Körschema för Umeå Energis produktionsanläggningar Karl-Johan Gusenbauer Caroline Ödin Handledare: Lars Bäckström
Inledning och syfte Ungefär hälften av all uppvärmning av bostäder och lokaler i Sverige sker idag med hjälp av fjärrvärme och andelen ökar. Detta betyder att fjärrvärmenäten i vårt avlånga land växer och därmed också antalet värmeproduktionsanläggningar. Både ur miljö- och kostnadsperspektiv är en effektiv samordning och styrning av ett fjärrvärmenäts pannor av mycket stor vikt. Värmen till Umeås fjärrvärmenät kommer från 15 olika anläggningar ägda av Umeå Energi. En av dessa är utrustad med rökgaskondensering och en ackumulatortank finns också tillgänglig i systemet för att kompensera kortvariga variationer i effektbehov. I pannorna används avfall, biobränsle, olja eller el som bränsle. I och med att pannorna använder olika typer av bränslen, har olika utformning och är olika dimensionerade så har varje anläggning en egen karaktäristik vad gäller ekonomi och producerad effekt. Förutom kostnader vid drift så tillkommer även kostnader vid start och stopp av anläggningen. Detta sammantaget gör att styrningen av vilka pannor som ska vara i drift vid olika tidpunkter blir en delikat utmaning då man förstås vill hålla de totala produktionskostnaderna i systemet så låga som möjligt. Detta projekt syftar till att skapa en datormodell över Umeå Energis produktionsanläggningar i Umeå samt simulera för att finna den optimala styrningen utifrån verkliga värden på effektbehov. Optimeringen sker med krav på tillgodosett effektbehov samt lägsta möjliga driftskostnad.
Metod Detta projekt har utförts med hjälp av simuleringar i programmet What s Best. Där har värden för de olika pannorna lagts in. Deras rörliga kostnader (bränslekostnader samt drift- och underhållskostnader) och start- och stoppkostnader har även det tagits med i beräkningarna. Bränslepriserna är inte dagens priser utan kommer från Umeå Energis 2015-utredning där priserna är uppskattade för perioden 2007-2015 1. Använda bränslepriser samt anläggningsdata finns åskådliggjorda i bilaga A. Optimeringen av driften har gjorts för att tillfredställa medeleffektbehovet under två dygn för perioden januari-februari 2003. Anledningen till att perioden inte utökades till att innefatta hela året är att den programversion som användes inte klarar av den stora modell som då skulle krävas. Varje produktions enhet har begränsats både mot max- och mineffekt, och varje start på en produktionsanläggning har registrerats som en merkostnad utifrån verkliga kostnadsuppgifter från Umeå Energi. I den totala kostnaden har sedan förutom start- och stoppkostnader, de rörliga kostnaderna per producerad MWh samt kostnaden för driften av ackumulatortanken räknats med. Denna är 110 000 kr per år 2 och eftersom detta behandlar 2 månader har en sjättedel av denna kostnad räknats med. Då det genereras intäkter genom den el som produceras på Dåva - 386 kr per producerad MWh el - måste detta räknas bort från kostnaderna. För att göra detta har elproduktionen på Dåva satts till att ha en konstant effekt på 15 MW. Detta är inte konstant över hela året men under dessa två kalla månader har det antagits att Dåva levererar värme på maxeffekt hela tiden och då produceras även el på full effekt. Uppgifter om effekter och verkningsgrader är verkliga värden från Umeå Energi 3. 1 Johan Stenlunds examensarbete Dimensionering av en ackumulatortank för Umeå Energis fjärrvärmesystem 2 Ibid 3 Ibid
Resultat Den resulterande kostnaden visas överskiktligt i tabell 1 och grundligare i bilaga 2. Här kan man se att den totala kostnaden blir 44,1 miljoner kronor för de två första månaderna på året. Rörliga kostnader (kr) 52096114 Start och stopp kostnad (kr) 82000 Kostnad acktank (kr) 18333,333 Intäkter el (kr) 8069449,3 Total kostnad (Mkr) 44,126998 Tabell 1: Totala kostnader Figur 1 visar hur de olika pannorna körs. På x-axeln visas tiden som är två dygn per mätpunkt, dvs punkt 15 motsvaras av dag 30. Utifrån denna figur kan man lätt se att Dåva, Panna 6, panna 7 samt Dåvas rökgaskondensering går på maximal effekt hela perioden. Dessa pannor går på biobränslen samt avfall. Värmepump 1 och 2 går båda på el och spillvärme. Värmepump 2 går i princip hela perioden men inte på fullast hela tiden. Värmepump 1 startas och stoppas några gånger under perioden och går lite mindre än värmepump 2. Slutligen går panna 3 och 4, som båda eldas med olja, också under delar av perioden där panna 3 utnyttjas i större utsträckning än panna 4. Den översta röda linjen är värmebehovet och då pannorna inte täcker behovet så används den lagrade energin som finns i ackumulatortanken. Den nedersta linjen visar den effekt som ackumulatortanken levererar till nätet, vilket innebär att negativa värden visar att tanken laddas. 300 Ersboda 250 EP2 Backen 200 P4 EP1 P4 Effekt (MW) 150 100 P3 Värmepump 1 Värmepump 2 Dåva Rökgaskond. P7 Centrum p4 P5 P3 Värmepump 1 Värmepump 2 50 P6 Dåva Dåva Rökgaskondensering P7 P6 Dåva 0 Behov 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Från ack -50 Tid (2 dygns-perioder) Figur 1 Producerad effekt summerat över de olika produktionsanläggningarna. Även effektbehov och levererad effekt från ackumulatortanken redovisas med linjer. Produktionen fördelat på olika bränslen under perioden kan ses i figur 2. Avfall står för den största delen, hela 33 % av alla MWh som produceras kommer från detta bränsle. Näst mest
använda bränslet är biobränsle med 29 %. Därefter kommer det som producerats med el och spillvärme på 22 %, alltså den värme som produceras med värmepumparna och i Dåvas rökgaskondensering. Med hjälp av olja produceras 16 % av MWh. Värmeproduktion enbart från el är nästan obefintlig. El+Spillvärme 22% Avfall 33% Avfall El Olja Biobränslen El+Spillvärme Biobränslen 29% Olja 16% El 0% Figur 2: Fördelningen av de producerade MWh på olika bränslen I figur 3 nedan visas hur bränsleanvändningen är fördelad över perioden. Här ser man tydligt att oljeanvändningen sker under den tid då värmebehovet är som störst. 300 250 200 Effekt (MW) 150 100 Olja El och spillvärme Biobränslen 50 Avfall 0 2003-01-02 2003-01-09 2003-01-16 2003-01-23 2003-01-30 2003-02-06 2003-02-13 2003-02-20 2003-02-27 Datum Figur 3: Värmeproduktionen över tid fördelat på bränslen
Diskussion Modellen som har konstruerats förutsätter att ingen anläggning förutom Dåva producerar värme vid periodens början. Detta är en följd av att simulering endast var möjligt för en period om två månader pga begränsningar i programmet. Om simuleringar hade kunnat göras för ett helt år hade det varit möjligt att räkna med att vissa anläggningar redan körs och därför inte behöver startas. Samma resonemang gäller för den energi som är lagrad i ackumulatortanken vid periodens början. Den sattes till 100 MWh men med mer information om driften innan periodens början hade mer verklighetsförankrade värden kunna användas. Det är främst under början av den simulerade perioden som de inledande antagandena har effekt. Ju längre period som simuleras, desto mindre effekt får ovanstående antaganden. Kostnaderna är inte helt korrekta eftersom att start och stoppkostnaderna kommer vara i överkant av det skäl som vi nämnt ovan, nämligen att en del av de pannor som startas den första Januari redan är igång. Intäkterna för elen är baserade på Umeå Energis egna värden men detta värde borde trots allt variera en del då priset på elen på spotmarknaden varierar. De rörliga kostnaderna kommer givetvis också att variera med bränslepriser och dylikt men vi har begränsat oss till att använda Umeå Energis uppgifter på detta. Den fördelning av använt bränsle som kan ses i figur 3 speglar bränslepriserna då de billigaste används i full utsträckning. Undantaget är perioden 2003-01-16 till 2003-01-23 då panna 3 körs och den billigare värmepump 1 står still. Detta är en effekt av att panna 3, som eldas med olja, har en start- och stoppkostnad på 20000 kr medan samma kostnad för värmepumpen endast är 500 kr. Därför blir det i längden billigare att under en kort period använda ett dyrare bränsle. I verkligheten är det mycket svårare att åstadkomma den absolut billigaste driften eftersom man inte vet behovet för framtiden. I denna simulering vet man vad effektbehovet har varit och kommer att vara. Resultatet att detta projekt kan man därför se som ett facit för hur anläggningarna skulle ha körts under perioden. Man kan tydligt se i figur 1 att ackumulatortanken jämnar ut mycket av topparna som annars skulle ha krävt att ännu dyrare pannor skulle ha behövt startas. De värden vi använder är medelvärden över två dygn och därmed är de snabbaste topparna och dalarna utjämnade. I verkligheten inträffar mycket mera fluktuationer i värmebehovet än vad som åskådliggörs i detta fall detta innebär att ackumulatortanken får en ännu större betydelse i verkligheten. Enligt Umeå Energi brukar värmepump 1 och 2 tillsammans producera mellan 100 och 150 GWh värme under ett år 4. Under de två månader som vår modell simulerar har totalt 30,6 GWh producerats med dessa (se bilaga B). Eftersom värmepumparna inte nyttjas lika mycket under hela året är det svårt att säga hur många GWh vi skulle ha fått över hela året med vår modell men vi kan dock dra slutsatsen att de erhållna värdena är rimliga. 4 Jörgen Carlsson, Umeå Energi AB
Referenser Skriftlig referens Johan Stenlunds Dimensionering av en ackumulatortank för Umeå Energis fjärrvärmesystem Umeå University, Department of Applied Physics and Electronics, Master Thesis in Energy Engineering, 20 p, 2005. Muntlig referens Jörgen Carlsson på Umeå Energi AB
Bilaga A - Anläggningsdata Produktionsenhet Dåva Bränsle Min effekt (MW) Max effekt (MW) Startstoppkostn ad Driftkostnad (kr/mwh) Bränslepris (kr/mwh) Verkning sgrad/ COP Total rörligkostnad (kr/mwh) (verkningsgrad medräknad) Dåva Avfall 30 55 50000 115-98 85-0,3 Dåva vp 5 14 0 40 575 500 155,0 Ålidhem Värmepump 1 spillvärme 8 19 500 40 705 317 262,4 Värmepump 2 spillvärme 6 13 500 40 705 317 262,4 EP1 El 6 10 1500 50 675 99 731,8 EP2 El 6 10 3000 50 675 99 731,8 P3 olja 18 46 20000 80 500 90 635,6 P4 olja 18 46 20000 80 500 90 635,6 P5 olja 18 40 20000 80 500 90 635,6 P6 biobränsle 18 30 10000 75 150 85 251,5 P7 biobränsle 8 18 10000 75 150 85 251,5 Övriga Backen olja 6 20 21000 80 500 90 635,6 Ersboda El 6 10 1500 50 675 99 731,8 Sjukhuset El 4 8 1500 50 675 99 731,8 Centrum P3 olja 10 15 21000 80 500 90 635,6 Centrum P4 olja 10 20 21000 80 500 90 635,6 Enheter ej ännu i drift Röbäck (2007) biopulver 6,3 25 6000 80 250 85 374,1 Dåva 2 (2009) bio 54 90 40000 60 150 85 236,5 Dåva 2rgk (2009) 0 18 0 20 0 100 20,0
Bilaga B - Kostnader Produktionsenhet Totalt antal MWh Rörliga kostnader (kr) Start och stopp kostnad (kr) - 22544,94118 0 Intäkter el (kr) Ack kostnad (kr) Total kostnad (Mkr) Dåva 76652,8 Dåva värmepumpar 19905,6 3085368 0 Värmepump 1 14472 3797416,278 1000 Värmepump 2 16167,6 4242337,438 1000 EP1 0 0 0 EP2 1,31E-12 9,58891E-10 0 P3 25000 15888888,89 20000 P4 0 0 0 P5 13063,2 8302389,333 40000 P6 41760 10501411,76 10000 P7 25056 6300847,059 10000 Backen 0 0 0 Ersboda 0 0 0 Sjukhuset 0 0 0 Centrum P3 0 0 0 Centrum P4 0 0 0 Summerat 232077,2 52096113,82 82000 8069449,3 18333 44,13