UPTEC ES 20019
Examensarbete 30 hp Juni 2020
Ångdrift av värmepumpar i Solnaverket
En teknisk och ekonomisk studie över konvertering från eldrift till mekanisk ångdrift
Josephine Lindén Magnusson
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0
Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala
Telefon:
018 – 471 30 03
Telefax:
018 – 471 30 00
Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Steam driven heat pumps at Solnaverket
Josephine Lindén Magnusson
This master thesis has examined how two of the heat pumps at Norrenergi, Solnaverket, can be converted to steam driven heat pumps. The heat pumps are driven by electrical motors today and this thesis has investigated the technical and economical aspects of replacing them with steam turbines and also installing a pellet boiler.
The purpose with this project is to lower the costs for the heat pumps which varies with the electricity price, where the electricity taxes represent about 40-60 % of the total electricity cost.
In addition, Norrenergi is one of the largest electricity consumers in Stockholm. This, combined with the prevailing capacity shortage in Stockholm makes it important to examine another alternative than electricity for the heat pumps. Capacity shortage means that electricity can't be transmitted into the city during periods with high electricity demand.
The results of this master thesis show that the costs reduces on a system level when two steam driven heat pumps are installed compared to the electrity driven heat pumps. All district heating plants in Stockholm, including Söderenergi's, Norrenergi's and Stockholm Exergi's plants, have been involved while examining the costs in this study.
Despite the cost reduction the investment calculation shows that the investment is not profitable for a low or average electrity price. For a high electricity price the investment seems to be profitable, but this is not considered enough for the investment to be recommend since future electricty prices are hard to predict. On the other hand there might be other aspects than economical to invest in this type of district heating plant, for example from a sustainability perspective.
ISSN: 1650-8300, UPTEC ES20 019 Examinator: Petra Jönsson
Ämnesgranskare: Jacob Eriksson Handledare: Magnus Swedblom
Förord
År 2014 valde jag att flytta 60 mil norrut för att påbörja ett nytt kapitel i livet som civilingenjörsstudent på Uppsala Universitet. Det här examensarbetet, som utfördes hos Norrenergi i Solna, är den avslutande delen av det kapitlet. Jag vill tacka Norrenergi för att jag fick möjligheten att vara hos er under två somrar och dessutom för att jag fick genomföra mitt examensarbete hos er under vårterminen 2020. Tack till alla medarbetare för ert varma välkomnande som gjort min vistelse på Norrenergi till något att minnas. Ett speciellt tack vill jag rikta till min handledare Magnus Swedblom för sitt engagemang samt många intressanta diskussioner under arbetets gång som gett mig fördjupade kunskaper inom ämnet.
Jag vill även tacka företaget Siemens som bidragit med expertis inom området vilket möjliggjort att examensarbetet kunde genomföras. Vidare vill jag också tacka Thomas Folkesson som på kort tid kunde hjälpa oss att genomföra simuleringar i programmet Martes.
Ett stort tack till min ämnesgranskare Jacob Eriksson på Uppsala Universitet som med sitt lugna sätt gav mig värdefull vägledning och stöd under arbetets gång.
Kommande stycke är de sista rader jag skriver som student på civilingenjörsprogrammet i Energisystem, jag vill ägna dem åt att rikta min tacksamhet till mina föräldrar, systrar och min sambo. Tack mamma och pappa för er ihärdiga hjälp med skolarbete redan från grundskolan, utan er hade jag inte varit i slutet av en civilingenjörsutbildning i dagsläget. Tack Lovisa, Caroline och Dan-Axel för att ni alltid finns där, utan era hejarop och stöd hade resan hit varit betydligt svårare. Sist, men inte minst, vill jag tacka alla mina vänner som jag lärt känna under min utbildning och tid här i Uppsala, jag är otroligt tacksam över att ha fått så fina vänner. Nu sätter jag punkt för min tid som civilingenjörsstudent men börjar istället nästa kapitel i livet, med nytt jobb och nya möjligheter.
Sammanfattning
Norrenergi är ett fjärrvärme- och fjärrkylabolag i Stockholm som bland annat producerar värme via energiåtervinning i en VP-anläggning i Solnaverket. Norrenergi är en av de 20 största elkonsumenterna i Stockholmsregionen vilket bland annat beror på denna anläggning som består av fyra värmepumpar med en total värmeeffekt på 100 MW. Värmepumparna drivs av elektricitet samt spillvatten från Bromma reningsverk. Kostnaden för att producera fjärrvärme via värmepumpar varierar med elpriset där en betydande faktor är elskatten. Energiskatt på elektricitet ligger från och med 1 januari år 2020 på 353 kr/MWh vilket utgör ungefär 40–60 % av den totala elkostnaden för VP-anläggningen i Solnaverket.
Utöver de höga kostnaderna för att driva VP-anläggningen råder en så kallad kapacitetsbrist i Sveriges storstäder vilket bland annat grundar sig i att städerna växt i en snabbare takt än utbyggnaden av stamnätet. Elektricitet kan därför inte överföras från produktionskällan till städerna under vissa tider på året då behovet är som störst.
På grund av ovan nämnda orsaker är det intressant att undersöka alternativa lösningar för hur den eldrivna VP-anläggningen kan producera fjärrvärme, dels för att minska kostnader för elektricitet men också för att bidra till en samhällsnytta genom att minska effektuttaget på elnätet. Detta examensarbete ämnar därför undersöka om två av värmepumparna i Solnaverket kan omvandlas från eldrift till mekanisk ångdrift via ångturbiner, där ångturbinerna i sin tur drivs av ånga från en pelletspanna. En alternativ lösning skulle kunna vara att även investera i elgeneratorer som via ångturbinerna producerar elektricitet till VP:arna. Egen producerad elektricitet är dock skattepliktig och därför det är intressant att undersöka en direkt mekanisk ångdrift av värmepumparna med hjälp av en ångcykel.
Ett av huvudmålen med examensarbetet är att ta fram ett förslag på en design för hur en ångdriven VP-anläggning kan implementeras i Solnaverket, med andra ord hur två av elmotorerna som driver nuvarande värmepumpar kan ersättas med ångturbiner. Därtill är huvudmålen med examensarbetet dels att undersöka systemdriftsnyttan av att implementera en ångdriven VP-anläggning, dels att göra en investeringskalkyl över den ångdrivna VP- anläggningen.
Systemdriftsnytta innebär den ekonomiska kostnadsbesparingen som kan göras på systemnivå för alla sammankopplade anläggningar i fjärrvärmenätet till följd av att den ångdrivna VP- anläggningen byter ut delar av den nuvarande eldrivna VP-anläggningen. De sammankopplade anläggningarna som beaktas i detta examensarbete är Stockholm Exergis, Norrenergis samt Söderenergis anläggningar eftersom Norrenergi har ett så kallat regionalt energisamarbete med dessa bolag. Stockholm Exergi planerar även att i framtiden bygga ett nytt kraftvärmeverk i Lövsta som kommer drivas med avfall vilket också beaktas i examensarbetet.
Examensarbetet är indelat i fem faser: Litteraturstudie, Systemstudie, Datainsamling, Modellering- och beräkningar samt Rapport- och presentation. I systemstudien kartläggs nuvarande VP-anläggning i Solnaverket genom att undersöka ritningar samt via studiebesök i anläggningen. Därefter undersöks hur två ångturbiner på bästa sätt kan implementeras ur ett tekniskt och praktiskt perspektiv i Solnaverket. Denna fas genomförs i samråd med Norrenergi
och Siemens i Finspång som har teknisk kompentens kring värmepumparna i Solnaverket. I fasen Modellering- och beräkningar tas en teknisk modell fram i Excel där termodynamiska beräkningar görs över den ångdrivna VP-anläggningen. Syftet med den tekniska modellen är att erhålla relevant data som Siemens kan använda för att analysera vilka typer av ångturbiner som passar för ändamålet. Därefter genomförs simuleringar i ett program som heter Martes där kostnaden på systemnivå mellan ångdriven och eldriven VP-anläggning beräknas. Detta görs för tre olika elprisprofiler eftersom kostnaden för en eldriven VP-anläggning varierar med spotpriset för elektricitet. Därefter kan systemdriftsnyttan av att implementera en ångdriven VP-anläggning beräknas. Till sist genomförs en investeringskalkyl över den ångdrivna VP- anläggningen för att kunna dra en slutsats kring om investeringen är lönsam eller inte.
Resultatet visar att systemdriftsnyttan är positiv i alla elprisprofiler vilket beror på att kostnaderna på systemnivå minskar när ångdriven VP-anläggning implementeras i Solnaverket.
Trots den positiva systemdriftsnyttan visar dock investeringskalkylen att denna investering endast är lönsam vid ett högt elpris, det vill säga nettonuvärdet är endast positivt vid hög elprisprofil. Detta beror bland annat på att den positiva systemdriftsnyttan inte är tillräckligt hög (vid låg och medelelprisprofil) för att uppnå ett tillräckligt högt nuvärde med given kalkylränta och ekonomisk livslängd, i jämförelse med grundinvesteringskostnaderna. Den låga lönsamheten beror dessutom på att Stockholm Exergi ska bygga ett nytt avfallskraftvärmeverk i Lövsta som har billigare produktionskostnader än den ångdrivna VP-anläggningen.
Det är svårt att förutspå elprisets utveckling framöver och variationerna i elpris under året förväntas öka, därför är det rekommenderat att denna investeringen inte genomförs eftersom den beror så pass mycket av elpriset. Det kan dock finnas andra aspekter än ekonomiska i att investera i en ångdriven VP-anläggning. Till exempel ur ett hållbarhetsperspektiv då belastningen på elnätet minskar när de eldrivna VP:arna konverteras till ångdrift.
Exekutiv sammanfattning
Detta examensarbete har undersökt möjligheten att omvandla VP3-4 i Solnaverket från eldrift till mekanisk ångdrift genom att byta ut elmotorerna som driver värmepumparnas
kompressorer till två ångturbiner. Dessa ångturbiner kommer i sin tur drivas av en pelletspanna. Syftet med att konvertera VP:arna från eldrift till mekanisk ångdrift är att minska kostnaderna för den eldrivna VP-anläggningen, där elskatten utgör cirka 40–60 % av de totala elkostnaderna beroende på elpris. Ett alternativ till mekanisk ångdrift skulle kunna vara att investera i elgeneratorer och på så sätt producera elektricitet med hjälp av
ångturbinerna. Egenproducerad elektricitet är dock skattepliktig och därför är det intressant att undersöka en direkt mekanisk ångdrift av VP:ara.
Dessutom råder en så kallad kapacitetsbrist i Stockholmsregionen vilket innebär att elektricitet inte kan överföras från produktionskällan in till städerna under perioder då elbehovet är som störst. Norrenergi är en av de 20 största elkonsumenterna i
Stockholmsregionen vilket till stor del beror på den eldrivna VP-anläggningen. VP-
anläggningen tar ut störst eleffekt när elnätet är som mest belastat under vinterhalvåret, därför är det viktigt att undersöka andra alternativ än eldrift av värmepumparna.
Resultatet av detta examensarbete visar att en kostnadsbesparing på systemnivå erhålls då delar av den eldrivna VP-anläggningen ersätts med ångdriven VP-anläggning. I arbetat har hela det sammankopplade fjärrvärmenätet undersöks inklusive alla Norrenergis, Söderenergis och Stockholm Exergis anläggningar. Stockholm Exergi planerar även att bygga ett nytt avfallskraftvärmeverk i Lövsta som också är med i denna analys.
Trots att kostnadsbesparing på systemnivå erhålls visar en investeringskalkyl att denna investering inte är lönsam, för lågt och medelelpris. Endast vid ett högt elpris blir
nettonuvärdet positivt och hamnar på +18 MSEK. Anledningen till den låga lönsamheten är bland annat att kostnadsbesparingen per år inte är tillräckligt hög för att täcka
grundinvesteringskostnaderna på 400 MSEK, givet en kalkylränta på 5 % och en ekonomisk livslängd på 20 år.
Eftersom en ångdriven VP-anläggning endast är lönsam vid ett högt elpris är det rekommenderat att investeringen inte genomförs på grund av att det är svårt att förutspå elprisets utveckling framöver. Det kan dock finnas andra aspekter än ekonomiska i att investera i en ångdriven VP-anläggning. Till exempel ur ett hållbarhetsperspektiv då belastningen på elnätet minskar när de eldrivna VP:arna konverteras till ångdrift.
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Norrenergi AB ... 1
1.3 Syfte och mål ... 2
1.4 Frågeställningar ... 3
1.5 Tidsplan och disposition ... 3
1.6 Metod... 4
1.7 Avgränsningar ... 5
2 Teoretiskt ramverk ... 6
2.1 Fjärrvärme ... 6
2.2 Grundläggande termodynamik ... 8
2.3 Ångcykler ... 8
2.4 Ångturbinteknik ... 12
2.5 Värmepumpsteknik ... 13
2.6 Investeringskalkylering ... 15
2.7 Elpris ... 15
3 Systemstudie ... 17
3.1 Eldriven VP-anläggning ... 17
3.2 Spillvattenkanal ... 18
3.3 Föreslagen systemdesign för ångdriven VP-anläggning ... 18
4 Modell- och beräkningar ... 21
4.1 Driftfall & teknisk modell ... 21
4.2 Simulering i Martes ... 23
4.3 Data för ekonomiska beräkningar ... 24
5 Ekonomiska resultat ... 27
5.1 Systemdriftsnytta ... 27
5.2 Investeringskalkyl ... 29
6 Diskussion ... 31
6.1 Ekonomiska resultat ... 31
6.2 Elprisets utveckling ... 32
6.3 Hållbarhetsperspektiv ... 33
6.4 Systemstudie och Modell- & beräkningar ... 34
7 Slutsats... 36
Referenser ... 38
Figurförteckning
Figur 1. Överblick av Norrenergis fjärrvärmenät i Solna, Sundbyberg, Bromma och
Danderyd. ... 2
Figur 2. GANTT-schema för examensarbetet. ... 4
Figur 3. Norrenergis fjärrvärmeförlopp... 6
Figur 4. Exempel över olika produktionsanläggningars varaktighet i ett fjärrvärmesystem (Energiforsk 2019). ... 7
Figur 5. Schematisk figur över Rankinecykelns olika komponenter (egen bild). ... 9
Figur 6. T-S diagram över Rankinecykeln (egen bild). ... 10
Figur 7. Skillnader mellan impulsturbin och reaktionsturbin . ... 12
Figur 8. Schematisk figur över värmepumpens olika komponenter (egen bild). ... 13
Figur 9. Flödesbild över eldriven VP-anläggning. ... 17
Figur 10. Flödesfigur över ångdriven VP-anläggning med ångcykler och värmepumpar. ... 18
Figur 11. Seriekoppling av VP-kondensorer och ÅT-kondensorer mot fjärrvärmenätet. ... 19
Figur 12. Parallellkoppling av VP-kondensorer och ÅT-kondensorer mot fjärrvärmenätet. ... 20
Figur 13. Överblick av metodiken under fasen Modell-och beräkningar. ... 21
Figur 14. Specifika produktionskostnader beroende på elprisprofil och typ av VP-anläggning. ... 32
Tabellförteckning
Tabell 1. Delmål och huvudmål för respektive fas i examensarbetet. ... 3
Tabell 2. Driftfall över Norrenergis typiska fjärrvärmeproduktion i eldriven VP-anläggning. 21 Tabell 3. COP för ångdriven VP-anläggning i respektive driftfall. ... 22
Tabell 4. Systemverkningsgrad för respektive driftfall i ångdriven VP-anläggning. ... 23
Tabell 5. Elprisprofiler över spotpriset. ... 24
Tabell 6. Total elkostnad, D&U samt SPK för eldriven VP-anläggning. ... 25
Tabell 7. Investeringskostnader för ångdriven VP-anläggning. ... 26
Tabell 8. Systemkostnader och årlig systemdriftsnytta mellan dagens fjärrvärmesystem (med eldriven VP-anläggning) och det framtida fjärrvärmesystemet( med ångdriven VP- anläggning), i respektive elprisprofil... 27
Tabell 9. Nuvärde och nettonuvärde för investeringen, i respektive elprisprofil. ... 29
Tabell 10. Återbetalningstid för investeringen, i respektive elprisprofil. ... 29
NOMENKLATUR
Förkortningar
FJV……… Fjärrvärme VP………. Värmepump ÅT………. Ångturbin
ÅT-K………. Ångturbinkondensor VP-K ……….Värmepumpskondensor FÅ………. Förångare
K……… Kompressor M……….Elmotor
VPÅT………. Ångdriven VP-anläggning VPEL………. Eldriven VP-anläggning NV………. Nuvärde
NNV……….………. Nettonuvärde
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Norrenergi är en av de 20 största elkonsumenterna i Stockholmsregionen vilket till stor del beror på att de har värmepumpar i sin fjärrvärmeproduktion som drivs av elektricitet. Kostnaden för att producera fjärrvärme via eldrivna värmepumpar varierar med elpriset och en betydande faktor är elskatten, som i detta fall står för cirka 40–60 % av de totala elkostnaderna. Den eldrivna VP-anläggningen, som är placerad i Solnaverket, består av fyra VP:ar med en total värmeeffekt på 100 MW.
Utöver den höga elskatten som tillkommer för den eldrivna VP-anläggningen råder det en så kallad kapacitetsbrist i Sveriges storstäder. Det betyder att det under vissa tider av året inte kan överföras den mängd elektricitet som efterfrågas inne i storstäderna. Kapacitetsbristen grundar sig i att städerna växt i en snabbare takt än utbyggnaden av stamnätet. Anledningen är bland annat att utbyggnaden av stamnätet och andra elledningar är en tidskrävande process.
På grund de höga kostnaderna för den eldrivna VP-anläggningen, samt kapacitetsbristen, är det intressant att undersöka alternativa lösningar för hur den eldrivna VP-anläggningen kan producera fjärrvärme. Detta examensarbete ämnar därför undersöka om några av värmepumparna i Solnaverket kan omvandlas från eldrift till mekanisk ångdrift via ångturbiner, där ångturbinerna i sin tur drivs av ånga från en pelletspanna. En alternativ lösning skulle kunna vara att även investera i elgeneratorer som via ångturbinerna producerar elektricitet till VP:arna.
Egenproducerad elektricitet är dock skattepliktig och därför det är intressant att undersöka en direkt mekanisk ångdrift av värmepumparna med hjälp av en ångcykel.
1.2 Norrenergi AB
Norrenergi är ett fjärrvärme- och fjärrkylabolag som bildades år 1993. De är placerade i Solna och Sundbybergs stad men har kunder även i Bromma och Danderyd i Stockholmsregionen.
Norrenergis bränslemix bestod år 2019 av 27 % förnybar elektricitet, 58 % värmeåtervinning, resterande 15 % produceras från träpulver och mindre än 1 % kommer från fossil olja.
Värmeverket i Solna är utrustat med pelletspannor samt bio- och fossiloljepannor för spetsproduktion. Utöver det finns det fyra eldrivna värmepumpar, en kylanläggning samt värme- och kylackumulatorer. Norrenergi levererar fjärrvärme till fler än 100 000 människor och 2500 byggnader, vilket är cirka 1 TWh per år (Norrenergi 2020).
Norrenergis fjärrvärmenät är 21 mil långt och sitter ihop med både Stockholm Exergis och Söderenergis nät. Idag bildar Norrenergi, Söderenergi och Stockholm Exergi ett av världens största fjärrvärmenät och fortsätter expandera i takt med utbyggnaden av hållbara städer (Norrenergi 2020). En överblick av Norrenergis fjärrvärmenät presenteras i Figur 1.
2
1.3 Syfte och mål
Detta examensarbete ämnar undersöka hur elmotorerna som driver två av värmepumparna i Norrenergis fjärrvärmeproduktion kan ersättas av ångturbiner och på så sätt omvandla värmepumparnas eldrift till mekanisk ångdrift. Syftet med projektet är öka lönsamheten för VP- anläggningen i Solnaverket.
Det finns tre huvudmål med examensarbetet. Det första huvudmålet är att ta fram ett förslag på en teknisk systemdesign för hur en ångdriven VP-anläggning kan implementeras i Solnaverket hos Norrenergi. De två andra huvudmålen med examensarbetet är dels att undersöka systemdriftsnyttan av att elmotorerna byts ut till ångturbiner, dels att göra en investeringskalkyl för en ångdriven VP-anläggning.
Systemdriftsnyttan innebär ekonomisk kostnadsbesparing på systemnivå för alla sammankopplade anläggningar i fjärrvärmenätet, till följd av att en ångdriven VP-anläggning implementeras. De sammankopplade anläggningarna som analyseras i denna rapport innefattar, utöver Norrenergis anläggningar, även Söderenergis och Stockholm Exergis anläggningar.
Examensarbetet är indelat i fem olika faser vilka alla har delmål. De olika faserna för examensarbetet samt målen listas i Tabell 1. De tre huvudmålen för examensarbetet är presenterade i kursiv text.
Figur 1. Överblick av Norrenergis fjärrvärmenät i Solna, Sundbyberg, Bromma och Danderyd.
3 Tabell 1. Delmål och huvudmål för respektive fas i examensarbetet.
Fas Litteraturstudie Systemstudie Datainsamling Modellering – och beräkningar Delmål Skapa ett
teoretiskt ramverk för examensarbetet
Kartlägga hur VP- anläggningen i Solnaverket ser ut i dagsläget
Ta fram ett designförslag för en ångdriven VP-anläggning
Samla in relevant data för att kunna göra modellering- och beräkningar
Analysera
systemdriftsnyttan med en ångdriven VP-
anläggning jämfört med en eldriven VP-
anläggning
Investeringskalkyl för ångdriven VP-
anläggning
1.4 Frågeställningar
För att kunna uppnå målen med examensarbetet har tre frågeställningar formulerats, vilka är följande:
Hur kan två ångturbiner implementeras i VP-anläggningen ur ett tekniskt och praktiskt perspektiv?
Vad blir systemdriftsnyttan med en ångdriven VP-anläggning jämfört med en eldriven VP-anläggning?
Hur är lönsamheten för den ångdrivna VP-anläggningen, inklusive ångturbiner och ångpanna?
Vilka hållbarhetsaspekter finns det för att implementera en ångdriven VP-anläggning?
1.5 Tidsplan och disposition
Examensarbetet är indelat i fem faser: Litteraturstudie, Systemstudie, Datainsamling, Modellering- och beräkningar samt Rapport- och presentation. I GANTT-schemat () presenteras tidsplanen för examensarbetet samt tidsomfattningen för respektive fas.
Litteraturstudien och Systemstudien genomfördes under ungefär en månad vardera.
Datainsamlingen genomfördes parallellt med Systemstudien och Modellerings- och beräkningsfasen, som pågick under ungefär två månader. Slutet av examensarbetet innefattande rapportskrivande och presentation. Tidsplanen följdes genom hela arbetet.
4 Dispositionen i denna rapport kommer följa tidsplanen och de olika fasernas upplägg. Efter nuvarande avsnitt (1), som är en inledning där bland annat syfte och metod förklaras, presenteras det teoretiska ramverket i avsnitt 2. Det teoretiska ramverket ämnar ge läsaren en god förståelse och bakgrund till nästkommande avsnitt.
I avsnitt 3 förklaras uppbyggnaden av den nuvarande anläggningen i Solnaverket med eldrivna värmepumpar. Dessutom förklaras andra nödvändiga delar i Norrenergis fjärrvärmeverk i Solna som till exempel spillvattenkanalen och lediga utrymmen i anläggningen. Därefter presenteras förslaget på designen för den ångdrivna VP-anläggningen (i avsnitt 3.3), med andra ord bör detta avsnitt ses som ett resultat där den första frågeställningen för examensarbetet besvaras.
Avsnitt 4 beskriver metodiken kring modell- och beräkningsfasen. Här presenteras även relevant indata som använts i beräkningar. I avsnitt 5 presenteras de ekonomiska resultaten över systemdriftsnyttan och investeringskalkylen med en efterföljande diskussion i avsitt 6. Till sist sammanfattas resultaten och de viktigaste slutsatserna för arbetet i avsnitt 7.
1.6 Metod
I början av examensarbetet genomfördes en litteraturstudie genom att samla relevant litteratur kring ämnet. Litteraturen som användes var framförallt kurslitteratur inom termodynamik, energiteknik och investeringskalkylering. Resultatet från litteraturstudien sammanställdes till ett teoretiskt ramverk som presenteras i avsnitt 2.
Nästa fas i examensarbetet, Systemstudien, innebar en kartläggning av VP-anläggningen hos Norrenergi i Solna som i dagsläget består av fyra eldrivna värmepumpar. Detta gjordes genom att undersöka ritningar samt via ett studiebesök på anläggningen. Därefter undersöktes hur den ångdrivna VP-anläggningen kan se ut, där två ångturbiner installeras, samt hur de kan implementeras på bästa sätt ur ett tekniskt och praktiskt perspektiv. För detta gjordes ett besök hos Siemens i Finspång som har turbin- och värmepumpstillverkning. Siemens har tillverkat värmepumparna som i dagsläget står i anläggningen på Norrenergi och har därför kunskap kring deras tekniska funktion. Systemstudien mynnade ut i ett förslag på en teknisk design för den ångdrivna VP-anläggningen. Mer information kring de två olika anläggningstyperna finns under avsnitt 3.
I fasen Modellering- och beräkningar togs åtta driftfall fram som representerar Norrenergis fjärrvärmeproduktion över ett år. Därefter byggdes en teknisk modell upp över den ångdrivna
Figur 2. GANTT-schema för examensarbetet.
5 VP-anläggningen i Excel. I den tekniska modellen genomfördes termodynamiska beräkningar för att erhålla vilket värmeeffektintervall anläggningen kan köras mellan samt dess systemverkningsgrad. I samråd med Siemens beräknades även värden på COP för värmepumparna i en ångdriven VP-anläggning fram.
Under fasen Modellering- och beräkningar genomfördes till sist simuleringar i programmet Martes för att analysera driftsnyttan av att installera en ångdriven VP-anläggning i Solnaverket på systemnivå, det vill säga för hela det sammankopplade fjärrvärmesystemet. Examensarbetet har en begränsad tidsram och därför gjordes denna del i examensarbetet av en extern konsult eftersom hen gjort liknande analyser för Norrenergi tidigare.
Till sist gjordes även en investeringskalkyl över den ångdrivna VP-anläggningen, som innefattar kostnader för bland annat ångpanna, ångturbiner, kondensorsystem och installationer.
I avsnitt 4 beskrivs metodiken kring fasen Modellering- och beräkningar ytterligare.
1.7 Avgränsningar
En ångdriven VP-anläggning innebär implementering av ångpanna och ångturbiner. I detta examensarbete kommer det teoretiska fokuset ligga på ångcykeln och värmepumparna.
Utvärdering av placering av ångturbinerna kommer att göras, men detaljer kring hur och var ångpannan bör placeras kommer inte att beaktas.
Ett av huvudmålen är att beräkna systemdriftsnyttan av att installera en ångdriven VP- anläggning vilket kommer genomföras i programmet Martes av en extern konsult. I examensarbetet kommer inte metodiken kring denna del att beskrivas på ett detaljerat plan.
År 2013 togs beslutet om att avveckla Bromma reningsverk och istället leda avloppsvatten till Henriksdal reningsverk (Stockholm Vatten och Avfall 2017). I detta examensarbete antas VP- anläggningen ha samma förutsättningar i framtiden som idag, det vill säga det antas att spillvattnet kan återledas från Henriksdal reningsverk istället för från Bromma reningsverk.
Avståndet från Henriksdal reningsverk kommer att vara längre vilket kan påverka temperatur på inkommande spillvatten och pumpeffekt som krävs för att leda det till VP-anläggningen i Solna. Detta beaktas dock inte i det här examensarbete.
6
2 Teoretiskt ramverk
Detta avsnitt består av fem underrubriker som omfattar hela det teoretiska ramverket för examensarbetet. Avsnitt 2.1 inleder med en bakgrund och förklaring till vad fjärrvärme är och hur det fungerar. Därefter fortsätter avsnitt 0 med grundläggande termodynamik. I avsnitt 2.3 förklaras hur ångcykler fungerar och i synnerhet Rankinecykeln. Turbinteknik i avsnitt 2.4 tar upp de grundläggande principerna för ångturbiner och i avsnitt 2.5 förklaras ångkylningscykeln och de tekniska komponenterna i en värmepump. I avsnitt 2.6 beskrivs de två vanligaste metoderna inom investeringskalkylering som även kommer användas i detta examensarbete och till sist i avsnitt 2.7 förklaras hur elpriset bestäms.
2.1 Fjärrvärme
2.1.1 Fjärrvärmens historia
Svensk fjärrvärme börjar sin historia under 1940/50-talet då det första fjärrvärmenätet byggdes ut i Karlstad. Utvecklingen tog fart på riktigt efter oljekrisen år 1973 då andra uppvärmningssätt än olja blev attraktivt. Under denna period byggdes även många nya bostäder till följd av miljonprogrammet. Detta innebar att det fanns många nya fastigheter som behövde uppvärmning. Idag har cirka 90 % av alla flerbostadshus fjärrvärme som uppvärmningssätt (Svensk fjärrvärme 2009)
Fjärrvärmens utveckling har haft en betydande roll för samhällets omställning till en grönare energianvändning. Fossila bränslen i produktionen har minskat stadigt sedan 80-talet och till följd av oljekrisen började förnybara och återvunna bränslen eldas i större grad i fjärrvärmeverken (Svensk fjärrvärme 2009). År 2018 bestod fjärrvärmens bränslemix i Sverige till 42 % biobränslen och 21 % avfallsförbränning (Energiföretagen 2019).
2.1.2 Fjärrvärmedistrubition
Norrenergis fjärrvärmeförlopp presenteras i Figur 3. Fjärrvärmeproduktion börjar i värmeverket i Solna där fjärrvärmevattnet värms upp med hjälp av pannor och värmepumpar, värmekällorna är främst träpulver och spillvatten från Bromma reningsverk. Därefter färdas det högtempererade fjärrvärmevattnet via
ledningar under marken till kundernas fastigheter. I dessa fastigheters värmecentraler överförs värmen till huset via värmeväxlare och används därmed för uppvärmning av byggnaden samt till tappvarmvatten. Fjärrvärmen, som nu har en lägre temperatur, färdas sedan tillbaka genom ledningar under marken och återgår till värmeverket i Solna där kretsloppet fortgår (Norrenergi 2017).
Figur 3. Norrenergis fjärrvärmeförlopp.
7 Norrenergis fjärrvärmenät är del av ett större nät i Stockholmsregionen och det råder ett regionalt energisamarbete med Söderenergi och Stockholm Exergi. Näten är sammankopplade och värme exporteras och importeras mellan bolagen utifrån ett kostnadsoptimeringsperspektiv.
Det innebär att anläggningar med lägst produktionskostnad används i första hand till dess maximala produktionskapacitet uppnåtts, därefter väljs den näst billigaste anläggningen för att täcka värmeeffektbehovet.
är ett varaktighetsdiagram från Energiforska rapport Jämförelse av effektreduceringsåtgärder i fjärrvärmenät (2019) som illustrerar ett förenklat exempel över olika produktionsanläggningars varaktighet i ett fjärrvärmesystem, det vill säga hur många timmar de används vid typisk fjärrvärmeproduktion. Värmeeffektbehovet täcks i första hand av de billigaste basproduktionsanläggningarna så som kraftvärmeverk med avfall eller biobränsle. När värmeeffektbehovet stiger används andra anläggningar med lite dyrare produktionskostnad vilket vanligtvis är värmepumpar, pelletspannor eller hetvattenpannor med biobränsle. Under de allra kallaste dagarna på året då värmeeffektbehovet är som störst används spetsproduktionsanläggningar vilket oftast är hetvattenpannor som drivs av fossila bränslen.
Spetsproduktion sker bara under ett fåtal timmar per år medan basproduktion sker under alla årets timmar.
Om ytterligare en anläggning implementeras i systemet, till exempel en pelletspanna, kommer en större del av värmeeffektbehovet att kunna täckas med denna. Det innebär att en dyrare anläggning skjuts upp i produktionsordningen och därmed kommer användas under färre antal timmar, vilket leder till lägre produktionskostnad för systemet.
Figur 4. Exempel över olika produktionsanläggningars varaktighet i ett fjärrvärmesystem (Energiforsk 2019).
8
2.2 Grundläggande termodynamik
Termodynamikens nollte huvudsats säger att om två kroppar är i termisk jämvikt med en tredje kropp är de även i termisk jämvikt med varandra. Termodynamikens första huvudsats, även kallad energiprincipen, säger att energi varken kan skapas eller förstöras utan bara omvandlas mellan olika former. Ett vardagligt exempel är en kopp med varmt te som står på ett köksbord.
Det varma teet kommer att avge sin värmeenergi till sin omgivning och till slut kommer teet, koppen och rummet vara i termisk jämvikt med varandra, det vill säga uppnå samma temperatur. Den omvända processen, att omgivningen skulle värma upp det varma teet, går inte emot principerna för den nollte och första huvudsatsen. Det är dock inte en naturlig process att ett svalare medium överför värme till ett varmare medium. Enligt termodynamikens andra huvudsats ökar alltid entropin (oordningen) i ett system, med andra ord kan en naturlig process bara ske spontant i en riktning (Çengel & Boles 2011).
En termodynamisk cykel innefattar flera termodynamiska processer och återgår till sitt ursprungsläge i slutskedet av cykeln. Värmepumpar, kylmaskiner och värmemotorer är exempel på tekniska enheter vilka alla drivs av en termodynamisk cykel (Potter & Somerton 1993).
En värmepump överför värme från ett lågtempererat medium (s.k. värmekälla med temperatur TL ) till ett högtempererat medium (s.k. värmesänka med temperatur TH ). Målet är att bibehålla hög temperatur hos värmesänkan som kan vara till exempel ett hus eller fjärrvärmenät. En kylmaskin fungerar på liknande sätt som en värmepump. Den största skillnaden mellan de två är att kylmaskinens mål att bibehålla en låg temperatur hos värmekällan som kan vara till exempel ett kylskåp. Det krävs tillfört arbete för att kunna överföra värme från ett kallare medium till ett varmare enligt termodynamikens andra huvudsats. En annan formulering av termodynamikens andra huvudsats är Clausius påstående. Clausius påstående säger att det är omöjligt att konstruera en enhet vilken drivs av en cykel och vars enda verkan är överföring av värme från ett kallt till varmt medium. Det är alltså omöjligt att konstruera en värmepump eller kylmaskin som utvinner värme från ett kallt medium och överför detta till ett varmt medium, utan att något arbete tillförs systemet (Çengel & Boles 2011).
En värmemotor kan beskrivas som motsatsen till en värmepump. I en värmemotor utvinns värme från ett högtempererat medium, med temperatur TH , och omvandlas till arbete samt avger en del värme till ett lågtempererat medium, med temperatur TL. Kelvin-Planck påståendet säger att det är omöjligt att konstruera en enhet som drivs av en cykel och vars enda verkan är produktion av arbete och överföring av värme från ett enstaka medium. Det är alltså omöjligt att konstruera en värmemotor där all värme som utvinns från ett varmt medium omvandlas till arbete, med andra ord där verkningsgraden är 100 % (Potter & Somerton 1993).
2.3 Ångcykler
2.3.1 Carnot – och Rankinecykeln
Carnotcykeln är den mest effektiva cykeln som kan utföras mellan en värmekälla med temperatur TH och en värmesänka med temperatur TL. Carnotcykeln består av fyra ideala reversibla processer: isentropisk kompression, isoterm värmetillförsel, isentropisk expansion och isoterm värmebortförsel (Çengel & Boles 2011).
9 En isoterm process är en process som sker under konstant temperatur. En isentropisk process är en process som anses vara både reversibel och adiabatisk. En reversibel process innebär att den kan återgå till sitt ursprungliga läge utan att arbete tillförs medan en adiabatisk process innebär att ingen värmeöverföring till/från omgivningen sker (Çengel & Boles 2011).
Arbetsmediet i en Carnotcykel kan vara gas eller ånga. Det finns problematik som kan uppstå med en Carnotcykel och den är inte alltid lämplig att använda för utvärdering av verkliga modeller. Problematiken kan elimineras om ångan överhettas i ångpannan samt kondenseras fullständigt i kondensorn. Om dessa åtgärder implementeras erhålls den cykel som kallas Rankinecykeln (Çengel & Boles 2011).
Rankinecykeln är en ideal cykel där syftet är att producera arbete med hjälp av ett varmt medium, till exempel en ångpanna. Rankinecykeln består av fyra komponenter enligt Figur 5.
Likt Carnotcykeln undergår Rankinecykeln fyra ideala processer, dock ingen isoterm process, vilka listas nedan:
1–2: Isentropisk kompression i en pump,
2–3: Värmetillförsel under konstant tryck i en ångpanna, 3-4: Isentropisk expansion i en turbin,
4-1: Värmebortförsel under konstant tryck i en kondensor (Çengel & Boles 2011).
De fyra processerna i Rankinecykeln kan visualiseras i ett T-S diagrammet där förändring i temperaturen och entropi mellan de olika stegen visualiseras, se Figur 6. Beteckningen 𝑞𝑖𝑛 betyder värmetillförsel i pannan, 𝑞𝑢𝑡 betyder värmebortförsel i kondensorn, 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏,𝑜𝑢𝑡 står för turbinarbetet som produceras under den isentropiska expansionen och 𝑤𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑖𝑛 står för pumparbetet som tillförs under den isentropiska kompressionen i pumpen (Çengel & Boles 2011).
Figur 5. Schematisk figur över Rankinecykelns olika komponenter (egen bild).
10
Figur 6. T-S diagram över Rankinecykeln (egen bild).
I steg 1 träder arbetsmediet in i pumpen i form av mättad vätska där en isentropisk komprimering av mediet sker tills önskat tryck för pannan uppnås. Därefter träder arbetsmediet in i pannan som trycksatt vätska. I pannan tillsätts värme och temperaturen ökar under konstant tryck, vätskan övergår då till överhettad ånga i steg 3. Efter pannan träder den överhettade ångan in i turbinen där en isentropisk expansion sker. I turbinen sjunker temperaturen och trycket sjunker drastiskt samtidigt som arbete uträttas via en roterande axel.
I steg 4, efter turbinen, går ångan in i en så kallad kondensor där värme avges under konstant tryck. I detta processteg är arbetsmediet i form av både ånga och vätska, så kallad mättad två- fas av hög ångkvalité. Arbetsmediet lämnar kondensorn i form av mättad vätska (Çengel &
Boles 2011).
Eftersom Rankinecykeln betraktas som en ideal cykel försummas förluster och irreversibiliteter i de olika komponenterna. I en verklig ångcykel måste irreversibiliteter beaktas, några exempel på sådana är friktion och värmeförluster. Friktion skapar främst tryckförluster i pannan vilket leder till att pumpen måste vara större i verkligheten än i det ideala fallet (Çengel & Boles 2011).
2.3.2 Rankinecykelns verkningsgrad
Den termiska verkningsgraden för Rankinecykeln beräknas med ekvationer enligt Çengel &
Boles (2011): nedan
𝜂𝑣ä𝑟𝑚𝑒 = 𝑊𝑛𝑒𝑡
𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎= 1 − 𝑞𝑜𝑢𝑡
𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎 (1)
11 där 𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎 är värmet som tillförs i pannan, 𝑞𝑜𝑢𝑡 är värmet som avges i kondensorn och 𝑊𝑛𝑒𝑡 är skillnaden i arbete mellan turbin och pump. Värmet som tillförs och avges beräknas som skillnader i entalpi (h) enligt ekvationer:
𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎 = ℎ3− ℎ2 (2) 𝑞𝑜𝑢𝑡 = ℎ4− ℎ1 (3).
Arbete i pump och turbin beräknas med hjälp av skillnad i entalpi (h) och isentropisk verkningsgrad (𝜂𝑠) enligt ekvationerna nedan. Om den isentropiska verkningsgraden inte beaktas erhålls arbetet för det ideala fallet.
𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏,𝑜𝑢𝑡 = 𝜂𝑠(ℎ3− ℎ4) (4) 𝑤𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑖𝑛= ℎ2−ℎ1
𝜂𝑠 (5).
Skillnad i arbete mellan turbin och pump beräknas med ekvation:
𝑊𝑛𝑒𝑡 = 𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎− 𝑞𝑢𝑡 = 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏,𝑜𝑢𝑡 − 𝑤𝑝𝑢𝑚𝑝,𝑖𝑛 (6).
Mekaniska effekten i turbinen beräknas med ekvation:
𝑊𝑚𝑒𝑘 = 𝑤𝑡𝑢𝑟𝑏,𝑜𝑢𝑡 ∙ 𝑚 (7) där m är massflödet som passerar genom turbinen.
Sundin (2008) visar två olika alternativ för att öka verkningsgraden hos Rankinecykeln. Ett alternativ är att öka medeltemperaturen vid vilken värmetillförsel sker och ett annat alternativ är att minska medeltemperaturen vid vilken värmebortförsel sker.
Om kondensortrycket sänks minskar temperaturen vid vilket värmebortförsel sker och därmed ökar verkningsgraden. Det leder dock till en lägre ångkvalité efter turbinen (det vill säga fukthalten ökar) vilket kan orsaka korrosionsskador på turbinbladen. Om trycket i pannan ökar höjs temperaturen vid vilken värmetillförsel sker, detta leder också till en lägre ångkvalité efter turbinen. Genom att överhetta ångan ökar ångkvalitén i turbinen. Det finns dock en gräns för hur mycket ångan kan överhettas på grund av materialbegränsningar (Sundin 2008). Ett annat sätt att öka verkningsgraden för systemet är att implementera en förvärmarkedja, vilket förklaras i nästa avsnitt.
2.3.3 Förvärmarkedja
I en förvärmarkedja implementeras så kallade matarvattenvärmare till systemet. De fungerar ungefär som en värmeväxlare där ångan avtappas från turbinen och dess värme överförs till kondensatet efter pumpen, även kallat matarvattnet. På så sätt ökar medeltemperaturen vid vilken värmetillförseln sker och det höjer systemets verkningsgrad. Utöver att öka cykelns verkningsgrad undviks även problem med korrosion i pannan eftersom det avluftar matarvattnet. Det finns två typer av matarvattenvärmare: öppen matarvattenvärmare där matarvatten och ånga blandas eller stängd matarvattenvärmare där flöden är separata. Det finns
12 även ångkraftverk som har implementerat en kombination av de två (Çengel & Boles 2011).
2.4 Ångturbinteknik
Den moderna ångturbinen utvecklades 1884 av Charles Parsons, vilket var en vidareutveckling på de Lavals turbindesign från 1870-talet. En ångturbin används för att omvandla termisk energi, till exempel från en ångpanna, till mekanisk rotationsrörelse. Detta sker genom att ånga expanderar över turbinbladen som sitter fast på hjul som i sin tur börjar rotera. Den mekaniska energin kan i sin tur användas för att driva en generator som producerar elektrisk energi (Alvarez 2006).
Det finns två huvudtyper av turbiner, impulsturbin och reaktionsturbin, där den sistnämnda är den vanligaste (Alvarez 2006). Skillnaden mellan de två presenteras nedan i Figur 7.
Figur 7. Skillnader mellan impulsturbin och reaktionsturbin 1.
I impulsturbinen (även kallad aktionsturbin) är munstycket fixerat och löpskovlarna sitter på ett roterande löphjul. När ånga förs ut ur munstycket och träffar löpskovlarna skapas en impuls vilket får löphjulet att rotera enligt Newtons andra lag. Löphjulet roterar i samma riktning som riktningen på utloppsångan från munstycket. I en impulsturbin expanderar ångan uteslutande i munstycket, där sänks även temperaturen och trycket på ångan. När löphjulet roterar kommer även turbinaxeln rotera vilket skapar ett mekaniskt arbete (Alvarez 2006).
I en reaktionsturbin sitter munstycket, där ångan har sitt utlopp, fast på det roterande löphjulet.
I löphjulet finns kanaler med löpskovlar och ledskenor. Ånga förs ut ur munstycket vilket skapar en reaktion som får hjulet att rotera. I en reaktionsturbin roterar löphjulet åt motsatt håll än riktningen på utloppsångan. I en reaktionsturbin skapas mekanisk rotationsrörelse på grund av trycket hos ångan enligt Newtons tredje lag (två kroppar påverkar alltid varandra med lika
1 Bild från Wikipedia. Bilden är beskuren.
Tillgänglig: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbines_impulse_v_reaction.png [2020-06-11]
13 motriktade krafter). Expansionen av ångan sker i löphjulets kanaler, vilket innebär att tryck och temperatur av ångan minskar i både löpskovlarna och ledskenorna (Alvarez 2006).
2.5 Värmepumpsteknik
En värmepump drivs av den så kallade ångkylningscykeln vilket är den omvända Rankinecykeln. En värmepump består av fyra komponenter: förångare, kompressor, kondensor och strypventil. I Figur 8 presenteras en schematisk figur över värmepumpens olika komponenter (Çengel & Boles 2011).
Processen börjar med att värme utvinns från värmekällan, till exempel en sjö eller uteluften, och överförs till arbetsmediet i förångaren. Arbetsmediet förångas vid lågt tryck och temperatur och därefter sugs arbetsmediet in i kompressorn. I kompressorn tillsätts externt arbete vilket komprimerar mediet, detta höjer trycket och temperaturen. Vidare fortsätter arbetsmediet in i kondensorn där det kondenserar till vätskeform och avger värme till värmesänkan.
Arbetsmediet fortsätter sedan via en strypventil där trycket sänks och likaså temperaturen, arbetsmediet övergår då till två-fas form av vatten och ånga. Arbetsmediet träder därefter in i förångaren igen där processen fortgår i en sluten cykel. Målet med en värmepump är att bibehålla en hög temperatur hos värmesänkan, som kan vara till exempel ett hus eller ett fjärrvärmenät (Çengel & Boles 2011).
Prestandan hos en värmepump mäts i COP (eng: coefficient of performance) och beräknas enligt ekvation:
Figur 8. Schematisk figur över värmepumpens olika komponenter (egen bild).
14
COP = qut
Win = qut
qut−qin (8)
där 𝑞𝑢𝑡 är värmet som avges i kondensorn, 𝑞𝑖𝑛 är värmet som tillförs i förångaren och 𝑤𝑖𝑛 är arbetet som tillförs kompressorn (Çengel & Boles 2011).
2.5.1 Förångare
Förångarens syfte är att verka som en värmeväxlare och överföra värme från värmekällan till värmepumpens arbetsmedium. I en förångare övergår arbetsmediet från vätska till ånga. Det finns olika typer av förångare, till exempel tubförångare och strilförångare (Granryd m.fl.
2011).
Tubförångare är utformade som cylindrar med inneslutande tuber där värmekällans medium flödar och värmer upp arbetsmediet som är i kontakt med cylindern. Tubförångare används vanligen i mellanstora till stora VP-anläggningar (Granryd m.fl. 2011).
Strilförångare består av paneler med tuber på baksidan där värmekällans medium flödar.
Arbetsmediet är i direkt kontakt med tuberna. Strilförångare används i stora VP-anläggningar och där temperaturerna på värmekällans medium är låga, till och med nära noll grader, eftersom det inte finns någon risk att arbetsmediet fryser i strilförångare (Granryd m.fl. 2011).
2.5.2 Kondensor
Syftet med en kondensor är att verka som en värmeväxlare och överföra värme från värmepumpens arbetsmedium till värmesänkan. Arbetsmediet övergår i kondensorn från ånga till vätskeform och avger samtidigt värme till sänkan. Det finns olika typer av kondensorer, till exempel plattvärmeväxlare eller tubvärmeväxlare (Anderberg 2018).
En tubvärmeväxlare är uppbyggd av parallella tuber som värmesänkans medium flödar genom.
Samtidigt leds värmepumpens arbetsmedium, som är i ångfas, tvärs över tuberna och kondenserar på tubernas ytterväggar. Tubvärmeväxlare är robusta och klarar höga tryck. En plattvärmeväxlare består av flera parallella plattor där värmesänkans medium och värmepumpens arbetsmedium, i ångfas, flödar genom plattorna i varannan kanal.
Plattvärmeväxlare kan anpassa flödet då plattor enkelt kan plockas bort (Anderberg 2018).
2.5.3 Kompressor
En kompressor fungerar ungefär som en pump och används för att driva runt köldmediet i värmepumpscykeln. För att köldmediet ska cirkulera behöver arbete tillsättas kompressorn.
Arbetsmediet komprimeras i kompressorn vilket i sin tur höjer tryck och temperatur.
Kompressorn möjliggör att värme från värmepumpens värmekälla kan överföras till värmesänkan. Det finns tre olika typer av kompressorer vilka är kolvkompressorer, radialkompressorer samt axialkompressorer (Alvarez 2006).
15
2.6 Investeringskalkylering
Det finns olika metoder inom investeringskalkylering. Två av de vanligaste är återbetalningsmetoden (eng: payback method) och nettonuvärdemetoden (eng: net present value) (Gallo 2014).
2.6.1 Återbetalningsmetoden
Återbetalningsmetoden används för att beräkna en investerings återbetalningstid. Det är en slags utsållningskalkyl som ger information om ytterligare kalkyler bör genomföras. Metoden används främst för att se om en investering är lönsam ur ett likviditetsperspektiv (Olsson 2011).
Återbetalningsmetoden beräknar tiden för att en investerings grundinvesteringskostnad betalas tillbaka utan räntediskonteringar. Diskontering betyder att ett framtida värde omräknas till dagens värde av pengarna med avseende på en viss räntesats. En investering anses vara lönsam om återbetalningstiden är inom den bestämda återbetalningstiden, vilket är den tiden som ägarna har råd att ligga ute med likvida medel. En investering är inte heller lönsam om återbetalningstiden överstiger investeringens livslängd. Återbetalningstiden kan beräknas enligt:
Å𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑡𝑎𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑡𝑖𝑑 = 𝐺
𝐼 (9)
där G är grundinvesteringskostnaden och I är de årliga inbetalningsöverskotten, det vill säga vinsten som fås per år till följd av att investeringen genomförs (Olsson 2011).
2.6.2 Nettonuvärdemetoden
Nettonuvärdemetoden används för att se om en investering är lönsam. Nuvärdet (NV) är värdet av pengarna som har genererats under investeringens livstid vid en given referenstidpunkt.
Referenstidpunkten sätts vanligtvis till tidpunkten för investeringen. Värdet av de genererade pengarna är diskonterat mot en given kalkylränta och referenstidpunkt. Nettonuvärdet (NNV) är skillnaden mellan nuvärdet och grundinvesteringens kostnad, G. (Gallo 2014, Olsson 2011).
Det är med andra ord en metod som används för att beräkna hur mycket investeringen genererar (i likvida medel) om det framtida värdet räknas om till dagens värde av pengarna.
Nuvärde och nettonuvärde beräknas med följande ekvationer, enligt Gallo (2014):
𝑁𝑉 = ∑ 𝐾𝑎𝑠𝑠𝑎𝑓𝑙ö𝑑𝑒
(1+𝑖)^𝑇
𝑁𝑇=0 (10)
𝑁𝑁𝑉 = 𝑁𝑉 − 𝐺 (11)
där kassaflödet är de pengar som genererats under investeringens ekonomiska livslängd, N, (positivt eller negativt). T är tiden då kassaflödet sker och kalkylräntan, i, är olika från fall till fall och bestäms av företaget.
2.7 Elpris
Elkostnaden består av tre delar: elhandelskostnad, elnätskostnad samt energiskatt på el (Energimarknadsbyrån 2020). Det är elhandelskostnaden samt energiskatten på el som utgör de största kostnadsposterna för elektricitet.
16 Elhandelskostnaden består av spotpriset av elektricitet samt andra kostnadspåslag som elcertifikatavgift eller årsavgift, för privatkunder tillkommer även moms (Energimarknadsbyrån 2020). Spotpriset bestäms genom daglig handel på en elbörs. Priset varierar och baseras på utbud och efterfrågan där producenter och elhandlare lämnar sälj- och köpbud på förmiddagen dagen innan leverans. Nordpool beräknar därefter timvisa priser för elektriciteten inför nästkommande dag (Energimarknadsinspektionen 2014).
Elnätskostnaden betalas till ett elnätsföretag och består av en fast och en rörlig del:
abonnemangsavgift samt överföringsavgift. Elnätsavgiften ska täcka kostnader för drift och underhåll av elledningar samt överföring av elektricitet till anläggningen.
Abonnemangsavgiften beror på hur stor huvudsäkringen i anläggningen är och baseras på hur mycket effekt som planeras att tas ut vid högsta belastning på elnätet (Energimarknadsbyrån 2020).
I Sverige finns även en energiskatt som innefattar dels bränslen till uppvärmning samt elektrisk kraft, all elanvändning i Sverige är skattepliktig. Aktörer betalar energiskatt på el då överföring av el eller produktion av el sker men det är elnätsbolaget som fakturerar sina kunder för elskatten (Skatteverket u.å). Energiskatten på el ligger från och med 1 januari 2020 på 353 kr/MWh exklusive moms (Skatteverket 2020).
17
3 Systemstudie
I detta avsnitt beskrivs hur den eldrivna VP-anläggningen samt spillvattenkanalen i Solnaverket är uppbyggd i dagsläget. Dessutom presenteras ett förslag på en teknisk design för hur en ångdriven VP-anläggning kan implementeras i Solnaverket, det vill säga hur två av värmepumparna i den nuvarande anläggningen kan omvandlas från eldrift till mekanisk ångdrift. Utöver det beskrivs även de ytor som finns att tillgå i nuvarande anläggning.
Förslaget på den tekniska designen som presenteras i avsnitt 3.3 har tagits fram under diskussion med Norrenergi och Siemens som har expertis inom området. Detta är ett av huvudmålen med examensarbetet och avsnitt 3.3 bör därmed ses som ett resultat där den första frågeställningen besvaras.
3.1 Eldriven VP-anläggning
Den nuvarande VP-anläggningen hos Norrenergi i Solna består av fyra eldrivna värmepumpar (VP1–4) som har en värmekapacitet på 25 MW vardera som de kan leverera till fjärrvärmenätet.
Figur 9 är en schematisk bild över värmepumpssystemet i Solnaverket i dagsläget.
Beteckningen K står för kompressor vilka alla drivs av varsin elmotor (M) via växellådor.
Beteckningen VP-K står för värmepumpskondensator medan FÅ står för förångare.
Respektive värmepump använder spillvatten från Bromma reningsverk som värmekälla. VP1 och 2 har tubförångare medan VP3 och 4 har strilförångare som är kopplade till spillvattenkanalen. Värmesänkan för respektive värmepump är fjärrvärmenätet som tubkondensorerna är anslutna till.
Figur 9. Flödesbild över eldriven VP-anläggning.
18
3.2 Spillvattenkanal
I dagsläget används spillvatten från Bromma reningsverk som värmekälla. Det renade spillvattnet pumpas från Bromma reningsverk genom en tunnel på cirka 7 km till VP- anläggningen i Solna. Inkommande spillvatten har en temperatur mellan 11–17 °C, det träder in i spillvattenkanalen och går genom varje värmepumpsförångare. Spillvattnet går först genom tubförångarna i VP1 och 2 och sist genom strilförångarna i VP3 och 4, det betyder att inkommande spillvattentemperatur är lägre i VP3 och 4 än i VP1 och 2. Efteråt leds spillvattnet ut ur kanalen och via en cirka 7 km lång tunnel leds det till Saltsjön där det släpps ut.
3.3 Föreslagen systemdesign för ångdriven VP-anläggning
I föreslagen teknisk systemlösning är det VP3 och 4 som omvandlas från eldrift till ångdrift.
VP1 och 2 fortsätter att vara eldrivna och används när VP3 och 4 inte kan möta värmeeffektbehovet på fjärrvärmenätet. En anledning till att VP3 och 4 valts är att de har strilförångare och kan därmed ta emot inkommande spillvatten vid en lägre temperatur samt leverera effekt vid lägre temperaturer än vad VP1 och VP2 kan (som har tubförångare); de kan därmed användas under en större del av året. Strilförångare används dessutom vanligen för större anläggningar, det ångdrivna värmepumpssystemet kan producera mer värmeeffekt än två eldrivna värmepumpar bland annat på grund av det extra värmet som kan tillgodogöras i ångturbinernas kondensorer. Det tekniska designförslaget över den ångdrivna VP- anläggningen, som består av två ångcykler och två värmepumpar, presenteras i Figur 10.
Figuren är en teoretisk bild och bör inte ses som slutlig lösning.
Värmekällan för värmepumparna kommer, på samma sätt som i den tidigare eldrivna VP- anläggningen, vara spillvatten från Bromma reningsverk och värmesänkan kommer vara
Figur 10. Flödesfigur över ångdriven VP-anläggning med ångcykler och värmepumpar.
19 fjärrvärmenätet. Värmepumparna består av två kompressorer (K), två strilförångare (FÅ) samt två värmepumpskondensorer (VP-K). Ångcyklerna består av två ångturbiner (ÅT), två ångturbinkondensorer (ÅT-K), pumpar och en ångpanna. Ångcykeln innefattar även en förvärmarkedja med matarvattentank (MAVA-tank). Ånga tappas av i två steg i turbinen och ångflödet går till förvärmarkedjan där det förvärmer kondensaten innan det träder in i ångpannan igen. Detta bidrar till en högre systemverkningsgrad för anläggningen eftersom det krävs en mindre mängd tillfört bränsle. Utöver detta finns två utlopp för respektive turbin där ångan förs vidare till ångturbinkondensorerna. Trycket sjunker drastiskt mellan avtappning 1 och sista utloppet samtidigt som mekaniskt arbete uträttas enligt ekvation (7). Ångturbinerna är kopplade till värmepumparnas kompressorer (K) som därmed drivs av det mekaniska arbetet.
Prestandan för den ångdrivna VP-anläggningen kommer att begränsas av kapaciteten i värmepumparnas kompressorer. Det beror på att nuvarande impellrar har ett maximalt volymflöde som de klarar av och kompressorerna klarar därmed inte av hur stort mekaniskt arbete som helst. Att installera nya kompressorer är en omfattande installation som inte är aktuellt för Norrenergi i nuläget.
3.3.1 Kondensorer
Ångturbinernas kondensorer samt värmepumpskondensorerna (ÅT-K samt ÅVP-K) är i föreslagen teknisk design kopplade till fjärrvärmenätet i serie.Anledningen till detta är att det medför till ett högre COP för värmepumparna.
Vid seriekoppling blir temperaturintervallet som värmepumparna arbetar mellan inte lika stort eftersom ÅT-kondensorerna höjer temperaturen till önskad framledningstemperatur i sista steget, se Figur 11.
Figur 11. Seriekoppling av VP-kondensorer och ÅT-kondensorer mot fjärrvärmenätet.
Vid parallellkoppling går en liten andel av fjärrvärmereturens massflöde direkt till ÅT- kondensorerna och resterande massflöde till VP-kondensorerna, därmed måste även VP- kondensorerna höja temperaturen till önskat framledningstemperatur som i sin tur leder till
20 försämrat COP. Se Figur 12. På grund av dessa ovannämnda argument har en seriekoppling av kondensorerna valts i föreslagen teknisk design.
Figur 12. Parallellkoppling av VP-kondensorer och ÅT-kondensorer mot fjärrvärmenätet.
3.3.2 Ledigt utrymme
VP3 och 4 står bredvid varandra i nuvarande VP-anläggning i Solnaverket. Förångare och kondensor för respektive VP tar upp cirka 116 kvm tillsammans medan elmotor och kompressor tar upp ungefär 17 kvm. Totalt finns det ungefär 119 kvm ledigt utrymme bredvid VP4 samt 125 kvm ledigt utrymme bredvid VP3 i anläggningen. Dock är dessa lediga utrymmen uppdelade i mindre sektioner och går inte att tillgodose som en sammanhängande yta. Det finns fyra sammanhängande utrymmen att nyttja bredvid respektive VP3 och 4 för en implementation av ångturbiner.
Vid VP4 är de lediga sammanhängande ytorna cirka 71 kvm, 23 kvm, 19 kvm samt 4,5 kvm och vid VP3 är de 7,5 kvm, 23 kvm, 28 kvm samt 65,5 kvm. På utsidan av anläggningen närmast VP4 finns även ett utrymme på cirka 55 kvm som skulle kunna användas ifall väggen rivs och anläggningen byggs ut. På detta utrymme finns dock en dörr som bör tas hänsyn till om denna yta skulle användas.
Enligt Siemens är ovan nämda ytor tillräckliga för att placera en turbin vid respektive VP.
Ångpannan kommer att placeras i en annan anläggning i närheten och rördragningen kommer i sådant fall att dras mellan anläggningarna.
21
4 Modell- och beräkningar
I detta avsnitt förklaras metodiken kring Modell- och beräkningsfasen inklusive hur programmet Martes fungerar. Figur 13 är en schematisk överblick över tillvägagångssättet under fasen Modell- och beräkningar. Relevant data som används i den tekniska modellen, simuleringsprogrammet Martes samt för investeringskalkylen kommer också att presenteras i detta avsnitt.
Figur 13. Överblick av metodiken under fasen Modell-och beräkningar.
4.1 Driftfall & teknisk modell
Steg 1 i Modell- och beräkningsfasen var att ta fram åtta driftfall som representerar Norrenergis typiska fjärrvärmeproduktion, i den eldrivna VP-anläggningen, under ett år. Driftfallen innefattar medelvärmeeffekter och medeltemperaturer enligt Tabell 2.
Tabell 2. Driftfall över Norrenergis typiska fjärrvärmeproduktion i eldriven VP-anläggning.
Driftfall Medelvärmeeffekt (MW)
𝑻𝒇𝒓𝒂𝒎𝒍𝒆𝒅𝒏𝒊𝒏𝒈
[°C]
𝑻𝒓𝒆𝒕𝒖𝒓 [°C] 𝑻𝒔𝒑𝒊𝒍𝒍𝒗𝒂𝒕𝒕𝒆𝒏 𝒊𝒏
[°C]
1 97,9 68,5 41,2 11,0
2 93,6 68,0 41,8 11,7
3 88,5 71,6 42,6 14,8
4 83,5 69,5 42,6 16,9
5 78,0 69,8 42,7 17,3
6 62,1 73,3 40,9 16,7
7 42,8 72,0 41,5 16,8
8 30,0 68,6 44,7 15,6
Driftfallen bestämdes genom att analysera interna data över vilka värmeeffektintervall som förekommit under mest antal i timmar i den eldrivna VP-anläggningen under år 2019. Efter analys erhölls åtta driftfall mellan cirka 30 – 100 MW i värmeeffekt. Även medelvärden för framledningstemperaturer, returtemperaturer och temperaturer på inkommande spillvatten togs fram för respektive driftfall med hjälp av interna data.
I steg 2 skapades en teknisk modell över den ångdrivna VP-anläggningen i Excel vilken utgick från flödesbilden i Figur 10. I den tekniska modellen sattes energi – och massbalansen upp
22 mellan varje komponent, det vill säga entalpi och massflöde mellan komponenterna i ångcykeln och mellan kondensorerna på fjärrvärmenätet. Den indata som användes i den tekniska modellen var dels driftfallen, dels uppskattat tryck på 115 bar och temperatur på 520 grader Celsius för ångpannan. Dessa uppskattade värden för tryck och temperatur för ångpannan erhölls av Siemens. Utöver detta användes uppskattade värden på COP för alla driftfall vilka var 3,7 för VP3 och 3,5 för VP4, dessa baserades på interna data för den eldrivna VP- anläggningen.
Syftet med den tekniska modellen var att göra termodynamiska beräkningar över bland annat avtappnings- och utloppstryck och ångflöden i turbinerna, givet ett visst värmeeffektbehov på fjärrvärmenätet. Detta för att Siemens skulle kunna analysera vilken typ av turbin som passar detta ångdrivna VP-system. Andra termodynamiska beräkningar som genomfördes i modellen var att beräkna avgiven värme till kondensorer, turbineffekt, pumpeffekt samt bränsletillförsel till pannan med hjälp av ekvation (2)-(5).
I steg 3 skickades utdata från modellen till Siemens som därefter kunde beräkna fram den maximala värmekapaciteten som den ångdrivna VP-anläggningen kan leverera till fjärrvärmenätet, vilken hamnade på 78,8 MW. Den maximala värmekapaciteten begränsas av värmepumparnas kompressorer (Se avsnitt 3.3).
Siemens gjorde även beräkningar på COP för en ångdriven anläggning för driftfall 1-5 och 8.
COP för driftfall 6-7 räknades fram som en linjär approximation mellan Driftfall 1 och 8. COP för den ångdrivna anläggningen presenteras i Tabell 3.
Tabell 3. COP för ångdriven VP-anläggning i respektive driftfall.
Driftfall COP VP3 COP VP4
1–5 3,36 3,42
6 3,49 3,60
7 3,64 3,83
8 3,80 4,07
I nästa steg uppdaterades driftfallen där de driftfall vars medeleffekt översteg den maximala kapaciteten sattes till 78,8 MW och medeleffekten för resterande driftfall räknades om, se Tabell 4. I och med den nya informationen kunde den tekniska modellen uppdateras och ny specifikare utdata erhölls, däribland systemverkningsgraden. Systemverkningsgrad för anläggningen beräknas i modellen med ekvation:
𝜂𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 = 𝑞𝑢𝑡
𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎 (12)
där 𝑞𝑢𝑡 är värmet som avges till fjärrvärmenätet, det vill säga den värmeeffekt som anläggningen producerar, och 𝑞𝑖𝑛,𝑝𝑎𝑛𝑛𝑎 är värmet som tillförs till ångpannan.
Systemverkningsgraden beskriver hur mycket värmeeffekt som systemet kan leverera till fjärrvärmenätet givet en viss mängd tillfört bränsle (MW) till pannan, i detta fall pellets. För simuleringen i Martes användes den energiviktade systemverkningsgraden vilket beräknas genom att ta produktsumman av systemverkningsgrad samt energianvändning i respektive
