Vinsten i energibesparing med automationslösningar Erik Dahlquist Mälardalens Högskola Akademin för hållbar samhällsoch teknikutveckling
Framtida krav - elnät Går från central produktion och styrning till distribuerad produktion o styrning Produktion och last varierar mer okontrollerat med vind, sol och elfordon Behöver nya styrmedel. Nya prismodeller är medlet. Teknisk optimering och styrning kompletterar. Genom detta kan stora investeringar undvikas. 2
Hushållsel Storleksordningen 20 TWh/år används i hushåll och kontor som hushållsel se Storleksordningen 30% av denna borde kunna vara möjlig att använda som balans-effekt Det skulle motsvara ca 6.5 TWh/år Värde i pengar ca 6.5 miljarder kronor Kräver automationslösningar för att genomföra
El i bilar Idag används ca 100 TWh per år för fordon. Av detta är ca 50 TWh för personbilar, som lämpar sig bäst för elhybrider Ifall vi antar ca 1 l/10 km idag kan vi räkna med 0.3-0.4 l/10 km inom ca 10 år. Detta innebär en minskning till storleksordningen 20-25 TWh/år för samma fordonspark. Av detta kan vi räkna med att storleksordningen hälften kommer att vara i form av el, dvs ca 10-12 TWh/år. Åtminstone hälften av detta borde kunna användas för effektbalansering på lokal nivå, dvs 5-6 TWh/år
Summering tillgänglig energi/effekt för styrning Direktverkande el kan enkelt implementeras och ger ganska liten effekt, åtminstone i tidperspektivet några timmar. Kan räkna med att avstängd värme kan ge en temperatursänkning på 0.5-1 oc per timme Hushållsel lite knepigare pg rent tekniskt, men fullt möjligt För elbilar behövs ett system med viss intelligens, men bör kunna ske via AMRsystem Totalt ca 20 + 6 + 5 = 31 TWh/år i perspektivet upp till max 12 timmar, men mest några timmar
Hur? Rent tekniskt k behövs visst utvecklingsarbete Till detta behövs dock bra prismodeller Motivation till att acceptera blir dels själva prismodellerna, dels ordentliga informationskampanjer Måste visa upp demoinstallationer Kan komplettera systemen med andra funktioner också
Framtida funktioner för nätbolagen Upptäckt och hantering av avbrott Minimera i nätförluster t Analys och optimering av mikroproduktion Förnyade arbetsprocesser Beslutsstöd för avancerad mätning 7
Vad gör vi inom MERO/PRO? Sol Total EL consumption for each apartment 2005 8000 7000 6000 5000 kwh 4000 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 62m2 79-80m2 95m2 Production: Biogas, Förgasning Lokal produktion och konsumtion Figur 5.2. Värmelast för ett kontor. Legend: röda punkter vardagar dagtid, svarta plustecken övrig tid. TPV Tekniska lösningar Ekonomisk styrning, Handel med rättigheter, el, värme Nya prismodeller Beteendeförändringar Diagnostik, styrning, Modellering, Beslutsstöd, optimering simulering s W ed gi ng Metall Industri Vatten Papper 8
Total electricity consumption per apartment during the period 2004-2007 12000 10000 kw Wh 8000 6000 2004 2005 2006 4000 2007 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Apartment
QUESTIONNAIRES evenings/ nights 48% entire day 42% half day 10% >50000 SEK 32% <30000 SEK 21% 30000-50000 SEK 47%
Energidialogen Mäta el och varmvatten i enskilda hushåll Presentera för de boende Webinfo till varje abbonent hos Mälarenergi kw Sum heat and electricity (el power) Electricity compensated for sun and wind Household electricity = the difference Time
Web-info
Sustainable societies Vstmd Mälard Swed EU27 TWh/y TWh/y TWh/y TWh/y People Million 0,26 3 9 499 Food and drinks 0,52 5,9 22 994 Extra energy for food prod 0,26 3 11 505 Paper o paper products 0,23 2,6 10 170 Plast o chemic 0,31 3,5 13 Cement 5 350 Metals 0,6 6,8 26 600 Total material 1,92 21,6 82 2619 -Electricity 3,3 37,5 129 3360 -Heat 3,6 41,11 166 5717 -Transports 2,4 27,2 105 4388 Total el+heat+tran 9,3 105,8 400 13465 Total energy 11,2 127,4 482 16084 Balance tot energy 7 81 307 17
Energy savings by process efficiency improvements TWh/y in EU27 TWh/y Non Ferrous Metal Copper due to savings 1,6 Copper due to biomass or CCS 3,8 Aluminium due to savings 2,6 Aluminium due to biomass or CCS 6,6 Sub total 14,6 Ferrous metal 250 Cement and lime Cement and lime due to savings 30 Cement and lime due to biomass or CCS 280-420 Sub total 310-450 18
Energy utilization during production of flat non-ferrous metal products illustrated by Type of process Conv kwh/t BAT kwh/t With predicted potential kwh/ton Melting 380 320 200 Casting 20 20 20 Hot rolling Milling 200 ColdrollingMilling 50 130 110 Annealing 100 80 70 Cold rolling and cutting 120 120 100 Total 870 670 500 19
Energy savings by process efficiency improvements TWh/y EU27 Pulp and paperp Paper HC forming 28-45 Lime kiln replacement w biomass or CCS 35 Lime kiln due to savings 7 Sub total 70-87 Total potential savings 645-800 20
PRO International co operation Only research Only education Both R&E
Optimization of fiber line diagnostics and Model based control with ABB, Korsnäs and SAPPI
Diagnostics, early warnings and decision support with Vallvik/Rottneros Recovery boiler at Vallvik steam explosion 1998. Astrong wish to avoid a new explosion! Energy balance over the recovery boiler using the measurements from the process together with a physical process model. This balance is update frequently. Trending the deviation between measured data and predictions from the physical model. Complement with other information like bed camera and lab measurements. When the deviation passes a predefined level, an early warning is sent to the operator displays Decision support on probable cause of problems is given through a Bayesian net. E.g.: Tube leakage in furnace part of boiler 65% probability Sensor fault black kliquor flow meter 43 % Tube leakage in ECO part 24 % etc
Biomass combustion in CFB plant DDR cooperations with six power companies and ABB Specifications Boiler 5 Total heat Output : 157 MWth Steam Flow : 55.5/48 kg/s Steam Pressure : 170/37 bar Steam Temperatur : 540/540 o C
Dynamic data reconsiliation at Mälarenergi
MPC control of BFB in Eskilstuna- coop with ABB/CRC NIR moisture content 910 900 890 880 870 860 850 840 830 Störningsförsök under en timme recirk(d),uppfukt(e),luftflöde(f)- röd bäddtemp, blå rökgasfukt 820 1 62 123 184 245 306 367 428 489 550 611 672 733 794 855 916 977 1038 1099 1160 1221 1282 1343 1404 1465 1526 1587 1648 1709 1770 1831 1892 1953 Eskilstuna
Modelling of fouling at HEX tubes 0.34 0.32 0.3 scale=1 0.28 0.26 20 my 0.24 0.22 02 0.2 scale=1 0.18 0.16 0.14 0 0.05 0.1 0.15 0.34 0.32 0.3 scale=2 0.28 0.26 1 my 0.24 0.22 0.2 scale=2 0.18 0.16 0 005 0.05 01 0.1 015 0.15 Particles 20 um 1 um
Control in roll mills Mass flow control Thickness FB Thickness FF Morgoil Comp. Speed FF Position controller Wedging F roll V entry V roll V roll Vexit Incoming thickness Outgoing thickness Tension FF. Coolant ctrl. Tension FB
Transformer lining modelling with respect to temperaturere
Fiberline control and optimization with ABB Automation ti and CRC
Digester Optimization and Control P CLA T LG P P L L T L F P T P F T T CLA Control kappa by quality measurments of chips,liquors and fibers.ff from chip and liquors,fb from kappa and liquors. Model based H-factor control Production optimization O ABB Service * ** *** *** *** *** *** ** -- - CLA20 Help Results Sample Diagnostics Setup Service L N T F F PH P DP Kappa E P CLA P E F N P F P L C PH P Kappa F F L
Diagnostics comparing simulated to measured ddata on-line. ABB, Korsnäs and SAPPI coop
Water treatment technology Optimization i of water treatment t t systems Removal of NO3 in water using constructed wet land ponds Active sludge process optimization (KKS) Biogas production (KKS) Development of adsorption systems from natural materials Toxicology in connection with water treatment New application MDH,UU,KTH,SLU on joint plattform as strong research environment to SVU.
Dynamic data reconciliation at Malarenergy Avvikelse mellan mätt och predikterat värde på fukthalt i rökgas
Diff (simulering mätdata) Process Mätvärden Jämför tid Simulator Orsaksamband beslutsstöd
Troligaste felorsaker kopplade till varning Värmevärde biobränsle Sintrings Luft tendens reglering Bäddtemp panna Temp Givare ånga Ångdom reglering Varians ångtem p Intrexbädd Nivå/temp U-värde Flödes givare Temp Givare intrex Effekt minskning Fjärrvärme produktion Turbin problem
Optimization of biogas production Växtkraft Membrane filtration removes organics from centrifuge filtrate water. No ballast. Better distribution of gas for mixing Improving mass transfer with electric field Better measurement and control when we have learnt how to operate i best possible way Recirculate sludge to farm land
Optimering av värmeproduktion och distribution Individuell fjärrvärmemätning Det finns många produktionsenheter och ett stort distributionsnät Viktigt att hantera dynamik i nätet och osäkerhet i väderleksrapporter Samarbete med Fortum värme (Stockholm) och Eskilstuna Energi och miljö
erik.dahlquist@mdh.se 39
Framtida krav - information Mycket mer information/data behöver transporteras men också nyttiggöras genom nya tjänster och funktioner. 40