Svänghjul i elnätet

Svänghjul i elnätet
Linn Björ
My Rudsten
Elin Wiglöv
2011-03-16
Institutionen för Tillämpad fysik och elektronik
Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson
Sammanfattning
Syftet med projektet var att få en djupare förståelse för hur svänghjul fungerar och dess
användningsområden och funktion i elnät.
Förnyelsebara energikällor blir allt vanligare vilket leder till en ojämn elproduktion där energin
tillverkas oberoende av behov. Detta leder till att energilagring blir allt viktigare för att energin ska
kunna användas när efterfrågan är som störst. Svänghjul är en energilagringsmetod där man
använder överskottsenergi på elnätet till att driva en motor som sätter en cylinder i rotation. När
energin sedan ska användas överförs den kinetiska energin som finns lagrad i svänghjulet till
elektricitet genom en generator. Energin som lagras i ett svänghjul är proportionell mot rotorns
massa och vinkelhastigheten i kvadrat vilket betyder att rotationshastigheten har störst inverkan på
energin som kan lagras. Högre hastigheter ställer högre krav på material och hållfasthet.
Ojämn elproduktion från förnyelsebara energikällor ger spänningsvariationer och lägre stabilitet i
elnätet. Genom att använda svänghjul kan spänningsvariationerna jämnas ut vilket ger ett mer stabilt
elnät. Ur miljösynpunkt är svänghjul ett bra alternativ då det inte använder något fossilt bränsle eller
har någon direkt inverkan på miljön genom farliga utsläpp. Svänghjul kan även fungera som
energireserv på till exempel industrier och sjukhus.
Svänghjul i elnät är en ny teknik så antal anläggningar är få. En större anläggning har installerats i
årsskiftet 2010/2011 utanför New York som ska kunna leverera 20 MW.
Framtidsutsikterna för svänghjul antas vara goda då andelen förnyelsebar energi ökar och med det
behoven av miljövänlig energilagring.
1
Innehållsförteckning
Sammanfattning ...................................................................................................................................... 1
Syfte och målsättning .............................................................................................................................. 3
Metod ...................................................................................................................................................... 3
Resultat.................................................................................................................................................... 3
Diskussion ................................................................................................................................................ 3
Slutsats .................................................................................................................................................... 4
Bilaga 1 .................................................................................................................................................... 5
Kompendium ....................................................................................................................................... 5
Inledning .......................................................................................................................................... 5
Teori och funktionssätt.................................................................................................................... 6
Svänghjul som energilagringssystem i elnätet ................................................................................ 8
Installationer ................................................................................................................................... 9
Ekonomi och miljö ......................................................................................................................... 10
Framtida potential och hållbarhet ................................................................................................ 10
Referenser ..................................................................................................................................... 11
2
Syfte och målsättning
Syftet med projektet var att få en djupare förståelse av svänghjulets funktion och
användningsområde. Målsättningen med arbetet var att besvara följande frågor:
•
•
•
•
Är svänghjul användbart som energilagring i elnät?
Vad finns det för befintliga installationer?
Vilken miljöpåverkan har svänghjul?
Hur ser framtiden ut för svänghjul som energilagring?
Resultatet av projektet ska sammanställas i ett kompendium som ska kunna användas i
undervisningssyfte.
Metod
För att kunna uppfylla syftet och målsättningen med projektet har information tagits främst från
vetenskapliga artiklar via Umeå universitets biblioteksdatabas Web of science. Fakta har även
hämtats från statliga energibolag och från tillverkande företags hemsidor samt kursboken Thermal
Energy Storage – Systems and applications.
Resultat
För resultat hänvisas till kompendiet i bilaga 1.
Diskussion
Då andelen förnyelsebara energikällor ökar blir behovet av energilagring större eftersom
elproduktionen blir mer oregelbunden. Därför är det viktigt att miljövänliga och effektiva
lagringsmetoder utvecklas. Svänghjul har en hög verkningsgrad och så gott som ingen miljöpåverkan
och är därför ett lämpligt alternativ att lagra överskottsenergi i elnät. Att använda svänghjul i elnät
kan också jämna ut spänningsvariationer och bidra till en högre elkvalitet.
Idag är det vanligt att använda batterier vid energilagring, men det finns nackdelar med dessa som till
exempel låg laddning- och urladdningshastighet, kortare livslängd, hälso- och miljöfarliga syror och
de är mycket underhållskrävande. Genom att istället använda svänghjul fås en hög laddning- och
urladdningshastighet, lång livslängd, minimal miljöpåverkan och litet krav på underhåll. En nackdel
med att använda svänghjul är att det krävs många enheter för att kunna lagra en större mängd
energi trots att ett svänghjul har större energitäthet än ett batteri. En annan nackdel med svänghjul
som energilagring av överskottsenergi i elnät är att det är en ny teknik under utveckling vilket leder
till höga kostnader, men i framtiden kan tekniken bli mer kostnadseffektiv.
Vi tycker att svänghjul verkar vara en bra energilagring att använda i elnät eftersom den är
miljövänlig, enkel att underhålla och ger en förbättrad elkvalitet. Vi tror att svänghjul har en bra
potential för framtiden.
3
Slutsats
Att använda svänghjul vid energilagring i elnät ger en möjlighet att lagra och använda producerad
energi vid behov. Det ger även en bättre och stabilare elkvalitet genom att bland annat jämna ut
spänningsskillnader och oregelbunden energiproduktion. Vid tillfälligt spänningsbortfall kan lagrad
energi i svänghjulen tillföra aktiv effekt till elanvändaren.
Befintliga installationer i stor skala är få. En anläggning på 20 MW i staden Stephentown utanför New
York har installerats och tagits i drift vid årsskiftet 2010/2011. Mindre installationer finns bland annat
på en del företag, industrier och sjukhus för att säkerställa en avbrottsfri eltillgång.
Ett svänghjul under drift ger inga utsläpp eller använder något fossilt bränsle och är därför bra ur
miljösynpunkt.
Svänghjul som energilagring i elnät i stor skala är ännu under utveckling. I takt med att andelen
förnyelsebara energikällor ökar kommer behovet av energilagring bli större vilket ger ökade
möjligheter till fler installationer av större anläggningar med svänghjul.
4
Bilaga 1
Kompendium
Inledning
I takt med att allt fler förnyelsebara energikällor som vind- och solkraft installeras på vårt elnät blir
energiproduktionen mer oregelbunden. Energin produceras inte heller efter behov utan när naturen
tillåter det. Till exempel producerar ett vindkraftverk energi endast när det blåser – inte när det finns
behov. Detta gör att det kan produceras ett överskott vid tillfällen då produktionen är hög men
behovet lågt. För att kunna ta tillvara energin från förnyelsebara energikällor då produktionen är hög
och använda den vid behov krävs att det finns bra energilagring. Ett sätt att lagra överskottsenergin
är med hjälp av svänghjul.
Ett svänghjul består av en cylinder med en viss massa som sätts i rörelse. Svänghjulet får sedan
rotera näst intill friktionsfritt i vakuum för att minimera luftmotstånd. När energin behövs sätts det
på ett motstånd som sakta bromsar upp svänghjulet och på så vis överför den kinetiska energin till
elektrisk energi med hjälp av en generator. Den mängd energi som kan lagras i ett svänghjul bestäms
av svänghjulets massa och vilken rotationshastighet den klarar. Därför är valet av material mycket
viktigt för att få en bra verkningsgrad på energilagringen.
Svänghjul som energilager är en ny teknik men har redan börjat byggas och installeras på flera
ställen. Det är framförallt förekommande i fordon, men en energilagringspark i New York har byggts
upp med ett hundratal svänghjul för att jämna ut energiproduktionen. Parken ska under en kort tid
kunna leverera upp till 20 MW med en verkningsgrad på 90 %.
Svänghjul har ingen direkt miljöpåverkan. De behöver inga fossila bränslen och de släpper inte ut
någon koldioxid eller annan gas. De är även så gott som helt underhållsfria. I framtiden kan behovet
av fler anläggningar med svänghjul som energilagring öka då förnyelsebara energikällor får en allt
viktigare roll i vår elproduktion.
5
Teori och funktionssätt
Energi kan lagras på olika sätt och ett av dessa är med svänghjul som beroende på
tröghetsmomentet och vinkelhastigheten i en roterande massa lagrar energi som kinetisk energii. Ett
svänghjul består förenklat av en rotor och en motor/generatorenhet som både kan arbeta som
motor och generatorii. Systemet lagrar energi när det finns ett överskott på elnätet och då driver
motorn en rotor som ökar sin hastighet. När elektricitet ska tas ut omvandlas den kinetiska energin
till elektricitet i generatorn och rotorns hastighet minskariii.
Figur 1. Exempelbild på ett svänghjuls uppbyggnad
Den kinetiska energin Ek [J] som lagras i ett svänghjul ges av ekvation(1) nedan.
Iω 2
Ek =
2
(1)
Där [kg m2]är tröghetsmomentet för svänghjulet och [rad/s] är vinkelhastigheten.
Tröghetsmomentet för en solid rotor visas i ekvation(2) nedan.
I=
mr 2
2
(2)
Där [kg] är massan på svänghjulet och [m] är radien på densamma.
Ekvation(2) sätts in i ekvation(1) vilket ger ekvation(3) nedan.
Ek =
mr 2ω 2
4
(3)
6
Ekvation (3) visar att energin är proportionell mot massan. Vinkelhastigheten som är den hastighet
svänghjulet roterar med påverkar energin i kvadrat och har därför störst inverkan på energin.
Eftersom hastigheten har större inverkan på den lagrade energin än vad massan har eftersträvas
därför en högre hastighet framför massan på rotorn. Högre hastigheter innebär större påfrestning på
materialets hållfasthet och det betyder att energin som ett svänghjul kan klara av att lagra beror
mycket på hållfastheten hos svänghjuletiv.
Ett materials specifika hållfasthet ges av ekvation(4) nedan.
σ ult =
ρυ 2
(4)
2
Där [kg/m3] är densiteten på materialet och [m/s] är hastigheten på yttersta delen av rotorn som
beskrivs enligt ekvation(5) nedan.
υ = ωr
(5)
Den specifika energin kan då skrivas som ekvation (6) nedan.
E k υ 2 σ ult
=
=
m
2
ρ
(6)
Påfrestningen på hjulet i samband med hög rotationshastighet kan leda till att hjulet kollapsar och
går sönder vilket kan leda till stora skador och därför är det viktigt att välja rätt material till
konstruktionen. Traditionellt har stål använts till svänghjul men i takt med att produkten utvecklas
har olika kompositmaterial blivit allt vanligarev. Den specifika hållfastheten för olika material visas i
tabell 1 nedanvi.
Tabell 1. Materialegenskaper
Material
Stål(AISI 4340)
GFRP1
CFRP2
1
Glasfiber polymer
2
Kolfiber polymer
Densitet[kg/m3]
7800
2000
1500
Specifik hållfasthet[MNm/kg]
0.22
0.80
1.6
Rotorn i svänghjulet stödjs vanligtvis av mekaniska kullager då rotorn består av stålvii. I takt med att
svänghjulen utvecklas mot att klara av högre hastigheter och med nya material så har det blivit
vanligt med magnetiska kullager. Dessa har ingen kontakt med drivaxeln och består av permanenta
magneter som håller upp rotorns vikt med repellerande krafter. En annan typ av magnetiska kullager
är HTS (High-temperature super-conducting) som arbetar under hög temperatur men kräver
avancerad kylning. Förbättring av hjullagren leder till både lägre friktion och mindre mekanisk
påfrestning på svänghjuletviii.
En stor del av förlusterna i ett svänghjul kommer från luftfriktion i rotorn därför att luftfriktionen är
proportionell mot vinkelhastigheten i kvadrat. Ett sätt att komma runt problemet är att förändra
luftsammansättningen i svänghjulet. Tester har gjorts med blandningar av luft och helium med goda
resultat som visar att luftfriktionen kan minskas med mer än 40 % beroende på andelen helium
7
inblandat jämfört med bara luft. Fördelen med helium-luftblandning är en lägre kostnad jämfört med
vakuum där en större anläggning krävs för att erhålla dettaix. Numera används dock oftast vakuum
för att det ska vara möjligt att hålla en jämn hög vinkelhastighet och för att reducera friktion och
därmed energiförlusterx.
För att vara intressant ur ett samhällsekonomiskt perspektiv bör ellagring från el till el vara cirka 80 %
eller högrexi och svänghjul kan då vara ett intressant alternativ då de har en verkningsgrad på minst
cirka 80-90%xii.
Svänghjul som energilagringssystem i elnätet
Användandet av förnyelsebara energikällor är ett bra val för miljön, men inte lika bra för vårt elnät.
Förnyelsebara energikällor som till exempel vindkraft, genererar endast elenergi när det blåser.
Eftersom det inte blåser lika mycket hela tiden blir det en oregelbunden elproduktion vilket leder till
sämre stabilitet, elkvalitet och spänningsvariationer på elnätet xiii. Kvaliteten på elen är viktig
eftersom mängder med elektroniska apparater finns anslutna till elnätet. Störningar på detta kan
leda till stora kostnader för bland annat industrier och variationer på spänningen kan orsaka flimmer
i belysningen vilket uppfattas som störandexiv. Ett sätt att få mer stabilitet och bättre elkvalitet på
elnätet är att införa energilagring som klarar att lagra och tillföra aktiv effektxv.
Energilagring i elnätet fungerar också som energisäkerhet vid strömavbrott. Ett strömavbrott i en
industri kan orsaka mycket problem och leda till stora förluster och därför är det viktigt att ha ett
energilager i reserv. Det är vanligt att batterier används för att ge mer stabilitet och en avbrottsfri
elförsörjning. Batterier har många fördelar men också många nackdelar. Några problem med att
använda batterier som energilagring är bland annat att de har låg laddning- och
urladdningshastighet, kort livslängd, hälsofarliga syror och negativ miljöpåverkan efter förbrukning.
Att istället använda svänghjul som energilagringsteknik ger fördelar som snabb laddning- och
urladdningshastighet, obegränsat antal cykler och miljövänlighetxvi.
Andra problem som uppstår med förnyelsebara energikällor är bland annat att det inte går att styra
över produktionen. Det gör att det kan vara hög produktion vid tillfällen då efterfrågan är låg och låg
produktion då efterfrågan är hög. En lösning på detta problem är att lagra energin i svänghjul då
produktionen är hög och ta ut den när den behövs. Många forskare är eniga om att förnyelsebara
energikällor kommer vara de som dominerar energiproduktionen i framtiden, men då krävs att det
finns bra energilagring som dels kan lagra den producerade energin under lång tid men också för att
jämna ut produktionen om till exempel vinden avtarxvii.
Sveriges effektförbrukning och vindkraftproduktion under mars 2010 visas i figur 2 nedan för att ge
en bild av hur effektbehov och produktion från vindkraftverk kan variera under tidxviii. Eftersom det
inte går att planera produktion från förnyelsebara energikällor som vindkraft, kan det bli svårt att få
tillräcklig energiproduktion om energiförsörjningen enbart sker med hjälp av dessa energikällor och
om ingen lagring användsxix.
8
Figur 2. Sveriges effektförbrukning och produktion från vindkraftverk under mars 2010
Installationer
Svänghjulet finns på marknaden men är ovanligt i stor skala. Idag är
svänghjulen vanligare i fordon, för mer information om svänghjul i fordon
hänvisas till rapporten om svänghjul i fordonxx. Det finns även ett antal
installationer som gjorts för att lagra energi till elnätet och på så vis undvika
kortvariga spänningsfall. Detta är lämpligt att göra hos företag som är
beroende av el, så som sjukhus, datacenter, banker och tv/radio stationerxxi.
På datacentret i Santa Clara har man valt att använda sig av svänghjul och de
största anledningarna till det är att svänghjulet tar mycket mindre plats och
väger mycket mindre än vad de traditionella batterierna gör. Det blir även
billigare tack vare att svänghjulen inte är lika temperaturberoende som
batterierna är. Dessa måste dessutom bytas ut vart femte år medan
svänghjulen har en livslängd på ungefär tjugo år och de kräver mycket lite
underhållxxii.
Figur 3. Ett svänghjul från
Beacon Power
I staden Stephentown utan för New York har man startat ett stor projekt med
svänghjul som ska ha en lagringskapacitet på 20 MW, det vill säga tio procent av dygnsförbrukningen
i delstaten. För att nå den kapaciteten har man serie kopplat tvåhundra svänghjul, se figur 4
nedanxxiii. Företaget som har byggt anläggningen är Beacon Power och en bild av deras svänghjul
visas i figur 3. De använder svänghjul av kolfiber som roterar i vakuum för att få minimal friktion,
dessa svänghjul har en verkningsgrad på 90 %. Här används svänghjulen för att få en jämnare
elproduktion där överflödig energi sparas och används vid högt energibehovxxiv.
9
Figur 4. Svänghjulsparken i Stephentown
Ett annat exempel är kärnkraftverket Forsmark som har energilagring i svänghjul. De använder
svänghjulen vid snabba stopp då energin krävs till bland annat pumparxxv.
Ekonomi och miljö
Svänghjul är ett bra val för miljön. Under drift används inget fossilt bränsle och ger inga utsläpp av
koldioxid eller andra gaser xxvi. Genom att använda svänghjul som energilagring i elnätet kan mer
förnyelsebara energikällor användas vilket också leder till mindre utsläpp och användning av fossilt
bränslexxvii.
Kostnaden för att bygga och installera svänghjul på elnätet är svårt att veta eftersom det är en
relativt ny teknik som precis börjat byggas. Ett exempel på vad parken i New York kostade kan ges
som en hänvisning till ett ungefärligt pris. Priset på svänghjulsparken kostade 50 miljoner dollar och
kan då under kort tid leverera en effekt på 20 MWxxviii.
Framtida potential och hållbarhet
Energilagring av överskottsenergi blir allt viktigare när förnyelsebar energi ökar. Svänghjul är ett
miljövänligt alternativ till att lagra energi i elnät. Behovet av miljövänlig energilagringsteknik blir hela
tiden större och ger därför svänghjul goda möjligheter att bli en viktig del i ett energisystems
energilagringxxix.
Eftersom svänghjul har lång livslängd, kräver lite underhåll och inte har någon direkt miljöpåverkan
bidrar det till en hållbar utveckling.
10
Referenser
i
I. Dincer, M. A. Rosen. (2010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-62.
F.N Werfel, U. Floegel-Delor, T. Reidel, D. Wippich, B. Goebel, R. Rothfeld. (2010) HTS Flywheel from R&D to
Pilot Energy Storage System. s1.
iii
Bolund Björn, Bernhoff Hans, Leijon Mats. (2007) Flywheel energy and power storage systems. s238.
iv
Dincer, M. A. Rosen. (2010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-62.
v
http://www.power-thru.com/22.html 2011-03-14
vi
Dincer, M. A. Rosen. (2010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-62.
vii
F.N Werfel, U. Floegel-Delor, T. Reidel, D. Wippich, B. Goebel, R. Rothfeld. () HTS Flywheel from R&D to Pilot
Energy Storage System. s1.
viii
Bolund Björn, Bernhoff Hans, Leijon Mats. (2007) Flywheel energy and power storage systems. s237-241.
ix
Suzuki, Y. Koyanagi, A. Kobayashi, M. Shimada, R. (2005). Novel applications of the flywheel energy storage
system. s2130-2131.
x
http://www.beaconpower.com/products/about-flywheels.asp 2011-03-14
xi
http://www.teknat.uu.se/forskning/uu/beskrivning.php?vetenskapsid=0&hforskomr=7&id=22&lang=sv 201103-14
xii
Dincer, M. A. Rosen. (2010). Thermal Energy Storage - Systems and applications. Wiley & Sons. s59-62
xiii
http://www.abb.se/cawp/seabb361/53b71857a0dff06ec125758400333917.aspx 2011-03-14
xiv
http://www.elsakerhetsverket.se/sv/EMC/EMC-och-elkvalitet/ 2011-03-14
xv
http://www.abb.se/cawp/seabb361/53b71857a0dff06ec125758400333917.aspx 2011-03-16
xvi
Kato, S. Takaku, T. Sumitani, H. Shimada, R. (2009). Development of Voltage Sag Compendator and UPS Using
a Flywheel Induction Motor and an Engine Generator. Vol. 167. No. 1 s74
xvii
10 metoder kan lägga ren energi på lager. (2011). ILLUSTRERAD VETENSKAP. Nr 3
xviii
http://svk.se/Energimarknaden/El/Statistik/Rad2/ 2011-03-16
xix
10 metoder kan lägga ren energi på lager. (2011). ILLUSTRERAD VETENSKAP. Nr 3
xx
Rapport av….
xxi
Suzuki, Y. Koyanagi, A. Kobayashi, M. Shimada, R. (2005). Novel applications of the flywheel energy storage
system. Vol.30. s2129.
xxii
http://www.thewhir.com/web-hostingnews/010810_Terremark_Installs_Space_Saving_Flywheel_UPS_in_New_Data_Center 2011-03-15
xxiii
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article244843.ece?page=0 2011-03-15
xxiv
http://phx.corporate-ir.net/phoenix.zhtml?c=123367&p=irol-newsArticle&ID=1518882&highlight=
2011-03-15
ii
xxv
http://www.vattenfall.se/sv/nyheter_65655.htm?newsid=5EE9FF8DBA5E4090B33AA7FC1E3DBD8C&WT.ac=se
arch_success 2011-03-15
xxvi
http://www.beaconpower.com/products/about-flywheels.asp 2011-03-15
xxvii
http://www.abb.se/cawp/seabb361/53b71857a0dff06ec125758400333917.aspx 2011-03-15
xxviii
http://www.nyteknik.se/nyheter/energi_miljo/energi/article244843.ece 2011-03-15
xxix
10 metoder kan lägga ren energi på lager. (2011). ILLUSTRERAD VETENSKAP. Nr 3
Bilder
Figur 1: Bolund Björn, Bernhoff Hans, Leijon Mats. (2007) Flywheel energy and power storage systems. s238
Figur 3: http://beaconpower.com/products/about-flywheels.asp 2011-03-17
Figur 4: http://beaconpower.com/company/201012-gallery.asp 2011-03-17
11