District heating covers around 80 % of the heating demand in apartment buildings and 10 % in single-family homes in Sweden. In the year 2010 the total input of energy to the Swedish district heating grids was about 70 TWh, which corresponds to 11 % of the total energy input to the whole energy system in the country. Through the combined production of heat and power the CHP-plants often reaches an efficiency of 90 % from energy in the fuel to produced heat and power. In order to keep the efficiency high it is important for the owners of the plant to have good knowledge about the plants performance at different operation points. Strängnäs Energi AB initiated this diploma work together with FVB Sverige ab in order to come up with a program for short term planning of the production of heat and power at the company´s CHP-plant. The work consists of three main parts. The first part is an introduction to district heating and optimization of such systems and it also handles a short explanation of the district heating system in Strängnäs. The second part covers the performance tests that have been done at Strängnäs Energi AB´s CHP-plant. The performance tests were carried out in order to investigate how the plant is operating. The results from the tests show that the efficiency of the plant is very poor. This has its explanation in the losses in forms of combustible content in the bottom ash, which in some cases reaches over 4 %. The problems with the combustion have been known for a while at Strängnäs Energi AB, but they did not have any calculated value of the efficiency. The company is working hard in order to come up with good solutions for the combustion and therefore this is not included in the diploma work. Instead the third part of the diploma work is focused on developing of a model for short term production planning. The model was made in MS Excel and it consists of a number of power and mass balances over one day. The key to the calculations in the model is the calculation of the alfa-value. The alfa-value together with the power in the hot water condenser gives an iterative calculation. The hot water accumulator is then either charged or discharged depending on current electrical price, demand of district heating and the level in the accumulator. The results from the simulations done with the model shows that it is possible for Strängnäs Energi AB to earn between 0 – 20 000 SEK during one day if they operate their plant as suggested in the model.

Fossil fuel depletion, economic development, urban expansion and climate change present tough challenges to municipal- and regional-scale energy systems. Regional energy system planning, including waste treatment, renewable energy supply, energy efficiency, and climate change, are considered essential to meet these challenges and move toward a sustainable society. This thesis includes studies on energy system from municipal waste, potential for a fossil fuel-independent regional energy system with increased renewable energy products using waste as one of energy sources, and the performance of biomass-fired combined heat and power (CHP) plants. A top-down method is adopted to organize the studies, from national waste-to-energy (WtE) scenarios to individual energy plants. The first study considers the overall potential contribution of WtE to energy supply and greenhouse gas (GHG) emissions mitigation in Sweden until 2050 under several different scenarios. Depending on WtE scenario considered, the study shows that WtE can supply energy between 38 and 186 TWh and mitigate between CO2 of 1 and 12 Mt per year by 2050 based on the baseline of year 2010. At a regional level, static and dynamic optimization models with a focus on WtE are developed for two regions in Sweden and Finland. The former is used to investigate the possibilities of optimal positioning of new energy plants, retrofitting existing energy plants and planting energy crops. The latter case study is on regional heat and power production using biogas generated from agricultural and livestock wastes. Centralized biogas production units perform better than distributed production regarding energy and carbon balance though the net energy output is negligible. However, a significant GHG emission can be reduced compared to the present status. Retrofitting existing conventional CHP plants is another option for improving regional energy system. The study shows that integrating heat-demanded processes such as drying, bioethanol and pellet production with existing CHP plants can improve overall energy efficiency and power output, increase annual operation time and reduce production cost as well as mitigate GHG emissions.  It is recommended that building new WtE/energy plants at optimum sites, upgrading the existing energy plants, expanding the agricultural/forestry waste/residues output (biomass) and planting more energy crops shall be taken into considerations for the future regional energy systems. / Utarmning av fossila bränslekällor, ekonomisk utveckling, städernas utbredning och klimatförändring är svåra utmaningar för kommunala- och regionala energisystem. Planering av det regionala energisystemet, inklusive avfallshantering, förnyelsebara energikällor, energieffektivisering och hänsyn till klimatförändringar, anses avgörande för att möta dessa utmaningar och gå mot ett hållbart samhälle. Denna avhandling innehåller studier av energisystem centrerad kring hushållsavfall, potentialet för fossilbränslefria regionala energisystem som utnyttjar ökad andel förnyelsebara energiprodukter med avfall som en energikälla och prestandautvärdering av ett biomassa-eldat kraftvärmeverk. Studierna har organiserats efter storlek på system, från nationella avfall-till-energi scenarier till enskilda kraftverk.   Den första studien behandlar övergripande möjligheten att genom avfall-till-energi bidra till energiförsörjningen och begränsa utsläppet av växthusgaser i Sverige till 2050 under flera olika scenarier. Beroendet på avfall-till-energiscenario visar studien att genom att utnyttja avfall kan mellan 38 och 186 TWh energi levereras och dessutom kan koldioxidutsläppen reduceras med 1-12 miljoner ton till år 2050 med 2010 som basår.   På den regionala nivån, statiska och dynamiska optimeringsmodeller, med fokus på avfall-till-energi, är utvecklats för två regioner, en i Sverige och en i Finland. Det första modellen används för hitta den optimala placeringen av nya energianläggningar, anpassning av befintliga anläggningar och placering av odlingar av energigrödor. Den senare ingår i en fallstudie av den regionala kraft- och värmeproduktionen genom utnyttjande av biogas producerad från jordbruksavfall och djurgödsel. Centraliserade biogasanläggningar presterar bättre än decentraliserad anläggningar när det gäller energi – och kolbalanser även om i båda fallen så är skillnaden mellan konsumerad mängd bränsle, värme och el och producerad värme och el försumbar. Däremot kan en betydande mängd av växthusgasutsläppet i båda fallen undvikas jämfört med nuläget.   Anpassning av befintliga konventionella kraftvärmeverk är ett annat alternativ för att förbättra det regionala energisystemet. Studien visar att genom att integrera värmekrävande processer såsom torkning, bioetanol- och pelletsproduktion med befintliga kraftvärmeverk kan den totala energieffektiviten och uteffekten förbättras, öka den årliga drifftiden och minska produktionskostnaderna och utsläppen av växthusgaser.   Rekommendationen är att för de framtida regionala energisystemen överväga att bygga nya avfall-till-energianläggningar med optimal placering, uppgradera befintliga energianläggningar utöka insamlandet av avfall/restprodukter från jord- och skogbruk och plantera mer energigrödor.

The EU energy efficiency directive is driving the EU member states to set ambitious goals to increase energy efficiency. Mälarenergi AB is one of the Swedish energy companies, affected by the directive, that have taken an active role in order to increase efficiency within their energy production. This study was initiated to perform energy analysis and find energy optimization measures in the systems attached to one of Mälarenergi’s CHP-units, called P5.The operating conditions of the bio fueled combined heat and power plant, P5, recently changed when the connected boiler, P4, was decided to be shut down. The two boilers shared turbine, steam, feed water, condensate and oil systems, and the operating conditions of these systems changed radically when the mass flow decreased as P4 was shut down. The changed operating conditions affects the efficiency and the performance of the plant. The changed mass flow affects the capacity demands, efficiency in components and the technical conditions of the plant.The general approach through this thesis and the used methodology is based on initial analysis of the system changes, review of the necessary functions in the system and identification of the differences between the needed functions and the existing system. Optimization potential were identified where there were large differences and as a final step, technical and economic feasibility of implementing identified optimization measures was analyzed. The results shows that feasible optimization potential is identified in removing pumps without adjustable speed drives from the system, installing adjustable speed drives to the warm condensate pumps, replacing the dilution water pumps and detaching the atomization steam tank for P4. The economic feasibility to invest in a new direct heater, better adjusted to the operating conditions of P5, is small but could be an option to Mälarenergi if the alternative production cost remains high. Without the already installed adjustable speed drives in Mälarenergi’s plant the efficiency of the operations would be much lower than what it is today and the optimization potential essentially larger. The efficiency potential in the plant increases further when the attached turbine, G4, is to be dismantled and the operating conditions changes again. More extensive simplifications and rearrangements of the system can be made to decrease the energy demand for operations with 745 MWh/year. / EU:s energieffektiviserings direktiv ställer hårda krav på företag i medlemsländerna att kartlägga och analysera energiförbrukning för att identifiera åtgärder för att öka effektivitet. Utöver detta så har Sverige ambitiösa mål om ökad energieffektivitet i samtliga sektorer. Att effektivisera energiproduktionsanläggningar för att hitta effektiviseringspotential är därför aktuellt för svenska energiproducenter. Mälarenergi är ett av de energiföretag som arbetar aktivt med att kartlägga och minska sin energiförbrukning. Studien har därför genomförts för att granska panna 5 i Västerås kraftvärmeverk, för att undersöka hur energieffektiviseringsåtgärder kan identifieras i kraftvärmeprocesser där driftförutsättningar och processer har förändrats. Panna 5 har flertalet gemensamma processer med en äldre panna i anläggningen, panna 4, vars drift har upphört och pannan ska läggas ner. Driftförhållandena i de tidigare gemensamma systemen för kondensat, matarvatten, kylning och olja har därför förändrats och massflöden i systemen minskat kraftigt. De förändrade förhållandena och massflödena påverkar kapacitetsbehovet i systemen, effektiviteten i flertalet komponenter samt de tekniska kraven som ställs på panna 5. Den största förändringen i systemet är de minskade massflödena. Flödet i kondensatsystemet har minskat från ca 100 kg/s till 45 kg/s. Samma förändring i matarvattensystemet då panna 4 kopplas bort, är från 160 kg/s till 50 kg/s. Studien visar att det finns energieffektiviseringspotential i att byta ut pumpar vars pumpdrift har påverkats kraftigt, upphöra med drift av pumpar utan frekvensstyrning, installera frekvensstyrning på pumpar där flöden varierar samt förenkla och ta bort överflödiga processer som inte nyttjas vid de nya förhållandena. Processerna kan också optimeras genom att investera i en ny direktvärmare bättre lämpad för panna 5, dock är lönsamhetskalkylen för denna svag och ytterligare bedömning krävs. Resultatet visar även att då turbinen till panna 5 är uttjänt och nedmonteras så kan processerna kring panna 5 förenklas ytterligare och optimeras så pass att 745 MWh el för drift av pannan kan sparas varje år. Generellt kan det konstaterats att även förvärmare, matarvattentank och värmeväxlare är överdimensionerade när flödet i systemet minskar, kostnads-och energibesparingen för att byta ut dessa komponenter är dock negativa, eftersom komponenterna själva inte förbrukar någon energi. Att ha för stora kapaciteter i värmeväxlare bör snarare ses som en möjlighet, att kartlägga kapacitetsbehovet underlättar dock underhållsplanering i systemet. Den generella metoden som användes i studien bygger på modellen att först kartlägga de genomförda förändringarna i systemen, fastställa funktionskraven i det nya systemet och därefter analyserna skillnaderna mellan de fastställda funktionskraven och den befintliga tekniken. Optimeringspotential kan därefter identifieras där dessa två skiljer sig till stor del. Därefter utvärderas optimeringsåtgärden genom kvantitativ analys och investeringskalkylering.

Energy systems have significant importance for social development, not least in developing countries. A well-developed energy system can contribute to economic, ecological as well as social sustainability. At the same time, the ambitions to globally reduce dependence on fossil-based fuels and the climate impacting emissions that accompany them increase. To achieve this, energy efficiency improvements and an increased share of renewable energy sources are required. Today, there are both great challenges and opportunities in developing energy systems in developing countries and at the same time reducing the global climate impact. Thanks to the sugar industry in Cuba, there are great opportunities for the country to develop its electricity production from biofuels in the form of bagasse, a residual product which is provided during the process of the production of sugar. This report examines the possibility of developing the energy system in the sugar factory Carlos Baliño, located in Villa Clara in Cuba. The purpose is to enable the factory to minimize its use of bagasse and to maximize electricity production. This is to provide the opportunity for the factory to become more economical and ecologically sustainable. The current energy system in the sugar industry was examined and a model of the energy flows was created in excel. Based on the current energy system, four different scenarios were then examined with potential improvements. These four scenarios were as follows; (1) Preheating, (2) Bagasse drying, (3) Increase inlet boiler pressure and (4) New generator. For the various scenarios, the energy flow schemes were defined and technical components were selected. An economic and ecological analysis based on the best possible parameters of the scenarios was then performed. The result showed that the marginal electricity demand for the current system was 19 kWh per tonne of sugar cane and that the fixed electricity demand was 890 kW. The model defined the value of the bagasse as 8.2 USD per tonne, based on the current system. The current cut of costs by replacing oil were defined as 31 MUSD and the total amount of saved carbon dioxide was 96,000 tonnes, both for a period of 6 years. Out of the four scenarios that were investigated and compared with current systems, drying of bagasse was the option that could best be justified. This scenario resulted in a bagasse value of 5.0 USD per tonne, a cut of costs of 51 MUSD by replacing oil over a 6-year period and 150,000 tonnes of reduced carbon dioxide emissions over the same period. Preheating resulted in an increase in bagasse consumption, but also a higher electricity production. The result also showed that increasing the pressure in the boiler is not relevant, as the current pressure is almost the maximum for the current system. Due to a simplified model, Scenario 4, which included the investment of a new generator, could not be tested. / Energisystem är av stor betydelse för samhällsutveckling, inte minst i utvecklingsländer. Ett väl utvecklat energisystem kan bidra till ekonomisk, ekologisk så väl som social hållbarhet. Samtidigt ökar ambitionerna om att globalt minska beroendet av fossilbaserade bränslen samt de klimatpåverkande utsläppen som följer med dessa. För att uppnå detta krävs energieffektiviseringar och en ökad andel förnyelsebara energikällor. Idag finns både stora utmaningar och möjligheter i att utveckla energisystem i utvecklingsländer och samtidigt minska klimatpåverkan globalt. Tack vare sockerindustrin på Kuba finns stora möjligheter för landet att utveckla dess elproduktion från biobränsle i form av bagass, en restprodukt som tillhandahålls i framställningen av socker. I denna rapport undersöks möjligheten att utveckla energisystemet i sockerbruket Carlos Baliño, beläget i Villa Clara på Kuba. Syftet är att möjliggöra för verksamheten att minimera dess användning av bagass samt maximera elproduktionen. Detta för att ge möjlighet för sockerbruket att bli mer ekonomiskt och ekologiskt hållbart. Det nuvarande energisystemet i sockerbruket undersöktes och en modell av energiflödena skapades i Excel. Utifrån det nuvarande energisystemet undersöktes därefter fyra olika scenarier med potentiella förbättringar. Dessa fyra scenarier var följande; (1) Förvärmning, (2) Bagasstorkning, (3) Höjning av tryck i pannan samt (4) Investering av ny generator. För de olika scenarierna framtogs dess energiflödesscheman samt tekniska komponenter. En ekonomisk samt ekologisk analys utifrån scenariernas bästa möjliga parametrar utfördes sedan. Resultatet visade att det marginella elbehovet för det nuvarande systemet är 19 kWh per ton sockerrör samt att det fasta elbehovet är 890 kW. Med modellen definierades värdet på bagassen som 8,2 USD per ton, utifrån det nuvarande systemet. Den nuvarande besparingen av kostnader genom att ersätta olja definierades till 31 MUSD och den totala mängden besparade koldioxidutsläpp som 96 ton, båda under en period på 6 år. Av de fyra scenarier som utreddes och jämfördes med nuvarande system var torkning av bagass det alternativ som bäst kunde motiveras. Detta scenario resulterade i ett värde på bagassen av 5,0 USD per ton, en minskning av kostnader om 51 MUSD genom att ersätta olja under en 6 års period samt 150 000 ton besparade koldioxidutsläpp under samma period. Förvärmning resulterade i en ökning av bagassförbrukning, men även en högre elproduktion. Resultatet visade även att en höjning av trycket i pannan ej är relevant, då det nuvarande trycket är näst intill maximalt för det nuvarande systemet. På grund av en förenklad modell kunde Scenario 4, vilken innefattade investering av en ny generator, ej testas.

Transitioning the industrial sector’s energy system to renewable sources is crucial to reduce climate change. There is no exception for China, currently having the highest absolute levels of greenhouse gas (GHG) emissions in the world. The industrial sector accounts for about two thirds of the national energy consumption and coal is the country’s most important energy source. The integration of alternative energy sources such as solar can help transitioning the country’s energy system. By presenting a techno-economic analysis, this thesis gives an indication for profitability and in what extent there is a potential to cover the steam demand with a decentralized solar heat technology for two industries, fish and textile, in the Zhejiang province in eastern China. The used solar technology is a system with parabolic trough collectors (PTCs) with an integrated gas fired boiler. The PTC-system is compared with a coal-fired centralized supplier. The analyzed factors were roof area, solar irradiation, solar fraction, cost for steam from the centralized suppliers and cost of coal and natural gas. The maximum CO2 reduction is found to be dependent on the potential installation area. The greater area installed, the larger is the capacity and thus also the CO2 savings. The share of total steam demand covered by solar is directly proportional to the demand in relation to the installed solar capacity. The fish industry, having the lowest steam demand in relation to the roof area, is found to be able to save the largest relative proportion of CO2 emissions. Different scenarios are presented, modifying the fuel cost and fuel type for the PTC-system’s boiler, adjusting the steam cost from the centralized suppliers and using two different solar fractions of 35% and 50%. The CO2 savings depends on what fuel is being used and the solar fraction. Larger CO2 reductions are possible with a gas fired boiler compared to a coal fired one. But using a coal fired boiler makes it more economically profitable, matching the low coal price used for the centralized supplier. The scenario with most CO2 reductions is attained when using a high solar fraction of 50% and a natural gas fired boiler. The annual CO2 savings is then ranging from 15 tons per year for the company having the lowest steam capacity, up to 2090 tons/year for the company with one of the highest. Another significant factor is the companies’ seasonal activity. For the company having the least amount of active days per year (84 out of 365 days), the PTC-system is unprofitable whichever scenario. However, fuel costs for the boiler is found to be one of the most significant factors for the outcome determining if the investigated PTC-system is profitable or not. For all of the companies, there was only one that could provide all its steam demand with the PTC-system. This indicates that other energy sources need to be integrated to provide the steam demand of the enterprises with a renewable energy system. / Att omvandla industrins energisystem med förnyelsebara energikällor är väsentligt för att bromsa klimatförändringarna. Det är inget undantag för Kina, som nuvarande har de största absoluta nivåerna av utsläpp av växthusgaser i världen. Industrin står för ca två tredjedelar av den nationella energiförbrukningen och kol är landets största energikälla. Integrerandet av andra alternativ såsom solenergi kan dock hjälpa till i landets energiomvandling. Denna rapport syftar till att presentera en tekno-ekonomisk analys av en decentraliserad solfångare och ge indikation på lönsamhet samt i vilken grad tekniken kan förse behovet av ånga för två industrier, textil och fiske, i Zhejiang provinsen i östra Kina. Den solfångarteknik som används är ett system med Parabolic trough collectors (PTCs) med integrerad gaseldad ångpanna. Systemet jämförs med kraftvärmeverk som drivs med kol. De analyserade faktorerna är takytan, solar fraction, solinstrålning, kostnad för ånga samt ångpannans bränslekostnader. Besparingarna för CO2-utsläpp beror på den potentiella installationsytan. Ju större installationsyta, desto högre kapacitet och därmed högre CO2-besparingar. Andelen av behovet ånga som kan förses med solfångare är i direkt proportion till takytan och det totala behovet. Fiskeindustrin, som har lägre ångbehov i relation till takyta, visar sig kunna spara den största relativa mängden CO2-utsläpp. Olika scenarier presenteras, där bränslekostnaden och typ av bränsle för PTC-systemets ångpanna modifieras, kostnaden för ånga från de centraliserade leverantörerna justeras och solar fraction ändras mellan 35% och 50%. Besparingarna i CO2-utsläpp beror på vilket bränsle som används samt solar fraction. Större CO2-reduktion är möjlig med en gaseldad panna jämfört med en koleldad. Dock är en koleldad panna lönsammare när den matchar det låga priset på kol som används för de centraliserade leverantörerna. Scenariot med de största CO2-besparingarna uppnås med en hög solar fraction på 50% och en naturgaseldad panna. De årliga CO2-besparingarna varierar från 15 ton per år för det företag som har den lägsta ångkapacitet, upp till 2090 ton per år för ett företag med en av den högsta kapaciteten ånga. En annan viktig faktor är företagens aktivitet per år. Företaget som har minst aktiva dagar per år (84 av 365 dagar), är ej lönsamt i något av de testade scenarierna. Bränslekostnaderna för pannan har emellertid visat sig vara en av de viktigaste faktorerna för resultatet som avgör om det undersökta PTC-systemet är lönsamt eller inte. Bland alla företagen fanns det bara ett som kunde förse hela sitt ångbehov, med PTC-systemet. Detta indikerar att andra energikällor måste införas för att förse företagens ångbehov med ett förnybart energisystem.

The low electrification rates and lack of access to energy services are some of the main challenges of the Tanzanian energy system. However, increasing access to power and other energy services would lead to an increase in the energy demand, which the Tanzanian energy system will not be able to meet. Therefore, new solutions are needed to increase access to modern and affordable energy services that facilitate economic and social development, but in a way that is also sustainable. One promising solution seems to be the use of the abundant agricultural residues to produce energy, which could be particularly relevant for rural areas without access to the national grid. Further, the Tanzanian sisal industry has a challenge in addressing the emissions from sisal processing. Each year, the national industry produces approximately one million ton of Sisal Decortication Residue (SDR), causing local eutrophication as well as emissions of methane, a potent greenhouse gas. The solution under study in this thesis is the potential use of the residue generated at a sisal estate in the region of Tanga (Tanzania), to generate biogas, which could potentially produce electricity and heat when fed into a CHP unit. The AD process also reduces the negative environmental impact of the waste. Given the substantial amounts of sisal waste produced at the estate every day, the project aims at providing a solution that will benefit the owner of the estate, the environment and the local communities. It was found that the potential for biogas production is close to 1,200,000 m3 per year. In a CHP unit, this amount of gas would produce around 2,340 MWh of electricity and over 4,160 MWh of heat per year. The different potential applications for the biogas and products are presented and analysed in the local context. The results of the study suggest that the solution that would provide higher benefits from an economic, social, and environmental perspective is to supply part of the biogas to the surrounding villages for its use as a cooking fuel and fed the remaining electricity into the national grid. For this application it was found that the NPV of the project at the end of its lifetime is close to 1,580,000 USD, and the investment would be recovered in less than 9 years. At the same time, the use of biogas as cooking fuel would significantly benefit the households and the environment, by reducing the serious health and environmental problems derived from the processing of traditional biomass resources. / Bristande tillgång till energitjänster är en av de största utmaningarna för energisystemet i Tanzania. Men förbättrad tillgång till energitjänster kommer att leda till en snabb ökning av energibehov i landet, som det tanzaniska energisystemet inte kan hantera. En möjlig lösning kan vara att använder de rikliga jordbruksavfall för energiändamål, särskilt i landsbygdsområdena som saknar tillträde till det nationella elnätet. Denna rapport studerar möjligheterna att använda avfallet från produktion av sisalfiber (vanligtvis kallade Sisal Decortication Residue, SDR) som genererats vid en egendom i regionen Tanga (Tanzania) för att generera biogas, som också kunna producera el och värme i kraftvärmevek. Med tanke på den betydande mängd avfall som producera varje dag, är målet för projektet att hitta en lösning som egendomens ägare, miljön och lokala samhällen kan dra nytta av. Det potentiella utbytet av biogas med dagens produktionsvolym är ca 1,200,00 m3 per år. Detta motsvarar ca 2,340 MWh el samt 4,160 MWh värme per år. Olika potentiella tillämpningar för biogasen och biprodukterna har analyserad och jämförd för gällande lokala förutsättningar. Resultaten av studien tyder på att lösningen för att maximera sociala, ekonomiska och miljömässiga fördelar är att leverera en del av den biogas som framställs till de omgivande byarna för dess användning som bränsle för matlagning. Resten av elen ska tillföras elnätet. Plantagen köper sedan den el som krävs för den egna produktionen. Resultaten uppgå till ett positivt nettonuvärde (NPV) på omkring 1 580 000 USD och en återbetalningsperiod som är kortare än 9 år. Samtidigt skulle hushåll och miljön få fördelar av den biogasen genom att undvika de alvarliga problemer som hänger samman med traditionella biobränslen.

I den här rapporten har fokus varit att undersöka och identifiera förbättringsområden i användandet av  fjärrvärme inom dagens fjärrvärmesystem. Rapporten är huvudsakligen en teoretisk studie som är kombinerad med egna simuleringar via programvaran NetSim.  Användningen av fjärrvärme utvecklas ständigt och i dagsläget används främst tredje generationens fjärrvärme med en pågående utveckling av fjärde generationens fjärrvärme. Fjärrvärme kan produceras via olika anläggningar  där kraftvärme har  valts att avgränsa och fokusera på. Den producerade fjärrvärmen inom Sverige består av en framledningstemperatur med ett medelvärde av +86 ̊C och +47,2 ̊C i returledningen. Rapporten inriktar sig specifikt på användning av fjärrvärme inom bostads-  och service sektorn där fjärrvärme stod för 31% av uppvärmningsbehovet år 2019. Detta skapar en bra grund för argumentet att effektivisera dess användning vilket kan möjliggöras utanför byggnaden i fjärrvärmenätet men även inuti byggnaden.   Genomförandet har varit att ta fram slutsatser via simuleringar, tidigare forskning samt litteratur. Programvaran NetSim som är utvecklat för fjärrvärmesimuleringar användes för att simulera och undersöka hur fjärrvärmenätet påverkas utifrån tre olika scenarion (i) referensscenario (ii) lägre nättemperatur (iii) lägre nättemperatur vid högre påfrestning i fjärrvärmenätet.  Scenarierna  reflekterar  dagens fjärrvärmenät och vilken potential som finns inom framtida fjärde generationens fjärrvärmenät.   De resultat rapporten visar är att det finns potential för ett antal förbättringar inom fjärrvärmesystemet, första förbättringen är kring ändring av kopplingsprincip i fjärrvärmecentralen. Olika kopplingar har potential att uppnå olika returtemperatur utifrån dess utformning. De principer som studerades var parallell-, tvåstegs-, trestegs- och seriekoppling, där trestegskoppling åstadkom lägst returtemperatur på bekostnad av ökad komplexitet, miljöpåverkan och pris. Andra förbättringen är att frångå användningen av varmvattencirkulation då det estimeras att det stå för omkring 10 – 20% av flödet i fjärrvärmesystemet, det leder till en ökad returledningstemperatur vilket är ej något som eftersträvas. Lösningen är introduktionen av en tredje ledning som återcirkulerar varmt vatten från framledningen tillbaka till framledningen igen fast i ett tidigare skede.   Framtidens fjärde generation för med sig stora förbättringar vilket visades i litteratur, tidigare forskning och egna simuleringar men det är i ett tidigt skede än. Endast tio projekt kring fjärde generationen hade startat eller planerades i Sverige år 2020. Fjärde generationen medför lägre nättemperatur med en framledningstemperaturen kring +50 ̊C till +55 ̊C och en returtemperatur på omkring +20 ̊C. Den lägre nättemperatur ger möjlighet till användning av lägenhetsväxlare i flerbostadshus i stället för en gemensam fjärrvärmecentral på botten-  eller källarplan, det eliminerar användningen av varmvattencirkulation och risk för Legionella. Lägre nättemperatur möjliggör även att större mängd elektricitet i kraftvärmeverk kan produceras vid samma värmebehov samtidigt som högre effekt uppnås med rökgaskondensering ifall kraftvärmeverket använder sig av det.  Det noteras även  att  det bör finnas  större initiativ  för  fjärrvärmekunder  att sänka dess returledningstemperatur antingen via ekonomiska medel eller alternativa lösningar. I dagsläget finns det ej tillräckligt stort incitament för kunden att vilja genomgå en förändring, en förändring som har potential att påverka nätet positivt ur ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv. / The focus of this report has been to investigate and identify areas for improvement in the use of district heat  within  our  current  district heating system. The report is mainly a theoretical study combined with own simulations via the software NetSim.   The use of district heating is constantly evolving and currently mainly third generation district heating is used with ongoing development of fourth generation district heating. District heating can be produced by different plants, where  CHP-plants  has been chosen to be delimited and focused on. The district heat produced within Sweden consists of a supply temperature with an average value of +86 ̊C and +47.2 ̊C in the return line. The report focuses specifically on the use of district heating in the residential and service sector where district heating accounted for 31% of the heating demand in 2019. This creates a good basis for the argument to make its use more efficient which can be made possible outside the building in the district heating network but also inside the building.    The methodology  has been to  develop  conclusions via simulations, previous research, and literature. The NetSim software developed for district heating simulations was used to simulate and investigate the impact on the district heating network based on three different scenarios (i) reference scenario (ii) lower network temperature (iii) lower network temperature at higher demand in the district heating network. The scenarios reflect the current district heating network and the potential of the future fourth generation district heating network.    The results of the report show that there is potential for a number of improvements in the district heating system, the first improvement is around the change of the coupling principle in the district heating plant. Different couplings have the potential to achieve different return temperatures depending on their design. The principles studied were parallel, two-stage, three-stage and series coupling, where three-stage coupling achieved the lowest return temperature at the cost of increased complexity, environmental impact, and price. The second improvement is to abandon the use of hot water circulation as it is estimated to account for around 10 - 20% of the flow in the district heating system, leading to an increased return line temperature which is not desirable. The solution is the introduction of a third pipe that recirculates hot water from the supply line back to the supply line again but at an earlier stage.    The fourth generation of the future brings great improvements  which has been  shown in literature, previous research, and own simulations but it is in an early stage yet. Only ten fourth generation projects had started or were planned in Sweden in 2020. Fourth generation brings lower net temperature with a supply temperature around +50 ̊C to +55 ̊C  and a return temperature of around +20 ̊C. The lower net temperature allows the use of apartment exchangers in apartment buildings instead of a collective  district heating  substation  on the ground or basement level, it eliminates the use of hot water circulation and the risk of Legionella. Lower net temperature also allows a larger amount of electricity to be produced in CHP-plants for the same heating demand, while higher output can be achieved with flue gas condensation if the CHP-plant uses it.   It is also noted that greater initiative should be given to district heating customers to lower their return line temperature either through financial means or alternative solutions. At present, there is not enough incentive for the customer to want to undergo a change, a change that has the potential to positively impact the network from an economic and environmental perspective.

<p>As a part of the fight against the global warming the energy production needs to be more efficient and redirected towards sustainable options. One alternative is cogeneration, which means that electricity and heat is produced in one plant. The purpose with this survey is to examine if there are any commercial available combined heat and power techniques, based on combustion of solid moist biomass, which are suitable to small-scale applications. The technique must be able to produce between 2 and 10 MW thermal and the heat demand is a Swedish district-heating system. When already published reports had been studied, the Organic Rankine Cycle (ORC) was chosen as the most suitable technique. The possibility of using the ORC to generate electricity from the district-heating return flow was considered simultaneously. The chosen ORC-technique was then evaluated in Excel. The first aspect to be examined was how the performance of a combined heat and power plant was affected by variations in the supply line temperature. It showed that the performance reaches top levels when the temperature is low. The second part contains an optimisation, in a techno-economical perspective, of the ratio between cogeneration and separate heat production for district-heating systems with heat demands below 50 GWh/year. The most profitable combined heat and power plant generates 45 % of the installed power in a 50 GWh system. The profit is, however, too low to justify any construction plans. The conclusion was that there are no economical reasons to choose combined heat and power based on an organic rankine cycle in Sweden today.</p>

As a part of the fight against the global warming the energy production needs to be more efficient and redirected towards sustainable options. One alternative is cogeneration, which means that electricity and heat is produced in one plant. The purpose with this survey is to examine if there are any commercial available combined heat and power techniques, based on combustion of solid moist biomass, which are suitable to small-scale applications. The technique must be able to produce between 2 and 10 MW thermal and the heat demand is a Swedish district-heating system. When already published reports had been studied, the Organic Rankine Cycle (ORC) was chosen as the most suitable technique. The possibility of using the ORC to generate electricity from the district-heating return flow was considered simultaneously. The chosen ORC-technique was then evaluated in Excel. The first aspect to be examined was how the performance of a combined heat and power plant was affected by variations in the supply line temperature. It showed that the performance reaches top levels when the temperature is low. The second part contains an optimisation, in a techno-economical perspective, of the ratio between cogeneration and separate heat production for district-heating systems with heat demands below 50 GWh/year. The most profitable combined heat and power plant generates 45 % of the installed power in a 50 GWh system. The profit is, however, too low to justify any construction plans. The conclusion was that there are no economical reasons to choose combined heat and power based on an organic rankine cycle in Sweden today.

Panna 6 på Högdalenverket i södra Stockholm (P6) med tillhörande ångturbin producerar kraftvärme genom förbränning av utsorterat returbränsle från industri och samhälle. För att minimera underhållskostnader och öka anläggningens tillgänglighet är det viktigt att fel och oönskat processbeteende kan upptäckas i ett tidigt skede. I detta syfte testas här en metod för detektering av avvikande händelser med hjälp av principalkomponentanalys (PCA) på produktionsprocessen för kraftvärme. En PCA-modell med reducerad dimension skapas utifrån processdata från en problemfri driftperiod och används som mall för inkommande data att jämföras med i ett kontrolldigram. Avvikelser ifrån modellen bör vara en indikation på att ett onormalt drifttillstånd har uppkommit och orsaker till avvikelsen analyseras. Som avvikande händelse testas två fall av tubläckage som uppstod i ett av tubpaketen för kylning av rökgaserna under 2014 och 2015. Resultatet visar att processavvikelser ifrån normallägesmodellerna tydligt syns i kontrolldiagrammen vid båda tubläckagen och avvikelserna kan härledas till variabler som är kopplade till tubläckage. Det finns potential för att tillämpa metoden för övervakning av processen, en svårighet ligger i att skapa en modell som representerar processen när den är stabil på grund av att det finns många varierande driftfall som anses stabila, detta kräver vidare arbete. Metoden kan redan användas som analysverktyg exempelvis vid misstanke om tubläckage. / Boiler 6 at the Högdalen facility in southern Stockholm (P6) combined with a a steam turbine produces Combined Heat and Power (CHP) through combustion of treated industry waste. In order to minimise maintenance costs and increase plant availability it is of importance to detect process faults and deviations at an early state. In this study a method for outlier detection using Principal Component Analysis (PCA) is applied on the CHP production process. A PCA model with reduced dimension is created using process data from a problem free period and is used as a template for new operating data to be compared with in a control chart. Deviations from the model should be an indication of the presence of abnormal conditions and the reasons for the deviations are analysed. Two cases of tube failure in 2014 and 2015 are used to study the deviations. The result shows that process deviations from the models can be detected in the control chart in both cases of tube failure and the variables known to be associated with tube failure contributes highly to the deviating behaviour. There is potential for applying this method for process control, a difficulty lies in creating a model that represents the stable process when there are big variances within what is considererd a stable process state. The method can be used for data analysis when suspecting a tube failure.