Autonom Fjärrvärme i Göteborg Forskningsprojekt Status 2008-12-08

Autonom Fjärrvärme i Göteborg Forskningsprojekt Status 2008-12-08 Janusz Wollerstrand, Patrick Lauenburg och Svend Frederiksen Institutionen för Energivetenskaper, Lunds Tekniska Högskola 1

Inledning Följande arbete beskriver idén med en cirkulationspump i radiatorsystem som drivs av en turbin som placeras på primärsidan i en fjärrvärmecentral. På så sätt används tryckskillnaden mellan fram- och returledning för att driva cirkulationen på sekundärsidan. Vid en första anblick kan det te sig ineffektivt att först tillföra pumpenergi till fjärrvärmenätet för att sedan omvandla vattnets rörelseenergi till pumpenergi igen. Det här konceptet handlar dock om att utnyttja mekanisk energi som i stora delar av nätet annars måste strypas bort. Det finns två huvudsakliga idéer här, den ena är att detta kan fungera som reservlösning för att kunna säkerställa värmeleveranser i samband med ett elavbrott. Kan bara fjärrvärmeleverantören upprätthålla driften av nätet med hjälp av reservkraft, så kan strömlösa kunder ta emot värme. Den andra idén är att undersöka om turbinpumpsanordningen kan fungera vid kontinuerlig drift. Tanken är då att man utnyttjar det överflödiga differenstryck som råder i de flesta fjärrvärmecentraler (på grund av att en lägsta tillåtna tryckdifferens måste upprätthållas överallt i nätet) till att driva turbinen. Syftet med detta arbete är således att undersöka och utvärdera funktionen hos en sådan anordning. Självcirkulation I ett projekt som avslutas ungefär samtidigt med detta har LTH tillsammans med E.ON Värme i Malmö, Energimyndigheten, Svensk Fjärrvärme samt kommun och fastighetsbolag i Malmö studerat möjligheterna att upprätthålla värmeförsörjning vid ett elavbrott [1]. I arbetet undersöktes om självcirkulation kan uppstå i anslutna byggnader givet att driften av fjärrvärmenätet kan upprätthållas. Ett flertal byggnader har testats och resultaten har varit överraskande och positiva: i många byggnader kan mellan 40 och 80 procent av värmetillförseln upprätthållas genom självcirkulation. Studien visade emellertid att man inte kan räkna med att detta fungerar tillfredsställande i alla byggnader. Den föreslagna turbinanordningen skulle kunna fungera som reservanordning i dessa byggnader och som kompletterande anordning i övriga. Turbindriven cirkulationspump Idén med att sätta en liten turbin på primärsidan i en fjärrvärmecentral presenterades för 15 år sedan av en av oss (Frederiksen) och R. Johnsson [2], som vid den tiden ansvarade för fjärrvärmen i Malmö. I Figur 1 visas radiatordelen av en fjärrvärmecentral med den föreslagna anordningen i sin enklaste form, en turbin och cirkulationspump på gemensam axel, här med turbinen i serie med radiatorväxlaren. 2

Δp FV Radiatorvvx Radiatorsystem Turbin Pump Figur 1 Skiss över uppvärmningsdelen av en fjärrvärmecentral med radiatorsystemets cirkulationspump driven av en vattenturbin på primärsidan. Kopplingen mellan turbin och pump kan arrangeras på olika sätt. Man kan, som i figuren, ha en enkel mekanisk koppling, eventuellt med en växel. Ett annat alternativ skulle vara att låta turbinen driva en generator som i sin tur levererar elektrisk energi till en pumpmotor. Även en hybridlösning är möjlig, där den mekaniska kopplingen, med eller utan växel, kombineras med en elektrisk motor som även kan fungera som elgenerator. Några av de faktorer som avgör vilken konfiguration som är lämpligast är: Optimala hastigheter på turbin- och pumpaxlar Tillgängliga differenstryck på primärsidan vs flödesbehov på sekundärsidan Överföringsförluster i samband med eventuell generator och motor Robusthet Pris Möjligheterna för att den tillgängliga turbineffekten ska räcka till för att driva cirkulationspumpen kan uppskattas med ett enkelt exempel. Den sammanlagda erforderliga verkningsgraden för turbinpumpen kan beskrivas enligt axel hydr, rad tot = turbin pump = = hydr, FV axel η η η ( V& Δp) ( & Δ ) P P P P V p rad FV. Energibalansen för den överförda energin i radiatorväxlaren ( ρ p ) ( ρ p ) Q & = V & c Δ T = V & c ΔT kan förenklas till FV rad V& V& rad FV ΔT = Δ T FV rad. Insatt i uttrycket för verkningsgraden fås då 3

η tot ΔT ΔT FV = rad Δp Δp rad FV. Antag nu ett specifikt driftsfall då inkommande och utgående fjärrvärmetemperaturer uppgår till 100 respektive 45 C och att temperaturen ökar från 40 till 60 C i radiatorsystemet. Om vi också antar att det för turbinen tillgängliga differenstrycket på primärsidan är 4 bar och att cirkulationspumpen ger en tryckhöjning på 0,3 bar innebär det att den sammanlagda verkningsgraden måste vara: η tot ( ) ( ) 100 45 0,3 = 21%. 60 40 4 Detta skulle till exempel kunna uppnås med en turbinverkningsgrad på 30 procent och en pumpverkningsgrad på 70 procent, enligt: ηtot = ηturbin ηpump = 0,7 0,3 = 21% Exemplet visar att anordningen kan fungera även om förutsättningarna varierar kraftigt vid olika driftsfall. Vi diskuterar detta vidare i ett avsnitt längre fram. Pumpar som turbiner (PAT) Det kan te sig dyrt att installera en vattenturbin i varje fjärrvärmecentral. Det visar sig dock att det skulle kunna gå att använda befintliga, enkla, serieproducerade pumpar för endamålet. Det har gjorts en del studier kring ett koncept som kallas PAT (Pumps As Turbines), se [3] och [4]. Det visar sig att små pumpar kan köras omvänt, som turbiner, med en rimligt hög verkningsgrad. Typiska applikationer för sådana turbiner har hittills varit i små vattenkraftverk för att tjäna enstaka byggnader som ligger i närheten av en flod eller en bäck och inte är anslutna till ett tillförlitligt allmänt elnät. En av anledningarna som gör PAT-konceptet attraktivt, i synnerhet i länder som är mindre industrialiserade, är att små pumpar kan köpas färdiga nästan var som helst i världen. Om det finns en önskan att öka pumpens verkningsgrad så kan detta uppnås genom runda av pumpbladens kanter vid utloppet (som blir inlopp vid turbindrift). Som en generell term kallas mycket små turbiner, med en effekt under 5 kw, pikoturbiner. Exempel på sådana kan hittas i exempelvis Indonesien [5] och Kenya [6]. Prototyp och försöksuppställningen I samarbete med pumptillverkaren Grundfos har en prototyp för en turbindriven pump tagits fram. Prototypen var av renodlat mekanisk typ, med gemensam axel, jämför Figur 1. Turbinpumpen hade byggts av Grundfos och blivit testad i deras provbänk. Efter laboratorieförsöken installerades prototypen i en fjärrvärmecentral (FC) i Göteborg. Syftet med att även testa prototypen där var att se hur anordningen passar i FC-miljö, både storleks- och prestandamässigt. En större byggnad som ägs av Göteborgs Energi AB (GE) och fungerar som deras huvudkontor valdes för ändamålet, mycket beroende på sekretesskraven från 4

Grundfos sida. Vi var eniga om att kraven skulle vara svåra att uppfylla om vi placerade prototypen i en byggnad med utomstående ägare. Tillgängligheten till ett FC-rum brukar i och för sig vara begränsad, men hos GE kunde man vara rimligt säker på att man hade kontroll över vem som har tillgång till utrymmet. Valet av byggnaden har i viss mån påverkat utformning och utfall av försöket, vilket kommer att diskuteras längre fram. Den befintliga FC:n består av en radiatorkrets, en ventilationskrets och en tappvarmvattenkrets. I Figur 2 ses kretsarnas värmeväxlare med tillhörande styrventiler. RAD SHUNTAR TAPP RAD VENT Figur 2 Fjärrvärmecentral hos Göteborgs Energi AB. I och med att byggnaden är relativt stor är dess radiatorkrets uppdelad i fyra sektioner med var sin tillhörande shuntgrupp och cirkulationspump (längst in till höger på bilden i Figur 2). Det befintliga shuntgrupputförandet visas i Figur 3. Den ursprungliga idén var att ansluta prototypens turbinsida i serie med FC:ns radiatorvärmeväxlare och styrventil. Detta blev omöjligt av den anledning att differenstrycket i GE:s fjärrvärmenät visade sig vara lågt i de centrala delarna av staden där den aktuella byggnaden ligger, typiskt 100 300 kpa. Vid seriekoppling skulle det tillgängliga differenstrycket över turbinen bli då alldeles för lågt, eftersom tryckfallet över värmeväxlaren och styrventilen skulle reducera det. Vidare, i och med att shuntkretsar fanns, skulle strömningsmotståndet på sekundärsidan kunna variera under försökets gång. 5

Figur 3 Shuntgrupp, före ombyggnad Därför bestämde vi oss för att använda bara en av shuntgrupperna som sekundärkrets och att ansluta turbinen direkt till fjärrvärmeserviserna, se Figur 4. Prototypen kopplades in så att dess pumpdel ersatte den befintliga cirkulationspumpen. Inkopplingen gjordes med hjälp av flexibla slangar. Två flödesmätare sattes in för att mäta primärt respektive sekundärt flöde genom turbinpumpen. Shuntgruppens pump - ursprunglig placering - ny placering Figur 4 Schematisk bild av inkoppling av turbinpumpen i FC hos GE. 6

I samråd med GE:s personal valde vi den shuntgrupp som värmer upp källarutrymmen för vårt försök, detta för att minimera eventuell inverkan på verksamheten i byggnaden. Inkoppling av de flexibla slngarna och shuntgruppens utseende utan skyddskåpa kan ses i Figur 5. Vi kunde styra strömningsmotståndet på primärrespektive sekundärsida med hjälp av avstängningsventiler. Efter provkörning visade det sig att strömningsmotståndet på sekundärsidan var för stort i förhållande till turbinpumpens kapacitet. Därför ordnades en extra bypass mellan pumpens in- och utlopp (ej i bild). På det sättet kunde fler relevanta driftpunkter testas. Vi valde att köra tester vid fem olika strömningsmotstånd. Försöken gick till på det sättet att man först valde ett strömningsmotstånd på sekundärsidan. Därefter öppnades en avstängningsventil på primärsidan gradvis tills ett valt pumpvarvtal uppnåddes. När tillståndet var stabilt, lästes differenstryck och flöde på primär- resp sekundärsida av. Differenstrycket avlästes direkt från manometrar som fanns installerade och flödet mättes med ultraljudsmätare av fabrikat Kamstrup. En svårighet i sammanhanget var, som redan nämnts, att differenstrycket i fjärrvärmenätet var ganska lågt medan vi gjorde våra försök, och brukar vara lågt i den delen av nätet under hela året. Av denna anledning kunde vi inte åstadkomma vissa sekundärflöden eftersom vi inte kunde höja pumpvarvtalet trots att avstängningsventilen på primärsidan var helt öppen. En annan svårighet var att differenstrycket varierar mycket i GE:s nät från stund till stund. Därför hade vi svårigheter med att åstadkomma fullt stationära tillstånd (konstant pumpvarvtal). Detta har påverkat vår mätnoggrannhet i större utsträckning än att relativt enkel utrustning har använts för tryckmätning. Figur 5 Shuntgrupp utan skyddskåpa, efter ombyggnad. 7

Resultat Pumpkurvor Figur 6 nedan visar pump- och systemkurvor som har sammanställts från försöken i Göteborg. Olika primärflöden resulterar i olika varvtal på pumpen. De olika systemkurvorna har åstadkommits genom att ändra radiatorsystemets karakteristik med hjälp av dels en injusteringsventil för att öka systemets strömningsmotstånd och dels med bypasskopplingen som minskar det relativt höga strömningsmotståndet genom att låta en del av flödet kopplas förbi radiatorkretsen. Den brantaste kurvan motsvarar ett fall där motståndet ökats medan den näst brantaste systemkurvan motsvarar originalsystemet (System 2). Resterande kurvor är varianter där motståndet har minskats genom att successivt öppna bypasskopplingen. I det ordinarie systemet (System 2) uppgick radiatorflödet vid normalt drift till mellan 0,61 och 0,625 l/s. I figuren ses att detta flöde inte riktigt uppnåddes vid försöket. Vid maximalt primärflöde genom turbinpumpen nåddes ett radiatorflöde på 0,56 l/s. 0.6 0.5 700 rpm 1200 rpm 1700 rpm 1900 rpm 2200 rpm 2400 rpm System 1 System 2 System 3 System 4 System 5 0.4 Dps [bar] 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Vs [l/s] Figur 6 Pump- och systemkurvor från försök fältförsök i Göteborg Säkra värmeförsörjning Pumpkurvorna visar att pumpturbinen som sådan fungerar i den testade miljön. Frågan är då om den ger tillräckligt med flöde vid olika driftsfall. Låt oss först och främst studera möjligheterna att använda turbinpumpen som backupanordning vid ett elavbrott. Vid försöket nåddes som mest ungefär 90 procent av normalt radiatorflöde. Eftersom radiatorflödet och radiatorsystemets karakteristik normalt är mer eller mindre konstant avgörs det aktuella flödet av aktuellt differenstryck och flöde på primärsidan. Det primära differenstrycket varierar med utetemperaturen och beror på fjärrvärmenätets och fjärrvärmeproduktionens egenskaper. Vid de lägsta utetemperaturerna är dock differenstrycket som högst vilket är gynnsamt för att få ett tillräckligt högt varvtal på 8

turbinpumpen. Man kan därför slå fast att man med den aktuella konfigurationen helt klart har en fullgod reservlösning. Vilket maximalt primärflöde som är tillgängligt är dock inte helt självklart. I den aktuella installationen är turbinpumpen kopplad parallellt med radiatorväxlaren vilket medger ett högt flöde genom turbinen. I ett längre perspektiv, där turbinpumpar förekommer på flera platser i ett fjärrvärmenät innebär denna koppling att turbinen kan stjäla flöde från andra fjärrvärmecentraler i nätet. Det innebär att man måste tillföra mer pumpenergi till nätet. Genom att koppla turbinen i serie med radiatorväxlaren kan man undvika detta genom att låta turbinpumpen få det flöde som bestäms av den aktuella radiatorlasten. Den aktuella radiatorkretsen är dimensionerad för 56 kw och ett temperaturprogram på 80/60 C. Det innebär att radiatorflödet blir 0,67 l/s (56/4,18/20), vilket är ungefär i nivå med vad som kunde noteras vid försöket. Då primärsidan är dimensionerad för 100/63 C blir det maximala primärflödet 0,36 l/s (56/4,18 20). Figur 7 nedan visar radiatorflödet som funktion av fjärrvärmeflödet vid samtliga försök i turbinpumpen. Oavsett strömningsmotstånd i radiatorsystemet så krävs ett fjärrvärmeflöde på ungefär 0,4 l/s för att vi ska få ett flöde i radiatorsystemet. Detta innebär alltså att det finns friktion i turbinpumpen som ger ett offsetfel vid alla drifttillstånd. 1.6 V s [l/s] 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 System 1 System 2 System 3 System 4 System 5 0.4 0.2 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 V p [l/s] Figur 7 På grund av friktion i turbinpumpen krävs ett primärflöde på minst 0,4 l/s innan ett flöde på sekundärsidan kan erhållas. Om det testade exemplaret av turbinpumpen skulle ha placerats i serie med radiatorväxlaren kan alltså konstateras att det erforderliga fjärrvärmeflödet för radiatorväxlaren inte räcker ens för att få pumpen att börja rotera (0,36 < 0,4 l/s). Vi har påpekat detta för Grundfos som meddelat att det är möjligt att minska friktionen betydligt med rätt val av komponenter och tekniska lösningar. Vidare är det så att prototypen är kraftigt överdimensionerad, då dess pumpdel, vid fullt varvtal, kan ge ett flöde på 5,6 l/s vid 50 kpa tryckfall på sekundärsidan. I en mindre pump skulle inverkan av friktion vara mindre under de givna förutsättningarna. Det är därför 9

relevant att analysera turbinpumpens prestanda under ett antagande att friktionen kan försummas. I det fallet skulle kurvorna i Figur 7 parallellförflyttas till vänster så att linjernas skärningspunkt skulle sammanfalla i origo. Kontinuerlig drift av en turbinpump Under årens lopp har pumptillverkare gjort ansträngningar för att förbättra effektiviteten i sina produkter för att bidra till att spara dyrbar elenergi. Idén om att ha en pump som drivs av en turbin skulle, om den fungerar, vara ett stort, indirekt steg framåt i denna utveckling inom fjärrvärmeområdet eftersom man utnyttjar energi som annars går förlorad genom strypning i styrventiler i serie med värmeväxlare. Figur 8 nedan visar en förenklad schematisk bild av tryckförändringen från en pump placerad centralt i nätet till nätets periferi. Tryckskillnaden mellan fram- och returledning är mycket större nära pumpen jämfört med i utkanten av nätet. p max Heat plant p min Figur 8 Principiell skiss som visar tryckvariationen över fjärrvärmecentraler från en centralt placerad cirkulationspump i nätet till nätets periferi. Med hänvisning till förra avsnittet finns det potential för att kunna använda turbinpumpen för kontinuerlig drift. Bortsett från det offsetfel som beror på friktion i turbinpumpen erhölls ett sekundärflöde som var avsevärt lägre än primärflödet. En turbinpump för kontinuerlig drift kräver mycket noggrann dimensionering. Beroende på egenskaperna hos olika radiatorsystem varierar förutsättningarna för hur väl turbinpumpen kan fungera. Figur 9 nedan visar hur förhållandet mellan primär- och sekundärflöde normalt skiljer sig mellan olika typer av radiatorsystem. Bäst förutsättningar råder i ett lågflödessystem, 80/35 i figuren, där radiatorflödet är avsevärt lägre än ett 60/40-system. Allra högst är sekundärflödet i ett 55/45-system, vilket ställer stora krav på turbinpumpen. Förutom en noggrann dimensionering kan det vara nödvändigt att använda en annan utväxling för att rätt förhållande mellan flödena på primär- och sekundärsida skall kunna erhållas. Eftersom flödesförhållandet dessutom varierar med uppvärmningsbehovet kan det bli svårt att använda en turbinpump med direktkoppling. I så fall kan en indirekt koppling med generator och motor vara aktuell, se avsnittet om fortsatta studier. 10

20 18 Flödesförhållande Vs/Vp [-] 16 14 12 10 8 6 4 55 45 60 40 80 35 2 0-15 -10-5 0 5 10 15 Utetemperatur [ C] Figur 9 Förhållande mellan primär- och sekundärflöde beroende på utetemperatur i olika typer av radiatorsystem. Grundfos resultat Som redan nämnt testades prototypen av Grundfos innan den skickades till Göteborg. Resultatet av dessa tester sammanfaller med våra resultat men är långt mer heltäckande tack vare att Grundfos använde provbänk och därmed inte hade några svårigheter med att uppnå avsedda differenstryck över turbindelen. Bilden till vänster i Figur 10 visar resultaten på turbinsidan, medan bilden till höger visar resultaten på pumpsidan, varvid kurvor med samma färg motsvarar samma, ungefär konstanta axelvarvtal som uppnåddes vid respektive provserie. Man kan se att vid konstant primärflöde och axelvarvtal varierar tryckfallet över turbinen ganska litet oberoende av lastvariationen på pumpsidan. Man kan säga att turbinen har strypförmåga som beror mest på primärflödet och att tryckfallet ökar kvadratiskt med flödet, som i en fast strypning. Pumpkurvorna till höger ser typiska ut för en centrifugalpump. Det för oss intressanta här är att, tack vare ett lämpligt val av turbin och pump, arbetar turbinen vid betydligt högre tryckfall än den uppfodringshöjd som genereras av pumpen, medan dess flödesbehov är upptill tre gånger lägre än motsvarande pumpflöde. Detta motsvarar en typisk situation i en fjärrvärmecentral, se resonemang i de föregående avsnitten. Vi försöker igen avgöra om turbinpumpen lämpar sig för kontinuerlig drift. 11

Figur 10 Testresultat från Grundfos. Prestandakurvor för turbindelen till vänster och för pumpdelen till höger. I Figur 11 har samma pumpkurvor som i Figur 10 plottats som funktion av förhållandet mellan det uppnådda sekundärflödet (pumpflödet) och det primärflöde som krävdes (turbinflöde). Här ser vi potentialen: upptill 2,5 gånger beroende på den nödvändiga pumpuppfodringshöjden. Figur 11 Pumpkurvor där tryckhöjning plottats som funktion av förhållandet mellan pumpflöde och turbinflöde. Jämför man detta med kurvorna i Figur 9 visar det sig dock att ett sådant flödesförhållande inte räcker för att driva en radiatorkrets dimensionerad enligt 60/40- principen, förutom i närheten av DUT. Däremot ser det betydligt bättre ut när det gäller ett lågflödessystem, 80/30. Här räcker nämnda flödesförhållande vid utetemperaturer från DUT och upp till knappt 5ºC. Man får vara medveten om att för 12

att åstadkomma ett konstant cirkulationsflöde måste turbinpumpen hålla ett konstant axelvarvtal, vilket kräver konstant primärflöde, vilket i sin tur strider mot principen för effektreglering av radiatorvärmeväxlaren (variabelt flöde) då vår turbinpump skall seriekopplas med den sistnämnda. För att lösa detta problem måste vi dimensionera turbinpumpen så att den ger ett tillräckligt cirkulationsflöde vid en viss utetemperatur (så hög som möjligt) och installera en bypassventil som släpper förbi flöde som är överflödigt för pumpdrivning men som är nödvändigt för effektreglering vid alla lägre temperaturer. Allmänt framgår det av Figur 9 att en turbinpump i det diskuterade utförandet aldrig kan driva radiatorkretsen inom dess hela arbetsområde eftersom primärflödena blir riktigt små vid låga laster. Någon form av hjälpenergi kommer därför alltid att behövas vid moderata utetemperaturer. Det finns dock utsikter för att gränsen för hur länge ren turbinpumpbaserad drift är möjlig kan flyttas mot högre utetemperaturer: Den byggda prototypen är ingalunda färdigutvecklad utan består av två standardpumpar med en mekanisk koppling emellan Uppfodringshöjden i radiatorkretsen gavs ett typiskt värde i vårt exempel. I ett högflödessystem injusterat som lågflödessystem skulle detta värde bli betydligt lägre. Resonemangt hittills förutsätter ett radiatorsystem med konstant cirkulationsflöde. I ett system med variabelt flöde skulle flödet sjunka med minskande last vilket skulle öka turbinpumpens möjliga driftsområde ytterligare. Även under ovanbeskrivna förutsättningar skulle turbinpumpdriften täcka den övervägande delen av radiatorkretsens driftstid under året, vilket innebär besparing av elenergi för pumpdrift. Slutsatser Om ambitionen är att leverera värme till samtliga byggnader i händelse av ett elavbrott, måste uppmärksamhet riktas åt tryckvariationer i hela nätet. På platser där det råder en stor tryckskillnad är förhållandena för att uppnå en hög effektivitet i en turbindriven pump bättre än på andra håll. Om turbinpumpar i fjärrvärmecentraler som befinner sig långt från cirkulationspumpar ska kunna fungera vid ett elavbrott är det viktigt att regleringen av fjärrvärmecentraler som arbetar vid höga differenstryck inte tillåter onödigt stora primärflöden och på så sätt stjäl flöde så att differenstrycken blir lägre långt ifrån pumpen. Studien stödjer tanken på att göra fjärrvärmen kapabel att förse anslutna byggnader med värme i händelse av ett elavbrott. Detta kan ske genom självcirkulation, en turbindriven pump eller en kombination av båda. Kan man dessutom låta pumpen drivas kontinuerligt av turbinen kan en besparing av elenergi uppnås. Värmeförsörjning vid elavbrott kan vara ett försäljningsargument för fjärrvärme, i synnerhet på områden där fjärrvärme konkurrerar med elvärme och värmepumpar. 13

Diskussion och fortsatta studier Medan det står klart att turbinpumpen fungerar som backupsystem i ett fjärrvärmeanslutet radiatorsystem (förutsatt att driften av fjärrvärmenätet upprätthålls) krävs mer studier för att undersöka möjligheterna till kontinuerlig drift. Varierande flödesförhållanden mellan primär- och sekundärsida vid olika lastfall gör exempelvis att man bör fundera på en hydraulisk förbikoppling av turbinen, som kunde kompletteras med en elektrisk förbindelse mellan primär- och sekundärsida via generator och elmotor, företrädesvis med anslutning till elnätet se, Figur 12. I ett enklare utförande skulle en kombinerad generator/motor sitta på en gemensam axel mellan turbin och pump, som i Figur 12. Figur 12 Möjlig inkoppling av en turbinpump med integrerad elektrisk styrning En annan möjlighet är att låta turbinen driva en generator som skulle försörja pumpens motor med el. I det senare fallet kan pumpen och turbinen ha olika varvtal, varvid, beroende på använd kraftelektronik, turbinvarvtalet kunde tillåtas variera. Det man får komma ihåg här är att både elgeneratorn och motorn har en viss verkningsgrad som inverkar på den totala verkningsgraden hos anordningen. Figur 13 visar hur verkningsgraden påverkas vid övergång från rent mekanisk koppling (till 14

vänster) till full hybridkoppling (till höger). Observera att bilden är principiell och att för enkelhetens skull förutsätts här att varje ingående komponent har verkningsgrad 50% vilket behöver inte alls vara fallet i verkligheten. Fortsatta studier av hybrida system borde dock föregås av en analys av de ingående komponenternas prestanda. Figur 13 Principbild av inverkan av de ingående komponenternas antal och verkningsgrad på den totala verkningsgraden. Erkännanden Tack till Göteborg Energi AB för både samarbete och finansiering samt till Grundfos A/S för samarbete i samband med utvecklingen av turbinpumpprototypen och för tillgång till resultat från provbänktester. Referenser [1] P. Ljunggren, P.-O. Johansson: Fjärrvärmelast vid elavbrott (District Heat Load During a Power Failure), Dept. of Energy Sciences, Lund University, Lund, Sweden, 2006, ISRN LUTMDN/TMHP--07/3031-SE, ISSN 0282-1990. [2] R. Johnsson: Device in a District Heating Substation (in Swedish). Patent document SE 9202719, 1993 (www.espacenet.com). [3] A. Williams: Pumps as Turbines A User s Guide. ITDG Publishing, London, 2nd Edition 2003. [4] P. Singh (New Delhi, India): Optimization of Internal Hydraulics and of System Design for PUMPS AS TURBINES with Field Implementation and Evaluation. Dissertation, Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Umweltwissenschaften der Universität Fridericiana zu Karlsruhe (TH), 2005. [5] M. Suarda, N. Suarnadwipa & W.B. Adnyana (Dept. of Mech. Engineering, Udayana University, Bali, Indonesia): Experimental Work on Modification of 15

Impeller Tips of a Centrifugal Pump as a Turbine. The 2nd International Conference on Sustainable Energy and Environment (SEE 2006), 21-23 November 2006, Bangkok, Thailand. [6] Wikipedia, search on pico hydro made on Sept. 6th, 2007. 16