MBBloggen

Hvor vindvenlig er du?

Skrevet af Morten Blarke Mandag, 27. januar 2014 06:44

Om få år vil det enkelte kraftvarmeværk, og boligs, vindvenlighed blive vægtet højere end absolut elproduktion og -forbrug . Elforbrugets fordelingskurve over tid er nemlig mere afgørende for miljøbelastningen end det samlede elforbrug. Derfor har jeg udviklet den såkaldte vindvenligheds-koefficient, der nemt kan integreres som indikator i Miljørapporter, Smart Meters, Home Automation systemer.

I begyndelsen af mit PhD studium tilbage i 2005 var jeg optaget af at prøve at forstå kernen i den udfordring det er at skabe et energisystem, der understøtter diskontinuerlige energikilder. Med hjemsted i Danmark har der hele vejen igennem været fokus på vindkraft, så jeg tænker oftest på det som min søgen efter et mål for ”vindvenlighed”. Men det handler i princippet selvfølgelig også om solkraft og bølgekraft.  På engelsk kalder jeg målet for ”intermittency-friendliness”, men det forekommer ikke tilsvarende mundret at kalde det ”diskontinuerlig-venlighed” på dansk. Vindvenlighed er mundret og fremstår som et godt og konkret alternativ til udtrykket ”miljøvenlig”.

I en videnskabelig artikel i Renewable Energy i 2008 præsenterer jeg et bud på en indikator for hvor godt et elanlæg, eller en elforbruger, bidrager til indregulering af vindkraft i energisystemet, nemlig vindvenligheds-koefficienten Rc:

Vindvenligheds-koefficienten Rc er lettere at beregne end man lige skulle tro ved første øjekast. Excel har f.eks. en funktion indbygget i sit statistiske funktionsbibliotek (CORREL), der fint kan anvendes, såsnart man har input-parametrene på plads. Formlen udtrykker den statistiske korrelation mellem et elanlægs netto-udveksling med elnettet e (negative værdier for aftaget el, positive værdier for leveret el), og nettets netto-elbehov d, defineret som elforbrug minus diskontinuerlig elproduktion. Disse parametre fastlægges i mine analyser på timebasis for perioder på op til et år, men kan i princippet anvende ethvert tidsskridt og enhver periode. Vindvenligheds-koefficienten Rc kan antage værdier fra -1 til 1, hvor 1 opnås for et elanlæg, der perfekt understøtter et elsystem med en given distribution af elforbrug og diskontinuerlig energi.

Nedenstående eksempel er resultatet af en analyse lavet i COMPOSE, der sammenligner en luft-vand varmepumpe med og uden varmelager:

Figuren viser driftsprofiler for de første 72 timer ved samfundsøkonomisk optimering i spotmarkedet. Mens varmepumpen uden lager i denne periode opnår en vindvenligheds-koefficient på 0, så når varmepumpen med lager op på hele 0,50. Ser man nærmere på bevægelserne fremgår det da også med nogenlunde tydelighed, at den smarte varmepumpes elforbrug følger systemets netto-elforbrug; varmepumpens elforbrug stiger generelt, når systemets netto-elforbrug falder, mens dens elforbrug generelt falder, når netto-elforbruget stiger.

Grunden til at der overhovedet kan opnås en høj vindvenlighed skyldes at der historisk set eksisterer en høj korrelation (i nogle år helt op til 0,68) mellem elnettets netto-elbehov og spotprisen i elmarkedet. Dette betyder at man ved at optimere anlæggets drift i spotmarkedet kan komme ret langt i forhold til at øge elanlæggets vindvenlighed. Men det betyder også at man ikke kan komme hele vejen til fuld understøttelse af vindkraft alene på basis af spotmarkedet.

I min forskning og modellering med COMPOSE er vindvenligheds-koefficienten blevet en nøgleindikator for anlæggets "godhed" i et systemperspektiv, når jeg designer smarte energianlæg, både i produktion og forbrug. Vindvenligheds-koefficienten har gjort det muligt at levere et mål for hvor godt et energianlæg opfylder elsystemets behov for fleksibilitet.

Hvem bliver de første, der integrerer dette mål i den løbende monitorering og evaluering af boligens elforbrug?

 

 

Fremtidens decentrale kraftvarme hedder (måske) decentral kraftvarmekølinggasforgasning (eller bare QUAD generation)

Skrevet af Morten Blarke Torsdag, 16. januar 2014 23:26

På DTUs energikonference i september 2013 fremlagde jeg dette QUAD koncept, der viser hvordan den decentrale kraftvarme i lokationer med biomasse ressource, kan opgraderes til bedre integration med det omgivende energisystem. Anlægget kan karakteriseres som et integreret forsyningssystem, der er i stand til at levere alle fire (deraf QUAD) grundlæggende energitjenester: kraft, varme, køling, og flydende eller gasformige brændsler. Dette sker i en integreret proces, der omfatter forgasning af biomasse, produktion af syngas til drift af motor og kedel, opgradering af syngas med elforbrugende elektrolyse til syntetisk naturgas, en dual-mode varmepumpe der tillader samtidig produktion af kulde og varme, og etablering af både koldt og varmt termisk lager. Anlægget er spekuleret etableret i 2014 med en resulterende samfundsøkonomisk varmeproduktionspris på 2,5 gange over prisen på et typisk kraftvarmeanlæg. Der er imidlertid ikke sat værdi på køleproduktionen. Men dyrere bliver det.

Til gengæld skifter CO2 emissionerne fortegn, forstået på den måde, at det typiske kraftvarmeanlæg i casestudiet udleder omkring 3500 ton CO2 i 2014, mens QUAD anlægget FORTRÆNGER 3000-4500 ton CO2 afhængig af design. Resultatet opnås ved:

1. at anvende et CO2 neutralt brændsel (biomasse)

2. fortrænge naturgas ved at producere syntetisk naturgas til naturgasnettet

3. producere elektricitet til elnettet i perioder, hvor primært kul- og gaskraftværker er marginale producenter, og kun købe el fra nettet (til varmepumpe og elektrolyse) i perioder hvor primært vind/vand/kernekraft er marginale producenter.

Der kan observeres markante variationer set over en 20-årig planperiode, men forholdet er tilsvarende. Samtidig opnår QUAD generation - i et design, der inkluderer et syngas-lager og en relativ stor varmepumpe - en vindvenlighedskoefficient på 0,50 i 2014, hvor det eksisterende kraftvarmeanlæg i dag ligger omkring 0,41. Dette resultat betyder, at QUAD generation understøtter 20% mere vindkraft i energisystemet end et typisk kraftvarmeanlæg.

Dette er endnu et bud på et koncept rettet mod den decentrale kraftvarmeforsyning, der anviser potentielle udviklingsspor henimod vindvenlige anlægsdesign. Tidligere har jeg præsenteret et kraftvarmekoncept med koldt mellemlager der omfatter integration af en mindre varmepumpe på et naturgasfyret kraftvarmeanlæg, der anvender spildvarme fra røggassen som lavtemperatur varmekilde med tilføjelse af et koldt mellemlager, der muliggør forskudt drift af gasmotor og varmepumpe.

Dette anlæg viste sig ikke overraskende at være mere vindvenligt - og ovenikøbet omkostningseffektivt. Men den decentrale kraftvarme er under pres, og tiltrækker ikke investeringer. Den langsigtede værdi af lokalt integreret og fleksibel energiproduktion er værdsat for lavt.