28 november 2024
Svängmassa är ett ord som du kan ha sett susa förbi i energidebatten. Och eftersom det är ett viktigt begrepp som ganska få ändå känner till, så tänkte vi berätta.
Den enkla förklaringen är att det handlar om massan i de enorma generatorer som hela tiden snurrar i våra kraftverk. För att vara mer exakt är det rotationsenergin, det vill säga rörelseenergin i de snurrande delarna – rotorer, turbiner, axlar med mera.
Rotationsenergin är viktig för att den är ett slags ögonblicklig buffert när mängden el som används inte är exakt lika stor som mängden el som produceras, till exempel när användningen plötsligt ökar, eller när ett kraftverk går sönder eller snabbstoppas.
Men låt oss börja med en liknelse.
Tänk dig att du snabbt vevar ett litet hjul med ett långt rep som lyfter upp tyngder ur en djup brunn. Tyngderna kan hakas på och av helt utan förvarning, och din viktigaste uppgift är att veva hjulet i exakt samma fart hela tiden, annars kan hela anordningen gå sönder.
Även om du är väldigt stark blir det gärna ryckigt om olika stora tyngder hakas på och av hela tiden. Föreställ dig då att hjulet i stället var enormt stort och väldigt tungt och dessutom snurrade väldigt bra när du väl fått fart på det. I så fall skulle det inte märkas så mycket när tyngderna hakades på och av, och det skulle vara mycket lättare att hålla jämn fart på hjulet.
Det är svängmassa. Eller mekanisk tröghet.
Ett liknande exempel är att en stor lastbil i hög fart inte påverkas så mycket av vindbyar som en ensam cyklist som nästan stannar upp i plötslig motvind.
Det som kanske är svårare att förstå är hur allt detta hänger samman i elnätet. Och det är faktiskt lite fascinerande att det fungerar.
I elnätet har vi växelström. Den genereras till stor del av stora generatorer i kraftverk – kärnkraftverk, vattenkraftverk, kraftvärmeverk med mera. Vi kan vänta lite med hur det fungerar med sol- och vindkraft.
Generatorerna är enorma bestar som kan vara tio meter långa, flera meter i diameter och väga flera hundra ton. De snurrar 25 eller 50 varv i sekunden, beroende på hur de är gjorda, för att växelströmmen ska svänga 50 gånger i sekunden, det vill säga med frekvensen 50 Hz.
En enda sådan generator är som du förstår svår att få stopp på – den har stor svängmassa eller rotationsenergi. Men svängmassan i elnätet är större än så. Alla generatorerna i hela Norden måste nämligen snurra i takt, i precis samma fart, och med bara några graders skillnad på rotationsvinkeln i varje ögonblick.
Att det fungerar beror på ett slags självreglering – generatorerna styr varandra genom elnätet med elektromagnetiska krafter, men det beror också på olika tekniska styrsystem.
Det här gör att deras svängmassa kan läggas ihop, och det är bra för elnätet. Till detta kan man addera massan i många elmotorer som är kopplade till elnätet, och också snurrar i takt med växelströmmen.
Ett sätt att mäta svängmassan är tröghetskonstanten H. I Norden är H ungefär 4–5 sekunder, och det betyder att om alla kraftverk slutade producera energi men all användning fortsatte som vanligt så skulle generatorerna lite förenklat snurra 4–5 sekunder innan de stannade.
För när vi använder el så fungerar det som ett slags broms på generatorerna.
Det här händer förstås inte. Men det som händer är att förbrukningen ibland plötsligt ökar, eller att en utlandskabel eller ett kraftverk slutar fungera. Ett kärnkraftverk som snabbstoppas är till exempel bland det besvärligaste som kan hända.
Användningen av el blir då större än produktionen, och om vi inte hade någon svängmassa skulle det genast bli problem. Svängmassan fungerar i stället som en ögonblicklig energireserv, och alla generatorerna kommer då att belastas mer och successivt börja sakta ner lite.
Vi märker detta som att frekvensen i elnätet sjunker en aning. Och du kan ha hört talas om så kallad frekvensreglering – olika stödtjänster som används för att hålla frekvensen konstant. Det man menar är olika typer av kraftreserver – gasturbiner, batterier, och främst vattenkraft – som används för att se till att produktionen matchar användningen och generatorerna håller jämn fart.
Men det tar någon sekund att starta även de snabbaste stödtjänsterna, och då är svängmassan viktig som en omedelbar buffert. När stödtjänsterna drar i gång kan man sedan trycka på lite extra i lugn och ro så att generatorerna kommer upp i normal fart igen.
För övrigt kan det också hända att det blir för mycket produktion i nätet, till exempel om en exportkabel slutar fungera, och då minskar belastningen på generatorerna – de snurrar snabbare och frekvensen ökar. Även då hjälper svängmassan till genom att ta upp energi från elnätet innan stödtjänsterna hinner ta hand om problemet.
När vi nu vill öka mängden sol- och vindkraft i elnätet så dyker svängmassan upp i debatten, för de här två kraftslagen bidrar inte till svängmassan. Solkraft har inga snurrande delar alls, och vindkraftverken snurrar visserligen, men inte i takt med nätets synkroniserade generatorer. Elen från vind och sol görs i stället om med kraftelektronik till växelström som svänger i takt med elnätet.
I scenarier med mycket sol- och vindkraft kan tröghetskonstanten sjunka ner till en sekund, och då minskar marginalerna och det blir mer bråttom att starta stödtjänsterna.
Därför hävdar en del att vi behöver traditionella kraftverk med generatorer för att elnätet ska vara stabilt. Det diskuteras också om vi borde ha en gräns för den minsta acceptabla rotationsenergin i elnätet.
Hur stor rotationsenergi vi har i Nordens elnät just nu kan man förresten se hos den finska stamnätsoperatören Fingrid (rotationsenergi mäts i gigawattsekunder, GWs – man kan säga att det är tröghetskonstanten H multiplicerad med den effekt som just nu produceras, och i Norden blir det omkring 200 GWs).
Men det finns nya lösningar som redan används i exempelvis södra Australien, på Irland och i Texas där vindkraft står för en mycket stor andel av produktionen.
Man kan bland annat skapa så kallad syntetisk svängmassa genom att tillfälligt hämta rotationsenergi från vindkraftverken eller använda batterier för omedelbar reaktion på frekvensstörningar. Med kraftelektronik gör man då växelström som ”följer” växelströmmen i nätet och hjälper generatorerna att hålla farten, i varje ögonblick.
Det finns också något som kallas FFR – Fast Frequency Reserve – som är den snabbaste av stödtjänsterna med en reaktionstid på mellan 0,7 och 1,3 sekunder, och den hjälper också till (inte att förväxla med den långsammare stödtjänsten FRR).
Men man provar även teknik där den ”styrande” växelströmmen kan produceras av kraftelektronik, helt utan synkroniserade generatorer. Det visar sig dessutom att det kan ha andra fördelar, med enklare och snabbare reglering av effekt och frekvens, oberoende av varandra.
På Gotland, som försörjs med en likströmskabel (HVDC) och vindkraft, finns i viss mån redan ett sådant system. Det stabiliseras bland annat av två så kallade synkronkondensatorer som i princip är stora elmotorer som bidrar med svängmassa utan att producera någon el.
Så även om svängmassa har varit det traditionella sättet att ge ögonblicklig balans i elnätet sedan slutet av 1800-talet så sker nu en successiv förändring. Och när vi får större inslag av sol och vind kommer vi också att bygga elnät som fungerar på lite nya och annorlunda sätt än tidigare. Kanske kommer svängmassa så småningom att framstå som ett ålderdomligt begrepp.
{{posts.CurrentItem.Author}}
