• No results found

Elproduktion från överskottsånga i en kondensturbin

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Elproduktion från överskottsånga i en kondensturbin"

Copied!
51
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

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

Miljö- och energisystem

Linnéa Gustafsson

Linus Ternström

Elproduktion från överskottsånga i en

kondensturbin

En lönsamhets- och miljöbedömning

Electricity production from excess steam in a condensing

turbine

An economic feasibility and environmental assessment

Examensarbete 30 hp

Civilingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik

Juni 2016

Handledare: Venkatesh Govindarajan Jonas Berghel

(2)
(3)

Sammanfattning

Den stora användningen av fossil energi i världen är en av orsakerna till de höga utsläppen av koldioxid som förstärker växthuseffekten. För att minska människans klimatpåverkan bör därför mer förnyelsebar energi användas. EU har därför som mål att minska utsläppen av koldioxid med 40 % till år 2030. Industrisektorn står för 32 % av världens totala energianvändning och pappers- och massaindustrin använder 6 % av den energin. I denna studie undersöks Stora Enso Skoghalls Bruk som är ett pappers- och massabruk beläget norr om Vänern. De senaste åren har en rad energieffektiviserande åtgärder utförts där som gjort att det tidvis produceras ett överskott av ånga. I dagsläget friblåses överskottsångan för att hålla trycket på deras ångnät på avsedd nivå.

Studiens syfte är att undersöka om elproduktion med hjälp av en kondensturbin är ett lönsamt alternativ för att ta till vara på överskottsångan istället för att friblåsa den. Målet är att ta fram ett beslutsunderlag för dimensionering och bedömning av lönsamhet samt miljöpåverkan för en kondensturbin på Skoghalls Bruk.

Studien utfördes genom energitekniska beräkningar i Simulink och en lönsamhetsbedömning genom en nuvärdesanalys. Som grund till beräkningarna ligger driftdata och vetenskaplig litteratur. Scenarier har konstruerats för att avgöra hur både elpriser och koldioxidalstring knuten till den nordiska elmarknaden kan se ut i framtiden.

(4)
(5)

Abstract

The high use of fossil energy in the world is one of the causes of the high emissions of carbon dioxide, which increases the greenhouse effect. In order to reduce the anthropogenic climate impact, more renewable energy should be used. The EU aims to reduce carbon dioxide emissions by 40 % by the year 2030. The industrial sector accounts for 32 % of the total world energy consumption of which the pulp and paper industry uses 6 %. This study examines Stora Enso Skoghall Mill which is a pulp and paper mill located north of Vänern. In recent years, a series of energy efficiency measures has been carried out at Skoghall Mill. At times these measures have resulted in a surplus of steam production. Today this excess steam is released to the atmosphere to maintain the pressure on the steam network at the required level.

The purpose of this study is to investigate whether electricity production using a condensing turbine is a profitable alternative for recovery of the excess steam which is currently being released to the atmosphere. The aim is to develop a decision basis for the design and assessment of profitability and environmental impact of a condensing turbine at Skoghall Mill.

The study was conducted through energy calculations in Simulink and a profitability assessment by a present value analysis. The basis for the calculations is operational data provided by Skoghall Mill and scientific literature. Scenarios have been designed to determine both how electricity prices and generation of carbon dioxide linked to the Nordic electricity market might look in the future.

(6)
(7)

Förord

Den här rapporten är ett resultat av vårt examensarbete som utförts på Skoghalls Bruk via teknikkonsultbolaget ÅF. Arbetet omfattar 30 högskolepoäng och är den avslutande delen i civilingenjörsprogrammet inom energi- och miljöteknik vid Karlstads universitet.

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

Vi vill tacka Skoghalls Bruk och ÅF för möjligheten att genomföra detta examensarbete. Särskilt vill vi tacka Anders Enholm på Skoghalls Bruk och Fredrik Nilsson och Jessica Eriksson på ÅF för värdefull hjälp under arbetets gång. Vi vill även tacka våra handledare Venkatesh Govindarajan och Jonas Berghel på Karlstads universitet för den vägledning vi fått under hela examensarbetet.

Karlstad, juni 2016

(8)
(9)

Innehåll

Nomenklatur ... 1

1. Inledning ... 2

1.1 Syfte och mål ... 3

2. Bakgrund ... 5

2.1 Stora Enso Skoghall ... 5

2.1.1 Kartongtillverkning ... 5 2.1.2 Energianvändning ... 6 2.1.3 Ångnätet... 7 2.2 Ångturbiner ... 8 2.2.1 Mottrycksturbiner ... 8 2.2.2 Kondensturbiner ... 9

2.2.3 Beräkningsmetoder för turbiner och kondensor ... 10

2.3 Elmarknaden i Norden ... 10 2.4 Miljöeffekter av elproduktion ... 10 2.4.1 Klimatpåverkan ... 10 2.4.2 Övergödning ... 11 2.4.3 Försurning ... 11 3. Metod ... 11 3.1 Simuleringar ... 11 3.1.1 Data ... 11 3.1.2 Mottrycksturbiner ... 12 3.1.3 Kondensturbin ... 13 3.1.4 Kondensor ... 16 3.2 Scenariokonstruktion ... 17 3.2.1 Elpriser... 17 3.2.2 Miljöbedömning ... 18 3.3 Ekonomisk lönsamhet ... 20 3.3.1 Nuvärdesanalys ... 20

3.3.2 Beräkning av lönsamt elpris ... 21

3.4 Känslighetsanalyser ... 22

3.4.1 Teknisk känslighetsanalys ... 22

3.4.2 Ekonomisk känslighetsanalys ... 22

4. Resultat ... 23

(10)
(11)

1

Nomenklatur

Beteckning Förklaring Enhet

𝑄̇𝑓ö𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡 Värmeförlust i turbin kW

𝑊̇𝑒𝑙 Elproduktion i turbin kW

𝑚̇å𝑛𝑔𝑎 Massflöde av ånga kg/s

ℎå𝑛𝑔𝑎 Entalpi hos ånga kJ/kg

𝑣å𝑛𝑔𝑎 Hastighet på ånga m/s

𝑔 Tyngdacceleration m/s2

𝑧å𝑛𝑔𝑎 Ångans höjdläge m

𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠 Värmeöverföring i kondensor kW

𝑚̇𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 Massflöde av kylvatten kg/s

ℎ𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 Entalpi hos kylvatten kJ/kg

(12)

2

1. Inledning

Halten koldioxid i atmosfären ökar varje år, vilket leder till en förstärkt växthuseffekt. De mänskliga utsläppen av koldioxid och andra växthusgaser har lett till att jordens medeltemperatur har ökat (Hansen et al. 2006). FNs klimatpanel IPCC har vetenskapliga belägg för att en ökning av jordens medeltemperatur på 2°C kan ge måttliga konsekvenser på jordens klimat, och att det krävs kraftiga åtgärder för att förhindra att den nivån nås (SMHI 2014). En av orsakerna till de höga utsläppen av koldioxid är den stora användningen av fossil energi. Energianvändningen i världen har sedan år 1990 ökat med 46 % och år 2013 hade den nått upp till 98 626 TWh. I figur 1 visas hur fördelningen av energitillförseln i världen såg ut år 2014 (Ekonomifakta 2015).

Fig. 1. Fördelning av energitillförseln i världen år 2014 som domineras av fossila bränslen (Ekonomifakta 2015).

För att minska människans klimatpåverkan bör mer förnyelsebar energi användas i stället för den fossila energi som används idag. År 2014 antog EU nya klimatmål för att jobba för att inte nå den ökning av jordens medeltemperatur på 2 grader som tagits fram av IPCC. Dessa mål var att till år 2030 (EU-upplysningen 2016):

 Minska utsläppen av koldioxid med 40 % jämfört med nivåerna år 1990

 Se till att andelen förnyelsebar energi är minst 27 %

 Öka energieffektiviteten med 27 %

Industrisektorn står för 32 % av världens totala energianvändning, och den har ökat med 50 % sedan år 1990. Den största anledningen till ökningen är att industriproduktionen i Asien har ökat de senaste åren (Ekonomifakta 2016). Pappers- och massaindustrin ligger idag på fjärde plats när det gäller energianvändning bland industrier i världen och år 2005 motsvarade den ungefär 6 % av världens industriers energianvändning (Laurijssen et al. 2010; IEA 2008). I Sverige står pappers- och massaindustrin för 45 % av den industriella energianvändningen (Möllersten et al. 2003). Pappers- och massaindustrin genererar som många andra industrier

(13)

3 överskottsvärme som inte kan användas i processen (Zhang & Akiyama 2009). Om denna överskottsvärme utnyttjas skulle både kostnads- och miljömässiga besparingar kunna göras (Patil et al. 2009). Överskottsvärme finns i olika former och temperaturer och det finns flera användningsområden för den. Exempel på sådana användningsområden är produktion av fjärrvärme, fjärrkyla eller elektricitet. Elektriciteten kan bland annat produceras i en kondensturbin.

I pappersindustrin används ånga i olika delar av processen, och denna produceras i pannor på bruken. Ångan omvandlas för att få rätt egenskaper, och det kan göras i ångturbiner. Som ett resultat av den omvandlingen produceras el. År 2011 producerade svenska pappers- och massabruk själva 27 % av det totala elbehovet i branschen (Wiberg & Forslund 2012). Egen elproduktion innebär en minskad mängd inköpt el, vilket gör att energikostnaderna för bruken minskar. Energikostnaden för tillverkning av papper uppgår till 13 % av den totala produktionskostnaden (Fleiter et al. 2012), vilket gör att det kan vara av intresse att hitta åtgärder som minskar energianvändningen och därmed även kostnaden. Att minska mängden inköpt el kan även ge positiva effekter för miljön. Nordisk elproduktion ger upphov till utsläpp av växthusgaser, men också kväve- och svaveloxider som bidrar till övergödning och försurning (Svensk Energi 2010).

I dagsläget är elpriserna låga, år 2015 var medelelpriset i Norden 196SEK/MWh (Nord Pool 2016b). Flera källor förutspår att elpriset kommer att stiga i framtiden. Anledningen till det är att den svenska kärnkraften börjar bli gammal och snart behöver ersättas med ny teknik (Bixia 2015). Det finns planer på att bygga ut vindkraften men det behövs produktionstekniker som kan generera el även när det inte blåser, och då krävs antingen kärnkraft eller gaskraft (Alestig 2014). Indikationer finns redan på att höjda nätavgifter kommer att drabba konsumenter och framför allt elintensiva industrier (Normark et al. 2013). Ett exempel på en energiintensiv industri är Stora Enso Skoghalls Bruk som är ett pappers- och massabruk beläget norr om Vänern. Genom programmet för energieffektivisering i energiintensiv industri (PFE) har Skoghalls Bruk sedan början på 2000-talet minskat sin elanvändning med 87 GWh (Johansson & Lövgren 2015). Som ett resultat av dessa energieffektiviseringar produceras periodvis för mycket ånga i brukets ångpannor trots att de går på lägsta möjliga effekt. I dagsläget friblåses denna överskottsånga, vilket innebär att den släpps ut till atmosfär genom friblåsningsventiler för att hålla trycket på ångnätet på avsedd nivå.

1.1 Syfte och mål

Studiens syfte är att undersöka om elproduktion med hjälp av en kondensturbin är ett ekonomiskt lönsamt alternativ för att ta till vara på överskottsångan istället för att friblåsa den. Målet är att ta fram ett beslutsunderlag för dimensionering och bedömning av ekonomisk lönsamhet samt miljöpåverkan för en kondensturbin på Skoghalls Bruk.

(14)

4 1. Att undersöka hur mycket el som kan produceras i en kondensturbin av den

överblivna ångan som i dagsläget friblåses.

2. Att beräkna temperatur och storlek på flödet av kylvatten i kondensorn efter kondensturbinen som underlag för bedömning av lokal miljöpåverkan.

3. Att beräkna huruvida det är ekonomiskt lönsamt för Skoghalls Bruk att installera en kondensturbin.

4. Att undersöka hur installationen av en kondensturbin påverkar klimatet, övergödning samt försurning genom en större mängd egenproducerad el.

(15)

5

2. Bakgrund

I detta avsnitt beskrivs relevant bakgrund och teori för att ge en större förståelse för arbetet och de beräkningar som utförs. Här beskrivs Skoghalls Bruk, allmän teori och beräkningsmetoder för ångturbiner, den nordiska elmarknaden och miljökonsekvenser av elproduktion.

2.1 Stora Enso Skoghall

Skoghalls Bruk är ett pappers- och massabruk som är en av världens största producenter av livsmedelskartong och en del av det internationella företaget Stora Enso. Skoghalls Bruk har ungefär 850 anställda och producerar en sjättedel av all vätskekartong i världen. På Skoghalls Bruk finns två maskiner som producerar kartong: KM7 och KM8. Den årliga produktionen av kartong från de två maskinerna överstiger 700 000 ton varav 85 % exporteras (Stora Enso 2016). Skoghalls Bruk producerar två typer av livsmedelskartong: kartong för torra produkter (CKB) och vätskekartong.

2.1.1 Kartongtillverkning

Vid tillverkning av kartong på Skoghalls Bruk används tre olika sorters massa, två sorter som tillverkas internt och en som köps in. De massor som tillverkas internt är barrsulfatmassa och CTMP-massa och den massa som köps in är sulfatmassa av kortfiber. Den inköpta sulfatmassan består av eukalyptus eller björk (Sandström 2015).

(16)

6 Fig. 2. Översiktsbild för Skoghalls Bruk från ingående flis i övre delen av bilden till färdig kartong i övre högra hörnet (Sandström 2015).

Den producerade massan blandas med olika tillsatser för att få önskade egenskaper, och kallas då för mäld. Mälden pumpas sedan ut till någon av de två kartongmaskinerna KM7 eller KM8 där den går igenom ett antal torkningssteg. Första steget i kartongmaskinen är att mälden sprids ut på en vira där vattnet sugs bort med hjälp av vakuum. Sedan går banan in i presspartiet där vatten pressas bort med hjälp av filtar. Därefter går kartongbanan in i torkpartiet där den torkas mellan cylindrar som värms upp av ånga (Ghodbanan et al. 2015). Sista steget i kartongmaskinen är att banan går genom bestrykningsdelen där kartongen behandlas för att bland annat få bra tryckbarhet. En del av den kartong som produceras på Skoghalls Bruk skickas till Stora Ensos anläggning i Forshaga där den plastbeläggs med olika material utifrån kundens önskemål (Sandström 2015).

2.1.2 Energianvändning

(17)

7 Fig. 3. Fördelning av den totala bränsleanvändningen på Skoghalls Bruk år 2014.

Under år 2014 förbrukades 924 GWh el på Skoghalls Bruk varav 686 GWh köptes in. 245 GWh el producerades i brukets mottrycksturbiner, varav 8 GWh såldes till externa förbrukare. Detta innebär att ungefär 27 % av det totala elbehovet på bruket tillgodoses av egen elproduktion. I pannorna producerades 2 019 GWh ånga och under året friblåstes ungefär 8 GWh av den då det rådde tillfällig överproduktion i pannorna jämfört med processbehovet. Fördelningen av förbrukning av el och ånga i olika delar av processen under år 2014 redovisas i figur 4 (Johansson & Lövgren 2015).

Fig. 4. Fördelningen av el- respektive ångförbrukning i processerna på Skoghalls Bruk år 2014.

2.1.3 Ångnätet

(18)

8 och kommer vidare att benämnas som bar(ö). Pannorna producerar högtrycksånga (HP) som går genom två mottrycksturbiner; TG8 och TG9. Dessa producerar el samtidigt som de expanderar ångan till ett lägre tryck. TG8 omvandlar högtrycksångan till el, lågtrycksånga (LP) och ibland mellantrycksånga (MP). TG9 omvandlar högtrycksångan till el och mellantrycksånga. I dagsläget stryps högtrycksångan innan den går in i TG9 för att tryckfallet över turbinen ska bli detsamma oavsett ångflöde. Strypningen är en isoentalpisk process, vilket innebär att entalpin är oförändrad genom processen. Mellantrycksångan och lågtrycksångan från de två turbinerna går ut på ångnäten och används i olika delar av processen. Ångnätet som det ser ut idag visas i figur 5.

Fig. 5. En förenklad beskrivning över hur ångnätet på Skoghalls Bruk ser ut idag. Trycken på näten är angivna i bar(ö).

2.2 Ångturbiner

En ångturbin är en mekanisk anordning som omvandlar energin i ett ångflöde till mekaniskt arbete som sedan driver en generator. Ånga går in i turbinen och träffar blad som är fästa vid en axel. Detta får axeln att rotera och turbinen producerar ett arbete som sedan omvandlas till el i generatorn. Ångturbiner används för att producera elektricitet i till exempel kolkraftverk och kärnkraftverk men används även i energiintensiva industrier. Omkring 90 % av all elektricitet i världen produceras med ångturbiner (Wiser 2012). Det finns två typer av ångturbiner: mottrycksturbiner och kondensturbiner.

2.2.1 Mottrycksturbiner

(19)

9 respektive 10 bar(ö). I figur 6 beskrivs förenklat hur ett system med en mottrycksturbin ser ut.

Fig. 6. Översiktsbild för en mottrycksturbin där den utgående ångan används i olika delar av processen.

2.2.2 Kondensturbiner

Kondensturbiner används huvudsakligen i kraftverk där syftet med ångan är att producera elektricitet. De används även i industrier för att producera elektricitet med ånga vid lägre tryck och temperaturer, alltså mellan- och lågtrycksånga. Den stora skillnaden mellan en mottrycksturbin och en kondensturbin är att hos en kondensturbin tas ångan ut vid ett tryck under atmosfärstryck vilket innebär att den inte är lämplig att använda vidare i någon process. Istället kondenseras ångan till vatten i en kondensor som kyls av vatten från till exempel en sjö, ett vattendrag eller ett kyltorn. Dock måste ångan hålla en viss ånghalt när den går ur turbinen. Finns det för mycket vattendroppar i ångan när den befinner sig i turbinen finns risken att skovlarna i turbinen skadas. I figur 7 beskrivs förenklat hur ett system med en kondensturbin ser ut.

(20)

10

2.2.3 Beräkningsmetoder för turbiner och kondensor

För att beräkna det mekaniska arbete som utförs då ånga flödar genom en turbin ställs en energibalans upp enligt (1) (Cengel & Boles 2002). Vänsterledet beskriver värmeförlusten och det mekaniska arbetet som genereras i turbinen. Högerledet beskriver förändringen i ångans entalpi samt förändringen i ångans kinetiska och potentiella energi. Värmeförluster samt den potentiella och kinetiska energin kan ofta försummas då de är små relativt entalpiförändringen (Cengel & Boles 2002).

𝑄̇𝑓ö𝑟𝑙𝑢𝑠𝑡− 𝑊̇𝑒𝑙=

𝑚̇å𝑛𝑔𝑎(ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡− ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛+𝑣å𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡2 −𝑣å𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛2

2 + 𝑔(𝑧å𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡− 𝑧å𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛)) (1)

Vid användning av en kondensturbin är det nödvändigt att beräkna flödet och temperaturen på det kylvatten som krävs för att kondensera ångan. Flödet och temperaturen på det utgående kondensatet är samma som flödet och temperaturen är på den ingående ångan i kondensorn. Vid beräkningar kan en kondensor approximeras som en motströms värmeväxlare (Cengel & Ghajar 2011). Värmeöverföringen som sker mellan ånga och kylvatten i kondensorn beräknas därför enligt (2).

𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠 = 𝑚̇å𝑛𝑔𝑎(ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛− ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡) = 𝑚̇𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛(ℎ𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛,𝑢𝑡 − ℎ𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛,𝑖𝑛) (2)

2.3 Elmarknaden i Norden

I princip all elhandel i Norden görs via Nord Pool Spot. Nord Pool Spot är en elbörs som startade år 1996 och ägs av systemoperatörerna i Sverige, Norge, Finland och Danmark. Sedan 2010 är även de baltiska länderna kopplade till de nordiska ländernas elmarknad via en kabel mellan Finland och Estland. Elspot är en av de fysiska marknaderna där handeln sker, och här sätts priset timme för timme för det kommande dygnet (Svensk Energi 2015). Elpriset på marknaden styrs av balansen mellan utbud och efterfrågan. Säljare får lägga bud som sedan matchas med inköpspriserna. Där kurvorna för säljpris och inköpspris möts sätts marknadspriset. Både väder och minskad produktion i kraftverk är faktorer som kan påverka elpriset (Nord Pool 2016a). Elen i de nordiska länderna produceras bland annat genom vattenkraft, kärnkraft, vindkraft, kraftvärme och kolkondens (Gode et al. 2009).

2.4 Miljöeffekter av elproduktion

Olika typer av elproduktion påverkar miljön på olika sätt och olika mycket. Förnyelsebar elproduktion har mycket låg miljöpåverkan medan andra produktionssätt som till exempel elproduktion i kolkraftverk har betydligt större påverkan på miljön. I denna studie behandlas hur elproduktionen påverkar klimatet samt hur den bidrar till övergödning och försurning.

2.4.1 Klimatpåverkan

(21)

11 lustgas. Elproduktion där kol, olja och naturgas används som bränsle ger upphov till utsläpp av växthusgaser (Weisser 2007). Utsläppen av växthusgaser har minskat i Sverige sedan år 1990, men globalt sett har utsläppen ökat. Orsaken till ökningen är bland annat en ökad konsumtion. Åtgärder som kan minska utsläppen är energieffektiviseringar och strukturella förändringar i industrin (Naturvårdsverket 2015b). Dessutom kan växthusgasutsläppen minskas då elproduktionen skiftar från en fossilbaserad till en förnyelsebar produktion.

2.4.2 Övergödning

Övergödning är ett problem i både sjöar och hav i Sverige och i Östersjön är läget mycket allvarligt. Övergödning kan orsaka igenväxning och algblomning och går det långt kan bottnar drabbas av syrebrist. Detta kan göra att djur och växter dör och algblomningen kan även vara ett hälsoproblem för människor. Övergödning orsakas av för höga halter av kväve och fosfor. Det finns olika källor till dessa utsläpp, bland annat via läckage från jordbruk och utsläpp från avloppsreningsverk. Kväveoxider släpps även ut till luften genom biltrafik och kraftverk (Naturvårdsverket 2016). Elproduktion bidrar till utsläpp av kväveoxider vid förbränning av fossila bränslen, som vid kol-, olje- samt naturgasbaserad elproduktion (Svensk Energi 2010).

2.4.3 Försurning

Försurning orsakas av utsläpp av framför allt svaveldioxid, kväveoxider och ammoniak. Dessa kommer bland annat från utsläpp från transporter, energianläggningar, industri och jordbruk. Försurning har skadliga effekter på växter och djur. Detta gäller framför allt i sjöar och vattendrag. Försurning bidrar även till att material vittrar fortare, vilket skadar till exempel hällristningar, byggnader och rörledningar i marken. På grund av internationella överenskommelser har försurningen i Sveriges sjöar och vattendrag minskat, men på grund av att skogsmark och grundvatten har lång återhämtningstid har tyvärr inte samma förbättring skett där (Naturvårdsverket 2015a). Även här är det elproduktion som är baserad på fossila bränslen som ger de största utsläppen som orsakar försurning (Svensk Energi 2010).

3. Metod

I detta avsnitt beskrivs de metoder som använts för att utföra detta arbete. Metoddelen består av beräkning av elproduktion genom simulering av ångturbiner och kondensor, lönsamhetsberäkningar, miljöberäkningar och känslighetsanalyser.

3.1 Simuleringar

För beräkningar användes programmet MATLAB och simuleringstillägget Simulink. I Simulink används beräkningsblock som motsvarar olika matematiska operationer, och dessa kopplas samman för att bilda ett system av ekvationer.

3.1.1 Data

(22)

12 referensåret visas i figur 8. Trycket på friblåsningsångan är 3 bar(ö) och dess temperatur är ungefär 150°C.

Fig. 8. Den friblåsta ångan under referensåret 2015.

Ångflödenas energiinnehåll, det vill säga dess entalpier, hämtades från Spirax Sarcos ångtabeller (Spirax Sarco 2016). Datan behandlades i Excel för att kunna exporteras till MATLAB och Simulink.

3.1.2 Mottrycksturbiner

Elproduktionen från de två existerande mottrycksturbinerna simulerades genom att ställa upp energibalanser enligt (1). Förändringen i den kinetiska och potentiella energin samt värmeförluster försummades vilket resulterade i (3).

𝑊̇𝑒𝑙= 𝑚̇å𝑛𝑔𝑎(ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛− ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡) (3)

Entalpin hos ångan före TG8 och TG9 sattes till konstant 3341,51 kJ/kg vilket är entalpin hos ånga vid temperaturen 488°C och trycket 100 bar(ö). Då utloppstemperaturen från mottrycksturbinerna varierades med ett konstant tryck på 3 respektive 10 bar(ö) varierades även entalpin hos ångan. Den beräknades genom att skapa en funktion i MATLAB där entalpin interpolerades fram beroende av utloppstemperaturen från turbinerna.

För att modellen skulle ge verklighetstrogna resultat skapades en korrektionsfaktor genom att jämföra simulerad effekt i turbinerna mot verklig data för uppmätt effekt. Denna korrektionsfaktor fungerade i modellen som en verkningsgrad som tar hänsyn till förluster genom turbinerna. Korrektionsfaktorn beräknades till 0,873 och multiplicerades med den beräknade effekten i (3). De uppmätta effekterna från TG8 och TG9 visas i figur 9.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 2 5 6 5 1 1 7 6 6 1 0 2 1 1 2 7 6 1 5 3 1 1 7 8 6 2 0 4 1 2 2 9 6 2 5 5 1 2 8 0 6 3 0 6 1 3 3 1 6 3 5 7 1 3 8 2 6 4 0 8 1 4 3 3 6 4 5 9 1 4 8 4 6 5 1 0 1 5 3 5 6 5 6 1 1 5 8 6 6 6 1 2 1 6 3 7 6 6 6 3 1 6 8 8 6 7 1 4 1 7 3 9 6 7 6 5 1 7 9 0 6 8 1 6 1 8 4 1 6 8 6 7 1 F löde [t on/ h] Tid [h]

(23)

13 Fig. 9. Uppmätt effekt hos TG8 och TG9 för varje timme under år 2015.

3.1.3 Kondensturbin

Kondensturbinen placerades i modellen på mellantrycksnätet efter TG9. Friblåsningen sker i dagsläget från lågtrycksnätet, men i samråd med Skoghalls Bruk beslutades att kondensturbinen skulle placeras på mellantrycksnätet. Det innebär att vid en eventuell investering får ångan ledas genom kondensturbinen direkt från mellantrycksnätet när för mycket ånga produceras. Denna placering innebär även att mer elektricitet kan produceras i TG9 om ett högre ångflöde fås vid en eventuell baslast på kondensturbinen eftersom TG9 i dagsläget har outnyttjad kapacitet. Det uppmätta friblåsningsflödet av lågtrycksånga räknades därför om till ett motsvarande flöde av mellantrycksånga enligt (4).

𝑚̇å𝑛𝑔𝑎,𝑀𝑃 =𝑚̇å𝑛𝑔𝑎,𝐿𝑃∙ℎå𝑛𝑔𝑎,𝐿𝑃

ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑀𝑃 (4)

(24)

14 Fig. 10. Ångnätet på Skoghalls Bruk med en kondensturbin (KT) placerad på mellantrycksnätet.

Kondensturbinens elproduktion beräknades enligt (3). Under simuleringarna hölls entalpin vid inloppet respektive utloppet konstant. Den ingående ångan till turbinen kommer från mellantrycksnätet efter slutkylning, det vill säga med en temperatur på 212°C och ett tryck på 10 bar(ö) som ger en entalpi på 2850,55 kJ/kg. Slutkylning innebär att ångan kyls efter TG9 till den önskade temperaturen på mellantrycksnätet. Ångkvaliteten vid kondensturbinens utlopp, x, och isentropverkningsgraden, 𝜂𝑠, antogs enligt litteratur vara 88 % respektive 85 % (Dechamps 1996; Åström 2010). Entalpin för den utgående ångan beräknades i ett Mollierdiagram med hjälp av (5) (Cengel & Boles 2002).

ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡,𝑣𝑒𝑟𝑘𝑙𝑖𝑔 = ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛 − 𝜂𝑠(ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛− ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡,𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝) (5)

(25)

15 Fig. 11. Mollierdiagram med entalpiberäkning. Steg 1 – 2 visar den isentropa processen och steg 1 – 3 visar den verkliga processen.

Enligt Nilsson1 utsätts en turbin för mer slitage i form av termiska belastningar på materialet om den slås av och på med ett oregelbundet flöde och detta leder till en förkortad livslängd. Av denna anledning krävs en baslast för att uppehålla ett kontinuerligt flöde av ånga genom turbinen. En rimlig baslast på en ångturbin är 10-20 % av den maximala effekten (Siemens 2014). När en baslast används innebär det i praktiken att ny högtrycksånga måste produceras. Denna ånga leds genom TG9 innan den leds genom kondensturbinen, vilket ger en utökad elproduktion. I simuleringsmodellen användes en funktion som styrde baslasten. Mer ånga produceras alltså om friblåsningsflödet inte genererar den effekt som motsvarar den önskade baslasten.

(26)

16 För att avgöra hur kondensturbinen skulle dimensioneras för högsta ekonomiska lönsamhet simulerades sex olika fall med turbiner med olika storlekar och baslaster. Den effekt kondensturbinen bör ha för att klara av de högsta friblåsningsflödena togs fram genom att utföra en överslagsberäkning på friblåsningsångans energiinnehåll enligt (3). Denna effekt blev drygt 11 MW vid ett flöde på 77 ton/h. Som visas i figur 8 är det bara vid ett fåtal tillfällen under året då friblåsningsflödet når så höga nivåer. Därför simulerades mindre turbiner med lägre maximal effekt och därför en lägre baslast. De olika turbinfallen visas i tabell 1.

Tabell 1. Undersökta utformningar på kondensturbinen.

Turbinfall Turbinstorlek [MW] Baslast [MW]

1 10 1 2 10 2 3 9 0,9 4 9 1,8 5 8 0,8 6 8 1,6 3.1.4 Kondensor

För att beräkna flödet av kylvatten som krävs i kondensorn efter kondensturbinen användes (6) som härletts ur (2). Kondenseringen antas vara en isobar process, alltså att trycket förblir detsamma genom hela kondenseringen (Cengel & Boles 2002). Ångan kyls endast till det att den övergår från ångfas till vätskefas och blir mättat vatten. Denna beräkning är en överslagsberäkning för att få en uppfattning om i vilken storleksordning kylvattenflödena kan ligga på, och därför har ingen verkningsgrad använts.

𝑚̇𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 =𝑚̇å𝑛𝑔𝑎∙(ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑖𝑛−ℎå𝑛𝑔𝑎,𝑢𝑡)

(ℎ𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛,𝑢𝑡−ℎ𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛,𝑖𝑛) (6)

(27)

17 Tabell 2. Värden på entalpier för beräkning av kylvattenflöden. Entalpin för kylvattnet är vid atmosfärstryck. Flöde Entalpi, h [kJ/kg] Ångflöde in 2315,1 Ångflöde ut 251,5 Kylvatten in (20°C) 84,0 Kylvatten ut (25°C) 104,9 Kylvatten ut (30°C) 125,8 Kylvatten ut (35°C) 146,6 3.2 Scenariokonstruktion

I detta arbete konstruerades olika framtidsscenarier för att kunna anta framtida elpriser och koldioxidalstring från elproduktion. Dessa scenarier baserades både på hur den nordiska elproduktionen ser ut idag och på antaganden om hur framtiden kan se ut.

3.2.1 Elpriser

För att förutsäga hur de nordiska elpriserna kan se ut i framtiden konstruerades tre olika scenarier baserade på data från de senaste 16 åren på Nord Pools elmarknad (Nord Pool 2016b). De tre scenarierna presenteras nedan och elpriserna för dessa presenteras i figur 12.

 Ett ”medelfall” där ett medelpris beräknas över varje specifik månad från de senaste 16 åren. Till exempel beräknas ett medelpris för januari månad genom att summera elpriset i januari för de senaste 16 åren och dividerar sedan summan med antal år.

 Ett ”högt fall” där det maximala priset för varje specifik månad från de senaste 16 åren används. Till exempel används det högsta priset för januari som varit de senaste 16 åren som beräkningspris för januari.

(28)

18 Fig. 12. Elpriser för de olika scenarierna baserat på spotpriser från Nord Pool de senaste 16 åren.

Elpriserna för de olika scenarierna gjordes om till timvärden för hela året och multiplicerades med den simulerade elproduktionen för varje timme i modellen. Med elproduktionen menas den el som produceras i kondensturbinen samt den extra el som produceras i TG9.

3.2.2 Miljöbedömning

För att avgöra investeringens miljöpåverkan konstruerades olika framtidsscenarier som baseras på koldioxidalstring från elproduktion i dagsläget, artiklar, miljömål som beslutats av några av de nordiska länderna samt antaganden. Varje scenario resulterar i en koldioxidfaktor som sedan används i simuleringsmodellen för att undersöka vilken miljöpåverkan investeringen får. Koldioxidfaktorn kopplas alltså till den extra producerade elektriciteten som fås genom att använda en kondensturbin. Då den producerade elen antas användas internt minskar mängden inköpt el vilket leder till minskade utsläpp kopplade till nordisk elproduktion.

Konstruktionen av de olika scenarierna utfördes genom att använda data från International Energy Agency som beskriver hur stor del av varje nordiskt lands elproduktion som baseras på olika bränslen och tekniker (IEA 2016). Data från 2013 togs fram för Sverige, Norge, Danmark och Finland och presenteras i tabell 3.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 E lp ris ( SEK/M W h )

Nordiska elpriser baserat på spotpriser från år 2000-2015

(29)

19 Tabell 3. Fördelning av nordisk elproduktion baserad på olika tekniker och bränslen år 2013 (IEA 2016).

Bränsle/teknik Norge [MWh] Sverige [MWh] Danmark [MWh] Finland [MWh] Totalt [MWh] Totalt [%] Kol 138 1345 14292 14371 30146 7,66 Olja 31 411 352 234 1028 0,26 Naturgas 2452 837 3401 6788 13478 3,43 Biobränsle 211 9748 3461 11597 25017 6,36 Avfall 342 2995 1589 735 5661 1,44 Kärnkraft 0 66457 0 23606 90063 22,89 Vattenkraft 129022 61496 13 12838 203369 51,69 Solceller 0 35 518 6 559 0,14 Vindkraft 1894 9842 11123 774 23633 6,01 Övrigt 150 0 0 302 452 0,11

Fördelningen av elproduktion från olika tekniker kopplades sedan till data för koldioxidalstring knuten till respektive teknik och bränsle (Weisser 2007) för att utreda hur mycket koldioxidekvivalenter som alstras genom elproduktion för de olika teknikerna i Norden. Koldioxidalstringen knuten till respektive teknik och bränsle i Norden presenteras i tabell 4.

Tabell 4. Koldioxidalstring knuten till olika tekniker och bränslen vid elproduktion i Norden (Weisser 2007).

Bränsle/teknik CO2-alstring [kg CO2-eq / MWh el]

Kol 1100 Olja 850 Naturgas 610 Biobränsle 0 Avfall 0 Kärnkraft 13,4 Vattenkraft 17,5 Solceller 58 Vindkraft 19 Övrigt 0

Totalt konstruerades fyra olika framtidsscenarier som ska representera hur framtidens koldioxidalstring vid nordisk elproduktion kan se ut. Dessa presenteras nedan och benämns härefter som miljöfall 1-4.

1. Koldioxidalstringen från elproduktion fortsätter som i dagsläget.

(30)

20 3. Dansk kolkraft avvecklas och elektriciteten produceras istället av vindkraft. Detta

scenario baseras på en artikel från The Ecologist (Guevara-Stone 2016).

4. En kombination av miljöfall 2 och miljöfall 3. Svensk kärnkraft avvecklas och ersätts med 80 % förbränning av naturgas och 20 % vindkraft. Dansk kolkraft avvecklas och ersätts med 100 % vindkraft.

Genom att variera hur den nordiska elektriciteten produceras enligt de olika miljöfallen samt genom att koppla dessa fall till mängden koldioxid som alstras av respektive produktionsteknik fås en koldioxidfaktor för de olika fallen. Denna koldioxidfaktor används i simuleringsmodellen för att undersöka hur en investering av en kondensturbin på Skoghalls Bruk påverkar klimatet. Koldioxidfaktorerna för varje miljöfall redovisas i figur 13. Hänsyn togs även till bidragandet av försurning och övergödning vid nordisk elproduktion som den ser ut idag i form av svaveldioxidekvivalenter (0,277 kg SO2-eq per MWh el) respektive

fosfatekvivalenter (0,087 kg PO4-eq per MWh el) (SimaPro 2016). Elen som produceras i

kondensturbinen antas vara koldioxidneutral och antas inte generera några försurande och övergödande ämnen.

Fig. 13. De beräknade koldioxidfaktorerna för de olika miljöscenarierna.

3.3 Ekonomisk lönsamhet

Lönsamhetsberäkningen är uppdelad i två delar. Först beskrivs metoden som använts för lönsamhetsberäkningarna och vilka indata som använts i detta arbete. Därefter beskrivs metoden för beräkningen av ett lägsta elpris som krävs för att investeringen ska bli lönsam.

3.3.1 Nuvärdesanalys

Nuvärdesmetoden är en metod för att avgöra om en investering är ekonomiskt lönsam eller inte. Denna metod tar hänsyn till hur pengars värde förändras över tid, vilket gör att den lämpar sig för investeringar som sträcker sig över en längre period. Därför valdes denna metod för att beräkna lönsamheten i att investera i en kondensturbin. Två faktorer som påverkar nuvärdet är vilken ränta som betalas på pengarna som lånas till investeringen och

0 50 100 150 200 250

Miljöfall 1 Miljöfall 2 Miljöfall 3 Miljöfall 4

Ko ld io xid fak to r (k g CO 2 -eq / MW h e l)

(31)

21 den årliga inflationen. Inflation innebär att pengarnas värde minskar med tiden. Nuvärdet för varje år under investeringens livslängd beräknas med (7). Dessa värden summeras och om resultatet blir positivt är investeringen lönsam (Gallo 2014). Nuvärdet beräknades för alla de undersökta turbinvarianterna från tabell 1 för att se vilken som var mest lönsam.

𝑁 = (1+𝑟)𝐼−𝑈𝑛 (7)

I är intäkter och U är utgifter kopplade till investeringen varje år. I detta fall representerar intäkterna den besparing som erhålls från en minskad mängd inköpt el och utgifterna är kopplade till ångproduktionen samt investeringen i sig. r är räntan med borträknad inflation och n är antal år sedan investeringen skedde. Räntan är satt till 5 % inklusive en bortdragen inflation på 2 % enligt riktlinjer för företagsekonomisk låneränta (Trafikverket 2015). Denna ränta inkluderar inget krav på avkastning. Investeringen sträcker sig över 25 år vilket motsvarar en antagen livslängd på en ångturbin (Edrisi 2013).

För att beräkna utgifter kopplade till en utökad produktion av ånga i pannorna har ett pris satts på ångan kopplat till vilken typ av bränsle som använts. Priset för ånga som producerats med marginalbränsle, det vill säga inköpt biobränsle från en extern aktör, är enligt Enholm2 179 SEK per ton högtrycksånga och priset för ånga som producerats med internt biobränsle är 54 SEK per ton högtrycksånga.

Investeringskostnaden för installation av en kondensturbin erhölls genom antagna priser från Enholm2. Kostnaden presenteras i tabell 5 där den totala investeringen är indelad i olika poster. Utöver själva turbinen krävs även kringarbete som bland annat rördragning och elinstallationer. Det krävs även en ny byggnad där turbinen kan placeras som utgör en relativt stor del av den totala kostnaden.

Tabell 5. Uppskattade investeringskostnader för installation av en kondensturbin.

Investering Kostnad (kSEK)

Maskinleverans 27 900 Byggnad 26 040 El & Automation 6 510 Mek & Rör 10 230 Övrigt 13 020 Summa 83 700

3.3.2 Beräkning av lönsamt elpris

Beräkningar gjordes för att hitta det elpris som gör investeringen ekonomiskt lönsam efter ett visst antal år. Återbetalningstiderna som valdes var 5, 10 respektive 15 år. Beräkningarna

(32)

22 utfördes enligt (7) och gjordes för de turbinfall som var mest lönsamma för respektive bränsletyp.

3.4 Känslighetsanalyser

Känslighetsanalyser gjordes på resultaten för att validera deras trovärdighet och för att undersöka hur känslig modellen är för förändringar. Både en teknisk och en ekonomisk känslighetsanalys utfördes.

3.4.1 Teknisk känslighetsanalys

En känslighetsanalys utfördes på resultaten från simuleringsmodellen, närmare bestämt på elproduktionen från kondensturbinen. Denna känslighetsanalys bestod av att variera antagen indata i simuleringsmodellen. Indatan som varierades var verkningsgraden hos generatorn samt den isentropa verkningsgraden hos turbinen. Generatorns verkningsgrad varierades mellan 70 och 100 % och den isentropa verkningsgraden hos turbinen varierades mellan 70 och 100 % med ett konstant utloppstryck på 0,2 bar(a). Att variera den isentropa verkningsgraden hos turbinen innebär i praktiken att den utgående kvaliteten på ångan förändras vilket påverkar mängden producerad el. Intäkterna och utgifterna från elproduktionen för varje fall kopplades till en nuvärdesanalys för att undersöka hur återbetalningstiden för investeringen påverkades.

3.4.2 Ekonomisk känslighetsanalys

(33)

23

4. Resultat

4.1 Elproduktion

Resultaten från beräkningarna av de olika turbinfallens elproduktion redovisas i tabell 6. Turbinfall 2 ger högst elproduktion med totalt 30 158 MWh/år för både produktion i kondensturbinen och den extra produktionen i TG9. Lägst elproduktion ger turbinfall 5 med 16 270 MWh/år. I tabell 6 visas också hur stor del av elproduktionen i kondensturbinen som kommer från friblåsningsångan.

Tabell 6. Kondensturbinens elproduktion och den extra producerade elen från TG9 för de olika turbinfallen. Turbin-fall Turbin-storlek [MW] Baslast [MW] Elproduktion kondensturbin [MWh/år] Varav baslast [MWh/år] Elproduktion TG9 [MWh/år] Total el-produktion [MWh/år] 1 10 1 14 450 6 218 4 117 18 567 2 10 2 21 436 13 204 8 722 30 158 3 9 0,9 13 756 5 550 3 676 17 432 4 9 1,8 19 979 11 773 7 780 27 759 5 8 0,8 13 033 4 886 3 237 16 270 6 8 1,6 18 503 10 356 6 846 25 349

Kondensturbinens eleffekt för turbinfall 2 under ett år visas i figur 14. Baslasten ger en konstant lägsta effekt på 2 MW och de högsta effekttopparna når upp till 10 MW.

(34)

24 Den extra genererade effekten genom TG9 för fall 2 under ett år visas i figur 15. Det är den effekt som genereras av den extra producerade ångan till baslasten och därför är effekten från överskottsångan borträknad.

Fig. 15. Den extra effekten orsakad av baslasten genom TG9 för fall 2 under ett år.

4.2 Kondensor

Resultatet från simuleringarna av de olika flödena genom kondensorn vid turbinfall 2 redovisas i figur 16. Med en utgående kylvattentemperatur på 25, 30 eller 35°C blir det maximala kylvattenflödet ungefär 2000, 1000 respektive 670 kg/s. Alltså halveras kylvattenflödet om utloppstemperaturen ökas från 25°C till 30°C.

(35)

25

4.3 Ekonomisk lönsamhet

Intäkterna och utgifterna för de olika turbinfallen presenteras i tabell 7. Intäkterna motsvarar den intjänade kostnaden för den inköpta elen som besparas via egen produktion kopplad till de olika nivåerna på elpriser. Utgifterna motsvarar den kostnad som tillkommer då extra ånga måste produceras i pannorna för att tillgodose kondensturbinen med ånga till baslasten. Tabell 7. Intäkter och utgifter för alla turbinfall med de olika elprisnivåerna och bränsletyperna.

Turbin-fall Turbin- storlek (MW) Baslast (MW) Intäkt medel-elpris (kSEK) Intäkt högt elpris (kSEK) Intäkt lågt elpris (kSEK) Utgift marginal-bränsle (kSEK) Utgift intern-bränsle (kSEK) 1 10 1 6 632 12 460 2 586 7 875 2 396 2 10 2 10 770 20 230 4 201 16 720 5 089 3 9 0,9 6 227 11 700 2 428 7 029 2 139 4 9 1,8 9 915 18 620 3 867 14 909 4 537 5 8 0,8 5 811 10 920 2 266 6 187 1 883 6 8 1,6 9 054 17 010 3 531 13 114 3 991 4.3.1 Nuvärdesanalys

Resultaten från nuvärdesanalysen visade att valet av bränsle avgjorde vilket turbinalternativ som gav den mest lönsamma investeringen. Då internbränsle används för att producera ånga blir det mest lönsamt att installera en turbin på 10 MW med en baslast på 2 MW, det vill säga turbinfall 2. Resultatet från den nuvärdesanalysen redovisas i figur 17. Där visas nuvärdesanalyser för de tre olika elprisnivåerna.

(36)

26 Som visas i figur 17 är det endast det höga elpriset som ger ett positivt totalt nuvärde. Vid höga elpriser blir investeringen lönsam efter knappt sju år, medan varken medelelpriset eller det låga elpriset når ett positivt resultat under turbinens livslängd. När marginalbränsle används i pannorna blir turbinfall 5 mest lönsamt, alltså en turbin på 8 MW och en baslast på 0,8 MW. Resultaten för nuvärdesanalysen för de tre olika elprisnivåerna med denna turbinvariant redovisas i figur 18.

Fig. 18. Resultatet från nuvärdesanalysen på fall 5 vid användandet av marginalbränsle vid de tre olika elprisnivåerna.

Resultaten i figur 18 visar att ingen av elprisnivåerna ger ett positivt nuvärde för turbinfall 5 med marginalbränsle. Det är endast det höga elpriset som ger en kurva med positiv lutning, och de resterande prisnivåerna ger en negativ lutning. Detta är på grund av att marginalbränslepriset är så högt att den kostnaden överstiger besparingen som görs via den egna elproduktionen.

4.3.2 Lönsamt elpris

(37)

27 Tabell 8. Elpriserna som krävs för att en investering i en kondensturbin ska löna sig efter 5, 10 respektive 15 år.

Turbinfall Bränsle Elpris (5 år)

[SEK/MWh] Elpris (10 år) [SEK/MWh] Elpris (15 år) [SEK/MWh] 2 Internt 812 531 438 5 Marginal 1 598 1 045 873

Figur 19 visar elpriserna från de olika elprisscenarierna tillsammans med elpriserna som beräknats för de olika återbetalningskraven. Elpriserna för marginalbränsleberäkningarna överstiger alla scenariers elpriser. Elpriserna för internbränsleberäkningarna ligger runt nivån för det scenario med högst elpris.

Fig. 19. Elpriser från tidigare beräkningar samt elpriser från lönsamhetsberäkningarna för de olika återbetalningsåren.

4.4 Miljöeffekter

Resultatet från koldioxidberäkningarna redovisas i figur 20. Där visas minskningen av koldioxidutsläpp kopplade till alla turbinvarianterna för de fyra olika miljöfallen. Resultaten är redovisade i ton koldioxidekvivalenter per år och är kopplade till en minskad mängd inköpt el. Det är turbinfall 2, 4 och 6 som ger störst minskning av koldioxidutsläppen. Turbinfall 2 och miljöfall 2 tillsammans ger en minskning i utsläpp av koldioxidekvivalenter på 6 079 ton per år. Miljöfall 2 innebär att svensk kärnkraft avvecklas och att den elektriciteten i stället

0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 Elpr is (SE K /MW h)

(38)

28 produceras genom 80 % förbränning av naturgas och 20 % vindkraft. Skulle elproduktionen i Norden fortsätta som idag, det vill säga miljöfall 1, skulle turbinfall 2 ge en minskning i koldioxidutsläpp på 3 642 ton per år.

Fig. 20. Minskning av koldioxidutsläpp kopplat till nordisk elproduktion för varje turbin- respektive miljöfall.

Resultaten för beräkningarna av minskade utsläpp av försurande och övergödande ämnen för respektive turbinfall redovisas i figur 21. Även i detta fall är det turbinfall 2, 4 och 6 som ger störst minskning av utsläppen. Turbinfall 2 ger en minskning av utsläpp av svaveldioxid- och fosfatekvivalenter meddrygt 8 respektive 2,5 ton per år.

Fig. 21. Minskning av försurande samt övergödande ämnen kopplat till nordisk elproduktion för varje turbinfall. 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000

Miljöfall 1 Miljöfall 2 Miljöfall 3 Miljöfall 4

U tsl äpps m insk ni ng ( ton C O 2 -eq/ år ) Minskning av koldioxidutsläpp Turbinfall 1 Turbinfall 2 Turbinfall 3 Turbinfall 4 Turbinfall 5 Turbinfall 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Turbinfall 1 Turbinfall 2 Turbinfall 3 Turbinfall 4 Turbinfall 5 Turbinfall 6

U tsl äppsm insk ning ( ton/år )

Minskning av utsläpp av försurande samt övergödande ämnen

(39)

29

4.5 Känslighetsanalyser

Eftersom känslighetsanalysen endast utfördes på de mest lönsamma resultaten är det bara turbinfall 2 med internbränsle som redovisas i detta avsnitt. Analysen utfördes på medelelpriset.

4.5.1 Teknisk känslighetsanalys

Resultaten från nuvärdesberäkningen av känslighetsanalysen på generatorns verkningsgrad presenteras i figur 22. Originalverkningsgraden, det vill säga 95 %, samt verkningsgrader mellan 70 och 100 % i steg om 10 % visas. Resultaten visar att en generatorverkningsgrad på 100 % ger en elproduktion stor nog att göra investeringen lönsam efter 24 år.

Fig. 22. Nuvärden från känslighetsanalysen på kondensturbinens generatorverkningsgrad. Analysen är för turbinfall 2 med internbränsle och medelelpriser.

Nuvärdena för känslighetsanalysen på turbinens isentropverkningsgrad presenteras i figur 23. På samma sätt som vid generatorns verkningsgrad visas originalverkningsgraden, som i detta fall är 85 %, tillsammans med verkningsgrader mellan 70 och 100 % i steg om 10 %. Resultaten visar att två av verkningsgraderna ger en elproduktion stor nog att göra investeringen lönsam någon gång under turbinens livslängd. En verkningsgrad på 100 % skulle göra att investeringen lönar sig efter 18 år och en verkningsgrad på 90 % skulle göra att investeringen lönar sig efter 22 år.

-90 000 -80 000 -70 000 -60 000 -50 000 -40 000 -30 000 -20 000 -10 000 0 10 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 T ot al t nuv är de (k SE K ) År

Känslighetsanalys för generatorns verkningsgrad

(40)

30 Fig. 23. Nuvärden från känslighetsanalysen på kondensturbinens isentropverkningsgrad. Analysen är för turbinfall 2 med internbränsle och medelelpriser.

4.5.2 Ekonomisk känslighetsanalys

Resultaten från känslighetsanalysen för de olika räntorna i nuvärdesanalysen visas i figur 24. Skulle räntan vara 2 procentenheter lägre än det antagna värdet på 5 % skulle investeringen löna sig efter 20 år i stället för som idag då den inte lönar sig alls.

Fig. 24. Resultatet från känslighetsanalysen av räntan på fall 2 med internbränsle vid medelelpriser.

-100 000 -80 000 -60 000 -40 000 -20 000 0 20 000 40 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 T ot al t nuv är de (k SE K ) År Känslighetsanalys för isentropverkningsgraden 70% 80% 85% 90% 100% -100 000 -80 000 -60 000 -40 000 -20 000 0 20 000 40 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 T ot al t nuv är de (k SE K ) År

Nuvärden för det mest lönsamma fallet med medelelpriser och olika räntor

(41)

31 Resultatet från känslighetsanalysen på investeringskostnaden visas i figur 25. Om investeringskostnaden skulle vara 20 % lägre lönar sig investeringen efter 18 år.

Fig. 25. Resultatet från känslighetsanalysen av investeringskostnaden på fall 2 med internbränsle vid medelelpriser. -120 000 -100 000 -80 000 -60 000 -40 000 -20 000 0 20 000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 T ot al t nuv är de (k SE K ) År

Nuvärden för det mest lönsamma fallet med medelelpriser och olika investeringskostnader

(42)

32

5. Diskussion

5.1 Elproduktion

Enligt resultaten från tabell 6 skiljer sig de olika turbinfallens elproduktion mycket åt. Turbinfall 2, som ger högst elproduktion, har ungefär dubbelt så hög elproduktion som turbinfall 5 som ger lägst elproduktion. Att de olika fallen skiljer sig så mycket beror både på de olika turbinstorlekarna och de olika stora baslasterna. Resultaten visar alltså att om högsta möjliga elproduktion är önskad oavsett baslast bör turbinfall 2 väljas där den extra effekten som fås genom TG9 enligt figur 15 når över 1,5 MW. Vill man däremot undvika att producera mer ånga i pannorna för att uppehålla en baslast bör turbinfall 5 väljas där baslasten är relativt liten. Skulle turbinfall 2 väljas skulle drygt 30 GWh extra elektricitet produceras i TG9 och i kondensturbinen. Det motsvarar 12 % ökning av elproduktionen på Skoghalls Bruk jämfört med år 2014, vilket skulle minska brukets beroende av extern el ytterligare. Det gör att den egna elproduktionen ökar från 27 till 30 % av det totala elbehovet, vilket innebär Skoghalls Bruk producerar mer egen el än genomsnittet i branschen (Wiberg & Forslund 2012).

Som visas i tabell 6 står baslasten för majoriteten av den producerade elen vid alla turbinfall. Det vore önskvärt att kunna reglera friblåsningsångan för att kunna jämna ut ånglasten genom kondensturbinen. Genom att jämna ut ånglasten skulle effekttopparna som visas i figur 14 kunna fylla ut de luckor där det inte finns någon friblåsningsånga alls att tillgå. Detta skulle leda till att en mindre och billigare kondensturbin eventuellt skulle kunna användas samt att ny ånga inte skulle behöva produceras för att uppehålla en baslast i turbinen. Problemet med att reglera friblåsningsångan ligger i att det enbart är överskottsånga som används. Tillgången på överskottsånga är svår att förutspå då den beror av de övriga processerna på bruket. Ett exempel är vid ett avbrott på en av kartongmaskinerna. En lösning på problemet skulle kunna vara att använda en ackumulatortank för att lagra friblåsningsångan då tillgången är hög för att jämna ut flödet genom kondensturbinen. Denna lösning är inget som undersökts i detta arbete men skulle kunna vara ett alternativ värt att utreda i framtiden för att kunna använda endast överskottsånga i kondensturbinen.

Ångkvaliteten vid turbinens utlopp är antagen och baserad på vetenskaplig litteratur (Dechamps 1996). Det är möjligt att det finns turbiner som klarar av en lägre ångkvalitet ut ur turbinen vilket skulle leda till att ångan kan tas ut vid ett lägre tryck och alltså en lägre entalpi. Detta leder till en större entalpiskillnad genom turbinen och således en högre elproduktion.

5.2 Kondensor

(43)

33 gynnsamt behövs ytterligare undersökningar göras där hänsyn även tas till bland annat hur Vänern påverkas av höjda temperaturer. Anledningen är att en höjning av vattentemperaturen kan skada växter och djur som lever i närheten av kylvattnets utlopp (Ehlin et al. 2009).

Vid beräkningarna av de olika kylvattenflödena som krävs i kondensorn gjordes flera förenklingar och antaganden. Till exempel antogs kylvattnet ha en konstant temperatur på 20 °C under hela året. Detta gjordes enbart för att hitta det kylvattenflödet som kan krävas för de olika utloppstemperaturerna. Kylvattenbehovet bör i verkligheten bli lägre under större delen av året då kylvattnet har lägre temperatur och därmed ger en effektivare kylning. Ett annat exempel på förenkling är att verkningsgraden hos kondensorn antogs vara 100 % vilket leder till maximal värmeöverföring. I verkligheten kommer inte verkningsgraden vara så hög vilket i praktiken innebär ett ökat kylvattenflöde vid sänkt verkningsgrad. Dessa antaganden har dock mindre betydelse för resultaten i detta arbete då flödet endast beräknas för att få en ungefärlig uppfattning om hur mycket kylvatten som kan behövas vid en investering av en kondensturbin.

Denna studie undersöker inte hela kondensorcykeln vilket innebär att hänsyn inte tagits till behandlingen av kondensatet. Det utgående kondensatets potential behöver undersökas, det vill säga hur mycket värme som finns kvar i kondensatet och om det är värt att återledas som matarvatten till pannorna eller om det ska renas för att sedan släppas ut i Vänern. Om kondensatet återleds som matarvatten till pannorna kan energi besparas i uppvärmningen vilket skulle kunna leda till en minskad kostnad för ångproduktion.

5.3 Ekonomisk lönsamhet

Eftersom de olika bränslepriserna skiljer sig så pass mycket är det två olika fall som blir mest lönsamma beroende på vilket bränsle som används. Vid användning av internt biobränsle är det lönsamt att producera ånga då priset för bränslet understiger kostnaden för elen som visas i figur 17, vilket gör att en besparing fås genom att producera egen el jämfört med att köpa in el. Vid användandet av marginalbränsle överstiger däremot kostnaden för att producera ånga den besparing som görs genom att minska mängden inköpt el som visas i figur 18. Det är på grund av detta som det är önskvärt att ha en hög baslast vid användning av internt bränsle och en så låg baslast som möjligt vid användning av marginalbränsle. Enligt studiens beräkningar och antaganden skulle kondensturbinen kunna köras på fullast på heltid vid användning av internbränsle för att generera en större del av brukets elbehov och på sätt minska utgifterna kopplade till inköpt el. Dock finns vissa begränsningar, som till exempel hur mycket extra ånga pannorna har kapacitet att producera och även tillgången på bränsle. För att optimera körningen av kondensturbinen skulle den kunna planeras utifrån nivån på elpriset för dagen. Är elpriset högt kan turbinen lastas högt medan den kan stängas av helt dagar då elpriset är lågt.

(44)

34 det gäller elproduktion. Då elpriserna som antagits i denna studie är baserade på historiska priser kan de vara en bra uppskattning för de närmsta åren men blir mer osäkra på längre sikt. Trots att investeringen inte ser ut att löna sig i dagsläget kan resultaten i denna studie användas för en lönsamhetsbedömning i framtiden. Skulle elpriserna gå upp finns det förutsättningar för att investeringen skulle kunna löna sig. Värdena i tabell 8 kan då användas som riktlinjer för vilken nivå elpriset bör ligga på för att investeringen ska kunna genomföras. Italien är det land som just nu har högst elpriser bland de mer ekonomiskt framstående länderna i världen. År 2015 var medelpriset för elen i Italien 483 kr/MWh (GME 2016). Skulle Sverige nå samma elpriser som Italien har idag skulle investeringen löna sig efter knappt 15 år om internbränsle används för att producera ånga. Detta kan ses i tabell 8 där elprisgränsen för en återbetalningstid på 15 år ligger på 438 kr/MWh vid användning av internbränsle. De nordiska elpriserna kommer med hög sannolikhet att bli högre i framtiden. Dagens låga elpriser gör att det inte lönar sig att investera i ny energiproduktion som inte är subventionerad, vilket gör att elpriserna måste gå upp för att kraftbolagen ska kunna genomföra nya investeringar (Alestig 2014).

5.4 Miljöeffekter

År 2014 släppte Skoghalls Bruk ut lite drygt 50 000 ton fossil koldioxid (Sandström 2015). Den minskning av koldioxidutsläpp kopplad till elproduktion som skulle kunna fås vid kombination av turbinfall 2 och miljöfall 2 motsvarar drygt 12 % av Skoghalls Bruks årliga utsläpp av fossil koldioxid. Skulle elproduktionen i Norden fortsätta som idag, det vill säga miljöfall 1, skulle turbinfall 2 i stället ge en minskning av koldioxidutsläpp på motsvarande 7 % av de totala utsläppen. Denna minskning påverkar inte de utsläppen som sker direkt på bruket, utan är endast en jämförelse som visar hur stora utsläppsminskningarna kopplade till elproduktionen är relativt Skoghalls Bruks utsläpp.

Både minskningen av utsläpp av koldioxid samt försurande och övergödande ämnen är direkt kopplade till hur mycket el som produceras vilket visas i figur 20 och 21. Detta är för att mer egenproducerad el gör att mindre el behöver köpas in från de nordiska elproducenterna, vilket leder till lägre utsläpp av dessa ämnen. Det är turbinfall 2 som ger störst minskning av utsläpp, och vid användandet av internbränsle är det även detta fall som blir mest lönsamt. Används i stället marginalbränsle är det turbinfall 5 som är mest lönsamt, och detta fall är det som ger lägst minskning av utsläpp. Alla turbin- och miljöfall ger en positiv påverkan på miljön men i olika stor grad. Dock varierar lönsamheten mycket mellan de olika turbinfallen, och det är med stor sannolikhet lönsamheten som ligger till grund för beslutet om en kondensturbin ska installeras eller inte.

(45)

35 fosfatekvivalenter grundades i en jämförelse med fossila bränslen som till exempel olja. Sådana bränslen ger upphov till betydligt högre utsläppsnivåer än vad biobränslen gör och därför antogs de vara noll i detta fall.

Miljöscenarierna i denna studie är baserade på litteratur som beskriver hur framtidens elmarknad kan se ut. Litteraturen beskriver både mål som har satts och antaganden om hur framtiden kommer se ut. Som nämnts tidigare angående elpriserna är det mycket svårt att förutse hur framtidens elproduktion kommer se ut. EU har som mål att minska utsläppen av koldioxid markant den närmsta tiden (EU-upplysningen 2016), vilket gör att framtidens elproduktion ser ut att gå mot mindre användning av fossil energi. På vilket sätt det kommer att ske, och vilka bränslen och tekniker som kommer ersätta de fossila bränslena, är däremot svårt att förutsäga. Därför är miljöscenarierna i denna studie mycket osäkra. Det som kan sägas är däremot att en minskning i användning av inköpt el kommer att ge en minskning av koldioxidutsläpp baserat på de antaganden som gjorts om bränsleanvändningen på Skoghalls Bruk. Att ta vara på överskottsvärme har alltså en positiv effekt på miljön vilket stämmer överens med tidigare studier (Patil et al. 2009).

5.5 Känslighetsanalyser

Känslighetsanalyserna är endast gjorda på det mest lönsamma fallet vid användning av internbränsle för att få en uppfattning om hur förändrade förutsättningar ändrar möjligheten till lönsamhet om endast internbränsle skulle användas i framtiden. Anledningen är att det är mycket osannolikt att investeringen kommer bli lönsam om marginalbränsle används. Det krävs höga elpriser för att nuvärdeskurvan för marginalbränsle ska få en positiv lutning, och inte ens då nås ett positivt nuvärde under turbinens livslängd.

5.5.1 Teknisk känslighetsanalys

Resultaten från den tekniska känslighetsanalysen visar i figur 22 och 23 att det är osannolikt att turbinens förutsättningar kommer ändras så mycket att investeringen lönar sig. Generatorns verkningsgrad måste upp till 100 % för att det totala nuvärdet ska bli positivt och isentropverkningsgraden måste nå över 90 % för att det ska ske. Att nå en generatorverkningsgrad på 100 % är inte sannolikt då det alltid kommer att finnas vissa förluster i en generator. En isentropverkningsgrad på 90 % är något mer rimlig, men även vid den verkningsgraden är återbetalningstiden för investeringen lång.

5.5.2 Ekonomisk känslighetsanalys

(46)

36 undersökas vidare. Räntan är i dagsläget låg vilket gör att kostnaden för att ta ett lån till en investering är låg. Dessa förutsättningar kan dock ändras i framtiden, och därför bör de högre nivåerna, det vill säga en ränta på 5 respektive 7 % även beaktas.

(47)

37

6. Slutsats

Investeringen blir lönsam ur ett miljöperspektiv oavsett vilken turbinstorlek som väljs vid en eventuell investering. Så länge det finns någon form av fossil elproduktion i Norden i framtiden kommer alla de undersökta turbinfallen ge en minskning i utsläpp av koldioxid samt försurande och övergödande ämnen.

Med dagens förutsättningar är det dock inte ekonomiskt lönsamt för Skoghalls Bruk att investera i en kondensturbin för att ta vara på överskottsånga. Låga elpriser gör att besparingen inte blir tillräckligt hög i förhållande till investeringskostnaden. Vid mer gynnsamma förhållanden, alltså med högre elpriser, låg ränta eller en större mängd överskottsånga är det mer troligt att investeringen blir lönsam.

(48)

38

7. Referenser

Alestig, P. (2014). Högre elpriser att vänta i framtiden. Svenska Dagbladet. 2014-09-18. Tillgänglig: http://www.svd.se/hogre-elpriser-att-vanta-i-framtiden/om/naringsliv. Åström, D. (2010). System med ångpannor och mottrycksturbiner för generering av

processånga: Förändringsmöjligheter för ångcentral på AAK karlshamn. Diss. Lund, Sverige: Lunds tekniska högskola. Tillgänglig:

http://lup.lub.lu.se/luur/download?func=downloadFile&recordOId=1549960&fileOId=1 549967.

Bengtsson, L. (2011). Uppgradering av kraftvärmeblock 1 vid falu energi och vatten. Diss. Luleå, Sverige: Luleå Tekniska Universitet. Tillgänglig:

https://pure.ltu.se/portal/files/32718316/LTU-EX-2011-32681532.pdf.

Bixia (2015). Snabbare höjning av elpriset – enligt elbolaget Bixias långtidsprognos. Tillgänglig: https://www.bixia.se/om-bixia/press/nyheter/2015/snabbare-hojning-av-elpriset [2016-05-19].

Cengel, Y.A. & Boles, M.A. (2002). Thermodynamics: An engineering approach. (4 uppl.). New York, USA: McGraw-Hill.

Cengel, Y.A. & Ghajar, A.J. (2011). Heat and mass transfer: Fundamentals & applications. (4 uppl.). New York, USA: McGraw-Hill.

Confederation of European Paper Industries (2016). Types of Pulping Processes. Tillgänglig:

http://www.paperonline.org/paper-production/pulping/types-of-pulping-processes [2016-02-11].

Dechamps, P. (1996). Advanced combined cycle alternatives with the latest gas turbines. I ASME 1996 Turbo Asia Conference (s. V001T04A006). American Society of

Mechanical Engineers.

Edrisi, A. (2013). Riskmodell för utökat underhållsintervall på ångturbiner. Diss. Lund, Sverige: Lunds Tekniska Högskola. Tillgänglig:

http://lup.lub.lu.se/luur/download?func=downloadFile&recordOId=4053990&fileOId=4 054000.

Ehlin, U., Lindahl, S., Neuman, E., Sandberg, O. & Svensson, J. (2009). Miljöeffekter av stora kylvattenutsläpp. Erfarenheter från de svenska kärnkraftverken.Elforsk rapport, 9 79.

Ekonomifakta (2016). Energianvändning per sektor - internationellt. Tillgänglig:

http://www.ekonomifakta.se/Fakta/Energi/Energibalans-internationellt/Elproduktion/

[2016-05-06].

Ekonomifakta (2015). Energitillförsel - internationellt. Tillgänglig:

http://www.ekonomifakta.se/Fakta/Energi/Energibalans-internationellt/Energitillforseln/

References

Related documents

Lusardi och Mitchells (2013) studie har använts då de fokuserat på att studera liknande område och de har ställt frågor som kan användas för att besvara vår

De beskrivna gudasalarna är alltså hus m e d tak eller takdetaljer av guld, där finns också det evigt gröna, vida trädet (vars art ingen känner, som i fallet m e d Mimameid),

Syftet med denna undersökning är att undersöka blivande idrottslärares erfarenheter av och smak för natur och friluftsliv och hur det kommer till uttryck i deras föreställningar

Den första slutsatsen från den empiriska analysen är att det bland eleverna i undersökningen finns ett stöd för demokrati i allmänhet och, även mer specifikt,

I make this claim after having conducted an independent enquiry for the Swedish government of residence permits based on practical impediments to enforcing expulsion orders, and

När det fastställts att det går att detektera NPM till Arbetsförmedlingens omstrukturering, var det relevant att undersöka beslutet att inte inkludera personer med

Om undervisningen enbart berör elevernas sångtekniska förmåga utan att kunskaperna förankras med teoretiska begrepp kan konsekvenser uppkomma där eleverna har

När det kommer till återgången i arbete framhåller både män och kvinnor att få ta en paus från arbetet och bearbeta händelsen som viktiga faktorer för att kunna komma