Från kraftvärme till energikombinat : En fallstudie av kraftvärmeverket i Sala

(1)

Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling

Från kraftvärmeverk till energikombinat

– En fallstudie av kraftvärmeverket i Sala

Examensarbete vid Mälardalens Högskola i samarbete med Sala Heby Energi AB

Utfört av Niklas Andersson Wahlman Västerås,

(2)

II

Förord

Detta examensarbete har skrivits vid Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling, HST, vid Mälardalens högskola i samarbete med Sala-Heby Energi AB. Jag skulle vilja tacka Fredrik Starfelt MdH, Björn Widarsson FVB ab och Anders Avelin SHE ab för all deras tid och

handledning. Ett extra tack riktas också till Henny Andersson, Andreas Lindahl och min familj för att ni har tjatat på mig.

Jobba heltid och skriva examensarbete är inget jag rekommenderar.

Västerås

(3)

III

Sammanfattning

Den globala uppvärmningen har definierats som en av vår tids största utmaningar. Det är därför viktigt att ställa om energiproduktionen från fossila till förnyelsebara bränslen.

Sala Heby energis kraftvärmeverk har en termisk effekt på 30,8 MW, av detta är eleffekten 10 MW. Kraftvärmeverket har, precis som alla kraftvärmeverk, en begränsad utnyttjandetid och kan endast köras med full last på vintern. På våren och hösten men framförallt sommaren går

kraftvärmeverket på reducerad last då det inte finns tillräckligt värmeunderlag hos

fjärrvärmeabonnenterna. Den överkapacitet som finns i kraftvärmeverket under vår-, höst- och sommaren, kan användas till att producera ytterligare en produkt utöver el och värme. En sådan anläggning benämns ofta för energikombinat.

Ett energikombinat kan beskrivas som ett kraftvärmeverk vilket producerar elektricitet samt fjärrvärme precis som ett konventionellt kraftvärmeverk, men också ytterligare en nyttighet. Denna rapport syftar till att utreda den mest lönsamma nyttigheten av tre utvalda:

pelletsproduktion, smältlager samt biogasproduktion där substratet förbehandlas med ångexplosion.

En statisk energibalansmodell över kraftvärmeverkets turbin och fjärrvärmekondensorer etc. med systemgränserna vid turbinens inlopp, ut från matarvattentanken samt fjärrvärmens fram-

respektive returledningar har skapats med programmet IPSEpro. Anläggningens alfa-värden har simulerats för en rad scenarier och laster med en process ansluten till fjärrvärmenätet, ånga avtappat från avgasning av matarvattentank, samt en ny avtappning där ånga tappas av vid 15 bar nominellt tryck. Ett nollfall har också simulerats och validerats mot driftdata.

Vidare har en ekonomisk analys visat att det mest lönsamma kombinatet är pelletsproduktion, vilken får en payback-tid på 1,7 år.

(4)

IV

Abstract

The threats from global warming become more serious every day, with the consequence of natural disasters. With an increasing energy demand together with decreasing supply of fossil fuel sources, the future energy supply has to be produced from renewable energy sources and with an increased efficiency.

A traditional cogeneration plant that produces electricity and district heating could be retrofitted to a polygeneration plant which produces an additional product. In this report the possibilities to produce pellets, biogas with steam explosion pretreatment of the substrate and mobile thermal energy storage has been investigated.

A steady-state simulation model of the steam cycle in Sala-Heby energi’s combined heat and power plant has been developed and the different polygeneration configurations have been simulated. The amount of electricity produced with the existing heat demand has been investigated at different loads and different extraction points of steam/district heating.

A conclusion that can be made from the simulations is that a polygeneration plant producing pellets with a thermal size of 6 MW would have a payback time of 1,7.

Keywords: polygeneration, biogas, steam explosion, pellets, Mobile thermal energy storage.

(5)

Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling V

Innehåll

1 Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.1.1 Elpris ... 2 1.1.2 Elcertifikat ... 2 1.2 Syfte ... 3 1.3 Metod ... 3 2 Sala-Heby Energi AB ... 5 2.1 Kraftvärmeverket ... 5 3 Energikombinat ... 6 3.1 Pelletstillverkning ... 6

3.1.1 Flisning och sortering ... 8

3.1.2 Torkning ... 8

3.1.3 Malning ... 11

3.1.4 Pelletering ... 12

3.2 Smältlager ... 12

3.2.1 Val av material för värmelagring ... 13

3.3 Biogasproduktion med förbehandlingssteg ... 13

3.3.1 Förbehandling ... 13 3.3.2 Rötning ... 14 3.4 Gashalter ... 16 3.4.1 Användningsområden ... 17 4 Utvärdering av modelleringsverktyg ... 18 4.1 Prosim ... 18 4.2 IPSEpro ... 19 4.3 Val av modelleringsverktyg ... 20 5 Modellering ... 21 5.1 Modellen ... 21 5.2 Validering ... 23

(6)

Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling VI 6 Simulering ... 25 6.1 Indata/Driftfall ... 25 6.1.1 Medeltemperatur ... 26 6.1.2 Återkylare ... 26 6.1.3 Fjärrvärmelast ... 27 7 Resultat ... 28 7.1 Resultat av simuleringar ... 28 7.2 Varaktighetsberäkningar ... 31 7.3 Elproduktion ... 32

7.4 Biogasproduktion med förbehandling ... 33

7.5 Pelletsproduktion ... 34 7.6 Smältlager ... 35 8 Ekonomiska beräkningar ... 38 8.1 Ekonomiska förutsättningar ... 38 8.2 Nollfall ... 39 8.3 Biogas ... 40 8.4 M-TES ... 42 8.5 Pellets... 44 8.6 Utvärdering ... 47 9 Slutsater ... 49 10 Litteratur ... 51 Appendix

Appendix 1, Kombinat vid ny avtappning Appendix 2, kombinat vid befintlig avtappning Appendix 3, kombinat som fjärrvärmeförbrukare Appendix 4, Newton-Raphsons metod

Appendix 5. Varaktighetsdiagram visande 1 MW från befintlig avt. till M-TES

Appendix 6. Varaktighetsdiagram visande 6MW från ny avtappning till biogas produktion Appendix 7. Varaktighetsdiagram visande 6MW från fjärrvärme till pellets produktion

(7)

VII

Beteckningar

ACK Ackumulator

Citect Scada Styrsystem vilket Sala Heby Energi använder sig av M-TES Mobile thermal energy storage

MW Megawatt

MWh Megawattimme

FJV Fjärrvärme

Pn Nyttig effekt (värme+el)

RGK Rökgaskondensor

ÅTK Återkylare

SNCR Selective non catalytic reaction

(8)

1

1 Inledning

I detta inledande kapitel kommer bakgrund, syfte samt metod att behandlas.

1.1 Bakgrund

Då energibehovet hela tiden ökar samtidigt som jorden går mot ett varmare klimat är det en nödvändighet att inte bara producera mer energi, utan också att hushålla med resurserna. Utsläpp av växthusgaser genom mänsklig påverkan bidrar till den globala uppvärmningen, vilket har gjort att EU, 1996, satte upp mål för att bekämpa den globala uppvärmningen. Målen gick ut på att medeltemperaturen inte skulle stiga mer än 2°C jämfört med medeltemperaturen innan industrialiseringen. Globalt sett så stiger nu temperaturen med 0,2°C/år (European comission climate action, 2010). Sverige måste, enligt ovan nämnda mål sänka sina koldioxidutsläpp med 70-85% till år 2050, jämfört med 1990 års nivåer (Vetenskapliga rådet för klimatfrågor, 2007)

Det minskade värmebehovet under våren och sommaren gör att Sala Heby energis

kraftvärmeverk går på reducerad last. Under sommaren sjunker värmeunderlaget så mycket att kraftvärmeverket behöver kyla bort en del värme för att kunna hållas i drift.Vid ett par tillfällen per år får också kraftvärmeverket ställas av då ackumulatorn blir full och man inte har kapacitet att kyla bort tillräckligt mycket värme för att upprätthålla driften. Den borkylda medeleffekten under åren 2006-2009 är ungefär 10000 MWh/år. Detta innebär att ytterligare en

värmeförbrukare skulle kunna kopplas till kraftvärmeverket för att kunna förlänga driftsäsongen och använda överskottsvärmen till något nyttigt. Antingen ansluts förbrukaren som en

ångförbrukare eller som en fjärrvärmeabonnent, detta för att kunna producera mer elektricitet över året med befintligt fjärrvärmeundelag, samt producera och sälja ytterligare en produkt.

I det här examensarbetet utreds flera typer av energikombinat, med värmekonsumenter som

 Biogasproduktion av halm där substratet förbehandlas med ångexplosion

 Pelletsproduktion där råmaterialet torkas med en ång- eller fjärrvärmedriven tork

 Värmelager som laddas med fjärrvärme och kan transporteras dit värmebehovet finns och ersätta befintliga hetvattenpannor

(9)

2 Ett kraftvärmeverk producerar två nyttigheter, värme samt elektricitet. Till skillnad från ett kondenskraftverk där en så hög elproduktion som möjligt eftersträvas genom kallare kylvatten, har ett kraftvärmeverk ett värmebehov i form av en industri eller ett fjärrvärmenät att försörja med värme. Elproduktionen blir därmed en funktion av det aktuella värmeunderlaget. Dock finns ett stort intresse i att producera och sälja el utöver det som produceras med befintligt

värmeunderlag. Detta innebär att det så kallade alfavärdet, vilket allmänt vedertaget definieras som kvoten mellan producerad eleffekt och producerad fjärrvärme, önskas vara så högt som möjligt.

1.1.1 Elpris

Skandinaviens elpris regleras på elbörsen Nordpool spot, där all handel med el i norden, exkluderat Island sker. Figur 1visar hur elpriset har varierat mellan 1996 och 2010 (nordpool.com, 2010-05-25). Som synes pekar trenden på ett konstant stigande elpris.

Figur 1. Årsmedelvärde för elpris mellan 1996 och 2010.

1.1.2 Elcertifikat

I Sverige används ett stödsystem för att gynna el producerad av förnybara energikällor. Systemet antogs 2003 och innebär att för varje förnyelsebar MWh el producerad i Sverige erhålls ett certifikat som sedan varje köpare av el är förbunden att köpa. Som förnyelsebar el definieras el

0 100 200 300 400 500 600 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

(10)

3 som är producerad av vindkraft, solenergi, geotermisk energi, vågenergi, viss vattenkraft och vissa biobränslen samt torv om det används i kraftvärmeverk (Gode, 2007).

1.2 Syfte

Syftet med det här examensarbetet är att med hjälp av processimulering fastställa vilken

påverkan en processintegrering av olika värmeförbrukare har på SHE AB’s kraftvärmeverk vid olika laster samt olika yttre förhållanden. Vidare ska en ekonomisk utvärdering göras för att ta fram det mest ekonomiskt lönsamma energikombinatet. Arbetet är en förstudie som ska resultera i en rekommendation för SHE AB om vilket alternativ de bör utreda mer detaljerat.

1.3 Metod

För att inhämta information rörande de tänkta kombinaten har en litteraturstudie genomförts där både forskningsrapporter och information från tillverkare och myndigheter har inhämtats. De processer med lämpliga konfigurationer och värmeförbrukningar som skulle passa för

integrering i ett kraftvärmeverk har valts ut för att gå vidare med.

Då det finns flera olika program för statisk modellering av termiska processer har en jämförande utredning gjorts för att avgöra vilket program som är mest lämpat att använda för denna uppgift. En modell kommer att skapas i lämpligt modelleringsprogram och därefter kommer simuleringar med avseende på hur processen ändras när en förbrukare av varierande storlek läggs till

processen vid varierande driftfall och ställe för effektuttag.

En ekonomisk utvärdering för varje fall har sedan genomförts för att ta fram de mest lönsamma alternativen.

I detta arbete har turbinkedjan modellerats inklusive kondensorer, kondensatförvärmare och matarvattentank. Ångpannan har antagits ha samma egenskaper oavsett utetemperatur och last. De integrerade processerna har modellerats som värmeförbrukare .

Någon hänsyn har inte tagits till den yta kombinatet och dess kringutrustning kommer göra anspråk på, vilket kan innebära att det mest lönsamma alternativet inte alls är genomförbart då det tar för mycket plats i anspråk osv. Ett antagande att erforderlig mängd substrat/råvara finns

(11)

4 tillgänglig har gjorts.

Resultaten ska endast ses som en förstudie och kunna ge en indikation på hur driftsäsongen påverkas under givna förhållanden. För att kunna gå vidare och ansluta en värmeförbrukare till kraftvärmeverket i Sala, måste en mer fördjupad studie genomföras.

(12)

5

2 Sala-Heby Energi AB

Sala Heby energi (SHE) är en kommunalt ägd energikoncern vilken ägs till 87,5% av Sala kommun och 12,5% av Heby Kommun. Moderbolaget SHE äger helt och delvis ett antal dotterbolag såsom HESAB och Sala Heby Energi Bredband AB.

2.1 Kraftvärmeverket

Sala Heby energi's kraftvärmeverk kallas för Silververket, är levererat av Foster-Wheeler och togs i kommersiell drift under år 2000. Pannan är av typen bubblande fluidiserande bädd (BFB) och har en termisk effekt på 30,8 MW. Ånga levereras vid 80 bar och 480 grader. Som bränsle används skogsflis. Bio-olja används under uppstart, även om de två tillgängliga oljebrännarna skall kunna användas som lastoljebrännare. Kraftvärmeverket drivs därmed med endast förnybara bränslen. Flislagret är på 3200m3 och oljetanken till oljebrännarna är på 21m3.

BFB-pannan är kopplad till en enaxlig reaktionsturbin vilken driver en generator med en utlagd eleffekt på 9,8MW.Vidare är anläggningen utrustad med en rökgaskondensor samt utrustning för rökgasrening såsom elfilter och en SNCR-anläggning för NOX reducering.

En ackumulatortank med volymen 2800m3 finns för att hjälpa till vid stora, korta uttag på nätet samt för att kunna optimera elproduktion när spot-priserna är som högst. Tre oljepannor av rökrörstyp på 10 MW styck, vilka används som topplast. En wanderrost panna samt en elpanna finns också tillgängliga, vilka i dagsläget dock inte är i drift.

Den budgeterade mängden fjärrvärme som säljs i Sala tätorts fjärrvärmenät är 110 GWh/år. Förutom den centrala produktionsanläggningen i sala äger SHE AB ett trettiotal små värmeanläggningar utspridda i närområdet.

(13)

6

3 Energikombinat

I ett kraftvärmeverk är produktionen av el och värme av naturliga skäl förknippade med varandra. På sommarhalvåret när bara en bråkdel av vinterns värmebehov finns, blir också elproduktionen låg. Då värmeunderlaget på sommaren är lågt och kraftvärmeverket kontinuerligt går på reducerad last finns det underlag att producera ytterligare en produkt, vilket kallas för energikombinat (Starfelt, 2009). Exempel på energikombinat är etanolproduktion,

absorptionskyla, pelletstillverkning/torkning av biobränslen, med flera.

I denna rapport har tre olika kombinat jämförts med de termiska storlekarna 0,5, 1, 2, 4, 6 MW på den anslutna processen. Beroende på typ av kombinat har inte alla storlekarna jämförts för alla kombinat. De processer som utvärderas för anslutning till det befintliga kraftvärmeverket är:

1. En bränsletork där det produceras pellets av det torkade bränslet.

2. Mobile thermal energy storage - Mobilt termiskt energilager (M-TES). M-TES är ett sätt att flytta värme från ett elproducerande kraftvärmeverk till en liten panncentral med hjälp av containrar fyllda med ett lämpligt material. Utvecklingen av M-TES är fortfarande i forskningsstadiet.

3. Biogasproduktion med förbehandling av substratet med ångexplosion.

Respektive process är beskrivna mer i detalj i följande kapitel.

3.1 Pelletstillverkning

Definitionen av pellets lyder enligt Gode (2007) ”Bränslepellets av biomassa, nedan kallat pellets, består av sammanpressat finfördelat biomaterial i små cylindriska kutsar med en diameter om ca 3-12 mm och en längd av 6-25 mm”. Kvalitén på svensk pellets regleras i enlighet med svensk standard, SS187120 där tre kvalitéer anges med avseende på pellets-storlek,

(14)

7 torrhalt, densitet, finandel etc.

Pellets tillverkas främst från rester från sågverk etc., även om bark används i liten skala i Mönsterås (Martinsson, 2003). Det typiska energiinnehållet för pellets är 4,8kWh/kg och en ungefärlig torrhalt på 90 % (Agrol, 2010).

Under 1980-talet när petroleumpriserna varierade kraftigt öppnades marknaden för förädlade trädbränslen såsom pellets och briketter och sedan dess har ytterligare ökade oljepriser samt andra ekonomiska styrmedel skyndat på utvecklingen för pellets (Strömberg, 2005). I Figur 2Figur 2, Pelletsförbrukning Sverige visas utvecklingen av pellets i Sverige under 1997-2003 (Strömberg, 2005). Enligt Strömberg (2005) var Sveriges pelletsproduktion 2009 ungefär 1,59 miljoner ton och en prognos för 2010 pekar på en ytterligare ökning till 2,1 miljoner ton. 2009 exporterade Sverige 90 000 ton och importerade 430 000 ton samma år vilket ger en nettoimport på 340 000 ton pellets.

Figur 2, Pelletsförbrukning Sverige (Strömberg, 2005)

Pellets tillverkas genom att råvaran först flisas och sorteras för att sedan torkas, malas och pelleteras. De olika stegen beskrivs kortfattat i följande kapitel.

(15)

8

3.1.1 Flisning och sortering

Det är av största vikt för slutresultatet att förbehandlingen av råvaran för pelletstillverkning är riktigt utförd med faktorerna torrhalt och fraktionsstorlekar. Dessa krav kan inte anges i några absoluta siffror då det varierar med råvara, krav på slutlig kvalité och så vidare.

Om rundvirke eller liknande används som råvara skall den flisas. Detta sker antingen med en hammarkvarn eller en flishugg. Båda dessa är känsliga för föroreningar varför materialet bör förbehandlas med ett såll samt en magnetavskiljare (Näslund, 2003).

3.1.2 Torkning

Det är för just för den energikrävande torkningsdelen som ett energikombinat kan kombineras med ett befintligt kraftvärmeverk. Med uttrycket ”torkning” menas här termisk avdrivning av fukt från en solid. För att torkning ska ske krävs att mängden tillförd värme minst motsvarar vattnets ångbildningsvärme (Linde, 1998).

Det finns ett flertal torkar vilka använder sig av en av de två huvudgrupperna, nämligen indirekt- eller direkt teknik. Den indirekta tekniken innebär i korthet att torkgodset som ska torkas aldrig kommer i kontakt med värmemediet medans torkning med direkt teknik innebär att torkgodset som ska torkas är i direkt kontakt med det värmebärande mediet. Om direkt teknik används måste brandrisken tas i beaktning (Torkapparater, 2010) Som värmeavgivande medium kan man använda mättad/överhettad ånga, varmvatten, rökgaser, hetluft etc. Används sågspån från

snickerier eller kutterspån som råvara förbises detta steg då fukthalten på dessa råmaterial redan är så låg som 6-15% (Strömberg, 2005). Nedan presenteras ett par olika torktyper.

Rotertork

Figur 3. Rotertork visar rotertorken i vilken het rökgas leds medströms torkmaterialet vilket minskar brandrisken. Trumman roterar med en hastighet mellan 2 och 8 varv per minut. En av rotertorkens fördelar är att den är okänslig för torkmaterialets typ och partikelstorlek (Linde, 1998).

(16)

9

Figur 3. Rotertork (Linde, 1998)

Rotertorkar finns också som indirekt typ. I en indirekt tork är aldrig torkgodset i kontakt med torkgasen vilket helt minimerar risken för brand. Den indirekta rotertorken visas i Figur 4. Indirekt tork

Figur 4. Indirekt tork (Torkapparater, 2010)

Strömtork

En strömtork alternativt flashtork kan använda sig av mättad eller överhettad ånga, hetluft eller rökgaser som torkgas. Om het rökgas används ligger temperaturnivåerna på 160-420°C. Vid den högre rökgastemperaturen blir utgångstemperaturen ungefär 95°C (Linde, 1998). Strömtorken kräver att storleken på torkgodset är en millimeter eller mindre samt relativt homogen (Linde, 1998 & Johansson, 2004) Uppehållstiden är kort, under en minut (Inge Johansson, 2004).

(17)

10 Elkonsumtionen blir relativt hög hos en strömtork då det krävs stor fläkt- och kvarneffekt(Linde, 1998). Figur 5 visar hur en strömtork med kvarn fungerar.

Figur 5. Strömtork med kvarn (Inge Johansson, 2004)

Bäddtork

I en bäddtork transporteras torkgodset på ett perforerat band och torkgasen korsströms. För att förlänga uppehållstiden och effektivisera bäddtorken kan den byggas i två eller flera skikt, vilket visas i Figur 6, Bäddtork .

Figur 6, Bäddtork (Inge Johansson, 2004)

Bäddtorkens fördelar är att lågvärdig värme kan användas, elkonsumtionen är låg samt att det är enkel teknik. Till dess nackdelar kan nämnas att om väldigt hög torrhalt önskas så kräver torken ett stort utrymme, vilket dock minskas om torken byggs i flera nivåer (Johansson, 2004).

Värmeskruvtork

Värmeskruvtorken är en indirekt tork vilken skruvar torkmaterialet samtidigt som överhettad ånga kondenserar på utsidan av manteln. Alternativt är manteln värmd av hetvatten eller rökgaser etc. (Johansson, 2004).

(18)

11

Figur 7. Genomskärningsskiss på en värmeskruvtork (Johansson, 2004).

3.1.3 Malning

Då enstaka stora partiklar minskar pelletens hållfasthet är det viktigt med en homogen råvara, detta uppnås genom malning med exempelvis en hammarkvarn. Under malningen, vilket är en elintensiv process, sjunker fukthalten ytterligare någon procentenhet.

(19)

12

3.1.4 Pelletering

Det finns i huvudsak två pelleteringstekniker, planmatris- och ringmatrispressar. Principen för dessa två typer är densamma, råmaterialet pressas igenom en avsmalnande kanal. Presstryck samt råmaterialets friktion mot matrisen orsakar komprimeringen. I Figur 8, Olika presstyper för pelletering av biobränsle kan exempel på olika matriser ses (Näslund, 2003).

Figur 8, Olika presstyper för pelletering av biobränsle (Näslund, 2003)

3.2 Smältlager

Smältlager, M-TES (eng. mobile thermal energy storage) är ett alternativ till småskalig

värmeproduktion på glesbygden. Idén bygger på att en container innehållandes ett material med lämpliga egenskaper såsom hög latentvärme, ej giftigt, små volymförändringar vid

fasförändringar etc. som möjligt. Containerns innehåll laddas lämpligtvis med värme på ett centralt placerat kraftvärmeverk, där värmen också utgör underlag för att producera mer

(20)

13 elektricitet. Även spillvärme från annan industri kan användas för att ladda containern. Den uppladdade containern transporteras med lastbil till värmeförbrukaren där den sedan laddas ur efter behov. Tekniken går ut på att materialet fasförändras så att den latenta energin binds och frigörs vid i respektive urladdning. (Wang, 2010)

3.2.1 Val av material för värmelagring

Materialen vilka är intressanta måste uppfylla ett antal kriterier vilka kan tyckas självklara, dessa listas nedan (Francis Agynenim, 2009 & Wang, 2009)

 Smältpunkten måste ligga inom ett lämpligt intervall med avseende på det tänkta användningsområdet.

 Inneha en hög latent värme, vilket medger att en stor mängd värme lagras i en liten mängd material.

 Volymförändringar under fasövergångar skall vara små då det underlättar utformandet av värmeväxlare och andra behållare.

 Materialet får ej vara giftigt, brandfarligt eller explosionsbenäget.

 Materialet får ej vara korrosionsbenäget eller på annats sätt brytas ner med tiden.

 Materialet skall finnas tillgängligt i stora volymer till ett lågt pris.

Både bland de organiska samt icke-organiska materialen finns det ämnen som mer eller mindre uppvisar dessa egenskaper. Främst de organiska materialen har vart föremål för granskning i Wang (2009) då dessa, i mångt och mycket uppfyller kraven på material ovan. Wang (2009) föreslår också att en tillsats av aluminiumnitrat används för att öka den relativt dåliga

värmeledningsförmågan hos organiska material. Två olika material har använts i denna studie, Erythritol samt Magnesiumnitrat.

3.3 Biogasproduktion med förbehandlingssteg

3.3.1 Förbehandling

(21)

14 energikombinats synpunkt är en värmekonsumerande förbehandlingsmetod att föredra, eftersom värmen ligger som underlag för elproduktion då kraftvärmeverket idag körs med dellast. Det finns väldigt få studier gjorda på hur mur mycket ånga som åtgår vid ångexplosion (Sawada, 2001). De företag som har en kommersiell produkt skyddar sina tekniska lösningar ur patentsynpunkt.

Ångexplosion är en förbehandlingsmetod som går ut på att utsätta substratet för ånga under tryck vilket följs av en snabb trycksänkning till atmosfärstyck så att substratets cellstruktur upplöses och ett mer lättrötat substrat erhålls (Sawada, 2001 & Cambi, 2010).

3.3.2 Rötning

Enligt Nordberg (2006) definieras biogas som den gas som bildas när organiskt material bryts ner under syrefattiga eller anaeroba förhållanden. Biogas består till största del av koldioxid (15-45%) och metan (45-85%), vilket är brännbart (Gode, 2007). Då vätgasinnehållet är högt i metan jämfört med andra kolväten blir koldioxidutsläppen låga vid förbränning.

I Figur 9, Schematisk bild av reaktorbaserad biogasproduktion visas ett översiktligt flödesschema för biogasprocessen.

Figur 9, Schematisk bild av reaktorbaserad biogasproduktion (Nordberg, 2006)

Substrat

Substrat är samlingsnamnet på det material som ska genomgå en biologisk behandling för biogasframställning (Nordberg, 2006).

(22)

15 Vissa substrat behöver hygieniseras för att ta bort sjukdomsalstrande organismer, vilket görs genom upphettning till 70°C under en timmes tid. Plastpåsar, sten, med mera måste avlägsnas då det inte är nedbrytbart och stör processen. En minskning av partikelstorleken är oftast nödvändig då den ofta ökar lösligheten vilket ökar gasproduktionen. Den totala ytan hos det nedbrytbara materialet blir större, vilket är av vikt eftersom många mikroorganismer tenderar att fästa på materialet som ska nedbrytas. Det är dock inte säkert att sönderdelningen ökar

biogasproduktionen, men givet är att den påskyndas. Mekanisk sönderdelning med kvarnar etc. är vanligast men kan också ske med genom termisk sönderdelning genom ångexplosion eller kemisk sönderdelning där syror/baser tillsätts. Även konditionering av substratet kan förekomma för att erhålla rätt ts-halt etc. (Jarvis, 2009 & Nordberg, 2006).

Rötning

Rötningen sker i fyra steg vilka visas i Figur 10, Nedbrytning av organiskt material

Figur 10, Nedbrytning av organiskt material (Jarvis, 2009)

Hydrolys

Hydrolysen är det första steget i rötprocessen där de svårlösliga organiska föreningarna protein, fett och kolhydrater bryts ner till föreningar vilka är mer lätt nedbrytbara såsom aminosyror,

(23)

16 fettsyror och enkla sockerarter (Jarvis, 2009 & Nordberg, 2006).

Fermentation

Detta är ofta processens snabbaste steg i vilket ämnena som bildades i hydrolysen bryts ner till flyktiga fettsyror, ättiksyror, koldioxid och vätgas (Nordberg, 2006).

Anaerob oxidation

Här fortsätter nedbrytningen från föregående steg och här bildas förutom vätgas och koldioxid också acetat från intermediära produkter (Jarvis, 2009 & Nordberg, 2006).

Metanbildning

Här bildas metan från vätgasen samt från acetatet. Acetatet står för ungefär 70 % av metanproduktionen. Detta är den reaktion vilken anses vara hastighetsbegränsande i rötningsprocessen (Jarvis, 2009 & Nordberg, 2006).

Rötrest

Den del av det organiska materialet som inte har blivit gas i det föregående steget lämpar sig väl, om den har god kvalité, som gödningsmedel. Under biogasprocessen frisätts en mängd mineraler såsom kväve, fosfor, kalium och magnesium. Den lilla del organiskt material som finns kvar i rötresten kommer att brytas ner av naturen med tiden (Jarvis, 2009 & Nordberg, 2006).

3.4 Gashalter

Kvalitén på biogasen bestäms bland annat av det rötade substratets sammansättning (Nordberg, 2006) som kan ses i Figur 11, Teoretisk sammansättning av gas för olika substrat men också av torrhalt vilken är svår att tilldela generella värden då det skiljer sig från fall till fall (Nordberg, 2006).

(24)

17

Figur 11, Teoretisk sammansättning av gas för olika substrat (Nordberg, 2006).

3.4.1 Användningsområden

Biogas kan dels användas till värme och elproduktion men också renas och användas som fordonsbränsle vilket ökat intresset för biogas på senare tid. För värmeproduktion räcker det om gasen har en metanhalt på cirka 20%. För elproduktion när en kolvmotor eller gasturbin används måste gasen ha en metanhalt på minst 40% vilket egentligen inte är något problem vid

framställningen. Ska gasen däremot användas till fordonsdrivmedel eller stadsgas anger Energimyndigheten att metanhalten bör uppgå till 98±2% samt renas från vatten, koldioxid, halogener samt svavelväten med avseende på emissioner och motorernas livslängd (Nordberg, 2006).

Lönsamhetsgränsen för rening av biogas anges för energiåtervinning till 100Nm3/h, elproduktion 400 Nm3/h och för anslutning till naturgasnätet 1000 Nm3/h. Dessa flöden är strikt kopplade till diesel/bensinpriser varför det inte på något vis är exakta (Nordberg, 2006).

(25)

18

4 Utvärdering av modelleringsverktyg

För att kunna utvärdera de olika kombinatlösningarna har de termodynamiskt modellerats och simulerats. Två kommersiella simuleringsprogram har jämförts för att kunna välja det som är lämpligast för uppgiften.

Det första steget var att utvärdera de två tillgängliga modelleringsprogrammen för att sedan väga dess för- respektive nackdelar mot varandra. Valet av modelleringsprogram gjordes utifrån litteratur samt egna erfarenheter. Båda programmen går att simulera i design och off-design läge. De två programmen använder sig av två olika beräkningsgångar (Dahlquist, 2003) . I Dahlquist (2003) har en ångcykel med komponenterna: panna, mellanöverhettare, turbin, generator, kondensor, ytförvärmare, blandningsförvärmare, pump, splitter, rör samt ventil modellerats där det totala resultatet av energiflödena in till cykeln är 365,93 MW i Prosim samt 366,11 MW i IPSEpro. Totala energiflödena ut från samma cykel är 365,78 MW för Prosim och 366,11 för IPSEpro. Skillnaden i simuleringsresultaten mellan programmen är försumbar med avseende på beräkningsprecision. Skillnaden mellan energiflöden in och ut i Prosim tillskrivs itereringen vilken avbröts innan den konvergerade ordentligt (inställningsmöjligheter att ändra detta finns).

Då jämförelsen mellan de två programmen redan är gjord i Dahlquist (2003) fokuseras den här jämförelsen mer på vilket av de två programmen som är mest lämpat för denna studie.

4.1 Prosim

Företaget som skapat Prosim heter Endat Oy. Det är ett finskt företag grundat av Prof. Carl-Johan Fogelholm. Den första kommersiella utgåvan av Prosim kom redan 1985. Prosim är ett modelleringsprogram med inriktning mot termiska kraftverk och dess kringutrustning.

Programmet körs i en Autocad baserad miljö där användaren placerar och samman kopplar moduler grafiskt . Prosims största fördel är dess stora modulbibliotek, vilket innehåller över 60 enheter (Endat OY, 2002).

(26)

19 Newton-Raphsons metoden, vilken finns beskriven i bilaga 4.

Denna metod kräver dock relativt goda begynnelsevärden för att konvergera varvid användaren måste uppskatta indata relativt väl. Felaktiga begynnelsevärden kan få lösningen att konvergera mot ”fel” rot alternativt divergera mot oändligheten (Churchhouse, 1981 & Gavel, 2009).

4.2 IPSEpro

Företaget bakom IPSEpro heter SimTech simulation från Österrike vilket bildades 1991. 1992 vart den första kommersiella versionen av IPSE tillgänglig.IPSEpro är ett modelleringsprogram skapat i C++ miljö. Olika modulbibliotek laddas beroende på vad som skall modeleras. Den största fördelen med IPSEpro är att egna moduler kan skapas samt befintliga moduler kan redigeras, matematiskt samt grafiskt med hjälp av MDK, Model Development Kit (SimTech, 2003 & Dahlquis, 2003). Figur 12 visar hur IPSEpro är uppbyggt från MDK till de färdiga projekten.

Figur 12, Uppbyggnad IPSEpro (SimTech)

IPSEpro utför beräkningarna i två steg, där det första steget går ut på att analysera och dela upp alla ekvationer i hela systemet för att minimera gruppstorlekarna, alltså används ekvationer från hela systemet till skillnad från Prosim. Det andra steget är, liksom i Prosim en numerisk lösning med hjälp av Newton-Raphson.

(27)

20

4.3 Val av modelleringsverktyg

Då det inte finns några betydande skillnader i beräkningsprecisionen mellan de två programmen så faller avgörandet till IPSEpros fördel på grund av möjligheterna att skapa egna moduler. IPSEpro är också marginellt snabbare än Prosim vilket antagligen kan tillskrivas det lite ”smartare” beräkningsförfarandet.

Valet av modelleringsverktyg föll på IPSEpro då möjligheten till att skapa egna moduler saknas i Prosim, något som kommer att behövas i det fortsatta arbetet.

(28)

21

5 Modellering

I detta kapitel kommer modellen samt dess komponenter av beskrivas under respektive kapitel.

5.1 Modellen

Modellens systemgränser går vid inloppet till högtrycksturbinen, efter reglerventilen och vid utloppet från matarvattentanken. Således är inte pannan och dess hjälputrustning med i modellen och ett antagande att pannverkningsgraden är konstant vid olika last har gjorts. Fjärrvärmens systemgränser är in respektive ut från kondensorerna. I Figur 13visas modellens systemgränser samt hur modellen är uppbyggd grafiskt i Process Simulation Environment(PSE). Figuren visar också vart ånga/fjärrvärme till respektive kombinat skall tas ut.

Figur 13. Processchema över den modellerade befintliga kraftvärmeprocessen.

Det kommersiella biblioteket Advanced Power Plant Library (APPL) använts vid uppbyggnaden av modellen. APPL består i grundfallet av en samling på ungefär 50 komponenter vilka är användbara för modellering och simulering av termiska system. Trots detta har ett antal moduler anpassats för att återspegla SHE:s kraftvärmeverk på bästa sätt, vilket beskrivs nedan.

(29)

22

Inloppstemperatur

Temperaturen till turbininloppet ges som en funktion av massflödet i form av ett polynom enligt nedan, skapat utifrån driftdata.

Turbin

Då insamlad driftdata från kraftvärmeverket enbart visar tryck innan reglerventilen in till

ångturbinen har en vanlig turbinmodul modifierats till att använda en ekvation kallad Law of the Ellipse eller Stodola's cone law. Denna beräknar trycket i turbininloppet efter reglerventilen av en turbin vid dellast, enligt nedan.

Mellantryck- samt lågtryckturbinernas isentropverkningsgrad har antagits variera linjärt,

polynom för detta har skapats för att få trycket efter turbinerna att likna driftdata. Koefficienterna i polynomet är unika för varje turbinsteg.

Lågtryckskondensor

I lågtrycksförvärmaren har en funktion vilken anger temperaturen på kondensatet från

förvärmaren lagts till. Funktionen som adderats till modulen ger att temperaturen på kondensatet håller mättnadstemperatur minus en viss grad av underkylning. Graden av underkylning ges av ett polynom skapat utifrån driftdata. Polynomet visas nedan där Pinlopp är trycket

Kombinat

En energibalans för varje komponent som representerar ett kombinat har modellerats i IPSEpros modelleringsverktyg MDK. De olika komponenterna är

(30)

23

 I förbehandlingen av substrat för biogasproduktion har en modul vilken överför kondenseringsvärmet från den avdragna ångan till substratet skapats. Aktuella

temperatur- och trycknivåer är hämtade från Hamelinck (2004). Hamelinck rapporterar att ca 0,5 kg ånga / kg TS substrat krävs för förbehandling av råvara för etanolproduktion. Förbehandlingssteg med ångexplosion antas vara samma för de två processerna.

 För en pelletsfabrik har torken modellerats med överförande av kondenseringsvärme enligt ovan. Här har dessutom ett godhetstal beskrivandes hur torkens prestanda påverkas av inloppstrycket till torken, indirekt lasten på kraftvärmeverket analyserats. Med hjälp prestandasiffror från torktillverkaren AB Torkapparater har ett polynom vilket anger ett godhetstal för torken skapats enligt nedan.

 För M-TES har en värmeförbrukare modellerats på samma sätt som en vanlig fjärrvärmekonsument.

5.2 Validering

Validering av modellen över det befintliga kraftvärmeverket har utförts mot driftdata hämtade från anläggningens prestandaprov genomförda av Wester (2000). Utfallet av valideringen för lastfallet 75 % återfinns i Tabell 1. Resterande lastfalls är även de validerade och stämmer bra.

Tabell 1. Validering av modell över befintligt kraftvärmeverk i Sala.

Driftdata Modell El[MW] 7,2 7,2 Fjv. [MW] 16,0 16,6 Ånga [kg/s] 9,0 9,0 α [-] 0,45 0,43 Ångtemp [°C] 480 480

Ånga t. mava [bar] 7,8 7,8

Ånga t. lt förv. [bar] 2,6 2,6

Ånga t. ht kond [bar] 0,6 0,6

Ånga t. lt kond. [bar] 0,3 0,3

(31)

24 Potentiella felkällor hos modellen väl värda att nämnas är bland annat att valideringen är gjord mot driftdata vilka kommer från prestandaprovet. Detta genomfördes när anläggningen var ny, för tio år sedan och att tiden antagligen gett upphov till en inte försumbar reducering/ förändring av prestanda. Trots detta får modellen anses skildra verkligheten på ett tillfredställande sätt.

(32)

25

6 Simulering

Simuleringen syftar till att bestämma hur kraftvärmeverkets alfavärde förändras när en värmeförbrukare kopplas till turbinen vid olika temperatur-/trycknivåer. Även

framledningstemperaturens inverkan på alfavärdet har simulerats för fyra olika intervall, 80-85°C, 86-90°C, 90-100°C samt >100°C. Varaktighetsberäkningar visar att utrymme för

kombinatet endast finns då framledningstemperaturen är under 86° ,eftersom värmebehovet då är tillräckligt för fullastdrift. Fallen med kombinat simuleras därför endast vid fallet med 80°C framledningstemperatur. Alla fall vilka skall simuleras visas i Tabell 2. Alla scenarior simuleras för tre lastfall, full-, halv- samt minlast.

Tabell 2, simulerade fall

Fall Kombinatstorlek

0,5 MW 1 MW 2MW 4MW 6MW

Nollfall

M-tes, ny avtappning x x

M-tes, bef. Avtappnign x x

M-tes, Fjärrvärme 100°C x x

Pellets, ny avt x x x x

Pellets, bef avt x x x x

Pellets, Fjärrvärme x x x x

Biogas, ny avtappning x x x x

Biogas, bef. Avtappning x x x x

6.1 Indata/Driftfall

Under rubrikerna nedan visas indata, vilka har använts för simuleringarna och beräkningarna. Data har erhållits, om inte annat angivits från Citect samt SHE:s energiuppföljning.

Figur 14, PnMedel 2005-2009 visar ett varaktighetsdiagram över den verkliga termiska medeleffekten

(33)

26

Figur 14, PnMedel 2005-2009

6.1.1 Medeltemperatur

Medeltemperaturen, vilken syns i Tabell 3 är för åren 2005-2009 ungefär 7,3°C. Värden från SMHI’s väderstation i Västerås har använts då detta är den närmast Sala.

Tabell 3. Medeltemperatur i Västerås (SMHI, 2010)

Månad Medeltemperatur [°C] Januari -1,0 Februari -2,5 Mars -0,2 April 6,7 Maj 11,2 Juni 15,4 Juli 18,1 Augusti 16,7 September 12,5 Oktober 7,0 November 3,3 December -0,1 6.1.2 Återkylare

Tabell 4 visar den via återkylaren bortkylda värmemängden under åren 2006-2009. De månader under vinterhalvåret där återkylaren är i drift beror på milt väder i kombination med ytterst höga elpriser. Den i medeltal bortkylda värmemängden är 10200MWh/år, vilket använts i

beräkningarna för ett driftår.

0 5 10 15 20 25 30 35

(34)

27

Tabell 4, bortkyld energi [MWh]

2006 2007 2008 2009 Januari 0 0 ₆₆₁ ₀ Februari 0 0 ₂₇₅ ₀ Mars 71 0 ₀ ₀ April 1642 197 ₂₂₈₅ ₁₁₃ Maj 754 527 ₁₈₃₂ ₃₇₀ Juni 1917 585 ₁₁₁₃ ₉₇₂ Juli 730 1419 ₀ ₁₉₈₄ Augusti 3700 2887 ₁₀₄₉ ₁₅₀₇ September 3197 348 ₂₉₈₅ ₁₁₀₆ Oktober 2863 57 ₁₄₅₁ ₀ November 530 295 ₀ ₀ December 239 1126 ₀ ₀ Σ 15642 7440 11651 6052 6.1.3 Fjärrvärmelast

Figur 15 visar ett medeltal på hur kraftvärmeverkets last beror på utomhustemperaturen under åren 2006-2009. Den åtgångna energin i fjärrvärmenätet är i medeltal under samma intervall, ungefär 129 000 MWh, vilket är den mängd som använts vid varaktighetsberäkningarna.

Figur 15. Medeltemperatur och medelvärmeproduktion från kraftvärmeverket under 2006-2009. -5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 Medeltemperatur [°C] Nyttig effekt KVV [MW]

(35)

28

7 Resultat

Här kommer både resultaten av simuleringarna i IPSEpro samt resultaten av varaktighetsberäkningarna att presenteras.

7.1 Resultat av simuleringar

De från simuleringarna erhållna sambanden mellan värmeeffekt och alfavärden har med minsta kvadratmetoden skapat polynom i Scilab. Dessa har använts för att ta fram varaktigheter för de olika scenariorna enligt senare kapitel.

Figur 16 visar hur alfavärdet varierar med den termiska effekten, givet en storlek på pelletskombinatet.

(36)

29

Figur 16, Alfavärde som funktion av termisk effekt, konstant pelletskombinateffekt.

Figur 17 visar hur alfavärdet varierar med den termiska effekten, givet en storlek på M-TES kombinatet. 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall Pellets, 1 MW fjärrvärme Pellets, 2 MW fjärrvärme Pellets, 4 MW fjärrvärme Pellets, 6 MW fjärrvärme 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall Pellets, 1 MW ny avtappning Pellets, 2 MW ny avtappning Pellets, 4 MW ny avtappning Pellets, 6 MW ny avtappning 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall

Pellets, 1 MW bef avtappning Pellets, 2 MW bef avtappning Pellets, 4 MW bef avtappning Pellets, 6 MW bef avtappning

(37)

30

Figur 17, Alfavärde som funktion av termisk effekt, konstant M-TES kombinateffekt.

Figur 18 visar hur alfavärdet varierar med den termiska effekten, givet en storlek på biogaskombinatet. 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall M-TES 0,5 MW ny avtappning M-TES, 1 MW ny avtappning 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall

M-TES, 0,5 MW bef avtappning M-TES, 1 MW bef avtappning

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall M-TES, 0,5 MW 100degC framledning M-TES, 1 MW 100degC framledning

(38)

31

Figur 18, Alfavärde som funktion av termisk effekt, konstant biogaskombinateffekt.

7.2 Varaktighetsberäkningar

Då modellen är statisk ger den enbart effekter. För att erhålla energimängder har

varaktighetsberäkningar över fjärrvärmebehovet gjorts med en standardfördelning. Även en standardfördelning har använts för rökgaskondensorn vilken bland annat tar hänsyn till fjärrvärmens varmare returtemperatur under årets absolut kallaste dagar.

Varaktighetsdiagrammet innehåller elproduktion, kraftvärmeverkets-, rökgaskondensorns- och oljepannornas fjärrvärmeproduktion samt återkylaren vilken kyler bort överskottsvärme på somrarna. Polynomen vilka skapades utifrån simuleringsresultaten under rubriken ”Resultat av simuleringar” ovan, ger i varaktighetsmodellen hur mycket el som produceras kontra

fjärrvärmeproduktion och vilket kombinat som simuleras samt dess storlek. I Figur 19 visas från varaktighetsberäkningarna skapat varaktighetsdiagram över hur värme- samt elproduktionen ser

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall Biogas, 1 MW ny avtappning Biogas, 2 MW ny avtappning Biogas, 4 MW ny avtappning Biogas, 6 MW ny avtappning 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0 5 10 15 20 25 30 35 Nollfall

Biogas, 1 MW bef avtappning Biogas, 2 MW bef avtappning Biogas, 4 MW bef avtappning Biogas, 6 MW bef avtappning

(39)

32 ut i dagsläget, utan kombinat.

Figur 19. Varaktighetsdiagra över el- och värmeproduktion i kraftvärmeverket. OP representerar oljepannorna, RGK är rökgaskondensorn, KVV är värmekondensorerna i kraftvärmeverket och EL är den resulterande elproduktionen.

Varaktighetsberäkningen har byggts ut med energikombinat vilken skall simulera den

energimängd det tänkta kombinatet förbrukar årligen samt hur detta påverkar elproduktionen, givet funktionerna för de nya alfavärdena.

7.3 Elproduktion

I Figur 20 presenteras, utifrån varaktighetsberäkningar hur mycket elproduktionen ökar per år som en funktion av respektive kombinats termiska storlek. Som synes ger pelletsfabriken, driven av lågvärdig fjärrvärme mest el. Som exempel återfinns i bilaga 5, 6 och 7 varaktighetsdiagram för 1MW M-TES från fjärrvärme, 6 MW befintlig avtappning till biogas produktion samt 6 MW

-10 0 10 20 30 40 50 1 ₁₄ ₂₇ ₄₀ ₅₃ ₆₆ ₇₉ ₉₂ 105 118 131 144 157 170 183 196 209 222 235 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 OP 1-3 Återkylare RGK KVV EL

(40)

33 pellets produktion från fjärrvärme.

Figur 20. Elproduktion i MWh/år som en funktion av storlek och typ av kombinat

7.4 Biogasproduktion med förbehandling

För beräkningarna med biogas har dataenligt Carlsson (2009) använts. Halm har en TS-halt på 78% och ett utbyte på 187 m3n CH4/ton TS. Hamelinck (2004) föreslår att det åtgår 0,5 kg ånga

till 1 kg substrat vid förbehandling med ångexplosion. Enligt Bauer (2009) ökar förbehandlingen metanutbytet med ungefär 12% och därmed har 209,4 m3nCH4/ton TS använts i de vidare

uppskattningarna av metanutbyten.

Figur 21 syns resultaten av beräkningar över hur den bortkylda energin i återkylaren minskar med en ökande storlek på förbehandlingsanläggningen.

40 000 45 000 50 000 55 000 60 000 65 000 70 000 0 1 2 3 4 5 6 7 [M Wh e l/ år ]

Termisk storlek på kombinat [MW]

Biogas, ny avtappning Biogas, bef. avtappning M-TES, ny avtappning M-TES, Bef. avtappning M-TES, Fjärrvärme 100 degC Pellets, ny avtappning Pellets, bef avtappning Pellets, fjärrvärme

(41)

34

Figur 21. Energi till förbehandling av substrat kontra via återkylaren bortkyld energi

7.5 Pelletsproduktion

De för pellets använda dimensionerna kommer uteslutande ifrån Torkteknik (2010), vilka uppger att med en ångtork kan 2600 kg material med ungefär 50% TS avdriva 1150kg fukt per MWh tillförd energi vilket ger ungefär 1450 torkat material med en ungefärlig TS av 90%, vilket är standard för svensk pellets. För fjärrvärmetorken uppger torkapparater att det åtgår cirka 1 MWh för att avdriva 800 kg fukt vilket ger 1000 kg torkat material per tillförd MWh.

Råmaterialbehovet för fjärrvärmetorken är alltså 1800 kg per tillförd MWh värme. Även här är TS-halten på det torkade materialet runt 90%TS enligt svensk pelletsstandard.

Figur 22 visas resultaten av varaktighetsberäkningar över hur energin till flistorken ökar med en ökande storlek, samt hur energin till återkylaren minskar med en större pelletsfabrik där torken drivs av ånga. Återkylarens bortkylda energi minskar snarlikt för de båda scenariorna där ångtorkar används varvid enbart en kurva visas i figuren.

0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 0 2 4 6 8 M Wh/ år ] [MW]

Energi till förbehandling biogasproduktion [MWh/år] Via Återkylaren bortkyld energi [MWh/år]

(42)

35

Figur 22. Energi till tork kontra energi bortkyld från återkylaren.

7.6 Smältlager

Alla data gällande M-TES för material etc. har tagits ifrån Wang (2010). Två olika material har använts som värmebärande medium i containrarna där Erythritol smälter vid 118°C och kan inte smältas med fjärrvärmetemperaturer. Magnesiumnitrat smälter vid 90°C och därmed kan

fjärrvärme användas, i detta fall har en framledningstemperatur på 100°C simulerats.

Varje container Erythirol kan lagra 4,4 MWh, och för Magnesiumnitrat är samma siffra 2,7 MWh. För båda materialen gäller att det åtgår 10% mer energi att ladda dom. Varje container uppskattas kunna lämna 85% av sitt energiinnehåll till sin förbrukare, containern med Erythirol som värmelagringsmedium kan alltså lämna 3,7 MWh nyttig energi medans Magnesiumnitrat kan lämna 2,3 nyttiga MWh per container, vilket innebär att detta alternativ kräver tätare transporter. 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 0 2 4 6 8 [M Wh/ år ] [MW]

Ångdriven tork, energi till pelletsfabrik [MWh/år] Fjärrvärme driven tork, energi till pelletsfabrik [MWh/år]

Via Återkylaren bortkyld energi [MWh/år]

(43)

36

Figur 23 energi till M-TES kontra energi till återkylare

I Figur 23 syns hur mycket energi som enligt beräkningar åtgår med kombinatet M-TES tillsammans med hur energin till återkylaren minskar med ökande kombinatstorlek.

Den för M-TES tilltänkta förbrukaren är Horrsta panncentral i Heby, ungefär 15 km från kraftvärmeverket i Sala enligt Figur 24.

Figur 24 (Hitta.se)

Panncentralen i Heby består av två flispannor, på 0,95 och 1 MW vardera samt två oljepannor med en sammanlagd effekt på 1 MW vilka tillsammans levererar ungefär 8,5 GWh/år till

0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 [M Wh/ år ] [MW]

Energi till M-TES [MWh/år] Energi till återkylare [MWh/år]

(44)

37 fjärrvärmenätet i Heby fördelat enligt varaktighetsdiagrammet Figur 25 nedan.

Figur 25, Varaktighetsdiagram visande nuläget vid Horrsta PC

Om alternativet befintlig avtappning, 1 MW laddeffekt skulle studeras blir istället varaktigheten enligt Figur 26, Varaktighet visande Horrsta PC med 1 MW M-TES med 20 dagars

revisionsavställning på sommaren och ungefär 110 ”för kalla” dygn, då kraftvärmeverket går på maximal last för att hålla fjärrvärmenätet i Sala.

Figur 26, Varaktighet visande Horrsta PC med 1 MW M-TES 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 1 ₁₅ ₂₉ ₄₃ ₅₇ ₇₁ ₈₅ ₉₉ 113 127 141 155 169 183 197 211 225 239 253 267 281 295 309 323 337 351 365 Olja Betab (Flis) KÖB (Flis) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 1 ₁₄ ₂₇ ₄₀ ₅₃ ₆₆ ₇₉ ₉₂ 105 118 131 144 157 170 183 196 209 222 235 248 261 274 287 300 313 326 339 352 365 Olja Betab (Flis) KÖB (Flis) M-TES (Flis)

(45)

38

8 Ekonomiska beräkningar

8.1 Ekonomiska förutsättningar

2008-2009 var medelpriset på el 453 kr/MWh och på elcertifikat 330kr/MWh. Elpriserna

kommer från den nordiska elhandelsbörsen Nordpool och certifikatpriserna från Tricorona. Detta ger en total intäkt på 783 kr/såld MWh el.

Värmen, vilken säljs som fjärrvärme genererar en stor intäkt men tas inte med här då den

levererade mängden värme till fjärrvärmenätet och intäkterna av detta är konstant, oberoende om ytterligare en förbrukare tillkommit processen eller inte. Detta är i viss mån en förenkling då ett kombinat möjliggör en längre utnyttjandetid på kraftvärmeverket, det har dock ingen betydelse för utfallet då samma antagande gäller för alla scenarier. För alla scenarior gällande ekonomiska förutsättningar visas i Tabell 5

Tabell 5, gällande allmänna ekonomiska förutsättningar

Parameter Antagande

Flis [kr/MWh] 200

DoU kvv [kr/MWhVärme] 30

DoU kombinat [kr/MWhVärme] 10

Ny turbinavtappning [kr] 1 000 000

Pannverkningsgrad 90%

Projekteringskostnad av investering 15%

Oförutsett av total 10%

Ränta 6%

För att jämför scenarior med varandra har den diskonterade paybackmetoden med konstanta inbetalningsbelopp använts enligt nedan. Där G är belånat belopp, a är inbetalning och p är kalkylräntan. Resultatet är antal år som krävs för att få lönsamhet i en investering. I dessa beräkningar har det antagits att allt överskott gått till inbetalningar.

(46)

39

I de fall en valutakonvertering har vart nödvändig har växlingskursen 1€=10 SEK använts.

8.2 Nollfall

Nollfallet vilket är dagsläget samt också det fall som alla andra scenarior ställs emot i denna teknoekonomiska beräkning redovisas här i Tabell 6 samt Tabell 7.

FJV är den från kraftvärmeverket, exkl. spetsproduktion till fjärvärmenätet levererade mängden värme. El är den producerade mängden el, kombinatet existerar inte i nollfallet och ÅTK är den mängd energi vilken har kylts bort i återkylaren.

Tabell 6. Resultat av varaktighetsberäkning vid nollfallet

Parameter Energi [MWh] FJV [MWh] 107 870 El [MWh] 47 806 Kombinat [MWh] 0 Återkylare [MWh] 5 756 Bränsle [MWh] 179 369

I Tabell 7 visas de beräknade kostnaderna för bränsle, DoU samt inkomsterna från elförsäljningen.

Tabell 7. Resultat ekonomisk beräkning kraftvärmeverk

Parameter Inkomst/Utgift Bränsle [kr/år] -35 873 778 kr DoU [kr/år] -4 842 960 kr Elintäkt [kr/år] 21 656 118 kr Elcertifikat [kr/år] 15 775 980 kr Netto [kr/år] -3 284 640 kr1

(47)

40 Nettot för kraftvärmeverket är i dagsläget knappa -3,3MSEK. Detta beror på att

kraftvärmeverkets största inkomst, försäljningen av fjärrvärme ej är medräknad här enligt tidigare fastställda kriterium.

8.3 Biogas

För kostnads/investeringsuppskattning av de olika ingående komponenterna etc. i en biogasanläggning har data enligt nedan använts.

Halmkostnaden är uppskattad till 0,8 kr/kg och intäkten för metan är satt till 5 kr/m3n.

För uppskattning av investeringsnivåer för förbehandling av substrat har följande samband använts:

Där R är en uppskalningsfaktor som är satt till 0,78, size B är orginalstorleken 42,2 MW och cost B är kostnaden för originalstorleken 1,41M€ enligt (Leduc, 2009).

Investeringskostnaden för rötkammare är baserad på Thunman (2008), som

föreslår att nedanstående formel används för att uppskatta investeringskostnad för erforderliga rötkammare, där P är den tillförda värmeeffekten.

Då biogasen från halm innehåller 70% metan måste den uppgraderas till 98% metanhalt för att kunna användas till fordonsgas. (Henrik Thunman, 2008) föreslår att investeringsuppskattningen av uppgraderingsanläggningen ges av:

Där P även här är den tillförda värmeeffekten.

Den befintliga avtappningen blir den mest ekonomiskt lönsamma alternativet enligt beräkningar, Figur 27, Payback-tid i år som funktion av termisk storlek på förbehandling.visar detta. vilken ger payback-tiden 4,6 år för en biogasanläggning med en förbehandling på 8 MW termisk effekt.

(48)

41

Figur 27, Payback-tid i år som funktion av termisk storlek på förbehandling.

För fallet med den kortaste payback-tiden 4,6 år, vilken är för fallet där den befintliga

avtappningen utnyttjades med en termisk effekt hos förbehandlingen på 6 MW erhålls ungefär 22 600 000 m3n metan/år vilket kräver ca 108 000 ton substrat. Som nämnts i inledningen har

ingen hänsyn tagits till huruvida erforderliga substratmängder och utrymme finns. I Tabell 8 visas resultat för biogasfallet.

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 0 2 4 6 8 Pay cb ac k-tid [år ] [MW] Ny avtappning Bef. avtappning

(49)

42

Tabell 8. Ekonomi för det mest lönsamma biogasfallet.

Parameter Inkomst/Utgift Bränsle [kr/år] -43 202 667 kr DoU kvv [kr/år] -5 832 360 kr Elintäkt [kr/år] 28 930 392 kr Elcertifikat [kr/år] 21 075 120 kr Halmkostnad / år -110 883 446 kr Dou kombinat [kr/år] -281 540 kr Metan/år [kr/år] 113 214 216 kr

NETTO innan avbetalning [kr/år] 6 304 355 kr

Investeringskostnad förbehandling 3 079 168 kr Investeringskostnad rötkammare 6 956 509 kr Investeringskostnad uppgradering 11 478 239 kr Ny avtappning Projekteringskostnader 15% 3 227 087 kr Oförutsett 10% 2 474 100 kr Σ INVESTERING 24 741 003 kr PAYBACK TID [år] 4,6

8.4 M-TES

För fallet med M-TES har investeringskalkyler gjorts med Wang (2010) som referens där ett system består av två containrar, där den ena laddas vid kraftvärmeverket och den andra står ute vid förbrukaren. I Figur 28, Årlig nettoinkomst som funktion av termisk laddeffekt.[kr/år] nedan visas den av beräkningar framtagna årliga nettoinkomsten, i den kan utläsas att de enda

lönsamma scenariorna för dessa laddeffekter är om ånga tas från den befintliga avtappningen. Som synes pekar trenderna uppåt med stigande laddeffekt och om avsättning för värme på flera panncentraler än Horrsta kan utfallet mycket väl förändras även om detta kräver ytterligare investeringar i flera containrar etc.

(50)

43

Figur 28, Årlig nettoinkomst som funktion av termisk laddeffekt.[kr/år]

Som Tabell 9 visar erhålls ingen vinst från M-TES då ingen ytterligare nyttighet produceras. Vinsten ligger i kraftvärmeverkets underlag för att producera el ökar. Transporterna av containrarna kan delvis kvittas mot att mindre bränsle behöver transporteras till Horrsta panncentral. -800 000 kr -600 000 kr -400 000 kr -200 000 kr 0 kr 200 000 kr 400 000 kr 600 000 kr 800 000 kr 1 000 000 kr 1 200 000 kr 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 [MW] Ny avtappning Bef. avtappning Fjärrvärme, 100 degC

(51)

44

Tabell 9. Ekonomi för det mest lönsamma M-TESfallet.

Bränsle [kr/år] -37 040 000 kr DoU [kr/år] -5 000 400 kr Elintäkt [kr/år] 22 811 268 kr Elcertifikat [kr/år] 16 617 480 kr Netto kvv [kr/år] -2 611 652 kr DoU kombinat [kr/år] -57030

Minskad bränslemängd Horrsta PC [kr/år] 881 373 kr

Fasförändrings material -1399200 Värmeledande olja -218800 Container -300600 Pump -102200 Värmeväxlare -410600 projektering 15% -401 181 kr Oförutsett 10% -227 336 kr Σ -3 059 917 kr

NETTO innan avbetalning [kr/år] 925 952 kr

PAYBACK TID [år] 2,9

8.5 Pellets

För scenariot där en pelletsfabrik har modellerats har värmevärdet för råvaran satts till 3 MWh/ton respektive 5 MWh/ton för pellets. Råvaran antas kosta lika mycket som flisen till kraftvärmeverket gör, 200 kr/MWh och den färdiga produkten inbringar 280kr/MWh. Den specifika kostnaden för elförbrukning för pelletsproduktion har erfarenhetsmässigt uppskattats till 85 kr/ton färdig produkt. Priser på torkar har erhållits från torkteknik. Bandtorkens pris har uppskattats till densamma som rotertorkens. Givet två storlekar har investeringskostnaden linjäriserats enligt

(52)

Akademin för hållbar samhälls- och teknikutveckling 45 enligt

Där R=0,7 samt initialvärdena 2,39Mkr och 18950 ton produkt / år.Investeringskostnaderna som en funktion av den termiska effekten på torken visas i Figur 29.

Figur 29. Investeringskostnad för integrerade torkar vid olika värmetillgångar.

Figur 30 visar att payback-tiden för pelletsproduktion är kortast med en tork som har en termisk storlek på 6 MW, driven med fjärrvärme.

0 kr 5 000 000 kr 10 000 000 kr 15 000 000 kr 20 000 000 kr 25 000 000 kr 30 000 000 kr 35 000 000 kr 0 2 4 6 8 [MW] Ny avtappning Bef. avtappning Fjärrvärme

(53)

46

Figur 30. Payback tid som funktion av termisk storlek på kombinat.

Det ekonomiskt bästa fallet redovisas i Tabell 10.

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 0 1 2 3 4 5 6 7 [år ] [MW] Ny avtappning Bef. avtappning Fjärrvärme

(54)

47

Tabell 10. Det ekonomiskt mest lönsamma pelletsfallet.

Parameter Inkomst/Utgift Bränsle [kr/år] -44 832 222 kr DoU [kr/år] -6 052 350 kr Elintäkt [kr/år] 34 643 628 kr Elcertifikat [kr/år] 25 237 080 kr Netto kvv [kr/år] 8 996 136 kr Kostnad råvara [kr/år] - 25 529 040 kr DoU kombinat [kr/år] - 236 380 kr Produktintäkt [kr/år] 33 093 200 Elkostnad, kombinat [kr/år] - 2 009 230 kr

Netto innan avbetalning[kr/år] 17 599 326 kr

Tork 18 833 500 kr

Pelletering + malning etc 2 791 134 kr Ny avt. Projektering 15% 3 243 695 kr Oförutsett 2 486 833 kr Σ 27 355 162 kr PAYBACK TID [år] 1,68

8.6 Utvärdering

I Figur 31 visas payback-tiderna som en funktion för alla olika kombinat och alla storlekar. Som synes finns ingen linje för M-TES från varken ny avtappning eller fjärrvärme vilket indikerar att ingen av dessa visade positiva resultat. Det som stjälper kalkylen för M-TES från en ny

avtappning är just kostnaden för den nya avtappningen medan fjärrvärmekombinatet ej går med vinst då framledningstemperaturen måste ligga konstant på 100°C, vilket påverkar alfavärdet och därmed elproduktionen negativt.

(55)

48

Figur 31. Payback tider som funktion av den termiska storleken på kombinatet, för de olika kombinatlösningarna.

Scenarieret med kortast payback-tid är en pelletsfabrik där torken har en termisk effekt på 6MW driven av fjärrvärme. Payback-tiden för detta kombinat blir 1,7 år. Figur 32 visar en

känslighetsanalys över hur payback-tiden varierar med ett varierande bränsle / råvarupris (då råvaran till pelletsproduktionen antagits vara densamma som bränslet till kraftvärmeverket) i kr/MWh och som synes är kalkylen ganska god även vid höga fluktrationer.

Figur 32. Känslighetsanalys med varierande bränsle-/råvaru-pris och dess påverkan på paybacktiden. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 [Å r] [MW] M-TES, bef avtappning Biogas, ny avtappning Biogas, bef avtappning Pellets, ny avtappning Pellets, bef avtappning Pellets, fjärrvärme 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 0 kr 50 kr 100 kr 150 kr 200 kr 250 kr 300 kr 350 kr Pay b ac k tid [år ] Bränsle-/råvarupris [kr/MWh]