWh/år) .
- Energilager nog för att täcka upp för förbrukningen då solkraften inte producerar
- Solkraft nog för att producera all el under dygnet antingen via direktanvändning eller lagring i energilager
- Soligt väder 365 dagar per år
- ~10 000 MW installerad planerbar kraft (ex gasturbin)
Solkraftsproduktionen har en profil som motsvarar den instrålning som paneler kring ekvatorn skulle få. I beräkningarna antas att maxeffekten som erhålls varje dag är lika med den installerade effekten. Av det följer att solkraftens kapacitetsfaktor blir 29% eller 2540 fullasttimmar.
För solkraftens kostnader har tre källor studerats, Elforsks "El från nya och framtida anläggningar år 2014", Fraunhofer (2016) och amerikanska NREL (2016) vilka alla ger snarlika men något annorlunda siffror. Elforsk ger den lägsta siffran för den viktigaste kostnadsposten, specifik investeringskostnad, på 10 000 kr/kW följt av Fraunhofer på 1 200 euro/kW (11 400 kr/kW). Dyrast är det enligt amerikanska NREL som uppger en medelkostnad på 2 000 $/kW (18 000 kr/kW). I min beräkning har Elforsk siffra använts både för att den är lägst och för att den har mest komplett indata i övrigt.
Kostnadsantaganden
Tabell 2 sammanfattar de antaganden som har gjorts om kostnader för de olika kraftsslagen. I efterkommande kapitel beskrivs källan till dessa mer ingående.| Parameter | Kraftslag | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Solkraft | Energilagring | Gasturbin | Kolkraft | Biokraft | Kärnkraft | |
| Specifik investeringskostnad (SEK/kW) | 10000.0 | 5643.0 | 4600.0 | 16000.0 | 28963.0 | 40000.0 |
| Ekonomisk livslängd (år) | 25 | 20 | 25 | 25 | 25 | 40 |
| Specifik reinvesteringskostnad (SEK/kW) | 970.0 | 2036.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 3125.0 |
| Reinvesteringsperiod (år) | 15 | 10 | 25 | 25 | 25 | 25 |
| Byggtid (år) | 0 | 0 | 2 | 3 | 2 | 6 |
| Fast årligt DoU (SEK/kW) | 90.0 | 67.5 | 50.0 | 250.0 | 443.0 | 867.0 |
| Rörlig DoU (SEK/MWhel) | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 30.0 | 60.0 | 0.0 |
| Bränslekostnad (SEK/MWhbränsle) | - | - | 280.0 | 90.0 | 200.0 | 15.0 |
| Koldioxidutsläpp bränsle (gCO2/kWhbränsle) | - | - | 204.5 | 326.5 | 0.00 | - |
| Verkningsgrad (%) | - | 92 | 40 | 46 | 35 | 35 |
Solkraft
Energilager
Energilager är den viktigaste kostnadsposten. Här har två källor beaktats, amerikanska DOE/EPRIs något svårlästa men seriösa "DOE/EPRI Electricity Storage Handbook, 2015" (som för övrigt släpper en uppdatering i jan/feb 2017) och den något mer lättlästa och glattiga "Lazard - cost of energy storage - version 2" (dec 2016) utgiven av kapitalförvaltningsbolaget Lazard. Sedan jag läste denna granskning av Lazards tidigare verk är jag skeptisk men tyvärr har jag inte hittat några andra källor. I min beräkning har jag använt siffror från Lazard motsvarande de lägre 25% av intervallet (om installationskostnaden spänner mellan 475 - 1082 $/kWh har jag använt 627 $/kWh, 475 + 0.25*(1082-475)).
Gaskraft, kolkraft, biomassa och kärnkraft
Antaganden för "restkraftens" kostnad har uteslutande tagits från Elforsks "El från nya och framtida anläggningar 2014". För biokraft har verkningsgraden ökats till 35% för att återspegla en högre elverkningsgrad pga ingen värme tas ut till fjärrvärme. Alla kostnader har också justerats ner för att återspegla detta.
Antaganden om kraftslagens livscykelpåverkan
Bara på kul lade jag till inställningar om kraftslagens livscykelpåverkan (koldioxidutsläpp och materialbehov). Då jag inte lade särskilt mycket tid på det får ni ta värdena med en nypa salt. De flesta värdena är plockade från tabell 10.4 i DOEs publikation "Quadrennial Technology Review 2015". Tyvärr står värdena uttryckta i ton per TWh och jag har inte hittat bakgrundsmaterialet för att kunna härleda vad behovet är per installerad MW (det som behövs är antagen livslängd och kapacitetsfaktor). Där saknades också värden för Li-jonbatterier. För de indirekt koldioxidutsläppen har jag räknat om från "per kWh"-värden till per kW-värden. Om ni sitter på bättre värden så hör gärna av er i kommentarsfältet nedan.| Parameter | Kraftslag | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Solkraft | Energilagring | Gasturbin | Kolkraft | Biokraft | Kärnkraft | |
| Fasta indirekta koldioxidutsläpp (kgCO2/kW) | 1986 | 40.8 | ~0 | ~0 | ~0 | ~0 |
| Rörliga indirekta koldioxidutsläpp (gCO2/kWhel) | ~0 | ~0 | ? | ? | ? | ~5 |
| Livslängd (år) | 25 | 10 | 25 | 25 | 25 | 40 |
| Värmevärde (kWh/enhet) | - | - | 10.8 | 7.6 | 2.6 | 1080000 |
| Landbehov (m2/MW) | 28800 | 360 | 500 | 500 | 500 | 250 |
| Behov aluminium (kg/MW) | 34680 | ? | 630.7 | 210.2 | 1261.4 | 0 |
| Behov cement (kg/MW) | 188700 | ? | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Behov betong (kg/MW) | 17850 | ? | 182908.8 | 84096 | 159782.4 | 159782.4 |
| Behov koppar (kg/MW) | 43350 | ? | 210.24 | 0 | 0 | 630.7 |
| Behov glas (kg/MW) | 137700 | ? | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Behov järn (kg/MW) | 0 | ? | 210.24 | 210.24 | 840.96 | 1051.2 |
| Behov bly (kg/MW) | 0 | ? | 0 | 0 | 0 | 420.5 |
| Behov plast (kg/MW) | 10710 | ? | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Behov kisel (kg/MW) | 2907 | ? | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Behov stål (kg/MW) | 402900 | ? | 65174.4 | 35740.8 | 65174.4 | 33638.4 |
Finns det inte en relativt stor potential i differentierad prissättning, dvs att konsumenterna anpassar förbrukningen beroende på (timbaserat) spotpris? Vore intressant att läsa dina tankar kring det.
SvaraRaderaIntressanta beräkningar.
De flesta behöver el när de behöver den. Folk jobbar 08:00-16:00 och har sina rutiner som grundas på detta faktum. Spotpris förändrar inte detta.
RaderaLaga mat vid halv fyra på morgonen för att spotpriset är som lägst? Nope, praktiskt ohållbart.
Enbart en idiot tror att spotpriser och "förnyelsebar el" är något annat än ett nytt sätt att pungslå folk.
Hej
SvaraRaderaTack för genomarbetade analyser och tänkvärda exempel.
Tänkte denna avhandling kunde vara av intresse
http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/250908/250908.pdf