El utan nätanslutning - ett exempel från skärgårdshavet

Transkript

1 El utan nätanslutning - ett exempel från skärgårdshavet -hybridkraftverket på Tunhamn Professor Tapio Westerlund Laboratoriet för anläggnings- och systemteknik Åbo Akademi Korpoström 7 maj 2010 TW/

2 TW/ = Tunhamn A = Kasnäs 2

3 Bakgrund Flera utredningar om elektrifiering avtunhamn har gjorts (Länsi-Suomen sähkö m.fl.) Åren begärdes offert för sjöelkabelanslutning (Fortum och Sähkö Lehmus.) (Elkabelalternativet är det bästa, men kostnaderna alltför höga!) (Fortums offert Euro) TEKES Teknologiprogram DENSY (Teknologier för distribuerade energisystem) HIM beviljade företaget Nanon /Sunwind Oy 40% energistöd för en s.k. hybridanläggning. Anslaget beviljades under förutsättning att projektet påbörjas före den och avslutas före TW/

4 Projektet i korthet Startades som ett diplomarbete den , efter att Handels- och industriministeriet beviljat Nanon Oy stöd för projektet. Parter: De fast bosatta på Tunhamn (två familjer), Nanon Oy/Sunwind Oy, Åbo Akademi. Invigning den (Elalstring för kontinuerlig elförbrukning startade några veckor tidigare) uppföljning av kraftverkets prestanda projektet avslutades, uppföljningstiden slut. Elalstring för kontinuerlig elförbrukning fortsätter. TW/

5 TW/ Förbindelsebåten Rosala-2. Kasnäs-Vänö-Tunhamn-Kasnäs.

6 Tunhamn, hemviken TW/

7 TW/ Tunhamn 7

8 Grundkarta TW/

9 Närmaste punkt till elstamnätet - Vänö i syd ca. 6km från Tunhamn TW/

10 TW/

11 TW/

12 TW/

13 TW/

14 TW/

15 Grunden gjuts Bild: Från vänster Yrsa Gustavsson, diplomarbetare Jonas Nylund och Kaj Brunström. TW/

16 Byggnadsskedet TW/

17 Byggnaden med solpaneler börjar ta form TW/

18 TW/

19 Sol Utsläpp Inverter El Hushåll Energilager Värme Värmepanna Ved Elalstring för kontinuerlig elförbrukning (24h/dygn, 365dagar/år)? (Inte möjligt enbart med solenergi 365 dagar/år utan ett enormt energilager, p.g.a. att inflödet av solenergi är mycket litet under långa tidsperioder.) TW/

20 Sol, (Åbo) Solintensiteten i Åbo under ett år (uttryckt som soleffekt /yta i enheten kwh/(m2*dygn). Ett års varaktighetskurva för soleffekten/yta. TW/

21 Sol Vind Utsläpp Inverter El Hushåll Värmepanna Energilager Värme Ved Batteribank Elalstring för kontinuerlig elförbrukning (24h/dygn, 365dagar/år)? (Inte möjligt enbart med sol- och vindenergi 365 dagar/år utan en mycket stor batteribank, p.g.a. att inflödet av solenergi är mycket litet under långa tidsperioder och då även TW/ vindhastigheten är lägre än 2,5m/s långa tider under samma perioder) 21

22 Vind (Åbo) Vindhastigheten i Åbo under ett år. Ett års varaktighetskurva för vindhastigheten. TW/ (Obs! Åbo enbart som exempel då data för Tunhamn saknas. Tunhamn givetvis högre.)

23 Vindkraft Effekten är proportionell mot vindhastigheten i kubik! Obs! Elalstringen vid 2.5 m/s är mindre än 1% av elalstringen vid 12 m/s! - Försumbar elastring vid lägre vindhastigheter än 2,5 m/s och maximal effekt fås vanligen för mindre vindturbiner vid vindhastigheten ca 11m/s Exempel: Rotordiameter 3,7 m (Svepyta 10,7 m2) Vindhastighet Effekt (eta=30%, 20oC) m/s kw 2,5 0,03 5 0, , ,56 ( 12 3,32 ) * * Rörelseenergiström = 1/2*masström*hastighet**2 Masström = densitet*volymström; Volymström = tvärsnittsarea*hastighet => Rörelseenergiström = Effekt = 1/2*densitet*tvärsnittsarea*hastighet**3 Ovanstående i luftströmmen. En vindturbin (med rotor) kan maximalt ha en verkningsgrad som är lite lägre än 60%.

24 Sol Vind Utsläpp Inverter El Hushåll Reservkraft Dieselaggregat Värmepanna Energilager 1 450kg 6x305Ah blybatterier Värme Ved Elalstring för kontinuerlig elförbrukning (24h/dygn, 365dagar/år)? (Möjligt 365 dagar/år med sol-, vind- och reservkraft med en rimligt stor batteribank + ett lämpligt stort energilager för reservkraften. Inflödet av energi till batteribanken kan tryggas med reservkraften under de perioder då sol- och vindkraften inte klarar av att upprätthålla en tillräckligt laddad batteribank. TW/

25 Sol Vind Utsläpp Inverter El Hushåll 2 Energilager l diesel Reservkraft Dieselaggregat Energilager 1 450kg 6x305Ah blybatterier Värme El Värme Hushåll 1 Energilager l vatten Värme Värmepanna Värmepanna Ved Utsläpp Ved TW/ Ca. 40% av bränsleenergin kan ytterligare tas tillvara 25 som fjärrvärme från dieselaggregatets kylvatten.

26 Utsläpp Sol Vind Utsläpp Värme Värme Inverter El Hushåll 2 Värme Energilager l diesel Reservkraft Dieselaggregat Energilager 1 450kg 6x305Ah blybatterier (motsvarar ca 2 l diesel) Värme Värme El Värme Hushåll 1 Energilager l vatten (20->60oC motsvarar ca10 l diesel) Värme Värmepanna Värmepanna Ved Värme Utsläpp Ved TW/ Diesel Ytterligare ca. 20% av bränsleenergin kan tas tillvara för uppvärmning av kraftverksbyggnaden 26 från dieselaggregatets spillvärme.

27 TW/

28 Vindgeneratorerna TW/

29 Vindgeneratorerna TW/

30 Vad finns inne i kraftverket? TW/

31 Först några synpunkter och fakta Om inflödet av sol- och vindenergi inte motsvarar elförbrukningen måste man minska på elförbrukningen, eller ha tillgång till energilager (ett eller flera) ur vilket elenergi kan alstras för att balansera strömmarna. För att säkerställa tillgången av energi i en batteribank krävs för kontinuerlig elförbrukning en mycket stor batteribank (redan vid moderat förbrukning) om man inte har tillgång till reservkraft (med annan primärenergikälla) som kan fylla på batteribanken om den sinar. Storleken av energilagren är givetvis beroende av tillämpningen. Exempel: Ingen sol och ingen vind under en veckas tid och en elförbrukning om 1,7 kw ( kwh/år) kräver att 288 kwh kan tas ur energilagren. Ett 305Ah/12V batteri väger 75kg och motsvarar i energi omräknat 3,6 kwh => Minst 80st 75 kg tunga batterier skulle krävas (om de skulle vara fulla och därefter tömmas helt) för att täcka en veckas elförbrukning (288kWh). D.v.s. en batteribank som väger minst 6 ton!! om enbart en batteribank används. (I praktiken skulle krävas en minst dubbelt så stor batteribank för att upprätthålla en tillräckligt lång livstid för den.) 288 kwh motsvarar energiinnehållet i ca. 26 liter dieselolja! För att garantera energitillgången finns i hybridkraftverket både en batteribank och ett dieselaggregat som reservkraft (med ett bränslelager) för att fylla på batteribanken om den sinar. TW/

32 Först några synpunkter och fakta. forts Sol- och vind matar i hybridkraftverket primärt in energi i en 450 kg tung batteribank (ursprunglig batteribank) med kapaciteten 22kWh (motsvarar i energi räknat det som är lagrat i ca 2 liter dieselolja). Ifall batteribanken har för låg spänning fylls den automatiskt på med dieselaggregatet. El kan på det här sättet alstras för varierande elförbrukning 24h/dygn 365 dygn per år. Dieselaggregatet går enbart då batteribanken måste fyllas och går då alltid med lämplig belastning och med hög verkningsgrad, vilket ger god energiekonomi. Dieselaggregatet går alltså inte 8760 h/år utan enbart någon timme per dag eller vecka vilket ger lång livstid för aggregatet. Driftstiden för dieselaggregatet är beroende av batteribankens storlek, övrig utrustning, elförbrukning och väderförhållanden. Drifts-& investeringskostnaderna bestämmer den driftstid som ekonomiskt sätt är den lämpligaste. För att förbättra kraftverkets energiekonomi har dieselmotorns vätskeburna kylsystem integrerats i ett fjärrvärmesystem där en stor del av bränsleenergin ytterligare kan tas tillvara. Kylvattenenergin matas in i en fjärrvärmeackumulator (3000 liter) Värt att minnas: TW/ Ett 60Ah bilbatteri motsvarar i energi omräknat det som finns lagrat i ca 0,7 dl dieselolja. Ett 750 l bränslelager innehåller energi motsvarande en full ca 170 ton tung batteribank. 32

33 Dieselgenerator: Motor: Mitsubishi S4S Märkeffekt: 29,4 kw Effekt/1500rpm: 28 kw Generator: ECO32 Effekt: 27 kva Kontinuerlig effekt: 21,6 kw TW/

34 Termostaterat T-stycke för utgående fjärrvärme Utgående fjärrvärme ca 68 o C (Max 80 o C) Via kylare vid temperatur över 80 o C TW/ S.g.s. all värmeenergi via kylvattnet (glykol-vatten) tas tillvara som fjärrvärme.

35 Fjärrvärmerör och elanslutning till hus 1 TW/

36 Fjärrvärmeväxlare Alfa Laval CB26-16L, 15 kw En tillförd energimängd på 30kWh höjer temperaturen i den 3000 liter stora värmeackumulatorn Ca. 8,5 o C TW/

37 Fjärrvärmeretur Flöde ca 15 l/min, temperatur ca 58 o C Ett glykol-vattenflöde 15 l/min med en temperaturdifferens på 10 o C motsvarar ett fjärrvärmeflöde ca.10 kw TW/

38 Batteribank: 6 st Concorde AGM a 305Ah/12V = 22 kwh, 450 kg (10 st => 36,6 kwh, 750 kg) Inverter/Laddare: Xantrex SW 3024E Kontinuerlig effekt: 2 x 3300 VA Toppeffekt (5s) : 2 x 7700 VA TW/ Batterieribanken utvidgades senare med batterierna på golvet.

39 Elskåp TW/

40 Solenoiden* utbyttes i juni 2005 TW/ Elektrisk manövermagnet som kopplar ihop startmotorn med motorns svänghjul och släpper 40 på en stark ström från startbatteriet till startmotorn så att motorn dras runt och startar.

41 Att beakta vid maximering av dieselmotorns verkningsgrad * Dieselmotorns belastning * Maximal strömstyrka från laddare * Maximal laddningsström till batteribanken Verkningsgrad (%) Verkningsgrad (%) Belastning (%) Belastning (%) Nuvarande elförbrukning Ca kwh/år Batteribank 6x305Ah Elförbrukning kWh/år Batteribank 14x305Ah Diesel: Mitsubishi S4S, Varvtal 1500rpm, Aggregattyp: Poweri 27DMW4, Generator: ECO32 Batteribank: AGM Concorde nx305ah Vid dimensionerad belastning (till höger) (större förbrukning och planerad större batteribank) TW/ kan dieselaggregatets verkningsgrad höjas till ca 30%. Bränsleförbrukningen för varje laddning av batteribanken sjunker då med en tredjedel. 41

42 Genom att integrera dieselmotorns vätskeburna kylsystem till ett fjärrvärmesystem höjs nyttoverkningsgraden avsevärt! Bränsleförbrukning (l/min) 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 Bränsleförbrukningen 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0, Motoreffekt (kw) En laddning (nuvarande elförbrukning och batteribank med 6 batterier): Ca. 7 liter /laddning (3 h) Ca. 2,4 liter/h Laddningstid: ca. 3 h Laddningscykel: ca. 35 h Energibalans för en laddning av batteribanken med dieselaggregatet (omräknat i liter bränsle) Inkommande: 7 liter bränsle Utgående: 1,2 liter i batteribanken 2,8 liter som fjärrvärme Ca. 57% 1,4 liter nyttovärmeförlust i kraftverket 1,6 liter med rökgasen 1,2 liter bränsle motsvarar i energi beräknat ca 13 kwh TW/ (Data i figuren: Röd enligt uppgifter av konsumenten. Mörka uppmätta av dieselaggregatets tillverkare. )

43 STATISTISKA DATA Preliminära provkörningar Invigning Provkörningsperiod Driftstörningar: ,5 dag ur drift (solenoiden korr.) dagar ur drift (solenoiden utbytt) 220h elavbrott (varav 3,5dygn+5 dygn=204h driftsstopp) Periodens längd: 6480 h Elleverans: 6260 h (97% av provperioden.) Bränsleförbrukning 1545 liter Antal driftstimmar för dieselgeneratorn 613 h Elförbrukning: 2335 kwh (9 månader) Fjärrvärmealstring: 4980 kwh TW/

44 Kostnader INVESTERINGSKOSTNADER Byggnad (byggdes på entreprenad av de fast bosatta) euro Dieselaggregat euro Övrig utrustning (Invertrar,batteribank,solpaneler, euro vindsnurror, fjärrvärmesystem,elskåp, etc) Energistöd från HIM (40% exkl dieselaggregat) euro Totalt (inkl moms) : euro, DRIFTSKOSTNADER (uppskattat för år 2005 utgående från provperioden) Elförbrukning 3200 kwh/år (0,162 euro/kwh) 520 euro/år Fjärrvärme (ca 30% värme för ett hushåll) 6980 kwh/år 400 euro/år Totalt (inkl moms):. 920 euro/år (sammanlagt för två hushåll) * Provperioden : Elföbrukning : 2335 kwh 395 euro => 0,169 euro/kwh Fjärrvärme : 4980 kwh 285 euro 0,057 euro/kwh ** Bränsle: 1545 l * 0,44 euro/l = 680 euro * Beräknat med 2005 års oljepris. 44 ** Fjärvärmepriset beräknat som om värmeenergin skulla ha producerats med en oljepanna med 70% verkningsgrad.

45 Jämförelse mellan olika alternativ Alternativ för 24h el/dygn 365 dagar/år Alternativ Investerings- Livslängd Driftkostnad kostnad Sjöelkabel Euro ca. 50 år + ca. 0,08 Euro/kWh ( Euro (HIM energistöd 25%) ) Dieselaggregat Euro ca 5 år + ca. 0,70 Euro/kWh* Hybridkraft Euro ca. 25 år + ca. 0,12 Euro/kWh* ( Euro (HIM energistöd 40% för förnybara energikällor) ) Kommentarer: * Beräknat med bränslepriset 0,44 euro/l (2005) och för hybridkraften med den större batteribanken (14st) (se folie 41). Enbart sol- och/eller vindkraft (utan integrering med dieselkraft) klarar inte av en kontinuerlig elförbrukning utan en oproportionerligt stor batteribank (över tio ton vid en elförbrukning på kwh/år) Hybridkraftverket är dimensionerat för en elförbrukning på kwh/år. Den sammanlagda årliga elförbrukningen för de båda hushållen är för närvarande ca kwh/år. TW/

46 Tunhamns hybridkraftverk i augusti 2005 TW/

47 Projektet förverkligades som ett Diplomarbete tillsammans med företagen Nanon Oy och Sundwind Oy. Jonas Nylund (2005). Uppförande av ett sol-, vind- och dieseldrivet hybridkraftverk. Anläggningsteknik (5/7) Handledare professor Tapio Westerlund Industriell ekonomi (2/7) Handledare professor K. Wikström Projektet har för Nanon/Sunwind Oy även varit en del i TEKES teknologiprogram DENSY (Teknologier för distribuerade energisystem). TW/

48 Projektet Tunhamns hybridkraftverk var en del i en större helhet där målsättningen var att undersöka olika tekniska lösningar med vilka man kan alstra elektricitet (i liten skala) 24h/dygn året om till ett rimligt pris utan att vara ansluten till elstamnätet. I casefallet Tunhamns hybridkraftverk kunde man uppfylla kravet (med hybridkraft) för två fastbosatta familjer i Åbolands yttre skärgård som inte ännu år 2004 hade tillgång till el via stamnätet. TW/

49 HÄR TOG PROJEKTET SLUT FÖR ÅBO AKADEMIS DEL TW/

50 År 2005 och förändringar därefter bakgrund För att få HIMs energistöd (40% av investeringskostnaderna) uppfördes hybridkraftverket av förtaget Sunwind/Nanon Oy som arrenderade en tomt av de fast bosatta, anhöll om byggnadstillstånd, lät bygga kraftverksbyggnaden (på entreprenad av de fast bosatta), finansierade kraftverket och sålde el till självkostnadspris åt de två hushållen. Företagets kommersiella intresse var att få erfarenhet av nya energilösningar. 1) Ett nytt företag Reps Oy kom aktivt in på marknaden år ) Företaget Sunwind/Nanon Oy avslutade verksamheten och sålde kraftverket till självkostnadspris åt de fast bosatta, hösten TW/

51 Förändringarna i kraftverket efter år Batteribanken förstorades år 2006 från10st slutna Concorde AGM batterier (ca 75kg/st, a 305Ah/12V (ca. 650USD/st)) till 16 batterier (av samma typ). + De ursprungliga vindgeneratorerna ersattes år 2006 med en större Whisper500 (Ca 3kW vid 10,5m/s och ca 0,5 kw vid 5.4m/s. Pris ca 8.000USD+installation). Vindgeneratorn har senare utbytts till en vindgenerator av typen Skystream3.7 (Ca 2,4 kw vid 12 m/s och ca 0,3 kw vid 5 m/s. Rotordiameter 3,72m. Pris ca 7.000USD+installation). Ett längre avbrott vårvintern 2009 då den senare vindgeneratorn byttes till en ny motsvarande. o De två ursprungliga 24/230V invertrarna byttes till tre 48/230V invertrar år Två solpaneler togs ner i samband med inverterbytet (10 solpaneler reducerades till 8 st p.g.a. ändrad spänning (24V->48V)). - Reservkraften kopplas efter inverterbytet 2006 inte mer automatiskt på, utan styrs manuellt. (Risken för stora urladdningar har ökat och därigenom risken för förkortad livstid för batteribanken om den inte hålls tillräckligt fylld.) - P.g.a. försämrad lagringskapacitet hos batteribanken har de16 slutna Concorde AGM batterierna ersatts år 2010 med 8st öppna 6Volts Rolls CS25P batterier (ca 145kg/st, a 820Ah/6V (ca USD/st)). Tillverkaren anger att Rolls batterier klarar fler laddingscykler. (Efter bytet har batteribankens max lagringskapacitet minskas med ca. 30%. De nya batterierna är öppna och vätskenivån i batterierna bör därför regelbundet kontrolleras. Det finns även en risk för vätgasbildning vid överladdning). Förändringarna är både positiva (reducerad driftstid och reducerade driftkostnader för dieselaggregatet) men även negativa (betydande tilläggsinvesteringskostnader och tilläggsosäkerhet). Livslängden (speciellt) för vindgeneratorn och batteribanken är oviss. => Lönsamhet för tilläggsinvesteringarna? (återbetalningstid > 15 år?) TW/

52 Jämförelse av driften år 2005 och åren I slutet av år 2013 (efter 9 års drift) Två kombipannor (ved/olja) installerade, en i vardera huset; 2012 resp 2013 Det kumulativa antalet driftstimmar för dieseaggregatet ca h Den kumulativa elförbrukningen ca kwh Driften år 2005 Driftstimmar för dieselaggregatet ca. 800 h/år Bränsleförbrukningen ca liter/år Värmealstringen ca kwh/år Värmealstringen motsvarar ca liter brännolja om värmen alstras i en värmepanna med 70% verkningsgrad Elförbrukningen ca kwh/år Nettobränsleförbrukningen för el = ( ) = 1165 liter/år Driften i genomsnitt åren Driftstimmar för dieselaggregatet ca. 410 h/år Bränsleförbrukningen ca liter/år Värmealstringen ca kwh/år Värmealstringen motsvarar ca. 510 liter brännolja om värmen alstras i en värmepanna med 70% verkningsgrad Elförbrukningen ca kwh/år Nettobränsleförbrukningen för el = ( ) = 590 liter/år Jämförelse (ST1:s pris för lätt brännolja i december 2013 = 1,023 euro/liter) => Elpriset 0,37 euro/kwh år 2005 (beräknat med 2013 års bränslepris) och provperiodens utrustning ( 0,28 euro/kwh med en 14x305Ah batteribank, men i övrigt provperiodens utrustning ) => Elpriset 0,19 euro/kwh enligt driften i genomsnitt åren (beräknat med 2013 års bränslepris) och alla tilläggsinvesteringar gjorda åren , dock utan att beakta kostnaderna för dessa Förändrade driftkostnader efter alla tilläggsinvesteringar gjorda för elalstringen åren Minskad oljeförbrukning för el = ( ) = 575 liter/år => Minskade bränslekostnader för el = 575 liter/år * 1,023 euro/liter = 590 euro/år => Återbetalningstiden för alla tilläggsinvesteringar gjorda för elalstringen åren > 35 år! TW/

53 SLUTKOMMENTAR Det viktigaste målet som nåddes i projektet var att de fast bosatta fick tillgång till el (till överkomligt pris) 24h/dygn, 365dagar/år, då hybridkraftverket startades hösten 2004! Kraftverket har nu levererat el s.g.s. utan avbrott, sedan starten hösten TW/

54 TW/