Utvärdering och driftplanering av Lidköpings värmeverk

(1)

Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap

Miljö- och energisystem

Jarl Bergström

Utvärdering och driftplanering av

Lidköpings värmeverk

Evaluation and operational planning of Lidköpings

heating plant

Examensarbete 30 hp

Påbyggnadsprogram i energi- och miljöteknik mot

Civilingenjörsexamen

Juni 2013

Handledare: Henrik Ullsten Examinator: Roger Renström

(2)

1

Sammanfattning

Lidköpings värmeverk har i uppgift att producera värme till Lidköpings invånare och företag.

Distributionen sker via kommunens fjärrvärmenät. Värmeverket har förutom ren värmeproduktion även möjlighet att producera el och kyla bort ett visst effektöverskott sommartid.

I dagsläget har värmeverket inga klara riktlinjer för hur elproduktionen och bortkylningen av värmen ska hanteras vilket är av betydande del för värmeverkets ekonomi. En ökad kunskap om hur man tar tillvara på förfogad energi har efterfrågats och är en del i att hjälpa Sverige som land att uppnå uppsatta miljö- och energimål.

Med linjärprogrammering har en beräkningsmodell tagits fram för att utifrån givna förutsättningar optimera driften av värmeverket. Mot historiska lastdata har modellen använts för att:

 Utreda hur väl värmeverket har tagit tillvara på förfogad energi. Parametrar som panndrift, rökgaskondensering, spillvärme, turbindrift och bortkylning av värme har studerats.

 Driftplanerat värmeverkets pannor. Förutom tidigare nämnda parametrar tillkommer drifttid, total mängd bränsle och revisionsplanering.

 Utrett typiska driftfall för vår, sommar, höst och vinter beroende på elpris och tillgång på olika typer av bränsle.

Resultatet visar att:

 Värmeverket har underutnyttjat möjligheten till elproduktion under större delen av året, men också producerat el på förlust under kortare perioder.

 Köpt spillvärme på förlust under delar av året, men att spillvärmen som helhet har varit en god affär för värmeverket.

 Det saknas tillförlitlighet hos mätutrustningen som hanterar bortkyld energi sommartid.

 Värmeverket bör förbränna mer avfall än den mängd som är planerad sedan tidigare.

 Bortkylning av värme för att hålla igång turbinerna sommartid har en väldigt liten påverkan för resultatet vilket innebär att värmeverket bör vara restriktivt med att kyla bort energi vid brist på avfall.

(3)

2

Abstract

Lidköping’s heating plant has the task to provide thermal energy to local residents and businesses.

The energy is distributed via the municipal district heating. The heating plant can also produce electricity and dissipate some energy when necessary during the summer.

The current situation is that Lidköping’s heating plant has no clear guidelines on how to handle the capability to produce electricity and dissipate energy which can have a hugh impact financially. An increased knowledge on how to take advantage of the available energy has been requested, which can also help Sweden as a country to achieve its environmental and energy goals.

A computational model based on linear programming has been developed in order to optimize the heating plant under given circumstances. This model has been used based on historical loads to:

 Investigate how well the heating plant has used the available energy. Parameters like boiler usage, flue gas condensation, waste heat, turbine operation and heat dissipating have been studied.

 Plan the operational schedule for future use. Operational time, total fuel usage and planned interruptions have been studied in addition to the aforementioned parameters.

 Investigate typical operational conditions for spring, summer, fall and winter based on electricity prices and the access to different types of fuels.

The result shows that:

 The heating plant have underutilized the capability to produce electricity for the most part, but also produced electricity with a negative result for short periods.

 Purchased waste heat with a negative result during some periods of the year even though it has been a good addition overall.

 The equipment that measure heat dissipating lacks reliability.

 The heating plant should if it’s possible combust more waste and wood chips compared to the amount that was planned earlier.



The heat dissipating has a very small impact to the overall result which indicates that the heating plant should be restricted to dissipate too much energy in order to run the turbines during the summer, if the overall supply of fuel is decreasing.

(4)

3

Förord

Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.

Jag vill tacka värmeverkets personal, framför allt Christoffer Widen, Bengt-Olof Andersson, Peter Smedberg och Peter Johansson för handledning och att jag fick möjligheten att göra mitt

examensarbete hos dem.

För handledning på universitetet vill jag tacka Henrik Ullsten för visat intresse och god stöttning i projektet.

(5)

4

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 7

1.1 Klimat- och miljömål ... 7

1.1.1 FN:s klimatkonvention ... 7

1.1.2 Kyotoprotokollet ... 7

1.1.3 Nationella miljömål ... 9

1.2 Energidistributionen i Sverige ... 9

1.2.1 Energitillförsel i Sverige ... 9

1.2.2 Fjärrvärme ... 9

1.3 Lidköpings värmeverk ... 11

1.3.1 Värmeverkets uppbyggnad ... 11

1.3.2 Problembeskrivning ... 12

1.3.3 Syfte ... 12

2 Metod ... 13

2.1 Kartläggning ... 13

2.1.1 Inflöde... 13

2.1.2 Utflöde ... 14

2.2 Flödesbegränsingar ... 15

2.2.1 Olikhetsvillkor ... 16

2.2.2 Likhetsvillkor ... 16

2.3 Målfunktional ... 17

2.3.1 Driftkostnader ... 17

2.3.2 Intäkter ... 18

2.3.3 Objektfunktion ... 19

2.4 Lösningsmetod ... 19

2.4.1 Lösningsalrogitm ... 21

2.4.2 Simplexmetoden ... 21

3 Resultat och diskussion ... 23

3.1 Utvärdering av 2010 års driftläggning ... 23

3.1.1 Avfallsförbränning ... 23

3.1.2 Bortkyld energi ... 24

3.1.3 Elproduktion och resultat ... 25

3.1.4 Rökgaskondensering ... 27

3.1.5 Spillvärme ... 28

(6)

5

3.1.6 Verkningsgrad ... 29

3.1.7 Fri panndrift ... 29

3.1.8 Summering av 2010 ... 30

3.2.8 Summering av 2011 ... 37

3.3.8 Summering av 2012 ... 44

3.4 Driftprediktering ... 45

3.4.1 Lastdata från 2010 ... 45

3.4.2 Lastdata från 2011 ... 50

3.4.3 Lastdata från 2012 ... 54

3.4.4 Summering av driftplanering ... 60

3.5 Utvärdering av särskilda driftlägen ... 63

3.5.1 Vår ... 63

3.5.2 Sommar ... 67

3.5.3 Höst ... 71

3.5.4 Vinter ... 74

4 Slutsats ... 78

4.1 Förslag på vidare arbete, förbättringar och tillämpningar ... 78

5 Bilagor ... 79

(7)

6

5.1 Ritningar ... 79 5.2 Tabeller, matriser och vektorer ... 81 5.3 Underlag kostnader ... 85

(8)

7

1 Inledning

Ett väl fungerande energisystem är en förutsättning för att ett samhälle ska utvecklas¹. I takt med att utvecklingen går framåt och behovet av energi ökar ställs världens producenter och distributörer inför stora utmaningar. Som det ser ut idag är vårt samhälle till stora delar byggt på ett sätt som gör att fossil energi (kol, gas och olja) urholkas och växthusgaser sätter jordens klimat ur spel vilket kan få katastrofala följder¹. Det krävs stora förändringar i samhället för att lösa energifrågan. Varje

energienhet måste värderas och tas tillvara på bästa och mest kostnadseffektiva sätt.

1.1 Klimat- och miljömål

Flera politiska överenskommelser har uppkommit i syfte att både minska och effektivisera

energianvändning. Tanken är att världens länder gemensamt ska reducera utsläppen av växthusgaser och minska energianvändningen på jorden. Två av de mest betydelsefulla överenskommelserna är FN:s klimatkonvention och Kyotoprotokollet.

1.1.1 FN:s klimatkonvention

FN:s klimatkonvention är ett ramverk vars syfte är att förhindra klimatförändringen. Konventionen antogs i samband med FN:s miljö- och utvecklingskonferens i Rio de Janeiro 1992 men trädde inte i kraft förrän den 21:a september 1994. Konventionen är inte bindande men uppmanar de parter som undertecknat avtalet att vidta förebyggande åtgärder för att förutse, förhindra och minimera

orsakerna till klimatförändringarna. I dagsläget har 194 länder plus den europeiska unionen undertecknat FN:s klimatkonvention².

1.1.2 Kyotoprotokollet

Kyotoprotokollet är en överenskommelse som slöts i slutet av 1997 i Kyoto, Japan och är en del i FN:s klimatkonvention. Överenskommelsen är frivillig att skriva under men är sedan bindande till skillnad från FN:s klimatkonvention. Bland annat innebär ett undertecknande av Kyotoprotokollet att man som i-land förbinder sig att minska utsläppen av växthusgaser i etapper. Det första steget var att under perioden 2008-2012 minska utsläppen med minst 5,2 % ¹. En förlängning av Kyotoprotokollet beslutades vid miljökonferensen i Doha 2012 då de flesta av medlemsländerna röstade för att

förlänga avtalet. Den nuvarande perioden sträcker sig fram till 2020 och innebär att om möjligen höja ambitionsnivån under perioden. Samtidigt anser många att förhandlingarna gick i stöp då vissa åtaganden endast gället ett begränsat antal i-länder, samtidigt som stora nationer som Kina och USA står utanför avtalet. Vid sidan om detta känner sig vissa utvecklingsländer svikna av västvärlden då de menar att utlovat bistånd uteblivit och att Kyotoprotokollet bromsar upp det egna landets

industrialiserade utveckling. På andra sidan står olika miljöorganisationer som menar att

förlängningen av Kyotoprotokollet är alldeles för kraftlöst och handlingsfattigt. I dagsläget har 192 länder tecknat Kyotoprotokollet. Figur 1.1 visar resultatet från den första perioden av

Kyotoprotokollet.

1 Gröndahl, Fredrik & Svanström, Magdalena, Hållbar utveckling - en introduktion för ingenjörer och andra problemlösare, Liber, Stockholm, 2011

2 http://unfccc.int - UNITED NATIONS FRAMEWORK CONVENTION ON CLIMATE CHANGE UNITED NATIONS 1992

(9)

8

Figur 1.1: Visar respektive lands uppsatta mål och resultat under Kyotoprotokollets första period ³.

För Sveriges del innebär undertecknandet det ”nya” Kyotoprotokollet att man genom

energieffektiviseringsåtgärder ska minska energianvändningen till 2020 med 20 % jämfört med 2008.

Andelen förnybar energi ska uppgå till 50 % ¹. De nya målen visas i Tabell 1.1.

2016 Sverige EU

Energieffektivisering 9 % 9 %

2020

Andel förnybar energi 50 % 20 %

Andel förnybar energi inom transporter 10 % 10 %

Energieffektivisering 20 % 20 %

Minskade utsläpp av växthusgaser 40 % 20 %

Tabell 1.1: Visar Sveriges och EU:s mål för Kyotoprotokollet fram till 2016 och 2020.

3 http://en.wikipedia.org/wiki/Kyoto_Protocol - maj 2013

(10)

9 1.1.3 Nationella miljömål

Sverige har sedan april 1999 uppsatt 15 egna nationella miljömål (i november 2005 blev dessa 16) som ligger utanför FN:s klimatkonvention och Kyotoprotokollet¹. Syftet med dessa miljömål är bland annat att främja människors hälsa, värna om den biologiska mångfalden, ta tillvara på de

kulturhistoriska värdarna, bevara ekosystemets långsiktiga produktionsförmåga och bygga en god hushållning med de naturresurser som står till förfogande. Dessa miljömål ska uppnås samtidigt som Kyotoprotokollet 2020¹.

1.2 Energidistributionen i Sverige

På nationell nivå hanteras distributionen av svenska kraftnät som har systemansvar över Sveriges stamnät och agerar ryggrad i det Svenska energisystemet. På regional nivå tas distributionen över av Sveriges regionnätsägare som fördelar energin mot städer och industrier. Regionnätsägarna hjälper även till att tillföra energi till delar av svenska kraftnät vid regionala produktionsöverskott eller vid avbrott i stamnätet. I städer och kommuner är det ofta mindre energibolag som ansvarar för distributionen ut mot slutkund. Förutom ren elenergi finns här även ett värmebehov som ska distribueras ut till stadens invånare.

1.2.1 Energitillförsel i Sverige

Sen 1970-talet har den totala energianvändningen i Sverige ökat med över 30 % ⁴. Andelen olja har till stor del reducerats till förmån av kärnkraft och biobränsle vilket visas i Figur 1.2.

Figur 1.2: Visar total tillförd energi till alla sektorer fördelat per energibärare i Sverige från 1970 till 2010⁴.

1.2.2 Fjärrvärme

För Sveriges mindre energibolag spelar fjärrvärmen en central roll för värmedistributionen. Det är en kostnadseffektiv distributionsväg där vatten hettas upp i en central anläggning för att sedan föra med sig energin ut mot kund. I den centra anläggningen förbränns till största del bioenergi som visas i Figur 1.3. Till bioenergi räknas skogsavfall, trädbränsle och hushållsavfall.

4Energimyndigheten: Energiindikatorer 2012: Uppföljning av Sveriges energipolitiska mål ER 2012:20 0

100 200 300 400 500 600 700

1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

[TWh]

Kärnkraft Vindkraft Vattenkraft

Fjärrvärme från värmepumpar Biobränsle

Oljeprodukter inkl råolja Naturgas och stadsgas Kol och koks

(11)

10

Figur 1.3: Visar total tillförd energi för distribution via fjärrvärme per energibärare i Sverige från 1970 till 2010⁵.

Jämfört med andra länder i Europa har Sverige en relativt hög andel av värmebehovet som täck via fjärrvärmedistribution. Sett till stora länder som Frankrike, Tyskland och Storbritannien ligger Sverige långt före i utvecklingen, men samtidigt en bra bit efter föregångslandet Danmark vilket man kan se i Figur 1.4.

Figur 1.4: Visar andelen i procent av det totala värmebehovet som täcks av fjärrvärme⁶.

5 http://www.svenskfjarrvarme.se/Statistik--Pris/Fjarrvarme/Energitillforsel/ - Svensk fjärrvärme, tillförd energi 2011

6 http://www.svenskfjarrvarme.se fjärrvärme i europa: hinder att övervinna för svensk export, Rapport I 2009:3 0,0

10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0

1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

[TWh]

Spillvärme Värmepumpar Elenergi Oljeprodukter Biobränsle Kol och koks

Naturgas och stadsgas

(12)

11

1.3 Lidköpings värmeverk

Lidköpings kommun har precis som många andra kommuner ett värmeverk som levererar värme till stadens invånare och företag. Värmen distribueras ut via kommunens fjärrvärmenät. Värmeverket producerar ca 90 % av stadens värmebehov för bostäder och säljer även värme till Lantmännen Reppe AB (benämns vidare som reppe) och Odal energi AB (benämns vidare som odal). Bolaget ägs till 100 % av kommunen.

I huvudsak är det hushållsavfall, industriavfall och avfallsklassad RT-flis som förbränns i värmeverkets pannor (vidare benämns hushålls- och industriavfallet som sopor och RT-flisen som flis, tillsammans benämns de avfall). Värmeverket har även möjlighet att förbränna fett och olja för att klara

eventuella topplaster då det är som allra kyligast på året.

Huvudanläggningen ”PC Filen” är placerad i östra hamnen och består av fyra fastbränslepannor och tre fett- och oljepannor. Total effekt vid PC Filen uppgår till 107 MW varav 69 MW av dessa är fördelat på värmeverkets fyra fastbränslepannor. Vid PC Filen tar värmeverket även emot spillvärme från reppe. När fjärrvärmelasten går över 85 MW har värmeverket en begränsning i distributionen ut från PC Filen vilket gör att värmeverkets andra anläggning ”PC Släggan” måste startas. PC Släggan är placerad på andra sidan av Lidan och består av 3 oljepannor på totalt 75 MW.

Förutom ren värmeproduktion har värmeverket även möjlighet att driva två turbiner för

elproduktion på totalt 9,5 MW samt kyla bort värme i två kylstationer på totalt 25 MW. Att kyla bort värme kan bli nödvändigt för att kunna hålla igång elproduktionen när den övriga lasten är låg.

1.3.1 Värmeverkets uppbyggnad

Värmeverket består i huvudsak av ett ångsystem och ett hetvattensystem. Hetvattensystemet kan delas in i en yttre och en inre hetvattenkrets. En översikt av värmeverkets olika flödes visas i Figur 1.5 där:

 Panna 1 och panna 2 är kopplade till den inre hetvattenkretsen.

 Panna 3 och panna 4 är i huvudsak kopplade till värmeverkets ångsystem men har även en hetvattenavtappning till den inre hetvattenkretsen motsvarande ca 15 % av pannornas totala effekt.

 Panna 5, panna 6 och panna 8 är kopplade till värmeverkets ångsystem.

 Från ångsystemet matas två dumpkondensorer (DK1 och DK2), två turbinkondensorer (TK1 och TK2) samt reppe.

 DK1 är kopplad till den inre hetvattenkretsen. Den inre hetvattenkretsen matar odal och den yttre hetvattenkretsen.

 DK2, spillvärmen, rökgaskondenseringen (RGK) och kondensatet från TK1 och TK2 är kopplat till den yttre hetvattenkretsen. Från TK1 har man dessutom möjlighet att kyla bort maximalt 15 MW värmeöverskott i Vänern (denna kylstation benämns vidare somt kyla TK1).

 Den yttre hetvattenkretsen matar fjärrvärmenätet och om behov finns även en kylstation som ligger ut med fjärrvärmenätet (denna kylstation benämns vidare som kylstation FV, alternativt kyla FV).

 PC Släggan med panna 21, panna 22 och panna 23 är värmeverkets sista utpost mot fjärrvärmenätet.

Fullständiga ritningar för ång- och hetvattensystemet återfinns som bilagor under stycke 5.1.

(13)

12

Figur 1.5: Visar värmeverkets huvudsakliga effektflöden. DK1 och DK2 har för enkelhetens skull slagits ihop då det i det här fallet inte finns någon anledning till att ha dem åtskilda.

1.3.2 Problembeskrivning

I dagsläget har värmeverket inga klara riktlinjer för vad som gäller överproduktion för drift av de två turbinerna samt bortkylning av värme vilket är av betydande del för värmeverkets ekonomi. En bättre kunskap om hur man tar tillvara på förfogad energi efterfrågas och är en del i att hjälpa Sverige som land att uppnå uppsatta miljö- och energimål.

Vid årsskiftet 2012/2013 var byggnationen av den fjärde avfallspannan (panna 6) klar och

driftprovningen igång. Värmeverket har en önskan att utreda anläggningens nya driftplanering mot värmelasten tidigare år för att bland annat kunna planera inköp av bränsle och planera stop för revision.

1.3.3 Syfte

Detta examensarbete syftar till att:

 Utreda hur väl värmeverket har tagit tillvara på förfogad energi ekonomiskt mot historiska lastdata. Samtliga in- och uteffektflöden som visas i Figur 1.5 ska tas i beaktande.

 Driftplanera värmeverkets pannor nu efter att den 4:e avfallspannan (panna 6) har tagits i drift. Förutom respektive effektflöde ska hänsyn tas till drifttid, revisionsplanering och behov av bränsle.

 Utreda typiska driftfall för vår, sommar, höst och vinter beroende på elpris och tillgång på flis kontra sopor.

Tillsammans ska detta bidra till ett verktyg för planeringen av den dagliga driften av anläggningen.

RGK Panna1 Panna2 Panna3 Panna4 Panna5 Panna6 Panna8

x4 x6

x5 x8

x3

Spillvärme ^x9 Ånga

x1 x2 x14

x7 x11 x12 x13

x10 DK 1-2 TK1 TK2 Reppe

x19 x14

x29 x11 x16 x20

x18

Släggan

Panna21 Panna22 Panna23 Inre Elproduktion

x17

x15 x28

x21 x22 x23

Yttre ^x27 Kyla TK1

x24

<85 x26 x17

Odal ^<15

Fjärrvärme Kyla FV

x27

x25 x26

<10

Filen

(14)

13

2 Metod

För att göra utredningen kring hur väl värmeverket har driftlagts tidigare år krävs en referensmodell mot vilken man kan se och jämföra tidigare driftläggning mot den teoretiskt mest optimala. Denna modell kommer även att nyttjas för att beräkna den framtida driftläggningen med panna 6, samt beräkna de typiska driftfallen för respektive årstid.

Referensmodellen kommer beräkna den ekonomiskt mest lönsamma driftläggningen för värmeverkets övergripande nettoeffektflöden. Mindre interna flöden som inte påverkar

anläggningens in- och utflöden försummas. Utgångspunkt för optimeringen kommer vara aktuell fjärrvärmelast, behovet för odal och reppe samt historiskt spotpris på el.

Det första steget blir att kartlägga anläggningen och identifiera viktiga punkter och flöden i systemet.

Här kommer bivillkor för modellen att sättas som sedan läggs till grund för optimeringen.

2.1 Kartläggning

2.1.1 Inflöde

Värmeverket består av två anläggningar: PC Filen och PC Släggan. PC Filen är värmeverkets

huvudanläggning och producerar den största delen av värmeenergin medan PC Släggan startas vid behov eller som reserv. Behov innebär att den totala fjärrvärmelasten överstiger begränsningen på 85 MW och reserv innebär att PC Släggan startas vid planerat eller oplanerat stop av någon av PC Filens pannor som resulterar i att det totala effektbehovet överstiger vad PC Filen kan leverera.

Tabell 2.1 och Tabell 2.2 visar respektives anläggnings olika pannor.

Panna Maxeffekt [MW] Mineffekt [MW] Typ av bränsle Verkningsgrad

1 15 6 Fett 0,9

2 15 6 Fett 0,9

3 14 12 Sopor/flis 0,88

4 14 12 Sopor/flis 0,88

5 20 15 Sopor/flis 0,88

6 21 15 Sopor/flis 0,88

8 8 3 Olja 0,9

Tabell 2.1: Visar PC Filens olika pannor, dess effekt, vilken typ av bränsle som förbränns och pannornas verkningsgrad.

Panna Maxeffekt [MW] Mineffekt [MW] Typ av bränsle Verkningsgrad

21 25 10 Olja 0,9

22 25 10 Olja 0,9

23 25 10 Olja 0,9

Tabell 2.2: Visar PC Släggans olika pannor, dess effekt, vilken typ av bränsle som förbränns och pannornas verkningsgrad.

Förutom pannorna finns det ytterligare två värmetillskott till PC filen. Dels en rökgaskondensering och dels ett spillvärmetillskott från reppe. I rökgaskondenseringen finns en möjlighet att återvinna värmeenergi från rökgaserna som ger en effekt motsvarande 17 % av den totala värmeproduktionen från PC Filens fastbränslepannor. Spillvärmen varierar mellan 1-1,5 MW.

(15)

14 2.1.2 Utflöde

Som mottagare av värmeenergin finns det förutom fjärrvärmenätet, reppe och odal ytterligare tre uttagspunkter som kan nyttjas vid behov. Dels en sammanlagd turbindrift och dels två kylstationer som kan om det är lönsamt tas i drift för att kyla bort överskottsvärme sommartid. Tabell 2.3 sammanfattar värmeverkets uttagspunkter.

Betalande uttagskunder Eventuella uttagspunkter vid överproduktion Uttagspunkt Effekt ca [MW] Uttagspunkt Effekt ca [MW]

Fjärrvärmenätet 8-100 Elproduktion 0-9,5

Reppe 4 Kyla TK1 0-15

Odal 3-15 Kylstation FV 0-10

Tabell 2.3: Visar värmeverkets uttagspunkter samt vilken effekt som kan eller brukar matas ut den vägen.

Lasten för fjärrvärmenätet, reppe och odal benämns vidare som behov. Den totala elproduktionen och kylningen benämns tillsammans vidare som överproduktion.

Figur 2.1, Figur 2.2 och Figur 2.3 visar värmeverkets totala last under 2010, 2011 och 2012, enligt uppgift från värmeverket.

Figur 2.1: Visar värmeverkets lastdata för 2010.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dygnsmedeleffekt [MW]

Lastdata 2010

Reppe Odal Fjärrvärme

(16)

15

2.2 Flödesbegränsingar

I Figur 1.5 är respektive effektflöde markerat som en variabel till . För varje variabel gäller ett villkor för vilket effektflöde som kan flöda genom noden.

Respektive flödesbegränsning återfinns som bilaga under stycke 5.2.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Lastdata 2011

0 20 40 60 80 100

Lastdata 2012

(17)

16 2.2.1 Olikhetsvillkor

Eftersom värmeverket har möjlighet till en överproduktion och en delvis reglerad rökgasåtervinning gäller för modellen följande olikhetsvillkor:

 totalt effektflöde in behov + överproduktion

 totalt effektflöde in behov

 total elproduktion och kyla överproduktion

 total rökgaskondensering 17 % av den sammanlagda effekten från panna 3 till panna 6 Matematiskt skrivs det på matrisform:

( ) ⃗ ⃗⃗

där matrisen och vektorn ⃗⃗ återfinns som bilagor under stycke 5.2.

Vektorn ⃗ innehåller designvariabeln

⃗ som bestämmer effektflödet för

( )

( ) ( ) 2.2.2 Likhetsvillkor

Vidare gäller energibalanser för modellen där i respektive led. Verkningsgradsförluster i systemet försummas. För respektive panna hanteras det separat i målfunktionalen under stycke 2.3.

Nedan följer likhetsvillkor för systemet i följande ordning:

 Energibalans panna3

 Energibalans panna4

 Energibalans ånga

 Energibalans TK1

 Energibalans reppe

 Energibalans Inre hetvattenkrets

 Energibalans yttre hetvattenkrets

 Energibalans elproduktion

 Energibalans fjärrvärme

 Energibalans odal

 Energibalans spillvärme

 Energibalans totalt

Matematiskt ger det: ( ) ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

där matrisen och vektorn ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ återfinns som bilagor under stycke 5.2.

(18)

17

2.3 Målfunktional

Modellens målfunktional består av respektive nods kostnad eller intäkt.

2.3.1 Driftkostnader

I driftkostnaden inkluderas alla kostnader som kan hänföras till driften för respektive panna. Bland annat finns här kostnader för förbrukningsmateriel (kemikalier, sand, kalk och kol), spolning och sprängning, drift och underhåll, el, deponi och avfallshantering. Här vägs värmeverkets miljöpåverkan in och dess ekonomiska konsekvenser värdesätts efter utfallet från 2012.

Fastbränslepannorna är dyrare i drift än fett- och oljepannorna p.g.a. avfallshanteringen. Den nya pannan nr 6 är billigare än övriga fastbränslepannor då soporna inte behöver krossas innan de går till förbränning. Figur 2.4 sammanfattar kostnaderna för drift och underhåll för respektive panna. En mer detaljerad uppdelning av kostnaderna återfinns som bilaga under stycke 5.3.

Figur 2.4: Visar kostnaderna för drift och underhåll för värmeverkets samtliga pannor.

2.3.1.1 Bränslekostnader

Avfallet som förbränns i värmeverket delas in i sopor och flis. Innan panna 6 var i drift hade

värmeverket tillstånd att förbränna ca 100 kiloton avfall (sopor och flis) årligen vilket nu har höjt till ca 130 kiloton då panna 6 är byggd. I dagsläget finns det inte underlag för så mycket sopor utan värmeverket får fylla upp en viss del med flis. I framtiden är målet att all avfall som förbränns ska komma från sopor. Bränslekostnaderna visas i Tabell 2.4. Värmeverket får ersättning för varje ton sopor som tas emot vilket förklarar den negativa kostnaden för den posten.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

[kr/MWh]

Drift och underhållskostnader från 2012

Drift och underhåll pannor

Drift och underhåll avfallshantering

Spolning och sprängning

Förbrukningsmateriel, slitage och el

(19)

18

Tabell 2.4: Visar intäkter och kostnader för bränslet, dess energidensitet och tillgång.

2.3.2 Intäkter

I slutändan får värmeverket ersättning för levererad energi. Fjärrvärme, odal och reppe ger en fast ersättning per levererad megawattimme medan ersättningen för levererad elenergi varierar under året. Elpriset varierar enligt Figur 2.5. Vidare kommer aktuellt elpris benämnas elpris.

Figur 2.5: Elprisets variation under 2010⁷, 2011⁸ och 2012⁸

Elpriset för 2010 motsvarar medelvärdet per månad⁷. Elpriset för 2011 och 2012 kommer från nordpool⁸.

Spillvärmen genererar både en kostnad och en ersättning beroende på tid på året. Under perioden maj till augusti får värmeverket en ersättning på 10 kr/MWh och resterande del av året betalar värmeverket 92 kr/MWh för energin. Vidare kommer aktuell kostnad eller intäkt för spillvärmen benämnas spillpris.

Tabell 2.5 visar respektive uttagspunkts ersättningsnivå.

7 http://www.vattenfall.se/sv/roerligt-elpris-historik-elomrade-3.htm - maj 2013

8 http://www.nordpoolspot.com/ - maj 2013 0

200 400 600 800 1000 1200

[kr/MWh]

elpris 2010 elpris 2011 elpris 2012 Bränsle Tillgång/år

[ton]

Tillgång/år [MWh]

Kostnad [kr/ton]

Energidensitet [MWh/ton]

Kostnad [kr/MWh]

Fett ∞ ∞ 5800 10 580

Sopor 100000 330000 -390 3,3 -118

Flis 30000 99000 313,5 3,3 95

Olja ∞ ∞ 6800 10 680

(20)

19

Uttagspunkt Ersättning [kr/MWh]

Turbin 1 elpris

Turbin 2 elpris

Kyla TK1 0

Kylstation FV 0

Reppe 500,0

Odal 500,0

Fjärrvärme 500,0

Spillvärme spillpris

Tabell 2.5: Visar värmeverkets uttagspunkter och vilket intäkt den genererar per megawattimme.

Slutligen summeras varje kostnad och intäkt för respektive flöde i kostnadsvektorn ⃗⃗ [kr/MWh].

Som exempel som återfinns kostnadsvektorn ⃗⃗ som bilaga under stycke 5.2 då avfallspannorna förbränner 95 % sopor och 5 % flis. I kostnadsvektorn har verkningsgradsförlusterna för respektive panna inkluderats.

2.3.3 Objektfunktion

Eftersom det handlar om en kostnadsminimering blir objektfunktionen blir ett minimeringsproblem:

∑

{

( ) ⃗⃗ ⃗⃗

( ) ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

( )

2.4 Lösningsmetod

Optimeringsproblemet går att lösa med linjärprogrammering, i detta fall simplexmetoden. Men eftersom varje panna har tre driftytterlägen (maxeffekt, mineffekt och helt avstängd) krävs det att varje möjligt driftfall beräknas och jämförs var för sig.

Tabell 2.6 visar hur några av värmeverkets 10 pannor kan kombineras. Totalt finns det för panndriften möjliga driftläggningar som måste jämföras för att hitta den mest kostnadseffektiva driftläggningen.

(21)

20

m P1 P2 P3 P4 P5 P6 P8 P21 P22 P23

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 På

2 0 0 0 0 0 0 0 0 På 0

3 0 0 0 0 0 0 0 0 På På

4 0 0 0 0 0 0 0 På 0 0

5 0 0 0 0 0 0 0 På 0 På

6 0 0 0 0 0 0 0 På På 0

7 0 0 0 0 0 0 0 På På På

8 0 0 0 0 0 0 På 0 0 0

9 0 0 0 0 0 0 På 0 0 På

10 0 0 0 0 0 0 På 0 På 0

11 0 0 0 0 0 0 På 0 På På

12 0 0 0 0 0 0 På På 0 0

13 0 0 0 0 0 0 På På 0 På

14 0 0 0 0 0 0 På På På 0

15 0 0 0 0 0 0 På På På På

16 0 0 0 0 0 På 0 0 0 0

- - - - -

1024 På På På På På På På På På På

Tabell 2.6: Visar exempel på olika tänkbara driftkombinationer som var och en måste jämföras för att hitta den optimala lösningen. Om en panna kan vara i drift markeras den i tabellen som ”På”, annars ”0”.

(22)

21 2.4.1 Lösningsalrogitm

Algoritmen går ut på att hitta en lösning med hjälp av simplexmetoden för varje driftfall m utifrån Tabell 2.6 och spara värdet på i F om bivillkoren uppfylls. Lägsta värdet på F motsvarar lägst kostnad och är således modellens svar för vilken driftläggning som är optimal.

2.4.2 Simplexmetoden

Simplexmetoden används för att lösa ∑ . Metoden bygger på att man med bivillkoren begränsar ett område där en lösning kan verka för att i varje extrempunkt av den inneslutna

mängden beräkna resultatet utifrån objektfunktioen .

I Figur 2.6 exemplifieras simplexmetoden då endast panna 1 och panna 2 är i drift. På x-axeln begränsas panna 1 ( ) enligt Tabell 5.1 inom intervallet vilket även gäller för panna 2 och y-axeln. Vidare i exemplet är fjärrvärmebehovet 15 MW vilket tillsammans med kylstation FV ger olikhetsvillkoren och .

𝑓(𝑚)

𝑚𝑖𝑛 ∑ 𝑘_𝑛 𝑥_𝑛

{

𝑨^𝑇(𝑚𝑎𝑥) 𝒔⃗⃗ 𝒃⃗⃗ ? 𝑨𝒆𝒒^𝑇(𝑚𝑎𝑥) 𝒔⃗ 𝒃𝒆𝒒⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗

𝑥_𝑛(𝑚𝑖𝑛)

𝑥_{𝑛(𝑚𝑎𝑥)} 𝑠_𝑛 ? ? Uppfylls

𝑗𝑎 𝑢 𝑢 𝐹(𝑢) 𝑚𝑖𝑛(𝑓(𝑚))

𝑚 𝑚 𝑛𝑒𝑗 𝑚 𝑚

𝐹(𝑢)

Optimal lösning:

𝑥_𝑜𝑝𝑡 min (F(u))

(23)

22

Figur 2.6: Visar exempel på simplexmetoden med två variabler för m=3.

Skärningspunkterna och resultatet ges i Tabell 2.7. Eftersom det enbart handlar om en kostnad och ingen intäkt för överproduktion då varken panna 1 eller panna 2 är kopplade till värmeverkets ångsystem ges svaret att panna 1 ska leverera 9 MW och panna 2 leverera 6 MW, med anledning av att panna 1 är något billigare i drift än panna 2.

Skärningspunkt {x1,x2} funktionsvärde

1 {9,6} 9987

2 {6,9} 9993

3 {15,6} 13977

4 {6,15} 13995

5 {15,10} 16645

6 {10,15} 16655

Tabell 2.7: Visar respektive skärningspunkt ut exemplet med simplexmetoden

(24)

23

3 Resultat och diskussion

Resultatet är uppdelat i tre delar.

 Utvärdering mot tidigare år.

 Driftplanering med panna 6.

 Beräkning av typiska driftfall för vår, sommar, höst och vinter.

Den första delen är indelad mot 2010, 2011 och 2012 års driftsituation. Lasten och prissättningen för el och spillvärme kommer vara densamma för modellen som för verkligheten dag för dag. Parametrar som panndrift, rökgaskondensering, bortkyld energi, turbindrift och nyttjande av spillvärme är fria och ska utvärderas. Tabell 3.1 sammanfattar förutsättningarna för utvärderingen mot tidigare år.

Lastvärden: Fjärrvärme Odal Reppe Spillvärme (max)

Intäkt/kostnad för: Elpris Spillpris

Pannor på och av: Om en panna var avställd en dag så gäller samma för modellen

Tabell 3.1: Visar förutsättningarna för jämförelsen mot tidigare år.

Eftersom panna 6 inte var i drift förrän årsskiftet 2012/2013 kommer den heller inte vara med för jämförelsen mot tidigare år. Kostnaden för avfallet baseras på 95 % sopor och 5 % flis.

Den andra delen med driftplaneringen kommer precis som den första delen vara indelad mot 2010, 2011 och 2012 års lastdata. Förutom ovan nämnda parametrar ska även drifttid, total bortkyld energi och bränslebehov utvärderas.

Den tredje delen i resultatet kommer vara uppdelad i vår, sommar, höst och vinter för att beräkna när det är lönsamt att hålla igång pannorna, elproduktionen och kylningen utifrån givna

förutsättningar.

3.1 Utvärdering av 2010 års driftläggning

3.1.1 Avfallsförbränning

Figur 3.1 visar hur avfallsförbränningen såg ut 2010 och hur den ligger till i jämförelse mot den teoretiskt mest lönsamma modellen. Den övre grafen visar skillnaden i dygnsmedeleffekt mellan modellen och originaldatan från värmeverket och den undre grafen visar det faktiska värdet för modellen respektive verkligheten.

Resultatet visar att värmeverket har förbränt ungefär lika mycket avfall som referensmodellen men att det fanns perioder då fastbränslepannorna kunde gått lite hårdare, framför allt under vår- och sommarperioden.

(25)

24

Figur 3.1: Visar hur mycket effekt som avfallspannorna gav jämfört med modellen under 2010.

3.1.2 Bortkyld energi

Figur 3.2 visar hur mycket energi som kyldes bort under 2010. Resultatet visar att en stor del av energin kyldes bort under februari och mars vilket ger en klar avvikelse mot modellen. Enligt värmeverket ligger förklaringen till detta i ett mätfel vilket nu ska vara åtgärdat. Under

sommarperioden har värmeverket utnyttjat kylmöjligheten ungefär motsvarande modellens svar, men det finns perioder då avvikelser kan urskiljas, vilket innebär en förlust för värmeverket.

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

0 10 20 30 40 50 60

Orginal Modell

(26)

25

Figur 3.2: Visar hur mycket effekt som kyldes bort jämfört med modellen under 2010.

3.1.3 Elproduktion och resultat

Figur 3.3 visar hur elproduktionen såg ut 2010. Resultatet visar att produktionen både har legat över och undre referensmodellen. Tendensen är dock att turbinerna har underytnyttjats under större delen av året bortsett från perioden januari till april då det funnits tillfället när kombinationen av elpris, last och tillgängliga pannor inte kunnat motivera elproduktionen i samma utsträckning som värmeverket har kört.

Figur 3.3: Visar hur den faktiska elproduktionen jämförs med modellen under 2010.

-20 -15 -10 -5 0 5 10

-5 0 5 10 15 20 25

Orginal Modell

-10 -5 0 5 10

-2 0 2 4 6 8 10

Orginal Modell

(27)

26

Avvikelserna i elproduktionen har en betydande påverkan för värmeverkets ekonomi. Detta stärks av Figur 3.4 som visar resultatet per levererad megawattimme.

Figur 3.4: Visar hur resultatet per levererad MWh jämförs med modellen under 2010.

Under början av året då värmeverket hade igång elproduktionen samtidigt som det kyldes bort energi och fastbränslepannorna gick på fullast fick fossilbränslepannorna ligga på en högre effekt vilket Figur 3.5 visar. Detta är ytterligare en förklaring till avvikelsen i resultatet.

Figur 3.5: Visar hur mycket fett- och oljepannorna producerade jämfört med modellen under 2010.

-400 -200 0 200 400 600

[kr/MWh]

-200 0 200 400 600

[kr/MWh]

Orginal Modell

-10 0 10 20 30

0 10 20 30 40 50 60

Orginal Modell

(28)

27 3.1.4 Rökgaskondensering

Värmeverket har som tidigare beskrivits möjlighet till att återvinna en viss del av värmen i rökgaserna genom rökgaskondenering. En fråga har varit hur väl detta har nyttjats ur ekonomisk synvinkel. Ett argument mot rökgasåtervinning är att det kan reducera möjligheten till elproduktion då

rökgasåtervinningen går direkt mot den yttre hetvattenkretsen och kan därför hindra

värmeöverskottet från turbinkondensorerna att mata fjärrvärmenätet vilket vid vissa tillfällen kan minska möjligheten att producera el.

Rökggaskondenseringen är heller inte helt enkel att styra eftersom möjligheten till att återvinna värme beror på flera omständigheter, t.ex. rökgasernas sammansättning och fjärrvärmenätets returtemperatur. En maximal snitteffekt som rökgaskodenseringen kan ge motsvarar ca 17 % av den sammanlagda effekten från Panna 3 till Panna 6.

Figur 3.6 visar hur stor effekt som återgavs i rökgaskondenseringen under 2010. Resultatet visar att rökgasåtervinningen var relativt låg under början av 2010 jämfört med referensmodellen. Det visar att värmeverket om möjligt borde nyttjat rökgasåtervinningen i större utsträckning än vad som gjordes. Detta hänger ihop med den ökade fossilbränsledriften som beskrevs tidigare. Förklaringen till den låga nyttjandegraden av rökgaskondenseringen under början av året ligger i att värmeverket hade tekniska bekymmer som begränsade hur stor effekt som de hade möjlighet att återfå.

Figur 3.6: Visar hur stor effekt rökgaskondenseringen gav jämfört med modellen under 2010.

Figur 3.7 visar hur stor andel av den totala effekten från panna 3 till panna 5 som återgavs i

rökgaskondenseringen. Resultatet visar precis som ovan att rökgaskondenseringen nyttjades i relativt låg utsträckning under början av året jämfört med modellen.

-10 -5 0 5 10

0 2 4 6 8 10

Orginal Modell

(29)

28

Figur 3.7: Visar hur stor andel av den levererade effekten från panna 3 till panna 5 som återgavs i rökgasåtervinningen jämfört med modellen under 2010.

3.1.5 Spillvärme

När modellen tillåts att hantera spillvärmen som ett varierbart flöde så visar resultatet i Figur 3.8 att värmeverket under vissa perioder på året får ett sämre resultat på att köpa spillvärmen för utsatt pris. Bedömningen är trots det att spillvärmen varit en bra affär under året om helhet.

Figur 3.8: Visar hur mycket spillvärme som togs emot jämfört med modellen under 2010.

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

Differans [1]

0 0.1 0.2 0.3 0.4

Andel [1]

Orginal Modell

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Orginal Modell

(30)

29 3.1.6 Verkningsgrad

Värmeverkets verkningsgrad under 2010 visas i Figur 3.9. Under sommarperioden när

verkningsgraden går över 1 misstänks ett mätvärdesfel någonstans i systemet, troligtvis i någon av mätstationerna för kylan. Under övriga året varierar verkningsgraden runt 97 %, exklusive

verkningsgradsförlusterna för respektive panna som redovisas i Tabell 2.1 och Tabell 2.2.

Figur 3.9: Visar hur värmeverkets verkningsgrad varierade under 2010.

3.1.7 Fri panndrift

Om pannorna hade haft 100 % tillgänglighet bortsett från en månads revision per panna under sommaren visar resultatet Figur 3.10 hur avfallspannorna skulle gått på full effekt över hela året för att hålla igång turbinerna. Under sommaren skulle den bortkylda effekten behöva ökas ytterligare då den totala lasten är låg.

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

Verkningsgrad/dag Medelverkningsgrad = 0.98

(31)

30

Fastbränsledrift Elproduktion

Kyla Fossilbränsledrift

Figur 3.10: Visar en summering av resultatet för modellen om panndriften var oberoende värmeverkets driftläggning under 2010.

3.1.8 Summering av 2010

Under 2010 låg elpriset relativt högt jämfört med 2011 och 2012. Det har sett till året som helhet underutnyttjats av värmeverket. Samtidigt visar resultatet att det inte alltid är ekonomiskt att hålla turbinerna igång. Däremot finns det andra driftmässiga parametrar som modellen inte har tagit hänsyn till vilket har motiverad värmeverkets beslut. Till det fanns det skattemässiga fördelar av att hålla igång turbinerna under året som modellen inte har tagit hänsyn till.

Figur 3.11 visar hur mycket energi som passerat utvalda delar av värmeverket jämfört med modellen.

Det syns tydligt att det funnits tillfällen då avfallspannorna kunde gått på en högre effekt för att hålla i gång elproduktion.

-40 -30 -20 -10 0 10

0 10 20 30 40 50 60

Orginal Modell

-10 -5 0 5 10

0 2 4 6 8 10

Orginal Modell

-25 -20 -15 -10 -5 0 5

10 Kyla

Jan0 Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

5 10 15 20 25

Orginal Modell

-10 0 10 20 30 40

0 10 20 30 40 50

Orginal Modell

(32)

31

Figur 3.11: Visar hur mycket energi som gått genom några av värmeverkets olika delar jämfört med modellen under 2010. Blå stapel visar resultatet av värmeverkets driftläggning, grön stapel visar modellens resultat om varje panna styrdes utifrån om pannan var i drift eller inte respektive dag, röd stapel innebär att pannorna fritt fick styras av modellen.

3.2 Utvärdering av 2011 års driftläggning

3.2.1 Avfallsförbränning

Figur 3.12 visar att värmeverket från tidig vår till sen höst kunde driftsatt avfallspannorna betydligt hårdare av vad som gjordes, precis som under 2010. Detta betyder att det är troligt att värmeverket återigen har underutnyttjat turbinerna då elpriset var relativt högt även under 2011.

Avfall Fett och olja Elproduktion Kyla

0 50 100 150 200 250 300 350 400

[GWh]

Orginal Modell Fri panndrift

(33)

32

Figur 3.12: Visar hur mycket effekt som avfallspannorna gav jämfört med modellen under 2011.

3.2.2 Bortkyld energi

Figur 3.13 visar att den bortkylda energin ungefär motsvarar vad modellen föreslår, bortsett från perioder under april och november där de höga elpriserna tillsammans med det relativt varma vädret gjorde att det var lönsamt att hålla igång kylningen för att öka effekten på turbinerna.

Figur 3.13: Visar hur mycket effekt som kyldes bort jämfört med modellen under 2011.

-30 -20 -10 0 10

10 20 30 40 50

Dygnsmedeleffekt [MW] Orginal

Modell

-10 -5 0 5 10

5 10 15 20

Dygnsmedeleffekt [MW] Orginal

Modell