Elnätets frekvens i Sverige är 50 Hz. Globalt är den vanligtvis antingen 50 Hz eller 60 Hz.
Exakt sett varierar nätets frekvens ständigt något beroende på konsumtion och produktion. Att upprätthålla frekvensen vid 50 Hz samt balansera elproduktionen och konsumtionen är mycket viktiga uppgifter för att säkerställa elnätets funktion.
Men vad innebär allt detta i praktiken?
Vad betyder egentligen frekvens?
För det första är hertz (Hz) en enhet för frekvens, vilket innebär antalet cykler per sekund. När du kopplar in en apparat i vägguttaget får du växelström med en frekvens på 50 Hz. Detta betyder att spänningen växlar från minimum till maximum och tillbaka 50 gånger per sekund.
Här är en graf som illustrerar detta:
(Graf på växelströmmen)
Den blå kurvan visar spänningsvariationerna i ett vanligt svenskt elnät. En enskild cykel (markerad med röd streckad linje) är 0,02 sekunder lång, vilket motsvarar en frekvens på 50 Hz. Det finns alltså 50 cykler på en sekund. Grafen visar också den effektiva spänningen (blå streckad linje), som i Sverige är 230 V. Spänningens toppvärde är däremot 325 V.
Varför har elnätet en frekvens?
Elnätet använder växelström istället för likström av flera skäl. En av de främsta anledningarna är att spänningen i växelström enkelt kan ändras med hjälp av en transformator. Detta är en stor fördel vid elöverföring, eftersom en högre spänning möjliggör lägre energiförluster och tunnare ledningar vid långa överföringssträckor. På så sätt blir det möjligt att ha stora kraftverk och ett nationellt eldistributionsnät.
Likströmsnät skulle däremot kräva mer komplexa system för att höja och sänka spänningen, alternativt en mycket lokal elproduktion.
Växelström möjliggör också användningen av enkla och effektiva kortslutningsmotorer. Dessutom genererar vanliga elgeneratorer naturligt växelström.
Även likström används i stor utsträckning, men sällan för elöverföring. Det finns dock undantag, såsom Fenno-Skan-sjökabeln mellan Sverige och Finland.
Dessa faktorer tillsammans förklarar varför elnätet använder växelström.
Varför just 50 Hz?
Den enkla förklaringen är att det är en standard som har beslutats gemensamt. Eftersom elsystem och apparater är konstruerade för att fungera vid denna frekvens, skulle det vara mycket svårt att ändra den nu.
Det finns dock en viktig aspekt att beakta: elnätets frekvens varierar ständigt. Om produktionen är högre än konsumtionen ökar frekvensen. Om konsumtionen däremot överstiger produktionen sjunker frekvensen.
Därför är det avgörande att balansera elproduktionen och konsumtionen för att säkerställa ett stabilt elnät i Sverige.
Hur regleras frekvensen?
Elnätets frekvens regleras genom att balansera produktionen och konsumtionen så exakt som möjligt.
Balansen är mycket viktig, eftersom el i dagsläget inte kan lagras i stor skala. Det innebär att all el du använder produceras i praktiken i samma ögonblick som du förbrukar den.
Det finns flera metoder för att balansera elnätet, och helheten är komplex.
I grunden försöker elmarknaden förutse konsumtionen så noggrant som möjligt i förväg, så att produktionen (och importen från utlandet) kan dimensioneras därefter. Detta kallas kapacitetshantering. Exempelvis är det tydligt att elförbrukningen är högre på dagen än på natten och att kalla vinterdagar kräver mer el för uppvärmning. Sådana faktorer kan elmarknaden förutse genom kapacitetshantering.
Eftersom prognoser aldrig är helt exakta upprätthåller Svenska kraftnät även en reglerkraftsmarknad och olika reserver för finjustering av nätfrekvensen på kortare tidsskalor. Denna finjustering kallas frekvensstyrning.
Varför påverkas nätfrekvensen av balansen mellan produktion och konsumtion?
Frekvensens variation kan förstås ur ett energiperspektiv. Kraftverkens generatorer producerar kontinuerligt elenergi till elnätet. Om konsumtionen är högre än produktionen måste den extra energin komma någonstans ifrån. I det här fallet kan den ses som att den kommer från generatorernas rörelseenergi.
I generatorerna omvandlas rörelseenergi till elektrisk energi. De har också en viss mängd lagrad rörelseenergi. När mer energi tas från nätet än vad som produceras, saktar generatorerna ner, vilket gör att nätets frekvens sjunker.
I motsatt situation, när generatorerna producerar mer energi än vad nätet förbrukar, används den överskottsenergin till att snabba upp generatorerna, vilket gör att frekvensen ökar.
En liknelse kan göras med cykling. Föreställ dig att du cyklar i jämn hastighet på en plan väg. Du omvandlar kemisk energi i kroppen till rörelseenergi. När du håller en jämn hastighet är de motverkande krafterna, såsom friktion och luftmotstånd (vilket i detta fall motsvarar elförbrukningen i nätet), i balans med kraften du trampar med (vilket motsvarar elproduktionen).
Om vinden plötsligt tilltar (dvs. förbrukningen ökar), börjar din hastighet att sjunka och pedalerna snurrar långsammare (frekvensen sjunker) – om du inte börjar trampa hårdare (dvs. ökar produktionen).