Konvertering Av Oljelager Till Värmelager I Sundsvalls Fjärrvärmesystem
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
UPTEC ES 20013 Examensarbete 30 hp Juni 2020 Konvertering av oljelager till värmelager I Sundsvalls fjärrvärmesystem Love Hagstedt Abstract Conversion of oil storage to thermal energy storage Love Hagstedt Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten This study has examined how an oil storage could be converted into a thermal heat storage (TES). Focus was put on the transient thermal Besöksadress: heat flow that occurs during the early years when using a rock cavern Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 as a TES. First existing literature were studied to learn from earlier Hus 4, Plan 0 experiences. Crucial steps of a conversion were identified as well as important mistakes that have been made in the past. Postadress: Simulations of Sundsvall’s district heating (DH) system were made to Box 536 751 21 Uppsala see what impact a large TES would have. These simulations showed the importance of being able to transfer enough amount of heat. Then heat Telefon: simulations were preformed to study the transient heat flow. This 018 – 471 30 03 showed that much of the heat will be heating the rock around the Telefax: cavern. Over time, the losses decrease as the rock around the cavern 018 – 471 30 00 remains heated, due to its thermal inertia. This means that some energy needs to be considered an investment cost as it will not be Hemsida: used in the DH-grid but will increase the efficiency of the TES. 4 http://www.teknat.uu.se/student different heating strategies were analysed and the heat losses during 25 years were measured. The results showed that a conversion would save between 0,7 – 1,55 million SEK annually depending on how many caverns were converted and cost approximately 6 million SEK for one cavern, 10,5 million SEK for two caverns and 15 million SEK for three caverns. Handledare: Mattias Öjbo Ämnesgranskare: Svante Monie Examinator: Petra Jönsson ISSN: 1650-8300, UPTEC ES 20013 Tryckt av: Uppsala Populärvetenskaplig sammanfattning När Sveriges fjärrvärmesystem byggdes var tanken att olja skulle eldas för att produ- cera värme. För att säkra tillgången av olja byggdes det ett stort antal bergrum för att användas som lager. Idag har produktionen av fjärrvärme förändrats markant. De fossila bränslena, såsom olja och kol, har ersatts av biobränslen, som pellets. Dessutom har förbränning av avfall blivit en grundsten i de svenska fjärrvärmesystemen. Spets- lastpannor, det vill säga de pannorna som används när värmebehovet är som störst, använder dock ofta fossila bränslen. Det är därför bra om det går att lagra värmeenergi ifrån tidpunkter då värmebehovet är lågt till de tider då det blir högt behov. På så sätt behöver inte spetslastpannorna användas. Eftersom oljan inte längre används i samma utsträckning för värmeproduktion skulle bergrummen, som idag lagrar olja, kunna an- vändas som värmelager istället. I Sundsvall äger och driver Sundsvall Energi AB stadens fjärrvärmesystem. Värmen i systemet kommer huvudsakligen ifrån Korstaverket och som spillvärme i från SCA:s pappersbruk. På Kostaverket finns det tre bergrum som har använts eller används som oljelager. Oljan används dock sällan i värmeproduktionen utan bergrummen hyrs ut till företag som köper in oljan vid låga priser och säljer den när priserna har gått upp. Sundsvall Energi AB vill nu undersöka möjligheten att använda dessa bergrum som värmelager till fjärrvärmenätet istället. Värmeenergi kan lagras på olika sätt. Den vanligaste lagringsmetoden är sensibla värmelagring där ett medie, oftast vatten, värms upp vid laddning och kyls vid urladd- ning. Inom fjärrvärmesektorn är lagring med en så kallad ackumulatortank den absolut vanligaste lagringsformen. En ackumulatortank används för att jämna ut effekttoppar (dvs då mest värmeenergi behövs på samma gång). Denna metod av lagring kallas för “peak-shaving” och är en form av korttidslagring. Det finns även värmelager som spa- rar värmen ifrån sommaren för att använda den på vintern. Sådana lager kallas för säsongslager eller långtidslager. När ett bergrum används som värmelager uppstår det alltid förluster. Dessa förlus- ter kan ske genom ledning, strålning eller konvektion. Förlusterna är som störst när ett nytt lager börjar användas och minskar med tiden för att sedan stabiliseras vid ett visst värde. Genom att dela upp förlusterna som sker under de första åren och jäm- föra dem med det värde som förlusterna senare stabiliseras runt, så kan förlusterna delas upp i en konstant del och en så kallad transient del. De konstanta förlusterna ger lagrets verkningsgrad och de transienta förlusterna anses bli en investeringskostnad. Anledningen till att förlusterna stabiliseras runt ett visst värde är att en värmekudde byggs upp runt lagret. Vad det innebär är att temperaturen i berget runt lagret höjs och att den höjningen blir någorlunda permanent på grund av bergets termiska tröghet. ii I denna rapport har detta förlopp som beskrivit ovan simulerats, i ett program som heter Heat3, utifrån olika sätt att driva lagret på. Lagringstider och antal ladd- ningscykler har varierats för att undersöka hur detta påverkar storleken på de transienta förlusterna och den slutgiltiga verkningsgraden. I och med att värme kan lagras från olika tidpunkter finns det möjlighet att lagra värme som producerats med låg bränslekostnad (exempelvis på sommaren) till tider då bränsle med högre bränslekostnad måste användas (exempelvis på vintern). På detta sätt kan den totala bränslekostnaden minskas och besparingar göras. I denna rapport har en driftstrategi simulerats för att se vilka besparingar ett lager kan göra varje år. Det visade sig att bränslekostnaden kan minska med 0,7 miljoner SEK för ett lager, 1,15 miljoner SEK för två lager och 1,5 miljoner SEK för tre bergrum. För att konvertera ett oljelager till värmelager behöver en hel del moment genomfö- ras. I en litteraturstudie noterades 5 viktiga delar i en konvertering. Dessa var: Sanering och säkring, vattenfyllning, rördragning och kulvertanläggning, installation av pumpar och installation av värmeväxlare. Alla dessa delar innebär varierande kostnader. I den- na rapport har dessa kostnader uppskattas utifrån tidigare studier och med hjälp av kunniga personer inom respektive branscher. Eftersom två av bergrummen på Korstaverket fortfarande är i drift och fyllda med olja, samtidigt som oljan måste hålla ca 50◦C för att vara lättflytande, så finns det redan en värmekudde i berget. Under tiden en konvertering äger rum kommer berget dock att svalna något. På grund av detta så genomfördes alltid dubbla simuleringar, en där berget redan var uppvärmt och en där berget var ouppvärmt. Detta gav ett intervall som det verkliga värdet kan hamna inom beroende på hur snabbt en konvertering kan ske. Simuleringarna i Heat3 gav varierande resultat beroende på vilket sätt lagret drevs. Verkningsgraderna varierade mellan 65 och 90 % beroende på driftstrategi, lagringstor- lek och om värmen ifrån oljelagret fanns kvar i berget eller inte. De totala transienta förlusterna, alltså de som avtar med tiden, varierar mellan 5,0 och 5,5 GWh för ett bergrum vid ouppvärmd berggrund och 1,2 och 1,5 GWh för uppvärmd berggrund. Mellan 10,5 och 11,9 GWh för två bergrum med ouppvärmd berggrund och 3,7 och 2,4 GWh för uppvärmd berggrund. För tre bergrum var flödet mellan 16,1 och 18,4 GWh för ouppvärmd berggrund och mellan 6,3 och 8,5 GWh för uppvärmd berggrund. Utifrån dessa resultat kunde en total investeringskostnad tas fram. För att konver- tera ett bergrum krävs ca 6 miljoner SEK, för två bergrum krävs det ca 10,5 miljoner SEK och för tre bergrum krävs det ca 15 miljoner SEK. Återbetalningstiden för den strategin som till slut gav en verkningsgrad på 70-78 % blev mellan 8,2 och 10,1 år. iii Exekutiv sammanfattning I denna studie har det undersökts hur ett oljelager kan omvandlas till ett termisk värmelager. Fokus låg på det transienta värmeflödet som inträffar under de första åren när ett bergrum används som värmelager. Först studerades litteratur för att lära av tidigare erfarenheter. Avgörande steg för en konvertering identifierades liksom viktiga misstag som har gjorts tidigare. Simuleringar av Sundsvalls fjärrvärmesystem gjordes för att se vilken påverkan ett stort värmelager skulle ha. Dessa simuleringar visade vikten av att kunna överföra tillräcklig mängd värme. Därefter genomfördes värmesimuleringar för att studera det transienta värmeflödet. Detta visade att mycket av värmen kommer att värma berget runt bergrummet. Med tiden minskar förlusterna när berget runt rummet förblir uppvärmd på grund av dess termiska tröghet. Detta innebär att en del energi måste betraktas som en investeringskostnad eftersom den inte kommer att användas i fjärrvärmesystemet utan kommer att öka effektiviteten hos lagret. Fyra olika uppvärmningsstrategier analyserades och värmeförlusterna under 25 år mättes. Resultaten visade att en omvandling skulle spara mellan 0,7 - 1,55 miljoner SEK årligen med en trivial driftstrategi beroende på hur många bergrum som konverterades och kosta cirka 6 miljoner SEK för ett bergrum, 10,5 miljoner SEK för två bergrum och 15 miljoner SEK för tre bergrum. I framtida studier bör en optimal driftstrategi tas fram utifrån det aktuella systemet. iv Förord Detta examensarbete markerar slutet på mitt liv som student och elev. Jag vill börja med att tacka mina studiekamrater och tillika vänner för den tiden vi har haft sen vi började på Civilingenjörsprogrammet i Energisystem på hösten 2014. Ni kommer vara mina vänner för livet. Jag vill dessutom tacka min ämnesgranskare Svante Monie för all den hjälp som du har gett mig, speciellt nu i slutet. Tack vare dig har kvalitén på arbetet nått högre nivåer än vad jag ensam kunde åstadkommit. Jag vill även tacka min handledare på Sundsvall Energi, Mattias Öjbo som alltid har varit snabb på att svara på frågor och överöst mig med viktig information under projektets början. Något som hjälpte mig att snabbt komma igång. Tack även till Simon Pajala som erbjöd mig ett privat studiebesök i Hudiksvall för att se på Värmevärdens nya värmelager. Det gav mig verkligen insikt i helheten av vad ett sådant projekt innebär och var mycket lärorikt.