Debatindlæg af Jacob Østergaard, professor og divisionschef på DTU Vind og Energisystemer. Bragt på Ingeniøren den 17.01.25.
Når vi taler om overgangen til et 100 % vedvarende energisystem, taler vi ofte om det som noget, der snart skal ske. Det er et velkendt faktum rundt om middagsbordene, at udviklingen går den vej, og Danmark er ét af de lande, der går forrest.
Når vi så taler om de udfordringer, der er forbundet med denne overgang, bliver der peget på, at der ikke nødvendigvis kommer til at være grøn strøm nok på de rigtige tidspunkter. Det er ikke altid, solen skinner eller vinden blæser, og Energinet, hvor jeg selv sidder i bestyrelsen, var for nylig ude med forventningen om, at den gennemsnitlige afbrudstid stiger fra 22-30 minutter om året i 2021-23 til 36 minutter om året i 2034.
Forskningen i det problem er allerede godt i gang, og der er blandt andet udviklet en række konkrete, forbrugerrettede løsninger til at dæmme op. Bedst kendt er nok de mange smartladnings-løsninger til elbiler, der sikrer, at bilen bliver opladt, når prisen er lav. Altså når solen skinner og vinden blæser.
Derudover arbejdes der på at gøre en række andre forbrugsteknologier fleksible, så forbruget kan følge den varierende elproduktion.
Noget, vi til gengæld taler meget sjældent om, er, hvordan vi skal lykkes med at designe og styre energisystemet, så vi sikrer den løbende stabilitet.
Ukendt grund
Lige nu ved vi ikke tilstrækkeligt. Det er et problem, for hvis vi ikke ved, hvordan vi skal designe det samlede system så stabiliteten sikres, og får et fælles sprog for styringen, ved vi heller ikke, hvordan vi skal designe de enkelte komponenter i systemet. Eller sikre systemet bedre mod nedbrud, når vi bliver udsat for et cyberangreb.
Konkret handler det om at blive klogere på, hvordan et system baseret på effektelektroniske konvertere kan styres digitalt. Konverternes fornemmeste opgave er hurtigt og effektivt at omsætte jævnstrøm til vekselstrøm og omvendt, så din bils batteri eksempelvis kan lades med vekselstrøm fra elnettet.
Mere og mere af det fremtidige elforbrug bliver tilsluttet via konvertere, og de bliver i øget grad anvendt i nettet til fx store jævnstrømsforbindelser, der forbinder lande. Produktionsenheder som solcelle- og vindmølleparker er også baseret på konvertere. De erstatter de store, centrale kraftværker, som vi kender i dag, og som hidtil har sørget for at stabilisere energisystemet.
Processen på kraftværkerne har været, at der hældes damp ind på en turbine, som får en aksel med en stor vekselstrømsgenerator til at dreje rundt. Generatoren er koblet direkte op på elnettet og har en indbygget træghed, der sikrer, at ubalancer og forstyrrelser ikke forplanter sig i nettet med det samme, men optages af generatorerne på de store kraftværker. Så der skabes stabilitet.
Det samme vil ikke ske med konverterne, der ikke har generatorernes indbyggede træghed, men er digitalt styret. Det er altså måden, hvorpå den digitale styring af elektronikken er skruet sammen, som bestemmer, om stabiliteten i systemet kan bevares.
Det er en helt ny måde at designe et energisystem på. Vi bevæger os på ny og ukendt grund.
Energi-infrastruktur sætter skub i udviklingen
Skal vi se ind i en fremtid med et robust, vedvarende energisystem, der reagerer hensigtsmæssigt, når fejl og angreb opstår, kræver det altså en målrettet prioritering af forskning og innovation inden for energisystemet som sådan og den digitale styring.
Forskningen i hvordan man balancerer et energisystem med stor andel af vind og sol er i gang. Lige nu bliver der lagt sidste hånd på den eksperimentelle facilitet SYSLAB, som er del af PowerLabDK og knyttet til DTU Vind og Energisystemer på Risø. Hidtil har faciliteten bestået af et mini-elsystem baseret på et vedvarende energisystem, men i øjeblikket tilkobles også fjernvarme- og brintinfrastruktur, så faciliteten udgør et fuldt sammenkoblet, vedvarende energisystem.
Det muliggør, at vi kan udvikle løsninger i et beskyttet laboratoriemiljø, hvor vi samtænker de forskellige infrastrukturer og styrer dem optimalt ift. hinanden. Det betyder, at vi kan få mere værdi ud af teknologierne - for eksempel ved at lagre varmen fra varmepumperne - og koordinere det hele, så energien udnyttes bedst muligt.
Teknologier testet i dette miljø kan derefter flyttes til fx Bornholm, der fungerer som et levende laboratorie for et energisystem baseret på vedvarende energi.
Testfaciliteter som SYSLAB og Bornholm giver os mulighed for at udvikle nye markeds-baserede løsninger, der sikrer at ladning af elbiler kan koordineres, ikke blot efter hvor meget vind og sol, der er tilgængeligt. Men også efter den kapacitet, der er i det lokale net, og som forsyner den enkelte forbruger.
Hvis man ikke introducerer sådanne løsninger, vil den store andel af fleksibelt forbrug klumpe sig sammen i nogle få timer, og det vil få det lokale elnet til at bryde sammen.
Mulighederne er altså mange, men når det kommer til den hurtige digitale styring af konverterne, kommer de eksisterende testfaciliteter til kort.
En digital tvilling som løsning
Det er derfor afgørende, at vi får et redskab til at undersøge de nye fænomener, der er knyttet til et energisystem baseret på konvertere med deres digitale styring.
Det forudsætter, at vi kan studere energisystemet i en meget højere tidsopløsning, som gør det muligt at se, hvordan et system baseret på konvertere reagerer på mikrosekundniveau. Dette er nødvendigt, fordi konverterne med deres digitale styring opererer enormt hurtigt. Og går der kludder i styringen, vil det ske på mikrosekundsniveau.
Vi skal altså kunne forstå hvad der sker og udvikle nye løsninger i den høje tidsopløsning. Lidt ligesom når man tager et foto i høj opløsning: Det står knivskarpt som helhed, og det er samtidig muligt at zoome ind på bestemte områder for at se nærmere på de små detaljer.
Konkret vil det kunne lade sig gøre gennem en digital 1:1 model af energisystemet. En digital tvilling med høj opløsning. Med den digitale tvilling vil vi kunne afprøve løsninger og strategier, og studere hvordan det samlede system i detaljer reagerer på forskellige styringsdesigns. Det vil for eksempel gøre det muligt, at teste hvordan styringen af konverterne skal designes og koordineres. Det vil også muliggøre at teste systemets reaktion på et cyberangreb, og efterfølgende designe det til at være robust over for netop den type angreb.
Med andre ord er vi i gang med at udvikle de løsninger, der gør det muligt at balancere energien i systemet time for time og minut for minut. Men vi har ikke for alvor løst de udfordringer, der knytter sig til et elsystem baseret på konvertere og digital styring, hvor tingene foregår på mikrosekundniveau. Vi har en ganske god idé om, hvad der skal til, men mangler redskaberne til at sikre et hensigtsmæssigt design.
At tale om digital styring er måske ikke lige så håndgribeligt som at tale om smartladning af elbiler og balancering af produktion og forbrug. Men det er nødvendigt at prioritere området, hvis vi sammen skal nå i mål med den grønne energiomstilling og ikke kompromittere vores forsyningssikkerhed.
