Svänghjul i elnätet Linn Björ My Rudsten Elin Wiglöv

Transkript

1 Svänghjul i elnätet Linn Björ My Rudsten Elin Wiglöv Institutionen för Tillämpad fysik och elektronik Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson

2 Sammanfattning Syftet med projektet var att få en djupare förståelse för hur svänghjul fungerar och dess användningsområden och funktion i elnät. Förnyelsebara energikällor blir allt vanligare vilket leder till en ojämn elproduktion där energin tillverkas oberoende av behov. Detta leder till att energilagring blir allt viktigare för att energin ska kunna användas när efterfrågan är som störst. Svänghjul är en energilagringsmetod där man använder överskottsenergi på elnätet till att driva en motor som sätter en cylinder i rotation. När energin sedan ska användas överförs den kinetiska energin som finns lagrad i svänghjulet till elektricitet genom en generator. Energin som lagras i ett svänghjul är proportionell mot rotorns massa och vinkelhastigheten i kvadrat vilket betyder att rotationshastigheten har störst inverkan på energin som kan lagras. Högre hastigheter ställer högre krav på material och hållfasthet. Ojämn elproduktion från förnyelsebara energikällor ger spänningsvariationer och lägre stabilitet i elnätet. Genom att använda svänghjul kan spänningsvariationerna jämnas ut vilket ger ett mer stabilt elnät. Ur miljösynpunkt är svänghjul ett bra alternativ då det inte använder något fossilt bränsle eller har någon direkt inverkan på miljön genom farliga utsläpp. Svänghjul kan även fungera som energireserv på till exempel industrier och sjukhus. Svänghjul i elnät är en ny teknik så antal anläggningar är få. En större anläggning har installerats i årsskiftet 010/011 utanför New York som ska kunna leverera 0 MW. Framtidsutsikterna för svänghjul antas vara goda då andelen förnyelsebar energi ökar och med det behoven av miljövänlig energilagring. 1

3 Innehållsförteckning Sammanfattning... 1 Syfte och målsättning... 3 Metod... 3 Resultat... 3 Diskussion... 3 Slutsats... 4 Bilaga Kompendium... 5 Inledning... 5 Teori och funktionssätt... 6 Svänghjul som energilagringssystem i elnätet... 8 Installationer... 9 Ekonomi och miljö Framtida potential och hållbarhet Referenser... 11

4 Syfte och målsättning Syftet med projektet var att få en djupare förståelse av svänghjulets funktion och användningsområde. Målsättningen med arbetet var att besvara följande frågor: Är svänghjul användbart som energilagring i elnät? Vad finns det för befintliga installationer? Vilken miljöpåverkan har svänghjul? Hur ser framtiden ut för svänghjul som energilagring? Resultatet av projektet ska sammanställas i ett kompendium som ska kunna användas i undervisningssyfte. Metod För att kunna uppfylla syftet och målsättningen med projektet har information tagits främst från vetenskapliga artiklar via Umeå universitets biblioteksdatabas Web of science. Fakta har även hämtats från statliga energibolag och från tillverkande företags hemsidor samt kursboken Thermal Energy Storage Systems and applications. Resultat För resultat hänvisas till kompendiet i bilaga 1. Diskussion Då andelen förnyelsebara energikällor ökar blir behovet av energilagring större eftersom elproduktionen blir mer oregelbunden. Därför är det viktigt att miljövänliga och effektiva lagringsmetoder utvecklas. Svänghjul har en hög verkningsgrad och så gott som ingen miljöpåverkan och är därför ett lämpligt alternativ att lagra överskottsenergi i elnät. Att använda svänghjul i elnät kan också jämna ut spänningsvariationer och bidra till en högre elkvalitet. Idag är det vanligt att använda batterier vid energilagring, men det finns nackdelar med dessa som till exempel låg laddning- och urladdningshastighet, kortare livslängd, hälso- och miljöfarliga syror och de är mycket underhållskrävande. Genom att istället använda svänghjul fås en hög laddning- och urladdningshastighet, lång livslängd, minimal miljöpåverkan och litet krav på underhåll. En nackdel med att använda svänghjul är att det krävs många enheter för att kunna lagra en större mängd energi trots att ett svänghjul har större energitäthet än ett batteri. En annan nackdel med svänghjul som energilagring av överskottsenergi i elnät är att det är en ny teknik under utveckling vilket leder till höga kostnader, men i framtiden kan tekniken bli mer kostnadseffektiv. Vi tycker att svänghjul verkar vara en bra energilagring att använda i elnät eftersom den är miljövänlig, enkel att underhålla och ger en förbättrad elkvalitet. Vi tror att svänghjul har en bra potential för framtiden. 3

5 Slutsats Att använda svänghjul vid energilagring i elnät ger en möjlighet att lagra och använda producerad energi vid behov. Det ger även en bättre och stabilare elkvalitet genom att bland annat jämna ut spänningsskillnader och oregelbunden energiproduktion. Vid tillfälligt spänningsbortfall kan lagrad energi i svänghjulen tillföra aktiv effekt till elanvändaren. Befintliga installationer i stor skala är få. En anläggning på 0 MW i staden Stephentown utanför New York har installerats och tagits i drift vid årsskiftet 010/011. Mindre installationer finns bland annat på en del företag, industrier och sjukhus för att säkerställa en avbrottsfri eltillgång. Ett svänghjul under drift ger inga utsläpp eller använder något fossilt bränsle och är därför bra ur miljösynpunkt. Svänghjul som energilagring i elnät i stor skala är ännu under utveckling. I takt med att andelen förnyelsebara energikällor ökar kommer behovet av energilagring bli större vilket ger ökade möjligheter till fler installationer av större anläggningar med svänghjul. 4

6 Bilaga 1 Kompendium Inledning I takt med att allt fler förnyelsebara energikällor som vind- och solkraft installeras på vårt elnät blir energiproduktionen mer oregelbunden. Energin produceras inte heller efter behov utan när naturen tillåter det. Till exempel producerar ett vindkraftverk energi endast när det blåser inte när det finns behov. Detta gör att det kan produceras ett överskott vid tillfällen då produktionen är hög men behovet lågt. För att kunna ta tillvara energin från förnyelsebara energikällor då produktionen är hög och använda den vid behov krävs att det finns bra energilagring. Ett sätt att lagra överskottsenergin är med hjälp av svänghjul. Ett svänghjul består av en cylinder med en viss massa som sätts i rörelse. Svänghjulet får sedan rotera näst intill friktionsfritt i vakuum för att minimera luftmotstånd. När energin behövs sätts det på ett motstånd som sakta bromsar upp svänghjulet och på så vis överför den kinetiska energin till elektrisk energi med hjälp av en generator. Den mängd energi som kan lagras i ett svänghjul bestäms av svänghjulets massa och vilken rotationshastighet den klarar. Därför är valet av material mycket viktigt för att få en bra verkningsgrad på energilagringen. Svänghjul som energilager är en ny teknik men har redan börjat byggas och installeras på flera ställen. Det är framförallt förekommande i fordon, men en energilagringspark i New York har byggts upp med ett hundratal svänghjul för att jämna ut energiproduktionen. Parken ska under en kort tid kunna leverera upp till 0 MW med en verkningsgrad på 90 %. Svänghjul har ingen direkt miljöpåverkan. De behöver inga fossila bränslen och de släpper inte ut någon koldioxid eller annan gas. De är även så gott som helt underhållsfria. I framtiden kan behovet av fler anläggningar med svänghjul som energilagring öka då förnyelsebara energikällor får en allt viktigare roll i vår elproduktion. 5

7 Teori och funktionssätt Energi kan lagras på olika sätt och ett av dessa är med svänghjul som beroende på tröghetsmomentet och vinkelhastigheten i en roterande massa lagrar energi som kinetisk energi i. Ett svänghjul består förenklat av en rotor och en motor/generatorenhet som både kan arbeta som motor och generator ii. Systemet lagrar energi när det finns ett överskott på elnätet och då driver motorn en rotor som ökar sin hastighet. När elektricitet ska tas ut omvandlas den kinetiska energin till elektricitet i generatorn och rotorns hastighet minskar iii. Figur 1. Exempelbild på ett svänghjuls uppbyggnad Den kinetiska energin E k [J] som lagras i ett svänghjul ges av ekvation(1) nedan. Iω E k = (1) Där [kg m ]är tröghetsmomentet för svänghjulet och [rad/s] är vinkelhastigheten. Tröghetsmomentet för en solid rotor visas i ekvation() nedan. mr I = () Där [kg] är massan på svänghjulet och [m] är radien på densamma. Ekvation() sätts in i ekvation(1) vilket ger ekvation(3) nedan. mr ω E k = (3) 4 6

8 Ekvation (3) visar att energin är proportionell mot massan. Vinkelhastigheten som är den hastighet svänghjulet roterar med påverkar energin i kvadrat och har därför störst inverkan på energin. Eftersom hastigheten har större inverkan på den lagrade energin än vad massan har eftersträvas därför en högre hastighet framför massan på rotorn. Högre hastigheter innebär större påfrestning på materialets hållfasthet och det betyder att energin som ett svänghjul kan klara av att lagra beror mycket på hållfastheten hos svänghjulet iv. Ett materials specifika hållfasthet ges av ekvation(4) nedan. ρυ σ = ult (4) Där [kg/m 3 ] är densiteten på materialet och [m/s] är hastigheten på yttersta delen av rotorn som beskrivs enligt ekvation(5) nedan. υ = ωr (5) Den specifika energin kan då skrivas som ekvation (6) nedan. Ek m υ = σ ult = ρ (6) Påfrestningen på hjulet i samband med hög rotationshastighet kan leda till att hjulet kollapsar och går sönder vilket kan leda till stora skador och därför är det viktigt att välja rätt material till konstruktionen. Traditionellt har stål använts till svänghjul men i takt med att produkten utvecklas har olika kompositmaterial blivit allt vanligare v. Den specifika hållfastheten för olika material visas i tabell 1 nedan vi. Tabell 1. Materialegenskaper Material Densitet[kg/m 3 ] Specifik hållfasthet[mnm/kg] Stål(AISI 4340) GFRP CFRP Glasfiber polymer Kolfiber polymer Rotorn i svänghjulet stödjs vanligtvis av mekaniska kullager då rotorn består av stål vii. I takt med att svänghjulen utvecklas mot att klara av högre hastigheter och med nya material så har det blivit vanligt med magnetiska kullager. Dessa har ingen kontakt med drivaxeln och består av permanenta magneter som håller upp rotorns vikt med repellerande krafter. En annan typ av magnetiska kullager är HTS (High-temperature super-conducting) som arbetar under hög temperatur men kräver avancerad kylning. Förbättring av hjullagren leder till både lägre friktion och mindre mekanisk påfrestning på svänghjulet viii. En stor del av förlusterna i ett svänghjul kommer från luftfriktion i rotorn därför att luftfriktionen är proportionell mot vinkelhastigheten i kvadrat. Ett sätt att komma runt problemet är att förändra luftsammansättningen i svänghjulet. Tester har gjorts med blandningar av luft och helium med goda resultat som visar att luftfriktionen kan minskas med mer än 40 % beroende på andelen helium 7

9 inblandat jämfört med bara luft. Fördelen med helium-luftblandning är en lägre kostnad jämfört med vakuum där en större anläggning krävs för att erhålla detta ix. Numera används dock oftast vakuum för att det ska vara möjligt att hålla en jämn hög vinkelhastighet och för att reducera friktion och därmed energiförluster x. För att vara intressant ur ett samhällsekonomiskt perspektiv bör ellagring från el till el vara cirka 80 % eller högre xi och svänghjul kan då vara ett intressant alternativ då de har en verkningsgrad på minst cirka 80-90% xii. Svänghjul som energilagringssystem i elnätet Användandet av förnyelsebara energikällor är ett bra val för miljön, men inte lika bra för vårt elnät. Förnyelsebara energikällor som till exempel vindkraft, genererar endast elenergi när det blåser. Eftersom det inte blåser lika mycket hela tiden blir det en oregelbunden elproduktion vilket leder till sämre stabilitet, elkvalitet och spänningsvariationer på elnätet xiii. Kvaliteten på elen är viktig eftersom mängder med elektroniska apparater finns anslutna till elnätet. Störningar på detta kan leda till stora kostnader för bland annat industrier och variationer på spänningen kan orsaka flimmer i belysningen vilket uppfattas som störande xiv. Ett sätt att få mer stabilitet och bättre elkvalitet på elnätet är att införa energilagring som klarar att lagra och tillföra aktiv effekt xv. Energilagring i elnätet fungerar också som energisäkerhet vid strömavbrott. Ett strömavbrott i en industri kan orsaka mycket problem och leda till stora förluster och därför är det viktigt att ha ett energilager i reserv. Det är vanligt att batterier används för att ge mer stabilitet och en avbrottsfri elförsörjning. Batterier har många fördelar men också många nackdelar. Några problem med att använda batterier som energilagring är bland annat att de har låg laddning- och urladdningshastighet, kort livslängd, hälsofarliga syror och negativ miljöpåverkan efter förbrukning. Att istället använda svänghjul som energilagringsteknik ger fördelar som snabb laddning- och urladdningshastighet, obegränsat antal cykler och miljövänlighet xvi. Andra problem som uppstår med förnyelsebara energikällor är bland annat att det inte går att styra över produktionen. Det gör att det kan vara hög produktion vid tillfällen då efterfrågan är låg och låg produktion då efterfrågan är hög. En lösning på detta problem är att lagra energin i svänghjul då produktionen är hög och ta ut den när den behövs. Många forskare är eniga om att förnyelsebara energikällor kommer vara de som dominerar energiproduktionen i framtiden, men då krävs att det finns bra energilagring som dels kan lagra den producerade energin under lång tid men också för att jämna ut produktionen om till exempel vinden avtar xvii. Sveriges effektförbrukning och vindkraftproduktion under mars 010 visas i figur nedan för att ge en bild av hur effektbehov och produktion från vindkraftverk kan variera under tid xviii. Eftersom det inte går att planera produktion från förnyelsebara energikällor som vindkraft, kan det bli svårt att få tillräcklig energiproduktion om energiförsörjningen enbart sker med hjälp av dessa energikällor och om ingen lagring används xix. 8

10 Figur. Sveriges effektförbrukning och produktion från vindkraftverk under mars 010 Installationer Svänghjulet finns på marknaden men är ovanligt i stor skala. Idag är svänghjulen vanligare i fordon, för mer information om svänghjul i fordon hänvisas till rapporten om svänghjul i fordon xx. Det finns även ett antal installationer som gjorts för att lagra energi till elnätet och på så vis undvika kortvariga spänningsfall. Detta är lämpligt att göra hos företag som är beroende av el, så som sjukhus, datacenter, banker och tv/radio stationer xxi. På datacentret i Santa Clara har man valt att använda sig av svänghjul och de största anledningarna till det är att svänghjulet tar mycket mindre plats och väger mycket mindre än vad de traditionella batterierna gör. Det blir även billigare tack vare att svänghjulen inte är lika temperaturberoende som batterierna är. Dessa måste dessutom bytas ut vart femte år medan svänghjulen har en livslängd på ungefär tjugo år och de kräver mycket lite underhåll xxii. Figur 3. Ett svänghjul från Beacon Power I staden Stephentown utan för New York har man startat ett stor projekt med svänghjul som ska ha en lagringskapacitet på 0 MW, det vill säga tio procent av dygnsförbrukningen i delstaten. För att nå den kapaciteten har man serie kopplat tvåhundra svänghjul, se figur 4 nedan xxiii. Företaget som har byggt anläggningen är Beacon Power och en bild av deras svänghjul visas i figur 3. De använder svänghjul av kolfiber som roterar i vakuum för att få minimal friktion, dessa svänghjul har en verkningsgrad på 90 %. Här används svänghjulen för att få en jämnare elproduktion där överflödig energi sparas och används vid högt energibehov xxiv. 9

11 Figur 4. Svänghjulsparken i Stephentown Ett annat exempel är kärnkraftverket Forsmark som har energilagring i svänghjul. De använder svänghjulen vid snabba stopp då energin krävs till bland annat pumpar xxv. Ekonomi och miljö Svänghjul är ett bra val för miljön. Under drift används inget fossilt bränsle och ger inga utsläpp av koldioxid eller andra gaser xxvi. Genom att använda svänghjul som energilagring i elnätet kan mer förnyelsebara energikällor användas vilket också leder till mindre utsläpp och användning av fossilt bränsle xxvii. Kostnaden för att bygga och installera svänghjul på elnätet är svårt att veta eftersom det är en relativt ny teknik som precis börjat byggas. Ett exempel på vad parken i New York kostade kan ges som en hänvisning till ett ungefärligt pris. Priset på svänghjulsparken kostade 50 miljoner dollar och kan då under kort tid leverera en effekt på 0 MW xxviii. Framtida potential och hållbarhet Energilagring av överskottsenergi blir allt viktigare när förnyelsebar energi ökar. Svänghjul är ett miljövänligt alternativ till att lagra energi i elnät. Behovet av miljövänlig energilagringsteknik blir hela tiden större och ger därför svänghjul goda möjligheter att bli en viktig del i ett energisystems energilagring xxix. Eftersom svänghjul har lång livslängd, kräver lite underhåll och inte har någon direkt miljöpåverkan bidrar det till en hållbar utveckling. 10

12 Referenser i I. Dincer, M. A. Rosen. (010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-6. ii F.N Werfel, U. Floegel-Delor, T. Reidel, D. Wippich, B. Goebel, R. Rothfeld. (010) HTS Flywheel from R&D to Pilot Energy Storage System. s1. iii Bolund Björn, Bernhoff Hans, Leijon Mats. (007) Flywheel energy and power storage systems. s38. iv Dincer, M. A. Rosen. (010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-6. v vi Dincer, M. A. Rosen. (010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-6. vii F.N Werfel, U. Floegel-Delor, T. Reidel, D. Wippich, B. Goebel, R. Rothfeld. () HTS Flywheel from R&D to Pilot Energy Storage System. s1. viii Bolund Björn, Bernhoff Hans, Leijon Mats. (007) Flywheel energy and power storage systems. s ix Suzuki, Y. Koyanagi, A. Kobayashi, M. Shimada, R. (005). Novel applications of the flywheel energy storage system. s x xi xii Dincer, M. A. Rosen. (010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-6 xiii xiv xv xvi Kato, S. Takaku, T. Sumitani, H. Shimada, R. (009). Development of Voltage Sag Compendator and UPS Using a Flywheel Induction Motor and an Engine Generator. Vol No. 1 s74 xvii 10 metoder kan lägga ren energi på lager. (011). ILLUSTRERAD VETENSKAP. Nr 3 xviii xix 10 metoder kan lägga ren energi på lager. (011). ILLUSTRERAD VETENSKAP. Nr 3 xx Rapport av. xxi Suzuki, Y. Koyanagi, A. Kobayashi, M. Shimada, R. (005). Novel applications of the flywheel energy storage system. Vol.30. s19. xxii xxiii xxiv xxv arch_success xxvi xxvii xxviii xxix 10 metoder kan lägga ren energi på lager. (011). ILLUSTRERAD VETENSKAP. Nr 3 Bilder Figur 1: Bolund Björn, Bernhoff Hans, Leijon Mats. (007) Flywheel energy and power storage systems. s38 Figur 3: Figur 4: