Kan vi klara oss på bara förnybar energi? Kan energi från solen, vind och vatten täcker våra elbehov – även på en vindstilla, mulen dag i Skandinavien? Kanske, men det ställer nya krav.

De nordiska länderna skulle kunna tillgodose sina energibehov helt enkelt genom att bygga ut förnybar energi, enligt en studie från Uppsala universitet. Men det finns flera utmaningar på vägen, enligt Mikael Bergkvist, forskare inom el.

"I studien, vi kunde visa att det inte är självklart omöjligt även om det skulle bli svårt inom en snar framtid."

Svårigheten med elproduktion är att den sker i realtid – den el som behövs just nu måste produceras just nu. På samma gång, vår elförbrukning varierar varje timme på dygnet året runt. Ju mer beroende vi är av intermittenta källor, som vindkraft, desto större krav ställs på flexibel balansregleringskraft.

"I Sverige, vi har tur eftersom vi har mycket vattenkraft som kan användas för att snabbt reglera variation men, tack vare stora vattenkraftsreservoarer, kan även lagras vid tidpunkter då vi har hög vindkraftsproduktion och låg efterfrågan på el. Men det kräver mycket planering. I dagens system, vi har goda möjligheter att balansera dags- och säsongsvariationer, men det är svårare till exempel vid några veckors vindstilla väder, säger Bergkvist.

I Sverige, vi får lika mycket energi från kärnkraft (40–45 procent) som från vattenkraft. Därefter följer vindkraft på 10–14 procent. Slutligen, vi har kraftvärmeverk, kondenskraft och gasturbiner som tillsammans ger cirka 10 procent.

Solenergi är mer ovanligt på våra breddgrader, men mycket forskning och utveckling pågår. Ett exempel är bostadshuset Frodeparken i Uppsala, där hela glasfasaden producerar el. Byggnaden är täckt av tunnfilmssolceller som tagits fram från forskning vid Uppsala universitet.

Ett internationellt EU-projekt om solcellsteknik som kan integreras i byggnader leds från Uppsala. Marika Edoff, Professor i Solid State Electronics, är koordinator för projektet. Fokus är tunnfilmssolceller och hur de kan effektiviseras och integreras i byggnader.

"Byggnadsintegration erbjuder unika möjligheter för tunnfilmssolceller, främst för att se estetiskt annorlunda ut. Med tunna filmer, det är också möjligt att göra solceller flexibla och lätta, säger Edoff.

Den dominerande tekniken på marknaden är kiselsolceller. Tunnfilmssolceller är baserade på en annan teknik och består av mikroskopiskt tunna filmer som är monterade på glas, till exempel. Modulerna kan göras till helt svarta byggstenar, som fasaden på Frodeparken.

Utmaningen för forskarna är att göra materialet tunnare utan att minska effektiviteten eller effektiviteten, vilket för närvarande är 21 procent. För att lyckas med detta, olika optiska tekniker används, som att bygga in speglar i de tunna lagren så att dubbelt så mycket ljus absorberas.

"Det kan verka löjligt att göra lagren ännu tunnare eftersom deras totala tjocklek är cirka tre mikrometer, vilket är vad man får genom att klippa ett hårstrå i 20 skivor. Men vi vill driva detta ytterligare, minska materialanvändningen och göra de ljusabsorberande skikten en halv mikrometer tjocka istället för två, säger Edoff.

Internationellt, solenergi har fått ett stort genombrott de senaste åren och även om det går trögt i Sverige, marknaden växer, med olika stödordningar för installation av solceller i byggnader.

"Genom EU-projektet, vi kan samla kompetens och expertis och hoppas att även öka synligheten för solceller och lobba för att utveckla långsiktiga lösningar i Sverige, säger Edoff.

Hon var personligen med och grundade solcellsföretaget Solibro och har arbetat i många år både som forskare och i företaget. När hon började med tunnfilmssolceller 1990, solcellerna hade en verkningsgrad på 10 procent. Nu, de har nått 21 procent, inte långt från världsrekordet på 22,6 procent.

Framgången tillskriver hon det nära samarbetet mellan näringsliv och akademi.

"Olika EU-projekt har varit avgörande för den teknik som kommit hittills, genom att gynna samarbetet mellan företag och forskargrupper. Det har varit superviktigt."

Ett annat EU-projekt, New Wind Atlas (NEWA), berör vindkraft och har kartlagt vindresurser i hela Europa. Stefan Ivanell är projektledare för den svenska delen av projektet.

Han leder forskningen vid vindkraftssektionen på Campus Gotland, som tillhör institutionen för geovetenskaper vid Uppsala universitet. Medan deras forskarkollegor i Uppsala gör storskaliga vädermodeller, forskarna i Visby arbetar med modeller som visar det detaljerade flödet i en vindkraftspark.

Om dessa två typer av modeller är sammanlänkade, större beräkningar kan göras för att se var det är bäst att bygga en vindkraftspark.

"När vi studerar samspelet mellan vindkraftsparker, beräkningarna tar flera dagar eller veckor med en superdator, så de är ganska tunga beräkningar. Det är därför vi behöver komplettera dem med grövre beräkningsmetoder, säger Ivanell.

Inom projektet, de studerar till exempel vindflödet i skogarna och möjligheterna att bygga ut vindkraften där. Forskarna är intresserade av placeringen av vindkraftverk och hur turbinerna – såväl som hela vindkraftsparker – interagerar med varandra. För att förstå detta, de gör simuleringar som visar hur placeringen påverkar vilken typ av flöde turbinen ligger i och hur stor turbulensen är.

"Vi utvecklar modeller för hur man utvinner energin på ett smartare sätt samtidigt som vi minskar belastningen på turbinerna så att de håller längre, säger Ivanell.

Vindkraft är den tredje största formen av elproduktion i Sverige, men dess expansion har stannat.

"Trots låga energipriser i Sverige, vindkraft lockar för närvarande rekordinvesteringar. För alla som funderar på nya energiproduktionsanläggningar, vindkraft är mycket konkurrenskraftig, säger Ivanell, som också är chef för STandUP for Wind, ett nationellt vindenergicentrum där flera svenska universitet deltar.

Nyligen startade ett forskningsprojekt vid Uppsala universitet där forskarna ska ta reda på hur Gotland kan bli självförsörjande på förnybar energi, som solenergi, vindkraft och biobränsle. Ett 20-tal forskare är involverade i projektet vid institutionerna för geovetenskaper, Ingenjörsvetenskap och kemi.

En viktig fråga är acceptans bland lokalbefolkningen, eftersom ett samhälle med expanderad vind, vattenkraft och solkraft skulle se väldigt olika ut.

"I dag, 50 procent av energin på Gotland kommer från vindkraft. Att bli helt självförsörjande, detta måste skalas upp på land, till havs och i solcellsparker, säger Ivanell. Just nu, vi försöker modellera tänkbara scenarier för framtiden. Om vi ​​bygger på vissa sätt, hur kommer det att påverka acceptansen? Vilka fördelar och nackdelar finns med olika lösningar? Luftledningar och kraftkablar skulle behövas för distribution, men hur skulle de uppfattas av allmänheten?"

Att studera Gotland som ett förnybart system är lämpligt eftersom det är väldefinierat, enligt Ivanell. I samarbete med regionen, olika möjligheter undersöks nu, som transporter med elfordon och hur energi kan lagras i batterier eller i gasform.

"Det är en fråga om vilka förnybara resurser som finns, men det handlar också om att balansera detta med en begränsad kabelförbindelse med fastlandet. Vi behöver ett system som kan lagra energi och där det vi stoppar in i systemet alltid matchar förbrukningen."

För att gå tillbaka till studiet av hela Nordens energiförsörjning, det visar att vattenkraften spelar en nyckelroll. Genom att lagra vattenkraft, det går att få en jämn tillgång på el trots variationer i produktionen.

"En del människor fruktar att förnybar energi kommer att ge oss ett instabilt elnät och att vi inte kommer att kunna hantera situationen, men i Sverige kan vi. Vår vattenkraft är en enorm resurs för att lagra energi, jämfört med batterilagring, som inte har något liknande kapacitet och är i första hand en lokal lösning, säger Mikael Bergkvist.

Ett annat problem att lösa är hur man levererar förnybar energi till hela Norden. Med dagens distributionssystem, det skulle vara svårt att leverera energi överallt med bara förnybar el. I Sverige, till exempel, vi har mycket produktion i norr, men mest konsumtion i söder.

"Våra beräkningar har inte tagit hänsyn till begränsningarna i elnätet. Där, det är bara en fråga om expansion, men det kommer naturligtvis att kosta mycket och tillståndsprocessen för en ny linje kan ta decennier."

I deras studie, forskarna konstaterar också att det är viktigt att hitta rätt mix av förnybara källor.

"Det blir bättre om vi optimerar blandningen av vågkraft, vindkraft och solenergi, men detta är svårt att kontrollera eftersom vi lever i en demokrati med fritt företagande, " konstaterar Bergkvist.

Så det kommer att fortsätta att finnas en flora av olika energilösningar som tillsammans gör det svårt – men inte omöjligt – att gå över till förnybar energi i Norden.