Nya driftstrategier för minskad användning av bioolja under tidsperioder med spetslaster : Driftkartläggning, modellering, simulering och visualisering av Trollhättan Energis fjärrvärmeproduktion 2015–2017

• Main Author: Fagrell, Fredrik
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: 2018
• Subjects: linjärprogrammering; produktionsplanering; optimering; fjärrvärme; Energy Engineering; Energiteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kau:diva-67738

Världssamfundet är överens om att människan bidrar till negativa klimatförändringar. Förbränning av bränslen släpper ut växthusgaser. Dessa bidrar till kraftigare väderomslag, översvämningar och utbredning av torrområden. Förändringarna kan bromsas upp genom minskade utsläpp. Det kan uppnås genom bättre resurshållning av bränslen. Fjärrvärme är etablerad resurseffektiv teknik för uppvärmning av bostäder och vatten genom förbränning av olika bränslen. 2017 producerade Trollhättan Energi AB (TEAB) cirka 368 GWh fjärrvärme. Företaget har övergått till huvudsaklig användning av bioolja och skogsflis, två förnyelsebara bränslen. Samtidigt finns intresse för driftförbättringar. Denna studie har undersökt tidsperioder när biooljepannor har använts istället för fastbränslepannor. Skogsflisen är ett billigare bränsle. Därför eftersträvas ökad andel drifttimmar med fastbränslepannor. Uppnås det, kan TEAB hålla nere kostnaderna för kunderna. Med mätdata från 2015–2017 har en beräkningsmodell baserad på linjärprogrammering utvecklats i MATLAB. Utfallet från beräkningsmodellen och analyser av mätdata la grund till förslag på nya driftstrategier. Skillnad i utsläpp och driftkostnader mellan mätdata och modellen för de utvalda tidsperioderna redovisas. Resultaten visar att de flesta av de observerade tidsperioderna hade kunnat täckts upp med hjälp av enbart fastbränslepannor och ackumulatortanken. Detta genom att: Köra flera fastbränslepannor samtidigt istället för att förlita sig på en fastbränslepanna under tidsperioder med lägre last (<68,3 MW). Nyttja fastbränslepannorna Stallbacka P4 (StbP4) och Kronogården P3 (KroP3) mer eftersom de är billiga i drift samt att de kan gå på relativt låga effekter jämfört med fastbränslepannorna Stallbacka P3 (StbP3) och Lextorp P4 (LexP4). Innan en fastbränslepanna stängs av bör den drivas vidare för att ladda upp ackumulatortanken, förutsatt att den inte är fulladdad. De mindre fastbränslepannorna KronoP3 och StbP4 samverkar bra i par med de större fastbränslepannorna StbP3 och LexP4. Speciellt under tidsperioder där endast en stor panna inte räcker till vid eventuella spetslaster. Något som har observerats under studien är att maximal effekt sällan uppnås och att ackumulatortanken under flera tidsperioder inte töms helt. Blir driften mer konsekvent med att köra pannorna på högre effekter och nyttja ackumulatortanken tills den är tom kan drift med bioolja minskas ytterligare. För att uppnå de lösningar som föreslås i beräkningsmodellen kan ett predikteringsverktyg som ger en belastningsprognos vara till hjälp. Det verktyg som har tagits fram i studien visar potential trots de knappa resurser som spenderats på det. Det viktigaste är utföra mer tester och aktivt arbeta in rutiner för verktyget i produktionsplaneringen. De lösningar som presenteras hade haft en potential att spara in cirka 2 Mkr 2015–2017 om de föreslagna driftstrategierna hade varit anammade. Modellen beräknade inte ekonomiskt mer fördelaktiga scenarion under alla observerade tidsperioder, vilket uppmuntrar en studie där perspektivet vidgas till hela året. Storleken på de potentiella besparingarna kan anses vara små, cirka 0,75 % av de totala driftkostnaderna 2015–2017. Dock krävs ingen investering vilket kan öka motiven till att se över hur drift och produktionsplanering går till idag. Med minskad andel bioolja och ökad andel skogsflis hade utsläppen av CO2-eq, CO och NOx potentiellt ökat. Därför föreslås en djupare analys för att bedöma eventuella effekter av ökade utsläpp. Om för höga utsläppsnivåer av NOx uppnås kan TEAB bli skyldiga att betala kväveoxidavgifter, vilket minskar lönsamheten. Modellen har förbättringspotential och flera användningsområden. Uppfattningen efter studien är att tillsammans med predikteringsverktyg kan produktions-planeringen göras enklare. Dessutom kan nya idéer om hur driften bör ske testas på förhand och därmed omfatta fler drifttimmar. === The world agrees that humans causes negative climate changes. Combustion of fuels releases greenhouse gases. These gases contribute to heftier changes of the weather, flooding and expanding deserts. By reducing emissions of greenhouse gases climate change can be slowed down. That demands effective usage of fuel resources. District heating is a well-established system for heating up housing and water, where combustion of fuels is the source of energy. Year 2017 Trollhättan Energi AB (TEAB) produced 368 GWh district heat. The company has transitioned to rely mainly on wood chips and biooil, two renewable sources of energy. Now there is also an interest in operational improvements of their heat plants. This study investigates time periods where biooil could have been replaced by wood chips. Wood chip is the cheaper fuel; therefore, it is of interest to increase its share of the heat production. If that’s achieved, TEAB can keep offering customers lower-priced district heating. With data from 2015–2017 a model based on linear programming was developed in MATLAB. The results from the model and analyzes of data were used to develop new operational strategies. Differences in emissions and operations costs between the data and the model during the observed time periods are presented as well. The results show that most of the observed time periods could have been covered with the help of solid fuel boilers and the energy storage tank. This could have been accomplished through: Co-operating more than one solid fuel boiler during time periods with a lower heat demand (<68,3 MW) Using Stallbacka P4 (StbP4) and Kronogården P3 (KronoP3) more since their operating costs are low and they can run on relatively low effect compared to Stallbacka P3 (StbP3) and Lextorp P4 (LexP4) Prioritizing loading up the energy storage tank before shutting down a solid fuel boiler, provided it is not fully loaded The smaller solid fuel boilers, KronoP3 and StbP4, co-operate well in pairs with the larger solid fuel boilers, StbP3 and LexP4. Especially during time periods where one large solid fuel boiler is not enough to cover peak loads. During the study it has been observed that the maximum effect of the boilers is rarely achieved, and that the energy storage tank is not emptied during several time periods. If the operations team becomes more consequent in achieving high effect output from the boilers and emptying the energy storage tank completely the usage of biooil can be reduced. To achieve the solutions suggested with the model, a tool for predictions that gives prognoses of the heat demand could be handy. The tool developed in this study shows potential, despite the low amount of time and resources put into it. The most important is to test the tool and actively integrate it in production planning routines. The solutions presented show a potential of saving 2 Mkr during 2015–2017 if the suggested operating strategies would have been adapted. The model did not calculate positive economical outcomes for all of the observed time periods. This encourage a study with a widened time-perspective covering a full year of operations. The size of the potential economical saving is considered to be low, around 0,75 % of the total operations cost for 2015–2017. The solutions do not require an investment which could increase the incentives to review the operations and production planning as it is of today. With a lower amount of biooil and an increased amount of wood chips, the emissions of CO2-eq, CO and NOx would have potentially increased during the examined years. A deeper analysis of these emissions is suggested to determine the effects of increased emissions. If the emissions levels of NOx exceed a certain value, TEAB could be required to pay extra fees for these emissions, which lowers the profitability. The model has potential for improvements and more areas of use. The opinion after the study is that together with prediction tools, the production planning can be made easier. With a prediction tool, new ideas of operations can be developed, tested in advance and also include more operating hours.