Flexibel kärnkraft kan säkra kraftsystemets stabilitet

Flexibel kärnkraft kan säkra kraftsystemets stabilitet

Ulf Moberg, teknisk direktör och Maja Lundbäck, förändringsledare, båda vid Svenska kraftnät.

I takt med att det svenska kraftsystemet förändras uppkommer nya behov att upprätthålla kraftsystemets stabilitet. Svenska kraftnät har tillsammans med kärnkraftsbolagen och ägarbolagen undersökt vilka möjligheter som finns för att bättre nyttja kärnkraftverkens stabiliserande egenskaper för att möta ett ökande behov av flexibilitet i takt med att mängden väderberoende kraft ökar i systemet. Även internationellt har detta område börjat diskuteras alltmer och i vissa länder används redan kärnkraften som en flexibel kraftkälla.

Det stamnät som vi har idag i Sverige växte fram samtidigt som den svenska kraftproduktionen utvecklades. Framväxten av först vattenkraft i norr och sedan kärnkraften i söder, tillsammans jämnt fördelat över landet, skapade ett behov av ett kraftsystem som kunde föra över stora mängder el från norr till söder. Det kraftsystem som vi har idag har stegvis växt fram under hundra år och är väl anpassat till den ursprungliga kraftproduktionen avseende geografisk placering, energiflöden och olika tekniska systemparametrar.

Med tiden har situationen förändrats. Tätare sammankoppling med andra länder liksom en ökad mängd väderberoende kraft, i form av främst vindkraft, har tillkommit. Fram till idag har variationer i den väderberoende kraften kunnat pareras med hjälp av vattenkraften eller genom de transmissionsförbindelser som finns till närliggande länder. När sol- och vindkraftens andel i kraftsystemet växer blir det vanligare att vattenkraftens reglerförmåga inte räcker till. Vi kan inte heller alltid förlita oss på att import eller export är möjligt. Därför undersöks möjligheterna till efterfrågeflexibilitet hos elkunderna och vilken roll så kallade smarta elnät kan få. Ett annat område är också att undersöka på vilka sätt kärnkraften kan användas i det framtida kraftsystemet som förmodligen kommer ställa krav på högre grad av flexibilitet. 

Kärnkraftens roll förändras
När de svenska kärnkraftverken byggdes på 70- och 80-talen försågs de i viss mån med utrustning för att till exempel följa dygnsbehovet av el eller bidra med mindre effektjusteringar för att balansera frekvensen i nätet. Men eftersom vattenkraften har varit en sådan stor leverantör av frekvensreglering har behovet inte funnits att nyttja denna möjlighet hos kärnkraftverken. Därför har systemen inte använts. I vissa fall har de avlägsnats. Ett exempel är tryckvattenreaktorernas så kallade grå styrstavar som tidigare användes för dygnsreglering av effekten. I den rapport som Svenska kraftnät nyligen publicerat kring kärnkraftens roll i kraftsystemet beskrivs att den svenska effekt- och frekvensregleringsresursen går från att historiskt ha varit överdimensionerad till att inom en inte alltför avlägsen framtid hamna i en situation där den blir mer knapp och värdefull. Det blir då naturligt att begrunda hur kärnkraften, som vi vant oss vid körs hundra procent hela tiden, kan behöva ändra sitt driftsätt för att bistå kraftsystemet vid nya situationer som kan uppkomma.

Inom loppet av några år kommer antalet reaktorer att ha minskat från tio till sex. Det är dessutom de minsta reaktorerna som stängs och de största som blir kvar. För Svenska kraftnät blir detta nya relativa storleksförhållande en utmaning, enligt rapporten. Det är de största enheterna som är dimensionerande för hur stora reserver som måste tillhandahållas i det övriga systemet vid ett eventuellt driftstopp. Om det dessutom finns för lite roterande massa i systemet, så kallad svängmassa, kan plötsliga förlopp bli svåra att hantera. De kvarvarande reaktorerna, som bidrar med mycket svängmassa och därmed tröghet i systemet, blir därför både problemet och lösningen.

– För att vi ska kunna möta utmaningarna i kraftsystemet och skapa lösningar som gör att vi har ett fortsatt stabilt och driftsäkert system är det mycket viktigt att förståelsen för och kunskapen om kärnkraftens roll i systemet är väl känd, säger Ulf Moberg, teknisk direktör på Svenska kraftnät.

Maja Lundbäck är förändringsledare inom Svenska kraftnät:

– Vi har påpekat att leveranssäkerheten blivit sämre under ett flertal år och nu har utvecklingen även börjat påverka driftsäkerheten i kraftsystemet. Då behöver vi som systemansvarig agera, där just samverkan mellan aktörerna är nödvändigt eftersom vi är beroende av varandra för att få systemet att hålla ihop.

Kärnkraften bidrar på flera sätt
I dag utgör reaktorerna tillsammans med vattenkraften grundbulten i systemstabiliteten genom de tre grundläggande stabiliteterna kopplade till frekvens, spänning och rotorvinkel. Genom reaktorernas höga effekt och de tunga turbin-generatorsträngarnas stora bidrag till den roterande massan utgör kärnkraften en viktig komponent för kraftsystemets frekvensstabilitet. Den stora svängmassan gör att frekvensförändringar vid störningar kan hanteras och systemet kan återföras till normalt driftläge utan att grundfelet fortplantas. Idag är dock reaktorerna optimerade för konstant leverans av hög effekt, men i framtiden kan det ur kraftsystemsynpunkt vara mer fördelaktigt att leverera planerbar, men varierande, effekt (så kallad reglerkraft).

Svängmassan i kombination med kärnkraftverkens dämptillsatser bidrar till att förhindra så kallade effektpendlingar i nätet som kan uppstå till följd av låg rotorvinkelstabilitet. I det sammanhanget är även kraftverkens geografiska placering viktig.

Kärnkraftsreaktorerna bidrar idag i hög grad till att stabilisera spänningsnivån i södra Sverige genom så kallad automatisk spänningsreglering. Det innebär att reaktorernas generatorer läser av spänningsvariationerna i anslutningspunkten och momentant korrigerar oönskade förändringar. I det sammanhanget är kärnkraftverkens förmåga att utbyta så kallad reaktiv effekt en viktig egenskap.

Sammantaget betyder det att när reaktorer tas ut drift uppstår nya utmaningar för att upprätthålla driftsäkerheten i kraftsystemet eftersom det inte bara är effekt och energi som försvinner, enligt Svenska kraftnäts rapport.

Utökad förmåga möjlig
Svenska kraftnäts studie beskriver att det finns potential hos de svenska kraftverken att bidra med ytterligare flexibilitet effektmässigt. Möjligheterna skiljer sig något från tryckvattenreaktorer (Ringhals 3 och 4) och kokvattenreaktorer (resterande reaktorer som avses vara i drift efter 2020, dvs Forsmark 1,2 och 3 samt Oskarshamn 3).

- En möjlighet som vi i studien har uppmärksammat är kärnkraftsanläggningarnas förmåga till effektreglering. Genom den förmågan har de möjlighet att till exempel etablera sig starkare på balansmarknaden vilket skulle gynna kraftsystemets driftsäkerhet, säger Maja Lundbäck. Ett annat område är en mer optimerad användning av de reaktiva resurserna. Det finns teknisk potential att ha en mer optimerad samverkan avseende reaktiv effekt med kärnkraftsanläggningarna, enligt Maja.

Tryckvattenreaktorerna har möjlighet att utföra frekvensreglering och även göra större effektändringar inom vissa områden vid behov. Dock har systemen för att göra detta tagits ur bruk, så för att uppnå dessa förmågor krävs, viss ombyggnation och konsekvenser av nya driftsätt behöver utvärderas, enligt rapporten från Svenska kraftnät.

För kokvattenanläggningarna skulle det vara något enklare att snabbt åstadkomma ett mer flexibelt driftsätt. Vissa anläggningar kan redan idag utföra frekvensreglering kontinuerligt inom ett snävt effektområde. En sådan frekvensreglering utförs med hjälp av att anpassa varvtalet i huvudcirkulationspumparna som styr reaktorns effekt.

På samma sätt kan även större effektregleringar utföras, men ändringshastigheterna måste vara begränsade på grund av termiska och reaktorsäkerhetstekniska förhållanden.

Det finns även möjlighet för kokvattenreaktorerna att leverera korta effektökningar genom att under korta stunder göra ett större uttag av ånga ur reaktortanken än normalt. Denna möjlighet har inte använts tidigare, men är något som undersöks.

När det gäller övriga stabiliserande förmågor anger utredningen att dämpning mot effektpendling och produktion och konsumtion av reaktiv effekt inte nyttjas fullt ut idag. De egenskaperna skulle kunna utvecklas för att ytterligare stärka kraftsystemets rotorvinkelstabilitet och spänningsstabilitet.

– En utveckling och förtydligande av vilka möjligheter och begränsningar som kärnkraftsanläggningarna har gör att vi som systemansvarig har bättre koll på kraftsystemets förmågor och att vi är trygga med att vi håller kraftsystemet inom de tekniska gränser som finns, säger Maja Lundbäck. Ett utvecklingsarbete pågår inom Svenska kraftnät för att definiera och förtydliga hur vi utformar tänkbara marknadstjänster och åtgärder som behövs för ett driftsäkert kraftsystem, fortsätter Maja Lundbäck.

Diskussioner pågår internationellt
Frågan om flexibel drift av kärnkraftsreaktorer är något som på senare tid även har börjat diskuteras flitigt internationellt. Till exempel har kärnkraftens europeiska organisation Foratom uttryckt behovet av marknadslösningar för att kraftverk med planerbar effekthållning ska motiveras att leverera en frekvensstyrd effekt snarare än att konstant leverera på full effekt, vilket stimuleras av dagens marknadslösningar. Foratom ger även flera exempel på länder där flexibel kärnkraftsdrift förekommer. Ett exempel är Frankrike där två tredjedelar av reaktorflottan idag rutinmässigt körs flexibelt. Foratom ser en stor potential i flexibel kärnkraft eftersom det skulle bli ett icke-fossilt komplement till väderberoende kraftproduktion.

Harvardforskaren Jesse Jenkins säger att kärnkraften kan samspela mycket bättre med förnybart än vad folk i allmänhet tror, vilket kan leda till en omvärdering av dessa kraftslags samverkande roll. Istället för att stänga reaktorer bör man anpassa reaktorernas driftsätt för att ge plats åt förnybart, enligt Jenkins. Jenkins förespråkar ett bättre samarbete mellan kraftslagen för att nå nollutsläpp och föreslår nya begrepp för att främja en sådan dialog:

  • Bränslebesparande kraft: Till exempel solkraft, vindkraft och vattenkraft med begränsade vattenmagasin
  • Snabb momentantillförsel: Till exempel batterilager och efterfrågeflexibilitet
  • Flexibel planerbar kraft: Till exempel kärnkraft, vattenkraft med säsongsmagasin, kraftvärme, CCS och vätgas

En rad studier på senare tid, bland annat från MIT och Google, pekar på att en kombination av dessa tre resurstyper är det mest effektiva sättet att nå ett helt fossilfritt energisystem.

 

Förklaring av begrepp
Källa: Svenska kraftnät

Systemtjänster
Samlingsnamn på funktioner som är fundamentala för att upprätthålla ett stabilt kraftsystem och därmed även för leveranssäkerheten. Exempel på sådana systemtjänster är frekvensreglering, spänningsreglering, olika typer av reserver och svängmassa.

Effektreglering
Ett kraftverks förmåga att styra sin produktion för att möta ett specifikt effektbehov.

Frekvensreglering
Ett kraftverks förmåga att styra sin produktion för att aktivt motverka förändringar i systemfrekvens.

Frekvensstabilitet
Kraftsystemets förmåga att hålla stabil frekvens.

Rotorvinkelstabilitet
Förmågan hos anslutna generatorer att rotera synkroniserat. Skillnaden i vinkel mellan synkront anslutna generatorers roterande del ska hållas liten för att undvika effektpendlingar i nätet.

Spänningsstabilitet
Kraftsystemets förmåga att hålla en godtagbar spänningsnivå.

Reaktiv effekt
Den del av effekten där spänning och ström inte är i fas - effekten utför inte något arbete. Den effekt som utför arbete (kommer till nytta), det vill säga när spänning och ström är i fas, kallas aktiv effekt.