"Godhet utan vishet och utan
gränser är bara en annan
form av ondska."
(John Paterson)

"Mänsklighetens bästa är alltid
tyrannens alibi!"

"Det är synd att 99% av
journalisterna skall fördärva
förtroendet för en hel yrkeskår"
(Okänd)

"Om du ropar "Gud är stor"
samtidigt som du spottar på
skändade kroppar av judiska
kvinnor, så hävdar jag att
din gud inte är en gud värd
att tillbe!

"När försiktigheten finns överallt,
finns modet ingenstans."
(den belgiske kardinalen Mercier)

"Den som gifter sig med
tidsandan blir snabbt änka."
(Goethe)

"Civiliserade är de kulturer
och individer som respekterar
andra."
(Hört på Axesskanalen)

"Det tragiska med vanligt
sunt förnuft är att det
inte är så vanligt."
(Albert Einstein)

"Halv kristendom tolereras
men föraktas.
Hel kristendom respekteras
men förföljs."
(Okänd)

 

Svängmassa och analys av ett haveri

 

(Note: at the top of the page you can choose translation of this article to other languages, but don't expect the translation to be perfect — "Välj språk" means "Choose language")

Vid 12-tiden, måndagen den 28/4 2025, upplevde Europa en tydlig illustration av vad brist på svängmassa i ett kraftnät kan leda till. Stora delar av Iberiska Halvön (hela Spanien och delar av Portugal och nordvästra Frankrike) drabbades då av ett omfattande elavbrott som lämnade miljoner människor utan el. 5-8 personer dog som föjd av avbrottet. Tunnelbanesystemen i Madrid, Lissabon etc slogs ut och tåg blev stående i tunnlarna mellan stationerna. Flygplatser stängdes, kyl- och frysdiskar slutade fungera, mobiltelefonnätverk gick ned etc, etc. I Spanien var strömmen borta i cirka 23 timmar och inledningsvis så infördes undantagstillstånd i landet.

Till saken hör att delar av det franska elnätet är hopkopplat med delar av elnäten i Portugal och Spanien (för att näten skall kunna förstärka varandra vid behov). Det franska nätet kan bistå med upp till 3% av maximala effekten i de anslutna elnäten på Iberiska Halvön. Bakgrunden till avbrottet var att en solkraftstation i Granada (Spanien) fallerade och att några sekunder senare två solkraftstationer i Badajoz och Sevilla också fallerade (dessa anläggningar genererar elektricitet genom fotovoltaiska celler, dvs celler som direkt omvandlar solljus till elektricitet). Detta gjorde att frekvensen i det iberiska nätet sjönk så mycket att förbindelsen med franska elnätet bröts. Vilket gjorde näten i Spanien och Portugal mer känsliga för belastnings- och produktionsvariationer. Detta ledde i sin tur till att nätfrekvensen sjönk ännu mer tills hela systemet kopplades ned. Att frånfallet av de tre generatorstationerna och bortkopplingen av det franska nätet fick så stora konsekvenser berodde på att elen på Iberiska Halvön just vid detta tillfälle nästan huvudsaklingen kom från sol- och vindkraft och därmed hade liten svängmassa som kunde stabilisera frekvensen. Att tre kraftstationer på olika platser gick ned inom loppet av några sekunder kan tyckas märkligt och måste rimligen ha berott på någon bakomliggande, gemensam faktor. En intressant sak är att felet inträffade vid 12-tiden på dagem, dvs när solen står som högst på himlen och levererar mest energi till solpanelerna. Detta kan på något sätt ha bidragit till det som hände.

Grafen visar hur nätfrekvensen går ner vid blackouten. Klockan 10:33 på tidsaxeln avser UTC (GMT) och eftersom Spanien hade sommartid när avbrottet inträffade, måste vi lägga till 2 timmar för att få spansk tid, dvs 10:33 UTC är lika med 12:33 spansk tid. De tre små cirklarna visar de tidpunkter när de tre solkraftstationerna gick ned. Vi ser att förloppet skedde på ca 3 sekunder. I cirklarna ser vi hur frekvensen "hoppar till" när de tre solkraftverken försvinner. En sekund efter att den tredje solkraftstationen gått ned börjar nätfrekvensen sjunka snabbt. De tre streckade, horisontella linjerna visar förutbestämda gränser vilka bestämmer när olika typer av last börjar kopplas bort automatiskt (se texten nedan).

Ännu är det inte klarlagt orsaken till att solkraftstationerna gick ned. Det skulle kunna handla om mänskliga misstag eller datorsystem som gjort något fel. Förhoppningsvis kommer detta att klarläggas under haveriutredningen (fast det är inte helt säkert — har någon högre chef gjort ett misstag kommer man antagligen att mörka detta).

Att reglera stora kraftnät är komplicerat. Nedan försöker jag ge en översikt av de problem som är förknippade med detta. Verkligheten är mycket mer komplicerad än vad som framgår av min artikel (som alltid), men förhoppningsvis kommer läsaren att i alla få en ungefärlig uppfattning av vad det handlar om. Vill du veta mer om svängmassa och reglering av elektriska kraftnät kan du klicka här (en omfattande artikel på 36 sidor).

Nätfrekvensen i ett elnät måste hållas inom vissa gränser. I de nordiska elnäten, där frekvensen är 50 Hz (hertz — lika med svängning per sekund), får vid normal drift frekvensen inte avvika mer än 0,1 Hz från 50 Hz, dvs den måste ligga mellan 49,9 och 50,1 Hz. Vid stora störningar accepteras avvikelser på upp till 1 Hz. Överskrids detta påbörjas lastbortkoppling, dvs man kopplar bort förbrukare för att förhindra att hela kraftnätet går ned.

Sjunker frekvensen till mindre än 49,4 Hz frånkopplas elpannor och värmepumpar på fjärrvärmeverk samt stora industrilaster och pumpkraftverk. Går frekvensen under 48,8 Hz kopplas ordinarie last bort.

Det är viktigt att alla elproducenter håller frekvens och att alla spänningskällor är synkrona (dvs ligger i fas med varandra, vilket innebär att spänningen varierar synkront). Har spänningskällorna olika frekvenser eller ligger olika i fas uppstår svängningar i nätspänningen. När man kopplar in en generator till en kraftnät (kallas infasning) måste man först förvissa sig om att den har exakt rätt frekvens och spänning och sedan måste den kopplas in i exakt rätt ögonblick för att ligga i fas. Idag sker infasningen automatiskt men förr i världen fick man manuellt fasa in en generator. Ligger generatorn inte rätt i fas eller spänning vid inkopplingen kan den skadas.

Synkronmotorn är en elektrisk motor som roterar synkront med frekvensen i elnätet. Den håller därför sitt varvtal även när belastningen ökar eller minskar (till en viss gräns). Ibland används ordet synkronmaskin, eftersom en sådan kan fungera både som motor och som generator. Den senare kallas synkrongenerator. I de flesta kraftsammanhang används denna typ av generatorer. I ett växelströmsnät roterar synkronmotorer och synkrongeneratorer synkront, dvs följs åt, styrda av fältets frekvens. Synkrongeneratorer är låsta till den aktuella frekvensen genom elektromagnetiska krafter, dvs när en sådan generator har fasats in (se föregående stycke) bibehåller den sin synkronisering av sig själv utan några reglerkretsar (inom vissa gränser). Eller för att sammanfatta: Synkrona maskiner i elkraftsystem upprätthåller sin synkronism med övriga komponenter i systemet genom återförande elektromagnetiska krafter som verkar om en maskin antingen accelererar eller retarderar gentemot övriga enheter i systemet.

Se min artikel "Trefassystemet — för fotgängare" för förklaring av olika begrepp (växelspänning, fas, synkron etc) som används i föreliggande artikel.

Frekvensen från en roterande generator bestäms av generatorns rotationhastighet (varv per minut) och vid överbelastning (belastningen överstiger produktionen) sjunker denna hastighet, varvid frekvensen sjunker. Stora, tunga generatorer har stor rotationströghet (de har stor rörelseenergi) och kan vid överbelastning bibehålla rotationshastigheten och därmed frekvensen längre än en liten, lätt generator.

I generatorrotorenheten ingår generatorns rotor samt vattenturbin (i fallet vattenkraft) eller ångturbin (i fallet kärnkraft och fossilkraft) och axeln mellan dessa (dvs alla roterande delar). I kärnkraftsammanhang har man ofta tre eller fyra turbiner i systemet (t ex högtrycksturbin samt tre lågtrycksturbiner). Systemets svängmassa, som är ett mått på systemets rotationsrörelseenergi, bestäms av tre faktorer:

1. Generatorrotorenhetens sammanlagda (roterande) massa.
2. Varvtalet (varv per minut).
3. Diametern av de roterande delarna.

Ju större rotationsmassa, ju större varvtal och ju större diameter, desto större svängmassa. För stora generatorer ligger varvtalet ofta på 1500 varv/min (om vi har en fyrpolig generator och vill ha frekvensen 50 Hz). Varvtalet kan inte väljas fritt utan bestäms av hur många poler (lindningar) generatorn har och vilken frekvens man vill ha (50 Hz eller 60 Hz). En generatorrotorenhet i ett stort kärnkraftverk kan ha en längd av 70 m (turbiner, generator, axlar) och kan väga 1100 ton eller mer (dessa data gäller på ett ungefär för Oskarshamn 3, som är ett av världens största kärnkraftverk)!!!

Rörelseenergin hos svängmassan fungerar som lagrad energi och en stor generator kan fortsätta att leverera energi under en kort tid även efter att drivningen upphört. Begreppet svängmassa kvantifieras genom den s k tröghetskonstanten H.

Tröghetskonstanten för en generator är generatorns rörelseenergi vid normal drift (uttryckt i MWs — megawattsekunder) dividerad med generatorns märkeffekt (uttryckt i MVA — MVA står för megavoltampere.

MVA är ett mått på hur stor maximal effekt en strömkälla kan leverera. En generator på 500 MVA kan således maximalt leverera 500 MW. Detta förutsätter att spänning och ström ligger i fas, vilket är fallet om vi enbart har resistiva belastningar (t ex elektriska värmelement). Utgörs belastningen delvis av elmotorer, som utgör reaktiva belastningar, ligger inte längre spänning och ström i fas och generatorns uteffekt blir då mindre än vad som anges i MVA. Har vi en fasförskjutning på 20° och generatorn ger 500 MVA blir effekten 500⋅cos(20)≈470 MW (där cos(20) är den s k effektfaktorn).

H är ett mått på under hur lång tid som generatorn kan leverera sin märkeffekt (den effekt som normalt levereras under drift) enbart genom sin uppbyggda rörelseenergi. Ju större generator desto större är dess H och desto mindre påverkas kraftnätets frekvens av belastningsvariationer, dvs systemet blir mer stabilt.

Bilden visar typiska värden på tröghetskonstanten (H) för några olika typer av elektriska kraftkällor. Vi ser att vare sig sol- eller vindkraft har någon svängmassa (H=0). Alla källor utom vind och sol använder generatorer direktkopplade till nätet. Största värdet för kärnkraft ligger strax under 9 sekunder, dvs en sådan generatorn kan leverera sin märkeffekt under denna tid efter att drivningen upphört (i praktiken blir det inte så eftersom den långsamt kommer att gå ned i varv varvid frekvensen och även spänningen sjunker till otillåtna världen). Så H kan ses som ett nominellt värde som inte riktigt står för vad det lovar. Men det spelar ingen roll, eftersom H är en användbar indikator på motståndet mot frekvensförändring hos en generator.

Det finns något som kallas syntetisk svängmassa, där vindkraftverk förses med styrutrustning som gör att de kan leverera extra effekt under en kort tid när frekvensen sjunker. Systemet är under utveckling. Principen är att tröghet från turbinens generator och rotorblad utnyttjas för att tillfälligt höja uteffekten från generatorn med hjälp av kraftelektronik. På så sätt kan ett vindkraftverk ges 10% effekthöjning under ca 10 sekunder. Detta leder till att rotorn saktar in och vindkraftverket måste sedan kompensera den minskade rotationshastigheten under en återhämtningstid. Under denna tid är generatorns effekt lägre än vad den var innan effektregleringen inträffade (man kan ju inte lura naturlagarna, bara manipulera dem). Genom syntetisk svängmassa finns potential att kunna rädda ett elnät med få tunga aktörer från blackout. Men det är inte gratis.

Det finns också något som kallas för synkronkompensatorer. En sådan är helt enkelt en stor synkronmotor som går på tomgång, dvs inte används för att driva något. Dess enda uppgift är att bidra till kraftnätets stabilitet genom sin svängmassa.

Om mer effekt konsumeras än vad turbinerna som driver generatorerna ger, tas skillnaden i effekt således från generatorsystemets rörelseenergi, dvs dess svängmassa. Ett kraftnäts totala svängmassa bestämmer stabiliteten i nätet. Även vissa förbrukare bidrar till svängmassan (om de använder synkronmotorer). Förbrukningssidan står för ca 5% av svängmassan i det svenska kraftnätet. På vissa vattenkraftverk har man ökat svängmassan hos generatorerna genom att förse dem med tunga svänghjul.

Man strävar efter att ha tillräckligt med svängmassa för att klara att den största elproducenten i ett kraftnät går ned utan att systemet behöver stängas ned. Går flera producenter ned samtidigt (vilket är osannolikt) räcker normalt inte backupsystemet till och man måste koppla ned hela systemet, och får därmed en blackout. I Sverige är den största producenten Oskarshamn 3 med en effekt på 1450 MW. Svenska kraftnäts planering utgår från kravet att ett bortfall av detta kraftverk inte skall ge en nätfrekvens under 49,0 Hz momentant (dvs under max några sekunder) eller under 49,5 Hz under längre tid (minuter).

Den 28/4 2025 såg elproduktionen i Spanien (Iberiska Halvön) ut på följande sätt:

Av figuren framgår fördelningen av elproduktionen i Spanien den 28/4 2025 — sol-, vatten-, kärn-, vind-, gas- och andra fossila (other fossil) kraftverk (t ex spillvärme från industri, sopförbränning o dyl). Den vertikala axeln visar elproduktionens spektrum (de olika typerna av el) uttryckt i MW medan den horisontella axeln visar tid. Avbrottet inträffade nästan exakt klockan 12 men vi ser att effekten redan började falla någon gång mellan 11 och 12 (min tolkning — denna minskning skulle också kunna bero på mindre efterfrågan på el). Som framgår kom en väldigt stor del av elen från vind- och solkraft när nätet kollapsade. Kärnkraftens bidrag var litet. I ett sådant läge är systemet väldigt känsligt för stora variationer i produktion och belastning. Vi ser hur elproduktionen faller dramatiskt klockan 12.

Summa summarum är således att elnät med liten svängmassa är sårbara för (snabba) förändringar i produktion och konsumtion. Och när man väl fått en blackout är det inte bara att återstarta nätet. En sådan återstart är en process som tar många, många timmar, ja kanske i värsta fall dagar, eftersom man inte kan starta upp allt på en gång utan måste återstarta en del i taget. Annars riskerar man en ny blackout. Konsekvenserna av en blackout blir därför stora (förstörda matvaror, kaos på flygplatser, järnvägsstationer och i banker och vid bankomater etc). Ett eller ett par kärnkraftverk i ett kraftsystem är således gynnsamt, eftersom man på så sätt får ett stabilt nät.

Allt eftersom kärnkraften fasas ut och alltmer energi produceras genom vind- och solkraft, kommer näten att bli alltmer instabila. Detta måste lösas genom elektronisk stabilisering, vilken kostar väldigt mycket pengar. Därför är det svårt att förstå motståndet mot kärnkraft som inte släpper ut några växthusgaser och som dessutom ger oss mer stabila elnät som gratiseffekt. Jodå, jag vet att det finns nackdelar med kärnkraft (radioaktivt avfall, härdsmältor etc) och beträffande detta så rekommenderar jag läsaren att gå till min artikel i ämnet.

Sex dagar före blackouten den 28/4 firade man i Spanien att för första gången i landets historia all elektricitet under en vardag kom från förnybara källor. Sådant övermod tenderar att straffa sig och var antagligen en bidragande faktor till att bortfallet av tre kraftverk fick så dramatiska konsekvenser.

Bara några timmar efter blackouten framförde Spaniens premiärminister Pedro Sánchez misstanken att privata aktörer hade orsakat elavbrottet. Han anklagade också de som menar att mer kärnkraft skulle stabilisera nätet (vilket det de facto skulle) för att vara okunniga! Hehehe... Politiker ja, de lever i sin egen värld där ideologi trumfar över fakta. Ett problem med det stora elbolaget i Spanien, REE, är för övrigt att presidentposten där så gott som alltid går till f d ministrar eller högt uppsatta politiker. Den nuvarande presidenten är Beatriz Corredor, som är advokat och tidigare bostadsminister. Politiseringen av REE har lett till att man angett 100% förnybar el som mål, vilket innebär ett kraftnät med nästan ingen stabilitet alls.

Tillbaka till artikeln "Allt är inte guld som glimmar"