Framtidsstudie av förutsättningarna för fjärrvärme

Jimmy Westerberg

Civilingenjörsprogrammet i

energiteknik vid Umeå universitetsTeknisk högskola.

(löpnr. som tilldelas)

Abstract

The objective with this master’s thesis was to investigate suitable market adjustment measures for Umeå Energi to adopt in the event of decreasing district heating consumption in the future caused by energy political and market related energy conservation goals. What was given the largest focus was to adjust operation strategy given two assumed scenarios for reduced production. The first energy conservation scenario followed the political goals which were presented by the government in the energy proposition. In other words, a 20 percent decrease of energy consumption to year 2020. The second followed a local market related development which indicated a more shy energy conservation level of 13 percent to year 2020. Using these scenarios as a starting point, it was investigated how large of a decrease of the supply line temperature which then was possible in purpose to compensate for lost heating income through increase electricity production and reduced distribution losses.

For that, a simulation model was built, with the computer program Matlab. The model started by approximating Umeå Energi’s customers to one large district heating load, which was supplied with heat from a production facility that consisted of a combination of all of Umeå Energi’s production facilities. Thereafter, the simulated customer was given a domestic hot water profile based on 21 multi-story housing apartments in Umeå. The profile was then scaled up to represenet all of Umeå Energi’s customers as a whole. In addition, the simulated customer was equipped with a flow-through heat exchanger and a radiator system with a 60/40 temperature program. The system boundaries were set around the simulated customer’s outer walls and distribution losses were calculated with the help of earlier estimations from Umeå Energi’s total net length and average heat transfer coefficient. The model was validated by comparing the diurnal variations in simulated flows against real flows from Umeå Energi. This showed predominately good correlation with respect to sensitivity to outdoor temperatures (however there existed a certain difference in amplitude). Except during the summer when only a base load facility in the net was in operation, there the correlation was slightly less. All energy conservation was put on the radiator system in the simulation and the power demand for the domestic hot water was left unchanged. With the result that with a lowered demand from the simulated customer for space heating of 13 respective 20 percent so was a lowering of the supply temperature 6.33 respective 9.73 percent possible, assuming a negligible change in flow.

After that, an overview was done of the operation of an absorption cooling machine in the net since it currently limits the supply temperature in the net to lowest 95°C. This resulted in a recommendation of an alternative control curve with potential savings of 267 tkr relative production year 2007 and 674 tkr relative today’s control curve for supply temperature, under the assumption that cooling deliveries shall remain unaffected.

By the year 2020, in the case the above named energy conservation scenarios occur with corresponding reduction possibilities of the supply temperature, together with a modest assumption of load displacement as a result of new connections during the period. It is predicted the economic losses for Umeå Energi relative year 2007 for the 20 percent energy conservation scenario to reach 13,3 Mkr respectively 2,61 Mkr in the 13 percent energy conservation scenario.

2

S

ammanfattning

Syftet med detta examensarbete var att undersöka lämpliga marknadsanpassningsåtgärder för Umeå Energi att anamma vid ett eventuellt sviktande fjärrvärmeunderlag i framtiden på grund av energipolitiska och marknadsmässiga energieffektiviseringsmål. Det som lades störst vikt vid var att anpassa driftstrategin vid två antagna scenarior för lastminskning. Det första energieffektiviseringsscenariot följde de politiska mål som lades fram av regeringen i energipropositionen. D.v.s. en 20 procentig minskning av energikonsumtionen till år 2020. Den andra följde en lokal marknadsmässig utveckling som indikerade på en mer blygsam energieffektiviseringsnivå på 13 procent till år 2020. Med utgångspunkt från dessa scenarior undersöktes hur stor sänkning av framledningstemperatur som då var möjligt i syfte att kompensera för förlorad uppvärmningsintäkt genom ökad elproduktion och minskade distributionsförluster.

Till detta byggdes en simuleringsmodell i datorprogrammet Matlab. Modellen utgick ifrån att approximera Umeå Energis abonnenter till en enda stor fjärrvärmelast som försågs med värme från en produktionsanläggning som bestod av en sammanslagning av Umeå Energis samtliga produktionsanläggningar. Därefter försågs abonnenten med en tappvarmvattenprofil baserad på 21 styckena flerbostadshus tappvarmvattenförbrukning i Umeå som därefter skalades upp för att representera Umeå Energis kunder som helhet. Abonnenten försågs ytterligare med en tappvarmvattenkrets innehållande en genomströmsberedare samt ett radiatorsystem med ett 60/40 temperaturprogram. Systemgränsen sattes vid abonnenten ytterväggar och distributionsförluster räknades ut medhjälp av tidigare uppskattningar av Umeå Energis totala nätlängd och genomsnittliga värmeöverföringskoefficient.

Modellen validerades med en jämförelse av dygnsvariationer i modellflödet mot det verkliga flödet från Umeå Energi som visade till stor del god korrelation med avseende på känslighet mot utetemperatur (dock fanns en viss skillnad i amplitud). Förutom mot sommarperioden då endast en basanläggning i nätet var i drift, där korrelationen var aningen sämre. All effektivisering lades på radiatorkretsen i simuleringen och effektbehovet för tappvarmvattenberedning lämnades därmed oförändrad. Med resultatet att vid ett sänkt behov hos abonnenten för byggnadsuppvärmning på 13 respektive 20 procent så var en sänkning av framledningstemperaturen på 6,33 respektive 9,73 procent möjlig, detta vid en försumbar förändring av flödet.

Därefter gjordes en översyn av driften av en absorptionskylmaskin i nätet eftersom denna i nuläget begränsar framledningstemperaturen i nätet till som lägst 95 °C. Vilket resulterade i ett förslag på en alternativ styrkurva med besparingsmöjligheter på 267 tkr relativt produktionen år 2007 och 674 tkr relativt dagens styrkurva för framledningstemperatur, under antagandet att kylleveranserna skall förbli opåverkade.

Vid år 2020 ifall ovannämnda energieffektiviseringsscenarior inträffar med korresponderande sänkningsmöjligheter av framledningstemperatur tillsammans med ett blygsamt antagande om lasttillskott p.g.a. nyanslutningar under perioden. Så spås den ekonomiska förlusten för Umeå Energi relativt år 2007 för det 20 procentiga effektiviseringsscenariot uppgå till 13,3 Mkr respektive 2,61 Mkr i det 13 procentiga effektiviseringsscenariot.

3

FörordDetta examensarbete omfattar 30 högskolepoäng och är en obligatorisk del avCivilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitet. Examensarbetet har utförts på uppdrag av Umeå Energi. Jag riktar ett stort tack till mina handledare:

Jörgen Carlsson, Umeå Energi Staffan Andersson, Umeå Universitet

4

Innehållsförteckning

Abstract.......................................................................................................................................2Sammanfattning..........................................................................................................................3Förord..........................................................................................................................................4Innehållsförteckning...................................................................................................................51 Inledning..................................................................................................................................72 Syfte.........................................................................................................................................83 Umeå Energi............................................................................................................................8

3.1 Umeå Energis huvudnät....................................................................................................84 Avgränsningar..........................................................................................................................95 Energieffektiviseringsutveckling i Umeå..............................................................................10

5.1 Energieffektiviseringsscenarior......................................................................................106 Nyanslutningar.......................................................................................................................11

6.1 Flerbostadshus.................................................................................................................116.2 Småhus............................................................................................................................126.3 Lokaler (exklusive industrilokaler).................................................................................126.4 Diskussion.......................................................................................................................12

7 Driftstrategi vid vikande fjärrvärmeunderlag........................................................................137.1 Elproduktion...................................................................................................................137.2 Distributionsförlusternas beroende av framledningstemperaturen................................15

8 Simulering..............................................................................................................................168.1 Sammanfattning av modell.............................................................................................178.2 Enstaka värmelast relativt flera individuella laster.........................................................178.3 Indata till modellen.........................................................................................................18

8.3 .1 Distributionsförluster..............................................................................................188.3 .2 Värmemängd för tappvarmvattenbehov.................................................................198.3 .3 Tappvarmvattenprofil.............................................................................................208.3 .4 Total värmeproduktion............................................................................................228.3 .5 Massflöde................................................................................................................248.3 .6 Framledningstemperatur.........................................................................................248.3 .7 Returledningstemperatur.........................................................................................258.3 .8 Gångtid....................................................................................................................268.3 .9 Fjärrvärmecentralen................................................................................................268.3 .10 Den simulerade byggnaden...................................................................................27

9 Teori.......................................................................................................................................279.1 Uppvärmningsbehov.......................................................................................................289.2 Radiatorkretsen...............................................................................................................309.3 Tappvarmvattenkretsen...................................................................................................319.4 Sammanfattning av gjorda antaganden & förenklingar..................................................329.5 Validering.......................................................................................................................329.6 Iteration...........................................................................................................................359.7 Diskussion.......................................................................................................................36

10 Ekonomi...............................................................................................................................3710.1 El som bränsle...............................................................................................................3710.2 Avfall............................................................................................................................3710.3 Intäkter vid elproduktion...............................................................................................3710.4 Övriga intäkter..............................................................................................................39

11 Analys fjärrvärme år 2020...................................................................................................3911.1 Korrigering av mätvärden.............................................................................................39

5

11.2 Framledningstemperatur...............................................................................................3911.3 Distributionsförluster....................................................................................................4011.4 Producerad värmeeffekt...............................................................................................4011.5 Flödesökning p.g.a. nyanslutningar..............................................................................4111.6 Elproduktion.................................................................................................................4211.7 Sammanfattning............................................................................................................43

12 Analys fjärrkyla...................................................................................................................4412.1 Med absorptionskylmaskinen i drift.............................................................................4512.2 Stopp av absorptionskylmaskinen.................................................................................4512.3 Förbättringsförsök av driftstrategin under kylperioden................................................4812.4 Diskussion.....................................................................................................................53

13 känslighetsanalys.................................................................................................................5413.1 Nyanslutningar..............................................................................................................5413.2 Sänkning av framledningstemperatur...........................................................................5513.3 Bränslepriser.................................................................................................................56

14 Slutsatser och rekommendationer........................................................................................5615 Referenser............................................................................................................................58

15.1 Litteratur.......................................................................................................................5815.2 Internet..........................................................................................................................5915.3 Muntliga referenser.......................................................................................................60

Bilaga 1.....................................................................................................................................61Dimensionering.....................................................................................................................61

Bilaga 2.....................................................................................................................................63Distributionspumparna vid Dåva1 och Dåva2......................................................................63

Bilaga 3.....................................................................................................................................64Härledningar.........................................................................................................................64

Bilaga 4.....................................................................................................................................65Matlabkod............................................................................................................................65

6

1 Inledning

Marknadsförutsättningarna för fjärrvärmens utveckling ändras kontinuerligt och är viktiga för fjärrvärmebolagen att följa. Inom den närmaste framtiden kommer de pågående politiska processerna inom EU om klimatförändringarna att påverka förutsättningarna. Viktiga drivkrafter till omställningen skapas genom den av svenska regeringen nyligen lagda energi och klimatpropositionen. 1 Vilken bl.a. innehåller en målsättning att effektivisera energianvändningen med 20 procent till år 2020 relativt år 2008.

Parallellt med detta åtagande löper det s.k. energitjänstedirektivet2 med samma basår dvs. 2008 som sammanfattningsvis innebär följande:

”Medlemsstaterna åläggs att sätta ett nationellt vägledande mål föreffektivare energianvändning i sektorerna byggnader, industri ochtransporter. Målet ska vara minst 9 procent effektivare energianvändningtill 2016 baserat på genomsnittsanvändningen 2001–2005.”

Energitjänstedirektivet innebär en målsättning för energieffektivisering med 1 procent per år, medan målet till 2020 innebär en minskning med ca 1,7 procent per år. Dessa mål är sektorsövergripande men potentialen för energieffektiviseringar inom bostadssektorn bedöms vara stor. Mycket p.g.a. en stor del av Sveriges totala energianvändning går till denna sektor (ca en tredjedel)

Med anledning av detta så har det inom miljömålssystemet3 satts upp ett delmål om energieffektivisering som gäller bostadssektorn specifikt. Målet innebär att uppnå en minskning av energianvändningen per uppvärmd areaenhet om minst 20 procent till år 2020 och minst 50 procent till år 2050 i förhållande till 1995.

Ovanstående politiska mål förväntas öka fokus på energieffektivisering i befintliga och nya byggnader och skapa drivkraft för förvaltare av till exempel miljonprogramsområden att minska energianvändningen i en betydligt större omfattning än tidigare. Vilket kan leda till minskade fjärrvärmeunderlag under de närmaste 5-15 åren. Därför bedöms det bli allt viktigare för fjärrvärmebolagen att ligga i framkant vad gäller egen resurseffektivisering samt teknisk optimering.

1 En sammanhållen klimat- och energipolitik – Energi (prop. 2008/09:163).2 En sammanhållen klimat- och energipolitik – Energi (prop. 2008/09:163).3 Miljömålsportalen, Miljömål 15, God bebyggd miljö.

7

2 Syfte

Syftet med detta examensarbete är att undersöka lämpliga marknadsanpassningsåtgärder för Umeå Energi att anamma vid framstående sviktande fjärrvärmeunderlag. Det som läggs störst vikt vid i rapporten är en anpassning av driftstrategin och med det menas främst en anpassning av framledningstemperatur vid framtida energieffektiviseringsscenarior. Detta görs i syfte att undersöka hur mycket av de antagna lastminskningarna som går att kompensera genom ökad elproduktion och minskade distributionsförluster. Utöver detta kommer även en översyn av kylproduktionen i huvudnätet att göras, samt takten av nyanslutningar att uppskattas t.o.m. år 2020.

3 Umeå Energi

3.1 Umeå Energis huvudnät

Produktionsanläggningarna inom Umeås fjärrvärmenät kan grovt delas in tre områden, Dåvamyren, Ålidhem samt ett yttre område. I Fig. 3.1 visas det centrala fjärrvärmenätet i Umeå som har en stor geografisk utsträckning. Avståndet mellan Klockarbäcken i väst och Dåvamyren i öst är ca 13,2 km och nätet växer i skrivande stund. Det har nyligen kopplats ihop med orten Holmsund som ligger ca 1,5 mil ifrån Umeå och från november månad år 2009 kommer även Holmsund att försörjas med värme från Umeå/Dåva. 4

Figur 3.1 Huvudnätet i Umeå vid tidpunkten 2009-10-16 med produktionsanläggningar inritade.

4 Baseras på information hämtad från Umeå Energis interna hemsida. 8

Av produktionsanläggningarna i huvudnätet är i nuläget kraftvärmeverket Dåva1 basanläggning och övriga produktionsanläggningar utgör spetsanläggningar. Samtliga produktionsanläggningar och deras produktionsegenskaper listas i tabell 3.1 nedan.

Tabell 3.1 Produktionsanläggningar i Umeå Energis fjärrvärmenät.

OMRÅDE ANLÄGGNING EFFEKTVÄRME [MW]

BRÄNSLE

Dåva Dåva 1 65 Avfall

Yttre Backen, P1+P2 24 OljaErsboda 10 ElLandstinget 27,5 Olja/ElRyttaren, P3+P4 35 OljaRöbäck 25 Biobränsle

Ålidhem Ep1 10 ElEp2 10 ElP3 46 OljaP4 46 OljaP5 46 OljaP6 35 BiobränsleP7 23 BiobränsleGraniten El(VP1+VP2)Ackumulator[IN,UT]

Umeå Energi producerar i dagsläget endast el vid Dåva1 men kommer inom en snar framtid att kompletteras med ett nytt kraftvärmeverk, Dåva2. Denna är placerad utmed Dåva1 på Dåvamyren som ligger norr om Umeå. Dåva2 befinner sig just nu i intrimningsfasen vilket medför att det finns väldigt lite mätvärden för dess driftegenskaper. Detta gör att beräkningarna för Dåva2 blir approximativa och bygger på uppskattningar samt tidigare gjorda simuleringar.

Dåva2 är konstruerad för att drivas med biobränsle och har en kapacitet att ta emot 120 MW bränsle och av detta omvandlas 75 MW till värme samt 35 MW till el. Vid drift kommer Dåva2 att fungera som en basanläggning tillsammans med Dåva1 och därmed kommer spetsanläggningarna i nätet att avlastas. Med påföljd att Umeå Energis oljebehov i fjärrvärmemixen inom en snar framtid, starkt kommer att reduceras.

4 Avgränsningar

Umeå Energis fjärrvärmenät har även produktionsanläggningar och fjärrvärmenät som ligger utanför Umeå. Beräkningarna i denna rapport kommer att begränsas till huvudnätet som visades i fig. 3.1.

9

5 Energieffektiviseringsutveckling i Umeå

Bostaden är ett kommunalt fastighetsbolag och tillhör Umeå Energis största kunder. De har ett officiellt mål att minska energianvändningen med 20 procent t.o.m. år 2016.5 Vilket då skulle innebära en snabbare effektiviseringstakt en det satta målet i energipropositionen. Det är dock väldigt svårt att sia om detta mål kommer att nås. Sannolikast blir de effektiviseringsåtgärder med snabbast avkastning utförda först d.v.s. de åtgärder som har lägst ”payoff-tid”. Till sådana åtgärder hör tilläggsisolering samt byte till ftx- ventilationssystem i de mest energikonsumerande fastigheterna d.v.s. miljonprogrammen. Ifall dessa åtgärder utförs i Bostadens miljonprogram, så skulle detta innebära en total energieffektivisering inom Bostadens fastigheter på 13 procent.6

5.1 Energieffektiviseringsscenarior

Det finns många faktorer att ta hänsyn till då en framtidsanalys skall göras för fjärrvärmemarknaden även om man endast gör en lokal undersökning. Då detta examensarbete är relativt begränsad i sin omfattning så har inga större försök till prognostisering utförts, istället har det antagits att kommande energieffektiviseringar på fastighetssidan i Umeå är ett faktum. Det är däremot väldigt svårt att prediktera dess hastighet som följd av detta, har två energieffektiviseringsscenarior istället antagits till år 2020. Den första ligger i linje med Bostadens kommande effektiviseringsplaner, den andra följer den energipolitik som råder idag. De två antagna effektiviseringsscenariorna visas nedan:

Marknadsutveckling( i enlighet med Bostadens förväntade agerande):

Befintligt kundbestånd minskar sitt uppvärmningsbehov med 13 procent till år 2020 relativt 2007.

Energipolitisk utveckling ( i enlighet med energipropositionen):

Befintligt kundbestånd minskar sitt uppvärmningsbehov med 20 procent till år 2020 relativt 2007.

I scenariorna ovan antas all effektivisering läggas på uppvärmningsbehovet och effektbehovet för tappvarmvattenberedning antas därmed förbli oförändrad. Detta görs på grund av att ingen märkbar minskning av energianvändningen av tappvarmvatten förväntas inträffa eftersom detta kräver beteende förändringar hos den inneboende som till viss del skulle kunna inträffa ifall lagstadgad individuell mätning och debitering av tappvarmvatten införs i varje fastighet men detta finns ännu inte. Regeringen anser att dock att detta bör bli ett krav vid framtida nybyggnation. 7

Ytterligare så har mätningar på yngre flerbostadshus värmekonsumtion, visat på en total värmeanvändning som ligger på en nivå, klart under medelbehovet för gruppen medans de har 5 Baseras på konsult uträkningar utförda på bostadens miljonprogram.6 Carlsson, 2009, Umeå Energi.7 En sammanhållen klimat- och energipolitik – Energi (prop. 2008/09:163). S 132

10

en tappvarmvattenanvändning som endast ligger något under medel.8 Förändringar av behovet för tappvarmvattenberedning bedöms därför vara liten, relativt framtida effektiviseringar av uppvärmningsbehovet och försummas därför här.

6 Nyanslutningar

Nybyggnationen av bostäder och lokaler är låg relativt det totala kundbeståndet men har ändå en betydlig påverkan på den framtida lastprognosen i och med att tidssteget t.o.m. år 2020 är stort. Till att uppskatta lasttillskottet år 2020 p.g.a. nyanslutningar har nybyggnationsprognoser gjorda av Stockholms Stads Utrednings- och Statistikkontor AB, (USK) använts beträffande nybyggnationen av lägenheter i flerbostadshus samt småhus i Umeå under den 13 åriga byggperioden fr.o.m. 2007 t.o.m. 2020.

Inga byggprognoser för lokaler fanns dock tillgängliga, därför undersöktes istället med hjälp av Statiska Centralbyrån, (SCB) hur byggandet av lokalyta historiskt sätt ut i Umeå och därefter gjordes antagandet att samma byggtrend, även kommer att gälla i framtiden.

Vidare har det antagits att de nybyggda bostäderna kommer att följa en riksgenomsnittlig energianvändning för nyare bostäder, uppskattad av SCB . Umeå tillhör en kallare klimatzon än riksgenomsnittet men eftersom energianvändningen successivt spås att minska i framtiden kommer dessa siffror, här tas som en acceptabel approximation. Slutligen antas nyanslutningsgraden för respektive byggnadskategori följa riksgenomsnittet för fjärrvärmens andel på den totala värmemarknaden.

6.1 Flerbostadshus

Enligt USK kommer approximativt 571 lägenheter per år i genomsnitt att byggas under perioden. 9 Lägenheterna antas ha en genomsnittlig storlek, enligt SCB på 65 kvadratmeter,vilket då innebär en total nybyggnad av lägenhetsyta på 48 2495 m2 år 2020 relativt år 2007.

Vidare uppskattas fjärrvärmens marknadsandel i flerbostadshus vara 88 procent i Sverige10 varpå detta värde får tjäna som en approximation för den framtida nyanslutningsgraden av flerbostadshus för Umeå Energi. Slutligen uppskattas den genomsnittliga energianvändningen av fjärrvärme för flerbostadshus, byggda efter år 2001 vara 125 kWh per m2 och år. 11

Med ovanstående antaganden om anslutningsgrad, framtida energianvändning samt bygghastighet uppskattas det totala lasttillskottet på grund av nybyggda lägenheter till 53074 MWh.

6.2 Småhus

8 Aronsson, 1996, ”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 17.9 Bostadsprognosen finns tillgänglig via Umeå kommuns hemsida, www.umea.se. [åtkomst 2010-01-01].10 Se rapporten, ”Värmeanvändning i flerbostadshus och lokaler”, Svensk fjärrvärme, 2009, s 12.11 Statistiska Centralbyrån, Bostads- och byggnadsstatistik årsbok, s 97.

11

Med småhus menas här bostäder med en storlek på 125 m2 och enligt USK uppskattas 147 småhus per år i genomsnitt att byggas i Umeå under perioden, vilket då innebär en total nybyggnad av småhusyta på 23 9281 m2 år 2020 relativt år 2007.

Anslutningsgraden antas vara lägre här på grund av låg lönsamhet för fjärrvärmeföretagen i småhusområden som beror av låg energianvändning per hus och stora investeringar i distributionssystem. Detta i kombination med konkurrerande uppvärmningsalternativ som värmepumpar och pellets gör att fjärrvärmens marknadsandel i småhusområden endast uppskattas till ca 12 procent i Sverige.12

Dock så pågår framsteg inom fjärrvärmebranschen bland annat genom värmeglesprogrammet som var finansierat av Energimyndigheten och Svensk Fjärrvärme. Programmet lyckades med att ta fram tekniska lösningar som reducerar investeringen för fjärrvärmeföretagen i småhusområden men fortfarande är andelen småhus med fjärrvärme lågt.13

Den genomsnittliga energianvändningen av fjärrvärme bedöms för småhus byggda efter år 2001 vara 107 kWh/m2 och år, i enlighet med Energimyndighetens uppskattningar. 14 Med ovanstående antaganden uppskattas lasttillskottet på grund av nybyggda småhus till 3072 MWh

6.3 Lokaler (exklusive industrilokaler)

Enligt (SCB) har det i genomsnitt (mellan år 1996 t.o.m. 2009) byggts 25563 m2 lokalyta per år i Umeå, ifall antagandet görs att denna bygghastighet även kommer att gälla i framtiden innebär det en total nybyggnad av lokalyta på 332319 m2 t.o.m. 2020.

Vidare uppskattas lokaler byggda efter år 2001 ha en genomsnittlig energianvändning på 104 kWh per m2 och år15 och fjärrvärmens marknadsandel till 66 procent.16

Lastillskottet år 2020 på grund av nybyggnationen lokaler antas därmed uppgå då till 22810 MWh. Det sammanlagda lasttillskottet från lokaler, småhus och flerbostadshus uppskattas då till approximativt 79 GWh.

6.4 Diskussion

Detta lasttillskott bör anses som ett scenario med ett minimalt lasttillskott år 2020. Eftersom nybyggnation av industrilokaler samt eventuella rivningar av fastigheter inte beaktats. Detta har inte varit möjligt på grund av att varken rivningsprognoser eller nybyggnations statistik hittats på området.

Fastigheter som rivs består ofta av energiintensiva byggnader som då ersätts med byggnader vars energikonsumtion är enligt boverkets nybyggnadsregler (BBR16) eller lägre. Varpå detta innebär lastminskning för Umeå Energi. Men förlusten här bedöms dock vara, av en mycket

12 Se rapporten, ”Energieffektiv bebyggelse och fjärrvärme i framtiden”, Svensk fjärrvärme, 2007, s 16.13 Se rapporten, ”Energieffektiv bebyggelse och fjärrvärme i framtiden”, Svensk fjärrvärme, 2007, s 17.14 Energimyndigheten, 2007, ”Energistatistik för lokaler”, s 30. 15 Statistiska Centralbyrån, ”Bostads- och byggnadsstatistik årsbok”, s 98. 16 Energimyndigheten, 2007, ”Energistatistik för lokaler”, s 9.

12

mindre storlek, än det tillskott som eventuellt kommer ifrån nyanslutningar av industrilokaler eftersom energiförbrukningen inom detta segment, i snitt är betydligt högre än de värden som använts i beräkningarna ovan.

Sammanfattningsvis så är detta scenario för lasttillskott mycket grovt. Det dock svårt att sia om framtiden, däremot kan antagandet om lasttillskott varieras för att på så sätt se hur det påverkar det slutliga ekonomiska resultatet.

7 Driftstrategi vid vikande fjärrvärmeunderlag

En varierande last i ett fjärrvärmenät kan i driftcentralen mötas, antingen med förändringar i framledningstemperaturen TF, med ändringar i flödet, eller med en kombination av förändringar i TF respektive flöde.17 Den största besparingen vid ett sviktande värmeunderlag förväntas ligga i möjligheten till sänkningar av TF eftersom ju lägre denna kan sänkas desto mer el kan produceras i ett kraftvärmeverk samtidigt som distributionsförlusterna i nätet minskar. En sänkning av flödet däremot innebär endast en relativt liten minskning av pumparbetet i nätet. Mer om detta i kapitlet nedan.

7.1 Elproduktion

Vid ett kraftvärmeverk produceras både värme och el i samma process. Elen produceras genom att låta uppvärmd vattenånga passera genom en turbin. Under vattenångans passage genom turbinen utvinns energi som används till att driva en generator som omvandlar denna mekaniska energi till elektricitet. Värmen erhålls då man låter den kvarvarande energin i vattenångan kylas ned av fjärrvärmevatten i en kondensor. Andelen producerad el relativt producerad värme i ett kraftvärmeverk definieras genom en elutbytesfaktor, även kallat alphavärde , enligt följande:

(7.1)

Där:

P: Producerad mekanisk effekt till generator [W]Q: Producerad värmeeffekt i turbinkondensor [W]

Elproduktionen är väldigt känslig för det mottryck som fjärrvärmenätet ger som i sin tur bestäms av temperaturnivån i nätet. Detta eftersom desto lägre tryck som råder efter turbinen ju mer tillåts vattenångan att expandera genom turbinen varpå entalpifallet över turbinen blir större och mer el produceras till följd. Ett typiskt mått för ett kraftvärmeverks relativa förändring i elproduktion på grund av en förändring i framledningstemperatur är ca 0,5 % per °C.18 Vilket ger incitament för ett kraftvärmeverk att hålla framledningstemperaturen så lågt som möjligt för varje utetemperatur eller given värmelast.

17 Frederiksen, 1983,” A Thermodynamic Analysis of District Heating”, s 3.18 Frederiksen, 1983,” A Thermodynamic Analysis of District Heating”, s 4.

13

För att uppskatta förhållandet mellan elproduktion och framledningstemperatur för Dåva1 hämtades mätvärden, från Umeå Energis mätdatabas, beträffande framledningstemperatur, överförd värme i turbinkondensorn samt producerad elmängd med tidsupplösningen en timma för året 2007. Anledningen att året 2007 valdes var att datainsamlingen inte var fullständig för produktionsåret 2009 och mätvärdena för år 2008 var av sämre kvalitet än det som fanns tillgängligt för år 2007. Dåva1:s elutbytesfaktor tecknas här enligt:

(7.2)

Genom att plotta elutbytesfaktorn, beräknad från ekvation 7.2 mot framledningstemperaturen för år 2007 kan elutbytesfaktorns beroende av framledningstemperatur approximativt beskrivas med ett linjärt samband. I Fig. 7.1 visas linjäranpassningen för Dåva1:s elutbytesfaktor.

80 85 90 95 100 105 1100.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5alphavärde Dåva1 år 2007 som funktion av TF

Framledningstemperatur [grader celcius]

Pro

duce

rad

elef

fekt

/Pro

duce

rad

värm

eeffe

kt

Figur 7.1 Elutbytesfaktorns beroende av framledningstemperaturen vid Dåva1.

Regressionsanalysen i fig. 7.1 gav det linjära sambandet:

(7.3)

Beträffande Dåva2 fanns inte tillräckligt med empiriska data för att göra en regressionsanalys, där approximerades sambandet mellan elutbytesfaktor och framledningstemperatur enligt tidigare uppskattningar,19 enligt:

19 Ödin, 2007, ” Driftekonomiska vinster med en sänkning av fjärrvärmetemperaturen”, s 32.14

(7.4)

7.2 Distributionsförlusternas beroende av framledningstemperaturen

Varje fjärrvärmebolag har värmeförluster vid sin fjärrvärmedistribution som orsakas av en temperaturskillnad mellan distributionsledningarna och omgivningen. Storleken på förlusterna beror huvudsakligen på hur väl fjärrvärmeledningarna är isolerade, dess dimensioner, temperaturnivån i nätet, samt hur täta abonnentanslutningarna i nätet är. Hur temperaturnivån i nätet förhåller sig till distributionsförlusterna kan ses ifall gradtidtalet studeras som utgörs av tidsintegralen av temperaturskillnaden mellan fjärrvärmevattnet och omgivningen.20

(7.5)

Där:

: Returledningstemperatur. [K]: Omgivningstemperatur. [K]

Vid beräkningarna har omgivningstemperaturen i ekvation 7.5 approximerats som konstant 6°C och framledningstemperatur och returtemperatur har därefter varit beroende av vilket energieffektiviseringsscenario som undersökts. Gradtidtalet är vidare proportionellt mot distributionsförlusten i nätet, vilket kan ses med hjälp av följande samband.21

(7.6)

Där:

: Nätets genomsnittliga värmegenomgångstal [W/m2K]: Total mantelyta för alla medierör [m2]

Vilket medför att då temperaturnivån i nätet minskar så påverkar det distributionsförlusterna direkt nedåt. Som alternativ till ekvation 7.6 kan även sambandet nedan användas.22

(7.7)

Där:

: Nätets genomsnittliga värmeöverföringskoefficient

20 Ödin, 2007, ” Driftekonomiska vinster med en sänkning av fjärrvärmetemperaturen”, s 14.21 Werner, Frederiksen, 1993, ”Fjärrvärme Teori, teknik och funktion”, s 47.22 Ödin, 2007, ” Driftekonomiska vinster med en sänkning av fjärrvärmetemperaturen”, s 14.

15

: Nätets totala längd [m]

Anledningen till att längden på fjärrvärmenätet i ekvation 7.7 halveras kommer av att den genomsnittliga värmeöverföringskoefficienten, (K). Baseras på värmeförlusterna i en kulvert med två parallella rör, varpå förlusterna skulle bli dubbelt så stora ifall inte längden halverades.

Nätets genomsnittliga värmeöverföringskoefficient och dess längd var sedan tidigare uppskattade för år 2005, samt arbetet med uppskattningen av nätets längdexpansion per år. Detta gjordes år 2007 i ett tidigare examensarbete23 som då kunde utnyttjas genom att endast korrigera för den förväntade expansionen av nätet t.o.m. år 2020.

Uppskattningen av nätets årliga längdökning bygger dels på att det är främst två typer av rör som används vid anslutningen av fastigheter idag. Flexirör i koppar samt flertalet dimensioner av typen stålrör med polyurethanisolering. Av typen flexirör i koppar antas det läggas ca 15 meter per fastighet. Vidare antas 500 fastigheter ansluta sig varje år till fjärrvärmenätet vilket medför att till år 2020 relativt år 2007 kommer det approximativt att läggas 105 km rör av denna typ.

Den totala längdökningen av typen stålrör med polyurethanisolering antas vara 20 km per år. Hur stor andel av de olika dimensionerna av stålrör som sedan läggs per år baseras på hur mycket som lades mellan 2003 och 2005.

Då längdkorrigeringarna var gjorda så kunde produkten genomsnittlig värmeöverföringskoefficient och halv nätlängd för år 2007 respektive 2020 räknas ut. Därefter uppskattades nätets värmeförluster via ekvation 7.7. I Tabell 7.1 visas produkten genomsnitts värmeöverföringskoefficient och halv nätlängd för år 2007 respektive år 2020.

Tabell 7.1 Produkten värmeöverföringskoefficient och halv nätlängd för år 2007 respektive år 2020.

kL/2 (2020) 191476 [W/K]kL/2 (2007) 144535 [W/K]

8 Simulering

Möjligheterna att sänka framledningstemperaturen vid de olika scenarierna för minskade uppvärmningsbehov som presenterades i kapitel 5.1 kommer att undersökas med hjälp av datorprogrammet Matlab. Där produktionsdata från Umeå Energi år 2007 tillsammans med mätvärden från 21 styckena flerbostadshus tappvarmvattenförbrukning i Umeå kommer att vara indata. Mer om detta följer i kapitlet nedan.

23 Ödin, 2007, ” Driftekonomiska vinster med en sänkning av fjärrvärmetemperaturen”, s 35.16

8.1 Sammanfattning av modell

I normala fall så kommer flödet att behöva höjas vid en sänkning av framledningstemperatur för att kunna leverera samma energimängd, vid ett oförändrat uppvärmningsbehov på användarsidan. Men då beräkningarna i denna rapport utgår ifrån tänkbara framtidscenarion där uppvärmningsbehovet förväntas minska så kan framledningstemperaturen sänkas vid ett oförändrat flöde. Tanken är då att undersöka hur mycket av den förlust som görs p.g.a. vikande värmeunderlag som kan kompenseras med ökad elproduktion och lägre distributionsförluster.

Simuleringsmodellen utgår ifrån att approximera Umeå Energis fjärrvärmenät med individuella laster till en enda stor fjärrvärmelast. D.v.s. ett stort hus kommer att simuleras istället för den komplicerade nätstruktur som Umeå Energi har, som kunde ses i fig. 3.1 ovan. Ytterligare så kommer produktionsenheterna enligt tabell 3.1 att aggregeras ihop till en enda produktionsanläggning. Vilket då medför att en produktionsenhet och en stor abonnent kommer att simuleras. Abonnentens tappvarmvatteneffektbehov antas vidare överensstämma med riksgenomsnittet för flerbostadshus och följa en förbrukningsprofil hämtad från 21 styckena flerbostadshus i Umeå. Systemgränsen sätts slutligen vid abonnentens ytterväggar.

Detta är givetvis en stark förenkling av verkligheten men då ett fjärrvärmenät är högst komplext så är det ofta nödvändigt att vid simuleringar förenkla och specialisera sig på ett eller annat sätt. Nedan följer en fortsatt redovisning och diskussion om modellen och de förenklingar av verkligheten som är gjorda.

8.2 Enstaka värmelast relativt flera individuella laster

I det verkliga fallet finns en viss variation i framledningstemperaturen från fjärrvärmebolaget till de olika abonnenterna eftersom de är placerade på olika avstånd från produktionsstället. P.g.a. temperaturfall som ökar med ökande avstånd. Detta medför att flödet som behövs för att överföra en given värmemängd, därmed måste öka vid ökande avstånd från produktionsanläggningen.24

Det förekommer även variationer beträffande returtemperatur från abonnenterna p.g.a. olika dimensionering av abonnenternas värmeväxlare, skillnader i försmutsning, etc. Den returtemperatur som slutligen mäts av fjärrvärmebolaget består således av en mix av samtliga abonnenters returtemperaturer (efter att de tappat något i temperatur till omgivningen under transporten).

Vad gäller flödet så finns oftast en viss mån av rundgångar i ett stort nät. Dessa kan ha byggts in av misstag eller p.g.a. att det i vissa fall ansetts öka värmeöverföringskapaciteten i sektioner där flaskhalsar i nätet förekommande, (fungerar då som flödesreserv).

I och med att de individuella lasterna aggregeras ihop i simuleringen så kommer dessa variationer att försummas och abonnenten antas befinna sig på ett sådant avstånd från produktionsanläggningen att temperaturfallet är försumbart.

24 Frederiksen, 1983,” A Thermodynamic Analysis of District Heating”, s 4717

Även eventuella rundgångar bortses från, vilket innebär att det flöde som passerar genom produktionsanläggningarna antas vara det flöde som även passerar genom abonnenternas fjärrvärmecentraler. Modellen är således en approximation, med ett antal förenklingar och specialiseringar som medför mer eller mindre avvikelse mellan verklighet och modell.

8.3 Indata till modellen

För att det inte skall råda förvirring vid beteckningarna av värmemängderna beroende på om betraktelsen sker utifrån byggnaden eller fjärrvärmenätet så klargörs de använda definitionerna för byggnadens värmebehov och värmetillförsel. Då byggnaden är i termisk jämvikt gäller:

Totalt värmebehov = total värmetillförsel

Eftersom byggnaden betraktas från fjärrvärmehåll och fjärrvärme står för hela värmetillförseln fås vidare:

Totalt värmebehov = tillförd fjärrvärme

Fortsättningsvis används båda ovanstående begrepp, beroende på om betraktelsen sker utifrån byggnaden eller fjärrvärmenätet. De använda beteckningarna definieras i tabell 8.1.

Tabell 8.1 I denna rapport använda definitioner av byggnadens värmebehov och värmetillförsel.

Beteckning Betydelse SambandTotal värmeproduktion av Umeå Energi

fjvP Byggnadens totala värmebehov

Umeå Energis värmeförluster i fjärrvärmenätet(Distributionsförluster)

, Värme till byggnadens radiatorsystemVärme för värmning av tappvarmvatten

Sambanden som tecknats i tabell 8.1 utvecklas under kapitlets gång.

8.3 .1 Distributionsförluster

Distributionsförlusternas storlek år 2007 räknades ut medhjälp av ekvation 7.5 samt ekvation 7.7 och dividerades därefter med den totala värmeproduktionen för år 2007 för att få en uppfattning om dess procentuella andel. Den beräknade distributionsandelen jämfördes sedan med uppskattningar ifrån Umeå Energi som bygger på skillnaden mellan producerad och fakturerad energimängd. vilken enligt tidigare drifterfarenheter uppgår till ca 10 procent.25 Detta stämde väl överens med beräkningsresultatet och förövrigt med riksgenomsnittet i

25 Carlsson, 2009, Umeå Energi. 18

Sverige för fjärrvärmesystem.26 Vilket medförde att detta värde fick tjäna som en approximation för Umeå Energis distributionsförluster år 2007 och användes sedermera i simuleringen.

8.3 .2 Värmemängd för tappvarmvattenbehov

Tappvarmvattenandelen av byggnadens värmebehov kan uppskattas på två olika sätt. Antingen genom använda mätdata och exempelvis anta att baslasten sommartid utgör en bra representation av tappvarmvattenbehovet. Svårigheten med denna metod är att få en bra medelvärdesbildning av baslastvärdena som är få för utetemperaturer högre en 15 grader, där endast en tappvarmvattenlast förväntas inträffa. Alternativt kan uppskattningen ske genom någon schablonmetod. Ett exempel på en sådan som ofta används då endast det totala värmebehovet är känt för en byggnad. Utgörs av kvoten mellan tappvarmvattenvärmen och det totala värmebehovet, vanligt förekommande värden för bostäder är 20 till 25 procent.27

Detta nyckeltal avser endast värmning av tappvarmvattnet och inkluderar inte värmelast för varmvattencirkulation (VVC) som är vanligt förekommande i flerbostadshus. Denna värmemängd brukar i dessa fall ansättas, enligt schablon till 50 procent av tappvarmvattenvärmen eftersom denna värmemängd sällan är känd. Värmen från VVC kan dock till stor del tillgodoräknas byggnadens uppvärmningssystem och utgör således liten eller ingen förlust under eldningssäsongen.28

I simuleringen kommer en byggnad utan VVC att användas och av den anledningen görs endast här en uppskattning på den andel energi som går till värmningen av tappvarmvatten och värmeförlusten från en eventuell VVC slinga antas komma byggnaden till godo och räknas här in i radiatorlasten som i simuleringen kommer att strypas enligt energieffektiviseringsscenariorna som presenterades i kap. 5.1.

I nyckeltalsintervallet valdes 24 procent, vilket tillsammans med schablonvärdet för VVC skulle höja detta till ett totalt energibehov på årsbasis för tappvarmvattenberedning på 36 procent, vilket då skulle ligga i linje med medelvärdesbildandet av baslasten som kan ses i tidigare examensarbeten.29

Det totala energibehovet på årsbasis för värmning av tappvarmvatten för den simulerade byggnaden approximeras då enligt:

(8.1)

26 Werner, Frederiksen, 1993, ”Fjärrvärme Teori, teknik och funktion”, s 47.27 Aronsson, 1996, ”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 26.28 Nilsson, Engberg, ”Användning av fjärrvärmeavläst mätdata för framtagning av byggnaders effektsignatur”.29 Stenlund, ”Dimensionering av en ackumulatortank för Umeå Energis fjärrvärmesystem”, s 41.

19

8.3 .3 Tappvarmvattenprofil

Via Umeå Universitet hämtades tappvarmvattenprofilen till modellen. Förbrukningsdata för tappvarmvatten konsumtionen från 21 styckena flerbostadshus i Umeå hade samlats in och bestod av 213 styckena dygnsmedelvärden. Temperaturmätningarna hade utförts på inkommande kallvatten och på varmvattnet ut till tappställena samt på tappvarmvattenflödet. Eftersom att mätvärden inte fanns för ett helt år så medför det att simuleringen begränsas till att omfatta perioden för tillgängligt mätdata. Simuleringsperioden blir därmed fr.o.m. 01-01-2007 t.o.m. 01-08-2007. Tappvarmvattenprofilen från flerbostadshusen visas i fig. 8.1 (vilken begränsats till 35 dygn för att erhålla bättre upplösning).

5 10 15 20 25 30 350

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06Tappvarmvatten förbrukning

dygn

Mas

sflö

de [k

g/s]

Figur 8.1 Tappvarmvattenflödet under 35 dygn i 21 styckena flerbostadshus i Umeå Energis fjärrvärmesystem.

I fig. 8.1 kan ses att toppar i tappvarmvattenkonsumtionen infaller runt helgerna vilket är naturligt i och med att aktiviteten generellt är högre i hemmet under denna period. Dygnsvariationer förelåg även i temperaturerna på inkommande kallvatten och utgående varmvatten till tappställena i flerbostadshusen, vilket kan ses i fig. 8.2 nedan.

20

0 50 100 150 200 2505

10

15Kallvattnets dygnstemperaturvariation

Dygn

Tem

pera

tur [

Gra

der C

elsi

us]

0 50 100 150 200 25051

52

53

54Varmvattnets dygnstemperaturvariation

Dygn

Tem

pera

tur [

Gra

der C

elsi

us]

Figur 8.2 Varm och kallvattnets dygnsvariation under 213 dygn i 21 styckena flerbostadshus i Umeå Energis fjärrvärmesystem.

I fig. 8.2 kan ses att kallvattnet in till flerbostadshusen från marken inte är konstant över året utan varierar med marktemperaturen. Detta har även setts vid andra arbeten som berört mätningar av inkommande kallvatten.30 Uppgången antas bero på en högre värmeöverföring från mark till inkommande vattenledning på grund av förhöjd marktemperatur sommartid. (En viss eftersläpning inträffar dock tillföljd av markens värmetröghet).

I fig. 8.3 visas effektprofilen från flerbostadshusen som där är uppskalad med 24 procent av den totalt levererade effekten till den simulerade byggnaden för att representera en approximation av Umeå Energis kunders tappvarmvattenkonsumtion som helhet.

30 Aronsson, 1996, ”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 75.21

0 50 100 150 200 2505

10

15

20

25

30

35

40Uppskalad tappvarmvatten effekt från flerbostadshusen

Dygn

Effe

kt[M

W]

Figur 8.3 Uppskalad effektprofil under 213 dygn i 21 styckena flerbostadshus i Umeå Energis fjärrvärmesystem.

Då det krävs en allt mindre temperaturhöjning av inkommande vatten desto mer gratis energi som erhålls från marken under sommarperioden så krävs följaktligen en mindre effekt för att lyfta vattnets temperatur till önskad nivå. Detta tillsammans med en generellt mindre tappvarmvatten konsumtion under perioden, antas här vara starkt bidragande faktorer till att tappvarmvattenbehovet i husen avtar mot sommartid, som kan ses i fig. 8.3. Värmemängden för tappvarmvattenberedning är här alltså inte konstant över året, utan visar upp ett säsongsmönster likt värmebehovet för uppvärmning, inte lika kraftfullt dock.

8.3 .4 Total värmeproduktion

Den totala värmeproduktionen i ett fjärrvärmesystem skall tillfredsställa nätets värmeförluster samt värmelasterna hos kunderna som består av ett energibehov för byggnadsuppvärmning och tappvarmvattenberedning . Dessa är skilda åt i sin karaktär och separeras därför åt.

Uppvärmningsbehovet påverkas av temperaturerna inom och utomhus samt av det klimatskal som omger byggnaden. Detta är relativt enkelt att förutse till skillnad från värmebehovet för tappvarmvatten som är styrt av hur mycket tappvarmvatten den boende använder. Det beror således på den boendes vanor, beteende men också av vilken tapputrustning som finns installerad och kan därför variera kraftigt under dygnet, veckan och året.31 Värmebehovet för tappvarmvattenkonsumtion är således mer beroende av verksamheten i byggnaden, än byggnaden i sig.

31 Aronsson, 1996, ”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 61.22

För att uppskatta den simulerade byggnadens uppvärmningsbehov, hämtades via Umeå Energis mätserver respektive produktionsanläggnings värmeproduktion under året 2007. Värmeproduktionerna summerades sedan för att i simuleringen approximera samtliga produktionsanläggningar som en enda stor produktionsanläggning.

I summeringen lämnades ackumulatortanken utanför och behandlades därigenom neutral i simuleringen eftersom dess påverkan på den totalt producerade energimängden över året anses i sammanhanget vara försumbar.32 Resultatet av summeringen visas i fig. 8.4, där den totala värmeeffekten från Umeå Energis samtliga produktionsenheter plottats mot utetemperaturen.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 250

50

100

150

200

250

300Ptot som funktion av utomhustemperatur år 2007 i Umeå

Temperatur [C]

Pro

duce

rad

värm

e pe

r dyg

n [M

W]

Figur 8.4 Sambandet mellan totalt summerad värmeeffekt och dygnsmedeltemperatur i Umeå Energis fjärrvärmesystem år 2007.

Det kan ses i fig. 8.4 att värmelasten sjunker med ökande utetemperaturer varpå den lägger sig på en lägsta nivå där det endast finns ett tappvarmvattenbehov att uppfylla hos abonnenterna.

Andelen av den totala värmelasten som går till uppvärmning blir då den kvarvarande delen efter att distributionsförlusterna och värmebehovet för tappvarmvatten beredning, dragits bort. Följande samband kan därför tecknas:

= - - (8.2)

8.3 .5 Massflöde

Det totala massflödet i Umeå Energis huvudnät utgörs av flödet från produktionsanläggningarna vid Dåvamyren och Ålidhemsverket samt från

32 Carlsson, 2009, Umeå Energi.23

spetsanläggningarna. Det visade sig dock vara svårt att få tag i mätvärden på flödet som passerar genom spetsanläggningarna eftersom Umeå Energi endast sparar den producerade effekten på årsbasis för dessa. Därför approximerades spetsflödet genom att anta att samma temperaturnivåer på fjärrvärmevattnet råder vid spetsanläggningarna som för Ålidhemsverket, som är centralt placerad i huvudnätet. Flödet genom spetsanläggningarna approximerades med hjälp av energibalansvillkoret nedan.33

(8.3)

Där är differensen mellan returledning och framledningstemperatur för Ålidhemsverket. Spetsflödet är endast av storleksordningen 10 procent av det totala flödet så approximationen bör därför inte bidra med fel av betydande storlek för den jämförelse som senare kommer att göras mot det simulerade flödet.

8.3 .6 Framledningstemperatur

Framledningstemperaturen, TF från produktionsanläggningarna varierar med utetemperaturen och är den temperatur på fjärrvärmevattnet som skickas ut från produktionsanläggningarna till abonnenternas fjärrvärmecentraler. TF varierar mellan produktionsanläggningarna inom Umeå Energi men eftersom anläggningarna i simuleringen aggregerats ihop så kommer dessa variationer bortses från och TF antas följa en styrkurva som är konstruerad utifrån Umeå Energis reglerstrategi. Styrkurvan visas i fig. 8.5 nedan.

33 Grundläggande ekvation inom Thermodynamiken, Se exempelvis, Y.A. Cengel and M.A. Boles, ”6th edition Themodynamics –an engineering approach”, s 188.

24

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 2090

95

100

105

110

115

120

125TF som funktion av utomhustemp år 2007 i Umeå

Utomhustemperatur [grader celcius]

Fram

ledn

ings

tem

pertu

r [G

rade

r Cel

sius

]

Figur 8.5 Umeå Energis styrkurva som funktion av utomhustemperaturen år 2007.

Normalt intervall för TF ligger inom det Svenska fjärrvärmenätet mellan 70°C sommartid och 120°C vintertid.34 Men eftersom Umeå Energi har en absorptionskylmaskin i drift sommartid som kräver en framledningstemperatur på lägst 95°C för att kunna arbeta med full verkningsgrad. Så utgör denna en begränsning för TF nedåt och hålls av den anledningen konstant 95°C, då utetemperaturen överstiger 4°C. Vid tillfällen då det är kallare än -20°C hålls TF konstant 120°C. Under år 2007 understeg dygnsmedeltemperaturen detta värde endast vid ett tillfälle, varpå styrkurvan slutar vid denna gräns i fig. 8.5.

8.3 .7 Returledningstemperatur

Returledningstemperaturen är den temperatur fjärrvärmevattnet håller efter att det passerat genom abonnenternas fjärrvärmecentraler och mäts vid fjärrvärmeverket. Den slutliga returtemperaturen består således av en temperaturblandning av samtliga abonnenters returtemperatur. I beräkningarna kommer denna blandningseffekt att försummas och det antas att den temperatur som den simulerade byggnaden lämnar ifrån sig är den temperatur som Umeå Energi mäter.

8.3 .8 Gångtid

34 Frederiksen, 1983, ” A Thermodynamic Analysis of District Heating”, s 6.25

Gångtiden är den tid som det tar för fjärrvärmevattnet att färdas från produktionsanläggningen till abonnenternas fjärrvärmecentraler. Då simuleringen är grov baserad på dygnsmedelvärden och gångtiden är en parameter som inverkar vid en simulering med högre tidsupplösning (timmar) så blir följden av vald simuleringsmodell att gångtiden inte kan beaktas.

8.3 .9 Fjärrvärmecentralen

De två vanligaste typerna av kopplingsanordningar som används i fjärrvärmecentralerna idag är enstegs och tvåstegskoppling. I enstegssystemet värms sekundärsidans kallvatten upp i ett enda steg medans tvåstegskopplingen först, värmer upp kallvattnet i en förvärmare (första steget) med hjälp av primärsidans returvatten. Skulle inte uppvärmningen vara tillräcklig värms sekundärsidans vatten upp ytterligare i en eftervärmare (andra steget) med hjälp av primärsidans framledningsvatten.35 Tvåstegssystemet ger på detta sätt en bättre avkylning och är således effektivare men är dock dyrare eftersom den är mer komplicerad med en extra värmeväxlare relativt enstegssystemet. I fig. 8.6 visas en principskiss över en enstegs- fjärrvärmecentral som valdes till byggnaden i simuleringen.

Figur 8.6 Fjärrvärmecentral med enstegskoppling. Där , , , , , är olika vattentemperaturer och , , , , är olika vattenflöden i systemet.

Enstegs-fjärrvärmecentralen som visas i fig. 8.6 valdes dels på grund av dess enkelhet att simulera och utföra beräkningar på. Men även för att enstegssystemen tagit allt större marknadsandelar de senaste 10 åren.36 Man har kunnat visa att skillnaden i effektivitet i många fall är liten då enstegssystemen blivit allt effektivare tillsammans med att den förbättrade avkylningen i tvåstegssystemet endast sker då ett behov för värmning av tappvarmvatten inträffar37 som i denna undersökning är satt till 24 procent av det totala energibehovet på årsbasis. Så den största skillnaden mellan enstegs kontra tvåstegskoppling i

35 Svensk fjärrvärme, ”Din fjärrvärmecentral - en handbok för dig som sköter värmen i huset”, s 13.36 Baseras på information från SWEP återförsäljare för fjärrvärmecentraler. 37 Gummerus, P. ”Gefle dimensionering – Stora vinster med strypta flöden”, s 54-58.

26

simuleringen bedöms endast bli något lägre returtemperaturer i det senare fallet. Varpå differensen mellan alternativen bedöms vara acceptabel för den undersökning som görs här.

8.3 .10 Den simulerade byggnaden

I fig. 8.7 visas använd simuleringsmodell innehållande de storheter som diskuterats ovan.

Figur 8.7 Använd simuleringsmodell med beteckningar för distributionsförluster , tillförd effekt för värmning av tappvarmvatten , byggnadsuppvärmning , samt flöde

och nättemperaturer och .

9 Teori

I kapitel 9 behandlas den teori som är nödvändig för modellen. Gällande radiatorkrets, tappvarmvattenkrets samt byggnadens uppvärmningsbehov. De förenklingar som är gjorda på vägen sammanfattas och effekt samt flödesjämförelser utförs mellan simulering och verklig produktion. Tillsist utförs en iteration med syfte att avgöra hur mycket framledningstemperaturen kan sänkas i de antagna energieffektiviseringsscenariorna som presenterades i kap. 5.1.

9.1 Uppvärmningsbehov

27

Syftet med byggnadsuppvärmning är att upprätthålla en behaglig inomhustemperatur. Ifall störfaktorer som exempelvis solinstrålning och vind försummas så kan det flöde med vilket värme måste tillföras en byggnad uttryckas.38

(9.1)

Där:

: Värmeeffekt till byggnadsuppvärmningU: Värmegenomgångstal för byggnadens klimatskal A: Area för byggnadens klimatskaln: Luftomsättningstal: Luftens densitetc: Luftens värmekapacitet

Innesluten luftvolym: Verkningsgrad för eventuell värmeväxlare

för värmeåtervinningF: Byggnadens förlust faktor

: InnetemperaturUtomhustemperatur

Denna andel måste vara lika med den levererade värmen avsedd för uppvärmning för alla utetemperaturer ifall termisk jämvikt skall råda. D.v.s. vid energibalans i byggnaden gäller då att ekvation 8.2 är lika med ekvation 9.1.

Vid beräkning av en byggnads effektbehov måste man även känna till den lägsta utetemperatur som normalt inträffar på orten. Denna benämns som dimensionerande vinterutetemperatur (DVUT) och används för att dimensionera uppvärmningssystemet så att det blir lagom stort effektmässigt. DVUT beräknas av Statens Meterologiska och Hydrologiska institut (SMHI) och är förutom klimatet även beroende av byggnadens tidskonstant.39

Dimensioneringen bygger på att en temperatursänkning på 3°C i byggnaden tillåts när det är som kallast ute.40 Tanken är då att utnyttja den lagrade värmen i byggnaden för att på så sätt inte överdimensionera systemet. Hur mycket värme som en byggnad är kapabel att lagra beror på dess tidskonstant.41 Vanliga träregelhus har en tidskonstant mellan 1 till 2 dagar medans tyngre hus kan ha en tidskonstant på 4 dagar eller mer. 42

För den simulerade byggnaden sätts DVUT till -23°C. Vilket representerar en byggnad i Umeå med en tidskonstant något längre än 2 dagar. Ekvation 9.1 kan då i det dimensionerande fallet tecknas:38 Werner, Frederiksen, 1993,”Fjärrvärme Teori, teknik och funktion”, s 19.39 Aronsson, 1996,”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 115.40 Aronsson, 1996,”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 115.41 En byggnads tidskontant är ett mått på den tid det tar för byggnadens inomhustemperatur att reagera på en hastig temperaturförändring utomhus eller vid ett avbrott i värmetillförseln.42 Boverket, om dimensionerande vinterutetemperatur.

28

(9.2)

För att uppskatta denna storhet gjordes en extrapolering av byggnadens uppvärmningsbehov, (ekvation 8.2) till DVUT. Denna metod bygger på att karaktärisera byggnadens beteende utifrån klimatet (byggnadens energisignatur) och då används endast värmebehovet för uppvärmning eftersom det är starkt beroende av utetemperaturen. Extrapoleringen utfördes för perioden 1 oktober t.o.m. 31 mars år 2007. (Perioden valdes för att minimera påverkan av störfaktorer som exempelvis solinstrålning och vind) och visas i fig. 9.1 nedan.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 1040

60

80

100

120

140

160

180

200Puppvärmning som funktion av utomhustemp

Utomhustemperatur [grader celcius]

Pup

pvär

mni

ng [M

W/d

ag]

Figur 9.1 Sambandet mellan den simulerade byggnadens effektbehov för uppvärmning och utetemperatur i Umeå under perioden 1 oktober t.o.m. 31 mars år 2007.

Trendlinjen i fig. 9.1 approximerar byggnadens totala värmeeffektförlust eller förlustfaktor (F) och består av summan av byggnadens transmissions, ventilations och läckageförluster. Via avläsning vid DVUT -23°C approximerades det dimensionerande effektbehovet för byggnaden till 185 MW.43

9.2 Radiatorkretsen

Med betecknar enligt fig. 8.6 så kan den energimängd som radiatorn överför till den omgivande luften tecknas enligt:

43 För att vara noggrannare skulle trendlinjen i fig. 10.1 i nästa skede korrigerats med normalårstemperaturer D.v.s. anpassa denna så att den gäller för ett normalår men för dessa beräkningar tas trendlinjen eller byggnadens förlustfaktor som en acceptabel approximation.

29

(9.3)

Där:

: Radiatorns värmeöverföringskapacitet : Framledningstemperatur till radiatorn Returledningstemperatur från radiatorn

Inomhustemperatur

Genom energibalans gäller att ekvation 9.3 är lika med den energi som tillförs radiatorn från radiatorvärmeväxlaren, som kan tecknas enligt.44

(9.4)

Där:

Massflöde i radiatorsystemet [kg/s] Cp: Specifik värmekapacitet för vatten

Med antagande att det inte finns förluster i värmeväxlaren mellan radiatorsystemet och primärsidan så gäller det att ekvationerna 9.3 och 9.4 kan sättas lika med den energimängd som fjärrvärmevattnet levererar, som tecknas enligt.

(9.5)

Där:

Massflöde till radiatorvärmeväxlaren

Till radiatorsystemet valdes ett 60/40 temperaturprogram att vara representativt och vid utetemperaturer högre än 17 ºC, sattes uppvärmningsbehovet till noll eftersom byggnadens interna värmekällor (elektriska apparater, människor etc.) samt solinstrålning. antogs generera resten av värmebehovet, vilket är praxis.45 (I välisolerade hus kan balanstemperaturen sättas ännu lägre).

Vidare antas en konstant rumstemperatur på 21ºC, (vilket är en vanlig innetemperatur i svenska byggnader).46 Vid övrig dimensionering har råd från fjärrvärmeföreningen följts och de använda dimensioneringsparametrarna listas i bilaga 1.

Värmeväxlaren för radiatorsystemet dimensioneras så att den skall kunna överföra maximal effekt vid DVUT. På så sätt skapas en uppvärmningskapacitet som ytterst sällan är otillräcklig för husets uppvärmningsbehov. Den logaritmiska medeltemperaturdifferensen över växlaren approximeras här enligt:

44 Werner, Frederiksen, 1993, ”Fjärrvärme Teori, teknik och funktion”, s 267.45 Werner, Frederiksen, 1993, ”Fjärrvärme Teori, teknik och funktion”, s 27.46 Werner, Frederiksen, 1993, ”Fjärrvärme Teori, teknik och funktion”, s 21.

30

(9.6)

Då och de övriga dimensionerande uppgifterna är kända (se bilaga 1) så kan den dimensionerande värmeöverföringskapaciteten för radiatorn respektive radiatorvärmeväxlaren räknas ut med hjälp av ekvation 9.3 respektive ekvation 9.6.

Därefter kan det dimensionerande massflödet i radiatorkretsen räknas ut med hjälp av ekvation 9.4 och dimensionerande primärflödet genom radiatorns värmeväxlare räknas ut med hjälp av ekvation 9.5.

Genom att utnyttja energibalans över radiatorn så går det med hjälp av ekvationerna 9.2, 9.3 samt 9.4 att sedan räkna ut och vid varierande utetemperaturer. Tillsist med iteration och hjälp av ekvationerna 9.4, 9.5 samt 9.6 så kan returtemperaturen från byggnaden beräknas.

9.3 Tappvarmvattenkretsen

Effektbehovet för tappvarmvattenberedning är en funktion av det vattenflöde som ska värmas upp samt den temperaturhöjning som önskas, detta kan tecknas enligt.47

(9.7)

Där

Varmvattenflöde i tappvarmvattenkrets [kg/s]Värmekapacitivitet för vattenVarmvattentemperatur i tappvarmvattenkretsKallvattentemperatur i tappvarmvattenkrets

Mätvärden på , , erhölls som nämnts tidigare via Umeå Universitet. Vilket gav med hjälp av ekvation 9.7 en effektprofil för 21 styckena flerbostadshus tappvarmvattenkonsumtion. Denna förstorades sedan upp med 24 procent av den totalt levererade fjärrvärmen till byggnaden för att på så sätt approximera Umeå Energis kunders tappvarmvattenkonsumtion som helhet. Teorin bakom tappvarmvattenkretsen använder sig sedan av ekvationerna 9.4, 9.5 samt 9.6 men med , istället insatta och är stundtals väldigt lika, varpå denna del utelämnas här. Vid intresse hänvisas till bilaga 4.

9.4 Sammanfattning av gjorda antaganden & förenklingar

De största förenklingarna som gjordes i simuleringen listas nedan.

Samtliga av Umeå Energis produktionsanläggningar och abonnenter aggregerats ihop till en enda produktionsenhet samt abonnent.

47 Aronsson, 1996, ”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, s 7631

Effektbehovet för tappvarmvattenförbrukningen antogs vara av storleken 24 % av den tillförda fjärrvärmen till byggnaden och följa 21 flerbostadshus tappvarmvatteneffektprofil.

Ingen variation i framledningstemperatur från produktion till abonnent.

Ingen variation i returledningstemperatur från abonnent till produktionsanläggning.

Enstegsundercentral utrustad med radiator samt genomströmningsberedare hos abonnent.

Ideala värmeväxlare i abonnentens undercentral

Konstant inomhustemperatur, 21 hos abonnent.

Byggnadens förlustfaktor, F antas variera linjärt med utomhustemperaturen

Solinstrålning samt vindeffekter försummas.

9.5 Validering

Ett försök till validering visas i fig. 9.2 där modellens flödesvariationer jämförs mot variationen i flöde från Umeå Energi. Med utgångspunkten desto större korrelation mellan modell och verkligt flöde desto bättre approximation av verkligheten representerar modellen.

0 50 100 150 200 2500

0.5

1

1.5

2

2.5

Tid [Dygn]

Flöd

e [K

g/s]

/[Kg/

s]

Relativ flödesvariation per dygn

Modell flödestrendVerklig flödestrend

Figur 9.2 Modellens flödesvariationer relativt variationen i flöde från Umeå Energi under

32

perioden 1 januari t.o.m. 1 augusti år 2007.

Det kan ses i flödesjämförelsen att modellflödet inte riktigt följer med i flödestopparna då spetsanläggningarna varit igång. Bättre överensstämmelse återfinns i mittpartiet mellan dag 60 t.o.m. 100. Vid dag 150 slås spetsanläggningarna av och efter denna brytpunkt är endast Dåva1 i drift. Detta görs eftersom den då klarar av att leverera det uppvärmningsbehov som finns och eftersom Dåva1 är en basanläggning med en fördelaktig bränslekostnad och med starka incitament att hålla elproduktionen uppe på en hög nivå, så är dess drift okänsligare mot variationer i utetemperatur än övriga produktionsanläggningar. Detta medför en sämre korrelation mellan modell och verklig produktion dessa dagar eftersom modellen är starkt kopplad till variationer i utetemperaturen.

Vid dag 170 kan också ses att modellflödet har några starka sänkor. Detta antas bero på att uppvärmningsbehovet sattes till noll i modellen under de dagar då utetemperaturen översteg 17 ºC. Vilket då medför att den simulerade byggnaden endast har ett tappvarmvattenbehov.

Sammanfattningsvis kan sägas, att en till stor del, god korrelation råder i fig. 9.2 mellan modell och verkligt flöde med avseende på känslighet mot utetemperatur. Förutom mot sommarperioden, där korrelationen är aningen sämre som till största del antas bero på en ökad solinstrålning vilket medför att modellen överskattar byggnadens värmebehov. En annan försvårande omständighet är det stokastiska tappvarmvattenbehovet som påverkar korrelationen negativt .

I fig. 9.3 visas en effektjämförelse. Där byggnadens tappvarmvatten och uppvärmningseffektbehov plottats tillsammans med levererad effekt från Umeå energi.

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

200

250

300

Tid [Dygn]

Effe

kt[M

W]

Byggnades uppvärmnings-effektbehovByggnades varmvatten-effektbehovlevererad effekt till byggnaden

Figur 9.3 Byggnadens uppvärmnings och tappvarmvattenbehov samt levererad effekt från Umeå Energi under perioden 1 jan t.o.m. 1 aug år 2007.

33

I Fig. 9.3 kan ses att tappvarmvattenbehovet ligger i sammanhanget relativt konstant men avtar något mot sommaren främst på grund tappvarmvattenberedningens säsongsvariation. Ytterligare kan ses att byggnadens uppvärmningsbehov följer den levererade effektens variationer med utetemperaturen relativt bra t.o.m. dag 150.

I fig. 9.4 görs en ytterligare effektjämförelse, där byggnadens tappvarmvattenbehov och uppvärmningsbehov adderats ihop och plottas därefter tillsammans med levererad effekt från Umeå Energi.

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

200

250

300

Tid [Dygn]

Effe

kt[M

W]

Byggnades totala effektbehovlevererad effekt till byggnaden

Figur 9.4 Byggnadens totala värmeeffektbehov och levererad effekt från Umeå Energi under perioden 1 januari t.o.m. 1 augusti år 2007.

I fig. 9.4 kan samma tendenser ses, som i den tidigare gjorda flödesjämförelsen i fig. 9.2. Modellen är som nämnts tidigare grov med syfte att skapa en motsvarande grov uppskattning av möjligheten att sänka framledningstemperaturen vid de antagna scenariorna för minskat uppvärmningsbehov som presenterades i kap 6. Till detta behövdes slutligen en iteration av flödet utföras.

9.6 Iteration

I iterationsprocessen utnyttjades det faktum att då en sänkning av uppvärmningsbehovet i nätet inträffar, så behövs inte samma energimängd levereras längre. Detta medför att flödet till abonnenterna minskar. Ifall en önskan finns att behålla samma flöde som rådde innan sänkningen av uppvärmningsbehovet, kan framledningstemperaturen sänkas varpå flödet måste öka igen. Detta kan ses medhjälp av nedanstående ekvationer, (där

34

beteckningar enligt fig. 8.6 används). Primärflödet genom radiatorns värmeväxlare kan tecknas med hjälp av energibevaringsvillkor över radiatorn enligt.48

[kg/s] (9.8)

Ytterligare så kan att primärflödet i tappvarmvattenkretsen tecknas enligt:

[kg/s] (9.9)

Totaltflödet genom undercentralen blir då med dagens värmebehov:

[kg/s] (9.10)

Uppvärmningsbehovet har därefter antagits minska med x procent där x antagit 0.8 respektive 0.87 i enlighet med de två scenariorna som undersöktes. Framledningstemperaturen sänkts sedan kontinuerligt med z procent i iterationsprocessen. Vilket resulterar i att det sänkta flödet tvingas öka igen. Iterationsprocessen avbröts då en flödesdifferens på mindre än 5 kg/s uppnåddes. Ekvationen för totalflödet som itererats, kan med ovanstående resonemang tecknas enligt:

[kg/s] (9.11)

Och iterationsprocessen avbröts då

< 5 [kg/s] Iterationen visade att en möjlig sänkning av framledningstemperaturen på ca 9,73 procent av styrkurvan var möjlig vid ett minskat uppvärmningsbehov på 20 procent. En flödesdifferens relativt initialflödet skulle då inträffa på ca 4,63 kg/s.

För scenariot för minskat uppvärmningsbehov på 13 procent visade iterationen en möjlig sänkning av framledningstemperaturen på ca 6,33 procent av styrkurvan. En flödesdifferens relativt initialflödet skulle då inträffa på ca 4,3 kg/s.

9.7 Diskussion

Modellen visar på att möjlighet föreligger att sänka framledningstemperaturen vid sänkt uppvärmningsbehov och samtidigt inte förändra flödet märkbart i systemet, vilket möjliggör förtjänster genom att mer el kan produceras. Dock så är Umeå Energis nättemperatur begränsad nedåt till en temperatur på 95°C på grund av en absorptionskylmaskin vid Ålidhemsverket som förlorar verkningsgrad vid lägre framledningstemperaturer.

48 Grundläggande ekvation inom Thermodynamiken, Se exempelvis, Y.A. Cengel and M.A. Boles, ”6th edition Themodynamics –an engineering approach”, s 188.

35

Det är fullt möjligt att sänka framledningstemperaturen lägre eftersom dess lägsta punkt utgörs av konsumenternas krav på tappvarmvattentemperatur, varför sänkningen antas teoretiskt kunna bli begränsad nedåt till som lägst 65°C.49 Detta låga värde bygger på de få tillfällen då uppvärmningsbehovet hos kunderna är försumbar vilket är sällsynt, för att därför alltid ha tillräckligt med marginal med avseende på överföringskapacitet i nätet antas det, i de fortsatta beräkningarna att den teoretiskt lägsta framledningstemperaturen i Umeå Energis nät är 80°C.50

10 Ekonomi

P.g.a. att en för stor osäkerhet skulle introduceras i beräkningarna ifall en prediktion av bränsleprisutvecklingen till år 2020 även skulle införas. Så kommer istället en relativ värdering av de antagna produktionsförändringarna år 2020 relativt år 2007 att göras med genomsnittliga bränslepriser gällande år 2009. På så sätt relateras produktionsförändringarna till dagens förutsättningar. I kapitlet som följer, ges lite information om de bränslen som används idag.

10.1 El som bränsle

Elen som Umeå Energi köper in värderas enligt Nordpools elspotpris. Till detta skall nätavgift, elskatt samt kostnad för elcertifikat läggas till. Genomsnittpriset år 2009 för el var 392,46 kr per MWh. 51 Elskatt52 samt nätavgift53 sattes till 186 respektive 120 kr per MWh. Kostnaden för elcertifikat uppskattades till 50 kr per MWh. Vilket kommer ifrån elcertifikat avgiften som var 293 kr per MWh. 54 Detta multipliceras sedan med kvotplikten på 17 procent55. Detta sammantaget medför en genomsnittlig elkostnad för Umeå Energi år 2009 på 748 kr per MWh. Beräkningarna sammanfattas i tabell 10.1.

Tabell 10.1 Kostnad för el som bränsle

Kostnadspost Elkostnad (kr/MWh)elspotpris 392Skatt 186Nätavgift 120elcertifikat 50Summa 748

10.2 Avfall

Umeå Energi tar ut en mottagningsavgift från avfallsleverantören. I beräkningarna ses denna mottagningsavgift som en intäkt vilket innebär att bränslepriset för avfall blir negativt. Bränslepriset beräknas som kostnader för behandling av avfallet minus intäkterna för 49 Se rapporten, ”Produktion, distribution och kundcentraler”, Svensk Fjärrvärme, s 19.50 Carlsson, 2009, Umeå Energi.51 Nordpool, Elpriser, 52 Energifakta, Om elskatt.53 Muntlig referens, Umeå Energi, Carlsson Jörgen, 200954 Svenska kraftnät, Genomsnittpris elcertifikat 2009.55 Energimyndigheten, Kvotplikt 2009.

36

mottagandet. Eftersom den exakta prisuppgiften är en företagshemlighet så kommer denna uppgift att utlämnas här.

10.3 Intäkter vid elproduktion

Tillvägagångssättet för beräkna intäkterna vid elproduktionen för Dåva1 och Dåva2 har varit densamma som i tidigare examensarbeten56 där elproduktionsintäkterna delats upp i tre delar enligt leverans till nät, egenförbrukning samt skattebefriad egenförbrukning. Dessa delar viktas sedan ihop för att få en slutlig total intäkt för elproduktionen för respektive produktionsanläggning.

Det som skiljer sig åt i beräkningarna mellan Dåva2 och Dåva1 är dels en viss skillnad i viktningen mellan leverans till nät och egenförbrukning. Där Dåva2 levererar större andel el till nätet (90 procent) och kräver mindre el för egenförbrukning (8 procent) relativt (85 procent) samt (14 procent) för Dåva1. Andelen skattebefriad egenförbrukning är för bägge 1,5 procent av den totala elproduktionen. Ytterligare så erhåller Dåva2 intäkter för elcertifikat på grund av att elproduktionen är biobränslebaserad. Därmed blir värdet för elproduktionen större för Dåva2.

Detta beror på att systemet med elcertifikat är uppbyggt för att främja elproduktionen med förnybar el. 57 Genom att införa en obligatorisk kvotplikt för elanvändare och elleverantörer så skapas hela tiden en efterfrågan på elcertifikat. Elproduktionsintäkten fås då man viktar ihop de tre delarna, leverans till nät, egenförbrukning samt skattebefriad egenförbrukning enligt procentsatserna som presenterats ovan för respektive produktionsanläggning. Dessa beräkningar visas i tabell 10.2.

Tabell 10.2 Genomsnittlig elintäkt för Umeå Energis produktionsanläggningar Dåva1 och Dåva2 år 2009.

Elintäkt Dåva1 [kr/MWh]

Elintäkt Dåva2 [kr/MWh]

leverans till nätElspotpris 392 392El inmatningsavgift till nät – 30 – 30Elcertifikat 0 293Viktning (%) 0,85 0,9Summa1 362 655

EgenförbrukningKostnad utan kraftproduktion 748 748Elcertifikat – 50 – 50Skatt – 186 – 186Viktning (%) 0,14 0,08

56 Stenlund, 2005, ”Dimensionering av en ackumulatortank för Umeå Energis fjärrvärmesystem” samt Ödin, 2007, ”Driftekonomiska vinster med en sänkning av fjärrvärmereturen”.57 Energimyndigheten, Om elcertifikat.

37

Summa2 452 452

Skattebefriad egenförbrukning 748 748Viktning (%) 0,015 0,015

Total viktad summa 391 642

10.4 Övriga intäkter

Kylintäkten består av fakturerad kylmängd för året 2009 och inkluderar rörliga och fasta kostnader för kylproduktionen. Samma resonemang gäller för intäkten för fjärrvärme. Kostnaden för marginalfjärrvärmen sätts i förhållande till den dyraste anläggningens produktionskostnader.

11 Analys fjärrvärme år 2020

I Kapitel 11 görs konsekvensanalyser för elproduktionen samt distributionsförlusterna beträffande möjligheterna till sänkning av framledningstemperatur som togs fram i kap. 9.6. Därefter revideras värmelasten enligt de antagna energieffektiviseringsscenariorna. Slutligen görs en uppskattning av den ekonomiska differensen mellan produktionsåret 2007 samt 2020. Där hänsyn tas till nyanslutningslasten som uppskattades i kap 6.

11.1 Korrigering av mätvärden

Vissa mätvärden har justerats med avseende på grova mätfel. Metoderna för detta har varit medelvärdesbildning alternativt linjär approximation. Den sistnämnda metoden användes för att krympa Dåva1:s stopperiod under år 2007 som var längre än normalt. Stopperioden krymptes från 54 till 45 dagar vilket är mer representativt för ett normalt driftår.58

Beträffande Dåva2 fanns inte empiriska mätvärden tillgängligt, som nämnts tidigare. Därför utnyttjades en tidigare gjord simulering över dess driftkarakteristika.59 Därefter lades stopperioder in, där den första stopperioden representerar sommaruppehållet som inträffar under perioden 13/4 - 26/8. Därefter lades ytterligare två stoppveckor avsedda för underhåll. Dessa antogs inträffa under perioderna 1/3 - 7/3 respektive 23/10 - 30/10.

11.2 Framledningstemperatur

Iterationen i kap. 9.6 visade att en sänkning på ca 9,73 respektive 6,33 procent av dagens styrkurva var möjlig vid minskade uppvärmningsbehov på 20 respektive 13 procent. Dessa 58 Carlsson, 2009, Umeå Energi.59 Ödin, 2007, ”Driftekonomiska vinster med en sänkning av fjärrvärmereturen”.

38

sänkningar kommer att utföras för utetemperaturer som understiger 4°C. Däremot för utetemperaturer högre än 5°C kommer framledningstemperaturen även fortsättningsvis föreslås hålla en konstant temperatur på 95°C.

Detta görs för att inte riskera att absorptionskylmaskinen tappar verkningsgrad under sommarperioden. De förslagna styrkurvorna med modifieringar enligt ovanstående resonemang visas för det 20 respektive det 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot i fig. 11.1.

Förslagna styrkurvor vid energieffektiviseringsscenarior

65

75

85

95

105

115

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Utomhustemperatur i Umeå år 2007 [Celsius]

Fram

ledn

ings

tem

pera

tur [

Cel

sius

]

TF_2020_20%

TF_2020_13%

Figur 11.1 Förslag på styrkurvor för Umeå Energi, ifall energibehovet för uppvärmning minskar med 20 respektive 13 procent relativt år 2007. Där styrkurvan med högsta framledningstemperaturer representerar det sistnämnda lastminskningsscenariot.

11.3 Distributionsförluster

Vid distributionsförlustberäkningarna har gradtidtalet använts, (ekvation 7.5) då förändringar i framledningstemperaturen gjorts. Korresponderande returtemperaturer fick då approximeras genom att anta att samma avkylning som innan temperatursänkningarna gäller. Detta bör inte ligga långt ifrån sanningen eftersom en försumbar ändring av flödet inträffar vid framledningstemperatursänkningarna. Vilket innebär att fjärrvärmevattnet har samma tid att avkylas i fjärrvärmecentralerna som tidigare. Anledningen till approximationen är att returtemperaturerna från simuleringen inte räcker för en helårsanalys eftersom denna baserades på 213 dygn.

Då korresponderande gradtidtal uppskattats för respektive styrkurva kunde distributionsförlusterna i respektive scenario bestämmas via ekvation 7.7. Där den genomsnittliga värmeöverföringskoefficienten samt den uppskattade nätlängden för år 2020 användes.

39

Under sommarperioden har distributionsförlusterna dock med dagens förutsättningar ringa betydelse för Umeå Energi. Detta på grund av att lågt värmebehov då råder hos abonnenterna varpå samtliga anläggningar stängs av förutom Dåva1 som har den fördelaktigaste bränslekostnaden (negativ kostnad). Varpå det inte, kommer att räknas på någon förtjänst av sparade distributionsförluster under denna tid.

11.4 Producerad värmeeffekt

I fig. 11.2 visas scenariorna för värmelasterna som diskuteras, där den antagna totala värmelasten för det 20 respektive 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot betecknas Puppv_2020_20 respektive Puppv_2020_13. Lastscenariorna har korrigerats med den antagna lastökningen för nyanslutningarna t.o.m. år 2020. Ytterligare har energibehovet för tappvarmvattenberedning lagts in som antagits konstant i scenariorna.

Producerad värmeeffekt vid scenarior för energieffektiviseringar

607

528

485

0

79

79

192

192

192

84

105

103

0 200 400 600 800 1 000

Pfjv_2007

Pfjv_2020_13%

Pfjv_2020_20%

[GWh]

Uppvärmningseffekt

Nyanslutningar

Tappvarmvatteneffekt

Distributionsförluster

Figur 11.2 Umeå Energis antagna värmelast (differentierad) år 2020 för olika driftstrategier för framledningstemperatur.

I fig. 11.2 kan ses att distributionsförlusterna är högst i det 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot trots att samma antagande för nyanslutningar gäller i bägge scenariorna. Detta beror av att distributionsförlusterna, förutom nätstorlek även är beroende av temperaturnivån på fjärrvärmevattnet och i detta scenario användes styrkurvan med högsta framledningstemperaturer (som kunde ses i fig. 11.1).

Distributionsförlusterna ökar med ca 19 GWh i det 20 procentiga scenariot respektive 21 GWh i det 13 procentiga scenariot. Då ingen besparing görs under den tid då endast Dåva1 är i drift medför det att distributionsförlusterna som prissätts minskar till 12 respektive 15 GWh.

Det också ses i fig. 11.2 att trots de pålagda nyanslutningarna så minskar den inkomstbringande värmelasten i det 20 procentiga energieffektiviseringsscenariot. (D.v.s. värmelasten då distributionsförlusten dragits bort). Minskningen uppgår sammanlagt till ca 42 GWh. Däremot i det 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot har det antagna tillskottet

40

från nyanslutningarna kompenserat det minskade värmebehovet och den ekonomiska differensen blir därmed liten, relativt år 2007.

11.5 Flödesökning p.g.a. nyanslutningar

De teoretiskt möjliga sänkningarna av framledningstemperaturerna som togs fram i kapitel 9.6 byggde på en försumbar förändring av flödet varpå ingen ökning av pumpkostnader kommer beaktas med anledning av detta. Dock kommer en flödesökning krävas på grund av de antagna nyanslutningarna i kapitel 6 på 79 GWh. Denna flödesökning antas här kunna tillgodoses med distributionspumparna vid Dåva1 och Dåva2.

Det tidigare flödet genom pumparna samt deras pumpkurvor var kända. Dessa kunde utnyttjas för att beräkna hur mycket effekt, pumparna skulle behöva vid ett utökat flöde. Pumpeffekternas relation till flödet visas i nedanstående ekvation:

[W](11.1)

Relationen kommer ifrån en linjär regression som skapats medhjälp av dess pumpkurvor samt flödet genom pumparna , (regressionen visas i bilaga 2). För att därefter beräkna pumparnas effektökning beräknas först den flödesökning som blir ett resultat av nyanslutningarna, genom approximationen:

[kg/s] (11.2)

Där:

: Lasttillskottet på grund av nyanslutningar [W]: Approximerad avkylning Dåva1 år 2020 [°C]

I ekvation 11.2 har framledningstemperaturer enligt styrkurvorna som kunde ses i figur 11.1 använts och returtemperaturen approximerats att vara densamma i bägge scenariorna. Normalt är annars att en förändring sker i returtemperatur då framledningstemperaturen ändras för en given värmelast. Varpå häri ligger ett fel.

Dock är pumpeffektökningen väldigt liten i förhållande till de övriga storheter som behandlas i denna rapport. (Vanligtvis uppgår pumpenergi mängden som måste tillföras vattnet på grund av tryckförluster i ett fjärrvärmenät till mindre än 1 procent av den totalt transporterade energimängden60) och här behandlas bara det extra pumparbetet för nyanslutningar. Varpå denna approximation i sammanhanget ses som acceptabel.

Då det ökade flödet uppskattats genom ekvation 11.2 så kunde den ökade pumpeffekten räknas ut via ekvation 11.1. På detta sätt uppskattas pumpenergi ökningen till 2972 respektive 2966 MWh i det 20 respektive 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot. Anledningen till att pumpeffektökningen skiljer sig åt i energieffektiviseringsscenariorna beror på att de använda styrkurvorna skiljer sig åt i temperatur och den lägsta framledningstemperaturkurvan medför då högst pumpeffekt för att tillgodose nyanslutningslasten.

60 Frederiksen, 1983, ” A Thermodynamic Analysis of District Heating”, s 3.41

11.6 Elproduktion

År 2020 är Dåva2 i drift och producerar el tillsammans med Dåva1. Elproduktionen för bägge produktionsanläggningarna uppskattades via dess alphavärden (ekvationerna 7.3, 7.4) där de förslagna styrkurvorna i scenariorna satts in. Alphavärdena multipliceras sedan med utvunnen värme i respektive produktionsanläggnings turbinkondensor. I fig. 11.3 visas den teoretiska elproduktionen för Dåva1 och Dåva2 år 2020 tillsammans med den verkliga år 2007.

Elproduktion vid scenarior för energieffektiviseringar

88

91

92

214

218

219

0 50 100 150 200 250 300 350

Elprod,2007

Elprod,2020_13%

Elprod,2020_20%

[GWh]

Elprod, Dåva1

Elprod, Dåva2

Figur 11.3 Uppskattad elproduktion år 2020 samt år 2007 vid Umeå Energis produktionsanläggningar Dåva1 samt Dåva2 för olika driftstrategier för framledningstemperatur.

I fig. 11.3 kan de starka konsekvenserna av sänkt framledningstemperatur ses på elproduktionen. Den största procentuella elproduktionsökningen står Dåva1 för. Men den största elproduktionsförtjänsten görs på Dåva2:s elproduktion. På grund av att den relativa elproduktionsdifferensen är störst här. Tillsammans med en inkomst från elcertifikat som medför ett större värde för varje producerad MWh.

Ökningen uppgår sammanlagt för Dåva1 och Dåva2 till ca 8,9 GWh i det 20 procentiga scenariot respektive 6,4 GWh i det 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot. Den teoretiska elproduktionen begränsades uppåt till 35 samt 14 MW för Dåva2 respektive Dåva161. Då dessa värden anses som den maximala elproduktionen för anläggningarna och infördes således för att inte de teoretiska höjningarna skulle bli orealistiska.

11.7 Sammanfattning

I fig. 11.4 visas en grov förändring av intäkterna år 2020 som normaliserats mot produktionsåret 2007. Där intäkterna år 2020 bygger de uppskattade förändringarna som presenterats ovan, gällande elproduktion, distributionsförluster, producerad fjärrvärme, lasttillskott från nyanslutningar samt el till drift av Dåva:s distributionspumpar.

61 Carlsson, 2009, Umeå Energi.42

1,00 0,99

0,96

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

År 2007 År 2020_20% År 2020_13%

Figur 11.4 Intäkt (normaliserad) för Umeå Energi år 2020 relativt år 2007 vid antagna scenarior för minskat behov för uppvärmning på 13 respektive 20 procent under förutsättning att framledningstemperaturen sänks och korrigeringar för nyanslutningar av småhus, flerbostadshus samt lokaler görs.

I och med att den sålda fjärrvärmemängden minskade (-42 GWh) i det 20 procentiga energieffektiviseringsscenariot trots att korrigeringar för nyanslutningar gjordes. Tillsammans med ökade distributionsförluster (12 GWh) och pumpkostnader (2,6 GWh). Så görs den största ekonomiska förlusten i detta scenario (-13,28 Mkr). Detta trots en ökad elproduktion på sammanlagt ca 8,9 GWh.

Ett betydligt bättre utfall fås i det 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot. Med anledning av att effektiviseringarna här, kompenserats av den antagna nyanslutningslasten. Tillsammans med en ökad elproduktion på 6,4 GWh. Resultatet dras visserligen ned något av ökade distributionsförluster på (15 GWh) samt ökade pumpkostnader på (2,6 GWh) som härrör från nyanslutningarna. Men sammantaget ger detta scenario ett mycket bättre ekonomiskt utfall (-2,61 Mkr) relativt produktionsvärdet år 2007. Enligt tidigare diskussion så är tillskottet från nyanslutningar troligast ett låganslutningsscenario och det påverkar det ekonomiska resultatet i scenariorna förhållandevis kraftigt.

12 Analys fjärrkyla

Med tanke på den nuvarande restriktionen för framledningstemperatur under sommarperioden så bedöms det motiverat att undersöka förutsättningarna kring kylproduktionen, två frågor formuleras:

1. Skulle det vara ekonomiskt fördelaktigare, att vara utan absorptionskylmaskinen och därigenom producera mer el genom sänkt framledningstemperatur? .

43

2. Om driften av absorptionskylmaskinen totalt sätt är lönsam, finns då några förbättringsmöjligheter av körsättet?

Absorptionskylmaskinen drivs under högsäsongen av fjärrvärme från Dåva1 vilket är ett fördelaktigt upplägg både miljömässigt och ekonomiskt eftersom Dåva1 är ett avfallseldat kraftvärmeverk och avfallsbränsle har den i nuläget lägsta kostnaden. Dåva2 är avstängd under denna period62 varpå denna kommer att utelämnas i nedanstående beräkningar.

För att utreda ifall det är lönsamt under sommarperioden att hålla en framledningstemperatur på 95°C för att driva absorptionskylmaskinen så måste de ekonomiska konsekvenserna utredas i driftfallen, med absorptionskylmaskinen i nätet respektive utan. Mer om detta i kapitlet nedan.

12.1 Med absorptionskylmaskinen i drift

En relativt liten mängd el produceras på grund av den värmelast som absorptionskylmaskinen utgör, detta kan ses ifall elutbytesfaktorn studeras:

[W] (12.1)

Där är producerad el på grund av det värmeunderlag som absorptionskylmaskinen tillför, samtidigt stiger bränsleförbrukningen på grund av driften av absorptionskylmaskinen med:

[J/kg] (12.2)

Där är Dåva1 pannans verkningsgrad som sattes till 85 procent. Bränsleförbrukningen utgör, enligt tidigare resonemang en intäkt för Umeå Energi. Dessutom produceras en

kylmängd av storlek:

[W] (12.3)

Där är absorptionskylmaskinens kylfaktor som visar hur mycket av den tillförda fjärrvärmen som omvandlas till kyla. Denna är beroende av framledningstemperaturen men i beräkningarna har denna approximerats som konstant 0,6.63

12.2 Stopp av absorptionskylmaskinen

Vid stopp av absorptionskylmaskinen möjliggörs en sänkning av framledningstemperaturen till den satta lägsta nivån, 80°C och en ökad elproduktion görs då av storlek:

62 Carlsson, 2009, Umeå Energi.63 Carlsson, 2009, Umeå Energi.

44

[W] (12.4)

Där , är elutbytesfaktorn vid en framledningstemperatur på 80°C respektive 95°C och är den värmemängd som tillförs fjärrvärmevattnet via turbinkondensorn och det gäller att > som nämnts tidigare. Ytterligare så sänks distributionsförlusterna med:

(12.5)

Där är returtemperaturen som Dåva1 skulle erhålla ifall en framledningstemperatur på

80°C användes och om samma avkylning som innan temperatursänkningen antas. D.v.s. är här differensen mellan och den avkylning som rådde innan temperatursänkningen, enligt vilket medför att < .

Till sist så krävs en ökning av el till Dåva1:s distributionspumpar. Detta eftersom ökat flöde krävs för att tillgodose samma värmebehov som innan sänkningen av framledningstemperatur. Värmebehovet finns oförändrat, för utetemperaturer lägre än 15 grader.64 För att beräkna den procentuella ökningen av pumparnas elförbrukning användes ekvationen:

[%] (12.6)

För härledning av ekvationen hänvisas till bilaga 3. Den ökade elkonsumtionen till distributionspumparna vid Dåva1 och Dåva2 kan slutligen räknas ut med ekvationen nedan:

[W] (12.7)

För att skapa en uppfattning om driftekonomin av absorptionskylmaskinen så användes en summerad intäkts funktion, . Ekvationen syftar till att jämföra intäkterna, i fallen med och utan drift av absorptionskylmaskinen. Ekvationen tecknas fullständigt enligt:

[kr] (12.8)

Där:

(12.9)

Och

64 Carlsson, 2009, Umeå Energi.45

(12.10)

termen i ekvation 13.9 kommer ifrån att ökade pumpkostnader inträffar då framledningstemperaturen sänks till 80°C. Bränslekostnaden utgör här en intäkt men har av pedagogiska skäl placerats som en negativ kostnad i ekvation 12.10.

Då den relativa intäkten uppskattats enligt resonemanget ovan, delades kylperioden upp i olika perioder, fall (A-D), enligt figur 12.1. Detta gjordes för att försöka reda ut vilka perioder som kylproduktionen med absorptionskylmaskinen var mest lämplig under sommarhalvåret 2007.

Perioder för kylproduktion med absorptionskylmaskin

13-apr 28-apr 13-maj 28-maj 12-jun 27-jun 12-jul 27-jul 11-aug 26-aug

A

B

C

D

Fallb

etec

knin

g

Datum

Figur 12.1 Perioder som absorptionskylmaskinen användes för kylproduktion. (Fall B sträcker

sig över hela kylperioden).

Därefter summerades intäkterna vid kylproduktionen relativt den elintäkt som hade varit möjlig vid en sänkt framledningstemperatur till 80°C, enligt ekvation 12.8 för respektive period i fig. 12.1.

I fig. 12.2 visas intäkten tillhörande kylproduktionen relativt en sänkt framledningstemperatur till 80 °C för respektive period. Intäkterna har normaliserats mot det fall som gav den högsta intäkten. Fall C.

46

Normaliserad intäkt relativt elintäkt vid sänkt framledningstemperatur

0,79

1,00

0,72

-0,28

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

A B C D

Figur 12.2 Intäkt (normaliserad) för producerad kyla relativt den elintäkt som varit möjlig vid en sänkt framledningstemperatur till 80 °C som funktion av dagar som absorptionskylmaskinen varit i drift under år 2007.

I fig. 12.2 framgår tydligt att fall A är minst fördelaktig. Det negativa värdet beror av att kylbehovet i början på sommarperioden är för låg för att generera en tillräcklig kylintäkt för att väga upp den elbesparing som skulle kunna göras ifall absorptionskylmaskinen inte var i drift. Under denna period skulle det alltså varit ekonomiskt fördelaktigare att stanna absorptionskylmaskinen tillförmån för en högre elproduktion.

Fall B innefattar hela kylperioden och det kan ses att det totalt sett är lönsamt att driva absorptionskylmaskinen under kylperioden. Dock har det negativa intäkten i början av sommarhalvåret (fall A) en inverkan på det ekonomiska resultatet, totalt. Varpå intäkten är ca 28 procent mindre relativt fall C, det mest fördelaktiga fallet.

De övriga två fallen, C och D skiljer det inte lika mycket mellan. Under dessa perioder är värmebehovet lågt samtidigt som ett högt kylbehov råder. Detta gäller fr.o.m. fall C:s startdag varpå fall D som inte sträcker sig lika långt, under denna period inte når upp till samma positiva ekonomiska resultat.

12.3 Förbättringsförsök av driftstrategin under kylperioden

Kylintäkten beror av kylefterfrågan som således måste uppnå en viss minima nivå för att det skall vara lönsamt att starta absorptionskylmaskinen. Kylefterfrågan beror i sin tur på utetemperaturen. I Fig. 12.3 har därför absorptionskylmaskinens driveffekt, (levererad fjärrvärme) till denna plottats mot utetemperaturen med syfte att undersöka vid vilken utetemperatur som störst kylefterfrågan inträffar och därmed högst krav på framledningstemperatur råder.

47

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25

Utetemperatur i Umeå 2007 [Celsius]

Driv

effek

t AKM

(MW

)

Figur 12.3 Absorptionskylmaskinens driveffekt, (levererad fjärrvärme) till denna mot utomhustemperaturen i Umeå under kylperioden.

Det kan ses i fig. 12.3 att det är först efter att utetemperaturen stiger högre än ca 11°C som kylefterfrågan stiger kraftigt (närmast linjärt). Detta ger en indikation på att framledningstemperaturen inte skulle behöva hålla en så hög temperatur som 95°C redan vid en utetemperatur på 4°C (vilket dagens styrkurva förespråkar). Utan den skulle förslagsvis kunna sänkas för utetemperaturer som ligger mellan 4°C och 9°C till den tillåtna lägsta nivån 80°C eftersom här varken finns något nämnvärt uppvärmningsbehov eller kylbehov. Det lilla kylbehov som finns här skulle möjligtvis en kompressionskylmaskin mer fördelaktigt kunna uppfylla.

Denna lösning föreslås eftersom den elbesparing som möjliggörs vid sänkt framledningstemperatur till 80°C inom detta utetemperatur intervall bör vara större än drivkostnaden för en mekanisk kylmaskin. (Dock kommer inte detta att kunna bekräftas i denna rapport utan är ett förslag på fortsatta studier inom området).

För utetemperaturer som ligger mellan 9°C och 11°C föreslås en återgång av framledningstemperaturen från 80 till 90°C, som är start temperaturen för absorptionskylmaskinen. Detta för att kylefterfrågan snabbt stiger vid utetemperaturer högre än 11°C och måste då kunna mötas. Full verkningsgrad för absorptionskylmaskinen, vilket innebär en framledningstemperatur på 95°C föreslås därefter för utetemperaturer högre än 15°C eftersom stor kylefterfrågan då råder, enligt fig. 12.3.

(Resonemanget förutsätter att kylefterfrågan fortsatt följer samma utetemperatur beroende som gällde för det undersökta året 2007). I Fig. 12.4 har Umeå Energis gällande styrkurva modifieras enligt ovanstående resonemang.

48

65

75

85

95

105

115

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Utetemperatur i Umeå 2007

Alte

rnat

iv s

tyrk

urva

[Cel

sius

]

Figur 12.4 Förslag på alternativ styrkurva för Umeå Energis produktionsanläggning Dåva1.

Den alternativa styrkurvan som visas i fig. 12.4 är Umeå Energis normala styrkurva t.o.m. utetemperaturer högre än 4°C därefter har korrigeringar införts enligt resonemanget ovan. Inga empiriska valideringsmöjligheter har varit möjliga att genomföra för den alternativa styrkurvan men tesen är att kylleveranserna inte skall påverkas negativt eftersom en mekanisk kylmaskin föreslås tjäna vid låg kylefterfrågan (mindre än 1,5 MW över frikylans max kapacitet).65

Driftkonsekvenserna jämfördes i tre fall, under kylperioden år 2007. Dessa är:

1. Den empiriska framledningstemperaturen (verklig produktion).

2. Produktionsresultatet ifall framledningstemperaturen höll temperaturnivåer enligt dagens styrkurva.

3. Produktionsresultatet ifall framledningstemperaturen höll temperaturnivåer enligt alternativ styrkurva.

I fig. 12.5 görs en produktionsjämförelse av distributionsförluster samt elmängd till Dåva1:s distributionspumpar för de tre driftstrategierna.

65 Innan start av absorptionskylmaskinen använts frikyla från luft och älvvatten.49

Produktionsjämförelse vid olika driftstrategier för framledningstemperatur

1289 1089 1320

78767428

8325

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 2 3Fallbeteckning

Prod

uktio

n (M

Wh)

El till distributionspumparDistributionsförluster

Figur 12.5. Jämförelse av Umeå Energis distributionsförluster samt elmängd till Dåva:s distributionspumpar vid olika driftstrategier för framledningstemperatur. Under de dagar som absorptionskylmaskinen var i drift, året 2007.

Då den alternativa styrkurvan (Fall 3) i genomsnitt håller en lägre framledningstemperatur över kylperioden relativt ordinarie styrkurva (Fall 2) samt den empiriskt hållna framledningstemperaturen (Fall 1) så innebär den driftstrategin lägst distributionsförluster eftersom en lägre temperaturdifferens mellan mark och fjärrvärmeledningar då råder. Högst framledningstemperatur håller i genomsnitt ordinarie styrkurva varpå denna driftstrategi belastas med de högsta distributionsförlusterna under kylperioden.

Ytterligare kan ses i fig. 12.5 att en omvänd relation gäller för mängden el till driften för Dåva:s distributionspumpar för de tre driftstrategierna för framledningstemperatur. Detta eftersom desto större sänkning av framledningstemperaturen som införs desto mer flöde krävs för att tillgodose samma värmebehov som tidigare.

I fig. 12.6 görs ytterligare en jämförelse här betraktas förändringar i elproduktionen för de tre driftstrategierna för framledningstemperatur som presenterats ovan.

50

Elproduktionsjämförelse vid olika driftstrategier för framledningstemperatur

36896

35962

37305

30000

31000

32000

33000

34000

35000

36000

37000

38000

1 2 3Fallbeteckning

Elpr

oduk

tion

(MW

h)

Figur 12.6 Elproduktionsjämförelse vid Umeå Energis produktionsanläggning Dåva1 för olika driftstrategier för framledningstemperatur under de dagar som absorptionskylmaskinen varit i drift under år 2007.

Det kan ses i fig. 12.6 att den alternativa styrkurvan ger högst elproduktion. Denna ökade elproduktion kompenserar för distributionspumparnas ökade elkonsumtion som kunde ses i fig. 12.5. Elproduktionsförtjänsten med driftstrategin med den alternativa styrkurvan relativt ordinarie styrkurva efter att elen till driften av distributionspumparna dragits bort uppgår approximativt till 1.1 GWh och 0,4 GWh vid en jämförelse mellan den alternativa styrkurvan och verklig elproduktion 2007.

Då elproduktionen samt kostnaderna för distributionsförluster prissätts enligt genomsnittliga års bränslepriser gällande år 2009. Innebär det en fördel för den alternativa styrkurvan på approximativt 267 tkr relativt den empiriska framledningstemperaturen och 674 tkr relativt ordinarie styrkurva under kylperioden.

I fig. 12.7 normaliseras intäkterna mot intäkten som den alternativa styrkurvan (Fall 3) medförde.

51

Normaliserad intäkt per MWh vid olika driftstrategier för framledningstemperatur

0,98 1,000,94

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1 2 3Fallbeteckning

Figur 12.7 Intäkt (normaliserad) som funktion val av driftstrategi för framledningstemperatur under de dagar som absorptionskylmaskinen varit i drift under år 2007.

12.4 Diskussion

Sammanfattningsvis kan sägas att den alternativa styrkurvan förefaller mer fördelaktigare på grund av lägre distributionsförluster, högre elproduktion som mer än väl kompenserar för ökningen i distributionspumparnas elkonsumtion i beräkningarna ovan. Dock så spås kylbehovets utetemperatur beroende att förändras i framtiden i takt med att bostäderna blir mer isolerade, varmare klimat, samt ökat välstånd (medför ofta högre krav på komfort). Detta samtidigt som studierna över kylproduktionen även kan göras noggrannare så skall beräkningarna ovan endast ses som ett underlag för fortsatta studier på området. Förbättringsmöjligheterna är bl.a. att ta hänsyn till:

Absorptionskylmaskinens verkningsgrad beroende av framledningstemperaturen. I denna studie har verkningsgraden (eller kylfaktorn) approximerats konstant till 0,6. Variationen ligger normalt inom intervallet 0,5 t.o.m. 0,8.

Bränsleprisernas variation med årstid, eftersom elpriset i regel ligger något lägre sommartid. Det har även antagits att avfall finns i överskott till ett fördelaktigt pris. Detta kan komma att förändras i framtiden varpå en fördjupad analys även bör inkludera en variation av avfallspriset.

Eventuella skillnader i kylbehovets beroende av utetemperatur från år till år, här har endast år 2007 har undersökts.

52

Slutsatsen som ändå kan dras är, att endast under de tillfällen som kylbehovet är tillräckligt högt är det ekonomiskt försvarbart att starta absorptionskylmaskinen. Vilket innebär med dagens förutsättningar att man bör, vara restriktiv vid start av absorptionskylmaskinen för utetemperaturer lägre än 9°C.

13 känslighetsanalys

Då en mängd antaganden gjorts på vägen fram till resultaten. (Framförallt i den ekonomiska prediktionen för år 2020) så kommer endast de antaganden som antas ha störst påverkan på resultaten att diskuteras och varieras. Detta görs i kapitlen nedan.

13.1 Nyanslutningar

Nyanslutningsscenariot baserades på prognostiseringar av det framtida byggandet. All prognostisering är dock förknippat med osäkerheter. Byggnadsprojekt kan bli uppskjutna eller försenade av andra skäl och då slår prognosen förstås fel. Dock ligger den antagna prognosen i linje med den historiska byggtakten i Umeå eftersom det färdigställdes under perioden år 1990 t.o.m. år 2007 i genomsnitt 598 lägenheter i flerbostadshus samt motsvarande 126 lägenheter i småhus66 i Umeå, enligt SCB. Vilket är en indikation på att den största felkällan inte bör ligga här.

Därutöver ligger även osäkerheter i hur mycket energi de framtida byggnaderna i Umeå kommer att behöva för varmvatten och uppvärmning. Boverkets nybyggnationsregler uppdateras kontinuerligt och skärpta krav på byggnaders energiprestanda är inte osannolika i framtiden. Det finns också en drivkraft inom byggbranschen att bygga energisnålare än minimikrav som anges i BBR16. Ett exempel på detta är byggsektorns eget miljöprogram, (Byggsektorns kretsloppsråd) som har formulerat visionen nedan. 67

”Den köpta energin i bostadshus färdigställda 2010 och därefter ska i genomsnitt varalägre än 100 kWh/m2 BRA, år.”

(Förkortningen ”BRA” i den citerade texten avser ”bruksarea” enligt SS 02 10 52).

Ifall den framtida energikonsumtionen istället ligger i linje med ovanstående mål68 så har det fortfarande en mycket mindre påverkan på det ekonomiska resultatet än det försummade lasttillskottet från industrilokaler. På grund av att dessa oftast är väldigt energiintensiva byggnader. Därför är det som nämnts tidigare, troligtvis ett lågt lasttillskott från nyanslutningar som antagits i beräkningarna. Ifall lasttillskottet antas vara en felskattning på 10 % medför det en skillnad på 2,37 Mkr som den ekonomiska differensen i bägge scenariorna får skrivas upp, alternativt ned med.

I det 20 procentiga scenariot kan det vara av intresse att se hur mycket lasttillskott som behövs för att nå ”break-even” gränsen relativt år 2007. Därför har i fig. 13.1 det antagna lasttillskottet ökats successivt med 10 % tills denna gräns nåtts.

66 Umeå kommun, statistikdatabas.67 Byggsektorns kretsloppsråd, Delmål E 1.4.68 I beräkningarna användes något högre värden, se kapitel 6.

53

0

20

40

60

80

100

120

140

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2

Prod.värdes diff. år 2020 rel. 2007 i antagen 20% energieff. scenario (Mkr)

Last

tills

kott

p.g

.a. n

yans

lutn

inga

r

Figur 13.1. Uppskattad intäktsdifferens för Umeå Energi år 2020 rel. år 2007 i ett 20 procentigt energieffektiviseringsscenario, som funktion av lasttillskott från nyanslutningar.

Det kan ses i fig. 13.1 att det antagna lasttillskottet behöver ökas med ca 50 %. Varpå ”break-even” punkten på ca 125 GWh nås.

13.2 Sänkning av framledningstemperatur

Framtagandet av möjligheten att sänka framledningstemperaturen i scenariorna var fyllda med många antaganden ifall felet av storleken 1 procent. så medför det att resultatet får skrivas upp alternativ ned med ca 0,54 Mkr respektive ca 0,62 Mkr i det 20 respektive 13 procentiga scenariot. Den främsta anledningen till att en större elförtjänst görs vid en ytterligare sänkning av framledningstemperatur i 13 procentiga scenariot är att den maximala elproduktionen ”slår i taket” för fler dagar i det 20 procentiga scenariot vid en ytterligare sänkning av framledningstemperaturen. Ingen ekonomisk ”break-even” gräns relativt år 2007 kommer däremot att göras här, genom att fortsätta att sänka framledningstemperaturen över gränsen på 9,73 procent (som gällde i det 20 procentiga scenariot). Eftersom flödet då måste ökas och enligt uppskattningar69 är redan flödet ansträngt från Dåva1. (D.v.s. nätet klarar inte av att leverera en större flödesmängd) och då den maximala elproduktionen (35 MW) redan uppnåtts för Dåva2 vid sänkningen av framledningstemperaturen på 9,73 procent. Så bedöms det inte finnas något utrymme för någon ytterligare sänkning av framledningstemperatur.

Det kan vidare nämnas att systemkostnaden kan bli högre i ett nät med väldigt låga temperaturnivåer på grund av att nätet då får svårare att expandera. Detta eftersom en allt större rördiameter på fjärrvärmeledningarna då måste till vid nyanslutningar. Då kostnaden av fjärrvärmerören är en funktion av rördiametern så riskerar den ökade elproduktionen således att tas ut, av minskad intäkt från framtida expansion.

13.3 Bränslepriser

69 Carlsson, 2009, Umeå Energi54

De använda bränslepriserna representerade uppskattade genomsnittspriser för år 2009. Det kan finnas anledning att misstänka att en viss osäkerhet ligger i dessa. Därför varieras dessa i tabell 13.2 för att se vilken påverkan dessa har på den ekonomiska prediktionen för år 2020 i de bägge scenariorna. Förutom dessa visas även konsekvenserna av variationen av nyanslutningsantagandet samt möjlighet till framledningstemperatursänkning som diskuterats ovan. Av estetiska skäl betecknas det 20 procentiga scenariot för Fall 1 och det 13 procentiga energieffektiviseringsscenariot för Fall 2 i tabell 13.2.

Tabell 13.2 Sammanställning av känslighetsanalys för de antaganden med störst resultat påverkan i den ekonomiska prediktionen för år 2020 för Umeå Energi i antagna energieffektiviseringsscenarior på 20 respektive 13 procent.

Variabel Förändring (%) Resultat påverkan Fall 1 (Mkr)

Resultat påverkan Fall 2 (Mkr)

Möjlig sänkning av Tf —Möjlig sänkning av Tf

—Nyanslutningar (MWh) +10 Elpris Dåva1 (kr/MWh) +10 Elpris Dåva2 (kr/MWh) +10 Fjärrvärmepris (kr/MWh) +10 Marginal fjv. pris (kr/MWh) +10

Förändringen av fjärrvärmepriset påverkar inte det relativa ekonomiska resultatet i det 13 procentiga scenariot i och med att nyanslutningslasten och värmelastminskningen tar ut varandra här. Dock i det 20 procentiga scenariot är den antagna värmelastminskningen större än nyanslutningslasten varpå en ökning av fjärrvärmepriset medför en större ekonomisk förlust eftersom att värdet av den förlorade värmelasten då blir större.

I tabell 13.2 valdes att visa en förändring i positiv riktning då nästintill samma ekonomiska förändring skulle ha skett i motsatt riktning. Med undantag från att förändringen i elproduktionen blir något större i negativ riktning i det 20 procentiga scenariot p.g.a. elproduktionen ”slog i taket” för några dagar i positiv riktning. (Skillnaden i det relativa ekonomiska resultatet var dock i sammanhanget försumbar, ca 40 tkr).

14 Slutsatser och rekommendationer

Det kan ses i den ekonomiska skillnaden i energieffektiviseringsscenariorna att det är viktigt att inte flerbostadshus och lokaler på ett snabbt och forcerat sätt byggs om till lågenergihus. Om detta istället introduceras i en lugnare takt kan produktionsanläggningarna successivt anpassa sig till en mer effektiv värmedistribution med t.ex. lägre nättemperaturer som rekommenderas i denna rapport.

Simuleringen indikerade att vid vikande värmelaster på 13 respektive 20 procent så var en sänkning av framledningstemperaturen av storleksordningarna 6,33 respektive 9,73 procent möjlig, vid en försumbar förändring av flödet. Vilket medförde att elproduktionen då kunde ökades med ca 7 GWh i det 13 procentiga scenariot respektive ca 9 GWh i det 20 procentiga

55

scenariot. Detta kompenserade dock inte lastminskningarna fullt ut i scenariorna men medförde ett betydligt bättre ekonomiskt utfall, relativt att låta nättemperaturen vara oförändrad.

Detta gäller också distributionsförlusterna som ökade i effektiviseringsscenariorna för år 2020 som berodde på att nätet expanderade. Men denna ökning hade varit större ifall inte nättemperaturen hade anpassats. På detta sätt sparades ca 8 GWh i det 20 procentiga scenariot respektive ca 5 GWh i det 13 procentiga scenariot. Denna besparing gäller på årsbasis och blir något mindre ifall de skall prissättas eftersom sommarperioden då måste exkluderas.

Utöver en anpassning av nättemperaturerna vid vikande värmelast finns även möjligheter att utveckla metodik för att öka mervärdet i fjärrvärmeleveransen genom att erbjuda konkurrenskraftiga energitjänster. Ett utökat samarbete med kunden inom detta område tros föra med sig många fördelar för fjärrvärmebolagen.70 Främst genom att effektiviseringarna då kan göras med en helhetssyn och på så sätt så blir inte konsekvenserna av effektiviseringsåtgärderna hos fjärrvärmeleverantören sekundära med risk för ogynnsamma förbrukningsprofiler sämre avkylning etc.

Forskningen visar också att det finns en stor potential för energieffektivisering internt inom fjärrvärmebranschen och en del av detta går att uppnå genom effektivare styrning och reglering av dess värmelaster. Detta kommer troligtvis bli allt viktigare i framtiden eftersom ett problem som de kommande nyanslutningarna medför, är att dessa ofta läggs på topplasten. Detta gäller speciellt fallen flerbostadshus med värmepumpar71. (I dessa hus fungerar fjärrvärmen i stor utsträckning, endast fungerar som spetsvärme).

En metod för att kompensera mot detta skulle kunna vara att implementera laststyrning i dessa fastigheter. Vilket då skulle innebära ett samarbete mellan fjärrvärmebolaget och fastighetsägaren eftersom tekniken kräver ett ingrepp i fjärrvärmecentralen vilket påverkar sekundärsystemet till viss del.

Idén med laststyrning går ut på att minska den levererade effekten genom att utnyttja byggnadens värmetröghet och kortvarigt ”låna” den effekt som behövs för tappvarmvattenvärmning från uppvärmningssystemet. Tanken är då att den värmeenergi som är lagrad i byggnaden skall kompensera för kortvariga effektminskningen i uppvärmningssystemet så att sänkningen i rumstemperatur dessa perioder hålls inom försumbara/rimliga nivåer.

På detta sätt minskas effekttopparna vid perioder då exempelvis en hög tappvarmvattenanvändning inträffar och dyra spetslastpannor kan därmed dra ned på sin produktion. Tekniken med laststyrning har utvecklats och det har visats i ett fältförsök på 14 fastigheter i Karlshamn att det är möjligt med hjälp av laststyrningsteknik att reducera radiatorernas effektbehov med 11 procent. Vilket efter normalårskorrigering korresponderade mot en minskad energianvändning med 7 procent samtidigt som inga klagomål hördes från de inneboende med avseende på inomhusklimatet. 72 D.v.s. en energieffektiviseringsteknik som förefaller fördelaktig både för fastighetsägarna som för fjärrvärmeproducent.

70 Se rapporten, ”Värmemarknaden och storkunderna”, Svensk fjärrvärme, 2007, s 4071 Se rapporten, ”Energieffektiv bebyggelse och fjärrvärme i framtiden”, Svensk fjärrvärme, 2007 72 Se rapporten, ”Sänkning av returtemperaturen genom laststyrning”, Svensk fjärrvärme, 2008, s 42.

56

Vad gäller kylbehovet i framtiden så spås det att öka, i takt med varmare klimat, ökat välstånd samt tätare och bättre isolerade bostäder uppförs.73 Om detta tillgodoses med en absorptionskylmaskin så är det med dagens förutsättningar både ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt. Dock så är det viktigt ur ekonomisk synvinkel, för ett kraftvärmeverk, att ha rätt kylstartstemperatur för denna. Vilket med dagens förutsättningar innebär att Umeå Energi bör, vara restriktiv vid start av absorptionskylmaskinen för utetemperaturer lägre än 9°C.

15 Referenser

15.1 Litteratur

Aronsson Stefan, 1996, ”Fjärrvärmekunders värme- och effektbehov”, CTH Doktorsavhandling.

Cengel, Yunus A & Boles, Michael A, 2002, “Thermodynamics – an engineering approach”, New York, McGraw-Hill.

Olsson Daniel, ”Tappvarmvatten i flerbostadshus”. Rapp nr 2003:04. ISBN 91-7848-9520.

Fjärrvärmeföreningen, 1996, ”Fjärrvärmecentralen: Råd och anvisningar för anslutning till fjärrvärmesystem”.

Fredriksen S, Werner S. 1993, ” Fjärrvärme - teori, teknik och funktion”, Lund:Studentlitteratur.

Fredriksen S, 1983, “A Thermodynamic Analysis of District Heating”, Lund: Doktorsavhandling.

Stenlund, Johan, 2005, ”Dimensionering av en ackumulatortank för Umeå Energis fjärrvärmesystem”, Umeå, Umeå Universitets Tekniska Högskola.

Y.A. Cengel and M.A. Boles, “6th edition Thermodynamics –an engineering approach”,

Ödin, Carolin, 2007, ”Driftsekonomiska vinster med en sänkning avFjärrvärmetemperaturen”, Umeå, Umeå Universitets Tekniska Högskola.

[1] Gummerus, P, ” Gefle dimensionering – Stora vinster med strypta flöden”,Energimagasinet 1:1998, s 54-58.

73 Se rapporten, ”Energieffektiv bebyggelse och fjärrvärme i framtiden”, Svensk fjärrvärme, 2007, s 35.57

15.2 Internet

Boverket, om dimensionerande vinterutetemperatur, URL: http://www.boverket.se/Global/Bygga_o_forvalta/Dokument/Bygg-%20och%20konstruktionsregler/BBR_avsnitt_9/dvut_2009%201_4_dagar.pdf, [åtkomst 2010-01-19].

Byggsektorns kretsloppsråd, Delmål E 1.4, URL: http://www.kretsloppsradet.com/home/page.asp?sid=5287&mid=2&PageId=46556, [åtkomst 2010-01-01]

Energimyndigheten, Energistatistik för lokaler 2007, URL: http://webbshop.cm.se/System/ViewResource.aspx?rl=default:/Resources/Permanent/StorageItem/5b65a110ad4b40eb9057a3004d90e409/2094W.pdf, [åtkomst: 2010-01-02].

Energimyndigheten, Om elcertifikat. URL: http://www.energimyndigheten.se/sv/Om-oss/Var-verksamhet/Framjande-av-vindkraft1/Bygga-vindkraftverk-/Ekonomiskt-stod/Elcertifikat/, [åtkomst 2010-01-01]

Energifakta, Om elskatt, URL: http://www.ekonomifakta.se/sv/Fakta/Energi/Styrmedel/Konsumtionsskatter-pa-el/?awc=, [åtkomst 2010-01-01]

Miljömålsportalen, Miljömål 15, tillgängligt på:http://www.miljomal.nu/15-God-bebyggd-miljo/Delmal/Energianvandning-m-m-i-byggnader-20202050/, [åtkomst 2009-10-01].

Nordpool, Elspotpriser, URL: http://wwwdynamic.nordpool.com/elspot/SEK.htm, [åtkomst 2010-01-01]

Regeringen, Energi och klimatproposition, 2008/09:162, 2008/09:163, tillgängligt på:http://www.regeringen.se/sb/d/108/a/122938, [åtkomst: 2009-08-06].

Statistiska Centralbyrån, Bostads- och byggnadsstatistik årsbok, URL: http://www.scb.se/statistik/_publikationer/BO0801_2008A01_BR_BO01BR0801.pdf, [åtkomst 2010-01-01].

Svensk Fjärrvärme, Andreasson Mats, Borgström Margaretha Werner Sven, ” Värmeanvändning i flerbostadshus och lokaler”, 2009, s 12, URL: http://www.svenskfjarrvarme.se/download/5720/2009:4%20Värmeanvändning.pdf

Svensk Fjärrvärme, Johnsson John, Rossing Ola, Walletun Håkan, ”Produktion, distribution och kundcentraler” URL: http://www.svenskfjarrvarme.se/download/6195/2009_6%20Produktion,%20distribution.pdf[åtkomst 2009-10-01].

Svensk Fjärrvärme, Mårdsjö Olle, ”Värmemarknaden och storkunderna”URL: http://www.svenskfjarrvarme.se/download/4621/Rapport%20Fjärrsyn%20000.pdf, [åtkomst 2010-03-29]

58

Svensk Fjärrvärme, Wernstedt, Johansson, Wollerstrand, ”Sänkning av returtemperaturer genom laststyrning”, URL:http://www.svenskfjarrvarme.se/download_biblo/1404/Sänkning%20av%20returtemp.klar.pdf, [åtkomst 2010-01-20].

Svensk Fjärrvärme, ”Din fjärrvärmecentral – en handbok för dig som sköter värmen i huset”, 2004, URL: http://www.svenskfjarrvarme.se/download_biblo/884/Din%20FC_2004-1.pdf, [åtkomst 2010-03-29]

Svensk Fjärrvärme, Werner Sven, Reidhav Charlotte, Dalenbäck Jan-Olof, Fröling Morgan, ”Energieffektiv bebyggelse och fjärrvärme i framtiden”, 2009. URL: http://www.svenskfjarrvarme.se/download_biblo/1430/Energieffektiv%20bebyggelse%20Färdig%20rapport.pdf, [åtkomst 2010-01-20].

Svenska kraftnät, Genomsnittpris elcertifikat 2009, URL: https://elcertifikat.svk.se/cmcall.asp?service=CS_Reports.GetCertificates&styleFN=reports/xsl/certificates.xsl&generalpageid=2, [åtkomst 2010-01-01]

Swep, URL: http://www.swep.net/index.php?tpl=page0&lang=se&id=154, [åtkomst 2010-03-29]

Umeå Kommun, Bostadsprognos, USK, URL: http://www.umea.se/download/18.1a2f41f611f8f822556800014827/Prognos_2009-2018_USK_slutversion.pdf, [åtkomst: 2009-09-10].

Umeå kommun, statistikdatabas, URL: http://www.pxweb.scb.se/umea/Database/Umea/Hela_kommunen/Boende_och_byggande/Boende_och_byggande.asp hämtat 2010-01-01.

15.3 Muntliga referenser

Carlsson Jörgen, 2009, Umeå Energi

59

Bilaga 1

Dimensionering

Dimensioneringen av fjärrvärmecentralen i modellen utfördes enligt rekommendationer från Svenska fjärrvärmeföreningen, stencil: "Fjärrvärmecentralen" . Det valda temperaturprogrammet för radiatorsystemet i den simulerade byggnaden var ett 60/40 program. Temperaturprogrammet som funktion av utetemperatur år 2007 i Umeå kan ses i fig.1 nedan.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 2520

25

30

35

40

45

50

55

60 Radiatortemperaturer som funktion av utomhustemp år 2007 i Umeå

Utomhustemperatur [grader celcius]

Rad

iato

rtem

pera

ture

r[gra

der c

elci

us]

tftr

Figur1. Det valda 60/40 temperaturprogrammet för radiatorsystemet i den simulerade byggnaden som funktion av utomhustemperaturens variation över år 2007 i Umeå.

I och med valet av temperaturprogrammet så medför det att returtemperaturen från värmeväxlaren högst får vara 43 grader. Detta eftersom primärsidans returtemperatur högst får vara 3°C över sekundärsidans returtemperatur. Dessa temperaturer gäller vid DVUT, vid lägre belastning är temperaturerna lägre och följer värmesystemet i byggnadens returtemperaturer.

60

I tabell 1 listas de använda dimensioneringskonstanterna för radiatorkretsen.

Tabell 1. Använda dimensioneringstemperaturer för radiatorsystemet.

Beteckning Betydelse Temperatur °C

TR_rad_dim Returtemperatur från radiatorvärmeväxlare (primärsida) 43

TF_dim Framtemperatur till radiatorvärmeväxlare (primärsida) 120

tf_dim Framtemperatur till radiatorn (sekundärsida) 60tr_dim Returtemperatur från radiatorn (sekundärsida) 40

Värmeväxlaren för tappvarmvattenkretsen dimensioneras för sommarfallet då framledningstemperaturen är lägst (95°C för Umeå Energi). Fjärrvärmecentralen ska kunna försörja ett varmvattensystem med minst 50°C vatten vid tappstället enligt Boverkets byggregler. För att uppfylla detta rekommenderas att varmvattnet från fjärrvärmecentralen är 55°C. I tabell 2 listas de använda dimensioneringskonstanterna för tappvarmvattenkretsen.

Tabell 2. Använda dimensioneringstemperaturer för varmvattenväxlaren.

Beteckning Betydelse Temperatur °C

TR_vv_dim Returtemperatur från tappvarmvattenvärmeväxlare 43

TF_vv_dim Framtemperatur till tappvarmvatten värmeväxlare 95

tf_vv_dim Temperatur till tappstället 55tkv_dim Inkommande kallvattentemperatur 5

Utetemperaturen som använts i beräkningarna hämtades via SMHI och var mätt vid Umeås flygplats år 2007. I fig. 2 visas dessa för perioden som simuleringen gjordes.

0 50 100 150 200 250-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25Utomhustemperatur år 2007 i Umeå

Tid [Dygn]

Uto

mhu

stem

pera

tur [

Cel

sius

]

Figur 2. Visar utetemperaturen under den simulerade perioden (213 dagar) år 2007 i Umeå.

61

Bilaga 2

Distributionspumparna vid Dåva1 och Dåva2

Flödet genom distributionspumparna vid Dåva1 samt Dåva2 samt deras pumpkurvor var kända. Detta medförde att eleffekten för pumparnas variation med flödet kunde plottas, detta visas i fig. 3.

Eleffekten för Dåva 1 och Dåva 2 distributionspumpar

350370390410430450470490510530

0 500 1000 1500 2000 2500

Flöde (m3/h)

El e

ffekt

(kW

)

Figur 3. Elkonsumtionen för distributionspumparna vid Dåva1 och Dåva2:s variation med flöde.

Genom linjär regressionen utförd i fig. 3, kunde distributionspumparnas elkonsumtion skrivas som en funktion av flödet enligt.

Vilket gav ekvation 11.1 i kapitel 11.4.

62

Bilaga 3

Härledningar

Ekvation:

(3.1)

som användes i kapitel 12.2 till att beräkna den procentuella ökningen av pumparnas elförbrukning p.g.a. en sänkning av temperaturnivån i nätet. kommer dels ifrån sambandet att pumpeffekten är proportionell mot flödet i kubik74 eller matematiskt:

(3.2)

Ytterligare så kan energimängden som överförs via fjärrvärmevattnet vid leverans kan räknas ut med ekvationen nedan75:

(3.3)

Då en förändring av temperaturnivån i nätet inträffar så kan energimängden som överförs via fjärrvärmevattnet tecknas enligt:

(3.4)

Ekvation (3.3) och (3.4) är lika eftersom samma energimängd skall överföras till abonnenterna eftersom oförändrat uppvärmningsbehov antas, vilket medför att ekvationerna kan sätts lika enligt:

Bilaga 4

74 Bror – Arne Gustafson, Kompendium i turbomaskinteknik, 1999, s 2775 Yunus A. Cengel.., Thermodynamics An Engineering Approach, Fourth Edition, s 515

63

Matlabkod. clear all %KonstanterT_inne=21; % [°C]DUT=-23; % [°C]Cp=0.004180; % [MJ/kg K] %%%%%%%%%%%% Inläsning av dygnsmedelvärden %%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Utetemperaturer i Umeå år 2007.t_ute=xlsread('Fjveffekter - Kylanalys 2007.xlsx',4,'AH2:AH213'); %UE:s summerade värmeproduktion år 2007P=xlsread('Fjveffekter - Kylanalys 2007.xlsx',4,'V2:V213'); %UE:s styrkurva för framledningstemperaturT_F=(t_ute<=4 & t_ute>=-20).*(-1.0417*t_ute+99.167)+(t_ute<-20)*120+(t_ute>4)*95; %Tappvarmvatten data ifrån 21 styckena flerbostadshus i Umeå t_vv=xlsread('Jimmy_tappvarmvatten_tot1.xls',1,'D2:D213');t_kv=xlsread('Jimmy_tappvarmvatten_tot1.xls',1,'E2:E213'); m_vv2=xlsread('Jimmy_tappvarmvatten_tot1.xls',1,'C2:C213'); % Totalt flöde genom UE:s produktionsanläggningar M=xlsread('Fjveffekter - Kylanalys 2007.xlsx',4,'AE2:AE213'); %DistributionsförlusterP_df=xlsread('Fjveffekter - Kylanalys 2007.xlsx',7,'O20:O231'); %%%%%%%%%%%%%%%%%%% Inläsning klar %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %Levererad fjärrvärme till byggnadP=P-P_df; %[MW] % Stegvektor (dagar)tid=transpose((1:1:length(t_ute))); %Antaget tappvarmvattenbehov för byggnaden P_vv=0.24.*P; %[MW]

%Antaget uppvärmningsbehovP_uppv=P-P_vv; %[MW] % matlab fil F.m, medförde dimensionerande effektbehov P_dim=185; %[MW] %Byggnades förlustfaktor F=P_dim/(T_inne-DUT); %[MW/°C] %UA värde för radiatornUA_rad=P_dim/(((t_f_dim+t_r_dim)/2-T_inne)^1.3); %Dimensionerande sekundärflöde genom radiator m_rad=P_dim/(Cp*(t_f_dim-t_r_dim)); %[Kg/s] % Dimensioneringskonstanter för radiatorkrets

64

T_R_dim=43; % [°C] T_F_dim=120; % [°C]t_f_dim=60; % [°C]t_r_dim=40; % [°C]

% Radiatorvärmeväxlarens dimensionerande UA-värde UA_rad_vvx_dim=P_dim/(sqrt((T_F_dim-t_f_dim)*(T_R_dim-t_r_dim))); %Dimensionerande primärflöde genom radiatorvärmeväxlare M_rad_vvx_dim=P_dim/(Cp*(T_F_dim-T_R_dim)); %[Kg/s] %Returtemperaturen från radiatorn t_r = T_inne + (F.*(T_inne-t_ute)./UA_rad).^(1./1.3) - ... F.*(T_inne-t_ute)/(2.*m_rad.*Cp);

%Framledningstemperaturen till radiatorn t_f= F.*(T_inne-t_ute)/(m_rad.*Cp) + t_r; % [°C] % Inför radiatoravstängning vid utetemperaturer % större en 17 [°C]

c=1;while c<=size(t_ute,1) P_rad(c)=m_rad*Cp*(t_f(c)-t_r(c)); if t_ute(c)>17.0000 P_rad(c)=0; end c=c+1;end P_rad=transpose(P_rad); %[MW]

% Beräknar returtemperaturen från radiatorns värmeväxlare som en funktion % av utetemperatur c=1;while c<=size(t_ute,1) f=@(x)P_rad(c)-2.*UA_rad_vvx_dim.*(((P_rad(c)./... (Cp.*(T_F(c)-x)))./M_rad_vvx_dim).^0.8)./(1+((P_rad(c)./... (Cp.*(T_F(c)-x)))./... M_rad_vvx_dim).^0.8).*sqrt((T_F(c)-t_f(c)).*(x-t_r(c))); T_R_rad(c)=fzero(f,[t_r(c)+0.001 T_F(c)-0.001]); c=c+1;end T_R_rad=transpose(T_R_rad); % [°C] %Primärflöde genom radiatorns värmeväxlare M_rad_vvx=P_rad./(Cp.*(T_F-T_R_rad)); %[Kg/s] %%%%%%% Tappvarmvattenkrets %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Dimensionering enligt Svenska fjärrvärmeföreningen,% stencil: "Fjärrvärmecentralen"

65

% Returtemperatur från tappvarmvatten värmeväxlareT_R_vv_dim=43; % [°C]

% Framledningstemperatur till tappvarmvatten värmeväxlareT_F_vv_dim=95; % [°C]

% Temperatur till tappställett_f_vv_dim=55; % [°C]

%Inkommande kallvattentemperatur t_r_vv_dim=5; % [°C] %Effektprofil från flerbostadshusP_vv1=m_vv2.*(Cp.*(t_vv-t_kv)); %Skalar upp för att representera UE:s kunder som helhetK1=mean(P_vv)/mean(P_vv1); %[MW/MW]P_vv=K1.*P_vv1; %[MW] %Dimensionerar för maximalt uttagP_vv_dim=max(P_vv); %[MW] %Sekundärflödet i tappvarmvattenkretsen m_vv=P_vv./(Cp.*(t_vv-t_kv)); %[Kg/s] % Dimensionerande UA-värde för tappvarmvatten värmeväxlarenUA_vv_dim=P_vv_dim./(sqrt((T_F_vv_dim-t_f_vv_dim).*...(T_R_vv_dim-t_r_vv_dim))); % Dimensionerande sekundärflöde i tappvarmvattenkretsenM_vv_dim=P_vv_dim./(Cp.*(T_F_vv_dim-T_R_vv_dim)); %[Kg/s] % Dimensionerande primärflöde i tappvarmvattenkretsenm_vv_dim=P_vv_dim./(Cp.*(t_f_vv_dim-t_r_vv_dim)); %[Kg/s] % Beräknar returtemperaturen från tappvarmvatten värmeväxlaren som en % funktion av utetemperatur.

for c=1:1:length(t_ute) f=@(x)P_vv(c)-2.*UA_vv_dim.*(((P_vv(c)./(Cp.*(T_F(c)-x)))./... M_vv_dim).^0.8).*((m_vv(c)./m_vv_dim).^0.8)... ./(((m_vv(c)./m_vv_dim).^0.8)+((P_vv(c)./(Cp.*(T_F(c)-x)))./... M_vv_dim).^0.8).*sqrt((T_F(c)-t_vv(c)).*(x-t_kv(c))); T_R_vv(c)=fzero(f,[t_kv(c)+0.001 T_F(c)-0.001]); end T_R_vv=transpose(T_R_vv); % [°C] %Primärflöde i tappvarmvattenkretsenM_vv=P_vv./(Cp.*(T_F-T_R_vv)); %[Kg/s] %Totaltflöde genom undercentralenM_tot=M_rad_vvx+M_vv; %[Kg/s] % Bestämmer returledningstemperaturenh_rad=(T_R_rad+0.0022)./0.2386;hT_R_vv=(T_R_vv+0.0022)./0.2386;hTR=((M_vv.*hT_R_vv+M_rad_vvx.*h_rad)./M_tot);TR=(0.2386.*hTR-0.0022); % [°C]

66

%%% Undersöker möjlig sänkning av framledningstemperaturen%%%%%%% disp('Programmet ger en approximation på storleken av möjlig \\')disp('sänkning av framledningstemperaturen vid minimala förändringar av \\')disp('av flödet vid minskat uppvärmningsbehov hos UE:s kunder \\')sankning=input('\\ Ange framtida sänkning av uppvärmningsbehov i procent \\'); if isempty(sankning) disp('ogiltig inmatning försök igen \\')end

%initialflödeM_tot_ini=M_rad_vvx+M_vv; %[Kg/s] %konstanter som används i loopen nedanz=1; Mdiff=ones(1,length(t_ute));Mdiff=transpose(Mdiff);x=1-sankning;c=1;

%Loopen undersöker hur mycket framledningstemperaturen kan sänkas vid %ett minskat uppvärmningsbehov med bibehållet primärflöde. while c<20000 M_tot=(x.*P_rad./(Cp.*(z*T_F-T_R_rad)))+(P_vv./(Cp.*(z*T_F-T_R_vv))); Mdiff=M_tot_ini-M_tot; % [Kg/s] z=z-0.00001; c=c+1; % Tolerans if sum(Mdiff)<5 iter=transpose((z:(1-z)/(length(Mdiff)-1):1)); disp('Vid sänkt uppvärmningsbehov på: \\') disp(sankning) disp(' procent \\') disp('uppskattas den möjliga sänkningen av framledningstemperaturen till: \\') disp((1-z)*100) disp(' procent. \\') disp('Flödesförändringen i systemet uppskattas då till:\n') disp(sum(Mdiff)) disp('[kg/s] \\') break end

67

end

68