Förbättring av Ultuna campus energisystem

Transkript

1 Uppsala Universitet Förbättring av Ultuna campus energisystem Uppdragsgivare: Vattenfall Heat Uppsala År 2011 Byfors S., Hallqvist K., Hellberg J., Johansson G. Nystrand M., Sunnevik K., Sjökvist B.

2 Abstract A mapping of the energy system at Ultuna campus was concluded. Presented here are suggestions for improvements of the current system. The emphasis was on techniques to exploit waste heat, mainly from a district heat-driven absorption chiller and from a biodiesel-powered oven with intermittent use. Studies suggest that a phase-changing-material-generator (PCM) may utilize the waste heat from the absorption chiller. The chiller may also be run on solarpowered heat, reducing waste heat to the district heating. Regarding the oven, a steam-generator may be introduced, reducing the need for electricity. An organic Rankine cycle-process (ORC) for the generation of electricity is also a possibility for the waste heat from the oven. It is concluded that a PCM may generate 30 MW h electricity, at the same time reducing problems with waste heat to the district heating. The steam-generator may suffice the current need for clean steam, saving 2 GW h of electricity yearly. This technique may be coupled to an ORC, yielding 650 MW h electricity per year.

3 Sammanfattning Denna rapport presenterar resultatet av ett projekt vars syfte har varit att undersöka möjligheter för utveckling av energisystemet vid Ultuna campus. Fokus har legat på att utnyttja spillvärme både från en fjärrvärmedriven absorptionskylmaskin på SLU och från en brännugn vid destruktionsanläggningen på SVA. För detta har olika tekniker utvärderats. Vid SLU har främst teknik för sänkning av fjärrvärmereturen via elproduktion med en vaxmotor samt minskning av fjärrvärmebehovet genom ersättning med solvärme utretts. För brännugnen har istället elproduktion med ORC-teknik samt ånggenerering för att tillgodose behov av renånga på SVA undersökts. Slutsatsen för SLU är att det är möjligt att årligen producera 30 MW h el och på så sätt sänka returtemperaturen på fjärrvärmevattnet med en vaxmotor. Tillsammans med vinster för Vattenfalls centrala elproduktion bör det också få ekonomisk bärkraft. För SVA dras slutsatsen att det vore möjligt att med en del av energin från brännugnen tillgodose det interna behovet av renånga och därmed minska elbehovet med 2000 MW h årligen. Med resterande del av energin är det dessutom möjligt att producera 650 MW h el med ORC-teknik.

4 Innehåll 1 Introduktion 2 2 Angående SLU Om lågtemperatursgeneratorer Om solkyla Om värmedrivna vitvaror Angående SVA Om ånggenerering Om ORC Systembygge Enklast möjligast Dyrare med större vinning Tack 13 Appendices 14 A PCM-motorn 14 A.1 Tekniken A.2 Utvärdering av PCM-motorn i Ultuna campus lokaler B Spetsning med Solvärme 23 B.1 Bakgrund B.2 Simulering B.3 Resultat C Ångproduktion vid SVA 27 D Elproduktion med ORC-teknik 29 D.1 Elutbyte D.2 För och nackdelar D.3 Simuleringar och beräkningar D.3.1 Fall 1 - simulering i Solkane D.3.2 Fall 2 - simulering i Solkane D.3.3 Fall 3 - systemlösning

5 1 Introduktion På uppdrag av Vattenfall Heat Uppsala har energisystemet på Ultuna campus studerats och förslag till förändringar lagts fram. Tyngdpunkten har lagts på att jämföra på marknaden existerande energitekniker som kan implementeras i befintliga system. Förslagen har bedömts främst efter den energi som kan vinnas. Dock ges en grov ekonomisk uppskattning där siffror funnits att tillgå. Särskilt har undersökts hur returvattentemperaturen från en absorptionskylmaskin (AKM) i energisystemet kan sänkas eller nyttiggöras, samt hur man i framtiden kan utnyttja varma rökgaser från en destruktionsugn på området. Målet har varit att presentera ett ekonomiskt hållbart och energieffektivare system med möjligheten att bygga in förslagen i nuvarande energisystem. Campus är anslutet till Vattenfalls fjärrvärmenät där området ligger längst ut på nätet utan större värmelaster efteråt. Förutom att tillgodose värmebehovet via fjärrvärme finns på SLU en AKM som levererar både komfort- och processkyla. Kyleffekten uppgår till 1500 kw och drivs av fjärrvärme. Levererad kyla till Ultuna campus sett under året åskådliggörs i figur 1. Figur 1: Producerad kyla vid SLU. Källa: Vattenfall Heat. Problem vid AKM:en består delvis i bristen på en god värmesänka. Temperaturen på kylmedelsidan är något högre än önskvärt och som temperatursänka används kyltorn. Dessutom är returtemperaturen på fjärrvärmesidan något hög, ett vanligt problem hos AKM:er. När utetemperaturen tillåter används en frikylaväxlare och för spetslaster sommartid finns en eldriven reservkylmaskin att tillgå. 2

6 Det finns en önskan från Vattenfalls sida att sänka fjärrvärmereturtemperaturen från AKM:en, gärna i kombination med nyttiggörande av denna spillvärrme. Dessutom är det eftersträvansvärt att den höga temperaturen på kylmedelssidan kan utnyttjas till något, alternativt om kyltornen kan bytas ut mot annan teknik. Det är främst under sommarmånaderna problemen uppkommer. Möjligheten att använda en akvifär existerar. Emellertid finns ett uttryckligt mål från Länsstyrelsen att det då skall ske ett nollsummespel med energi under under året. Sweco har gjort en utredning om denna möjlighet och funnit den teknisk möjlig men dyr. I denna rapport bortses från att använda den intilliggande åsen som värmesänka. På Ultuna campus norra del ligger Statens Veterinärmedicinska Anstalt (SVA) där det finns en destuktionsanläggning à 2 MW i drift åtta timmar om dagen, måndag till fredag. I dagsläget används spillvärmen till ett närvärmenät och överskottet går ut på Vattenfalls fjärrvärmeledning. Målet är att finna en användning för denna spillvärme. Problem består häri främst av en intermittent tillgång på varma rökgaser. 2 Angående SLU Figur 2 visar flöden, temperaturer och effekter för absorptionsmaskinen på SLU. De värden som visas gäller då utetemperaturen är 25 C. Figur 2: Principskiss av AKM:en vid maximala effekter, flöden och temperaturer. Källa: Götaverken Miljö. Returvattnet från AKM:ens generator är något högre än önskvärt, kring 68 C, för tillbakamatning till fjärrvärmenätet. Dessutom varierar kylbehovet, med ett 3

7 större effektbehov dagtid och under sommarmånaderna. Genom absorptionsmaskinens kylfaktor om 0,8 och levererad kyla (se figur 1) går att beräkna det timmedelflöde per månad av fjärrvärme som går genom maskinen. I den fortsatta diskussionen antas temperaturen på returvattnet vara konstant 68 C samt att AKM:en är i bruk 2000 timmar per år under perioden april till september. Under sommarmånaderna föranligger inget uppvärmningsbehov i angränsande byggnader, och vår och höst är effekten från returvattnet för liten för uppvärmning. Vad gäller kylmedelskretsen - med den något höga temperaturen om 32, 5 C på matarsidan - har de fyra kyltornen som fungerar som värmesänka en total elektrisk effekt om 60 kw. De tar plats och orsakar buller förutom att förbruka elektricitet. 2.1 Om lågtemperatursgeneratorer En tänkbar metod för att utnyttja spillvärme är olika typer av Organic Rankine Cycle (ORC), en turbinprocess med arbetsmedium som förångas vid lägre temperaturer än traditionella turbinarbetscykler. Denna teknik har en verkningsgrad mellan 5-15 % beroende på temperaturintervall. Det finns svenska konstruktörer av dylika maskiner, främst Opcon och Entrans. Den produkt Opcon erbjuder, Powerbox, kräver enligt tillverkaren som lägst effekterna 4 MW högvärdig spillvärme eller 10 MW lågvärdig spillvärme, och är således inget alternativ för SLU:s energisystem. Dessutom uppkommer problem eftersom kylmedelskapaciteten för närvarande är för låg. Kontakt med Entrans och simuleringar av olika arbetsmedier visar att en temperatur inte är tillräckligt hög för att få en tillfredsställande effekt eller ekonomi (se appendix D). För lägre temperaturer kan PCM-system (Phase Changing Material) vara ett alternativ. Dessa är värmemaskiner som genom att fasändra ett material kan uträtta ett volymändringsarbete som kan nyttiggöras i en generator (se appendix A för ytterligare detaljer). Det svenska företaget Exencotech utlovar en produkt som är effektiv inom temperaturintervallet C. Enligt uppgift från företaget krävs en temperaturdifferens om minst 24 C mellan varm och kall sida i PCM-systemet. Det är därför möjligt att använda fjärrvärmereturen från AKM:en som värmebärare och det 32, 5 C -gradiga kylmedlet som valigtvis går till kyltornen som kylvatten, se figur 3. 4

8 Figur 3: Principskiss av PCM-systemets inkoppling i energisystemet vid maximala temperaturer. Exencotech uppger att temperaturen höjs respektive sänks med 6 C över maskinen, samt att verkningsgraden är 2,5 % av energiinnehållet i temperaturdifferensen på varm sida. Här är emellertid flödena olika på varm och kall sida, varför dessa kommer sänkas respektive höjas olika mycket. Beräkningar gjorda med flöden och temperaturer som en varm sommardag ger ett PCM-system om 17 kw samt en sänkning av fjärrvärmereturen med cirka 6 C, se appendix A. Dessutom höjs den kalla sidan med 1, 3 C varför kyleffektsbehovet ökar med 19 %. Själva PCM-systemet skulle enligt uppgift vara 12 m 3 och möjlig att installera i nuvarande maskinhall. Tillkommer gör värmeväxlare och ny rördragning, dock bara inom Vattenfalls lokaler. Energivinsten blir i form av el och en vinst för kraftvärmeprocessen i och med ett kallare returvatten under sommarmånaderna. PCM-systemet har enligt tillverkaren serviceintervall om ett år. Emellertid blir det svårt att få ekonomi i installationen i och med den i sammanhanget låga märkeffekten och korta driftstiden. Exencotech uppger en installationskostnad på 26 öre/kw h. Med extrakostnader i form av utökad kyleffekt visar beräkningar att systemet inte blir lönsamt på egen hand. Vad som gör PCM-systemet intressant är istället den utökade last som systemet skulle utgöra i Vattenfalls fjärrvärmenät. Den ökade lasten leder till att Vattenfalls centrala kraftproduktion kan utökas. Beräkningar tyder på att PCM-systemet blir lönsamt som en följd av detta, se appendix A. 5

9 2.2 Om solkyla Då problemen med varmt returvatten uppkommer under årets varmare månader är det en möjlighet att driva AKM:en med värme från solfångare denna period. Medelst att montera solfångare på det intilliggande undervisningshusets tak skulle returflödet från kylmaskinen återuppvärmas istället för att matas till fjärrvärmereturen, se figur 4. Figur 4: Principskiss av solfångarsystemets inkoppling i energisystemet. En energivinning görs i detta fall genom att flödet till fjärrvärmereturen minskar vilket ger en kallare temperatur på denna. För Vattenfalls del kan detta bidra till minskad kylning vid kraftvärmeverket, men det minskade fjärrvärmeutnyttjandet innebär minskade intäkter. Berörda parter i en dylik konstruktion blir Vattenfall samt Akademiska hus som förvaltar undervisningshuset. Simuleringar med väderdata för en tioårsperiod visar att solfångarspetsning kan minska returflödet till fjärrvärmereturen, se appendix B. Spetsning med solvärme kan i varierande grad minska returflödet till fjärrvärmenätet. Störst potential finns under vår och försommar. Det låga fjärrvärmepriset torde dock minska konkurrenskraften för spetsning med solvärme som metod. 2.3 Om värmedrivna vitvaror Företaget Asko har utvecklat vitvaror som kan drivas med både el och fjärrvärme. Syftet har varit att skapa en värmelast i energieffektiva byggnader som annars inte är anslutna till fjärrvärmenätet och erbjuda en elbesparing för kund. Prototyper finns ute för utvärdering Denna teknik kan sänka temperaturen på returflödet genom att erbjuda en värmelast sommartid. Övrig tid drivs vitvarorna med el. Värmelasten blir enligt 6

10 uppgift 5 kw och nedåt per vitvara och flödet till den omkring 90 l/tim. Nya vitvaror måste här installeras med en merkostnad om 1000 kronor jämfört med traditionella vitvaror. Värt att tänka på är att värmelasten från en vitvara ej är kontinuerlig samt att ny rördragning måste ske. Visserligen finns en lunchrestaurang i en angränsande byggnad där större mängder diskvatten förbrukas och flera varmhållare för mat finns. Emellertid bedöms det inte kunna skapas en tillräckligt stor kontinuerlig värmelast för en effektiv avkylning av returvattnet. 3 Angående SVA Vid SVA finns som nämnt en destruktionsanläggning för biologiskt avfall. Anläggningen, som är i bruk kontorstid, hanterar årligen omkring 3000 ton avfall uppdelat på två större och en mindre ugn. Destruktionsanläggningen producerar 2,2 M W varma rökgaser och drivs av biodiesel. En principskiss finns att tillgå i figur 5. Figur 5: Principskiss av destruktionsanläggningen. Siffror från 2010 visar att anläggningen producerat 4300 M W h tillgänglig värme. Av detta har dryga 2300 MW h värmt upp en intilliggande byggnad, resterande del har nyttjats till att växla upp fjärrvärmens framtemperatur. Grannbyggnaden skall dock rivas inom en snar framtid. Kontakt med SVA visar på behov av renånga, el, värme samt kyla. Ingen god värmesänka finns att tillgå. 7

11 3.1 Om ånggenerering I dagsläget tillgodoser tre eldrivna ångpannor om totalt 975 kw ångbehovet till autoklaver, befuktning och avloppskokning. Dessa förbrukar knappa 2000 M W h årligen. Att sänka denna förbrukning skulle bidra till exergivinster och ekonomiska fördelar. Ånggerering kan dels ske via flashånga, där man låter högt trycksatt ånga expandera för att skapa renånga. Dock kräver denna metod väsentligt högre tryck varför utrustningen blir dyrare. Nuvarande plats för avgaspannan är dessutom trång. En enklare metod är att värmeväxla i avgaspannan för att generera renånga, se figur 6. Figur 6: Principskiss av produktion av ånga. Beräkningar visar att rökgas- och värmeflödena från destruktionugnen kan tillgodose nuvarande behov av renånga, se appendix C. Knappt hälften av energiflödet från ugnen, 1345 kw, blir desssutom oförbrukat. Ingen spillvärme blir över från renångan då kretsen är ett öppet system som spolas ut i avlopp. Installationen skulle ske i SVA:s lokaler som förvaltas av Akademiska hus. Även om den ekonimiska ersättning för producerad närvärme skulle gå förlorad, är miljonbelopp att besparas årligen via minskad elförbrukning. För SVA:s vinning kan restvärme efter ånggenerering användas till uppvärmning av byggnader. I detta scenario blir Vattenfall utan den nuvarande uppvärmningen av matarvattnet. 8

12 3.2 Om ORC De högre temperaturerna vid avgaspannan gör det möjligt att installera ett ORC-system här. För att optimera driften är det möjligt att driva ORC-processen på fjärrvärmevattnets framledning när man inte utnyttjar rökgaserna från förbränningsprocessen, se figur 7. Företaget Entrans har en patenterad lösning för dylik drift. Figur 7: Principskiss av ORC-systemets inkoppling i energisystemet. Vinster att göra i detta scenario är elproduktion för SVA och en ny värmelast för Vattenfall. Dock kräver ORC-processen en värmesänka. I den fortsatta diskussionen antas kylning ske i ett kyltorn som installeras på SVA:s område. Simuleringar med R134a som arbetsmedium visar på en maskin med en märkeffekt om dryga 165 kw när den drivs av 110-gradigt vatten, se appendix D. Övrig tid blir effekten 53 kw. Med en total driftstid om 8000 timmar, varav en fjärdedel på det varmare vattnet, blir nettoproduktion av el 650 M W h årligen. Med uppgifter från Goldschmidt om en installationskostnad av 23 tkr/kw blir slutsumman fem miljoner kronor. Till detta kommer merkostnader i form av kyltorn. Till yttermera visso blir returtemperaturen på värmekretsen hög, 61 C respektive 66 C. Denna kan sänkas genom att ändra förångningstemperaturen på arbetsmediet, men processen ger då en lägre generatoreffekt. Det är möjligt att använda denna spillvärme till uppvärmning av byggnader. 9

13 4 Systembygge Ovan nämnda tekniker har funnits möjliga att implementera i nuvarande energisystem. Här följer en diskussion om hur ett energismartare system i framtiden lämpligen kan byggas. Fokus ligger på maximal energivinning, både för Ultuna campus och Vattenfalls kraftvärmeprocess. 4.1 Enklast möjligast För att sänka returtemperaturen från AKM:en är installation av en PCMgenerator det enda av ovanstående alternativ som ger en god och kontinuerlig avkylning. Tekniska problem som uppkommer med en dylik installation är ett ökat kylbehov. Emellertid är det enbart vid spetslaster som nuvarande kyltorn inte är tillräckliga. Den el som produceras täcker det utökade effektbehovet vid extra kylning. Vid nuvarande drift av AKM:en skulle PCM-systemet generera 30 M W h årligen. Detta är i sig inte ekonomiskt försvarbart. Dock bidrar generatorn med en utökad värmelast. Med antagandet att en tiondel av denna värmelast kan nyttigöras i form av ökad elproduktion i kraftvärmeverket blir systemet ekonomiskt hållbart, se appendix A. Vad gäller destruktionsanläggningen på SVA är installationen av en rökgasdriven ångpanna en god investering. Den rökgasvärme som blir över kan emellertid nyttjas på flera sätt. Tekniskt enklast är att även i framtiden leverera närvärme, Vattenfall förlorar i detta fall uppväxlingen av fjärrvärmevattnet. Systemet åsskådliggörs i figur 8. Energivinsten blir 2 GW h insparad el samt ett kallare returvatten för fjärrvärmen i kombination med viss producerad el. Figur 8: Förslag till utbyggnad av nuvarande energisystem. Nya installationer i orange. 10

14 4.2 Dyrare med större vinning Emellertid har SVA även ett behov av kyla och elektricitet. Den maximala medeleleffekten för kyla uppgår enligt kontakt med SVA till 130 kw. Med en antagen kylfaktor om 3,5 uppgår detta till 450 kw levererad kyla. Vad gäller leverans av kyla kan detta lösas på två sätt: en värmedriven AKM eller en eldriven kylmaskin (KM). Tillgänglig värme efter ånggenerering är 1345 kw. Elektricitet kan fås via en ORC-process på spillvärmen efter det att renånga producerats. Med en elverkningsgrad på 10 % blir effektbehovet i värme det dubbla för en KM jämfört med en AKM med samma kyleffekt, se figur 9. Figur 9: Skillnad i effektflöden mellan kylmaskin och absorptionskylmaskin. Avkylningsbehovet är nästan dubbelt så stort för en AKM vilket medför ett större kyltorn. Detta fördyrar en redan kostsam process och ger upphov till buller. Överslagsberäkningar visar att levererad kyla från de båda maskinerna uppgår till 540 kw för en AKM och 1000 kw för en KM vid maximala flöden och temperaturer, se figur 9. Då en KM till större del täcker SVA:s kylbehov - och tillgång till spillvärme finns även under årets kallare del när frikylaväxlare kan nyttjas - är en ORC- process en energismartare utvidgning av energisystemet. De perioder när kylbehovet kan tillgodoses av utomhusluft blir överskottsvärme till elektricitet. Problem som uppkommer vid implementering av en ORC vid SVA är nuvarande brist på en värmesänka. För sommardrift måste ett kyltorn finnas tillgängligt. Det intermittenta spillvärmeflödet blir inget problem då ORC:n designas för att drivas av fjärrvärme under kvällar och nätter. Vattenfall vinner här en värmelast. Det föreslagna energisystemet presenteras i figur 10. Efter AKM:en på SLU installeras ett PCM-system. Vid SVA byggs en ORC efter det att renånga produ- 11

15 cerats. Tillkommer gör ett kyltorn vid SVA samt utökad kyleffekt för kyltornet vid SLU. Figur 10: Förslag till utbyggnad av nuvarande energisystem. Nya installationer i orange. Uppvärmning av byggnader samt uppväxling av fjärrvärmevattnet, totalt 4300 MW h värme går förlorad. Total energivinning blir 700 MW h producerad el, 2000 M W h insparad el, kallare returfjärrvärmevatten samt en ny värmelast för Vattenfall. 12

16 5 Tack Mia Nordström, Vattenfall Kjell Karlsson, Vattenfall Marina Johnsson, SVA Arne Roos, Uppsala universitet Kjell Pernestål, Uppsala universitet Bengt Östlund, Exencotech Björn Asp, Entrans Victoria Martin, KTH Ewa Wäcklegård, Uppsala universitet Johan Saltin, VÄAB Hans Bergström, Uppsala universitet Niklas Hagman, Svesol Kjell Andersson, Mälarenergi 13

17 Appendix A PCM-motorn A.1 Tekniken Företaget Exencotech har utvecklat en produkt som generar elektricitet från spillvärme. Det som gör företagets produkt unik är att den är effektiv inom temperaturintervallet C (20). Phase Changing Material eller PCM är vad som är nyckeln till hela konstruktionen. Precis som namnet antyder är PCM ett material som byter fas. När ett ämne byter fas frigörs eller konsumeras stora mängder energi relativt fallet då ämnets temperatur ökar eller minskar. Denna förändring av inre energi kan utnyttjas för omvandling till elektrisk energi. Det material som används i PCM-motorn är ett paraffin. Paraffin är kolvätekedjor vars smältpunkt bestäms av hur många kolatomer som ingår i kedjan. Detta gör att ämnets egenskaper kan skräddarsys till den applikation där den ska användas. Ju fler kolatomer kedjan innehåller, desto högre smältpunkt har paraffinet i fråga. Normalt tar det lång tid för paraffin att fullständigt ändra fas, men för att få ut någon effekt att tala om krävs att den tiden förkortas markant. I PCM-motorn har man lyckats minska tidsförloppet till 14 sekunder (21). PCM-motorns konstruktion är enkel. Den består av flera tubvärmeväxlare, där varje värmeväxlare omsluts av paraffinet. Paraffinet i sin tur omsluts av en stark stålcylinder. Värmeväxlarna genomleds växelvis av varmt och kallt vatten, eller annan lämplig energibärare. Då värme överförs till paraffinet expanderar detta, men eftersom allt omsluts av stålcylindern tvingas paraffinet att expandera inåt. I centrum av värmeväxlaren löper en gummislang som är kopplad till ett system med hydraulolja. När paraffinet expanderar kläms gummislangen ihop vilket gör att hydrauloljan pumpas, med högt tryck (320 bar), genom systemet. Därmed uppstår ett volymutvidgningsarbete som kan omvandlas till elektrisk energi i en generator. Genom att värmeväxlaren genomleds av varmt och kallt vatten växelvis kommer paraffinet att expandera och kontrahera i takt med temperaturförändringen (21). Som nämndes tidigare är PCM-systemet unikt då det är applicerbart vid förhållandevis låga temperaturer, (25 C 95 C). Inom detta temperaturintervall är det svårt att få lönsamhet med konventionella tekniker som t.ex. Organic Rankine Cycle, (ORC). En ORC uppges uppnå en verkningsgrad på 5-10 % (1), men kräver högre temperaturer för att bli lönsamt. PCM-systemet är konstruerat för att jobba i ett 24 C-intervall. Med en temperaturdifferens på 24 C utlovas en verkningsgrad på ca 2, 5%, vilken fördubblas om temperaturskillnaden i systemet fördubblas (21). Om temperaturintervallet är större än 24 C kan två eller flera PCM-moduler kaskadkopplas (serie), vilket medför att effektiviteten ökar enligt ovan. Enligt tillverkaren kräver systemet en installationsvolym om 1 8 m3 /kw (21) vilket gör det till ett kompakt system. Enligt Exencotech kostar systemet 26 öre/kw h att inrätta (19). 14

18 Exencotech, som uppfunnit och tillverkar PCM-motorn, förväntar sig en relativt snabb utveckling av konceptet i fråga om effektivitet. Man tror bland annat att temperaturskillnaden som krävs för att driva systemet, med bibehållen verkningsgrad, kommer att minska till ca 18 C. Man har också planer på att införa nanoteknik i paraffinet som då skulle medföra att omloppstiden minskar ytterligare. Tester har, enligt uppgift, gett lovande resultat (21). A.2 Utvärdering av PCM-motorn i Ultuna campus lokaler Kylanläggningen på Sveriges Lantbruksuniversitet är, som tidigare nämnts, en absorptionskylmaskin eller AKM. AKM:en, som drivs av fjärrvärme, sänker fjärrvärmevattnets temperatur från 85 C till 68 C innan det skickas tillbaka till fjärrvärmenätets returledning (17). Vattenflödet genom maskinen är 98 m3 h en solig sommardag (25 C) vilket gör att AKM:ens effekt uppgår till ca 1, 88 MW (17). Anläggningen kyls med hjälp av fyra kyltorn som sänker temperaturen från 32, 5 C till 25, 5 C. Flödet uppgår till 420 m3 h i den kalla delen av AKM:en (17). PCM-motorn skulle kunna drivas med hjälp av det 68-gradiga vattnet från AKM:en, och kylas med det 32, 5-gradiga kylmedlet. Värmeväxlare skulle behövas både för att föra över effekten från det 68-gradiga vattnet till PCM-systemet, och för att transportera ut värme från PCM-motorn till det 32, 5-gradiga kylmedlet. Enligt Exencotech är det brukligt att räkna med 3 C lägre temperatur i PCM-systemet på den varma sidan, vilket således blir 65 C (21). Det omvända gäller följdaktligen i PCM-motorns kalla del vilket resulterar i en tempetur på 35, 5 C. Detta skulle innebära en temperaturdifferens på 29, 5 C mellan varm och kall sida vilket överstiger den givna temperaturskillnaden på 24 C som eftersträvas (21). Eftersom kylmedlets flöde, (420 m3 h ), vida överstiger flödet på den varma sidan, (98 m3 h ), kommer värmeeffekten i det varma vattnet verka begränsande för systemet. Enligt Exencotech krävs att demperaturdifferensen mellan varm och kall sida är minst 12 C efter PCM-motorn, (se bild 11). Dessutom måste temperaturdifferensen över motorn vara minst 6 C (21). I följande beräkningar antas att värmekapaciteten, c p, för vatten är konstant 4, 18 kj kgk, och vattnets densitet konstant, 1000 kg m, oavsett temperatur. De beräkningar som följer resulterar i 3 flöden och temperaturer enligt figur 11 15

19 Figur 11: Principskiss över PCM-systemet inkopplat till AKM:en Före PCM-motorn, i den kalla delen, kommer temperaturen vara 35, 5 C. Därefter höjs temperaturen med 6 C över motorn så att temperaturen efter PCMmotorn blir 35, 5 C + 6 C = 41, 5 C (1) Temperaturdifferensen, efter PCM-motorn, mellan varm och kall sida måste vara minst 12 C. Alltså blir temperaturen 41, 5 C + 12 C = 53, 5 C (2) efter PCM-motorn i den varma delen. Före PCM-motorn är temperaturen, som tidigare nämnts, 65 C på varma sidan. Detta resulterar i en temperaturdifferens över motorn på 65 C 53, 5 C = 11, 5 C. (3) 16

20 Exencotech anger att PCM-systemet sänker fjärrvärmetemperaturen med 6 C (21). Om vi antar att värmeväxlarna har en verkningsgrad på 98 % kan vi med hjälp av kända värden nu beräkna temperaturer, flöden och effekter för PCM-systemet. Till detta behövs ekvationen för inre energi som lyder enligt (7). Q = ṁ c p (T H T L ) (4) Effekten som tas ur fjärrvärmevattnet blir enligt ekvation 4 P 1 = 98 m 3 h 1000 kg m s h 4, 18 kj kg C (68 62) C = 682 kw. (5) På PCM-sidan fås då en effekt på P 2 = 98 m 3 h 1000 kg m s h 4, 18 kj kg C (68 62) C 0, 98 = 669 kw. (6) Flödet i PCM-systemets varma sida kan nu beräknas till P 2 = 669 kw = 4, 18 kj kg C 11, 5 C ṁ 1 ṁ 1 = 669 kw 4, 18 kj kg C 11, 5 C kg = 13, 9 s 50 m3 h. (7) Eftersom temperatursänkningen över PCM-motorn är större än 6 C kan flödet hållas på en lägre nivå, (för samma effekt se ekvation 4). Detta resulterar i att mindre energi går åt till att pumpa runt vattnet i PCM-systemets varma sida, vilket i sin tur medför att den totala verkningsgraden går upp något. Dock antas här att verkningsgraden är oförändrad vilket skulle resultera i en genererad eleffekt på P e = P 1 η = 682 kw 0, 025 = 17 kw. (8) 17

21 Den effekt som måste kylas bort i PCM-systemets kalla del blir P 3 = P 2 P e = 669 kw 17 kw = 652 kw, (9) vilket enligt ekvation 7 ger ett flöde på ṁ 2 = 652 kw 4, 18 kj kgk 6 C kg = 26 s 94 m3 h (10) i den kalla delen av PCM-systemet. Den kalla delen av kyls med hjälp av det 32, 5-gradiga kylmedlet som sedan, i sin tur, kyls i kyltornen. PCM-systemet kommer höja det 32, 5-gradiga kylmedlets temperatur vilket resulterar i att kylkapaciteten måste höjas i kyltornen. Alternativt skulle AKM:en kunna köras med en högre intemperatur på kalla sidan, vilket skulle sänka dess verkningsgrad. Här antas att den extra effekten kyls bort genom att bygga ut kylkapaciteten i kyltornen. Den extra effekt som måste kylas bort kommer vara samma som effekten i PCM-systemets kalla del minus förluster i värmeväxlaren mot det 32, 5-gradiga kylmedlet. Denna effekt beräknas till P 4 = P 3 0, 98 = 652 kw 0, 98 = 639 kw. (11) Flödet i det 32, 5-gradiga kylmedlet har angivits till 420 m3 kg h = 116, 7 s. Temperaturökningen av detta vattenflöde kommer därför uppgå till T = 639 kw 4, 18 kj kg kg C 116, 7 s = 1, 3 C. (12) Den tidigare, genom kyltornen, bortförda effekten uppgick till P kyl = 116, 7 kg s kj 4, 18 kg (32, ) = 3414 kw. (13) C Därför blir den procentuella ökningen av kyleffektbehovet P 4 P kyl = 639 kw 3414 kw = 18, 7 %. (14) 18

22 Som nämndes i första stycket, (kap A.2), gäller ovanstående uträkning för en solig sommardag med 25 C i utetemperatur. I tabell 1 visas absorptionsanläggningens kylproduktion över året (17). Detta används senare för att genomföra en helhetsbedömning av PCM-systemets potential för Ultuna Campus. Tabell 1: Absorptionsanläggningens kylproduktion [MW h]. april maj juni juli augusti september oktober Kylmaskinens kylfaktor är 0,8 (17) vilket gör att fjärrvärmekonsumtionen kan beräknas och visas i tabell 2. Tabell 2: Absorptionsanläggningens fjärrvärmekonsumtion [MW h]. april maj juni juli augusti september oktober Medeleffekten i fjärrvärmevattnet, tabell 3, approximeras enligt Q fjärrvärme = fjärrvärmekonsumtion antal timmar. (15) mȧnad Tabell 3: Medeleffekt uttagen ur fjärrvärmevattnet [kw ]. april maj juni juli augusti september oktober Vid den exemplifierade dagen, (25 C), uppgår AKM:ens effektuttag ur fjärrvärmevattnet till 1930 kw enligt ekvation 4. Fjärrvärmevattnets flöde för respektive månad, tabell 4, beräknas därför enligt V = medeleffekt 1930kW 98m3 h. (16) Tabell 4: Fjärrvärmevattnets flöde [ m3 h ]. april maj juni juli augusti september oktober 8,4 28,4 69,6 76,0 76,1 38,4 10,6 19

23 Elproduktion kan beräknas enligt ekvationerna 6 och 8 vilket skulle ge medeleffekterna för respektive månad enligt tabell 5. Tabell 5: PCM-systemets teoretiska elproduktion för respektive månad [kw ]. april maj juni juli augusti september oktober 1,4 4,9 11,9 13,0 13,0 6,6 1,8 Enligt ekvation 11 krävs då också en förhöjd kyleffekt vilket visas i tabell 6 Tabell 6: Beräknad ökning i kyleffekt [kw ]. april maj juni juli augusti september oktober 55,1 185,5 453,9 495,9 496,4 250,2 69,4 Kyltornen på SLU kostade 1, 3 miljoner kr att installera och kyler bort 3414 kw ur det 32, 5-gradiga kylmedlet (17). Kostnaden för att bygga ut kylkapaciteten approximeras enligt kylef f ektsökning 3414 kw kr. (17) Installationskostnaden för PCM-systemet uppges vara 26 öre/kw h beräknat på 8000 h/år i 15 år (21). Dessa data användes tillsammans med tabell 5 för att beräkna kostnaden för PCM-systemet. Data från tabell 6 användes tillsammans med ekvation 18 för att beräkna kostnaden för kyleffektsökningen. Resultatet redovisas i tabell 7. Notera att installationskostnaderna beror på PCM-motorns storlek, dvs installerad effekt. Tabell 7: Installationskostnader [kr]. Installerad effekt [kw ] 1,4 4,9 11,9 13,0 13,0 6,5 1, Installationskostnad kyltorn Installationskostnad PCM Totalkostnad

24 Kyltornen på SLU konsumerar totalt 60 kw el vid full last. En ökning av kyleffekten kommer också leda till en högre elkonsumtion i kyltornen. Den utökade kyleffekten måste dras från den eleffekt som PCM-systemet kan leverera. I likhet med ekvation 18 kan den utökade elkonsumtionen beräknas enligt kylef f ektsökning 3414 kw 60 kw. (18) Med en beräknad avskrivningstid på 15 år, och om priset per producerad kw h antas vara ca 40 öre, kommer årsresultatet för respektive system bli enligt tabell 8: Tabell 8: Balansräkning [kr]. Installerad effekt [kw ] 1,4 4,9 11,9 13,0 13,0 6,6 1,8 årsintäkt el med à pris = 0, 4 kw kr h årskostnad el i kyltorn, med à pris = 0, 4 kw kr h årskostnad (15 år) Resultat Det bör poängteras än en gång att ovanstående resultat endast ska ses som en fingervisning. Uträkningen tyder dock på att PCM-systemet inte är ekonomsikt lönsamt, i sig, för fallet Ultuna Campus. En installation av PCM-systemet medför, som tidigare nämnts, att temperaturen på fjärrvärmevattnet sänks, vilket är det samma som att lasten ökar i fjärrvärmenätet. Detta faktum är av gagn för Vattenfalls verksamhet centralt, (i Boländernas kraftvärmeverk) (17). Enligt uppgift leder en lastökning till en ökad elproduktionen på 10 % av lasteffekten. Med dessa uppgifter kan en ny balansräkning genomföras där vinsterna centralt räknas med. Resultatet redovisas i tabell 9. 21

25 Tabell 9: Balansräkning inklusive central elproduktion [kr]. Installerad effekt [kw ] 1,4 4,9 11,9 13,0 13,0 6,6 1,8 årsintäkt el med à pris = 0, 4 kw kr h årsintäkt el centralt med à pris = 0, 4 kw kr h årskostnad el i kyltorn, med à pris = 0, 4 kw kr h årskostnad (15 år) Resultat Beräkningarna tyder på att PCM-systemet blir lönsamt indirekt till följd av dess förmåga att sänka fjärrvärmetemperaturen. En sista gång poängteras att dessa beräkningar inte visar någon exakt kalkyl för PCM-systemets lönsamhet. De är bara tänkta att grovt illustrera PCM-systemets vara, eller icke vara, i ett större sammanhang. I fallet Ultuna campus verkar alltså PCM-systemet kunna vara ett bra alternativ trots att det intermitenta flödet knappast utgör någon ideal miljö för PCM-motorn. Värt att notera är att trots de dåliga förutsättningarna på Ultuna campus håller sig ändå kostnaderna för PCM-systemet inom förhållandevis rimliga nivåer. På en plats med ett jämnare flöde av spillvärme över året skulle en PCM-motor mycket väl kunna utgöra ett bra sätt att ta tillvara på förlusterna. Det framgår av tabellerna 8 och 9 att eldrivna kyltorn bör undvikas om möjligt. I denna rapport har hänsyn inte tagits till att åsvatten skulle kunna användas som värmesänka. Detta skulle ge en större temperaturdifferens att jobba med vilket skulle medföra högre verkningsgrad och högre effekt. Det skulle också leda till lägre intsallationskostnader och lägre driftskostnader, samtidigt som intäkterna skulle öka tillföljd av högre uteffekt från PCM-systemet. Utan kyltorn skulle även elkostnaden för dessa elimineras. Alternativa värmesänkor till PCM-systemet anses vara något som bör ses över. Alternativt skulle en utredning kunna fastställa om den extra värmesänkan kan utelämnas så att AKM:en förses med något varmare vatten (1, 3 C) i den kalla delen. 22

26 B Spetsning med Solvärme B.1 Bakgrund Syftet med denna studie är att undersöka möjligheten att med hjälp av solfångare återuppvärma en del av generatorns utflöde i AKM:en, och återanvända som värmebärare över generatorn. Detta kommer inte att minska uttemperaturen från generatorn. Dock kommer ett minskat flöde till fjärrvärmenätets returledning att åstadkommas. Minskningen av massflödet är direkt proportionerligt mot den andel fjärrvärme som kan ersättas av solvärme. De timmar när soluppvärmningen är tillräcklig för att utgöra AKM:ens totala värmetillförsel kommer således fjärrvärmeflödet att strypas fullständigt. Då det 68 gradiga flödet till fjärrvärmenätets retursida minskar, kommer temperaturpåverkan av detta flöde minska. Därmed sjunker också temperaturen på fjärrvärmenätets retursida (9). Dock kan det minskade fjärrvärmeutnyttjandet i förlängningen innebära minskade intäkter från kraftvärmeproduktion. Detta måste ställas mot möjligheten till en minskad kostnad för avkylning och övriga eventuella merkostnader till följd av en hög temperatur på fjärrvärmenätets retursida. Att optimera kraftvärmeproduktionen ligger dock utanför denna studie. Om ekonomiska aspekter som rör kraftvärme bortses från, måste en kostnadsjämförelse göras mellan olika alternativ för uppvärmning av AKM:en. Enligt Viktoria Martin, lektor vid KTH, är fjärrvärme alltid billigare än solvärme som värmebärare vid svenska förhållanden (12). Möjligheten till uppvärmning med solvärme begränsas av den solinfångande arean, solinstrålningen samt solfångarens prestanda. B.2 Simulering För att bedöma hurvida en solvärmeanläggning är en effektiv och lämplig lösning har simulering genomförts. Simuleringen innefattar hur effekten från anläggningen varierat över de månader AKM:en är i drift. Enligt modellen är solvärmepanelerna tänkta att monteras på undervisningshusets tak, nära AKM:en. I simuleringen har väderdata, bestående av den globala instrålningen (summan av diffus och direkt stråling), använts. Solfångarna har antagits komma att monteras plant på takets yta. Detta medför att hela ytan kan utnyttjas som effektiv yta i simuleringen medan den totalt instrålade effekten kommer att vara minde än optimalt per m 2 solfångaryta. Om panelerna istället vinklas kommer den instrålade effekten att öka per m 2 medan en mindre del av takytan kan utnyttjas (16). Hur man väljer att montera solfångarna i slutändan beror av ett flertal faktorer, däribland geografiskt läge och pris per m 2 solfångare vilket inte har behandlats. 23

27 De väderdata som har använts i simuleringen består av instrålning och temperatur för varje timme i perioden 1 januari 2001 till och med 31 december 2010 (4). Eftersom AKM:en endast är i bruk under perioden april till oktober har endast data inom denna period behandlats. Dessutom har effekter mindre än noll, dvs. när solfångarsystemet sänker temperaturen på vattnet, inte tagits med i beräkningarna. Effekten ges av följade formel Q u = η 0 G a 1 ( T T ) a 2 ( T T ) 2 (19) (16) där η 0 är solfångarens verkningsgrad, och beskriver solfångarens förmåga att värmas upp av den inkommande strålningen, G. Detta beror på solfångarens geometri och materialfysiska egenskaper. a 1 och a 2 är förlustkoefficienter, där a 1 i första hand anger konvektionsförluster medan a 2 anger strålningsförluster (16). I simuleringen har ingen hänsyn tagits till den termiska trögheten i systemet. Temperaturen T är den medeltemperatur som är önskvärd på värmemediet i solfångarkretsen medan T är utomhustemperaturen. I beräkningarna har specifikationerna för η 0, a 1 samta 2 tagits från en befintlig solfångare av märket Wagner & Co med η 0 = 0, 83 a 1 = 3, 52 a 2 = 0, 015 W m 2 K W m 2 K 2 (6) samt har T satts till 75 C för att erhålla minst 85 C på värmemediet (5). Undervisningshusets takyta har uppskattats med hjälp av ritningar över byggnaden (13). Ingen hänsyn har tagits till att delar av takytan kan komma att skuggas under dagen. Den totala arean, A, blir då 3293 m 2. Tillsammans med instrålningen per m 2 kan då den totala effekten beräknas enligt P T = Q u A (20) Resultatet av simuleringen redovisas i figur 12 nedan som visar AKM:ens medeleffekt under varje månad från april till oktober jämfört med solvärmeanläggningens medeleffekt under samma period. 24

28 Figur 12: Solanläggningens medeleffekt jämfört med AKM:ens medeleffekt Tabell 10: Solvärmeanläggningens andel av den totala kyleffekten för respektive månad AKM:en är i drift. [%] april maj juni juli augusti september oktober

29 B.3 Resultat Resultatet kan ses som en bästa approximation för hur mycket flödet till fjärrvärmenätets returledning kan minskas genom uppvärmning med solvärme. Det visar sig under de antaganden som gjorts i simuleringen att uppvärmning med solvärme kan ersätta fjärrvärme med mellan 1, 5 69, 6 %, beroende på vilken månad som avses. Under våren och försommaren har uppvärmning med solvärme större potential att ersätta fjärrvärme än under sensommaren och hösten. Att andelen fjärrvärme som kan ersättas med solvärme är som högst under april månad beror till stor del på att kyleffekten från AKM:en är som lägst under denna månad. Den högsta effekten från soluppvärmning fås dock under juni och juli månad när den globala instrålningen är som störst. Detta resultat överensstämmer med litteraturen som hävdar att soltillgången oftast är i fas med kylbehovet (9). Det är således vid ett högt kylbehov som uppvärmning med solvärme har störst möjlighet att minska fjärrvärmeflödet över generatorn. Under augusti månad erfordras en hög medeleffekt till AKM:en, 1,5 MW, samtidigt som uppvärmning med solvärme endast kan minska andelen fjärrvärme med 11,1 %. Under juli månad, när AKM:en kräver en lika hög effekt, kan andelen fjärrvärme minskas med 17,3 %, en påtaglig ökning jämfört med augusti månad. Sommartid, då fjärrvärmenätets framledningstemperatur är som lägst, och kyllasten är som störst, förväntas AKM:ens inverkan på returledningstemperaturen också vara som störst (9). Under sommarmånaderna är dessutom priset på fjärrvärme som lägst (3). Det låga fjärrvärmepriset torde minska konkurrenskraften för metoden uppvärmning med solvärme. 26

30 C Ångproduktion vid SVA På SVA finns två destruktionsugnar som är i skiftande bruk. Idag eldas ugnarna med bioolja. Till varje ugnslinje finns kopplat till rökgaskanalen en avgasspanna med nominell effekt om 2, 2 MW. Totalt produceras 4300 MW h fjärrvärme i form av hetvatten genom att FV-vatten från nätets framledning värms från en temperatur på 85 C 110 C. I dagsläget levereras 2343 MW h per år till det närliggande Klinikcentrum, KC. Resterande mängd matas ut åter ut på fjärrvärmenätets framledning. För den energin som leveraras till KC får SVA ersättning men inte för den som går ut på nätet. Av den totala effekten på 2, 2 MW består 1, 17 MW av leverans till KC beräknat på en driftstid om 2000 timmar. Att installera mer avancerad utrustning för t.ex. elproduktion har tidigare inte varit intressant dels p.g.a. problemet med att anläggningen bara körs kontorstid. Med den låga utnyttjandegraden blir det svårt att räkna hem en sådan investering. Anläggningen är idag ej heller anpassad för att tillgodogöra värmeenergi direkt i sopugnen, all värmetutvinning sker via rökgaserna i avgaspannorna. För förbränningen finns också krav på destruktionsmaterialets uppehållstid i ugnen och efterbrännkammaren, minst 2 sekunder vid lägst 850 C. (18) På SVA finns ett stort behov av renånga till anläggningens autoklaver, befuktning av lokaler samt avloppskokning. För att producera renånga används idag elpannor där rent matarvatten upphettas och förångas till rätt tryck och temperatur. I dagsläget finns det 3 elpannor om totalt 975 kw e. Totalt förbrukar dessa nästan 2000 MW h el årligen. Om SVAs destruktionsanläggning skulle kunna bidra till att sänka denna förbrukning skulle det ge både ge exergivinster och ekonomiska fördelar. Att direkt producera renånga i avgaspannan är inte möjligt med tanke på kraven på ångans kvalité. Istället skulle ett slutet system för produktion av processånga i avgaspannan kunna uppföras. Renångaproduktionen sker därefter i en clean steam generator genom värmeväxling mellan de två ångmedierna. För att få ett bra utbyte krävs att processångan håller ett högre tryck än kretsen med renånga. Om renångan leveraras vid mättnadstryck och temperatur om 4 bar, 144 C bör processångan hålla åtminstonde 3 bar högre tryck. kg Den ångmängd som elpannorna producerar bör motsvara runt 1, 2 hkw e installerad effekt i elångpannorna. (14) Med en installerade effekten om 975 kwe ger elpannorna alltså 1, kg h = 1170 kg h = 0, 325 kg s Om avgaspannan istället för att leverera vatten modifieras genom att sänka flödet så att den producerar mättad ånga vid 8 bar och 171 C med samma effekt som tidigarefås ett ångflöde enligt 27

31 Q = ṁ (c p (T H T L ) + ångbilningsvärme) (21) Där T L är det återledda kondensatets temperatur vilken sätts till 85 C. Ångflödet ur pannan blir då 2200kW ṁ = 4, 18 kj kj kg C (171 85) kg = 0, 916 kg s Med ett utbyte på ca 0, 8 0, 9 mellan process- och renångan i clean steam generatorn (15) skulle det motsvara ett behov av processånga på 0, 325 0, 80 = 0, 40 kg s Om renångan leveraras vid mättnadstryck och temperatur om 4 bar, 144 C med ett flöde på 0, 325 kg s. Vilket mer än väl skulle kunna täckas med flödet från avgaspannan. Effektbehovet för renångan blir Q = kg s (4, 18 kj kg C (144 25) C kj ) = 855 kw kg där det inkommande rena matarvattnets temperatur antas vara 25 C. Kondensatet som bildas från processångan skulle då ha en temperatur på (från (1)) T L = 855 kw (0, 4 kg s kj kg 4, 18 kg C , 4 s 0, 4 kg s kj 4, 18 kg C kj ȧngbildningsvärme kg ) = 149 C Detta tillsammans med resterande ångflöde om 0, 916 0, 4 = 0, 516 kg s total effekt på med en 2200 kw 855 kw = 1345 kw skulle antingen även fortsättningsvis kunna växlas mot fjärrvärmenätet eller eventuellt mot ORC-kretsen. 28

32 D Elproduktion med ORC-teknik Organisk RankineCykel bygger på samma princip som en vanlig ångkraftprocess (Rankine cycle) med ångpanna, turbin, kondensor och matarvattenpump. För att överföra värme till ORC-kretsen kan en värmeväxlare användas. Figur 13: Exempel på integrerad organisk Rankine-cykel (11) Till skillnad ifrån en vanlig Rankine-cykel består arbetsmediet i ORC kretsen inte av vatten, utan av en organisk vätska. Organiska vätskor kan förångas vid lägre temperatur än andra arbetsmedier(t.ex. vatten) vilket möjliggör utnyttjande av mer lågvärdig spillvärme till att förånga mediet och driva turbinen i kretsen. Vid fasomvandling ifrån vätskeform till gasform absorberas en stor värmemängd av arbetsmediet. Arbetsmediet skräddarsys för optimerad drift, vilket bl.a. innebär att mediets kokpunkt bör stämma överens ganska väl med värmekällans temperatur. Andra önskvärda egenskaper hos arbetsmediet är hög ångbildningsentalpi och låg specifik värmekapacitet. Traditionell kraftvärme med ångturbin är ogynnsam vid låga temperaturer eftersom vattenångan blir fuktig vid expansion i turbinen. Detta leder till att risken för korrosion och erosion ökar betydligt. (11) 2007 fanns ett 70-tal anläggningar med ORC-teknik runt om i Europa (10). Vanligast när värmeväxling sker emot högtempererade rökgaser är att använda en hetoljekrets som värmebärare och värmeväxla denna hetoljekrets emot ORC-kretsen, innehållande valt organiskt arbetsmedie. För att komma upp i temperaturer över 100 C utan att vattnet kokar måste vattenkretsen som växlas emot avgaspannan vara trycksatt. I vårt fall ligger trycket på runt 8 bar. Vid val av arbetsmedium behöver man ta hänsyn till mer än termodynamiska egenskapar. Parametrar som spelar in vid val av ämne är även låg viskositet, låg 29

33 volym, lämplig termisk stabilitet. Det är även viktigt att ämnet är miljövänligt, kostnadseffektivt, samt att hänsyn tas till mediets påverkan på systemmaterialet i stort. (8) D.1 Elutbyte Erhållet elutbyte beror främst på temperaturdifferensen mellan förångnings- och kondenseringstemperaturen. Även expanderns konstruktion samt val av arbetsmedium påverkar. Entrans erbjuder ett hydrauliksystem mellan turbinen och generatorn som fungerar som en växellåda och låter expandern löpa fritt inom ett bestämt varvtalsintervall. Detta underlättar vid intermittent drift. Vid fallet att värmesänka och värmekälla är vätskor är förångningstemperaturen ca C lägre än värmekällan och kondenseringstempraturern ca 7 12 C högre än värmesänkan. (2) Grafen nedan ifrån Entrans hemsida visar elutbytet i förhållande till förångnings- och kondenseringstemperatur. Figur 14: Nettoel, (2) Grafen ovan illustrerar även värmesänkans viktiga roll i ORC-kretsen. Även om spillvärmekälla finns blir elutbytet dåligt om det inte går att komplettera med en lämplig värmesänka. Förvärmning ifrån kondenseringstemperatur till förångningstemperatur kan utgöra ända upp till 60% av den tillförda energin till ORC cykeln. (2) 30

34 Figur 15 visar ett T-S diagram som illustrerar olika steg i processen. Figur 15: Diagram. Termodynamiskt diagram av ORC-process. (11) D.2 För och nackdelar De främsta fördelarna med en ORC-krets är: ORC-enheten är sluten låg arbetsmedieförlust, inget system motsvarande vattenreningsanläggning krävs och inga utsläpp av växthusgaser. ORC-turbinen är långsamtgående direktdriven generator och låg mekanisk belastning. Det organiska mediet är mer kompakt än vattenånga. Detta gör att turbinen kan byggas mer kompakt, vilket ger en låg periferihastighet och att storleken minskar. Arbetsmediet är fritt från fukt, vilket minimerar risken för erosionsskador på turbinen. Hög tillgänglighet och låga driftskostnader. Ljudnivån är låg bland annat på grund av det låga varvtalet.-(11) De främsta nackdelarna: Dyr installationskostnad Låg mängd producerad el i förhållande till instoppad värme. Resulterar i vårt fall i en högre än önskad returtemperatur. 31

35 D.3 Simuleringar och beräkningar I nuläget värmer rökgaserna i avgaspannan upp fjärrvärmevatten, årligen produceras 4296 MW h fjärrvärme. Då vattnet värms från ca 85 C till 110 C så kan flödet beräknas om driftstiden antas vara 2000 h: kw h 4, 18 kj kg C 2000 h (110 85) C = 20, 555 kg s. På destruktionsanläggningen vid SVA undersöks lösningen att värmeväxla emot fjärrvärmevattnets framledning. Dels när pannan är i drift och vi spetsar framledningsvattnet till 110 C samt alternativet där vi endast använder oss av fjärrvärmenätets framledning på 85 C. Med hjälp av företaget Entrans och simuleringsprogrammet Solkane, har potentiell elproduktion uppskattats. Följande simuleringar har gjorts med arbetsmedie 134a: Eftersom det är en framreturkoppling utreds en ORC-krets utan rekuperator, men med förvärmning av arbetsmediet. Detta för att ytterligare sänka temperaturen på fjärrvärmereturen. (Se figur 16) Figur 16: ORC-krets med fjärrvärme spetsad från rökgaserna ifrån förbränningsugnen [Modifierad av författarna. Original Entrans ] D.3.1 Fall 1 - simulering i Solkane 110 C fjärrvärmevatten används för värmeväxling i förångaren. Förångningstemperaturen sätts till 75 C och överhettningen 1 C. Returvattnet från förångaren blir alltid 3 C högre än förångningstemperaturen, således 78 C. Detta vatten leds sedan till förvärmaren. Kylningen antas komma från kyltorn som levererar vatten på 25 C. Om vi antar 1 C underkylning så blir temperaturen efter kondensorn ca 36 C. Simulering 1: Följande beräkningar görs för att bestämma ORC-kretsens heating capacity (HC): Effekt överförd från fjärrvärmekretsen till ORC-kretsen: 4, 18 kj kg kg 20, 555 C s (110 78) C = 2749 kw. 32

36 Valfri siffra sätts in i Solkane under HC vilket bl.a. ger en tabell över ORCkretsens olika entalpier, se figur 17. Figur 17: Tabell över ORC-kretsens entalpier Den överförda effekten från fjärrvärmekretsen på 2749 kw används för att förånga mediet. Entalpiskillnaden under förångningen, alltså mellan h3 och h2 är: 430, , 14 = 117, 66 kj/kg ORC-kretsens massflöde gånger entalpiskillnaden ska vara 2749 kw. Flödet ska alltså vara: 2749 kw 117, 66 kj kg = 23, 364 kg s Sedan testas olika siffror under HC tills ett flöde på 23, 36 kg s uppnås. Denna iterering i Solkane ger att HC måste vara 4183 kw för att få flödet 23, 364 kg s. Alltså används 4183 kw 2749 kw = 1434 kw till förvärmning i ORC-kretsen. 33

37 Då alla värden sätts in i Solkane får vi resultat enligt figur 18 Figur 18: Resultat från simulering i Solkane. Effekten ut från generatorn blir alltså 275 kw varav 40 kw kommer att gå åt till att driva matarpumpen. Eleffekten som kyltornet kommer att kräva uppskattas sedan: Kyltornet vid SLU kräver ca 60 kw el för att kyla en effekt på 3381 kw. 60 kw 3381 kw = 0, 0177 I detta fall ska istället 3922 kw kylas i kondensorn: 0, kw = 69, 6 kw Eleffekten som krävs för kyltornet blir alltså ca 69, 6 kw. Nettoproduktionen då vi kör ORC-kretsen på 110 C blir: ( , 6) kw = 165, 4 kw Detta körs ca 2000 h om året vilket ger: 165, 4 kw 2000 h = 330, 8 MW h. Returtemperaturen på fjärrvärmevattnet kan räknas ut: 48, 7 C = 110 C T retur T retur = 110 C 48, 7 C = 61 C 34

38 Processen illustreras i figur 19: D.3.2 Figur 19: ORC-kretsen med temperaturer. Fall 2 - simulering i Solkane 85 C fjärrvärmevatten används för värmeväxling i förångaren. Förångningstemperaturen ändras till 68 C, detta för att maximera elutbytet. Lägre förångningstemperatur leder visserligen till sämre verkningsgrad men elutbytet kan ofta bli bättre. 1 C överhettning används fortfarande. Returvattnet från förångaren blir 3 C högre än förångningstemperaturen, alltså 71 C. Detta vatten leds sedan till förvärmaren. Kylningen antas komma från kyltorn som levererar vatten på 25 C. Om vi antar 1 C underkylning så blir temperaturen efter kondensorn ca 36 C. Simulering 2: Beräkningar görs på samma sätt som tidigare för att bestämma ORC-kretsens heating capacity (HC): Effekt överförd från fjärrvärmekretsen till ORC-kretsen: 4, 187 kj kg C 20, 555 kg/s (85 71) C = 1203 kw. 35

39 Valfri siffra sätts in i Solkane under HC vilket bl.a. ger en tabell över ORCkretsens olika entalpier, figur 20: Figur 20: Tabell över ORC-kretsens entalpier. Den överförda effekten från fjärrvärmekretsen på 1203 kw används för att förånga mediet. Entalpiskillnaden under förångningen, alltså mellan h3 och h2 är: 429, 90 kj kj 300, 71 kg kg = 129, 19 kj kg ORC-kretsens massflöde gånger entalpiskillnaden ska vara 1203 kw. Flödet ska alltså vara: 1203 kw 129, 19 kj kg = 9, 311 kg s Sedan testas olika siffror under HC tills ett flöde på 9, 311 kg s uppnås. Denna iterering i Solkane ger att heat capacity måste vara 1661 kw för att få flödet 9, 311 kg s. Alltså används 1661 kw 1203 kw = 458 kw till förvärmning i ORC-kretsen. 36

40 Då vi fyller i alla värden i Solkane, får vi följande resultat, figur 21: Figur 21: Resultat från simulering i Solkane. Effekten ut från generatorn blir alltså 93, 1 kw varav 12, 1 kw kommer att gå åt till att driva matarpumpen. Eleffekten som kyltornet kommer att kräva uppskattas sedan som tidigare: Kyltornet vid SLU kräver ca 60 kw el för att kyla en effekt på 3381 kw. 60 kw 3381 kw = 0, 0177 I detta fall ska istället 1571, 7 kw kylas i kondensorn: 0, , 7 kw = 27, 9 kw Eleffekten som krävs för kyltornet blir alltså 27, 9 kw. Nettoproduktionen då vi kör ORC-kretsen på 85 C blir: (93, 1 12, 1 27, 9) kw = 53, 1 kw Detta körs ca 6000 h om året vilket ger: 53, 1 kw 6000 h = 318, 6 MW h Returtemperaturen på fjärrvärmevattnet kan räknas ut: 19, 3 C = 85 C T retur T retur = 85 C 19, 3 C = 66 C 37

41 Såhär kommer processen att se ut, figur 22: Figur 22: Resultat från simulering i solkane. Summering: 2000 h om året kör man alltså processen på 110 C vatten. Då får man följande: En nettoeffekt på 165,4 kw En returtemperatur på 61 C 6000 h om året kör vi processen på 85 C vatten. Då får man: En nettoeffekt på 53, 1 kw En returtemperatur på 66 C Totalt ger detta cirka 650 MW h om året. Kommentar: Returtemperaturen på 66 C är lite för hög för att skicka tillbaka som fjärrvärmeretur på nätet. Den kan sänkas genom att sänka förångningstemperaturen på arbetsmediet, men då får man ut en lägre effekt i generatorn. D.3.3 Fall 3 - systemlösning Ett alternativ på en kombinerad lösning vid SVA med både ång- och elgenerering är att sätta ORC-kretsen efter ånggenereringen. När förbränningsugnen är i drift så produceras 2 MW i avgaspannan. Av denna effekt används knappa 1000 kw i ångkretsen (se ånga). Resterande effekt på ca 1345 kw används till att värma upp fjärrvärmevatten på 85 C till 110 C under driftstid. Flödet blir alltså 12, 871 kg s kw h 4, 18 kj kg C (110 85) C = 12, 871 kg s. Simulering 3: Beräkningar görs på samma sätt som tidigare för att bestämma ORC-kretsens heating capacity (HC): Effekt överförd från fjärrvärmekretsen till ORC-kretsen: 4, 18 kj kg kg 12, 871 C s (110 78) C = 1721, 6 kw. 38

42 Valfri siffra sätts in i Solkane under HC vilket bl.a. ger en tabell över ORCkretsens olika entalpier, figur 23: Figur 23: Tabell över ORC-kretsens entalpier. Den överförda effekten från fjärrvärmekretsen på 1721, 6 kw används för att förånga mediet. Entalpiskillnaden under förångningen, alltså mellan h3 och h2 är: 430, , 14 = 117, 66 kj kg ORC-kretsens massflöde gånger entalpiskillnaden ska vara 1721, 6 kw. Flödet ska alltså vara: 1721, 6 kw 117, 66 kj kg = 14, 632 kg s Sedan testas olika siffror under HC tills ett flöde på 14, 632 kg s uppnås. Denna iterering i Solkane ger att HC måste vara 2620 kw för att få flödet 14, 632 kg s. Alltså används 2620 kw 1721, 6 kw = 898, 4 kw till förvärmning i ORC-kretsen. 39

43 Då alla värden sätts in i Solkane får vi resultat enligt figur 24: Figur 24: Resultat från simulering i solkane. Effekten ut från generatorn blir alltså 163 kw varav 25 kw kommer att gå åt till att driva matarpumpen. Eleffekten som kyltornet kommer att kräva uppskattas sedan: Kyltornet vid SLU kräver ca 60 kw el för att kyla en effekt på 3381 kw. 60 kw 3381 kw = 0, 0177 I detta fall ska istället 2457 kw kylas i kondensorn: 0, kw = 43, 6 kw Eleffekten som krävs för kyltornet blir alltså ca 43, 6 kw. Nettoproduktionen då vi kör ORC-kretsen på 110 C efter ånggenerering blir: ( , 6) kw = 94, 4 kw Detta körs ca 2000 h om året vilket ger: 94, 4 kw 2000 h = 188, 8 MW h. Returtemperaturen på fjärrvärmevattnet kan räknas ut: 48, 7 C = 110 C T retur T retur = 110 C 48, 7 C = 61 C 40