Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Within the Swedish defense there is a clear target when it comes to strengthening the country’s emergency preparedness. In connection to this, there are demands when it comes
to the security of supply of fuel and electricity. This project has mainly focused on ensuring the supply of biogas from the local biogas plant in Uppsala (Kungsängens gård) during different levels of electricity shortage. In order to ensure the supply of biogas, different additional energy systems and components have been examined. The studied energy systems and components were: intermittent electricity production, energy storages and electricity production on site. The intermittent electricity production originated from a solar power plant (corresponding to 250 kWp) and a wind turbine (corresponding to 700 kW at most). Since intermittent electricity production is unpredictable and variable, a battery (corresponding to 800 kWh) was used. A fuel cell, using hydrogen as fuel, as well as a biogas engine, using raw biogas as fuel, were used separately to supply the remaining power load of the biogas plant. The hydrogen was produced via PEM electrolysis and was stored in a tank at 70 MPa. In addition, biogas was stored in liquid form by producing liquified biogas (LBG) from the biomethane production on site and storing the LBG in a tank. The LBG could then be converted to CBG (compressed biogas) whenever the biomethane production was insufficient. The energy systems and components were modelled and simulated using MATLAB as well as MATLAB Simulink in three different modes: normal operation (when the power supply from the grid is sufficient), island operation (when the power must be supplied via electricity production on site) and shortage situation (during a power outage or during power and capacity shortages). In addition, since the power need of the biogas plant depended on the amount of upgraded biogas being produced, three different cases depending on the fuel consumption of biogas buses and garbage trucks were modelled and simulated in island operation. The results revealed that the most reliable energy system in island operation was the one with a biogas engine, since most of the power need over a year was fulfilled as well as the (upgraded) biogas need (for the buses and the garbage trucks). The energy system containing a fuel cell was the most efficient in a shortage situation where only a small power need is fulfilled. Both systems could be useful in normal operation since they could supply some power during peak loads as well as contributing with heat production and oxygen production (in the case with an electrolyzer). In addition, the capacities of the fuel cell as well as the biogas engine in the island operation and the shortage situation differed vastly, which should be taken into account when determining what kind of system that is the most suitable and when. Furthermore, a brief economic analysis revealed that the investment as well as the operating costs for the studied systems and components are quite high. However, these investments must be put in relation to what that can be achieved in order to improve the resilience of the biogas plant and to ensure that fuel and electricity production is possible during times of crisis.

Inom det svenska försvaret finns det mål gällande stärkt krisberedskap och i samband med detta ställs det krav på försörjningstryggheten i bland annat drivmedel- och elproduktion. Stora produktionsanläggningar samt elnätet, som sträcker sig över långa avstånd från produktion till konsumtion, är mycket utsatta system om krig skulle uppstå. Dessutom är långväga transporter och import av exempelvis drivmedel inte önskvärt utan bör ske i direkt anslutning till konsumtion. I anslutning till stora eller mindre städer finns produktionsanläggningar såsom biogasanläggningar. Vid biogasanläggningar produceras biogas, som främst används som drivmedel i personbilar och i större fordon såsom bussar, sopbilar etcetera, och biogödsel vilket används som gödselmedel. Biogasen produceras genom så kallad rötning av organiskt substrat då mikroorganismer bryter ner materialet och producerar främst metan och koldioxid (de huvudsakliga beståndsdelarna i biogas). Det finns potential och möjligheter för att göra anläggningar såsom biogasanläggningar mer motståndskraftiga och robusta i tider av kris och bristsituationer och på så sätt säkra en del av energiförsörjningen lokalt.
Denna studie har utgått från förhållanden vid biogasanläggningen vid Kungsängens gård i Uppsala, som ägs av Uppsala Vatten & Avfall. Denna biogasanläggning producerar och uppgraderar biogas (renar gasen från koldioxid för att öka energiinnehållet i gasen) som sedan används främst som drivmedel i fordon. Biogasanläggningens elbehov försörjs i dagsläget av elnätet. När effektleveransen från elnätet inte är tillräcklig, måste elbehovet försörjas på annat vis. Detta kan ske vid exempelvis strömavbrott eller om effekten inte kan levereras till följd av effektbrist eller att kapaciteten hos elnätets kablar är maximerad (också känt som kapacitetsbrist). Denna studie har som mål att undersöka hur biogasproduktionen från biogasanläggningen kan säkerställas vid olika nivåer av störningar. Med olika nivåer av störningar menas om elnätets effektförsörjning är instabil (vid strömavbrott eller effekt- respektive kapacitetsbrist) respektive om elnätet inte kan förse elbehovet överhuvudtaget. För att tillgodose elbehovet hos biogasanläggningen har bland annat elproduktion från intermittenta energikällor, i detta fall sol- och vindkraft, studerats. Problemet med intermittenta energikällor är att elproduktionen inte alltid matchar elbehovet, också kallat lasten. Det är dock möjligt att ändå nyttja elproduktionen och senarelägga användningen genom ett batteri. Batteriet laddas med elenergi när produktionen överstiger behovet och laddas ur när behovet överstiger elproduktionen. Däremot är den intermittenta elproduktionen tillsammans med ett batteri inte tillräcklig för att tillgodose det totala elbehovet hos anläggningen. Därför behövs det ytterligare enheter som kan producera el och i detta arbete studerades en biogasmotor (som producerar el från biogas) respektive en bränslecell (som producerar el från vätgas). Utöver att säkra elförsörjningen till anläggningen med hjälp av nämnda komponenter, finns även andra möjligheter till att öka resiliensen. Energilagring via nyttjandet av ett batteri är ett exempel på hur ökad resiliens kan uppnås. I samband med detta studerades även vätgaslagring och så kallad LBG-lagring. Den typ av vätgasproduktion som studerats i detta arbete var elektrolys, där vatten spjälkas till vätgas och syrgas genom en kemisk redoxreaktion i en så kallad elektrolysör som drivs av en elektrisk ström. Den elektriska strömmen tillförs antingen genom elnätet eller genom intermittent energiproduktion, i detta fall solkraftanläggningen. Med LBG däremot menas ”Liquified Biogas” som är biogas som har uppgraderats och förvätskas genom nedkylning av gasen. LBG kan omvandlas till komprimerad biogas, eller CBG, genom LCBG-teknik (som står för ”liquid to compressed- biogas”) för att användas som drivmedel i fordon. LBG-produktionen kan ske genom att uppgradera och förvätska en del av den biometan som produceras vid anläggningen alternativt den biogas som annars kommer att ”facklas”. Att ”fackla” innebär att en del av den producerade biogasen måste förbrännas på plats till följd av driftfel, exempelvis när det uppstår problem med uppgraderingstekniken på anläggningen.
Som tidigare nämnts har olika nivåer av störningar studerats och dessa benämns som ö-drift (då elnätet inte kan tillgodose elbehovet hos anläggningen överhuvudtaget) och bristsituation (när strömavbrott sker eller vid effekt- respektive kapacitetsbrist). I denna studie har ovan beskrivna system och komponenter modellerats i två uppsättningar för dessa två nivåer av störningar. I den första uppsättningen ingår en solkraftanläggning, ett vindkraftverk, ett batteri, en bränslecell och ett LBG-lager. I den andra uppsättningen ingår samma komponenter men bränslecellen har istället bytts ut mot en biogasmotor. Därtill har även ett ytterligare driftfall undersökts, nämligen normal drift. Med normal drift menas att elnätet kan försörja det totala elbehovet för biogasanläggningen utan problem. Under normal drift undersöks hur respektive system kan bidra till att sänka lasttoppar på elnätet (när elnätet är som mest belastat) samt hur stora mängder av biprodukter (värme och syrgas) som kan produceras och därmed säljas vidare. I driftfallen med störningar behövde hänsyn tas till att elbehovet hos anläggningen beror av hur mycket uppgraderad biogas som ska produceras (detta avgörs av elbehovet för uppgradering av gasen samt tankning av fordon) och därför undersöktes tre olika fall där antalet bussar, och därmed bränsleförsörjningen, varierades mellan 60, 90 och 120 st. Ju fler bussar och ju större behov av uppgraderad biogas, desto större elbehov.
Resultaten visade att båda systemen kan nyttjas i samtliga tre driftfall. Däremot är fördelarna och nackdelarna med respektive system olika när det kommer till främst ö-drift och bistsituation. Systemet med en bränslecell kunde uppfylla anläggningens elbehov i ö-drift som mest under de 300 första timmarna av årets totalt 8 760 timmar. Bränslecellens prestation avgörs av hur mycket vätgas som finns lagrad i vätgaslagret och maxkapaciteten hos bränslecellen. Däremot, i bristsituation (då endast 5, 10, 15 och 20 % av elbehovet skulle tillgodoses) kunde bränslecellen uppfylla behovet betydligt fler timmar och i vissa fall kunde behovet förses under hela året. På samma sätt som i ö-driftsfallet beror också maxkapaciteten hos bränslecellen av elbehovet och kapaciteten blev ungefär fyrdubblad i fallet då 20 % av elbehovet skulle tillgodoses jämfört med då 5 % av elbehovet skulle förses. I systemet med en biogasmotor kunde samtliga behov uppfyllas samtliga timmar under året i bristsituationen. Maxkapaciteten hos biogasmotorn förhöll sig på samma sätt till elbehovet som för bränslecellen och blev alltså högre vid ett ökat behov, vilket var väntat. I ö-drift kunde systemet med en biogasmotor förse hela eller ungefär 90 % av det totala elbehovet under året. Det förekom ett fåtal timmar, sett till det totala behovet, då fordonsgasbehovet respektive elbehovet inte kunde tillgodoses. Eftersom biogasmotorn drivs av rågas som produceras vid anläggningen och som också ska användas för att förse biogasbehovet hos bussar och sopbilar, finns det
en viss konkurrens emellan dessa ändamål (elproduktion respektive drivmedelsproduktion).
Däremot, kan ett LBG-lager användas i båda systemen för att förse biogasbehovet hos bussar och sopbilar vid de fall då det sker driftstopp eller om otillräcklig mängd substrat för rötning levereras till biogasanläggningen. Således, för att uppnå ökad resiliens vid anläggningen kan systemet med en bränslecell användas i bristsituation medan ett system med en biogasmotor kan användas i ö-drift alternativt i bristsituation. LBG-produktion och lagring är fördelaktigt i båda systemen och möjliggör mer stabil försörjning av biogas som drivmedel i bussar och sopbilar.
En mindre ekonomisk analys genomfördes där det visade sig att vätgassystemet innebar högst kostnader (bränslecellen och vätgaslagret utgjorde de mest kostsamma komponenterna). Biogasmotorn och elektrolysören innebar liknande investeringskostnader. Däremot måste investeringar och kapaciteter sättas i ett större perspektiv och i förhållande till vilka möjligheter dessa komponenter bidrar med för att öka resiliensen samt för att göra biogasanläggningen mer robust i tider av kris och i bristsituationer.