Batterier gør Danmark selvforsynende med el i 2030

Batterier er en del af fremtidens elforsyning

I denne artikel gennemgår jeg nogle beregninger jeg har lavet på Danmarks energiforsyning 2030. Formålet med beregningerne er, at give grundlag for en VE-strategi. Udgangspunktet er, at Danmark skal være selvforsynende med el-energi. Ved selvforsynende forstår jeg, at produktionen overstiget forbruget alle timer på et år. Derfor er resultatet af mine beregninger “Timer underforsynet med strøm“. Udfordringen er, at både forbrug og produktion er dynamiske størrelser. Jeg har simuleret dette ved at tage udgangspunkt i timedata fra 2020.

Key takeaway

  • Danmark bliver selvforsynende med el i 2030.
  • Beslutning om udbygning af vindmøller (havvind til ca. 9.600 MW) og landvind til ca. 6.000 (MW), er nok
  • Et kompromis med 15.000(MW) solceller og 60.000 (MWh) batterier vil give en selvforsyningsgrad større end 93%. Hvis enten batterier eller solceller udelades, kan det ikke det ikke lade sig gøre.
  • Beregningerne viser,, at rumopvarmning (f.eks med varmepumpe) ikke er en god løsning, fordi det belaster el-systemet i den peroide, hvor det er sværest at opnå selvforsyning.
  • Vi får et stort energi overskud (min 42%) som f.eks. kan benyttes til transport eller andet med et jævnt forbrug over året.
  • Solceller er i dag selvfinancierende, og batterier bliver det også længe inden 2030.
  • Politisk kan udviklingen accelereres ved reducere nogle af administrative hindringer og vedtage langsigtende rammer. Eksempel på dette kan være, at ejere/brugere af erhvervsejendomme og kommunale ejendomme kan investerer i/benytte solceller som ved timeafregning. Det er vigtigt, at der kommer ”stabile” rammer, så installatører/udviklere kan lave nogle gode langtidsholdbare systemer.
  • I perioder med overskud i el-nettet falder produktionsprisen under 0.

Forudsætninger

Input til beregningerne er timedata fra Energinet 2020, hvor jeg har slået Danmaks 2 segmenter (DK1 og DK2) sammen. I beregningerne har jeg benyttet time data for forbruget samt produktionen for hhv offshore vind, onshore vind og solceller. Hvis der er flere kategorier som f.eks. store og små vindmøller, er disse slået sammen. Herefter har jeg opskaleret produktionerne ved at multiplicere på fordelingerne af energiproduktionen. Jeg har indført batterier i beregningerne for at se, hvordan det påvirker selvforsyningsgraden.

Modelcheck

Først checker jeg max og min værdierne for året 2020

Maximum værdier
OffWind    3101.146134
OnWind     4934.906848
Sol         996.400000
forbrug    5953.999166
Aar        2020.000000

Minimum værdier
OffWind       0.017826
OnWind        1.629467
Sol          -1.000000
forbrug    2396.632750
Aar        2020.000000

Middelværdier
OffWind     751.803007
OnWind     1107.495033
Sol         134.411033
forbrug    3995.611005
Aar        2020.000000

Maxværdi/middelværdi:
OffWind    0.242427
OnWind     0.224421
Sol        0.134897
forbrug    0.671080

Vi bemærker at kapacitetsfaktorene for offshore vind er højere end onshore vind. Kapacitetsfaktorene er ummiddelbart meget lave i forhold til nye og moderne møller. Jeg tillægger det, at de eksisterende møller er relativt små i forhold til dem der opstilles nu. Jeg har derfor regnet med at nye landmøller øger kapacitetsfaktor til ca. 30% mens nye havmøller øger kapacitetsfaktoren til ca. 40%.

Dernæst korrelstionsmatricen for det samlede net 2020:

          OffWind    OnWind       Sol   forbrug 
OffWind  1.000000  0.825026 -0.255109  0.220770 
OnWind   0.825026  1.000000 -0.107904  0.231625 
Sol     -0.255109 -0.107904  1.000000  0.264529 
forbrug  0.220770  0.231625  0.264529  1.000000 

Vi bemærker at offshore vind og onshore er godt korreleret med som er negativt korreleret. Det betydet at det 2 produktionskilder er et godt match.

Når vi skal se på selvforsyning skal vi kigge på figur 1. Diff er forskellen imellem forbruget og produktionen. Når forbruget er større end produktionen er Diff negativ. Det er det der er vist for datasættet i Figur 1. Når vi indsætter batterier, kan vi gemme den strøm, som vi producerer i perioder med overskud og så bruge den i perioder med underskud. I modellen fyldes et batteri op til det er fyldt hvorefter der er overløb for resten. Batteriet kan ikke bliver negative. Hvis vi skal være selvforsynende må batteriet ikke løbe tør.

Y akse (GWh), X-akse time i dataset fra 2020

Beregningerne går herefeter ud på at bestemme sammenhænge mellem sammensætningen af produktionen (solceller og havvind) og lageret (batterier) og så sammenligne det med, hvormange timer vi løber tom på et år.

Parameter

  • Onshore vind (MW): 6.000
  • Offshore vind (MW): 7.600 – 27.600
  • Solceller (MW): 0 – 37.500
  • Batterier (MWh): 0 – 328.300

Resultatet af samtlige simuleringer han hentes som excelfil her

For at sætte tallene lidt i perspektiv kan jeg oplyse:

15.000 MW solceller svarer til den forventede udbygning på ca 7.500 MW + yderlligere solceller svarende til 1.2 mill parcelhuse (de kan også være på andre bygninger).

60.000 MWh batterier svarer til ca. 1.000.000 el-biler eller 4 timers batterier på alle solcelleanlæg. Jeg tror umiddelbart at 1.0 mill el-biler er lavt sat., fordi også en stor del af erhvervstransporten er under overførsel til el-drift i 2030.

Beregningerne viser at der med den planlagte udbygning er rigeligt energi i sommermånederne. Derfor skal fokus være på vinter månederne således, at solcellerne giver mest muligt. Dette kan f.eks. gøres ved at placere dem lodret i stedet for i vinkel (omkring 30-45 grader), samt se på belægningerne på solcellerne, så de ikke blænder, når solen står lavt.

Jeg tror ikke på at vi kan eksportere alt den strøm vi kan producerer i 2030!

for scenariet:

  • Offshore vind (MW): 9.600
  • Onshore vind (MW): 6.000
  • Solceller (MW): 15.000
  • Batterier (MWh): 60.300 – ca. 9 timers forbrug

vil vi være selvforsynende 95% af tiden.

Figur 2. Gennemsnitlig (pr. uge) VE-produktion (Sol,Vind), forbrug samt energioverskud (Diff) der var 53 uger i 2020.

Figur 2 viser den gennemsnitlige produktion på uge basis. Kurven for Diff er det energimæssige overskud. Grunden til, at jeg har valgt at summere på uge basis, er at batterilagerne giver mulighed for at udjævne kurverne. Vi kan se, at sol giver en meget ensartet produktion i forhold til vindmøller. Produktionen bliver dog nær lig 0 omkring årsskiftet (uge 1-5 samt uge 45-52).

Med det nuværende setop for solceller kan de ikke bruges langsigtet til at udjævne produktionen fra vindmøller om vinteren. Hvis vi ser på kurven for solceller og sammenligner den med beregninger for solinfald på en skrå flade, er der god overensstemmelse, hvis vinklen bliver omkring 30 grader. Derfor forventes, at produktionen omkring årsskiftet kan 2-4 dobles ved at sætte solcellerne lodret på bekostning af produktionen i sommermånederne. Det vil betyde en væsentligt forbedring i forhold til selvforsyningen i vintermånederne.

Kurven for vindmøller flukturere meget. Det skyldes, at der er en stor andel af mindre landbaserede møller. De er typisk mindre mølle og bliver lettere påvirket af lokale forhold. Derfor er deres effektivitetsfaktor også mindre. Store moderne havvindmøller, har en væsentligt større effektivitetsfaktor og det vil derfor udglatte kurverne især i bunden. Når vindmøller samtidig placeres langt ude i Vesterhavet og mød øst til Bornholm, vil det i sig selv give en større spredning på produktionen og derved også en mere jævn strømforsyning i bunden af kurverne. Effekterne mellem onshore vind og offshore vind læses f.eks på deres korrelation.

Kurven for Diff viser, hvad der et tilbage når, vi trækker forbruget fra produktionen af vindmøller og solceller. Vi ser at elforsyningen er kritisk omkring årsskiftet, mens det er rimeligt høj resten af året. Når vi skal udvide elforbruget, er det derfor vigtigt, at det sker med noget, der er fleksibelt. Det kunne f.eks være opladning af el-biler. De fleste el-biler har strøm til adskillige dage i deres batteri, og det vil derfor være naturligt at oplade dem på dage/nætter, hvor der er overskud i nettet. Det er ikke hensigtsmæssigt at anvende strømmen til boligopvarmning, fordi ingen har lyst til at sidde og fryse om vinteren, og derved er forbruget ikke fleksibelt.

Hvis opvarmningen af bygninger skal tænkes ind i dette, skal der samtidig indtænkes væsentligt længre lagring enten i bygningerne eller i form af at konvertere el til gas, som kan lagres i de eksisterende lagre (Stenlille og Lille Torup), indtil den skal bruges.

Figur 3. Rød: Energilagers opladning (i GWh) blå: Overskudskapacitet i nettet (GW). Der var 8782 timer i 2020.

Figur 3 rød kurve viser udnyttelsen af energilagre. Når den er i 60 (GWh) er lageret fyldt. Da lageret kun er svarende til 9 timers forbrug, bliver det hurtigt tømt hvis det ikke blæser eller solen skinner. Den blå kurve viser energioverskudet som i modellen blot bliver “Hældt ud” når lageret er fyldt. I gennemsnit over året ligger det på 42% (35 mia kWh pa) i denne beregning. Hvis en personbil bruger 0,35 kWh/km svarer det til 100 mia km. Det er ca. 2,5 gang mere end hvad Danmarks statistik regner med, at vi kører om året. Hvis strømmen kan udnyttes, kan hovedparten af transportsektoren flyttes over på el. Fordelen ved at benytte overskudet til el-biler er at de kan oplades på alle tider af døgnet og somregl holde i flere dage. Derfor er de meget velegnet til at udjævne den fluktuerende produktion.

Efterskrift

Beregningerne bygger direkte på konkrete data fra 2020. Vi skal være opmærksom på, at systemerne teknologisk vil udvikle sig i løbet af perioden. Her tænker jeg ikke mindst på vindmøllerne, som dels bliver større og større og ikke mindst rykker længere og længere til havs. Der er også planlagt vindmølle park ved Bornholm og Hesselø.

Der sker en rivende udvikling på solceller. De er faldet med min 12-15% i pris pa. Samtidig er batterier faldet med 20% pa, og der er intet der tyder på, at denne udvikling bliver ændret. Derfor har jeg meget let ved at forstille mig, at det bliver attraktivt at opstille lokale anlæg i forbindelse med kontroer og virksomheder. Det betyder umiddelbart, at vi får flyttet produktionen af el- ud til forbrugerne og der derfor bliver mindre pres transmissionsnettet (Energinet). Jeg kan også forestille mig også, at specielt biler kan blive opladet lokalt produceret el fra solceller og de derfor ikke vil belaste nettet. Jeg har prøvet at hente data fra Enegistyrelsens teknologikataloger som bygger på udmeldinger fra IEA (Internationale Energy Agency). De har vist sig at være meget uaktuelle, både hvad angår aktuelle priser og prisfremskrivninger. Jeg har derfor valgt at benytte mig af klider som f.eks tonyseba.com, der er energiforsker og arbejder med, hvordan teknologier spiller sammen, når de udvikler sig.

De strømmængder, som vi har her, er ikke realistiske at overføre mod syd på til f.eks. Tyskland. I dag er der allerede flaskehalse syd for grænsen, og løsningen af dem går langsomt.

Når der er overskud af el i nettet falder produktionsprisen til 0. Det betyder at dem med lager=batteri kan tjene penge på oplagring. Det betyder også at, dem der har investeret i solceller, har et insitament til at kunne gemme strømmen til prisen stiger igen. I modellen har jeg plottet resultaterne for 9 timers batteri, men jeg forventer at mængden af lager hurtigt vil blive større.

Aktive energilagre i den størrelsesorden, vil erstatte nuværende kraftværkers regulerende funktion på el-nettet.

I næste blog inlæg vil jeg gennemgå betydningen for vores private el-forbrug.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.