Ökad energibesparing genom ett övervakningssystem för utomhusbelysning.

Transkript

1 Ökad energibesparing genom ett övervakningssystem för utomhusbelysning. Dnr: Projektnr: Sammanfattning 1.1. Svenska I Sverige förbrukar belysning ungefär 10 % av den totala elanvändningen, där väg- och gatubelysning utgör 1,5 TWh eller 1,5 miljoner ton CO2. Det finns stora besparingar inom energi och underhåll av väg- och gatubelysning om man kan hitta nya sätt att förstå hur anläggningen faktiskt mår, vilket saknas idag. Detta projekt syftar till att utveckla ett optimeringssystem som övervakar energiförbrukningen hos individuella lampor och identifierar automatiskt trasiga lampor eller energibovar d.v.s. lampor som har ovanligt hög strömförbrukning eller som befinner sig i slutet av sin livscykel. En viktig parameter för systemet är dess design för snabb och enkel installation i befintliga belysningsanläggningar, vilket är unikt då de flesta intelligenta system på marknaden idag integreras med lampans elektronik inuti armaturen vid tillverkning. Systemet har installerats i 18 st lampor i Göteborg där systemet identifierade 8 energibovar. Göteborg kommer nu att byta ut dessa lampor vilket innebär en årlig energibesparing på hela 32% för den gatan eller 230 kr per lampa och år. Systemet skall också testas av Trafikverket syd, mitt och norr i Kalmar, Härnösand och Luleå. Systemets infrastruktur består av en enhet som installeras inuti varje belysningsstolpe, på marknivå, en basstation som installeras i varje belysningscentral och en databas där all information om anläggningen lagras. Enheten i belysningsstolpen kommunicerar med belysningscentralen över elnätet, så kallad Power Line Communication, PLC. Basstationen är uppkopplad mot Internet och sänder informationen till databasen som är centraliserad på en server där den samlar in all data från alla lampor i en stad för analys. Projektets idé och ursprung kommer från ett examensarbete på Chalmers Entreprenörsskola och samfinansieras av Energimyndigheten med kr, mjukt lån från Västra Götalandsregionen på kr, kundfinansiering med kr, ALMI kr samt kr från projektet genom egen tid och aktiekapital. Tidsplanen för att genomföra projektet är från

2 1.2. Engelska Greater energy efficiency through a monotoring system for street lights 10% of the total energy consumption in Sweden goes to light, where 1,5 TWh goes to street lights. Huge savings on the environment could be achieved if street light owners could have more information about the status of their individual light points, which they lack today. This project aims to develop a system that optimize energy consumption and costs by monitoring the status of individual light points to identify broken lights or energy wasters e.g. light points that have at least twice the energy consumption than expected. The system can also turn on and off individual street lights which provides the owner new possibilities to optimize the energy use during night time. The system is designed to upgrade existing street lights to be intelligent by installing the units inside the pole on ground level. The system is installed in 18 street lights in Gothenburg where the system identified 8 energy wasters. The city of Gothenburg has decided to replace these 8 street lights and will by that get a yearly energy saving of 32% on that street. The system will also be installed together with the Swedish road administration in Kalmar, Härnösand and Luleå. 2. Bakgrund Sverige och världen står inför utmaningen att tillsammans jobba för att nå uppsatta energi- och miljömål. Ett område som kräver nytänkande och kraftfulla åtgärder är belysning och i Sverige står belysningen för ungefär 10 % av den totala elanvändningen, där väg- och gatubelysning utgör 1,5 TWh eller 1,5 miljoner ton CO2. Det finns stora besparingar att vinna inom energi och underhåll av väg- och gatubelysning om man kan hitta nya sätt att förstå hur anläggningen faktiskt mår. Idag saknar kommuner och Trafikverk information om t.ex. energiförbrukning hos enskilda lampor och saknar därför viktig information om vilka lampor som verkligen behöver förnyas eller lagas. Detta projekt syftar till att utveckla ett optimeringssystem som övervakar energiförbrukningen hos individuella lampor och identifierar automatiskt trasiga lampor eller energibovar d.v.s. lampor som har ovanligt hög strömförbrukning eller som befinner sig i slutet av sin livscykel. En viktig parameter för systemet är att det är designat för att snabbt och enkelt installeras i äldre och befintliga belysningsanläggningar vilket är unikt, då de flesta intelligenta system på marknaden idag integreras med lampans elektronik inuti armaturen. Genom möjligheten att uppgradera en äldre belysningsanläggning med intelligens ger det både anläggningsägaren samt entreprenören, som är 2

3 ansvarig för underhållet, viktig data som kan optimera deras arbetsprocesser och sänka energiförbrukningen. T.ex. sker inspektionen manuellt, vilket är tidskrävande, dyrt och utan särskild hänsyn till miljö- eller klimat. Ytterligare en fördel med systemet är möjligheten till tändning och släckning av individuella lampor vilket också saknas idag. Genom att övervaka all belysning i en stad kan energibesparingar ske på flera sätt. Dels analyserar systemet anläggningen och kan identifiera energibovar, vilket idag inte är möjligt. Ytterligare rationaliseras inspektionen av lamporna vilket minskar fordonsemissioner samt friställer resurser för andra arbetsuppgifter bl.a. installation av mer energisnål belysning. Idag saknar även belysningsägaren möjligheten att individuellt styra lamporna vilket innebär en begränsning i hur energieffektivt belysningen används. Med individuell styrning kan kunden välja att släcka vissa lampor under en period av natten, men låta kritiska lampor vara tända för att behålla säkerheten. Besparingspotentialen med individuell styrning varierar beroende på område t.ex. står flera industriområden tända under natten när ingen är där. En grundförutsättning för att projektet skall lyckas är att systemet är oberoende av armatur och tillverkare vilket innebär att anläggningsägaren fortfarande kan använda systemet även om armaturen byts ut till en mer energieffektiv och nyare armatur. Kostnadsfördelar uppstår också genom att systemet är oberoende av tillverkare och armatur. Projektets idé och ursprung kommer från ett examensarbete på Chalmers Entreprenörsskola och har drivits i dess inkubator som ägs av Encubator AB. Encubator är en inkubator som har sitt mål att kommersialisera forsknings- och teknikidéer som bland annat kommer från Chalmers. Projektorganisationen har bestått av projektledare Jonas Berggren och koordinator Magnus Bågenholm, 29. Magnus Bågenholm har en mastersexamen från Chalmers Entreprenörsskola och drev projektet från start tillsammans med Stephan Mangold, 59, och Thomas Hutchins, 52. Stephan Mangold är civilingenjör från Elektrotekniska sektionen samt Docent i Innovationsteknik på Chalmers. Stephan har grundat flera framgångsrika uppstartsföretag som bland annat Diaphon Development AB och Experimentum i Nääs Fabriker som blev grunden för Universeum i Göteborg. Stephan jobbar idag 50% på Chalmers Industriteknik. Thomas Hutchins är också civilingenjör från Elektrotekniska sektionen samt licentiat från Chalmers. Thomas har flera års erfarenhet från programmering av mikroprocessorer till webbaserade lösningar. Thomas och Stephan har tidigare jobbat ihop i flera projekt bland annat i Cellux AB som har utvecklat och sålt solcellsdriven LED belysning. Projektet är förankrat i Göteborg Stads Trafikkontor genom Ingemar Johansson som stödjer projektet ekonomiskt samt utvärderingsmässigt genom att testa 3

4 framtagna prototyper. Projektet är även förankrat hos Trafikverket syd, mitt och norr som kommer att testa och utvärdera systemet i Kalmar, Härnösand och Luleå. Projektet samfinansieras av Energimyndigheten med kr, mjukt lån från Västra Götalandsregionen på kr, kundfinansiering med kr, ALMI kr samt kr från projektet genom egen tid och aktiekapital. Tidsplanen för att genomföra projektet är från Verksamhetsbeskrivning och uppfyllelse mål och målgrupp 3.1. Mål Projektet har på ett framgångsrikt sätt uppnått sitt mål med att utveckla, testa och utvärdera prototyper av en utrustning som på ett kostnads- och energieffektivt sätt kan övervaka all utomhusbelysning i en stad med Göteborg som exempel genom ett intelligent övervakningssystem. Ett av delmålen var att reducera de CO2 utsläpp som uppstår genom ineffektiv elanvändning av belysningen. Som ett exempel installerade projektet 18 stycken enheter på Sven Hultins gata framför Chalmers Teknikpark, ihop med Göteborg Stads Trafikkontor, där systemet direkt kunde urskilja 8 energibovar d.v.s. lampor som förbrukar mer än dubbelt så mycket ström jämfört med snittet på gatan. Trafikkontoret kommer nu att byta ut dessa energibovar vilket ger en årlig energibesparing för hela gatan på 32% eller 230 kr per lampa och år. Trafikkontoret kan alltså minska sitt CO2 utsläpp på Sven Hultins gatan med ca: 32% årligen vilket är en indikator på att vi uppnått vårt mål. Ett annat delmål var att minska de CO2 utsläpp som är förknippade med dagliga underhållsarbeten och inspektioner av belysningen som utförs med olika fordon. Genom att övergå till tillståndsbaserat underhåll skulle Göteborg kunna minska sina fordonsutsläpp med 75 ton CO2 på inspektion. Projektet har genomfört en större avvikelse från ansökan i och med att projektet inte valde den tänkta tekniska lösningen som bestod av en produkt som installeras exteriört på armaturens glas och som skulle drivas med ljuset som alstrades från lampan. Projektet genomförde en teknikutvärdering på två lampor som vi fick låna från Göteborgs Stads Trafikkontor. Målet var att testa hur mycket energi som det var möjligt att erhålla från det alstrade ljuset genom en solcell. Tyvärr blev resultatet nedslående då det inte genererades tillräckligt med energi för att driva både processor och radiokommunikation. Teknikutvärderingen resulterade i en annan teknisk lösning som funktionsmässigt och utvecklingsmässigt är bättre. Istället för att installera en produkt exteriört valde vi att installera produkten på marknivå bakom luckan till stolpen, eller innanför SS- lådan om det är hängande armaturer. Enheten kopplas in mellan lampan och säkringen och förutom att mäta strömförbrukning, 4

5 spänning och effekten kan även fasen (cosfi) mellan ström och spänning mätas. Detta för att kunna avgöra inte bara lampans status utan även drivdonets kondition. Genom denna lösning skapades även möjligheter till att tända och släcka individuella lampor genom ett halvledarrelä för att kunna optimera energianvändningen Målgrupp Målgruppen för ett intelligent övervakningssystem är anläggningsägare och entreprenörer som sköter underhåll. Projektet har haft bra genomslagskraft bland målgrupperna och lyckats knyta till sig värdefulla samarbeten. Projektet har samverkat med Göteborg Stads Trafikkontor som har visat ett tydligt intresse av systemet och redan dragit nytta av systemet. Utöver samarbetet med Göteborg har projektet också lyckats knyta till sig samarbete med Trafikverket syd, mitt och norr samt Borås. Målgrupperna har en bra geografisk spridning för utvärdering av hur systemet passar i olika anläggningar och klimat. Projektet har även haft bra samarbete med en av Göteborgs underhållsentreprenörer vilket har gett projektet erfarenheter och kunskaper från entreprenörernas perspektiv Verksamhetsbeskrivning Nedan beskrivs projektets viktigaste aktiviteter under projektperioden från till Under sommaren 2009 genomfördes en initial teknikutvärdering på den ursprungliga tekniska lösningen som bestod av en produkt som fästes exteriört på armaturens glas och som skulle drivas med ljuset som alstrades från lampan. Utvärderingen visade att det fanns flera tekniska svårigheter med lösningen som förkastades. En annan teknisk lösning arbetades fram vilket tillförde fler funktioner och möjligheter till besparingar genom att systemet också kunde mäta strömförbrukning, spänning och effekten samt även fasen (cosfi) mellan ström och spänning. Detta skapade istället andra möjligheter till analys av anläggningens status som att identifiera och förutspå energibovar, samt möjligheten till att individuellt släcka armaturen ett antal timmar under natten. Det nya systemets infrastruktur består av en enhet som installeras inuti varje belysningsstolpe, en basstation som installeras i varje belysningscentral och en databas där all information om anläggningen lagras. Enheten i belysningsstolpen kommunicerar med belysningscentralen över elnätet, så kallad Power Line Communication, PLC. Basstationen är uppkopplad mot Internet genom GSM och sänder informationen till databasen som är centraliserad på en server där den samlar in all data från alla lampor i en stad för analys. Under hösten 2009 började vi utvärdera olika kommunikationslösningar. Elnätskommunikation var det enda alternativet till vår lösning då enheten installerades inuti stolpen vilket skärmar av radiovågor samt minimerar 5

6 påverkan på stolpen då vi slipper dra ut en antenn. Vi utvärderade några olika teknologier vilket mynnade ut i en lösning som levereras av företaget Yitran. Vi tog fram 18 stycken enheter av den första prototypen för att testa kommunikationen i verklig miljö på Sven Hultins gata. Den största lärdomen från våra tester är att elnätskommunikation kräver transientskydd (EMC- filter) som eliminerar transienter genererade av t.ex. lampans drivdon eller elcentralen. Vi fick vår kommunikation att fungera bra under januari 2010 vilket ledde till att vi fortsatte utvecklingen av ytterligare funktioner så som mätning av spänning, ström, fasvinkeln samt tändning och släckning av lampan genom ett halvledarrelä. I mars 2010 bytte vi ut de första 18 enheterna på Sven Hultins gata till 18 nya enheter. Vår kommunikation var betydligt mer stabil och vi kunde nu börja laborera med de olika funktionerna så som tändning, släckning och mätning. Genom våra tester identifierade vi några viktiga förändringar som vi behövde åtgärda samt insåg att vi behövde betydligt mer mätdata från olika anläggningar. Vår anläggning på Sven Hultins gata var inte tillräcklig för att utveckla systemet då alla anläggningar skiljer sig åt. Vi behövde fler installationer i olika miljöer t.ex. klimat, lampor, drivdon och stolpar. I april 2010 bjöd vi in Trafikverket för demonstration av anläggningen på Chalmers vilka var väldigt positiva till vårt koncept om enkel installation i befintliga anläggningar. Trafikverket har ca: lampor installerade som är fördelade på sju regioner. Tre av regionerna, syd, mitt och norr, gjorde en beställning på totalt 236 enheter för installation i Kalmar, Härnösand och Luleå med leverans under slutet av 2010 och början av I december 2010 var tillverkningen klar av våra nya anpassade enheter som vi installerade på Sven Hultins gata samt i Kalmar. I januari 2011 kommer vi att fortsätta med installationer i Härnösand och Luleå. 4. Projektets övriga resultat och erfarenheter Ett positivt inslag i projektet var möjligheten till identifiering av energibovar vilket vi inte hade med i utgångsläget för projektet. En intressant frågeställning som vi har ställt oss är i hur stor grad energibovar förekommer inom belysningsanläggningar. I vår test anläggning på Sven Hultins gata var det hela 8 av 18 lampor som var energibovar. Det skulle vara väldigt intressant att genomföra ett projekt för att uppskatta hur stor andel av anläggningarna som är energibovar och orsaken till varför de är energibovar. Under projektperioden har flera kompletterande idéer för vårt system fötts. Bl.a. är det nu möjligt att använda befintliga lyktstolpar som laddstolpar för eldrivna fordon. Med vårt system kan man spänningssätta anläggningen dygnet runt därför att tändning och släckning av lamporna sker från varje enskild stolpe 6

7 istället för centralt i elcentralen. Man vill ju inte att lamporna skall brinna under dagtid då spänningen är på. Detta är ytterligare ett intressant utvecklingsprojekt då vi behöver ta fram en ny lucka till stolpen som är kopplad mot vårt kort. En annan kompletterande funktion som vi har diskuterat ihop med bl.a. Trafikverket är att addera ett gyro på enheten som installeras i stolpen. Detta ger möjlighet att detektera lutande stolpar som t.ex. har blivit påkörda av en plogbil eller vid trafikolyckor. Vi har även tittat på möjlighet att dimma lampor som drivs av elektromagnetiska drivdon, vilket är standard på marknaden idag. Vi har även fått vara med lite i media. T.ex. har Trafikverket skrivit om projektet på sin informationssida samt att SVT Smålandsnytt har gjort ett inslag om den påbörjade installationen i Kalmar. Göteborg 17:e januari 2011 Jonas Berggren Magnus Bågenholm 7