Norrmejeriers anläggning i Luleå
Tintin Tingrot Maja Stenström
Civilingenjör, Hållbar energiteknik 2021
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
Förord
Detta projekt har genomförts vid Luleå tekniska universitet inom ramen för avslutande examensarbete i civilingenjörsutbildningen hållbar energiteknik. Arbetet har genomförts av oss, Maja Stenström och Tintin Tingrot, och omfattar totalt 60 högskolepoäng. Syftet med projekt har varit att kartlägga energi- och vattenanvändningen på Norrmejeriers anläggning i Luleå för att ta fram e˙ektiviseringsåtgärder för att ta tillvara vatten från processkylning.
Projektet har fördelats mellan oss för uppnå en jämn arbetsfördelning samt möjliggöra examination. Ansvarsområden har fördelats och åtgärder har delats upp. Dessa fördelningar har gjorts enligt följande, Maja har varit ansvarig för följande åtgärder: ljumvatten till för- och mellanskölj i diskcentralerna, ljumvatten för varmhållning av oljetanken samt den återcirkulerande kretsen för processkylan. Tintin har ansvarat för: ljumvatten till spädning av ångkondensat, ljumvatten till rengöring av lastbilar samt ljumvattenbaserad markvärme. Vid framtagning och urval av åtgärder har arbetet utförts gemensamt, likaså gäller ansvaret för rapportens helhet och redovisningar.
Vi vill rikta ett hjärtligt tack till Norrmejerier i Luleå och Sigma Industry East/North som möjliggjorde detta examensarbete. Vidare vill vi även rikta ett stort tack till våra handledare som har stöttat, hjälpt till och svarat på många frågor under projektets gång:
Elisabeth Wetterlund - Handledare och examinator Luleå tekniska universitet Daniel Broström - Handledare vid Norrmejerier Luleå
Håkan Larsson - Handledare vid Norrmejerier Luleå
Karin Sjöö Åkeblom - Handledare vid Sigma Industry East/North
Vidare vill vi även tack alla som hjälpt oss under projektets gång och ett extra tack riktas till följande personer:
Frida Lundmark - Biträdande handledare vid Sigma Industry East/North Lars-Göran Oskarsson - Underhållstekniker Norrmejerier Luleå
Johan Fjellstedt - Driftingenjör Norrmejerier Umeå
Christian Hagelberg - Anläggnings- och Mediachef Norrmejerier Umeå Lars Westerlund - Professor Luleå tekniska universitet
Signhild Gehlin - VD Svenskt Geoenergicentrum Maria Josefsson - Projektledare LKAB Wassara Övriga anställda vid Sigma Industry East/North
Maja Stenström & Tintin Tingrot Luleå 2021-06-08
Sammanfattning
Detta examensarbete har syftat till att minska Norrmejeriers energi- och vattenanvänd- ning genom att nyttja ljumvattnet. Ljumvatten är kommunalt vatten som används för processkylning vid förädling av grädde och fl. Ljumvattnet, 100 m3 per dag, värms då upp till 33◦C innan det förs till dagvattennätet. Generellt sett är ljumvattnet rent efter kylningsprocessen men om läckage uppstått är ljumvattnet förorenat.
Inledningsvis genomfördes kartläggningar över anläggningens energi- och vattenanvändning under 2020. Dessa har baserats på en kombination av uppmätta värden och generella antaganden, vilket ger en användbar uppskattning om energi- och vattenanvändningen inom anläggningen. På grund av större möjligheter att använda uppmätta värden för vattenkartläggningen har denna något högre tillförlitlighet än energikartläggningen.
Utifrån kartläggningarna har olika åtgärder för nyttjandet av ljumvattnet identiferats.
Dessa åtgärder har analyserats baserat på genomförbarhet, potential, risker, intresse och kunskap. Utifrån denna analys har sex stycken studerats närmare genom beräkningar och simuleringar samt ekonomisk kalkyl och känslighetsanalys.
Tre av dessa åtgärder ersätter kommunalt vatten: spädning av ångkondensat, för- och mellanskölj i diskcentralerna samt rengöring av lastbilar. Totalt genererar dessa åtgärder en vatten- och energibesparing på 9,2% respektive 0,7%. Återbetalningstiden varierar mellan 9-12 år med 10% kalkylränta. Implementering av dessa tre åtgärder rekommenderas då resursbesparingen är relativt hög och de risker som fnns är hanterbara.
Vidare har det undersökts att värmeväxla ljumvattnet för att nyttja energin. Två an- vändningsområden som identiferats är att värma oljetanken samt smälta snö och is med ett markvärmesystem. Varmhållning av oljetanken genererar en energibesparing på 0,1%
och återbetalningstiden är över 25 år. I och med den långa återbetalningstiden och att Norrmejerier har som mål att vara fossilfria till 2030 rekommenderas inte denna åtgärd.
Ett markvärmesystem skulle förbättra arbetsmiljön samt minska halkrelaterade skador och materialskador. Dock krävs det att systemet stödvärms med ånga under ungefär 200 timmar per år vid extremt väder. Denna lösning skulle ta vara på ljumvattnets energi men även öka anläggningens energianvändning. I och med detta rekommenderas inte denna åtgärd ur ett energiperspektiv.
Slutligen har det undersökts att helt ersätta ljumvattensystemet med en återcirkulerande krets. En kylvärmepump används för att nyttja värmen från processkylningen och en implementering skulle ge uppemot 20% vattenbesparing och minst 1,2% energibesparing.
Denna åtgärd är i ett tidigt stadie, osäkerheterna är stora och systemet är inte optimerat utifrån anläggningens behov. I och med detta rekommenderas det att systemet undersöks vidare då stor potential fnns.
Abstract
The aim of this master thesis is to reduce the use of energy and water at Norrmejerier in Luleå by using lukewarm water from process cooling. When producing cream and sour milk municipal water is used to cool the process. The lukewarm water, 100 m3 per day, is then heated to 33◦C before it leaves the facility. In general, the lukewarm water is clean after the cooling process but if leakage occur, the lukewarm water is contaminated.
To fnd measures for the lukewarm water an investigation of today’s energy and water use has been made, based on measured values and estimations. This gives an understanding of how the resources are used in the facility. Several measures for the lukewarm water have been analyzed. Six of the measures were selected based on feasibility, potential, and risk assessments. These were thereafter further investigated through calculations and simulations as well as fnancial calculations and sensitivity analysis.
Three of these measures will replace the municipal water and be used in steam condensate, pre-rinsing in the cleaning system, and to wash trucks. In total, these measures generate a water and energy saving of 9.2% and 0.7%, respectively. The payback time varies between 9-12 years calculated with a discount rate of 10%, which was a request from Norrmejerier.
These three measures are recommended to implement due to the relatively high savings of resources.
Furthermore, it has been investigated to extract the heat from the lukewarm water in order to use the energy. This can be used to heat oil tanks which will generate an energy saving of 0.1% and the payback time is over 25 years. Due to the long payback time and the fact that Norrmejerier aims to be fossil-free by 2030, this measure is not recommended.
Another option, is to use the lukewarm water for heating the asphalt with a ground heating system. This system will improve the working environment and reduce slip-related injuries as well as material damage. However, the temperature of the lukewarm water is not high enough when the outdoor temperature is very low and during these hours (200 h/year) steam has to be used to increase the temperature. This system would take advantage of the energy in lukewarm water, but it can also increase the total use of energy at the facility. Therefore, this measure is not recommended to implement, from a strict energy perspective.
The last measure that has been investigated is to replace today’s system with lukewarm water to a recirculating circuit. By using a heat pump, the heat from the process cooling can be utilized to pre-heat water to the steam condensate and cleaning systems. If a recirculating system is implemented the water usage can be reduced by 20% and the energy use will be reduced by at least 1.2%. This measure is still at an early stage and has uncertainties that need solving, and therefore the system needs to be further investigated.
Innehåll
1 Inledning 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.2 Syfte och mål . . . 2
1.3 Frågeställningar . . . 2
1.4 Avgränsningar . . . 2
2 Norrmejerier Luleå & bakomliggande teori 3 2.1 Norrmejeriers anläggning i Luleå . . . 3
2.1.1 Från hage till mage . . . 3
2.1.2 Systembeskrivning . . . 4
2.1.3 Rengöringsrutiner . . . 6
2.2 Vattenkvalitet . . . 7
2.2.1 Mätning av kvalitet . . . 7
2.2.2 Legionellabakterier och åtgärder vid förekomst . . . 7
3 Metodik 9 3.1 Energikartläggningen . . . 9
3.2 Vattenkartläggningen . . . 11
3.3 Metodik vid framtagning och urval av åtgärder . . . 11
3.3.1 Generella förutsättningar . . . 12
3.3.2 Ekonomisk analys . . . 13
3.3.3 Känslighetsanalys . . . 14
3.4 Undersökta åtgärder . . . 14
3.4.1 Ljumvatten till ångkondensat . . . 14
3.4.2 Ljumvatten till för- och mellanskölj i diskcentralerna . . . 15
3.4.3 Ljumvatten till rengöring av lastbilar . . . 15
3.4.4 Ljumvatten för varmhållning av oljetank . . . 15
3.4.5 Ljumvattenbaserad markvärme vid lastkajer . . . 16
3.4.6 Återcirkulerande krets för processkyla . . . 22
4 Resultat och diskussion 23 4.1 Energikartläggningen . . . 23
4.1.1 Stora värmeanvändare i anläggningen . . . 25
4.1.2 Elanvändare . . . 25
4.2 Vattenkartläggningen . . . 26
4.2.1 Stora vattenanvändare . . . 27
4.3 Åtgärder . . . 28
4.3.1 Ljumvatten till ångkondensat . . . 28
4.3.2 Ljumvatten till för- och mellanskölj i diskcentralerna . . . 30
4.3.3 Ljumvatten till rengöring av lastbilar . . . 33
4.3.4 Ljumvatten för varmhållning av oljetank . . . 35
4.3.5 Ljumvattenbaserad markvärme vid lastkajer . . . 37
4.3.6 Återcirkulerande krets för processkyla . . . 41
4.3.7 Allmän riskanalys av samtliga åtgärder . . . 47
4.3.8 Generella ekonomiska resultat & diskussion . . . 47
4.3.9 Förkastade åtgärder . . . 49
5 Slutsatser 51 5.1 Projektets koppling till FN:s hållbarhetsmål . . . 52
6 Fortsatta arbeten 53
Referenser 54
1 Inledning
I detta kapitel presenteras bakgrunden till projektet tillsammans med syftet och målfor- muleringen. Slutligen presenteras frågeställningarna som projektet ska besvara samt de avgränsningar som satts upp för att tidsramen ska hållas.
1.1 Bakgrund
Årligen konsumeras stora mängder mejeriprodukter i Sverige och intresset för när- och lokalproducerat ökar (Organic Sweden & KRAV, 2020). För att möta efterfrågan jobbar Norrmejerier Ekonomisk förening, (vidare ”Norrmejerier”), dygnet runt för att producera mejeriprodukter. Processen är dock resurskrävande och de tre mejerierna i Umeå, Burträsk och Luleå använder tillsammans 742 000 m3 kommunalt vatten och 101 GWh energi årligen (Norrmejerier, 2021b, s.8). I och med det stora behovet är e˙ektivisering av resurser viktigt för att minska klimatpåverkan. Norrmejerier sätter kontinuerligt upp interna mål som är kopplade till Sveriges miljömål och FN:s globala mål för hållbar utveckling. Projektet har valt att fokusera på följande av Norrmejeriers interna mål vid undersökning av mejerianläggningen i Luleå, (Karlsson, 2021)
• Den totala energianvändningen i respektive mejeri ska minskas med 5 % senast 2030 i förhållande till användningen 2020
• Den totala vattenanvändningen i respektive mejeri ska minskas med 5% senast 2030 i förhållande till användningen 2020
• 100% förnybara energikällor ska användas senast 2030
För att uppnå dessa mål krävs e˙ektiviseringar av den befntliga anläggningen. I dagsläget använder Norrmejerier i Luleå ungefär fyra liter rent kommunalt vatten vid produktion av en liter mjölk. En del av detta vatten används för processkylning och denna andel motsvarar ungefär 100 m3 per dag vilket motsvarar drygt 20% av mängden kommunalt vatten in till anläggningen. Kommunalvattnet värms upp till drygt 33◦C vid kylning av processen, vidare benämns detta vatten som ljumvatten. Vattnet är i regel rent efter användningen och trots detta så spolas det ut till dagvattnet alternativt avloppet beroende på temperatur. Potential fnns för att kunna ta vara på ljumvattnet och använda både värmen och vattnet inom anläggningen för att uppnå de uppsatta målen. (Broström &
Larsson, 2021)
1.2 Syfte och mål
Projekts beställare är Norrmejerier i Luleå och projektet har genomförts genom Sigma Industry East/North. Syftet och målet har varit att ge Norrmejerier underlag för att ta tillvara på ljumvatten i anläggningen. En övergripande energi- och vattenutredning har utförts och legat till grund för identifering av åtgärder. En ekonomisk överslagskalkyl och känslighetsanalys genomfördes för utvalda åtgärder tillsammans med en riskanalys för att identifera drivare och barriärer för de analyserade åtgärderna. Dessutom ska arbetet kortfattat kopplas mot de globala hållbarhetsmålen som FN tagit fram.
1.3 Frågeställningar
Nedan presenteras de frågeställningar som har ställts upp för att uppnå projektets syfte och mål.
• Hur ser dagens energi- och vattenanvändning ut vid mejeriet i Luleå?
• Vilka åtgärder kan identiferas för att nytta ljumvattnet?
• Vilka åtgärder rekommenderas att implementeras baserat på ekonomisk kalkyl, riskanalys och resursbesparing?
1.4 Avgränsningar
Följande avgränsningar har gjorts för att genomföra förstudien inom uppsatt tidsram.
• Produktionsanläggningen i Luleå består av två delar, mejeridelen och Nordan som producerar högpastöriserade produkter. I denna förstudie är enbart mejeridelen i fokus.
• Den övergripande energiundersökningen bygger vidare på det hållbarhetsarbete som tidigare gjorts vid mejeriet.
• Projektet gör inte en djupanalys av möjligheter till placering av de rekommenderade åtgärderna i mejeriet. Med andra ord görs enbart en grov uppskattning av byggnadens utformning samt avstånd mellan komponenter inom anläggningen.
2 Norrmejerier Luleå & bakomliggande teori
I detta avsnitt presenteras Norrmejeriers anläggning i Luleå och hur mejeriprocessen kortfattat går till från hage till mage. Vidare ges en översiktlig systembeskrivning av anläggningens värme-, kyl- och rengöringsbehov. Det presenteras även bakomliggande teori för mätning av vattenkvalitet samt problematik med bakterietillväxt med fokus på legionellabakterier.
2.1 Norrmejeriers anläggning i Luleå
Norrmejeriers anläggning i Luleå byggdes 1961 och har sen dess byggts ut och renoverats i olika omgångar (Broström & Larsson, 2021). Anläggningen består av två delar: mejeriet och Nordan. Till mejeriet ankommer mjölk varje dag året runt, med tankbil från lantbrukare runt om i regionen. Under 2020 hanterades totalt 34,4 miljoner kg obehandlad mjölk (Norrmejerier, 2021a) som förädlades till standard-, mellan- och lättmjölk samt fl och
grädde (Broström & Larsson, 2021).
Norrmejerier utför årliga interna energiuppföljningar som bland annat tar hänsyn till den totala användningen av vatten, ånga, energi och el. Delar av dessa energikartläggningar presenteras i hållbarhetsredovisningen årligen. Ett startskott för e˙ektiviseringsarbetet gjordes med en energikartläggning under 2014, vilket legat till grund för delar av detta projekt. (Broström & Larsson, 2021)
2.1.1 Från hage till mage
I fgur 1 presenteras en illustrativ fgur över förädlingen av mjölken. Processen börjar med att kossorna mjölkas och råmjölken transporteras med lastbil till mejeriet.
Figur 1: Illustrativ fgur över processen från det att mjölken anländer till dess att den lämnar mejeriet samt i vilka processer som mjölken hettas upp alternativt kyls.
När lastbilen anländer till mejeriet pumpas råmjölken till silotankar och kyls med isvatten till 4◦C (Broström & Larsson, 2021). Efter att mjölken kvalitetkontrollerats transporteras den till vit zon. Det är den del av mejeriet där mjölken förädlas. I vit zon hettas mjölken upp med hjälp av ånga till 55-60 ◦C (Broström & Larsson, 2021). Upphettningen underlättar vid separeringen av skummjölk och grädde. Vidare i processen sker standardiseringen där skummjölk och grädde återblandas för att skapa rätt fetthalt i slutprodukten. För att undvika att mjölken åter ska skiktas homogeniseras den genom att fettkulorna i mjölken fnfördelas. (Bylund m. f., 2015, kap. 6.3-6.4)
Den homogeniserade mjölken hettas därefter upp till 78◦C i 15 sekunder. Detta kallas pastörisering vilket görs för att ta död på de mikroorganismer och bakterier som fnns i mjölken. Därefter kyls mjölken till 4◦C i en plattvärmeväxlare med hjälp av isvatten.
(Broström & Larsson, 2021)
Vid produktion av grädde och fl hettas produkten upp till 95◦C i 8 respektive 300 sekunder.
Därefter kyls produkten ner i två steg, först med kommunalt vatten och sen med isvatten.
Efter värmeväxlingen har det kommunala kylvattnet värmts upp till ungefär 33◦C och lämnar vit zon som ljumvatten. (Broström & Larsson, 2021)
2.1.2 Systembeskrivning
Nedan ges en kortfattad beskrivning kring hur uppvärmning, kylning och rengöring genomförs vid anläggningen i Luleå. Detta för att ge en bild av behoven som ligger till grund vid framtagandet av åtgärderna.
Värme
Anläggningens värmebehov beror delvis på produktionen men också på bland annat uppvärmning av lokaler och tappvarmvatten. Temperaturspannet för de värmekrävande processerna är mellan 55–140◦C där produktionen i Nordan kräver högst temperatur.
För de festa andra processer i anläggningen är 95◦C den högsta temperaturen. För att tillgodose värmebehovet används ånga som produceras i en pelletspanna. (Broström &
Larsson, 2021)
Under två separata veckor per år sker service på pelletspannan och reservkraft i form av två oljepannor sätts in. Dessa oljepannor installerades under 1960-talet och för att undvika problem varmhålls oljepannorna året runt med hjälp av ånga. Detta förebygger rostbildning och gör även att de snabbt kan tas i bruk. För att ytterligare underlätta vid start av oljepannorna varmhålls även oljetanken. Oljan varmhålls med ånga till en temperatur på mellan 25–30◦C, detta för att underlätta vid pumpning till pannorna.
(Broström & Larsson, 2021)
I ångsystemet återcirkulerar stora delar av ångkondensatet men visst läckage fnns. För att ersätta detta läckage späds kondensatet med kommunalt vatten till matarvattentan- ken, MAVA-tanken. Kraven på spädvattnets renlighet är höga för att inte pelletspannan ska förstöras om det kommer in föroreningar. Enligt Danstoker (2003) måste vattnets konduktivitetsvärde vara lägre än 500 µS/cm vid 25◦C. Utöver att kontinuerligt mäta konduktivitetsvärdet bör vattenprover tas dagligen på konduktivitet, pH-värde, hårdhets- grad samt syreinnehåll för att säkerställa vattenkvaliteten (Danstoker, 2003, s.38). Om kontaminerat vatten förs in i pelletspannan riskeras att pannan tar skada. Exempelvis kan avlagringar bildas av dålig vattenkvalitet, vilket försämrar pannans verkningsgrad.
Vidare kan även dåligt vatten leda till att pannsten bildas som leder till att kylningen försämras och sprickor uppstår som i sin tur leder till läckage.
Uppvärmning av lokaler sker med ett vattenburet radiatorsystem som värms med ånga.
Även uppvärmning av ventilation är ansluten till denna krets. Systemet styrs utifrån utomhustemperaturen.
Kyla
Kylbehovet i mejeriet är starkt kopplat till produktionen, mjölkhanteringen och utomhus- temperaturen. Kylning av processer sker genom två olika system ett med isvatten och ett med kommunalt vatten. Kylsystemet som använder isvatten är en återcirkulerande krets där vatten är runt 0◦C och mellanlagras i en bassäng på 200 m3 . Bassängen kyls med kylkompressorer vars överskottsvärme kyls med evaporativ kylning utomhus.
I fgur 2 presenteras ljumvattensystemet. Drygt 100 m3 kommunalt vatten används dagligen för att kyla produktionen av fl och grädde. Temperaturen på ljumvattnet höjs i snitt till 33◦C och pumpas ut på dagvattennätet alternativt avloppsnätet beroende på temperatur och konduktivitetsvärde.
Figur 2: En översiktlig fgur över ljumvattnets väg genom anläggningen.
Norrmejerier använder sig av samdistribution med andra företag för att minska antalet transporter i regionen. Detta kräver extra kyl- och frysutrymme i anläggningen. I dagsläget fnns ungefär 15 000 m3 kylrum och 500 m3 frysrum som kyls med kylmaskiner vars överskottsvärme kyls bort med evaporativ kylning utomhus.
2.1.3 Rengöringsrutiner
Då livsmedel hanteras är rengöring A och O för att säkerställa livsmedelskvaliten. Det fnns fera olika rengöringsprogram som kan köras beroende på vilka objekt som ska rengöras. Två diskcentraler, behandlad och obehandlad diskcentral, fnns i mejeridelen av anläggningen som sköter diskningen och rengöringen av objekt som varit i kontakt med behandlad mjölk respektive obehandlad mjölk. I fgur 3 presenteras de disksteg som fnns för respektive central. Alla diskprogram använder inte alla disksteg men diskstegen kan också upprepas fertalet gånger per program.
Figur 3: Schematisk bild över diskstegen i respektive diskcentral inklusive återcirkulerande vatten till förskölj.
Rent kommunalt vatten används i diskcentralerna till sköljning av objekt, spädning av kemikalietankar samt hetvatten för sterilisering av objekt. Som ses i fguren är sköljningen uppdelad i tre olika steg för den behandlade diskcentralen: för-, mellan- och slutskölj. För den obehandlade diskcentralen sker endast två sköljsteg: för- och slutsköj. Vid förskölj används i stor del återcirkulerande vatten som lagrats från tidigare program. Vid ett optimalt diskprogram består försköljet enbart av återcirkulerat vatten men då detta inte är fallet späds det till viss del med kommunalt vatten.
För att motverka smuts och spridning av bakterier måste alla tankbilar som levererar mjölk till mejeriet sköljas i ankomsthallen innan de får tömma sin last. Sköljningen sker genom att lastbilarna kör igenom en dusch som sköljer av bilarna med kallt kommunalt vatten. Mellan 1 500 och 2 000 lastbilar ankommer årligen och mätningar utförda av Norrmejerier visar att vattenåtgången vid en sköljning motsvarar ungefär 1 m3 . (Broström
& Larsson, 2021)
2.2 Vattenkvalitet
För att säkerställa en godkänd vattenkvalitet, vilket varierar beroende på användningsom- råde för vattnet, fnns olika metoder att mäta och rena vattnet på. Exempelvis kan ett RO-flter (omvänd osmosanläggning) användas för att rena vattnet. Vattnet trycksätts och förs igenom ett fnt membran som fltrerar bort joner vilket gör vattnet renare (Waterman, u. å.).
2.2.1 Mätning av kvalitet
För att ge en helhetsbild av vattnets renhet krävs mätningar av olika parametrar såsom konduktivitet och grumlighet. Vattnets ledningsförmåga mäts med en konduktivitetsmätare och ger en indikation på vattnets sammansättning och därmed hur rent vattnet är.
Konduktiviteten varierar med vattentemperaturen då viskositeten på vätskan ökar med ökad temperatur. (Mettler-Toledo GmbH, 2016)
Vid undersökning om vattnet förorenats och blivit grumligt, används en turbiditetsmätare (grumlighetsmätare). Denna mäter ljusgenomsläppet och på så sätt fastställer hur grumligt vattnet är (Socialstyrelsen, 2006, s.74). För att vidare undersöka vattenkvaliteten och detektera organiskt material kan en TOC-mätare användas. TOC står för Total organic carbon och mätaren noterar föreningar såsom socker och protein (Mettler Toledo, u. å.).
2.2.2 Legionellabakterier och åtgärder vid förekomst
Bakterietillväxt förekommer överallt och kan bidra till stora problem. Legionellabakterier är ett exempel på en bakterie som kan ställa till med stora problem i stillastående vatten.
Bakterien kan orsaka allvarliga sjukdomar då människor får in dessa bakterier i lungorna.
I lungorna ökar bakterietillväxten och risken för allvarlig lunginfammation ökar. Dessa bakterier sprids med vattendimma vilket uppstår i samband med att vattenstrålar slås sönder. Det fnns inga riktlinjer och gränsvärden kring vad som klassas som förhöjda halter av legionellabakterier i vatten. (Boverket, 2017; Folkhälsomyndigheten, 2015) Tillväxt av bakterier sker vid stillastående vatten samt vid temperaturer mellan 20–45◦C, där optimal tillväxt sker mellan 35-45◦C (Boverket, 2017). Förebyggande arbete för att undvika legionellabakterier är viktigt då sanering av systemet kan vara komplicerat. För att döda dessa bakterier krävs högre temperaturer och tid. För att 90% av bakteriemängden ska avlägsnas krävs följande temperaturer och tidsspann enligt Boverket (2017):
• 50◦C i 5-10 timmar
• 60◦C i mindre än 10 minuter
• 70◦C i mindre än 10 sekunder
Utöver termisk desinfektion kan vattnet även renas genom bestrålning med UV-ljus vilket dödar bakterierna, dock endast i den punkt som bestrålas. Det kan därför inte säkerställas att vattnet är fritt från bakterier i övriga delar av vattensystemet. Det är därför viktigt att placera ljuskällan så nära tappstället som möjligt. Ytterligare metoder för att desinfektera vattnet är genom att kontinuerligt tillsätta kemikalier för att förebygga problem. Slutligen kan även flter monteras i vattenledningen som renar vattnet. (Stoppa legionella, u. å.)
3 Metodik
I detta kapitel presenteras metodiken och de antaganden som gjorts vid uppbyggandet av energi- och vattenkartläggningarna. Kartläggningarna är baserade på årsbasis och framtagna för att skapa en helhetsbild av anläggningens användning under 2020. Vidare presenteras metodiken för framtagning och urval av åtgärder för att ta tillvara på ljumvattnet. Detta följs av generella förutsättningar, ekonomisk metodik samt känslighetsanalys. Slutligen presenteras en mer detaljerad metodik för vardera åtgärd.
3.1 Energikartläggningen
I energikartläggningen inkluderades hela Norrmejeriers anläggning i Luleå vilket omfattar mejeriet och Nordan. Energianvändningen kategoriserades och delades in i 16 poster.
Alla energianvändare i Nordan sammanställdes till en post då projektet fokuserar på mejeriet. Nordans elanvändning är uppmätt och dess värmeanvändning är uppskattad till att motsvara ungefär 25-26% av anläggningens totala användning (Broström & Larsson, 2021).
Norrmejerier utför kontinuerliga mätningar som legat till grund för energikartläggningen.
Uppmäta värden från 2020 (Norrmejerier, 2021a) har använts vid genomförandet av kartläggningen och presenteras nedan.
• Invägd mjölk
• Pelletsanvändning
• Oljeanvändning
• Elanvändning
Energianvändningen har delats upp i olika poster för el och värme med stöd från tidigare kartläggning (Enermin Oy, 2015) samt intern diskussion. Vid avsaknad av uppmätta värden har diskussion förts med Norrmejerier. Dessutom har data från tidigare kartläggning skalats om utifrån skillnad i användning och produktion för att täcka vid avsaknad av data (Norrmejerier, 2016, 2021a).
Energianvändarna förluster i ångsystemet och varmhållning av oljepannor samt pellets- pannan och MAVA-tanken, är direkt relaterade till ånganvändningen. I och med detta har det antagits att dessa har minskats i korrelation med pellets- och oljeanvändningen mellan åren 2014 och 2020. Utöver detta har ingen utrustning i pannrummet modiferats eller ersatts sedan 2014, vilket styrker antagandet.
I följande lista presenteras de energiposter som har korrigerats procentuellt baserat på minskad mjölkinvägning.
• Pastörer
• Mjölkmottagningen
• Tryckluftsproduktion
• Kompressorer för isvatten
Dessa antaganden har gjorts då posterna anses vara starkt kopplade till produktionen och därmed hur mycket mjölk anläggningen hanterar. Tryckluftsproduktionen kan antas vara i relation till mjölkinvägningen eftersom den främst används för att styra ventiler i produktionen. För isvattensystemet gäller detsamma eftersom vattnet används för kylning av silotankar och mjölkprocessen.
Energianvändningen för den behandlade och obehandlade diskcentralen är beräknad utifrån det uppmätta värmebehovet och elanvändningen under 56 dagar från januari till mars.
Detta anses vara representativt för hela året då mjölkproduktionen är relativt jämn över året. Dessutom är energibehovet för diskcenteralerna oberoende av utomhustemperaturen.
Beräkningarna för ventilationens elbehov under ett år baserades på uppmätt data från uppskattningsvis halva ventilationen under januari månad. Då ventilationssystemet alltid har samma föde antogs elbehovet vara detsamma över hela året. Uppvärming av ventila- tionen och radiatorsystemet är kopplad till samma krets som värmeväxlas med ånga till en ungefärlig temperatur av 65◦C. Uppvärmning har uppskattats vara nödvändig nio må- nader om året och beräknades utifrån givna värden på föde i systemet och temperaturer.
(Broström & Larsson, 2021) Detta gjordes med följande ekvation,
q˙ = ˙ ΔT. mcp (1)
Där,
q˙ Energi [W]
m˙ Massföde [kg/s]
Cp Specifk värmekapacitet [kJ/kg K]
ΔT Temperaturdi˙erens [K]
Värmebehovet för att varmhålla oljetanken beräknades med ekvation (1). Temperaturerna avlästes 2021-02-17 (Broström & Larsson, 2021) och födet angavs i ett födesschema. Den slutna kretsen värmeväxlas med ånga till en ungefärlig temperatur av 30◦C.
Sedan 2015 har nya förpackningsmaskiner installerats i mejeriet. Elbehovet för dessa nya maskiner är uppskattat till tre gånger större än de gamla (Broström & Larsson, 2021). Till följd av detta beräknades elanvändningen vara tre gånger så stor som användningen 2014.
Vidare har även belysningen bytts ut till LED-belysning, detta uppskattas till att minska elbehovet med 85% (Baylan & Svedman, 2015) i förhållande till motsvarande värde 2014.
Då behovet för kyl- och fryslager är oförändrat sedan 2014 har detta värde har antagits vara konstant. I posten övrigt ingår elbehovet för bland annat pumpar, fäktar och övriga energitekniska komponenter som saknar uppmätta värden. I denna post ingår även
elbehovet för utrustning i kontor och övriga ytor samt kylning av ventilationen. Storleken på denna post beräknades som skillnaden mellan inköpt el respektive värme och summa av alla el- respektive värmeposter. Värmebehovet i denna post består bland annat av uppvärmning av tappvarmvatten då mätdata saknas.
3.2 Vattenkartläggningen
I vattenkartläggningen inkluderades hela Norrmejeriers anläggning i Luleå. Vattenanvänd- ningen kategoriserades och delades in i åtta poster. Vattenbehovet i Nordan är uppmätt och representeras av en post i kartläggningen då projektet fokuserar på mejeridelen.
Följande data är baserat på uppmätta värden i anläggningen:
• Inköpt kommunalt vatten
• Ånga till mejeriet
• Ånga till Nordan
• Ljumvatten till processkyla
• Behandlad diskcentral
• Obehandlad diskcentral
Vattenbehovet för rengöring av en lastbil har mätts upp av Norrmejerier. Behovet per år är beräknat baserat på antalet lastbilar som ankommer till anläggningen.
Mängden vatten som återcirkulerar vid diskcentralerna har uppskattats utifrån diskussion med Norrmejerier. 90% av vattnet i mellan- och slutskölj antas återcirkulera för att användas i försköljet. Även 90% av kemikalieblandningarna och hetvatten har antagits återcirkulera. Detta har antagits gälla båda diskcentralerna.
Återcirkulerande ångkondensat är uppmätt till 80-85% (Broström & Larsson, 2021), resterande 15-20% ersätts med kommunalt vatten, denna mängd kallas spädvatten till ång- kondensat. I kartläggningen har 82,5% återcirkulering antagits vilket gör att ångsystemet behöver spädas med 17,5% vatten.
Posten övrigt består av vattenanvändare som saknar uppmätta värden och där uppskatt- ningar var svåra att genomföra. Storleken på denna post beräknades som skillnaden mellan inköpt vattenmängd och summa av vattenanvändarna. Det som inkluderats i posten är bland annat tapp- och tappvarmvatten samt övrigt processvatten. Även spädvatten till radiatorsystem och isvattenssystemet inkluderas.
3.3 Metodik vid framtagning och urval av åtgärder
Under projektets gång har ett fertal åtgärder identiferats utifrån konceptframtagning, kartläggningarna samt interna och externa diskussioner. Respektive koncepts genomför- barhet och potential har utvärderats, vilket har baserats på intresse hos Norrmejerier, tidigare arbete vid anläggningen och kunskaper från utbildningen. Parallellt med detta har beräkningar och simuleringar genomförts som har gett underlag till bedömningen av åtgärdens potential. Utifrån detta har ett antal åtgärder valts ut för vidare arbete.
Under arbetet har en del koncept och åtgärder förkastats av olika anledningar. Vissa koncept har förkastats i ett tidigt stadie medan andra har studerats närmare innan åtgärden strukits. Anledningar till förkastning har varit bland annat bristfällig mätdata, kunskap, renlighetskrav, intresse och genomförbarhet. Dessutom har projektets tidsplan gjort att både åtgärder förkastats och begränsats. För de åtgärder som valts att gå vidare med har en noggrannare bedömning av risker och mervärde till följd av implementering samt ekonomisk bedömning och känslighetsanalys genomförts. I listan nedan presenteras de åtgärder som valts ut för att analyserats noggrannare:
• Ljumvatten till ångkondensat
• Ljumvatten till för- och mellanskölj i diskcentralerna
• Ljumvatten till rengöring av lastbilar
• Ljumvatten för varmhållning av oljetank
• Ljumvattenbaserad markvärme vid lastkajer
• Återcirkulerande krets för processkyla 3.3.1 Generella förutsättningar
Norrmejerier köper in vatten från Luleå kommuns vattenverk i Gäddvik. Vattentemperatu- ren in till anläggningen är okänd då temperaturmätare saknas. Därför har en uppskattning gjorts av vattentemperaturen utifrån ett medelvärde mellan snitttemperaturen vid vatten- verket och avloppsverket Uddebo under 2020. Detta gav en medeltemperatur på 8,4◦C vilket projektets beräkningar baserats på. Temperaturen vid vattenverket varierar mellan ungefär 3◦C och 10◦C medan vid avloppsverket är temperaturspannet 6◦C och 15◦C (Talludde, 2021).
Flödet av ljumvattnet beror på produktionens kylbehov och är därför diskontinuerligt.
För att säkerställa att vatten- och värmebehovet alltid kan tillgodoses vid implementering av åtgärder krävs det att vattnet kan lagras i ackumulatortankar. Mätdata på timbasis för sex veckor spridda över 2020 har analyserats för att fastställa snittlängden på ett avbrott i ljumvattenfödet. Snittlängden baserades på produktionen mellan söndag-fredag då kylbe- hovet är lägre under lördagar eftersom ingen fl produceras. Det genomsnittliga uppehållet är 8 timmar, vilket ackumulatortankarna är dimensionerade utifrån. Storleken har dock avrundats vid de ekonomiska beräkningarna för att vara lämplig för de ackumulatortankar som fnns på marknaden. I fgur 4 visas födet av ljumvatten under sex veckor spridda under 2020.
Figur 4: Graf över det diskontinuerliga födet av ljumvattnet över sex veckors tid under 2020.
Som ses i fguren följer kurvorna samma mönster med några få avvikande värden vilket beror på produktionen under tidsperioden alternativt mätfel. Vecka 12 som visas i blått har använts vid beräkningar och antas vara representativ för hela året.
3.3.2 Ekonomisk analys
Projektet är en förstudie och till följd av detta har endast uppskattningar av investe- ringskostnad gjorts för åtgärderna. Detta för att ge ett riktvärde på vad respektive implementering kostar och vilka ingående komponenter som krävs. Prisuppgifter för ingå- ende komponenter har tagits fram som riktpriser i samråd med leverantörer och handledare på Norrmejerier. Kostnader för montering, frakt och installation har antagits motsvara kostnaden för det ingående materialet. Vid beräkningarna av kostnad för rördragning har längden uppskattats utifrån ritningar av fastigheten. Dessutom har rören antagits vara raka utan böjar eftersom antalet böjar på ledningar har varit svårt att uppskatta då det avgörs av omgivande arkitektur. För att förenkla beräkningarna så har vissa kostnader exkluderats från investeringskostnaden såsom styrsystem, underhåll samt kringliggande utrustning till exempel pumpar och elkablar.
Vid de ekonomiska beräkningarna har den ekonomiska livslängden valts till 6 år utifrån önskemål från Norrmejerier. För att ta hänsyn till både den ekonomiska livslängden och kalkylräntan användes nuvärdesmetoden vid beräkningarna. Kalkylräntan ansattes till 10% på önskemål av Norrmejerier. Då ingen direkt inkomst genereras till följd av implementering av åtgärderna har den summa som besparas årligen vid minskat behov använts i beräkningarna. För att ge en snabb överblick på hur lång tid det tar för investeringen att betalas tillbaka har även återbetalningstiden beräknats. Detta har gjorts med hänsyn till kalkylräntan enligt ekvation (2) och utan hänsyn till kalkyräntan med ekvation (3), (Tillra, u. å.)
ln(1 − BG r)
T = − . (2)
ln(1 + r)
T = G . (3)
B Där,
T [år] Återbetalningstid G [kr] Grundinvestering B [kr] Årlig besparing r [%] Kalkylränta
3.3.3 Känslighetsanalys
En känslighetsanalys har gjorts för vardera åtgärd på nettonuvärdet. Detta för att under- söka hur investeringarna står sig vid förändrade förutsättningar. Undersökta parametrar varierades ±20% respektive ±50%. De undersökta parametrarna var material- & monte- ringskostnad kombinerat och var för sig. Dessutom har inköpspris på vatten och pellets samt mätdatafel undersökts.
Materials- och monteringskostnaden är starkt beroende av produktval och är därför osäkra.
Priserna kan även korrigeras om både produkt och montering beställs av samma leverantör då ett paketpris kan ges. Dessutom är endast kostnaden för montering uppskattad och antagen att motsvara kostnaden för den materiella investeringen. För att ta hänsyn till hur dessa kostnader varieras har de analyserats i känslighetsanalysen. Vidare har även korrigeringar i inköpspris av pellets och vatten undersökts. Detta då de spelar stor roll för hur stor besparing investeringarna genererar årligen. Slutligen har även mätdatafel tagits i beaktning, detta då det råder stor osäkerhet kring vissa värden som kartläggningarna bygger på. I och med detta kan investeringarnas storlek variera.
Utöver detta har även kalkylräntans påverkan undersökts för åtgärden där ljumvattnet ersätter kommunalt vatten vid spädning av ångkondensatetet. Kalkylräntan varierades mellan 2-10% för att påvisa hur räntan påverkar nettonuvärdet.
3.4 Undersökta åtgärder
I detta avsnitt presenteras metodiken för respektive åtgärd som valts att studeras närmare.
3.4.1 Ljumvatten till ångkondensat
Med denna åtgärd undersöktes möjligheten att använda ljumvatten som spädvatten till ångkondensat. Energibesparingen har baserats på hur mycket energi som krävs för att värma kommunalt vatten till 33◦C, vilket motsvarar temperaturen på ljumvattnet. Detta beräknades genom ekvation (1) med spädvattnets massa.
Vid implementering av denna åtgärd krävs en installation av en TOC-mätare som de- tekterar protein i vattnet. Vidare krävs även en konduktivitetsmätare för att säkerställa att ljumvattnet är rent nog samt en ackumulatortank för att kunna lagra ljumvattnet
och bibehålla temperaturen. Dessutom krävs även ny rördragning mellan ljumvattnet och MAVA-tanken samt nya ventiler. I känslighetsanalysen för denna åtgärd har alla parmetrar listade i avsnitt 3.3.3 Känslighetsanalys undersökts.
3.4.2 Ljumvatten till för- och mellanskölj i diskcentralerna
Med denna åtgärd undersöktes möjligheten att använda ljumvatten till diskcentralerna.
Till följd av renlighetskrav har endast vattenföden till för- och mellanskölj undersökts vidare. Denna åtgärd genererar endast en vattenbesparing då kallt kommunalt vatten används i dagsläget.
Mätdata för mängden kommunalt vatten som används till sköljstegen saknas och därför har en uppskattning av mängden gjorts. Detta genom att beräkna andelen vatten som kan värmas upp med ekvation (1) baserat på uppmätt energianvändning i respektive diskcentral. Temperaturen antogs till medelvärdet av maxtemperaturer på hetvattnet och kemikalieblandningarna. Det antogs även att kemikalierna har samma specifka värmekapacitet som vatten vid motsvarande temperatur.
Vattnet som inte värmts upp har antagits användas till sköljstegen. Fördelningen mellan dessa sköljsteg har baserats på en uppskattad mängd vatten per diskning och antal diskar under en period på 28 dagar som gjorts av Norrmejerier. Andelen vatten till spädning av kemikalier har baserats på koncentrationen och uppmätt mängd kemikalier som används under 28 dagar. Utifrån dessa antagande har den totala fördelningen av kommunalt vatten i diskcentralerna beräknats. Resterande vattenmängd i förhållande till uppmätt mängd under samma tidsperiod har antagits användas till hetvatten.
Vid implementering av denna åtgärd krävs en installation av en konduktivitetsmätare, grumlighetsmätare samt ett UV-ljus. Vidare krävs även ny rördragning mellan ljumvattnet och respektive diskcentral samt nya ventiler. I känslighetsanalysen för denna åtgärd har alla parmetrar listade i avsnitt 3.3.3 Känslighetsanalys bortsett från pelletspriset undersökts.
3.4.3 Ljumvatten till rengöring av lastbilar
Med denna åtgärd undersöktes möjligheten att använda ljumvatten för att skölja lastbilar.
Den vattenbesparing som åtgärden genererar har beräknats som mängden vatten som går åt vid sköljning av alla lastbilar under ett år. Genom att klocka en sköljning bestämdes vattenfödet.
Vid implementering av denna åtgärd krävs en installation av ett UV-ljus samt ny rör- dragning mellan ljumvattnet och tanken för lastbilssköljningen. Dessutom krävs nya ventiler. I känslighetsanalysen för denna åtgärd har alla parmetrar listade i avsnitt 3.3.3 Känslighetsanalys bortsett från pelletspriset undersökts.
3.4.4 Ljumvatten för varmhållning av oljetank
Med denna åtgärd undersöktes möjligheten att använda ljumvatten som värmekälla vid varmhållning av oljetanken. Beräkningar har baserats på en motströmsvärmeväxlare, då detta ansetts vara den mest e˙ektiva för ändamålet. Dimensionering av värmeväxlaren bygger på ljumvattnets temperatur och energibehovet för varmhållning. Temperaturdif- ferensen över värmeväxlaren är vald till 5◦C respektive 2◦C mellan fuidernas in- och
hög som möjligt eftersom oljans viskositet är temperaturberoende. Det har antagits att ljumvattenfödet är konstant.
Vid implementering av denna åtgärd krävs en installation av plattvärmeväxlare samt ny rördragning mellan ljumvattnet och värmeslingan till oljetanken samt nya ventiler. I känslig- hetsanalysen för denna åtgärd har alla parmetrar listade i avsnitt 3.3.3 Känslighetsanalys bortsett från vattenpriset undersökts..
3.4.5 Ljumvattenbaserad markvärme vid lastkajer
Genom att använda ett markvärmesystem i asfalten i anslutning till lastkajerna kan snö och is smältas. Detta förbättrar arbetsmiljön för lastbilschau˙örerna och övrig personal som rör sig vid kajerna. Dessutom kan höjdskillnader mellan lastkajen och lastbilen undvikas vilket minskar risken för skador på anläggningen och fordon. Därför har det undersökts om vattenburen markvärme med ljumvatten som värmekälla kan användas för att smälta snö och is vid lastkajerna. Detta har gjorts i tre steg: design av systemet, beräkning av värmeföde vid markytan i MATLAB R2020b samt simulering av systemet i ANSYS Fluent 2020 R2. Dessa tre steg har gjorts för att undersöka om temperaturen på ljumvattnet är tillräcklig hög för att kunna hålla marken is- och snöfri.
Vid implementering av denna åtgärd krävs en installation av ett markvärmesystem med slingor och ny asfalt. Dessutom krävs en värmeväxlare för att värmaväxla ljumvattnet med glykolslingan i marken. Det krävs även nya ventiler samt rördragning mellan ljumvattnet och värmeväxlaren. Åtgärden skulle dock inte generera några direkta intäkter som kan mätas i denna förstudie. Till följd av detta har inte återbetalningstid eller nettonuvärde beräknats och därmed har ingen känslighetsanalys genomförts.
Systemdesign
För markvärmesystem i Luleå är den rekommenderade framledningstemperaturen runt 40◦C (Åberg, 2021). Då åtgärden undersöker huruvida ljumvattnet kan användas som värmekälla ansattes framledningstemperaturen till 29◦C på glykolslingan. Detta då ljum- vattnets temperatur är 33◦C och en värmeväxlare används. Därför krävs ett temperatur- di˙erens på minst 4◦C.
Då framledningstemperaturen är lägre än rekommenderat är det önskvärt att tempera- turfallet i slingan är så lågt som möjligt. Normalt används ett temperaturfall på 15◦C vid en slinglängd mellan 170-200 m (“Generell information om Tetragonias system för snösmältning”, 2019). Genom att använda kortare slinglängder borde samma värmee˙ekt kunna uppnås med längre temperaturdi˙erens. För att uppnå detta togs utformningen av slingsystemet som visas i fgur 5 fram.
Figur 5: Schematisk fgur över hur slingorna i markvärmesystemet är placerade.
Denna utformning tillåter en slinglängd på 24 meter och födet upprätthålls därmed med en högre returtemperatur. Det rekommenderas att upprätthålla ett e˙ektföde på ungefär 350 W/m2 i Luleå (Åberg, 2021). Genom att använda ekvation (1) har returtemperaturen beräknats för en slinglängd på 24 meter. Längden valdes för att täcka längden av en lastbil på 12 meter. Returtemperaturen gäller för ett föde på glykolblandningen som är 0,3 l/s.
Avståndet mellan rören och markytan valdes utifrån framledningstemperaturen och sattes till 50 mm utifrån rekommendation av “Generell information om Tetragonias system för snösmältning” (2019). Vidare valdes rördiametern till 32 mm vilket är den maximala rekommenderade innerdiametern. Den maximala storleken valdes för att uppnå en stor yta för värmeöverföring då framledningstemperaturen är ungefär 10◦C lägre än vad som normalt används i Luleå. För denna rördiameter rekommenderades 250 mm avstånd mellan rörens mittpunkter (“Generell information om Tetragonias system för snösmältning”, 2019).
Under rören och asfalten används grus som bärlager. Detta bärlager ska vara en meter tjockt, till följd av att jordtäcket inte är djupare är så vid Norrmejeriers anläggning. I fgur 6 visas ett tvärsnitt på det dimensionerade markvärmesystemet där två halva rör är representerade som halvcirklar.
Figur 6: Schematisk fgur över markvärmesystemet i tvärsnitt. Dimensionerna är grun- dade på markvärmesystem från “Generell information om Tetragonias system för snö- smältning” (2019).
Värmeföde
En energibalans har ställts upp vid ytan för att bestämma maximala födet som krävs för att marktemperaturen inte ska understiga 0◦C. Energibalansen vid ytan visas i fgur 7.
Parametrar så som kondensation, ledning och avdunstning har försummats då dessa anses ha en liten påverkan på resultatet.
Figur 7: Energibalans vid markytan.
Energibalansen ger ekvation (4),
q˙mark = q˙solrad − q˙konv − q˙sno¨ − q˙rad. (4) Där,
q˙mark [W/m2] Energifödet vid markytan
q˙solrad [W/m2] Energin som markytan absorberar från solinstrålning q˙konv [W/m2] Energin som överförs genom konvektion
q˙sno¨ [W/m2] Energin som krävs för att fasomvandla snö till vatten q˙rad [W/m2] Energin som överförs genom stålning
Utvecklat ger det ekvation (5),
Cs − σ(T 4 − T 4 ). (5) q˙mark = αq˙sol − h(Tmark − Tluf t) − m˙ sno¨ mark luf t
I tabell 1 presenteras värden som används vid beräkning av energibalansen vid ytan.
Tabell 1: Använt indata för beräkningar av energibalansen vid markytan.
Enhet Förklaring Värde
α [ - ] Markytans absorptans 0,9 för asfalt (J.P. Holmen, 1997, s.481) q˙sol [W/m2] Global solinstrålning (SMHI, u. å.)
h [W/m2◦C] Värmeövergångstal 5 (Jernkontoret, u. å.)
Tmark [◦C] Marktemperatur 0
Tluf t [◦C] Lufttemperatur (SMHI, u. å.)
m˙ sno¨ [kg/h] Snömassa Beräknad enligt ekvation (6)
Cs [kJ/kg] Specifk smältentalpi 333 för is* (Elfgren & Lehto, 2016, s.16)
[ - ] Markytans emittans 0,9 för asfalt (J.P. Holmen, 1997, s.481) σ [W/m2K4] Stefan-Boltzmanns konstant 5, 67· 10−8 (Incropera m. f., 2017, s.729)
*Antas även gälla för snö
Att nederbörd kommer i form av snö i stället för regn beror på parametrar såsom temperatur, luftfuktighet och lufttryck. Enligt Harpold, Rajagopal, Crews, Winchell och Schumer (2017) har prognoser som baserats på enbart temperatur liknande precision som prognoser baserade på både temperatur och luftfuktighet. På grund av detta har endast temperaturen tagits i beaktning vid framtagning av nederbördsmängd i form av snö. Vid temperaturer lägre än +1,5◦C har nederbörden antagits ske som snöfall (SMHI, 2021).
Vid beräkningarna har inte snödrev tagits hänsyn till. Nederbörden har räknats om till massa per kvadratmeter med ekvation (6),
m˙ sno¨ = AN ρ. (6)
I tabell 2 presenteras indata som använts för beräkning av nederbörd per kvadratmeter.
Tabell 2: Indata som använts vid beräkning av massa nederbörd per kvadratmeter.
Enhet Förklaring Värde
A [m2] Area 1
N [m/h] Nederbörd i vätskefas (SMHI, u. å.)
ρ [kg/m3] Densitet 999,8 (Elfgren & Lehto, 2016)
I MATLAB har de presenterade ekvationerna (4),(5) och (6) använts för att beräkna värmefödet i marken. Detta har gjorts med timdata mellan åren 2014 och 2019 för lufttemperatur, solinstrålning och nederbörd. Datat är uppmätt vid Luleå fygplats väderstation och hämtat från SMHI (u. å.). Vid tidpunkter då väderdata saknats har värden skapats med linjär interpolering. Vidare har endast perioder då uppvärmning av marken krävs för att upprätthålla 0◦C vid ytan undersökts.
Simuleringar i ANSYS Fluent
För att bestämma det maximala energifödet ut från markytan som uppnås med givna framlednings- och returtemperaturer har simuleringar i ANSYS genomförts. På så sätt kan det simulerade energifödet jämföras med det beräknade energibehovet som gjordes i MATLAB. En 2D-modell av ett tvärsnitt av markytan byggdes upp i ANSYS enligt fgur 6. Två rör, ett framledningsrör och ett returrör, simulerades för att undersöka hur temperaturfallet påverkar energifödet. I tabell 3 presenteras materialegenskaperna som används vid simuleringarna.
Tabell 3: Använt indata för asfalten och bärlagret vid simuleringarna.
Materialegenskaper är hämtade från Buildex Techinfus (u. å.).
Enhet Förklaring Värde
kAsf alt kB¨arlager ρAsf alt ρB¨arlager CpAsf alt CpB¨arlager
[W/mK]
[W/mK]
[kg/m3] [kg/m3] [J/kgK]
[J/kgK]
Asfalts termisk konduktivitet Bärlagrets termisk konduktivitet Asfalts densitet
Bärlagrets densitet
Asfalts specifk värmekapacitet asfalt Bärlagrets specifk värmekapacitet
0,7 0,665 1605 1850 1900 850
Vid meshning av simuleringsmodellen användes tetraediska element för att beskriva asfalten då detta område är mest intressant för resultatet. För bärlagret användes kubiska element för att förenkla simuleringarna. I detta område användes även en ”infation”
vid kontaktytan mellan bärlagret och asfalten med 26 nivåer och 1,2 i tillväxthastighet.
Elementstorleken valdes till 3· 10−3 m, vilket gav totalt 16 470 element i meshen. Att meshstorleken inte påverkar resultatet kontrollerades genom två simuleringar där storleken varierades för att säkerställa att konvergens. I fgur 8 visas den mesh som har använts vid simuleringarna.
Figur 8: Figur över den mesh som användes vid simuleringarna. I fguren är övre delen av marken i tvärsnitt inzoomat, övrig del av bärlagret är uppbyggt likadant.
Vid inställningarna för simuleringsmodellen aktiverades energiekvationen och simulering- arna gjordes i ”steady state” då modellen inte är tidsberoende. Randvillkoren för de olika ytorna i modellen presenteras i fgur 9.
Figur 9: Figuren presenterar de randvillkor som satts för modellen.
Sidorna på modellen är speglade för att representera att modellen är omgivna av rör.
Randvillkoren i rören är isoterma, 29◦C för framledningsröret till vänster och 27◦C för returledningen till höger. Botten har antagits vara isoterm vid en temperatur på 3,5◦C då detta är marktemperaturen i Luleå (Nordell, 1993, s.42). Vid markytan har energifödet varierats tills lägsta temperaturen på ytan överstiger 0◦C. Simuleringarna har utförts med
3.4.6 Återcirkulerande krets för processkyla
För att minska vatten- och energianvändningen i mejeriet har det undersökts att skapa en återcirkulerande krets som ersätter dagens ljumvattensystem. Med hjälp av en kylvärme- pump kan spillvärmen från processkylningen användas för att täcka delar av anläggningens värmebehov. En kylvärmepump är en kombinerad kyl- och värmepump vilket innebär att både värmen och kylan nyttjas.
Utifrån uppmätt föde av ljumvatten och temperaturdi˙erensen mellan det kommunala vattnet och ljumvattnet har kylbehovet på timbasis beräknats med ekvation (1). För att säkerställa att kylbehovet alltid kan tillgodoses har systemets maximala temperatur bestämts till 10◦C. Vidare är det önskvärt att lägsta temperaturen är så hög som möjligt då detta förbättrar kylvärmepumpens verkningsgrad. I MATLAB har det studerade konceptet simulerats på timbasis för en vecka. Med hjälp av en iterativ process har lämpliga storlekar på vattenbassängen och kyle˙ekt till kylvärmepumpen tagits fram för att upprätthålla önskat temperaturintervall i vattenbassängen.
Anläggningens värmebehov har analyserats utifrån temperaturer, e˙ektbehov samt poten- tial och på så sätt har värmebehov som kan täckas med en värmepumpen identiferats.
Detta resulterade i att värmning av spädvatten till ångkondensat samt hetvatten- och kemikalietankar har undersökts närmare. Värmebehovet av spädvatten till ångkondensatet har antagits vara jämnt fördelat under årets alla timmar då noggrannare mätdata saknas.
Värmebehovet på timbasis för diskcentralerna har beräknats med av uppskattningar då data saknas. Med hjälp av ekvation (1) har mängden vatten som maximalt kan värmas upp beräknats. Detta har gjorts med den uppmätta energianvändningen i respektive diskcentral, temperaturdi˙erensen mellan kommunalt vatten och medelvärdet av maxtemperaturerna.
Utifrån detta har fördelningen mellan vatten som värms upp och vatten som förblir kallt bestämts. Denna fördelning har antagits gälla för alla timmar och applicerats på uppmätt vattenföde i respektive diskcentral under en vecka i mars 2021.
För att bestämma kylvärmepumpens värmee˙ekt ritades ett tryck-entalpi-diagram upp i programvaran CoolPack version 1.46. Som köldmedium valdes R717, ammoniak, då det är ett naturligt köldmedium som fungerar väl vid de önskade temperaturerna. Arbetstempe- raturen i förångaren respektive kondensorn bestämdes till tre grader varmare än utgående medium. Överhettning har satts till 5◦C och underkylning till 2◦C. För detta system har ingen ekonomisk kalkyl genomförts då osäkerheterna är stora samt att systemet är endast i ett tidigt utvecklingsstadium. Dock har en ekonomisk besparing tagits fram för den minskade vatten- och energianvändningen.
4 Resultat och diskussion
I detta kapitel presenteras resultaten för respektive kartläggning, energi och vatten, samt dis- kussion kring dessa. Därefter presenteras resultat och diskussion för de utvalda åtgärderna samt ett urval av de förkastade åtgärderna.
4.1 Energikartläggningen
I fgur 10 visas användningen av energibärare i anläggningen på årsbasis. Pelletsanvändning- en står för den största andelen då värmebehovet tillgodoses med hjälp av pelletspannan, olja används endast vid service och problem med pelletspannan.
Figur 10: Fördelningen av el, pellets och olja i anläggningen under 2020 baserad på uppmätta värden i MWh och även angivna i procent.
Ett Sankey-diagram över energianvändningen i hela anläggningen given i MWh per år visas i fgur 11. Rött visar värmeanvändningen och grönt elanvändningen. Då detta projekt fokuserar på mejeridelen av anläggningen, har alla användningsområden på Nordan summerats till en post.
Figur 11: Energikartläggning över Norrmejeriers anläggning i Luleå under 2020.
Den totala el-, pellets- och oljeanvändningen är känd men då fördelningen delvis är uppskattad ger kartläggningen endast en uppskattning av fördelningen inom anläggningen. I dagsläget fnns många mätare installerade där livsmedel hanteras eftersom livsmedelskraven är höga. Vid kringutrustning såsom tryckluft och kompressorer saknas mätare i högre grad till följd av lägre krav och historisk sett brist på intresse. Framför allt är osäkerheten stor gällande fördelningen av elanvändningen då elmätare saknas i högre grad i jämförelse med mätare för ånganvändningen. I och med detta har kartläggningen påtagliga brister men ger ändå en bra översiktsbild och fngervisning om av vilka processer som är energikrävande.
För en mer detaljerad kartläggning krävs installation av fer mätare som kontinuerligt mäter och sparar mätdata över tid. Välplacerade och kalibrerade mätare bidrar även till att läckage eller problem i anläggningen kan identiferas snabbt då avvikelser kan påvisas regelbundet. Fler välplacerade mätare möjliggör även mer detaljerad kartläggning. Ju noggrannare kartläggningen är, desto enklare är det att identifera potentiella e˙ektivi- seringsområden vilket kan ha stor påverkan på den totala energianvändningen. Vidare skapas även bra underlag för investeringar.
4.1.1 Stora värmeanvändare i anläggningen
Strax över 18% av anläggningens totala energi går till förluster i ångsystemet och varm- hållning av oljepannor. Värmen som går till varmhållning av oljepannor är ingen förlust då värmen krävs för att oljepannorna inte ska rosta. Den exakta verkningsgraden för ång- systemet är därför svår att bestämma men enligt tidigare kartläggning gjord av Enermin Oy (2015) uppskattas den till ungefär 85%.
Som ses i kartläggningen är pastörer den enskilt största energianvändaren i mejeridelen.
Detta beror på att pastörerna kräver höga temperaturer då vissa produkter behöver värmas upp till 95◦C. Att ta i beaktning är att värdet är baserat på kartläggningen som gjordes 2014 med korrigering gjord för minskad mjölkinvägning. Därför är värdets tillförlitlighet osäkert. För att öka trovärdigheten bör ångfödet mätas över tid.
Den behandlade och obehandlade diskcentralen står tillsammans för 7,6% av den totala energianvändningen vilket motsvarar 9,5% av värmeanvändningen. Detta är en stor andel och e˙ektivisering hade gett stort utslag på energianvändningen. Denna användning är uppmätt under 56 dagar och antas vara representativ för hela året. I och med detta fnns viss felmarginal då energianvändningen beror på produktionen och vilka objekt som behövs rengöras. Dock anses felmarginalen var relativt låg på detta värde och speglar verkligheten bra eftersom det grundas i uppmätta värden över viss tid.
4.1.2 Elanvändare
Av den totala energin står elen för drygt 30% och som kartläggningen visar är kyla den enskilt största användaren. Detta är förväntat då stora ytor och fera processer kyls till låga temperaturer till följd av höga krav på temperaturhållning vid hanteringen av livsmedel. Vidare är även ventilationen en stor elanvändare. Genom att installera ett smartare styrsystem till ventilationen bör besparingar kunna göras. Styrsystemet kan programmeras för att korrigera ventilationsfödet baserat på bland annat tidpunkt och dag, antal personer i lokalen samt luftkvalitet. På så sätt används ventilationen när den behövs och elanvändningen kan minskas.
Att ersätta gammal utrustning med ny innebär inte alltid lägre elbehov till följd av en mer e˙ektiv drift. I vissa installationer kan elbehovet öka på grund av mer avancerade styrsystem och fer sensorer. Vid installation av nya förpackningsmaskiner i mejeriet ökade elbehovet då dessa är mer avancerade än de föregående. En annan ändring som har gjorts i anläggningen är byte av ljuskällor till LED-lampor vilket har lett till ett minskat elbehov.
Denna förändring uppskattas ha minskat postens användning med upp till 85% i jämförelse med 2014 till följd av montering av energie˙ektiva lampor. Vidare har även rörelsesensorer installerats i vissa rum vilket minskar elanvändningen.
4.2 Vattenkartläggningen
I fgur 12 visas ett Sankey-diagram över vattenanvändningen i hela anläggningen under 2020. Blått representerar kommunalt vatten in och hur det fördelas inom anläggningen vilket förtydligas med den procentuella fördelningen. Då detta projekt fokuserar på mejeridelen av anläggningen, har alla användningsområden för kommunalt vatten på Nordan summerats till en post. Till följd av detta är denna post den enskilt största användaren av kommunalt vatten.
Figur 12: Vattenkartläggning över Norrmejeriers anläggning i Luleå under 2020. De procentuella värdena visar fördelningen av kommunalt vatten.
Vattenkartläggningen har till stor del baserats på uppmätta föden såsom vatten till processkyla samt vattenanvändningen i Nordan och diskcentralerna. Dessa värden är uppmäta under lång tid vilket ökar pålitligheten. I jämförelse med energikartläggningen är denna mer tillförlitlig i och med de uppmätta värdena. I dagsläget inkluderas fertalet olika vattenanvändare i posten övrigt såsom spädning av radiator- och isvattensystem samt tapp- och tappvarmvatten. Dessa poster är sammanslagna då mätare saknas och uppskattningar är svåra att göra eftersom det delvis beror på mänskliga faktorer och personalbeteende. Posten övrigt (kranvatten, övrigt processvatten samt spädning till radiator- och isvattensystem) står för 12% av den totala vattenanvändningen vilket kan uppfattas som mycket. Genom att noggrannare mäta vattenföden kan posten delas upp i fer användare. I och med detta skulle helheten av kartläggningen bli bättre och mer detaljerad. I vissa fall kan det anses vara svårmotiverat att installera mätare då vattenbehovet vid varje enskild användare är såpass lågt. Exempelvis är mängden vatten som krävs för spädning av uppvärmning- och isvattensystem liten.
De uppskattningar som gjorts till kartläggningen för bland annat rengöring av lastbilar har grundats i grova mätningar ute i anläggningen vid enstaka tillfällen. I och med detta fnns viss felmarginal för dessa värden. Genom att använda en portabel födesmätare skulle felmarginalen kunna minskas och därmed öka pålitligheten.
4.2.1 Stora vattenanvändare
Denna förstudie har fokuserat på processkylan vilket är den enskilt största användaren bortsett från Nordan. Kommunalt vatten som går till processkyla (ljumvattnet) står för drygt en femtedel av hela anläggningens användning. Detta vatten återcirkulerar inte utan går direkt till dagvattnet. Det fnns stor potential för att ta tillvara på detta vatten då det i regel är rent såvida inga problem uppstått i produktionen.
Summeras de två diskcentralernas användning motsvarar det 24,3% av det inköpta vattnet under ett år. Diskprocessen är vattenintensiv och kräver stora mängder vatten. För att minska behovet av rent vatten så återcirkulerar delar av vattnet. Det återcirkulerande vattnet används i försköljet som är det disksteg har lägst krav på vattenrenlighet.
4.3 Åtgärder
I detta avsnitt presenteras resultat och diskussion för respektive åtgärd. Följt av en generell diskussion om ekonomiska beräkningar och riskanalys. Slutligen presenteras de förkastade åtgärderna samt anledningen till att de strukits.
4.3.1 Ljumvatten till ångkondensat
Denna åtgärd genererar både en vatten- och energibesparing. Genom att använda ljumvat- ten till spädning av ångkondensatet kan drygt 82 MWh sparas varje år vilket motsvarar drygt 26 000 kr. Vidare är vattenbesparingen ungefär 2 900 m3 vilket motsvarar 1,9% av den totala mängden inköpt vatten. Om åtgärden implementeras minskas vattenkostnaden med ungefär 74 000 kr per år. I tabell 4 presenteras nettonuvärdet efter 6 år samt återbe- talningstiden med och utan hänsyn till kalkylräntan. Ett negativt nettonuvärde innebär att investeringen inte är lönsam. Vidare i tabell 5 visas de ingående komponenterna, riktpris och den uppskattade monteringskostnaden vid implementering av åtgärden.
Tabell 4: Nettonuvärdet efter 6 år, återbetalningstiden med och utan hänsyn till kalkylräntan för åtgärden där ljumvatten används vid spädning av ångkondensat.
Nettonuvärdet -248 910 kr
Återbetalningstid med kalkylränta 12,1 år Återbetalningstid utan kalkylränta 6,9 år
Tabell 5: Investeringskostnaden för de ingående komponenterna som krävs vid implementering av åtgärden där ljumvattnet används till spädning av ångkondensat.
Kostnaden avser totalkostnaden per ingående komponent.
Komponent Kostnad [kr] Källa
Rördragning 30 m 6 600 (Carlsson, 2021)
Ventiler 2 st 50 000 (Broström & Larsson, 2021) Ackumulatortank 2500 l 21 155 (Lindström, 2021)
TOC-mätare 1 st 250 000 (Thunberg, 2021)
Konduktivitetsmätare 1 st 13 000 (Thunberg, 2021)
Monteringskostnad 340 755
Summa 681 510
För att denna åtgärd ska vara genomförbar krävs det att ljumvattnets renlighet mäts kontinuerligt. Om vattnet är förorenat med protein från produktionen kan konsekvenserna bli allvarliga om ljumvattnet leds in i pelletspannan. Detta då risken fnns att mjölkprotein bränns fast på pannans insida. I och med detta krävs det att det fnns ett bra system för att avgöra vattnets kvalitet. En TOC-mätare kan dektektera låga halter av protein och på så sätt avgöra huruvida vattnet är kontaminerat. Denna mätare är kostsam och står för majoriteten av materialkostnaden för åtgärden men väldigt viktig för att åtgärden ska vara möjlig att genomföra.
