Ur The Economist Technology Quarterly, The ultimate supply chain, 5 april 2023, översatt av InPress. ©2023 The Economist Newspaper Limited. Alla rättigheter förbehållna.
Vad handlar artikeln om?
The Economist undersöker i sin teknikrapport vad som krävs för att både expandera och göra elnäten smartare och grönare. Det kommer att krävas enorma investeringar.
I turbinhallen hos Drax, ett kraftverk i det engelska grevskapet Yorkshire, huserar tre kantiga kraftmonster. De är enorma – de väger 2 800 ton vardera. De är också komplexa – de består av 28 turbinunderenheter. De snurrar runt sina axlar 3 000 gånger per minut. Om du lägger handen på det blå metallhöljet som omger en av dem, vibrerar hela din kropp i harmoni. Hallens golv nynnar ett sänkt A tre oktaver under C som får dina fotsulor att domna.
Turbinerna drivs av högtrycksånga som produceras i enorma pannor som hänger från taket. Pannorna är noggrant isolerade, men man kan ändå känna värmen från deras 1 100°C varma magar på 20 stegs avstånd. Under större delen av kraftverkets livstid har dess lågor matats av en aldrig sinande ström kol. Tiotusentals ton i pulveriserad form har skjutsats in i eldstaden varje dag.
I dag, som ett tecken i tiden, matas de flesta av pannorna i Drax med biomassa istället. Förändringen är en del av den övergång till förnybara energikällor som just nu pågår runt om i världen. Att rensa bort de fossila bränslena från elproduktionen ses allmänt som ett nödvändigt, om än otillräckligt, steg på vägen att stabilisera nivåerna av växthusgaser i atmosfären. Fördelarna är uppenbara. Elektricitet är redan en viktig del av världens energi, det finns många källor till icke-fossil energi, en del mycket billiga. Att öka elektricitetens andel av den totala energianvändningen genom att uppmuntra till användning av elfordon, värmepumpar och liknande tycks jämförelsevis enkelt.
En fysisk process krävs fortfarande
Att överge gruvor och oljefält för att satsa på energi från solsken och vind är inte bara god klimatpolitik. Elektrifiering genom dematerialisering har alltid varit ett tilltalande tecken på framsteg. Känslan av makt över oändligheten, som man kan få i närkontakt med ljuden och vibrationerna från en turbinhall, kommer så småningom att vara utdaterad. Men även om elproduktion genom orörliga glaspaneler och vindkraftsblad som rörs av vinden tycks ske utan ansträngning, kommer det fortfarande att krävas en fysisk process att få ut dessa gigawatt till konsumenten.
I Drax flödar energin från bränsle till flamma till ånga till rotation. För att bli till nytta för världen utanför dessa väggar behövs en sista omvandling. Turbinernas drivaxlar snurrar runt kraftfulla magneter som omges av koppartrådar från en elektrisk generator. När de snurrande magneternas poler först pekar åt det ena och sedan åt det andra hållet, trycker och drar deras magnetfält på elektronerna i generatorns ledningar och sätter dem i rörelse med energi. Denna elektromagnetiska koppling avger turbinens rörelseenergi i exakt samma takt som högtrycksångan fyller på den. På det sättet blir energin tillgänglig för allt som är kopplat till generatorn i en elektrisk krets.
När det gäller Drax utgörs denna elektriska krets av Storbritanniens nationella elnät. Den växelström med 50 cykler per sekund, 50 Hz, som är tillgänglig i nästan alla eluttag i landet, är ett nationellt uttryck för de vibrerande golven i Drax och andra kraftverk. Dess puls förenar de snurrande generatorer som matar den, och alla apparater som är anslutna till den, till en enda stor maskin.
Uppenbara fördelar med att samla resurserna
Under elnätets tidiga dagar fick kunderna ström från en generator som var avsedd för just deras fabrik. Alternativt från ett enda närliggande kraftverk. Men fördelarna med att samla resurserna blev snart uppenbara. Generatorernas frekvenser synkroniserades till 50 Hz i många länder, inklusive Sverige. På så sätt kunde högspänningsledningar kombinera strömmar från flera olika generatorer. Höga spänningar är dock inte särskilt bra för konsumenterna och därför utvecklades transformatorer – en teknik som endast fungerar i växelströmssystem – för att trappa ned dessa höga spänningar till lägre inhemska spänningar. Det nu välbekanta landskapet med kraftledningsstolpar och transformatorstationer började ta form.
Denna fysiska infrastruktur fick elförsörjningen att te sig solid och statisk, som en del av den fasta industriella inredningen. Men skenet bedrar. Nätet är till sin natur märkligt nog immateriellt och mycket dynamiskt. Dess villkor kan därtill ändras i all oändlighet på grund av en grundläggande sanning om elkraftsystem. Nämligen att utbudet måste matcha efterfrågan i realtid.
Vid varje given tidpunkt måste alltså den mängd energi som tas ut från elnätet för att utföra arbete – belastningen – motsvara den mängd energi som tas in. Den mängd ström som används av lampor, tvättmaskiner, smarta högtalare, luftkonditioneringsanläggningar, hjärtmonitorer, varmluftsugnar och allt annat som vi omger oss med i det moderna livet, måste hela tiden vara lika stor som den mängd som genereras. Detta innebär att elnätet hela tiden befinner sig i konstant förändring. Exempelvis som den elektromagnetiska drivlinan i en maskin med rörelse i ena änden – en snurrande turbin – och rörelse i den andra – en diskmaskin. Därför måste det ständigt föränderliga elnätet hela tiden övervakas för att inte obalans ska orsaka en krasch.
Saker och ting måste förändras
All denna komplexitet blev en rejäl utmaning när elnäten behövde växa. Men fördelarna ansågs vara värda det. Användarmönstren hos en miljon användare är statistiskt tillförlitliga på ett sätt som ett enskilt hushålls användarmönster inte är. Och en mer förutsägbar efterfrågan kan tillgodoses av större och effektivare generatorer. Större nät möjliggör större belastningar.
Det var de stora elnäten som möjliggjorde energikrävande smältning av aluminium, och därmed mer storskalig tillverkning av flygplan. Detta i sin tur gav USA ”arsenalen för demokratin” under andra världskriget. De stora elnäten ger stordriftsfördelar och geografiska fördelar även inom produktionen. På 1960-talet fanns det en poäng med att bygga jättelika kraftverk som Drax strax intill Yorkshires kolfält och distribuera dess kraft över hela landet.
Nu måste saker och ting förändras. I dag kommer 62 procent av den energi som levereras som elektricitet från fossila bränslen. Mycket kommer att ersättas av billig vind- och solkraft, och det betyder en rejäl utmaning för elnätsbolagen. Det innebär även många nya kopplingar, vilket gör det besvärligt. Problemet förvärras av det faktum att anläggningar för förnybar energi vanligtvis genererar mindre el än vad ångturbiner gör. Detta innebär fler anslutningar per kapacitetsenhet.
Förutom att ett stort antal nya anslutningar måste adderas, kommer nätverken också att bli tvungna att ändra form. De platser som är bäst lämpade för produktion av mycket stora mängder förnybar energi är ofta inte de platser där dagens elproduktion är koncentrerad. Därför kommer det att behövas nya överföringsledningar. Och eftersom elnät är komplicerade, kommer en del av denna expansion att kräva förändringar på andra ställen. Detta för att kompensera när delar av nätet blir överbelastade.
Elnätet – ett gigantiskt maskineri
Ytterligare investeringar måste till
Förnybara energikällor är också intermittenta, det vill säga oregelbundna. Ett uppenbart sätt att lindra detta är att bygga ut näten så att de får tillgång till förnybar elproduktion över större områden. Men även om detta görs kommer elnät där förnybara energikällor spelar en viktig roll att kräva anslutningar till ny energilagring. En del kommer att placeras i närheten av de förnybara energikällorna, andra inte, vilket komplicerar saken ytterligare. För att minska utmaningarna när det gäller lagring, kommer näten också att behöva tillgång till efterfrågestyrningssystem som kan användas för att minska efterfrågan på olika tidsskalor.
Sist men inte minst har de olika sätt som dagens elnät styrs och balanseras på sina fysiska rötter i hur ångturbiner genererar el. Här kommer man att behöva tänka om. På lång sikt innebär det en välkommen möjlighet att göra systemet billigare och mer tillförlitligt. På kort sikt krävs ytterligare investeringar.
Och mitt i all denna förändring måste elnätet också lyckas öka sin kapacitet i en takt som den utvecklade världen inte har sett på flera decennier. I takt med att mycket av det som fossila bränslen används till, exempelvis att driva fordon eller värma upp hus, elektrifieras, kommer efterfrågan att skjuta i höjden (se diagram). I dag utgör elektricitet bara 20 procent av världens energikonsumtion, men i framtiden kommer den ”att vara ryggraden i hela energisystemet”, säger Gerhard Salge. Salge är teknikchef för Hitachi Energy, en av de viktigaste leverantörerna av elnätutrustning. Hans företag uppskattar också att världen år 2050 kommer att behöva fyra gånger så mycket elproduktion som i dag. Och tre gånger så mycket överföringskapacitet.
Tekniken finns redan till stor del
Tekniken för att möta dessa utmaningar är till största delen redan tillgänglig, vilket denna rapport belyser. En revolution i tillämpningen av halvledarelektronik på kraftsystem, kombinerat med förbättrad teknik för att bygga högspända likströmskretsar, underlättar anslutningen av förnybara energikällor på långt avstånd från elnäten. Det bidrar till att minska överbelastningen och gör det lättare att sammankoppla olika nät. Denna teknik bör också öka möjligheterna att hålla näten stabila när många av de enorma turbiner som de har varit beroende av går i pension.
Men för att kunna använda de nya teknikerna i praktiken krävs enorma investeringar. En nyligen genomförd studie av Energy Transitions Commission, en grupp företag och finansinstitut, konstaterade att 1 100 miljarder dollar måste investeras i elnätet varje år fram till 2050 om världen ska kunna nå sitt mål om nettonollutsläpp. Dessutom tillkommer kostnader för ny produktionskapacitet.
Omställningsrevolution att vänta 2024
Industrin kan vara på väg att minska utsläppen.
Det kräver också en nivå av politisk beslutsamhet som knappast har förekommit utom i tider av krig. Steve Brick från Clean Air Task Force, en amerikansk ickestatlig organisation, arbetade tidigare med reglering av elnätet. När han får se kartor som visar utbyggnaden av den amerikanska överföringsinfrastrukturen som ett koldioxidfritt system sägs kräva, säger han: ”Nu tar jag på mig min praktiska hatt … och säger att det här kommer inte att hända”.
Lokalt motstånd mot ny infrastruktur kan vara det största hindret. Det lär inte vara det enda. Om han har rätt, och nätet inte kan byggas ut i den takt som krävs för att minska koldioxidutsläppen, kommer det antingen att ske en massiv övergång till decentraliserade system, ett misslyckande med att minska utsläppen tillräckligt snabbt, eller båda delarna.
En knepig teknisk fråga
En viss grad av decentralisering på vissa marknader är oundviklig och kommer ofta att vara välkommen. Ungefär 1 miljard människor, en stor majoritet av dem i Afrika, saknar för närvarande tillgång till elektricitet. Lokala förnybara energikällor kan ge dem några av dess fördelar snabbare än vad nätanslutningar skulle göra. Men det finns goda skäl att tro att moderna nät som förflyttar stora mängder energi över långa avstånd kommer att ge mer energi till fler som behöver den.
Men först måste man lösa frågan om energin överhuvudtaget kan levereras till nätet. Att ansluta nya resurser till nätet är nämligen en knepig teknisk fråga. Det är också en process som är sårbar för förseningar till följd av reglering, spekulation, politik och protester.
Denna text publicerades ursprungligen i det tryckta magasinet Världen Om, juni 2023.
Läs fler artiklar från samma nummer här.
Så här jobbar Världen Om med kvalitetsjournalistik: Vi väljer ut artiklar. analyser, data och intervjuer från The Economist som täcker in geopolitik, vetenskap, livsstil, affärer och kultur. The Economist har funnits sedan 1843 för att "stärka kampen för intelligent upplysning i syfte att motverka okunskap som hindrar framsteg och utveckling."
