Energieffektivisering av falsvärmesystem i vattenkraftverk

Sammanfattning: För att undvika att dammluckor vid vattenkraftverk fryser fast under vintern är det vanligt med värme kring luckorna där uppvärmningen sköts av ett falsvärmesystem. Falsvärmesystemen saknar energimätning men har med sin relativt höga installerade effekt antagits ha en betydande inverkan på den interna energianvändningen. I detta examensarbete är syftet att kartlägga och föreslå energieffektiviseringsåtgärder för driften av falsvärmesystem tillhörande några av Skellefteå Krafts vattenkraftverk. Två olika typer av falsvärmesystem har undersökts, ett system med cirkulerande vätska som värms av elpannor och ett system med ingjutna motståndselement i form av kopparskenor som värms av transformatorer. Det första systemet regleras automatiskt beroende på inställd systemtemperatur och värmeförluster till omgivningen. Det andra systemet kan bara vara av- eller påslaget och regleras inte dynamiskt. Effekt- och temperaturmätningar har genomförts på falsvärmesystem med cirkulerande vätska i tre vattenkraftverk och totalt fem dammluckor, där mätningarna för varje vattenkraftverk pågick i ungefär 2–3 veckor. Genom dataanalys och linjär approximation har sedan den årliga energianvändningen och driftkostnaden för varje system beräknats. Teoretiska beräkningar har också genomförts för falsvärmesystem med cirkulerande vätska för att hitta de variabler som påverkar systemets värmeförluster mest samt för att kunna uppskatta förändringen i energianvändning vid sänkt systemtemperatur. Resultaten visade att vattnets och luftens flödeshastighet längs falsen påverkar värmeförlusterna mest och en sänktsystemtemperatur från 25 till 15C skulle kunna minska energianvändningen för systemet med ungefär 40%. Utöver detta har falsvärmesystemens styrning och övervakning undersökts genom dataanalys av mätningarna samt genom diskussioner med kunnig personal inom området. Möjliga alternativa tekniker till elpannan har också undersökts. De tekniker som studerats i mer detalj är luft-vattenvärmepump, solfångaresamt restvärme från vattenkraftverket. De har främst undersökts genom litteraturstudier ochen multikriterieanalys som visade störst potential hos restvärmen och minst potential hos solfångarna. Efter multikriterieanalysen genomfördes vidare undersökningar av luft-vattenvärmepump och restvärmes om också jämfördes ekonomiskt med elpannan genom beräkning av nettonuvärde samt genom känslighetsanalys. Inom en period på 20 år är en luft-vattenvärmepump det bästa alternativet så länge investeringskostnaden kan hållas runt max 100 000 SEK. Lönsamheten hos ett system med restvärme är mest beroende av investeringskostnaden vilket måste utvärderas separat för varje vattenkraftverk. Energianvändningen för falsvärmesystem med cirkulerande vätska över en vinterperiod ligger mellan 32 och 37 MWh för de system som uppvisat normal drift. Detta motsvarar en kostnad på ungefär 11 000 till 13 000 SEK vid ett elpris på 350 SEK/MWh. I det vattenkraftverk där ingjutna motståndselement används var den årliga energianvändningen per lucka 77 MWh om alla kopparskenor var i drift och 16 MWh per lucka om enbart kopparskenorna längs luckans kanter var i drift. Motsvarande kostnad blir 27 000 SEK respektive 5 700 SEK. Vid jämförelse mellan de två olika systemtyperna är kopparskenorna ett mer robust system med lägre energianvändning om det till största del räcker att värma skenorna längs luckans kanter. Däremot kan elpannorna i systemen med cirkulerande vätska ersättas med mer energisnåla alternativ och systemet kan styras och regleras bättre efter omgivningens förutsättningar. Sammantaget från de mätningar och den dataanalys som genomförts kan det konstateras att det finns god förbättringspotential gällande energieffektivisering av falsvärmesystem. Möjliga energibesparingsåtgärder inkluderar att byta elpannorna mot mer energisnåla alternativ så som luft-vattenvärmepump eller restvärme, förbättrad styrning av falsvärmen, sänkt systemtemperatur samt bättre kontroll av driften för falsvärmen med ingjutna motståndselement.