ÖKAD RESURSEFFEKTIVITET I KRAFTVÄRMESYSTEM GENOM SÄSONGSLAGRING AV VÄRME Emilia Björe-Dahl & Mikaela Sjöqvist
AGENDA Introduktion Bakgrund Metod Resultat Diskussion & Slutsats
INTRODUKTION
Tekniska verken INTRODUKTION Kraftvärmeproduktion från avfall - effektöverskott sommartid Större värmebehov vintertid - topplastbränslen Säsongsvärmelager ökar resurseffektiviteten
SYFTE OCH MÅL Syfte Syftet med examensarbetet är att utreda teknisk och ekonomisk prestanda för ett säsongsvärmelager i Tekniska verkens kraftvärmesystem Mål Att ta fram en modell över hur Tekniska verkens energisystem påverkas av integreringen av ett säsongsvärmelager. Modellen ska användas vid: Dimensionering av lagret Kostnadsberäkningar Koldioxidberäkningar
FRÅGESTÄLLNINGAR Hur bör ett säsongsvärmelager utformas, dimensioneras och drivas för att kunna integreras i Tekniska verkens kraftvärmesystem? Hur skulle Tekniska verkens värme- och elproduktion påverkas vid integrering av ett säsongsvärmelager? Vilka ekonomiska förutsättningar finns för integrering av ett säsongsvärmelager?
AVGRÄNSNINGAR Undersöker borrhålslager Två typer av värmepumpar Två typer av borrhålsvärmeväxlare
BAKGRUND
BORRHÅLSLAGER Berggrunden är lagringsmedium Flexibel installation Borrhålsvärmeväxlare: Värmebärare utbyter värme med berggrunden U-rör Koaxial
TEKNISKA VERKEN Ansvar för Linköpings fjärrvärmeförsörjning Gärstadverket Avfall Ny panna 2016 Kraftvärmeverket Trä Kol/Gummi Olja Hetvattencentraler
Effekt [MW] VÄRMEEFFEKTBEHOV OCH -PRODUKTION 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Värmeeffektbehov- och produktion över året Kylning Olja BioHVC Kol/gummi Retur-trä Avfall Effektbehov
Effekt [MW] Effekt [MW] EFFEKTÖVERSKOTT OCH TOPPLASTEFFEKT Varaktighetsdiagram effektöverskott Varaktighetsdiagram topplast 160 140 120 Bortkylning Inkl RGK 160 140 120 Olja BioHVC Kol/gummi 100 80 100 80 30,0 GWh 60 40 60 40 4,6 GWh 81,9 GWh 20 20 0 1 1001 2001 3001 4001 5001 0 1 1001 2001 3001 Tid [h] Tid [h]
METOD
Beräkningsmodell i MATLAB Litteraturstudier Kontakt med experter Studiebesök METOD
MODELLERADE SYSTEM System Borrhålsvärmeväxlare Värmepump A U-rör Kompression B U-rör Absorption C D Koaxial borrhålsvärmeväxlare Koaxial borrhålsvärmeväxlare Kompression Absorption
SAMVERKAN MED ÖVRIGT ENERGISYSTEM Inladdning Urladdning Returledning -Fjärrvärmenätet Returledning -Fjärrvärmenätet Framledning -Fjärrvärmenätet Framledning -Fjärrvärmenätet Värmepump Borrhålslager Borrhålslager
MODELLERING AV BORRHÅLSLAGER Lokal process Värmeöverföringsprocess i och kring varje borrhål Global process Värmeutbyte med omgivningen Påverkar lokal process
MODELLERING AV VÄRMEPUMPAR Kompressionsvärmepump Absorptionsvärmepump Absorptionsvärmepump Kompressionsvärmepump Borrhålslager Borrhålslager
Förändringar: EKONOMISKA BERÄKNINGAR El- och värmeproduktion Investeringskostnader Kylning 20 års ekonomisk livslängd antogs i alla beräkningar Nettonuvärde, årlig annuitet och diskonterad återbetalningstid
KOLDIOXIDBERÄKNINGAR Förändringar: El- och värmeproduktion Elanvändning Ingen LCA Värderar el på två olika sätt
VAL AV DIMENSIONER OCH DRIFTSTRATEGIER Testsimulerade under tre år Värmepumpseffekt: 50 MW Parametrar som varierades: Antal borrhål Djup på borrhål Avstånd mellan borrhål Antal seriekopplade borrhål Temperaturkrav på 50 C, därefter högsta nettonuvärde
RESULTAT
DIMENSIONER OCH DRIFTSTRATEGI Inladdning 1 april - 31 oktober Urladdning 1 november 31 mars Ingen urladdning år 1 1500-1600 borrhål Djup 200-250 m 5 m avstånd
Effekt [MW] Effekt [MW] Effekt [MW] Effekt [MW] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 160 140 120 100 80 60 40 20 0 TEKNISK PRESTANDA FÖR SYSTEMEN U-rör + kompression (A) 1 1001 2001 3001 Tid [h] Olja BioHVC Kol/gummi Drivel Lager Koaxial + Kompression (C) 1 1001 2001 3001 Tid [h] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 160 140 120 100 80 60 40 20 0 U-rör + absorption (B) 1 1001 2001 3001 Tid [h] Koaxial + absorption (D) 1 1001 2001 3001 Tid [h]
EKONOMISK OCH MILJÖMÄSSIG PRESTANDA System A B C D Nettonuvärde [MSEK] -252 138-259 140 Diskonterad återbetalningstid [år] - 12-12 System A B C D Total förändring (beräkningssätt marginalel) [Ton CO2] 2 600-6 000 2 700-6 600 Total förändring (beräkningssätt nordisk elproduktionsmix) [Ton CO2] -24 100-32 200-28 300-33 900
EKONOMISK OCH MILJÖMÄSSIG PRESTANDA System A B C D Nettonuvärde [MSEK] -252 138-259 140 Diskonterad återbetalningstid [år] - 12-12 System A B C D Total förändring (beräkningssätt marginalel) [Ton CO2] 2 600-6 000 2 700-6 600 Total förändring (beräkningssätt nordisk elproduktionsmix) [Ton CO2] -24 100-32 200-28 300-33 900
EFFEKTRÖVERSKOTT - SYSTEM D Effekt [MW] Varaktighetsdiagram effektöverskott 140 120 100 Bortkylning Inladdning Inkl RGK 80 60 40 20 0 1 1001 2001 3001 4001 5001 Tid [h]
INBESPARAD ÅNGPRODUKTION - SYSTEM D Inbesparad ångproduktion per år 1,8 GWh 28,2 GWh 0,5 GWh 4,1 GWh 23,2 GWh 58,7 GWh Ersatt KV1 Panna 1 (kol/gummi) KV1 Panna 1 Ersatt BioHVC BioHVC Ersatt KV1 Panna 2 (olja) KV1 Panna 2
EFFEKT - SYSTEM D EFfekt [MW] 60 In- och urladdad effekt Inladdad Urladdad 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Tid [h]
EFFEKT OCH ENERGI -SYSTEM D Energi [GWh] 300 In- och urladdad energi Inladdad 250 Urladdad 200 150 100 50 0 1 2 5 10 15 20 Tid [år]
TEMPERATURER - SYSTEM D Temperatur [ C] Temperatur [ C] Temperatur i berget år 1-3 100 80 60 40 20 Innersta skiktet Yttersta skiktet 0 0 1 2 3 Tid [år] Returtemperatur från lagret vid urladdning 90 80 70 60 50 40 0 500 1000 1500 2000 Tid [h] år 2 år 3 år 5 år 10 år 20
INTERAKTION MED OMGIVNINGEN- SYSTEM D
INTERAKTION MED OMGIVNINGEN- SYSTEM D Avstånd till lagret [m] 0 Temperaturfördelning i omgivningen 100 C 100 50 C 200 0 4 8 12 16 20 Tid [år] 0 C
DISKUSSION OCH SLUTSATS
Egenskaper på berget Ekonomi Värmepumpseffekt U-rör eller koaxial? Långvariga effekttoppar? DISKUSSION
SLUTSATS Borrhålsvärmeväxlare utredas noggrannare Föreslaget system Absorptionsvärmepump (40-50 MW) Djup: 250 m Antal borrhål: 1300-1500 Uppemot 80 % av ångproduktionen från fossila bränslen kan ersättas Miljömässiga och ekonomiska vinster
TACK! Kontaktuppgifter: emilia.bjore-dahl@sweco.se mikaela.sjoqvist@swedavia.se