Smarta elnät med fokus på energilager; en lösning till hållbar tryckluftsförsörjning inom industrin
Simulering och optimering av energilager för utjämning av intermittenta energikällor
Världens energibehov förväntas ökar samtidigt som miljökraven blir allt hårdare. För att komma till rätta med klimatförändringarna och utsläppen av växthusgaser måste användningen av fossila bränslen minska samtidigt som energieffektiviseringar och förnybara energikällor måste öka. En större andel intermittenta förnybara energikällor på elmarknaden medför utmaningar. Finns det inget elbehov då det exempelvis blåser eller när solen skiner går den producerade elen förlorad, detta leder till att produktion och konsumtion av elektricitet måste ske samtidigt.För att förnybar energi ska kunna expandera men också effektiviseras måste samhället utveckla smarta elnät. Det finns olika uppfattningar vad som krävs för att skapa smarta elnät men elektrisk energilagersystem återkommer ofta i litteraturen. Det finns forskare som anser att satsning på intermittenta förnybara energikällor inte är ett alternativ om inte energin går att lagra. Compressed air energy storage är ett energilager som använder komprimerad luft för att lagra energin tills det finns ett behov.Industrin i Sverige står för drygt en tredjedel av den totala energianvändningen. Över 90 % av tillverkningsindustrin använder tryckluft. Det finns stora och små förbrukare av tryckluft beroende på användningsområde. I denna studie kommer en internationell nulägesbeskrivning ges i utvecklingen av smarta elnät med fokus på elektriska energilagersystem. Syftet är att studien ska vara ett diskussionsunderlag, en informationsbärare och idéskapare. Den internationella nulägesbeskrivningen baseras på studiebesök, litteratursammanställning samt intervjuer.Resultatet från den internationella nulägesbeskrivningen visar att intresset för elektriska energilagersystem ökar då det är en central del i utvecklingen av smarta elnät. Mellan 2011-2013 ökade investeringarna i elektriska energilager med 521 %. En anledning till denna ökning är den internationella trenden med microgrids och mindre decentraliserade kraftverk. Med ökad efterfrågan på energilagringssystem kommer nya energilagringssystem skapas och befintliga system utvecklas.Syftet med studien är även att undersöka om energilager är en lösning till hållbar tryckluftsförsörjning inom industrin. Målet är att dimensionera ett luftningssystem bestående av vindkraftverk och energilager, med en viss volym och maxtryck, för en stor- och liten tryckluftsförbrukare. I studien kommer även kostnadsbesparingen för den stora förbrukaren optimeras genom arbitrage. Dimensioneringen görs utifrån simuleringar i Simulink och optimering görs i MATLAB.Dimensionerat luftningssystemet för den stora tryckluftsförbrukaren består av ett vindkraftverk, ett energilager på 200 m3 med maxtryck på 10 bar. Täckningsgraden, det vill säga andelen av luftbehovet som kan täckas med vindkraft tillsammans med ett energilager, är 26 % för det dimensionerade luftningssystemet. Resultatet ger då 48 % mindre energiförbrukning, cirka 1,2 miljoner kronor i kostnadsbesparing och en miljövinning motsvarande 532 ton CO2-ekvivalenter. Kostnadsbesparing, då el köps via arbitrage, för den stora förbrukaren optimeras till maximalt 1,2 miljoner kronor. Generatorn har då en verkningsgrad på 85 % och kompressorn 90 %.Dimensionerat luftningssystemet för den mindre tryckluftsförbrukaren består av en vindsnurra, ett energilager på 20 m3 med maxtryck på 30 bar. Täckningsgraden, det vill säga andelen av luftbehovet som kan täckas med vindsnurra tillsammans med ett energilager, är 61 % för det dimensionerade luftningssystemet. Resultatet ger då 93 % mindre energiförbrukning, cirka 26 tusen kronor i kostnadsbesparing och en miljövinningen motsvarande 10,7 ton CO2-ekvivalenter. Skillnaden mellan en vindsnurra och ett vindkraftverk är att vindsnurran inte producerar el utan använder rörelseenergin direkt. Ett system bestående av energilager som drivs av energi från vinden lämpar sig bättre för ett mindre tryckluftsbehov där det går att nå upp i högre täckningsgrad.Övergången till smarta elnät är nödvändigt för att tillgodose alla aspekter av hållbar utveckling. Det är ingen del av smarta elnät som är viktigare än någon annan. En hållbar tryckluftanvändning inom industrin är en del av smarta elnät och för att göra det möjligt har energilager en avgörande roll. Nulägesbeskrivningen visar att det i dagsläget finns ett ökat intresse för EES internationellt men att det inte finns ett EES som ensamt kommer lösa integrationen av förnybar energi.Tekniken för energilagring finns idag och växer imorgon.