Energieffektivisering av falsvärmesystem i vattenkraftverk

Energieffektivisering av falsvärmesystem i vattenkraftverk

Hanna Bäck

Civilingenjör, Hållbar energiteknik 2021

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

Förord

Följande arbete är ett examensarbete på civilingenjörsnivå för programmet Hållbar Energiteknik med inriktning energieffektivisering vid Luleå tekniska universitet. Examensarbetet genomfördes under våren 2021 på uppdrag av Skellefteå Kraft och omfattar 30 högskolepoäng.

Jag vill rikta ett stort tack till min handledare på Skellefteå Kraft, Tobias Bergquist, för ditt engage- mang i projektet. Jag vill också rikta ett stort tack till Oskar Lundström som varit ovärderlig hjälp vid effektmätningarna och utöver det även varit engagerad i mitt arbete. Även Skellefteå Krafts driftpersonal ska ha ett stort tack för deras engagemang vid alla våra studiebesök och för att de svarat på alla mina frågor, hur dumma eller jobbiga de än må ha varit. Detsamma gäller flertalet personer på kontoret som fått ta emot många frågor, både via mail och telefonsamtal.

Jag vill även tacka min handledare och examinator vid universitetet, Erik Elfgren, för att du hjälpt till att spåna idéer och hjälpt mig komma framåt när jag kört fast.

Hanna Bäck, 22 juni 2021

Sökord: Falsvärme, utskovsluckor, isfrihållning, energieffektivisering, vattenkraftverk

Sammanfattning

För att undvika att dammluckor vid vattenkraftverk fryser fast under vintern är det vanligt med värme kring luckorna där uppvärmningen sköts av ett falsvärmesystem. Falsvärmesystemen saknar energimät- ning men har med sin relativt höga installerade effekt antagits ha en betydande inverkan på den interna energianvändningen. I detta examensarbete är syftet att kartlägga och föreslå energieffektiviseringsåt- gärder för driften av falsvärmesystem tillhörande några av Skellefteå Krafts vattenkraftverk.

Två olika typer av falsvärmesystem har undersökts, ett system med cirkulerande vätska som värms av elpannor och ett system med ingjutna motståndselement i form av kopparskenor som värms av transfor- matorer. Det första systemet regleras automatiskt beroende på inställd systemtemperatur och värmeför- luster till omgivningen. Det andra systemet kan bara vara av- eller påslaget och regleras inte dynamiskt.

Effekt- och temperaturmätningar har genomförts på falsvärmesystem med cirkulerande vätska i tre vat- tenkraftverk och totalt fem dammluckor, där mätningarna för varje vattenkraftverk pågick i ungefär 2–3 veckor. Genom dataanalys och linjär approximation har sedan den årliga energianvändningen och driftkostnaden för varje system beräknats. Teoretiska beräkningar har också genomförts för falsvärme- system med cirkulerande vätska för att hitta de variabler som påverkar systemets värmeförluster mest samt för att kunna uppskatta förändringen i energianvändning vid sänkt systemtemperatur. Resultaten visade att vattnets och luftens flödeshastighet längs falsen påverkar värmeförlusterna mest och en sänkt systemtemperatur från 25 till 15^◦C skulle kunna minska energianvändningen för systemet med ungefär 40%.

Utöver detta har falsvärmesystemens styrning och övervakning undersökts genom dataanalys av mät- ningarna samt genom diskussioner med kunnig personal inom området. Möjliga alternativa tekniker till elpannan har också undersökts. De tekniker som studerats i mer detalj är luft-vattenvärmepump, sol- fångare samt restvärme från vattenkraftverket. De har främst undersökts genom litteraturstudier och en multikriterieanalys som visade störst potential hos restvärmen och minst potential hos solfångarna.

Efter multikriterieanalysen genomfördes vidare undersökningar av luft-vattenvärmepump och restvärme som också jämfördes ekonomiskt med elpannan genom beräkning av nettonuvärde samt genom käns- lighetsanalys. Inom en period på 20 år är en luft-vattenvärmepump det bästa alternativet så länge investeringskostnaden kan hållas runt max 100 000 SEK. Lönsamheten hos ett system med restvärme är mest beroende av investeringskostnaden vilket måste utvärderas separat för varje vattenkraftverk.

Energianvändningen för falsvärmesystem med cirkulerande vätska över en vinterperiod ligger mellan 32 och 37 MWh för de system som uppvisat normal drift. Detta motsvarar en kostnad på ungefär 11 000 till 13 000 SEK vid ett elpris på 350 SEK/MWh. I det vattenkraftverk där ingjutna motståndselement används var den årliga energianvändningen per lucka 77 MWh om alla kopparskenor var i drift och 16 MWh per lucka om enbart kopparskenorna längs luckans kanter var i drift. Motsvarande kostnad blir 27 000 SEK respektive 5 700 SEK. Vid jämförelse mellan de två olika systemtyperna är kopparskenorna ett mer robust system med lägre energianvändning om det till största del räcker att värma skenorna längs luckans kanter. Däremot kan elpannorna i systemen med cirkulerande vätska ersättas med mer energisnåla alternativ och systemet kan styras och regleras bättre efter omgivningens förutsättningar.

Sammantaget från de mätningar och den dataanalys som genomförts kan det konstateras att det finns god förbättringspotential gällande energieffektivisering av falsvärmesystem. Möjliga energibesparingsåt- gärder inkluderar att byta elpannorna mot mer energisnåla alternativ så som luft-vattenvärmepump eller restvärme, förbättrad styrning av falsvärmen, sänkt systemtemperatur samt bättre kontroll av driften för falsvärmen med ingjutna motståndselement.

Abstract

To avoid frozen gates in the dams located in hydropower plants during winter, it is common to have a heating system around the gate where the heating is managed by a flange heating system. The energy use of the flange heating systems is not monitored but the systems have been assumed to be significant internal energy users due to the relatively high installed power. In this master thesis the purpose has been to map and make the operation of the flange heating system more effective in a few of Skellefteå Krafts hydropower plants.

Two different types of flange heating systems have been investigated, one system with circulating fluid heated by electric boilers and one system with resistive copper plates heated by transformers. The first system is automatically regulated depending on the system temperature that has been set and the heat losses in the system. The second system can only be on or off and is not dynamically regulated.

Measurements of power and temperature have been performed on flange heating systems with circulating fluid in three different hydropower plants and a total of five gates, where the measurements were in progress during 2–3 weeks for each power plant. Yearly requirements for the energy and the operation costs have been calculated through analysis of the gathered data and linear approximations. Theoretical calculations were also performed for a flange heating system with circulating fluid to locate the variables that affect the system heat losses the most and to estimate the change in energy use when the system temperature is lowered. The results showed that the flow of water and air along the flange affects the heat losses the most and if the system temperature is lowered from 25 to 15^◦C the energy use for the system could be reduced by about 40%.

Monitoring and control of the flange heating system has also been investigated. Both through analysis of gathered data and through interviews with employees with that area of expertise. Possible replacements for the electric boilers have also been investigated. The techniques studied in more detail were an air- water heat pump, residual heat from the hydropower plant and solar collectors. A literature study and a multi-criteria analysis showed most potential for residual heat and least potential for solar collectors.

Further investigations were made for the air-water heat pump and residual heat. Both solutions were also compared economically to the electric boiler by calculating the net present value for each solution and performing a sensitivity analysis of the economic calculations. Within a period of 20 years, the air-water heat pump is the best solution, as long as the investment cost is at a maximum of about 100 000 SEK.

The profitability of a system with residual heat is mostly depending on the investment cost, which must be evaluated for each hydropower plant separately.

The energy use for a flange heating system with circulating fluid during a winter period is between 32 and 37 MWh for the systems that have been operating normally. This translates to an operation cost of 11 000 to 13 000 SEK per gate with an electricity price of 350 SEK/MWh. In the hydropower plant where resistive copper plates are used for flange heating the energy use during a winter period is about 77 MWh for one gate if all copper plates are in operation and 16 MWh for one gate if only the copper plates around the edge of the gate are used. The corresponding costs for operation are 27 000 SEK and 5 700 SEK respectively. When comparing the two different flange heating types, the system with resistive copper plates is more robust and has a lower energy use if it is sufficient with only heat along the edges of the gate most of the time. In the systems with circulating fluid however, the electric boilers can be replaced by other, more energy-efficient alternatives, and the system can be controlled and regulated.

In conclusion from the measurements and analysis that has been made, there is potential for more energy-efficient flange heating systems. Possible energy savings include changing from electric boilers to more energy-efficient solutions such as air-water heat pumps or residual heat, better control of the flange heating systems, lowered system temperature and more control of operation of the systems with resistive copper plates.

Innehåll

1 Inledning 1

1.1 Bakgrund . . . 1

1.2 Tidigare arbeten . . . 1

1.3 Syfte och mål . . . 2

1.4 Avgränsningar . . . 2

2 Teori 4 2.1 Vattenkraft . . . 4

2.1.1 Utskovsluckor . . . 4

2.1.2 Uppvärmning och isfrihållning av utskovsluckor . . . 6

2.1.3 Falsvärme . . . 7

2.2 Värmesystem . . . 8

2.2.1 Elpanna . . . 8

2.2.2 Värmepump . . . 9

2.2.3 Solfångare . . . 10

2.2.4 Restvärme . . . 10

2.2.5 Transformator . . . 10

2.3 Värmeöverföring . . . 11

2.4 Ellära . . . 13

2.5 Multikriterieanalys . . . 14

2.6 Ekonomi – Nettonuvärde . . . 15

3 Vattenkraftverken som undersökts 16 3.1 Selsfors vattenkraftverk . . . 17

3.2 Finnfors vattenkraftverk . . . 17

3.3 Båtfors vattenkraftverk . . . 18

3.4 Grytfors vattenkraftverk . . . 18

3.5 Andra vattenkraftverk i Skellefteå Krafts ägo . . . 19

3.6 Restvärme i Skellefteå Krafts vattenkraftverk . . . 20

4 Metod 21 4.1 Mätningar . . . 21

4.2 Mätutrustning . . . 23

4.3 Falsvärmeberäkningar . . . 23

4.4 Dataanalys . . . 27

4.5 Värmesystem . . . 29

4.6 Ekonomi . . . 30

5 Resultat 32 5.1 Mätningar . . . 32

5.1.1 Selsfors vattenkraftverk . . . 32

5.1.2 Finnfors vattenkraftverk . . . 33

5.1.3 Båtfors vattenkraftverk . . . 35

5.1.4 Grytfors vattenkraftverk . . . 37

5.2 Falsvärmeberäkningar . . . 38

5.3 Jämförelse mellan olika falsvärmesystem . . . 40

5.4 Styrning och övervakning . . . 42

5.5 Värmesystem . . . 43

5.5.1 Multikriterieanalys . . . 43

5.5.2 Luft-vattenvärmepump . . . 44

5.5.3 Restvärme från vattenkraftverket . . . 44

5.5.4 Ekonomi . . . 45

6 Diskussion 47 6.1 Mätningar och dataanalys . . . 47

6.2 Falsvärmeberäkningar . . . 49

6.3 Värmesystem . . . 50

6.4 Hållbarhet . . . 51

6.5 Övrigt . . . 51

7 Slutsatser och rekommendationer 53 7.1 Rekommendationer . . . 53

7.2 Fortsatt arbete . . . 54

Referenser 56

Bilagor 57

Beteckningar

Symbol Storhet [Enhet]

N Antal kriterium i Antal tidsperioder

W Arbete [J]

A Area [m²]

ρ Densitet [kg/m³]

µ Dynamisk viskositet [kg/m,s]

P Effekt [W]

cosϕ Effektfaktor

ε Emissivitet

u Hastighet [m/s]

r Kalkylränta [%]

ν Kinematisk viskositet [m²/s]

c Kriterium

L Längd [m]

C_t Nettokassaflöde [SEK]

N N V Nettonuvärde [SEK]

N u Nusselt-tal

p Poäng

P r Prandtl-tal

Q^∗ Reaktiv effekt [VAr]

R Resistans [Ω]

Re Reynolds tal

S Skenbar effekt [VA]

U Spänning [V]

σ Stefan Boltzmanns konstant [W/m²,K⁴]

I Ström [A]

T Temperatur [^◦C]

∆T Temperaturdifferens [^◦C]

Rt Termisk resistans [m²K/W]

t Tidsperiod [år]

w Viktning [%]

Q Värme [J]

Q˙ Värmeeffekt [W]

COP Värmefaktor (coefficient of performance)

k Värmeledningsförmåga [W/m,K]

h Värmeövergångstal [W/m²,K]

1 Inledning

I mars 2016 gav regeringen beskedet om att Sverige ska ha ett 100% förnybart elsystem inom 20 år. Med en utfasning av kärnkraften kommer en stor del av basproduktionen försvinna ur systemet samtidigt som en större andel icke planerbar elproduktion kommer öka behovet av flexibilitet. Eftersom vattenkraften, tillsammans med kärnkraften, står för en stor andel av Sveriges elproduktion idag kommer utvecklingen av vattenkraften att spela en viktig roll för framtidens elförsörjning. Både som baskraft men också som reglerstyrka när den väderberoende produktionen inte kan tillgodose behovet. (Molin m. fl., 2016) Ytterligare ett mål som Sverige har är att inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser år 2045. En del i det arbetet är resurseffektivitet, där både fossila och fossilfria resurser måste användas så effektivt som möjligt, exempelvis genom optimerade processer. (Naturvårdsverket, 2019) Enligt Energimyndighe- tens bedömning finns potential för en ökning av elproduktion från vattenkraft genom energioptimering på befintliga vattenkraftverk. Inom elcertifikatsystemet har en produktionsökning för vattenkraften på 0,4 TWh redovisats mellan 2003 och 2014 till följd av energieffektiviseringsåtgärder. (Energimyndigheten, 2014b)

1.1 Bakgrund

Skellefteå Kraft är den femte största kraftproducenten i Sverige och producerar el till elnätet vid 28 vattenkraftverk som främst är lokaliserade runt om Skellefteå. Total installerad effekt hos alla Skellefteå Krafts vattenkraftverk ligger på ungefär 670 MW. Enligt Energiöverenskommelsen från 2016 betonas det att utbyggnad inom vattenkraften främst ska ske genom effektutbyggnad i befintliga kraftverk och effekten från den svenska vattenkraften kan höjas med upp emot 20%, utan att ta nya älvar eller fallhöjder i anspråk. (Skellefteå Kraft, u. å) En del i Skellefteå Krafts effektutbyggnad av vattenkraften är intern energieffektivisering. En outforskad och signifikant del av kraftverkets interna elanvändning där potential för energieffektivisering uppmärksammats är uppvärmningen i och omkring utskovsluckorna i dammen vintertid. Utskovluckornas uppbyggnad och funktion beskrivs i mer detalj i avsnitt 2.1.1.

De flesta svenska vattenkraftverk har idag värme kring utskovsluckorna för att undvika att dessa ska frysa fast eller skadas av isen under vintern. Det är viktigt att luckorna kan manövreras även vintertid för att möjliggöra avbördning av vatten om nivån i magasinet blir för hög. Värmesystemet kallas för falsvärme, vilket innefattar värme i falsarna längs luckornas sidor och oftast även värme i tröskeln i luckans under- kant. Det är en kritisk funktion för vattenkraftverkets drift, men representerar också en signifikant del av kraftverkets egen energianvändning vilket uppdagats vid Skellefteå Krafts interna energikartläggningar.

Falsvärmesystemen övervakas i dagsläget inte i någon större utsträckning och styrningen kan därmed skilja sig åt mellan olika vattenkraftverk. En övergripande dålig övervakning tillsammans med den höga energianvändningen gör falsvärmesystemen till ett intressant ämne för intern energieffektivisering av Skellefteå Krafts vattenkraftverk.

1.2 Tidigare arbeten

Begränsat med litteratur om energieffektivisering av falsvärmesystem medför att information främst tagits från driftpersonal och annan kunnig personal på företaget inom berörda ämnen. I andra hand har tidigare liknande examensarbeten och interna energikartläggningar använts som referens till arbetet.

Några examensarbeten på andra energibolag som äger och driver vattenkraftverk i Sverige har skrivits där ämnet adresserats. Energieffektivisering av falsvärmen har även tagits upp som en åtgärdspunkt i flertalet interna energikartläggningar av Skellefteå Krafts vattenkraftverk. Här följer några intressanta arbeten som legat till grund för följande rapport.

I Sandqvist och Öhrvalls examensarbete utfört åt Vattenfall AB har isfrihållningssystemen på några av Vattenfalls vattenkraftverk undersökts för metod- och energioptimering. Ett av isfrihållningssystemen som adresseras i rapporten är falsvärmen i utskovsluckorna, även om fokus ligger på andra system.

Resultaten från rapporten visar att falsvärmesystemen utgör en signifikant del av installerad effekt för isfrihållning. I Vittjärvs vattenkraftverk uppgår falsvärmen till 37% av den installerade effekten för isfrihållning, vilket motsvarar ungefär 150 kW för alla sju utskovsluckor. Den totala årsanvändningen av energi för isfrihållning uppgick under 2004 till 1,28 GWh, vilket motsvarar ungefär 513 000 SEK. I Stornorrfors vattenkraftverk uppgår falsvärmesystemen till 44% av total installerad effekt för isfrihållning, vilket även där motsvarar ungefär 150 kW installerad effekt för kraftstationens tre utskovsluckor. Under

2004 uppgick energianvändingen för isfrihållningen av utskovsluckorna i den anläggningen till 0,95 GWh, vilket motsvarar ungefär 380 000 SEK. (Sandqvist och Öhrvall, 2006) Arbetet visar på att isfrihållningen kräver mycket energi och att falsvärmesystemen står för en stor del av den installerade effekten för isfrihållning av utskovsluckor.

Ett annat examensarbete utfördes 2013 av Sundberg åt Statkraft Sverige AB där energiförluster relaterat till uppvärmning av utskovslucka 2 vid Bjurfors nedre vattenkraftverk undersöktes. Arbetet syftade till att utreda värmesystemet i utskovsluckan och dess värmeförluster för att kunna ge åtgärdsförslag för minskad energianvändning. Falsvärmesystemet som undersöks har ingjutna rör i falsarna och tröskeln runtom luckan där en uppvärmd vatten-glykolblandning cirkuleras. Systemet värms av en elpanna med en maxeffekt på 26 kW och framledningstemperaturen i kretsen baseras på en styrkurva. I examensarbetet genomfördes mätningar för att kunna analysera effektförbrukningen och temperaturerna i falsvärmesy- stemet. En effektmätare registrerade elpannans effektförbrukning och temperaturmätaren registrerade både fram- och returledningstemperatur i systemet samt rådande utomhustemperatur. Mätningarna vi- sade på att effektförbrukningen ökade med stigande utomhustemperatur i motsägelse till det förväntade resultatet på en sjunkande effekt med stigande utomhustemperatur. Rekommendationerna i rapporten belyser att en mer detaljerad utredning av falsvärme är den viktigaste punkten för att möjliggöra vidare optimering och energieffektivisering av isfrihållningen. (Sundberg, 2013)

Interna energikartläggningar genomförda vid Skellefteå Krafts vattenkraftverk visar flertalet gånger på falsvärmesystemen som en punkt för fortsatt utredning och en potentiell väg till sänkt intern energian- vändning. På några anläggningar har det påvisats att drifttemperaturen varit högre än vad den troligtvis behöver vara. På andra anläggningar har isoleringen vid falsvärmesystemen varit för dålig. Kartläggning- arna har även belyst att regleringen av falsvärmesystemen kan skilja sig internt mellan olika utskovsluckor i samma damm, men att det är något som måste utredas vidare för att kunna säkerställa. Möjlighet till uppkoppling av falsvärmen mot system för värmeåtervinning från generatorer och transformatorer i vattenkraftverken adresseras. Det är dock ingenting som utretts i någon större utsträckning eftersom kunskapen om falsvärmesystemens energianvändning är för dålig.

1.3 Syfte och mål

Syftet med projektet är att kartlägga och effektivisera driften av falsvärmesystemen i några av Skellefteå Krafts vattenkraftverk, utan att ta några signifikanta risker för systemet. Målet är att presentera ett underlag som Skellefteå Kraft kan använda sig av för fortsatt arbete med energieffektivisering av deras vattenkraftverk.

För att uppfylla målet med arbetet har ett antal delmål satts upp, vilka innefattar att:

• Kartlägga energianvändningen hos falsvärmesystemen i några av Skellefteå Krafts vattenkraftverk.

• Hitta möjliga energibesparingar kopplat till falsvärmen.

• Se över möjligheten att nyttja spillenergi från vattenkraftverket för uppvärmning av falsvärmesy- stemet.

• Utveckla en metod för att kunna fortsätta arbetet med att utvärdera energieffektivisering av falsvär- mesystemen på flera av Skellefteå Krafts vattenkraftverk.

• Undersöka styrning och övervakning av falsvärmesystemen och framföra eventuella förbättringsför- slag.

Rekommendationerna som framförs gällande energieffektivisering av falsvärmesystemen ska vara tekniskt och ekonomiskt motiverade.

1.4 Avgränsningar

Det finns flera olika sätt att handskas med isfrihållning och frysning runt utskovsluckor. Enbart falsvärme är inte tillräckligt för att hålla utskovsluckorna isfria och säkra för vinterdrift. System som kompletterar falsvärmen krävs och även dessa system kräver energi för att drivas. I följande arbete ligger fokus enbart på falsvärmen i utskovsluckor som är ämnade för vinterdrift. Falsvärmesystem på fyra av Skellefteå

Krafts vattenkraftverk kommer undersökas i mer detalj. För att bredda kartläggningen har system med olika förutsättningar och systemuppbyggnad valts. Dock kan inte dessa fyra falsvärmesystem förutsättas representera all falsvärme som finns inom företagets vattenkraftverk. Utöver de fyra som undersökts i mer detalj har ytterligare några intressanta falsvärmesystem som upptäckts under arbetets gång undersökts övergripande, främst genom intervju med driftpersonal.

Energieffektiviseringen av falsvärmen ska ske på ett sådant sätt att säkerheten inte äventyras. Det är av största vikt ur dammsäkerhetssynpunkt att utskovsluckorna kan manövreras vintertid vid behov. Därför har möjliga teknikval för falsvärmesystemet begränsats till konventionella och väletablerade tekniker.

Exempelvis har solfångare inte undersökts tillsammans med någon form av säsongslager för värme och inga undersökningar har genomförts för att ersätta systemvätskan i falsvärmekretsen.

2 Teori

I följande avsnitt presenteras teori som ligger till grund för arbetet och dess resultat. Inledningsvis beskrivs vattenkraften kortfattat med fokus på utskovsluckorna i dammar samt uppvärmning och isfri- hållning av dessa, där falsvärmen beskrivs mer detaljerat. Därefter beskrivs olika värmesystem som kan användas vid uppvärmning, främst av vätskeburna system. Detta följs av teori om värmeöverföring med ekvationer som använts för falsvärmeberäkningar, samt grundläggande teori om ellära. Teoriavsnittet avslutas med en kortfattad beskrivning av utvärderingsmetoden multikriterieanalys och en förklaring av hur nettonuvärdet beräknas.

2.1 Vattenkraft

I Sveriges vattendrag finns över 2 000 vattenkraftverk i varierande storlek och närmare hälften av den el som produceras i landet kommer från vattenkraft. Det är en förnybar energikälla som dessutom kan användas som regler- och balanskraft i elnätet, vilket blir allt viktigare ju mer vind- och solkraft som installeras. När vind- och solkraften inte kan producera tillräckligt med el kan vattenkraften hjälpa till att kompensera för det. Dessutom kan vattnet lagras i magasin ovanför vattenkraftverken och därmed lagra energin till vintern då behovet av el ökar. (Lindholm, 2020)

I figur 1 visas en översiktsbild över hur ett modernt vattenkraftverk kan se ut. Vattenkraftverket om- vandlar vattnets potentiella energi till rörelseenergi genom att det forsande vattnet sätter en turbin i rörelse. Turbinen är kopplad till en generator som omvandlar rörelseenergin i turbinen till elektricitet som sedan kan skickas ut på elnätet. För att täcka hela älvsfårans bredd byggs en damm som hindrar vattnet från att rinna förbi och området fungerar därmed som ett magasin där vattnet som kommer från älven uppströms kan lagras. Om det blir en för stor mängd vatten i magasinet kan vatten behöva avbördas utan att gå genom turbinen varvid utskovsluckorna används, vilka beskrivs i mer detalj i avsnitt 2.1.1.

Figur 1: En översiktsbild över ett vattenkraftverk. 1: Vattenmagasinet ovanför vattenkraftverket med dammen och dess utskovsluckor, 2: Turbinen där vattnets lägesenergi omvandlas till rörelseenergi, 3:

Generatorn som generarar elektricitet från turbinens rörelseenergi, 4: Transformatorn som höjer spän- ningen och skickar vidare elen ut på elnätet. Till vänster i bilden syns dammen med två utskovsluckor.

(Skellefteå Kraft, u. å)

2.1.1 Utskovsluckor

De delar av en dammkonstruktion som används för att släppa genom vatten som inte nyttjas i vattenkraft- verket kallas för utskov. Utskoven används i huvudsak vid perioder av stor vattentillgång i vattendraget, så kallade flödesperioder. En vanlig avstängningsanordning för att ha möjlighet att reglera och stänga av vattenföringen genom dammen är utskovsluckor. (Svenska kraftnät, 2019) En utskovsluckas uppgift är att

på ett kontrollerat sätt kunna avbörda vatten från magasinet då vattenkraftverket står still eller vatten- flödena är för stora, för att undvika skador på människor och omgivning (VASO, 1995). Utskovsluckorna är viktiga för dammsäkerheten vid vattenkraftanläggningen och det är därmed viktigt att luckorna med full säkerhet ska kunna öppnas och stängas vid behov (ELFORSK, 2003). Olika typer av utskovsluckor med olika funktion kan finnas i samma damm.

Det finns två olika typer av utskov, ytutskov och bottenutskov. Vid ett ytutskov är vattenytan fri medan bottenutskov har en övre begränsning i höjdled då luckan öppnats maximalt (Svenska kraftnät, 2019).

Skillnaden mellan de två typerna illustreras i figur 2. Om luckan används som bottenutskov är luckan försedd med en topptätning högst upp (VASO, 1995).

Figur 2: Tvärsektioner av botten- respektive ytutskov.

I svenska större dammar är segmentluckan den vanligaste förekommande utskovsluckan och planluckan är vanligast i mindre dammar. (Svenska kraftnät, 2019) I följande avsnitt kommer enbart segmentluckan presenteras då det är denna lucktyp som påträffas på de anläggningar som inkluderas i arbetet.

Segmentlucka

Segmentluckan är en radiallucka som öppnas genom att höjas upp så att vattnet kan strömma under den. Namnet på luckan kommer från att luckan ser ut som ett cirkelsegment enligt figur 3 (VASO, 1995).

Segmentluckan är fäst i luckarmar på nedströmssidan som i sin tur är ledat infästa i dammkonstruktionen.

Eftersom luckarmarna är lika långa som radien på cirkelsegmentet, kommer luckan röra sig längs med cirkelns omkrets då den manövreras. (Dicksson och Spade, 2016)

Figur 3: Segmentlucka, som i detta fall fungerar som ett ytutskov (VASO, 1995).

För att undvika läckage har luckan tätningslister av gummi på båda sidorna samt i underkant, vilka tätar mot plåtar som är fastgjutna i dammkroppen (Svenska kraftnät, 2019). Gummi åldras genom påverkan av solljus, ozon och temperaturvariationer, vilket innebär att tätningarna torkar ut med tiden. Om en tätning är uttorkad klarar den påfrestningar sämre och blir därmed känsligare för fastfrysning under vintern. (VASO, 1995) Ett exempel på hur gummitätningarna kan se ut presenteras i figur 9 i avsnitt 3.

2.1.2 Uppvärmning och isfrihållning av utskovsluckor

Eftersom utskovsluckorna är av stor vikt ur dammsäkerhetssynpunkt är det viktigt att säkerställa att luckorna kan manövreras även vintertid. För att uppnå detta bör någon form av uppvärmnings- och isfri- hållningsutrustning användas. Exakt vilken utrustning som passar bäst beror på många lokala faktorer och olika driftvillkor. Svaret är därmed inte detsamma för varje enskilt vattenkraftverk. (VASO, 1995) Uppvärmning av utskovsluckan avser uppvärmning i och runtom luckan. För detta finns flertalet olika metoder att tillgå (VASO, 1995):

• Vätskeburna falsvärmesystem eller falsvärmesystem med motståndselement.

• Luckbladsvärme, invändig uppvärmning av luckkroppen med aerotemper.

• Värmekabel på luckbladets insida.

• Luftavfuktare mellan luckblad och isolering.

Falsvärmesystem är fokus i denna rapport och presenteras mer ingående i avsnitt 2.1.3 där både vätske- burna falsvärmesystem och falsvärmesystem med ingjutna motståndselement beskrivs mer detaljerat.

Uppvärmning i och runtom luckan bör kombineras med någon form av isfrihållningsutrustning uppströms luckan eftersom luckvärme enbart ger en smal spalt på några millimeter mellan lucka och istäcke. Isfrihåll- ningsutrustningen skapar en vak uppströms luckan som förhindrar is från att belasta den. Vakhållning är dessutom viktigt för att kunna säkerställa att luckan kan lyftas. Är luckan radiell, som en segmentlucka, och spalten är mindre än den plats luckan tar då den lyfts, kan rörelsen hindras av isen vilket kan orsaka skador på utrustningen. De viktigaste faktorerna att ta hänsyn till vid val av isfrihållningsutrustning är vattendraget, temperaturen på vattnet, luckans placering i dammen och magasinets nivåreglering.

(VASO, 1995)

Även för isfrihållning finns det en mängd olika lösningar. De vanligaste metoderna för vakhållning är (VASO, 1995):

• Utsläpp av kylvatten från vattenkraftstationen uppströms luckan.

• Strålvärmare ovanför luckan som håller ytvattnet isfritt.

• Vattenpump, antingen placerad i luckan där vatten pumpas ut genom munstycken i luckan eller placerad nedsänkt uppströms luckan.

• Tryckluft, antingen utblåst genom munstycken i luckan eller genom längsgående rör placerade under lägsta vattenytan uppströms luckan.

• Strömningsbildare som rör om vattnet, placerad uppströms luckan.

2.1.3 Falsvärme

Falsvärmen är placerad runtom luckans kanter, det vill säga dess fals på vardera sida samt dess tröskel i nederkant. Det finns två olika systemvarianter som är vanliga, antingen cirkulerande vätska i rostfria rör under plåten längs med fals och tröskel, eller ingjutna motståndselement. Motståndselementen kan antingen vara ingjutna i betongen eller monterade som insticksmotståndselement i ingjutna rör i tröskeln och falsarna. Insticksmotståndselementen har kort livslängd vilket kan leda till att luckan fryser fast om systemet ej övervakas. (VASO, 1995)

De vanligaste systemen för uppvärmning av falsvärmesystem med cirkulerande vätska är elpannor eller elpatroner, som är placerade i spelkuren intill luckan, vilket illustreras i figur 4. Vätskan cirkuleras genom systemet med hjälp av en cirkulationspump, även denna placerad i spelkuren. Vid uppvärmning med motståndselement i form av kopparskenor är det istället transformatorer som används för att strömsätta kopparskenorna. På grund av motståndet i metallen genereras värme som håller falsar och tröskel isfria.

Där är det vanligt med en transformator inuti luckan för uppvärmning längs luckans kanter samt en transformator i spelkurarna på var sida om luckan för uppvärmning av sidoplåtarna längs med falsarna.

En principiell skiss på ett system med ingjutna motståndselement visas i figur 10 i avsnitt 3.4.

Vätskeburna falsvärmesystem kan vara installerade på flera olika sätt. Antingen som en sammanhängan- de krets genom tröskeln och båda falsarna med ett uppvärmningssystem för hela kretsen. Eller uppdelat i flera segment, antingen två eller tre, där varje segment har sin egen värmekälla. Med två segment, för- delat på höger respektive vänster sida av luckan, möts kretsarna i mitten av tröskeln. Med tre segment är det en slinga för respektive fals och en slinga för tröskeln. Genom att dela upp kretsen i tre segment kan falsvärmen i tröskeln stängas av vid spill, eftersom det strömmande älvsvattnet då kyler ner falsvärmen i tröskeln till rådande vattentemperatur och systemet arbetar lönlöst på full effekt (VASO, 1995). Utrust- ningen för uppvärmning sitter oftast placerad i spelkuren bredvid luckan, där begränsat med utrymme finns att tillgå. En principiell skiss av en segmentlucka med dess falsvärmesystem presenteras i figur 4.

Figur 4: Principiell ritning av en segmentlucka med dess falsvärmesystem. Falsvärmen består av ingjutna rör med cirkulerande vätska och en sammanhängande slinga längs hela luckan. I spelkuren bredvid luckan är uppvärmningssystemet placerat.

Falsvärmen sitter oftast i eller mot dammens bärande betongkonstruktion. Betong är termiskt tungt, vilket innebär att materialet är värmetrögt och kan därmed tillfälligt lagra värme (Karlsson m. fl., 2010).

För att kunna säkerställa att utskovsluckorna kan manövreras för avbördning vintertid är det viktigt att falsvärmen är tillräcklig. Öppningsförsök då luckan är fastfrusen kan leda till haveri av utrustning och som konsekvens kan det bli överspill vid dammen om inte en tillräcklig mängd vatten kan avbördas.

Utskovsluckan kan även frysa fast i öppet läge, vilket leder till en ekonomisk förlust då vattnet spills genom luckan istället för att gå genom kraftverket. En lösning för att tina upp en fastfrusen lucka är ångbehandling med en extern ångpanna, vilket årligen måste göras vintertid hos vissa dammägare.

Trots att det är av största vikt att säkerställa utskovsluckornas funktion har det konstaterats i olika undersökningar att luckornas uppvärmningssystem ofta saknar en bra och säker övervakning. (Holst och Thanke Wiberg, 2019)

2.2 Värmesystem

Det finns många olika värmekällor som kan användas för uppvärmning. Vilken lösning som är bäst beror på förutsättningarna på platsen där systemet ska användas. I följande avsnitt presenteras fem olika värmekällor; elpanna, värmepump, solfångare, restvärme och transformator. De fyra värmekällorna i avsnitt 2.2.1-2.2.4 används för uppvärmning av vattenburna system. Den femte värmekällan i avsnitt 2.2.5 används för direkt uppvärmning.

2.2.1 Elpanna

Elpannor används ofta som värmekällor för att värma upp vätskeburna system i småhus. Med hjälp av el värms vatten som sedan pumpas runt i husets vattenburna system. (Energimyndigheten, 2017) En elpanna består av en mängd elpatroner av olika effekt i en behållare där systemvätskan passerar.

Genom att kombinera elpatronerna på olika sätt kan elpannan leverera effekt vid olika steg inom ett givet intervall. (Värmebaronen, 2019) Elpannor är väldigt kompakta och tar lite plats, samtidigt som de är driftsäkra och har en låg investeringskostnad jämfört med många andra alternativ (Larsson och Strand, 2003).

Investeringskostnaden för en elpanna ligger i dagsläget på mellan 20 000 och 40 000 SEK beroende på vilken effekt och vilka funktioner som önskas. Den ekonomiska livslängden brukar antas ligga runt 20-

25 år (Abrahamsson m. fl., 2011) men en elpanna kan ofta vara i drift längre än så, upp mot 30 år enligt driftpersonal på Skellefteå Kraft.

2.2.2 Värmepump

Värmepumpen tar värme från en kallt medium, vilket kan vara exempelvis luften, en sjö eller marken, och överför den värmen till en värmeupptagare enligt figur 5. Värmepumpen består av fyra huvudkomponen- ter, en förångare, en kompressor, en kondensor och ett stryporgan. I kretsen cirkulerar ett köldmedium som kokar i förångaren vid en temperatur som är lägre än temperaturen på värmekällan. Kompressorn höjer därefter trycket i kretsen och köldmediet kan därmed kondensera i kondensorn vid en högre tempe- ratur än i förångaren. Genom kondensationen avges värme till värmeupptagaren. Stryporganets funktion är att upprätthålla den avsedda tryckskillnaden mellan förångaren och kondensorn. (Alvarez, 2006b)

Figur 5: Principiell ritning av en värmepump.

Värmepumpar kan använda sig av flera olika värmekällor och vilken som är bäst lämpad beror på för- utsättningarna där värmepumpen ska placeras. För att veta hur bra värmepumpen presterar beräknas processens värmefaktor,

COP = Qbort

W = Qbort

Q_bort− Qtill

> 1, (1)

(coefficient of performance), där Qtillär den tillförda värmen från värmekällan till värmepumpen, Qbort

är den värme som tillförs värmeupptagaren och W är arbetet som processen kräver. (Alvarez, 2006b) Värmefaktorn återfinns i produktbladen hos olika återförsäljare av värmepumpar och ju högre värmefak- tor desto bättre. Det är dock viktigt att notera vid vilken temperatur på värmekällan som värmefaktorn är angivet. Om temperaturen på värmekällan sjunker så gör även värmefaktorn det, eftersom mer arbete krävs i processen när temperaturskillnaden mellan värmekällan och värmeupptagaren ökar (Larsson och Strand, 2003).

Luft-vattenvärmepump

Luft-vattenvärmepumpen hämtar värme från utomhusluften och överför den till ett vattenburet system.

Denna typ av värmepump har sämre verkningsgrad än en mark- eller bergvärmepump och fungerar sämre ju kallare det blir utomhus. Detta eftersom temperaturdifferensen mellan värmekällan och värmeuppta- garen ökar och värmefaktorn för värmepumpen blir sämre. (Alvarez, 2006b) Den ekonomiska livslängden

för en luft-vattenvärmepump ligger mellan 15 och 20 år vid drift året om och efter 10 till 15 år bör kompressorbyte ske till en kostnad av mellan 10 000 och 20 000 SEK. (Abrahamsson m. fl., 2011) När det blir kallare utomhus slits värmepumpen mer på grund av avfrostningsbehov.

Enligt en undersökning genomförd av Energimyndigheten 2014, där 16 stycken luft-vattenvärmepumpar testades, låg investeringskostnaden för en ny pump med en effekt på 7 till 10 kW på mellan 50 000 och 110 000 SEK. Årsvärmefaktorn, det vill säga COP-faktorn för värmepumpen över ett helt år, låg mellan 1,9 och 2,9 för hus med ett årligt energibehov på 25 000 kWh. Samtliga tester genomfördes mellan år 2011 och 2013. Alla luft-vattenvärmepumpar har också testats enligt internationell standard för provningar ner till −15^◦C. COP-faktorn vid 45^◦C i framledningstemperatur och −15^◦C utomhus varierar mellan 1,4 och 2,2, där Thermias Atec HP 11 är bäst med ett COP på 2,2. (Energimyndigheten, 2014a)

2.2.3 Solfångare

Solinstrålning som passerar atmosfären och når ner till jordens yta har en genomsnittlig effekt på un- gefär 0,8 kW/m² vid solstrålning vinkelrätt mot en yta. Den avgivna effektmängden motsvarar ungefär 7 000 kWh/m² under ett år som i verkligheten reduceras till mellan 250 och 2 500 kWh/m² och år. I norra Sverige är den motsvarande energimängden från solinstrålning ca 800 kWh/m² och år. Den här energin kan direkt utnyttjas som värmeenergi genom att använda solfångare eller genom att producera el med solceller. (Alvarez, 2006a)

Det finns flera olika typer av solfångare, men den vanligaste på marknaden är den plana solfångaren.

Plana solfångare är konstruerade för att arbeta vid låga temperaturer, oftast under 90^◦C, och kan dra nytta både av den direkta solinstrålningen och den diffusa instrålningen från moln. Oftast används en svart profilerad metallskiva som absorbator och det medium som bortför den absorberade värmestrål- ningen cirkulerar i skivans profilkanaler. Verkningsgraden, definierad som förhållandet mellan upptagen och infallande värmemängd, hos en plan solfångare brukar ligga mellan 40 och 70% om strålningsintensi- teten är 1 000 W/m². Ju lägre temperatur absorbatorn kan hålla desto högre blir verkningsgraden. Den vanligaste användingen av solfångare är för beredning av varmvatten. Under sommaren finns potential att försörja de flesta småhus med allt varmvattenbehov, medan solfångare under resten av året skulle kunna bidra med mellan 5 och 30% av behovet. (Alvarez, 2006a)

Tillgången på solenergi är både ojämnt fördelad över året och beroende av vädret, vilket leder till att lagring av energin måste beaktas. Dessutom har solenergin en så pass låg intensitet att det krävs stora ytor om en stor mängd energi behövs. (Alvarez, 2006a) Enligt statistik från SMHI har medelvärdet för den totala globalstrålningen i Luleå mellan 2010 och 2020 varit 1,0 kWh/m²för december och 113,0 kWh/m² för april. Medelvärdet för soltimmar har under samma månader legat på 3 respektive 232 timmar. (SMHI, 2021)

Enligt företaget Effectas prislista för deras utbud av plana solfångare ligger kostnaden på ungefär 3 600 SEK/m² solfångaryta. Utöver den kostnaden tillkommer även installationskostnad samt kostnad för ackumulatortank för lagring av den producerade värmen. (Effecta, 2020) Enligt Effectas broschyr för solvärme behövs en ackumulatortank i storleksordningen 60–110 l/m² solfångaryta, beroende på typ av solfångare. Den plana solfångaren behöver en något lägre volym än vakuumsolfångaren. (Effecta, u. å) 2.2.4 Restvärme

Restvärme definieras som överskottsenergi som inte kan nyttjas internt och alternativet är att värmen istället skulle släppas ut till omgivningen (Naturvårdsverket, 2004). Flera av Skellefteå Krafts vatten- kraftverk nyttjar restvärme från generatorernas bärlager för att värma inomhusluften i stationsbyggnaden och andra utrymmen. Mer information om Skellefteå Krafts restvärmesystem finns att läsa i avsnitt 3.6.

2.2.5 Transformator

Transformatorn är en komponent i en elektrisk krets som omvandlar elektrisk energi mellan olika ström- och spänningsnivåer genom elektromagnetisk induktion. Den består av två spolar som sammankopplas med en järnkärna genom vilken det magnetiska flödet leds från ena sidan till den andra. Beroende på antalet varv som spolen på var sida är lindad, kommer strömmen och spänningen vara av olika storlek.

(von Meier, 2006) En principiell ritning av en transformator presenteras i figur 6.

Figur 6: Principiell ritning av en transformator. U och I är spänning och ström på respektive sida av transformatorn, n är antalet varv respektive spole är lindad.

Transformatorn består av en primär och en sekundär sida. När elektrisk energi överförs mellan dem uppstår små förluster i form av värme, men i det ideala fallet blir strömmen och spänningen på var sida om transformatorn

U1I1= U2I2, (2)

där index 1 är primärsidan av transformatorn och index 2 är sekundärsidan. Om spolarna skulle vara lindade lika många varv på båda sidorna skulle ström och spänning vara lika stora. För att öka spänningen måste antalet lindade varv vara fler på sekundärsidan än primärsidan, och tvärtom om spänningen ska sänkas. Ett exempel visas i figur 6, där spolen är lindad fyra varv på primärsidan, medan spolen på sekundärsidan är lindad åtta, vilket ökar spänningen från primärsidan till sekundärsidan med en faktor två. En transformator har i verkligheten hundratals lindade varv på varje sida för att göra den elektromagnetiska induktionen mer effektiv, men så länge förhållandet mellan antal varv på primär- och sekundärsidan är lika kommer ström- och spänningsförändringen alltid vara densamma. (von Meier, 2006)

2.3 Värmeöverföring

Värmeöverföring är transport av värmeenergi som sker vid temperaturskillnader mellan två kroppar eller inom olika delar av samma kropp. Det finns tre olika typer av värmeöverföring: konduktion, konvektion och strålning. Konduktion är värmeledning genom fasta, flytande eller gasformiga medier. Det sker för att uppnå en temperaturmässig jämvikt genom att partiklars rörelseenergi i ett medium med högre temperatur överförs till närliggande partiklar med lägre temperatur. Konvektion är ett värmeutbyte mellan olika medier som uppstår när en gas eller en vätska strömmar förbi en fast yta. Konvektion brukar delas upp i två olika former, egenkonvektion och påtvingad konvektion. Egenkonvektion innebär att fluiden strömmar av sig själv genom drivkraften att varma partiklar stiger på grund av dess lägre densitet. Påtvingad konvektion sker då en extern källa ökar strömningshastigheten hos fluiden, exempelvis med en fläkt eller pump. Egenkonvektion och påtvingad konvektion kan ske samtidigt. Strålning är överföring av energi via elektromagnetiska vågor och sker utan medverkan av något medium, vilket innebär att strålning även sker i vakuum. (Alvarez, 2006a)

Den termiska resistansen för konduktion associerat med en plan vägg,

Rt,cond=Ts,1− Ts,2

Q˙ = L

kA, (3)

och den termiska resistansen för konvektion associerat med en plan vägg,

R_t,conv=T_s− T_∞ Q˙ = 1

hA, (4)

används för att beräkna värmegenomgång och värmeutbyte för olika medier, där Ts är yttemperaturer och T∞ är omgivningens temperatur, L är väggens tjocklek, k är väggens värmeledningsförmåga, h är värmeövergångskoefficienten hos det omgivande mediet, A är väggens area och ˙Q är värmeeffekten som transporteras genom väggen. (Incropera m. fl., 2012)

Värmegenomgång genom flera angränsande medier, så som exempelvis en sammansatt vägg, tillsammans med värmeutbyte i form av konvektion kan beräknas genom total termisk resistans för alla ingående medier,

Q =˙ ∆T Rtot

, (5)

där Rtot är summan av alla termiska resistanser och ∆T är temperaturdifferensen mellan den högsta och lägsta temperaturen. (Incropera m. fl., 2012) Värmegenomgång i en sammansatt vägg med värme- utbyte genom konvektion på var sida och den resulterande termiska resistansen illustreras i figur 7 och temperaturdifferensen mellan den högsta och lägsta temperaturen för exemplet blir T∞,1-T∞,4.

Figur 7: Den totala termiska resistansen för värmegenomgång genom en sammansatt vägg, där förloppet visas överst i bild och den termiska resistansen visas nederst.

Värmeövergångstalet, h, beräknas för specifika fall med hjälp av Nusselt-talet, Nu. För turbulent flöde över en plan yta beskrivs Nusselt-talet som

N uL =hLL

k = 0, 0296 · Re^4/5_L P r^1/3, (6)

och för laminärt flöde över en plan yta blir Nusselt-talet

N uL= h_LL

k = 0, 332 · Re^1/2_L P r^1/3, (7)

där L är längden på den plana ytan och k är värmeledningsförmågan hos det strömmande mediet. P r är Prandtl-talet för mediet och Re är Reynolds tal som beskrivs som

Re_L= uL ν = ρuL

µ , (8)

där u är strömningshastigheten och ν, ρ respektive µ är det strömmande mediets kinematiska viskositet, densitet och dynamiska viskositet. (Incropera m. fl., 2012)

Strålning från en yta där emissiviteten och absorbtionen kan antas vara lika, det vill säga en grå yta, beräknas enligt

Q˙rad = εσA(T_s⁴− T_omg⁴ ), (9)

där A är arean på den yta som strålningen sker från, Tsrespektive Tomgär ytans och omgivningens tem- peraturer, ε är emissiviteten hos ytan och σ är Stefan Boltzmanns konstant som är 5,670·10⁻⁸W/m²,K⁴. Emissiviteten hos en yta kan ligga mellan 0 och 1, och visar hur nära en yta kommer till emissiviteten hos en svart kropp, vars emissivitet är 1. (Incropera m. fl., 2012)

2.4 Ellära

Rent resistiva laster omvandlar spänning till värme. En sådan last ger inte upphov till någon fasförskjut- ning, det vill säga att ström och spänning ligger i fas. Två exempel på vanliga rent resistiva laster är glödlampor och värmeelement. En rent resistiv last förbrukar effekt från den elektriska kretsen enligt

P = RI²= U I, (10)

där P är den förburkade effekten, R är resistansen hos lasten, I är strömmen genom lasten och U är spänningen över lasten. (von Meier, 2006)

Det finns också kapacitiva och induktiva laster, dessa ger upphov till en fasförskjutning i kretsen. Majo- riteten av alla laster är övervägande induktiva och det vanligaste exemplet på en induktiv last är motorer av olika slag, exempelvis pumpar, eldrivna verktyg och kylskåp. En vanlig kapacitiv last är kondensatorn.

(von Meier, 2006)

Om en elektrisk krets är induktiv eller kapacitiv kommer det ge upphov till en reaktiv effekt Q^∗. Den reaktiva effekten rör sig fram och tillbaka mellan källan och lasten utan att aktivt förbrukas. En induktiv krets har ett positivt Q^∗ och sägs därmed förbruka reaktiv effekt. Om kretsen däremot är kapacitiv har den ett negativt Q^∗ och sägs istället avge reaktiv effekt. Den totala effekten i kretsen kallas för skenbar effekt, S. (von Meier, 2006) Förhållandet mellan aktiv, reaktiv och skenbar effekt kan illustreras med en effekttriangel enligt figur 8.

Figur 8: Effekttriangeln som visar förhållandet mellan aktiv, reaktiv och skenbar effekt. P är de aktiva effekten, Q är den reaktiva effekten och S är den skenbara effekten. ϕ är fasförskjutningen.

Vinkeln ϕ är kretsens fasförskjutning, om kretsen är induktiv ligger strömmen efter spänningen och ϕ blir positiv. Om kretsen istället är kapacitiv blir ϕ negativ (Institutionen för Elteknik, u. å). Effektfaktorn

cosϕ = P U I =P

S, (11)

är ett mått på hur stor andel av en elektrisk krets upplevda effekt som är användbar, det vill säga aktiv.

(von Meier, 2006) Om den elektriska kretsen är rent resistiv och därmed saknar fasförskjutning blir cosϕ = 1 vilket innebär att ekvation (10) erhålls och den skenbara effekten blir lika stor som den aktiva effekten.

I ett trefassystem som är symmetriskt lastat beskrivs effekten som

P = 3UfIfcos(ϕ) =√

3UhIfcos(ϕ), (12)

där Uf är fasspänningen, If är fasströmmen och Uh är huvudspänningen. Vid beräkning av den totala effekten med fasspänning och huvudspänning multipliceras effekten för en fas med tre. Om effekten istället beräknas med hjälp av huvudspänningen är det viktigt att notera att fasvinkeln ϕ fortfarande är vinkeln mellan fasström och fasspänning. (Institutionen för Elteknik, u. å)

2.5 Multikriterieanalys

Multikriterieanalys är en metod för att utvärdera hur väl olika alternativ kan uppfylla ett eller flera öns- kade syften. Genom att definiera ett antal kriterier beskrivs de syften som ska uppfyllas. Varje kriterium värderas var och ett för sig för alla alternativ och resultaten för alla kriterier vägs sedan samman till en slutgiltig bedömning. Det slutgiltiga resultatet beskriver hur väl varje alternativ uppfyller syftet och en lämplig lösning för ändamålet kan väljas. (Rosén m. fl., 2009)

Det finns en mängd olika metoder för multikriterieanalys med en varierande grad av komplexitet. En av de vanligaste metoderna är den linjära additiva metoden. Den innebär att flertalet kriterier sätts upp och poängsätts utifrån en vald skala för varje alternativ. Varje kriterium viktas även utifrån hur stor påverkan de har på slutresultatet. Poängen tillsammans med viktningen för varje kriterium används sedan för att beräkna slutbetyget

Slutbetyg =

N

X

c=1

wcpc, (13)

där c representerar de ingående kriterierna, N är antalet kriterier, w är viktningen för varje kriterium i

% och p är den poäng som alternativet tilldelas. (Rosén m. fl., 2009)

2.6 Ekonomi – Nettonuvärde

En metod för att kunna undersöka lönsamheten för en investering eller ett projekt är att använda nettonuvärdet (NNV)

N N V =

i

X

t=1

Ct

(1 + r)^t− G, (14)

där i är investeringens ekonomiska livslängd, t är det året som beräknas, Ctär nettokassaflödet under år t, r är kalkylräntan för investeringen eller projektet och G är investeringskostnaden. (Soleimani-Mohseni m. fl., 2018)

3 Vattenkraftverken som undersökts

Följande kapitel beskriver förutsättningarna för falsvärmesystemen i de vattenkraftverk där mätningar och djupare undersökning genomförts. Därtill beskrivs också intressant information om några falsvär- mesystem som Skellefteå Kraft har men som inte hunnit undersökas inom arbetets tidsram. Dessutom presenteras en kortfattad beskrivning av restvärmesystemen som används i många av Skellefteå Krafts vattenkraftverk.

Tre av fyra vattenkraftverk som undersökts mer detaljerat har haft falsvärmesystem med ingjutna rör och en cirkulerande glykol-vattenblandning i kretsen. Det fjärde vattenkraftverket som undersöktes hade falsvärme med ingjutna motståndselement. Uppvärmning sker med elpanna eller elpatroner i samtliga vätskebaserade system. I systemet med kopparskenor sker uppvärmningen med transformatorer. De fyra vattenkraftverken som ingått i undersökningarna tillhör elprisområde SE1. Utöver de fyra vattenkraft- verken som undersökts mer detaljerat har även fler vattenkraftverk kartlagts övergripande.

Alla utskovsluckor med cirkulerande vatten-glykolblandning som undersökts, förutom Lucka 3 i Finnfors, har en rördragning som går under plåten hela vägen till toppen av den bortre falsen och sedan vänder och tar samma väg tillbaka. Den generella principen går att se i figur 4 i avsnitt 2.1.3. Rördragningen för falsvärmen i Lucka 3 i Finnfors beskrivs mer i avsnitt 3.2 och en principskiss av konstruktionen återfinns i bilaga 7.

För driftpersonalen på Skellefteå Kraft finns en periodlista där det står att falsvärmen i samtliga vat- tenkraftverk ska slås på vecka 41 och stängas av vecka 15 varje år för att funktionen inte ska glömmas bort. På- och avslagning av falsvärmen sker manuellt och tiden den är i drift blir då ungefär 182 dagar per år. Det går däremot inte alltid att följa periodlistan, utan personalen måste också ta hänsyn till de yttre förutsättningarna. Anpassningar sker för att spara på energi samt för att undvika fastfrusna utskovsluckor. En generell tumregel är att falsvärmen bör gå igång då isen börjar lägga sig runt utskoven och att den kan slås av då det mesta av isen hunnit smälta bort.

För att utskovsluckorna ska hålla tätt används gummitätningar längs fals- och tröskelplåten. Ett exempel på hur det kan se ut vid tätningarna presenteras i figur 9.

Figur 9: Exempel på hur sido- och bottentätningar kan se ut för en segmentlucka. Intill både sido- och bottentätningen sitter stålplattor som skyddar gummitätningen och lämnar en smal springa på ca 10 mm mellan lucka och fals-/tröskelplåt.

3.1 Selsfors vattenkraftverk

År 1944 stod Selsfors vattenkraftverk färdigt några mil uppströms Skellefte älv och nyttjar i dagsläget två turbiner med en total effekt på 62 MW för att producera el. Dammen som tillhör Selsfors vattenkraftverk har tre utskovsluckor, varav två är segmentluckor och den tredje är en sektorlucka. Båda segmentluckorna, det vill säga Lucka 2 och Lucka 3, är rustade med värme för att kunna manövreras vintertid. Lucka 3 blev ombyggd för varmhållning och användning vintertid under 2016 och har därmed ett nyare system än Lucka 2. Systemspecifikationer visas i tabell 1.

Tabell 1: Specifikationer för falsvärmen i Selsfors Lucka 2 och 3. Lucka 1 beskrivs inte då den luckan inte är rustad med falsvärme för att användas vintertid.

Lucka 2 Lucka 3

Uppvärmningsystem Fyra elpatroner Elpanna

Märke - Värmebaronen EP26

Installerad effekt [kW] 4 /patron 26

Systemvätska Vatten-glykolblandning Vatten-glykolblandning

Styrning Manuell Manuell

Börvärde vid besök Framledningstemp. 25^◦C Framledningstemp. 25^◦C

Dammen i Selsfors värms invändigt upp av restvärme från vattenkraftverket. Restvärmen leds genom en stor ventilationstrumma som mynnar ut i ett öppet utblås i dammen närmast stationsbyggnaden där turbinerna är placerade. Därmed blir det successivt kallare längre bort i dammen. Lucka 2 och 3 är place- rade längst bort i dammkroppen och nås därmed inte av mycket restvärme. Mer om restvärmesystemets uppbyggnad presenteras i avsnitt 3.6.

3.2 Finnfors vattenkraftverk

Finnfors vattenkraftverk, som ligger ungefär en mil uppströms Selsfors vattenkraftverk i Skellefte älv, togs i drift redan 1906 för att producera el. 1951 togs beslut om att bygga en ny kraftstation bredvid den gamla och 1955 stod den klar med en installerad effekt på 20 MW som sedan utökades med ytter- ligare en turbin till totalt 40 MW. Dammen i Finnfors har fyra utskovluckor, varav två är rustade med falsvärme för att manövreras vintertid, Lucka 2 och Lucka 3. Lucka 3 har det modernaste falsvärmesy- stemet av alla falsvärmesystem i Skellefteå Krafts vattenkraftverk, medan falsvärmen i Lucka 2 är äldre.

Falsvärmekretsen i Lucka 3 är annorlunda konstruerad än många andra falsvärmekretsar med cirkule- rande vatten-glykolblandning. Den uppvärmda vatten-glykolblandningen leds utomhus längs brobanan genom isolerade rör till toppen av den bortre falsen där den leds in under falsvärmeplåten och längs falsar och tröskel tillbaka för återuppvärmning. En principskiss av konstruktionen återfinns i bilaga 7.

Specifikationerna för falsvärmesystemen i Finnfors presenteras i tabell 2.

Tabell 2: Specifikationer för falsvärmen i Finnfors Lucka 2 och 3. Lucka 1 och Lucka 4 beskrivs inte då de luckorna inte är rustade med falsvärme för att användas vintertid.

Lucka 2 Lucka 3

Uppvärmningsystem Elpanna Elpanna

Märke Elvärmeteknik i Gävle AB Värmebaronen EP26

Installerad effekt [kW] 15 26

Systemvätska Vatten-glykolblandning Vatten-glykolblandning

Styrning Manuell Manuell/Automatisk

Börvärde vid besök Framledningstemp. 15^◦C Framledningstemp. 30^◦C

Lucka 3 har möjlighet att styras både med manuell styrning, det vill säga enligt ett börvärde för fram- ledningstemperaturen, eller med automatisk styrning reglerad mot utomhustemperaturen. Lucka 2 styrs manuellt genom ett börvärde på 15^◦C på framledningstemperaturen, vilket är lägre än de andra system som undersökts.

Vid Lucka 3 i Finnfors är det mer strömt än vid de andra vattenkraftverk som undersökts. Enligt

driftpersonal på plats vid vattenkraftverket är det en större isvak under en stor del av vintern även om bubbelpumparna vid luckan är avslagna. Isvaken uppstår istället till följd av de starka strömmarna framför utskovsluckan.

3.3 Båtfors vattenkraftverk

Båtfors vattenkraftverk ligger drygt en mil uppströms Finnfors vattenkraftverk i Skellefte älv och har en total installerad effekt på 49 MW. Dammen i Båtfors har tre utskovsluckor, varav två är segmentluckor och en är en sektorlucka. Lucka 2 och Lucka 3, som båda är segmentluckor, är rustade med falsvärme för vinterbruk med specifikationer enligt tabell 3. Lucka 2 och Lucka 3 delar på en spelkur som är placerad på brobanan mellan luckorna och båda värmesystemen för falsvärmen är därmed placerade på samma ställe.

Tabell 3: Specifikationer för falsvärmen i Båtfors Lucka 2 och 3. Lucka 1 beskrivs inte då den luckan inte är rustad med falsvärme för att användas vintertid.

Lucka 2 Lucka 3

Uppvärmningsystem Elpanna Elpanna

Märke Värmebaronen EP26 Värmebaronen EP26

Installerad effekt [kW] 26 26

Systemvätska Vatten-glykolblandning Vatten-glykolblandning

Styrning Manuell Manuell

Börvärde vid besök Framledningstemp. 30^◦C Framledningstemp. 30^◦C

Under vintern 2020/2021 skedde ett kontinuerligt spill genom Lucka 2 och Lucka 3 i Båtfors. Medelvär- det för spillet genom luckorna mellan 2020-10-01 och 2021-03-30 var ungefär 43 m³/s, där den största mängden av vinterns spill skedde genom Lucka 3. På grund av för mycket ispåbyggnad på dammkroppen intill luckan bytte man istället till Lucka 2 för spill under den kallare perioden, vilket var den period då mätningarna genomfördes vid vattenkraftverket.

Under 2016 byggdes falsvärmesystemen i Båtfors två segmentluckor om. Innan dess bestod falsvärmen av en stor krets som gick längs med fals- och tröskelplåt i både Lucka 2 och Lucka 3 innan ett oljeaggregat passerades för återuppvärmning. När systemet byggdes om delades kretsen i två separata delar, en per lucka, och elpannor installerades för uppvärmningen av respektive krets.

I Båtfors används restvärme från vattenkraftverket för att värma utrymmet i dammen under luckorna.

Restvärmen nyttjas i två stycken luftvärmare som är placerade med lite inbördes avstånd för att sprida ut varmluftsflödet i utrymmet och nå så stor del av dammen som möjligt. Mer om restvärmesystemets uppbyggnad presenteras i avsnitt 3.6.

3.4 Grytfors vattenkraftverk

Grytfors vattenkraftverk ligger en bit upp i Skellefte älv, ungefär 110 km från älvens utlopp i Bottenviken.

Vattenkraftverket togs i drift 1968 och har en total installerad effekt på 31 MW. Grytfors vattenkraftverk ägdes av Vattenfall AB innan det köptes av Skellefteå Kraft. Dammen i Grytfors har två utskovsluckor och båda är rustade med falsvärme för att manövreras vintertid, Lucka A och Lucka B. Falsvärmen i luckorna skiljer sig från de tidigare undersökta systemen med cirkulerande vätska. I Grytfors består den av ingjutna motståndselement i form av kopparskenor.

Falsvärmesystemet består av tre olika slutna kretsar med kopparskenor per lucka. En krets som utgår från en transformator inuti luckan och som går längs med luckans kanter samt botten, samt en krets för respektive sidoplåt som går längs med sidorna i dammkroppen. För falsvärmen i sidoplåtarna sit- ter en transformator på respektive sida av luckan, placerade inuti varsin spelkur. En principskiss av falsvärmesystemets uppbyggnad i Grytfors presenteras i figur 10.

Figur 10: En principskiss över falsvärmen i segmentluckorna i Grytfors. Till höger och vänster om luckan i varsin spelkur sitter transformatorer för falsvärme till respektive sidoplåt (grön linje). Inuti luckan sitter transformatorn för värmen längs luckans kanter (orange linje).

Specifikationerna för falsvärmesystemen i Grytfors luckor presenteras i tabell 4. Eftersom systemen i båda luckorna ser likadana ut presenteras enbart Lucka A i tabellen.

Tabell 4: Specifikationer för falsvärmen i Grytfors Lucka A. Falsvärmesystemet i Lucka B är uppbyggt likadant och presenteras därför inte i tabellen. Spänningen på sekundärsidan finns i tre olika steg och vilket som ska användas ansätts vid installation av transformatorn. Att styrning av systemet saknas innebär att det antingen är på- eller avslaget och tillförd effekt kan inte variera.

Lucka A

Uppvärmningsystem 3 st 1-fastransformatorer

Styrning Saknas

Krets Höger sidoplåt Vänster sidoplåt Luckans kanter

Märke Nordtrafo AB Nordtrafo AB Nordtrafo AB

Installerad effekt [kVA] 8,9 8,9 6

Spänning (Primär/Sekundär) [V] 400/7-8-9 400/7-8-9 380/5-6,5-8

Ström (Primär/Sekundär) [A] 22/988 22/988 16/750

3.5 Andra vattenkraftverk i Skellefteå Krafts ägo

I utskovsluckorna vid Slagnäs vattenkraftverk har falsvärmen bestått av system med cirkulerande vätska.

På grund av läckage orsakat av sönderrostade rör installerades istället en luftpump för att ersätta vätskan med varmluft. När varmluften också slutade vara tillräcklig på grund av för mycket förluster i form av läckage beslutades det att värmekablar skulle installeras i de befintliga rören istället. Värmekablarna är tänkta att enbart installeras i falsarna, tröskeln kommer lämnas fri från falsvärme då isbildning aldrig varit ett problem där.

Krångfors vattenkraftverk har en utskovslucka där falsvärmen består av ett system med cirkulerande vatten-glykolblandning som är uppdelat i tre kretsar med en elpanna för respektive krets. Där kan alltså kretsen i tröskeln stängas av vid vinterspill för att undvika förlusterna som det innebär att försöka värma upp det forsande älvsvattnet.

3.6 Restvärme i Skellefteå Krafts vattenkraftverk

I många av Skellefteå Krafts vattenkraftverk nyttjas redan restvärme från bärlagren i generatorerna för att tillgodose uppvärmningsbehovet av luften i stationsbyggnaden och i vissa fall även andra utrymmen så som dammen. Den generella systemuppbyggnaden är liknande på de vattenkraftverk där det nyttjas och en övergripande processbild presenteras i figur 11.

Figur 11: En övergripande processbild av systemet för nyttjande av restvärme i Selsfors vattenkraftverk.

Oljan som kyler bärlagren cirkulerar genom värmeväxlare som är kopplade mot ett system med en glykol- vattenblandning. Det systemet är i sin tur uppkopplat mot olika värmebatterier genom vilka luft forceras för att värmas av glykol-vattenbladningen och transporteras ut i byggnaden via ventilationsystem. Kret- sen med glykol-vattenblandningen är även kopplad via värmeväxlare och strypventiler mot en krets med älvvatten för att kunna kyla systemet till önskad temperatur om inte all värme nyttjas i värmebatteri- erna. Kylningen med älvsvatten finns till för att oljan som kyler bärlagren ska hålla en temperatur på

∼30^◦C efter att den värmeväxlats mot glykol-vattenkretsen.

4 Metod

Metoden beskriver de mätningar som genomförts för att kartlägga falsvärmesystemens energianvändning och den mätutrustning som använts. Dessutom beskrivs tillvägagångssättet vid falsvärmeberäkningarna med ekvationer och antaganden. Därefter beskrivs dataanalysen med tillhörande antaganden samt de värmesystem som undersökts och multikriterieanalysen för dessa. Sist beskrivs de ekonomiska beräk- ningarna som genomförts i arbetet samt känslighetsanalysen av nettonuvärden för värmesystemen.

4.1 Mätningar

Genom studiebesök tillsammans med driftpersonal på plats på vattenkraftverken samt genom att studera ritningar erhölls en god uppfattning om falsvärmesystemens uppbyggnad. Märkplåtar på värmesystemens komponenter gav information om effekter och annan nyttig driftdata. Driftpersonalen kunde även hjälpa till att belysa för- och nackdelar med olika lösningar genom deras erfarenheter från driften och kunskap om problem som kan uppstå.

Effekt- och temperaturmätningarna som genomfördes över en längre period utfördes vid tre vattenkraft- verk, Selsfors, Finnfors och Båtfors där varje mätning pågick i 2–3 veckor. En generell uppställning av mätutrustningen visas i figur 12 och en beskrivning av utrustningen återfinns i avsnitt 4.2.

Figur 12: Generell uppställning av mätutrustningen för effekt- och temperaturmätning. Effektmätningen visas i bilden till vänster och representerar en mätning där utrustningen kunde placeras direkt i elpannan.

Temperaturmätningen av fram- och returledningstemperatur visas på bilden till höger där rören inte var isolerade och givarna fästes med eltejp på rören.

I Grytfors mättes värden momentant med medtagen mätutrustning för ström och spänning samt av- läsning av mätare på plats och därmed användes inte effekt- och temperaturmätningsutrustningen. En kortfattad sammanställning av de mätningar som genomfördes i Selsfors, Finnfors och Båtfors presenteras i tabell 5.