Kapittel 12: Batterier og smarte elnett

Bernt A. Bremdal er professor ved Institutt for datateknologi og beregningsorienterte ingeniørfag ved Universitetet i Tromsø og spesialrådgiver for energi og IT-relatert F&U ved Smart Innovation Norway og Norwegian Centre of Expertise i Halden. Bremdal er dr.ing. fra NTNU og har i hele sin karriere jobbet innenfor energi, IT og media. Han har 20 års bakgrunn fra næringslivet både som systemutvikler, bedriftsleder og gründer. Hans forskningsinteresser er knyttet til intelligente systemer, med spesiell fokus på anvendelse av IT og maskinlæring innenfor smarte elsystemer, smarte bygg og smarte byer. Bremdal jobber aktivt for å bygge bro mellom forskning og forretningsutvikling.

Denne artikkelen er hentet fra boken Teknologien endrer samfunnet utgitt på Fagbokforlaget i 2017 (ISBN 978-82-450-2297-1).

Boken kan bestilles her: https://www.fagbokforlaget.no/sok/?q=978-82-450-2297-1

Fornybare energiressurser

Det er flere viktige forhold og utviklingstendenser som presser på for en endring. De aller viktigste er:

1. økningen av elektrisk energi i markedet basert på fornybare energiressurser
2. utvikling av «smarte elnett» og tilhørende teknologi
3. behovet for økt forbrukerfleksibilitet
4. fremveksten av «smarte bygg» og «smarte byer»

Hver av disse har en omveltende kraft på elbransjen så vel som næringsliv og samfunn. De driver også teknologiutviklingen rundt energilagring og utvider markedspotensialet for disse. Dette favner ulike former for termiske lager, kinetiske maskiner, CAES (trykk- luftsystemer), kondensatorer, hydrostatiske lager, elektrokjemiske batterier og brenselceller. Teknikken knyttet til hver av dem, drives stadig fremover. Utviklingen rundt batterier basert på ulike elektrokjemiske konsepter beveger seg spesielt raskt.

Danskene har vært de store pionerene rundt utviklingen av store vindturbiner og vindparker helt siden 1970-tallet. I dag utgjør vindkraft over 40 % av danskenes energigrunnlag og er fremdeles voksende. Vi finner nå vind- og solparker spredt over hele kontinentet og Nordsjøen. I Norge har denne utviklingen gått mye saktere på grunn av vannkraften, som både er fornybar og svært regulerbar. Et unntak er såkalt småskala vannkraft, som øker i omfang. Men i likhet med vind eller solkraft er småskala vannkraft ikke kontrollerbar i sin grunnleggende form. Dermed kan ytelsen variere kraftig. Den energi som genereres av slike «intermittente» produksjonsenheter, kan endre seg fra minutt til minutt, over et døgn og ikke minst over et år. Når det er lite nedbør, vil småskala vannkraft gi mindre bidrag. Av naturlige grunner vil solcelleanlegg genere lite elektrisitet i mørketiden. Selv om sommeren, når en sky skygger for sola, faller produksjonen til et solcellepanel kraftig fra det ene minuttet til det andre. Det blåser heller ikke bestandig, og når det virkelig er fart i luftmassene, må mange vindmøller stenge på grunn av for stor belastning. Like fullt er det viktig at det er balanse mellom tilbud og etterspørsel. Prisene i markedet kan dermed svinge kraftig avhengig om det er godt vær og mye vind, eventuelt overskyet vær eller vindstille. Like mye som det kan svinge i markedet, vil de samme variasjonene kunne påvirke spenning og frekvens i transmisjonssystemet. Allerede på nittitallet vurderte danskene mulighetene for å utnytte batterier for å kunne jevne ut variasjonene i elsystemet og dempe større prisvariasjoner. Men mulighetene til å handle såkalt regulerkraft fra Norge gjennom sjøkabler satte videre arbeid med dette alternativet på vent. Det er i ferd med å endre seg nå.

Elnett blir smarte

På mange måter kan vi påstå at det pågår en stille revolusjon. Den refereres ofte til som Smart Grid eller smarte elnett, og er et globalt fenomen. I enkelte sammenhenger er denne revolusjonen synlig for folk flest.

I dag snakkes det mye om nye strømmålere og AMS (Automatisert Målingssystem). Dette vil være på plass i alle husstander i Norge og mange andre steder i verden før tiåret er omme. Fjernavlesning av strømforbruket vil være en umiddelbar konsekvens som folk vil merke. Avregning av forbruket per time vil også være mulig. Men måleren er også noe mye mer. Det er en avansert sensor som åpner for nye muligheter. Sammen med andre typer sensorer og kontrollenheter utgjør disse elementene stammen i det smarte elnettet. I motsetning til manges forestillinger handler det altså ikke om å erstatte det gamle nettet, men å utruste det med moderne informasjons- og kommunikasjonsteknologi.

Smarte elnett er på mange måter et giftemål mellom den gamle infrastrukturen for elektrisitetsforsyningen og et helt register av moderne IKT. Det innebærer mange slags typer måleutstyr som gjør det mulig å overvåke hva som foregår. Kommunikasjonsløsninger som forbinder ulikt utstyr (Tingenes Internett) og styringssystemer for å regulere og omdirigere strømmen på nye måter, utgjør også en del av bildet. Selvfølgelig er det også snakk om roboter, kunstig intelligens og maskinlæring i denne sammenhengen.

Det er vanskelig å forstå at det etablerte forsyningssystemet i hovedsak er blitt driftet uten vesentlig bruk av sensorikk og moderne IKT-løsninger. Spesielt har det vært en mager situasjon i distribusjonsnettet i den enden hvor forbrukerne befinner seg. Faktisk har det vært slik at et nettselskap aldri kunne vite om forbrukerne fikk levert den strømmen de hadde krav på før forbrukerne selv meldte dette tilbake til selskapet. Det har ikke eksistert noen form for sanntidsmålinger på leveringspunktet.

Figur 1 Prinsippene bak det smarte elnettet (Kilde: Smartgridtech).

Målerne ble avlest av brukeren og hva som faktisk skjedde på en tirsdag i januarmåned, ble først tilgjengelig for dem som driftet nettet en måned senere. Den mottatte informasjonen var heller ikke alltid like fullstendig eller pålitelig. En slik situasjon hadde vært utenkelig i andre bransjer. Tenk om ikke flyselskapet visste om du var om bord i et fly til Barcelona, ei heller var klar over om du noen gang hadde landet der før du selv gav dem beskjed. Like fullt har et slikt system fungert i elbransjen. Men nye utfordringer har satt smartere elnett på dagsorden. Mer og mer lokalprodusert strøm vil mates inn fra ulike deler av forsyningsnettet. Dette har skapt en situasjon som ingen tidligere forutså, og som krever smartere styring. For det lokale nettselskapet kan smart styring av batterier bli avgjørende for å kunne håndtere denne utfordringen. For prosumenten – en aktør som både er produsent og konsument – kan batterier gi økte muligheter for uavhengighet og nye inntjeningsmuligheter dersom disse også styres på en god måte.

Det er behov for større forbrukerfleksibilitet

Behovet for forbrukerfleksibilitet er sterkt beslektet med både økt innslag av fornybare energikilder og bedre styring og kontroll over elnettet. I stor grad er det forbrukerne som har bidratt til å aktualisere et smartere nett. Flere og flere funksjoner elektrifisieres. Oljefyren er ikke lenger populær, elbilen lader i oppkjørselen, tørketrommelen har mange steder overtatt for klessnora i hagen og induksjonstoppen har inntatt kjøkkenet. Økning i laster eller effekt er et voksende problem i de fl land. Det utfordrer kapasiteten i forsyningen og truer kvalitet og kontinuerlig oppetid. Grafen i figur 2 illustrerer utviklingen av effektforhold over tid på Hvaler i Østfold. Timer med store laster er økende og maksimallastutviklingen er i ferd med å nå et kritisk nivå. Slik er det i mange nett både i Norge og andre steder i verden.

Forskjellen mellom effekt og energi er uklar for mange. Det ene måles i kilowatt (kW) og det andre i kilowattimer (kWh). De fleste er fortrolig med det siste, da det er det som vises på fakturaen de mottar. Selv om vi reduserer antall kWh, er det fremdeles mulig å oppleve store effekttopper. Fordi de fleste nordmenn følger omtrent den samme rutinen i hverdagen, kan vi måle betydelige større effekttopper om morgen og om ettermiddagen eller tidlig kveld enn ellers i døgnet. Det dusjes om morgen, lys kommer på, nattsenkingsperioden termineres og ovnene slås på samtidig som vannkokeren sørger for varm te eller kaffe i koppen. Dernest drar vi på jobb og effekttoppene er nesten fraværende midt på dagen, før de igjen øker når vaskemaskiner, TV, komfyr og PC surrer og går etter endt jobb. Samlet gir dette en stor belastning på forsyningen selv om vi generelt sett prøver å være mer energieffektive. Ved høyt effektbruk kan vi velge å utvide kapasiteten og sende regningene til skattebetalerne eller til abonnentene. Utvidet kapasitet for å håndtere de mest belastede periodene gir enda større ledig kapasitet resten av tiden. Det er dårlig samfunnsøkonomi dersom en utvidelse ikke kan utnyttes fullt ut, spesielt dersom det finnes alternativer til en slik utvidelse. Alternativet er bruk av brukernes fleksibilitet. I praksis betyr det at vi reduserer eller flytter toppbelastningen i de mest utsatte timene til perioder med lavere belastning.

Figur 2 Prinsippene bak det smarte elnettet (Kilde: Norgesnett).

En slik utjevning kan ha svært stor verdi. Dette kan sammenlignes med veitrafikken. Dersom det skapes gode nok insentiver, og bilistene gis reelle alternativer til privatbilen, vil flere velge slike alternativer og dermed redusere kødannelse i de større byene om morgen og ettermiddag. Eventuelt kan bilistene gis insentiver for å reise på ulike tidspunkt. Tilsvarende kan forbrukernes fleksibilitet utnyttes for å redusere effekttoppene i elnettet. Smart styring av dette kan bidra til å jevne ut forbruket og redusere effekttoppene. Forsyningskapasiteten utnyttes bedre og nettselskapene og samfunnet sparer penger. Naturligvis skapes det også i denne sammenhengen et betydelig mulighetsrom for ulike typer lagringsteknologi.

Smarte byer

Da Westinghouse begynte å bygge ut det første elnettet, var det først og fremst belysning de så for seg. Ikke minst var gatebelysning i de store byene høyt på ønskelisten. Vintermørke gater, heftig vær og økte kostnader til tradisjonell belysning gjorde også at Hammerfest i 1891 ble Norges første by med elektrisk gatelys. Dette ble også starten på elektrifisering av norske byer. I dag snakker vi heller om «smarte byer». De gamle natriumlampene er byttet ut med energieffektive LED-pærer. Lysene i pærene kan dimmes ned til et minimumsnivå når ingen mennesker eller biler passerer. Kanskje henter hver stolpe strøm fra en lokal vindgenerator eller et batteri. En vesentlig side av smarte byer er at de er basert på elektrisitet fra fornybare kilder, inkludert distribuert produksjon hvor solcellepaneler på taket og vindmøller på bondegården er viktig. Utfasing av alt som drives av fossilt eller kjernefysisk drivstoff, utgjør grunnplanken i konseptet. Ved siden av elektrisk vare og persontransport på land får vi båter som forsynes av store batterier. Landstrøm til båter, i stedet for diesel, skal benyttes i alle havner omgående. E-mobilitet er viktig for smarte byer.

En annen side ved smarte byer er digitalisering av de utallige funksjonene som får en by til å fungere. Tingenes Internett utgjør et vesentlig element. I likhet med det smarte nettet gjør sensorer og aktuatorer som regulerer ulike funksjoner det mulig å etablere et sanntidsbasert samspill mellom svært mange ulike ting. I de fleste kommuner finnes det aktiv styring av pumper som regulerer trykk på vannet i springen, sikrer at kloakken når renseanleggene og sørger for kommunikasjon ved hjelp av mobiltelefoni. Det ligger betydelig energieffektivisering i å utnytte samspillet mellom slike funksjoner. De fleste tenker kanskje ikke over at mye av kommunens strømregning skyldes folks tannpussing. Nordmenn har en lei tendens til å la vannet renne mens man pusser tennene. Dette fordrer drift av pumper med et høyt effektforbruk. Sammen med annet forbruk påvirker dette også nettet og markedet. Desto mer samlet forbruk i konsentrerte perioder, desto større er sjansen for økte priser. Høyere priser bidrar til å holde liv i gamle kraftverk som drives av olje og kull. Ut fra en slik anskuelse blir også påstanden om at smarte elnett er en forutsetning for smarte byer, relevant. Utviklingen og bruken av lagringsteknologier må forstås i sammenheng med både smarte byer og smarte elnett.

Lagringsteknologi og batterier

De fleste kjenner til prinsippene for et ladbart batteri til mobilen, og mange håndverkere bruker i dag batteridrevne verktøy for å slippe å være avhengig av en stikkkontakt i nærheten. Noen har fått med seg forkortelsen Ni-Cd eller Li-ion. Nickel-Cadimum og Lithium-Ion definerer hvilken type batteriteknologi som er brukt.

De fleste større batterier består av elektrokjemiske celler som er koplet sammen. Hver celle har en positiv elektrode kalt katode og en negativ som kalles anode. Anoden gir fra seg elektroner som danner den elektriske strømmen og katoden tar imot. Det skjer en kjemisk prosess i elektrolytten.

Ulike batteriteknologier kjennetegnes som regel ved at de bruker ulike materialer i elektrodene og en kjemisk konsistens i elektrolytten med forskjellige egenskaper. Blybatterier benytter elektroder av bly og en syreoppløsning som elektrolytt. Lithium-ion-batteriet i PC-en og mobiltelefonen benytter lithiumsalter. Grafittanoder er det vanligste, og katoder bestående av en metallisk oksid, som for eksempel koboltoksid eller manganoksid, brukes mest. Men også varianter av dette finnes. Dette skaper en rekke variasjonsmuligheter sammen med forskjellige produksjonsmetoder som påvirker ytelser målt i spesifikk energi, energitetthet og effekttetthet, sikkerhet og pris. Noen batterier kan lades, andre ikke. Noen veier mye, mens andre gir samme ytelse, men veier mindre. Ladeevnen for de fleste ladbare batterier vil reduseres over tid. For en elbil ligger kanskje optimalt antall ladesykluser rundt 6000.

Tabell 1 viser en liste med ulike ladbare batterityper og deres egenskaper.

Tabell 1 Ladbare batterityper og deres egenskaper.

Tradisjonelt har batterier hatt en mye lavere spesifikk energi (energi/masse) enn for eksempel bensin (ca. 13 kWh/kg). Derfor har utviklingen rundt elbiler lenge hatt dårligere kår. Men som de fleste har fått med seg, er dette i ferd med å endres. Elbiler har tatt opp kampen med den bensin- og dieseldrevne bilen. Rekkevidden øker for hver nye generasjon og lastkapasiteten øker. Dette skyldes at pris/ytelse og ytelse/vekt har endret seg som konsekvens av stadige forbedringer av de ulike batteritypene og deres produksjonsmetoder. Det har også den effekt at batterier med høy ytelse, basert på nyere og mindre kjent teknologi, får et kommersielt gjennombrudd og presser prisene på mer etablerte modeller.

Hvordan blir markedsutviklingen?

Figur 3 viser resultatet av en bred undersøkelse som Nykvist og Nilsson publiserte i Nature Climate Change i 2015. Ved å innhente opplysninger fra ulike kilder konstruerte de en graf som tydelig viser endring i pris for lithium-ion-batterier siden 2005. Prisfallet er betydelig. Ulike kilder er benyttet for å forutse videre utvikling. Som det fremgår av grafen, kan vi innen tiåret er passert forvente mer enn en halvering av enhetskostnadene for denne batteritypen. Flere analyser støtter dette, også for andre batterityper. Blant annet forventer man at prisene på flow-batterier vil synke dramatisk, og vil om 5–6 år ligge på samme nivå som lithium-ion. Flow- eller redox-batterier er i prinsippet en brenselcelle, men fungerer ellers veldig likt et mer tradisjonelt batteri. Den store forskjellen er at de kjemiske komponentene som utgjør elektrolytten, kan oppbevares i separate tanker adskilt fra der hvor den kjemiske reaksjonen foregår. Dette gjør for det første det mulig å fordele vekt på en annen måte. Det gir også sikkerhetsmessige forbedringer. Dessuten kan et elektrisk kjøretøy lades opp like kjapt som en vanlig bensindrevet bil fordi man kun erstatter elektrolytten i tankene. Høy-ytelsesteknologi basert på Lithium-luft har også nådd markedet. Lithium-luft har en spesifikk energitetthet som ligger tett opp mot bensin. Teknologien har vært kjent i flere tiår, men utviklingen har lidd under det faktum at mye energi går over i varme ved utlading. Ifølge danske «Ingeniøren» sommeren 2016 er dette nå i ferd med å løses (Bjørn Godske. Ingeniøren, 10. august 2016 kl. 17:44).

Figur 3 Li-Ion-batteri – kostnader per kWh (Kilde: Nykvist and Nilsson, Nature Climate Change 5, 329 (2015)).

Det er flere drivere bak denne utviklingen. Det smarte elnettet er én forklaring. Behovet for kontrollerbare effektbuffere og langtidslagring, både på høyspent- og lavspentsiden, er høyaktuell. Men i øyeblikket er det kanskje markedsutviklingen rundt elbiler og annen e-mobilitet som utgjør det viktigste motivasjons- grunnlaget for ingeniører og forskere ved universitet, forskningsinstitutter og industrielle laboratorier. Forretningsdelen av dette industriområdet står heller ikke stille. Den amerikanske bilprodusenten Tesla, oppkalt etter elpioneren, er et godt eksempel. Selskapet har bygget en gigantisk batterifabrikk i Nevada, kun for produksjon av batterier. Fabrikken vil kreve 6500 mann og har en produksjon av lithium-ion-batterier tilsvarende mer enn 35 GWh i året. Ved å øke og effektivisere produksjonen forventes høyere markedsandeler for stasjonære lagringsløsninger samt lavere priser. I tillegg vil det gjøre elbilene fra Tesla mer konkurransedyktig. Samtidig foregår det en betydelig kapasitetsøkning for å resirkulere gamle bilbatterier. Foruten Tesla vil Nissan, Renault og uavhengige aktører satse. Ifølge Clean Technica vil antall bruktbatterier øke eksponentielt fremover (se figur 4).

Ca. 75–80 % av disse vil bli plukket fra hverandre av leverandørene og satt sammen til nye batterier. Det er Teslas filosofi. Resten vil bli overhalt som de er og benyttet til stasjonære forhold. I øyeblikket er det denne tilnærmingen Nissan tenker seg.

Figur 4 Utvikling av akkumulert tilgjengelighet og bruk av brukte elbil-batterier for stasjonære formål i årene fremover (Kilde: Clean Technica).

Universitetet i Ålborg har sett nærmere på dette og utviklet en prosess hvor et batteri kan få tre liv. Det første vil være som energikilde for elektrisk mobilitet i ulike kjøretøyer. Etter rundt 6000 ladesykluser vedlikeholdes det og settes inn i stasjonært bruk i nettet. Her vil de kunne fungere i det smarte elnettet inntil det etter noen år nedgraderes til tjeneste i et eller annet backup-system hvor antall ladesykluser går drastisk ned. Konsekvensen vil være at levetiden på et batteri kan økes radikalt og kostnad per år reduseres tilsvarende. Annenhåndsverdien på et brukt batteri vil kunne holde et akseptabelt nivå, noe som igjen gjør elbil mer attraktivt. Behovet for stasjonære løsninger til bruk, for eksempel i nettet, vil i stor grad følge en utvikling som samsvarer med både fokus på smarte byer og smarte elnett. Som det fremgår av grafen i figur 5, regner GTM Research med en stasjonær batterikapasitet som vil være ti ganger høyere enn i dag innen en femårsperiode. Nesten 2,1 GW effekt vil være operativ. Kanskje det mest interessante er at ca. halvparten av kapasiteten vil være «bak måleren». Det vil si buffere og langtidslager for byggeiere og husholdninger.

Figur 5 Økningen i batterikapasitet (MW) for stasjonært bruk i USA (Kilde: GTM Research 2016).

Batteriet blir den smarte noden

Som vist har stadig lavere priser og nye og bedre egenskaper de siste årene økt interessen for energilagring ved hjelp av batterier. De reguleringsmessige utfordringene som variabel produksjon fra fornybare kilder byr på, kan nå håndteres på en bedre måte. I transmisjonssystemet er batterier spesielt relevant for å sikre riktig spenning og frekvens. I en hytteby på fjellet kan en batteriløsning hjelpe det lokale nettselskapet til å gi den store hytta på enden av linjen riktig spenning.

Det er en god stund siden Det internasjonale energibyrået, IEA, pekte på behovet for lagringsløsninger og estimerte at man kunne trenger 305 GW batterikapasitet på verdensbasis innen 2050. Primært tenkte man den gang på å bruke batterier til å støtte overføringer i transmisjonssystemet og markedet for kompenserende regulerkraft. Dette var på en tid før solcellepaneler og mindre vindmøller for alvor begynte å innta hustak, havneområder og åkrer.

Nå øyner alle eiere av energikilder som ikke har vært mulig å regulere, muligheten for nettopp dette. Batteripakker kan gi dem en buffer som gjør det mulig å selge strøm når prissituasjonen er gunstig. Tilsvarende muligheter ser vanlige konsumenter og prosumenter. Med et batteri får de flere valgmuligheter. Dette kan gi økte gevinster og reservekraft dersom annen forsyning skulle svikte. Andre forbrukere som utnytter den mobilitet som batterier skaper, ser for seg større kjørelengder, kortere ladetid og lavere brannrisiko. Kommuner kan begynne å tenke annerledes om plan og regulering. Miljøproblematikken knyttet til nye kraftlinjer kan revurderes og beredskapssituasjonen hva angår energi vil bli helt endret. Batteriet er i ferd med å gjøre fornybare energiressurser, enten de er små eller store, mer håndterbare og lønnsomme. Investeringsgraden rundt dette kan økes. Batterier inntar posisjoner som knutepunkt i det smarte elnettet og utgjør selve energinavet i fremtidens byutvikling. Faktisk er det slik at batterier er i stand til å innta en slags bankfunksjon for energi på samme måte som de gamle sparebankene i byer og lokalsamfunn. Her har Sonnen Batterie i Tyskland vært en pioner. Strombank-prosjektet til MVV Energie ser på tilsvarende muligheter. I Norge arbeides det med et tilsvarende opplegg i to forskningsprosjekter: EMPOWER og Flexnett. Det første er et stort europeisk prosjekt som ser spesielt på lokale energimarkeder. Det andre er et nasjonalt prosjekt som har mottatt finansiering av Norges forskningsråd. Begge testområdene ligger på Hvaler i Østfold. Ett er etablert på Sandbakken på Kirkøy. Her utvikles et smart elnett i miniformat, nemlig et mikronett. Mikronettet kan drifte et helt område i såkalt øymodus. Sol og vindgenerert strøm forsyner denne energiøya med elektrisitet for eget forbruk og eksport. Ved behov koples mikronettet fra den vanlige strømforsyningen.

Figur 6 «Batteri i naboskap»: Norges første energibank for plusskunder er installert ved nettstasjonen i nabolaget vist på bildet.

Batterier og egenprodusert strøm kan holde liv i området og blant annet lade elbiler, selv om alle andre mister strømforsyningen sin. Et annet demoområde ligger på Vesterøy i samme kommune (figur 6). Her er det installert et naboskapsbatteri. Her testes ulike «bankfunksjoner» for både forbrukere og plusskunder i nabolaget. Naboskapsbanken kan i prinsippet driftes på to måter: som et «energihvelv» hvor man deponerer egenprodusert strøm eller strøm kjøpt på billigsalg. Ved behov hentes denne energien ut. Brukerne betaler et mindre gebyr for denne oppbevaringen slik det er vanlig for dem som benytter bankbokser. Den andre måten er å opprette en konto med den som styrer batteripakken. Innskudd og uttak følger tradisjonelle regler for binding og oppsigelse. Brukerne oppnår også en rentefordel. Samtidig tillates det at forvalteren av dette energilageret kan drive «asset play», nemlig å låne ut, kjøpe og selge elektrisk energi for å tjene penger. Det er i dag ingenting i veien for å etablere en slik bank i eget hus. Først og fremst blir det en privat «safe» eller bankboks. Men i et nabolagsmarked, slik man eksperimenterer med i EMPOWER, vil det kunne tillates at naboen inngår en avtale med deg som eiere av safen. Mot et honorar tillater du at naboen deponerer egenprodusert strøm i safen. Alternativt kan du kjøpe strømmen fra ham og lagre den for senere bruk. Det finnes mange muligheter basert på disse prinsippene. De kan realiseres nær sluttbrukeren eller tett opp mot for eksempel vindprodusenter som mater direkte inn i høyspentnettet. Teknisk kan det hele automatiseres. Smarte kontrollsystemer og automatisk handel ved hjelp av intelligente programvareagenter (apper som jobber kontinuerlig på vegne av brukeren) gjør jobben relativt enkel. Men dagens tarifferingsregime og reguleringer representerer barrierer for en del interessante løsninger. Men her kan forventes betydelige endringer.

Batteripakker i bruk

Hvordan kan ulike aktører i energimarkedet nyttiggjøre seg de nye mulighetene? Vi kan starte med forbrukeren.

Hus og byggeieren
Hver hus- og byggeier vil typisk ha en relasjon til både nettselskap og en strømleverandør. Men han eller hun kan også ha en relasjon til andre forbrukere. Nettselskapet sørger i dag for tilknytning til hovedforsyningen og krever både en fast tilkoplingsavgift per år og en tariff per kWh forbrukt. Med innføring av timesmåling og AMS kan man også forvente at nettselskapene vil innføre et effektledd i sin tariff for å hindre at for mange genererer store lasttopper i forsyningen og truer kapasiteten. Alternativet er at noen vil ønske å kjøpe fleksibilitet fra forbrukeren. Det vil si at forbrukeren tillater at importert strøm reduseres. Tradisjonelt har dette vært knyttet til aktiv nedjustering av ikke-prioritert forbruk i kortere perioder inntil belastningen på nettet blir tilstrekkelig redusert. Ved å investere i et batteri kan huseier selge fleksibilitet uten nødvendigvis å redusere forbruket i de periodene nettselskapet ønsker avlastning.

Vi skal ikke se bort fra at et nettselskap er villig til å betale opptil 100 kroner per kW per måned for å reservere seg retten til å benytte en slik fleksibilitet i områder med svake nett. Det kan bli vanlig for hytteområder i svake nett å installere batterier for å håndtere spenningsvariasjoner. I tillegg kan forbrukeren med sitt eget batteri søke handelsmuligheter. Det kan relativt enkelt etableres. Med en spotprisavtale på strøm per time kan det lønne seg å kjøpe billig strøm og lade batteriet om natten for så å benytte dette lageret om dagen når prisene er høyere. Handelsmulighetene har vært små i Norge, men de blir bedre. I fremtiden kan man periodevis se sterkere prisvariasjoner. Da kan et system av denne typen bli mer regningssvarende, spesielt hvis det blir mye overskuddsstrøm fra lokale plusskunder. Et batteri kan sikre gode avtaler om kjøp av lokal og ren overskuddsenergi. I øyeblikket er det et økonomisk og regulatorisk spørsmål om hver nabo bør satse på et eget batteri i stedet for å etablere en fellesløsning med sine naboer. Det er nettopp det EMPOWER og Flexnett ser nærmere på.

Produsentene og prosumentene
De store produsentene som opererer direkte inn mot grossistmarkedene rundt om i Europa får med batterier et instrument som gjør det mulig å bufre egen produksjon og jevne ut innmatingen samt å bygge depoter. Behovet for gode posisjoner i regulerkraftmarkedet vil også reduseres. Dette kan gi hyggelige spin-off-effekter helt ned til den enkelte forbruker. Der, langt nede i distribusjonsnettet, finnes også prosumenten. Han eller hun har tilsvarende muligheter, men i langt mindre skala. I likhet med forbrukeren har prosumenten en relasjon til det lokale nettselskapet og detaljisten. Men siden han eller hun produserer sin egen strøm i hele eller deler av døgnet, åpner det seg flere muligheter. Blant annet ligger det leilighet for å selge overskuddsstrøm når prisene er høyest. Eventuelt kan de konsumere mer av egenprodusert strøm ved å deponere overskuddet i en batteribank og hente det ut etter behov. Sesonglagring vil kreve betydelige investeringer i dag, men som vi har sett, vil dette kunne bli regningssvarende allerede innenfor en tiårsperiode. Med den fallende pris/ytelseskurven på stasjonære batterier lik Teslas Powerwall kan vi også se for oss at enkelte hytter med egen produksjon og batteri på ny blir koplet fra nettet. Kostnadsmessig er vi ikke langt unna i dag – i og med at hytter brukes relativt lite, og dermed kan akkumulere mye energi ved hjelp av egen produksjon over tid.

Trafikanter
I første rekke er det lithium-ion-batterier som dominerer e-mobilitetsmarkedet, men flow- eller redox-batterier vil kunne bidra til enklere elbilbruk. Kraftigere batterier til en lavere pris gir lengre rekkevidde og enda billigere drift. Utbygging av ladestasjoner og ladeteknologi vil gi økte muligheter. Flow-teknologien vil ha størst anvendelse innenfor tungtransport og utvikling av elektriske busser. Samtidig blir samspillet mellom hus, kontor og elkjøretøy viktig. Toveis bruk av batterier seiler opp som et reelt alternativt. Da kan sykkelparken eller parkeringshuset fungere som både kraftverk og fleksibilitetsressurs. Tenk å tjene penger på denne type fleksibilitet når man er på langtidsferie i Thailand? Det er ca. 18 000 parkeringsplasser på Gardermoen. Hele området fullt med elbiler utgjør et kjempebatteri på stillestående hjul. Med lithium-luft-batterier vil man stå overfor nok et kvantesprang. Et lithium-luftbatteri på 25 kilogram som lades opp til 300 kWh, kan frakte en vanlig elbil nesten 150 mil på én lading, med plass til dobbelt så mye bagasje som i dag.

Nettselskapet
Mange nettselskap sliter med svake nett. Samtidig er de pålagt å investere for å sikre tilstrekkelig robusthet i alle deler av nettet. Økende laster i nettet krever økt fleksibilitet. På grunn av sine bufferegenskaper er batterier ideelle for dette formålet dersom de styres i henhold til de kapasitetsproblemer som nettselskapet opplever. Høy konsentrasjon av overskuddsenergi som mates inn i deler av distribusjonsnettet, kan medføre betydelige spenningsvariasjoner og negative laster. Dessuten kan hurtige svingninger mellom sol og skygge gi store og variable påkjenninger i f.eks. en transformator. Den fleksibilitet og buffermulighet som en batteripakke gir, kan også gi nettselskapet gevinster i en slik sammenheng. Behovet for vanlige oppgraderinger av nettet kan reduseres eller utsettes. På den måten sparer både de, kundene og samfunnet penger. Miljømessig vil det også ha stor betydning fordi mer lokal og fornybar energi kan håndteres.


Forhandleren
Den tradisjonelle strømdetaljisten i Norge vil antageligvis forsvinne mer eller mindre og erstattes av en mer tjenesteorientert aktør. Vi snakker om «Smart Energy Service Providers» (SESP) og aggregatorer som kjøper og selger energi fra det sentrale markedet så vel som fra lokale aktører. I EMPOWER testes det ut muligheter for lokale energimarkeder i Norge hvor en slik tjenesteleverandør også organiserer det lokale markedet og opptrer som en «market maker». Det siste innebærer en aktiv påvirkning i markedet for å øke engasjement og mer omsetning. For denne type aktør kan en batteripakke være helt avgjørende. Langtidslagring, bufferbehov og fleksibilitet er igjen nøkkelord. Men batterier vil også ha en annen funksjon i denne sammenhengen. Den vil være et risikoreduserende element, nær forvaltningskapitalen til en vanlig bank. En slik markedsaktør må oppfylle alle sine forpliktelser både i det sentrale grossistmarkedet så vel som i det lokale markedet. Batteriet gjør det mulig å sikre en aktiv regulering som sørger for at kontraktsinngåelser innfris til enhver tid. Alternativt må dette kjøpes som en tjeneste fra andre. Batterier skaper muligheter for helt nye kontraktstyper som igjen kan øke interessen for kjøp av grønn energi og investering i grønne produksjonsløsninger.

Operatører av effektkrevende tjenester i smarte byer
Som påpekt tidligere øker uttaksvariasjonene over døgnet. Dette skjer i lys av en storstilt energieffektivisering. Forbruket flater noe ut, men antall timer med store effekttopper i elektrisitetsforsyningen øker. Den smarte byen vil antageligvis bli en «effektversting». Lading av elbiler er allerede en utfordring enkelte steder. Samtidig øker kravet til lengre kjørelengde og enda hurtigere lading. Dette kommer til dra på seg enda større effektbehov. Tendensen er klar. Smarte byer krever økt elektrifisering som igjen kommer til å drive både energiforbruket og effektforbruket opp. Forskjellen vil være at all anleggstrafikk, kollektivtransport, skipshavner, kommunal og statlig infrastruktur vil drives av ren energi 24 timer i døgnet. Hvordan skal det håndteres? Smarte elnett med batterier representerer en god løsning. I byer vil vi kunne se for oss knutepunkter med kraftige batteripakker som understøtter forskjellige tjenester. Som vi har sett, kan det by på problemer å montere en 600 kW hurtiglader for buss direkte mot distribusjonsnettet. Lading av tre elektriske gravemaskiner og fire hjullastere på en gang kan også gi en akkumulert effekttopp som ikke skal underslås. Pumper som driver vann og kloakk fordrer allerede høy effekt. Drift av IT-tjenester har også betydelige effektbehov.

Det er mange aspekter ved den fremtidige elektrifiseringen som skaper utfordringer. De må løses, og det er her smarte elnett og bruk av batterier vil kunne få den største betydningen. Mobile og multitjeneste-batteripakker seiler opp som en svært interessant løsning. Ideen er å dimensjonere batteripakker som kan betjene flere tjenester samtidig, f.eks. ladebehov til både drosjer, busser og elsykler. Ekstrakostnaden knyttet til utvidelse av en basistjeneste for å dekke ulike tilleggsbehov er ofte lavere sammenlignet med grunninvesteringen. I sentrumsnære strøk kan vi se for oss batteripakker som fungerer både som depot, bank og buffer på samme tid. De kan betjene hurtigladere for mange typer transport og samtidig oppmuntre til lokal produksjon basert på sol og vind. Dette vil avlaste forsyningen, samtidig som det kan bli økonomisk interessant. Permanente løsninger av dette slaget på landsbygda i Norge er kanskje mindre aktuelt. Derimot kan man se for seg mobile løsninger. Hvaler kan nok en gang stå som eksempel. Som typisk rekreasjonssenter ved Oslofjorden øker befolkingen med tigangeren om sommeren. Dette reflekteres også i døgntrafikk og ladebehov for elbiler. Fra og med påske og fram til juli skyller en bølge av biler inn mot Hvaler før en helg eller bankferie. Med 30–40 % innslag av elbiler i denne køen får den lokale strømforsyningen en utfordring. For å løse dette sysles det med utvikling av mobile enheter hvor batteripakker og ladepunkter blir plassert på Hvaler i høysesong for så å flyttes til et skisenter i fjellheimen vinterstid.