sou · H2B384d3 · 2014-12-09 00:00:00 — Denna utveckling och liknande initiativ kan leda till nya marknadskoncept för flexibilitet, hantering av överbelastning, styr- ning av reaktiv effekt och spänning på alla spänningsnivåer i systemet. Den tredje drivkraften är att tillgången på kommunikations- och beräkningskapacitet ökar radikalt som kostnaden sjunker. Denna utveckling gör det möjligt att automatisera och kontrollera processer mycket mer noggrant och högupplöst och på många fler platser till minskade kostnader. Automation, styrning och optimer- ing av kraftsystem kommer bestå av mycket mer mätning, databehandling och kontroll för ökad observerbarhet och styrbarhet, vilket ger kostnadseffektivare och tillförlitligare drift av näten. Nedan presenterar vi de forskningsområden som föreslås vara fokus för satsningar i . Återigen ska noteras att dessa områden inte kan jämföras med traditionella utvecklingsområden i andra planer för forskning och utveckling (s.k. R&D roadmaps) för smarta nät. Våra områden utgör grund- läggande forskningsområden, vilka dock i sin tur bidrar till utveck- lingen av smarta elnät inom flera angränsande områden såsom informations- och kommunikationstjänster och informations- säkerhet. Utvecklingen av informations- och kommunikations- tjänster utgör i sin tur en viktig drivkraft för utvecklingen av smarta elnät265F105. I slutet av varje avsnitt finns en kort redogörelse, baserad på exempel, som tydliggör hur de olika forskningsområdena stödjer utvecklingen av smarta elnät. 105 Smartare elektroniksystem, 2013, Strategiskt innovationsprogram för Smartare elektronik- system för . Forsknings- och innovationsagenda för smarta elektroniksystem 2013. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Materialteknik och komponentutveckling med inriktning på kraftelektronik Kraftelektronik är en nyckelkomponent i de smarta elnäten. Med komponenterna kan man snabbt kontrollera energiflöden i näten. Dessa behöver dock vidareutvecklas ytterligare för att minska för- luster i näten och få ner kostnader för tillverkning och användning. måste komponenterna och materialen bli mindre känsliga för temperaturvariationer. Det görs genom att utveckla både nya komponenter av så kallade wide bandgap materials (t.ex. SiC, GaN, diamant) och moduler kring sådana komponenter samt de omvandlar-topologier som kan utnyttja dem. är världs- ledande inom detta område och har unika laboratorieresurser för den utvecklingen. Kraftelektroniken utnyttjas främst i likströms applikationer, t.ex. högspänd likströmsöverföring (HVDC nät) och i flexibla växelströmsöverföringssystem (FACTS för reaktiv effektkompensering), samt även till att ansluta generatorer i vind- kraft samt motorer inom industrin. Kraftelektroniken har dess- utom en stor betydelse i användningsledet för hushåll och kom- mersiella fastigheter, samt för anslutning av mikroproduktion. sagt alla lasttyper i hemmet använder sig av kraftelektronik, och minskade förluster i omvandlingen är en bidragande faktor till ökad energieffektivitet. () är en utförare med stark kompetens inom både materialteknik och halvledarkomponenter samt hur dessa samverkar i system. Vid bedrivs omfattande grundforskning vid Ångströmslaboratoriet vilken har tillämpning på området. Båda dessa utförare ingår dessutom i forskningscentrum SweGRIDS, där material och halvledarteknik är starka fokusområden.266F106 Utvecklingen inom detta område antas få stor betydelse för laddinfrastruktur för fordon, små- och storskalig energilagring, kon- sumentapparater för flexibel användning och energieffektivisering styr-, kontroll- och skyddssystem för transmissions- och distri- butionsnät samt generell utveckling mot ökad effektivitet inom nuvarande teknik. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Platforms Smartgrids forskningsstrategi för 2035267F107 av området som fått högsta prioritet i strategin. Tillförlitliga inbyggda realtidssystem för kraftsystemstyrning Det elektriska kraftsystemet är både knutet till det fysiska el- systemet och ett diskret kommunikations- och styrsystem. På engelska kallas dessa sammankopplade system ofta för cyber- physical systems (CPS). Ett sådant CPS innehåller alltså mätning, kommunikation och databehandlingskomponenter tätt kopplade med en dynamisk fysikalisk process – kraftsystemet. Utvecklingen inom CPS har utnyttjat den ökade tillgången till kommunikations- och beräkningskapacitet över hela elsystemet. Området kan därför dra nytta av lokal mätning och datorresurser, men också av optimering på systemnivå tack vare förbättrad observerbarhet och styrbarhet. I området ingår även utveckling av robusta och kostnadseffektiva sensorer som fungerar i miljöer med elektromagnetiska störningar. Detta innebär både utveckling av kostnadseffektivare alternativ till existerande tekniker genom ökad effektivitet i tillverkning och användning av material, men också helt nya typer av sensorer som utnyttjar exempelvis optisk eller termisk avkänning. I utvecklingen av sensorer ingår även aspekter som strömförsörjning, vilket säkerställer funktionalitet även under strömavbrott. Elsystemet är dessutom geografiskt utbrett och det leder till ökade krav på långa driftcykler och minimalt behov av underhåll för dessa nya typer av sensorer. Utvecklingen inom detta område inkluderar integration av tidigare separata områden inom reglerteknik och optimering till- sammans med utveckling inom inbyggda realtidssystem och analys- algoritmer. Tvärvetenskaplig forskning från dessa discipliner gör det möjligt att utveckla nya algoritmer som utnyttjar formalismer från datavetenskap och kan driftsätta dessa på tillförlitliga platt- formar. KTH och har stark kompetens inom detta område. Vid KTH är mycket av kompetensen samlad i Linné- centret Access men även i SweGRIDS och inom andra organisa- 107 Platform Smart grids, 2013, Summary of Priorities for topics: Version 19 2013. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter I finns motsvarande fokusering inom LCCC – . Mellan dessa utförare finns dessutom samarbetsprojekt finansierat av – ICT– Platform for Sustainable Infrastructures (ICT-PSI). () bedriver omfattande verksamhet kring mätning för elkraft- tillämpningar, särskilt om sensorer. Utvecklingen inom detta område antas få stor betydelse för områdena laddinfrastruktur för fordon, små- och storskalig energi- lagring, konsumentapparater för flexibel användning och energi- effektivisering styr-, kontroll- och skyddssystem för transmissions- och distributionsnät samt även informationsteknisk säkerhet och informations- och kommunikationsteknologi. Området motsvaras i Platforms Smartgrids forskningsstrategi för 2035269F109 av områdena together samt Distributed self-organisation vs. central control som båda fått högsta prioritet i strategin. Realtidsmetoder för analys av stora datamängder Inom kraftsystemet ökar ständigt mängden data som sensorer genererar. Den stora mängden data blir om den hanteras rätt en ovärderlig källa för kunskap om tillståndet i elsystemet. Detta ger möjlighet att analysera såväl tekniska driftegenskaper som mark- nadsaspekter, t.ex. kunders användningsprofiler, och därigenom dra slutsatser om framtida styrning . De driftlägen som det framtida kraftsystemet kan antas uppvisa, med t.ex. stora mängder intermittent elproduktion, kan också analyseras, och däri- genom göras säkrare, med hjälp av realtidsanalys av stora data- mängder från sensorer runt om i elsystemet. Det här kräver utveckling av offline-algoritmer för optimering av marknadsaktörers deltagande, och analys av nätutbyggnads- planer, men även realtidsapplikationer som stabilitetsanalys och sam- ordnat skydd mot kollaps i kraftsystemet. Till det kommer behovet 108Lund , [2014-1120] 109European Technology Platform Smart grids, 2013, Summary of Priorities for topics: Version 19 2013. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter att analysera förbrukningsprofiler för att identifiera möjligheter till energieffektivisering, och anpassning till lokal produktion. Utvecklingen inom detta område antas få stor betydelse för utvecklingen av nya styr-, kontroll- och skyddssystem, effektivi- serad drift- och underhållsteknik, generell utveckling mot minskade förluster i elöverföringsnätet samt utveckling av nya tjänster, tekniker och metoder riktade till energianvändare. Området mot- svaras i Platforms Smartgrids forsknings- strategi för 2035270F110 av områdena Monitoring and control tech- nologies to observe and control the 2035 pan-European network och Energy Cloud som fått högsta prioritet i strategin. Området har ännu inte några starka miljöer även om det hos de flesta utförare finns enstaka projekt inom området, exempelvis I- Tesla271F111. Dessutom finns vid KTH både kraftsystemkompetens och kunskap om världsledande analysmetoder för stora datamängder tack vare att KTH är en av fyra parter i Swedish E-science center272F112. Där utvecklas metoder för analys av stora datamängder tillsammans med , och . Detta center har ingen verksamhet inom kraft- systemområdet, men det finns en grund för nysatsningar inom området. Kunskaps- och innovationsplattformen EIT ICTLabs spelar också en nyckelroll i att stärka samarbetet mellan företag inom IT och kommunikationsteknik och energisektorn inom detta område. Multi-domän modellering och simulering för utveckling av nya material har prediktiv materialutveckling accelererat. Det som sågs som en utopi är verkligt. Fors- karmiljöer kan designa potentiella material med förbättrade egen- skaper och man kommer kunna tillverka material utifrån applika- tionen. För de smarta elnäten behöver flera produkter bättre material. Kablar, kondensatorer, transformatorer och brytare 110European Technology Platform Smart grids, 2013, Summary of Priorities for topics: Version 19 2013. 111iTesla, [] 112Swedish E-science center, [] Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter behöver bättre material för framtidens högspända likströmsnät. Förbättrade material som ökar energitätheten och minskar kost- naden för energilager behövs också. Förbättrade isolationsmaterial kräver forskning inom förädlade materialegenskaper, dvs. material- ets elektriska, termiska och mekaniska karaktäristik. Men det inne- fattar också utveckling av tillverkningsprocesser och design- metoder ur ett elektrotekniskt perspektiv. Inom isolationsområdet finns tre huvudområden: dielektrisk ytbeläggning för att öka kapa- citansers energitäthet, förbättrad isolation och fältreglerande material för ökad tillförlitlighet och minskade förluster i kablar samt förbättrade elektriska och termiska egenskaper i isolations- material i transformatorer. För att driva utvecklingen mot nya material och materialegen- skaper är det centralt att använda och utveckla simulerings- och modelleringsverktyg för att undersöka och utveckla de önskade egenskaperna. Materialen är komplexa till sin kemiska sammansätt- ning, och därför krävs simulering i flera skalor från nano till mak- roskalan för att med tillräcklig noggrannhet kunna förutsäga materialens egenskaper. De kritiska kompetensområden som behövs för forskningen är därför fysikalisk kemi, flödesdynamik, beräk- ningskemi och även simulering av elektromagnetiska fält och mekanik. och har stark kompetens inom detta område. De samverkar inom materialområdet med fokus på elkraft- tillämpningar i flera centrum och projekt, inklusive SweGRIDS273F113 och STandUP74F2 114 där material har stort utrymme. Utvecklingen inom detta område får stor betydelse för små- och storskalig energilagring, kraftelektronik för hela elsystemet, material (t.ex. grafen, isolations- och högtemperaturmaterial) samt generell utveckling mot minskade förluster i elöverföringsnätet. Området har i Platforms Smartgrids forsk- ningsstrategi för 2035275F115 ingen specifik motsvarighet eftersom planen har större fokus på forskning än ETP-strategin. 113SweGRIDS, [] 114STandUP for Energy, [] 115European Technology Platform Smart grids, 2013, Summary of Priorities for topics: Version 19 2013. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Marknads- och incitamentsmodeller och beteendeforskning För att hantera ett elsystem där användningen behöver anpassas till den tillgängliga produktionen i stället för som traditionellt tvärtom, måste marknadsmekanismerna utvecklas. En sådan anpassning bör t.ex. omfatta tilldelning av tillgänglig överföringsförmåga, han- tering av kapacitet i distributionsnät samt hur flexibilitet i använd- ning och produktion kan användas effektivare för att balansera elsystemet. Detta område ligger i gränslandet mellan teknik, sam- hällsvetenskap och beteendevetenskap, då alla dessa discipliner måste kombineras för att skapa marknadsmekanismer som leder till det resultat som eftersträvas. Även om den faktiska utvecklingen och genomförandet av marknadsförändringar till stor del är en politisk fråga, kan forskning inom området klarlägga de tekniska och organisatoriska möjligheter och begränsningar som föreligger. Utvecklingen inom detta område kan få stor betydelse för områdena laddinfrastruktur för fordon, små- och storskalig energi- lagring, konsumentapparater för flexibel användning och energi- effektivisering, styr-, kontroll- och skyddssystem för transmis- sions- och distributionsnät samt även utveckling av nya tjänster, tekniker och metoder riktade till energianvändare. Området mot- svaras i Platforms Smartgrids forsknings- strategi för 2035276F116 av områdena Pan-European market tools for 2035 ancillary services and balancing needs och Market mechanisms for ensuring system adequacy and efficiency in electric systems by 2035 som fått högsta prioritet i strategin. KTH med sin verksamhet inom elmarknader och reglerings- modeller är en stark utförare inom området. Inom energi- marknader i stort finns flera starka utförare inom landet, exempel- vis , , och . I sammanhanget bör också det nu avslutade mångåriga forskningsprogrammet lett av Elforsk nämnas. Här har mycket kunskap byggts upp inom området, och tillkommande satsningar bör göras med utgångs- punkt från resultat av programmet. 116European Technology Platform Smart grids, 2013, Summary of Priorities for topics: Version 19 2013. 117Elforsk, [] Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Förutom de specifika områden som beskrivits ovan finns några generella aspekter på forskningsstöd för smarta elnät. har ett antal starka utförare inom både elkraftområdet och informations- och kommunikationsteknik. Fleråriga industriella och samhälleliga satsningarna på dessa utförare har lett till att de i många fall har världsledande kompetens inom sina specialområden. För att få bästa avkastning är det mycket viktigt att nya satsningar sker samordnat med redan pågående verksamhet. De redan etablerade utförarna bör stärkas ytterligare eftersom den internationella konkurrensen inom området är mycket hård och endast starka forskningsutförare kan nå framgång. Forskningen ställer också höga krav på infrastruktur, t.ex. laboratorier för materialutveckling samt realtidssimulatorer m.m. för att kunna pro- ducera relevanta resultat. Forskningen liksom den svenska exportindustrin agerar på en global arena. Detta innebär att en ensidig fokusering på det svenska elsystemets behov inte leder till att relevanta forskningsprojekt formuleras och startas. Endast med ett globalt perspektiv kan vi nå framgång inom spetsforskning och bygga upp kunskap för den svenska exportindustrin. Denna tematiska forskningsplan ska ses i relation till liknande strategier från organisationer och länder i omvärlden. De områden som föreslås i denna plan överensstämmer till stora delar med andra planer och forskningsstrategier sett till utvecklingsområdena i stort. Men samordningsrådets plan går längre genom att specifikt fokusera på den forskning som är en nödvändig komponent för samhällsutvecklingen. 5.5.2Kommunikationsinfrastruktur, säkerhet och integritet Vi beskriver här hot och risker som kan uppstå vid övergången till smarta elnät, och hur frågor kring IT- och informationssäkerhet och integritet bör hanteras. ställer om sitt elsystem till ett smart elnät, liksom resten av våra grannländer i och övriga världen, genom betydande moderniseringar och förändringar. Detta är ofta likställt med att Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter föra in ny teknik, digitala och elektroniska automationsdelar i elproduktion och elnät. Ett elnät är ett distribuerat komplext realtidssystem som till stora delar förlitar sig på en fungerande IT-infrastruktur. En stor mängd IT-system krävs också för att hålla reda på hur mycket el kunderna konsumerar, och i vissa fall även producerar. Informa- tionstekniken i elnäten är alltså dels så kallade administrativa system, dels industriella styrsystem. Elsystemet är beroende av att aktörerna för produktion och distribution bedriver ett systematiskt informationssäkerhetsarbete för att behålla en hög driftsäkerhet och undvika incidenter samt i värsta fall strömavbrott. Beroendet av ett systematiskt informa- tionssäkerhetsarbete kommer att öka avsevärt med smarta elnät på grund av kraftigt ökad komplexitet, ökad mängd aktörer och ökad mängd IT-system. I utvecklingen mot smarta elnät kommer ytterligare ett kom- munikationslager att växa fram ovanpå det redan komplexa maskineriet som elnätet utgör. Detta kommunikationslager för- väntas göra det möjligt att utnyttja och styra alla delar av elnätet effektivare. Kommunikationsinfrastrukturen drivs av företagen som väljer mellan olika tekniker för informationsöverföring beroende på olika förutsättningar. Det vanligaste är att utnyttja befintligt infra- struktur (eller PLC) eller trådlös kommunikation (GSM/GPRS-kommunikation eller nätstandarden Zig Bee som fick sitt genom brott vid installationen av smarta mätare). Trådlösa nätverksåtkomstpunkter kan med fördel användas för överföring av uppgifter från smarta mätare som lokalt loggar data om energiförbrukning. Men vilken kommunikationsinfrastruktur som till slut byggs beror på marknaden och flera lösningar kan samexistera. Ett extra kommunikationslager innebär ökad kom- plexitet och nya sårbarheter. Kommunikationslagret kan också utnyttjas av den som avsiktligt vill orsaka störningar, avbrott eller haverier (antagonist) eller utsättas för oavsiktliga mänskliga miss- tag och spontana fel i utrustning. Elnätet kommer till exempel att innehålla cirka fyra miljoner smarta elmätare vilka även kan utgöra en form av anslutningspunkter till det omfattande kommunika- Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter tionsnät som krävs för att indirekt styra och reglera hela elnätet. Beaktas all industriell styrutrustning och den nätverksutrustning som krävs för att styra all datakommunikation är det lätt att förstå att antalet ingångar till elnätet ökar kraftigt . Sam- ordningsrådets studie278118F summerar de viktigaste bakomliggande orsakerna och riskerna vid övergången till smarta elnät i figur 5.19. Kommunikationssystemet kommer också att fyllas av stora mängder information om kundernas beteenden och deras energi- användning. För att värna kundernas integritet måste därför informationen hanteras med ett stort mått av systematiskt informa- tionssäkerhetsarbete. Ett sätt att underlätta det är att bygga in funktioner i de tjänster som utvecklas som säkerställer enskildas personliga integritet, s.k. privacy by design, eller inbyggd integritet som det kallas på svenska. 118 Rapport till samordningsrådet, 2013, 4C Strategies, 2013, Risker och sårbarheter i smarta elsystem – en förstudie. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Enkät om behovet av säkerhet och integritet i smarta elnät Vid framtagandet av rapporten rörande säkerhet i smarta elnät279F119 genomfördes en enkät om behovet av säkerhet i smarta elnät som besvarade av 63 respondenter med olika befattningar i relevanta organisationer, främst inom elbranschen. Behovet av säkerhet i smarta elnät understryks av de svar som lämnades i den genom- förda enkätundersökningen. En absolut majoritet, av de svarande, ansåg att IT- säkerhet är mycket viktig för smarta elnät. Informationssäker- hetens betydelse är även den mycket viktig enligt av respondenterna. När det gäller frågan om en säker hantering av personuppgifter anser en majoriteten att det är av stor vikt att personuppgifter hanteras på ett säkert sätt, då det annars kan leda till att förtroendet för det smarta elnätet riskeras och förtroendet för aktörerna som är involverade i produkter och tjänster inom smarta elnät urholkas. Utöver detta kan det uppstå problem och skador för personer som använder produkter och tjänster i det smarta elnätet. Enkätsvaren indikerar att IT-säkerhet är en kritisk framgångsfaktor för smarta elnät. Utöver det pekar man på betydelsen av att lag- stiftning, föreskrifter, etc. tar hänsyn till säkerhetsfrågor i smarta 119 , , R. och , E., 2014, Rapport rörande säkerhet i smarta elnät. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Enligt enkäten upplever också experter i branschen att svenska myndigheter inte är särskilt insatta i och förstår de säker- hetsrelaterade frågor och svårigheter som införandet av smarta elnät innebär. De frågor som respondenterna svarade på i detta samanhang var om relevanta juridiska frågor såsom lagstiftning, föreskrifter, etc. tar hänsyn till säkerhetsfrågor och om svenska myndigheter är väl insatta i och förstår de säkerhetsrelaterade frågor och svårigheter som införandet av smarta elnät innebär för samhället. Vi har genomfört en översiktlig genomgång av de lagar, förord- ningar och andra regler av betydelse för smarta elnät som rör informationssäkerhet280F120 och integritet281121F . För att en juridisk genomlysning beträffande smarta elnät ska bli meningsfull behöver det klargöras hur en sådan infrastruktur kan förväntas bli utformad och vilka grundläggande funktioner som ska införas. För en bedömning av regelbehovet är det vidare av betydelse att klargöra vilken roll det allmänna ska spela, vilka gemensamma funktioner som behövs inom infrastrukturen för att den ska fungera och hur det kan förhindras att regler införs som motverkar innovation och konkurrens inom elmarknaden. 120Rapport till , Per , 2014, Rättsfrågor rörande smarta elnät. 121Rapport till , Per , 2014, Persondataskydd i smarta elnät. Rådets bedömning av smarta elnäts möjligheter Också för tolkningen och tillämpningen av reglerna om person- dataskydd blir behovet av att klargöra infrastrukturens närmare utformning tydligt. Det kan inte uteslutas att vissa av de behand- lingar som behöver utföras med användning av personuppgifter måste ges stöd i lag. Även för de avtal och allmänna villkor som behöver utarbetas inom området är det en förutsättning att infra- strukturens närmare utformning tydliggörs. En första åtgärd bör därför vara att ta fram mer konkreta be- skrivning av den infrastruktur som ska införas. Detta bör ske i bred samverkan mellan berörda aktörer så att elkonsumenters och andra aktörers befogade intressen säkerställs. För att en sådan beskriv- ning ska kunna överblickas bör en grundläggande indelning göras i olika verksamhetsområden. Vi föreslår här en indelning i en Elnäts- domän, en Elkunddomän, en Servicedomän och en Elhandelsdomän. Exempel på sådana förenklingar som kan fungera för juridiska överväganden282F122 finns t.ex. i . Genom en sådan indelning kan de juridiska frågorna också ges en tydlig struktur samt konkretiseras och anpassas till respektive område. har stora möjligheter att skapa ett elnät där informations- säkerhet och integritet beaktats i ett tidigt skede. kan där- med också visa resten av världen hur man med planering kan skapa ett säkert och robust smart elnät. Bygger vi upp kunskap om hur man skapar säkerhet i smarta elnät kan svenska tjänster och pro- dukter inom detta område bli efterfrågade utomlands. På vissa områden behövs dock en bättre samordning och mera kunskap av säkerhets- och integritetsfrågor. Vi lämnar därför förslag om hur man kan förbättra säkerheten inom smarta elnät och värna om kundernas integritet. Säkerhet (avsnitt 4.2.4) kundernas integritet (avsnitt 4.3.2)