Denne rapporten beskriver utviklingen av et beregningsprogram for den termisk-hydrauliske oppførselen til et varmerør. Programmet har spesielt blitt utviklet for å kunne håndtere alkalimetaller som arbeidsmedium. Konseptet for varmerør er blitt gjennomgått. Komponenter sin virkemåte,prosesser og begrensninger som påvirker varmetransporten er blitt belyst. Av begrensninger er kapillærbegrensning, viskøs begrensning, sonisk begrensning og kokebegrensning identifisert som de mest aktuelle. Tre ulike modeller for damptransport i varmerøret er blitt presentert. Videre er et litteraturstudium med fokus på termisk-hydrauliske forhold i veker blitt gjennomført. Behovet for å kunne beregne transiente forhold er blitt vurdert. Aktuelle forhold med hensyn på alkalimetaller er blitt tatt i betraktning. To typer veker, veker av metallnetting og veker av sintret metallpulver er blitt vurdert og presentert. Med basis i dette er det blitt utviklet et beregningsprogram i Java for beregning av ytelse og begrensninger for et varmerør ved ulike stasjonære driftssituasjoner. Datalisting for beregningsdelen av programmet er lagt ved og algoritmer er blitt presentert og gjennomgått. Programmet benytter seg av en dampmodell som ikke tar hensyn til kompressibilitet. Implementering av dampmodell for kompressibel strømning anbefales i eventuelt videre arbeid. Ved hjelp av programmet er det blitt utført to beregninger. Den første beregningen forsøker ved hjelp av programmet å reprodusere resultater for tre ulike stasjonære driftssituasjoner presentert av Faghri . I den andre beregningen er den minste mulige radius i varmerør blitt beregnet ved ulike temperaturer og varmeflukser. Resultatene fra programmet stemmer godt overens med teori og beregninger presentert av Faghri. Hoveddelen av programlistingen og egenskaper for arbeidsmedium brukt i beregninger er lagt ved. Til slutt i rapporten er et forslag til videre arbeid.

I oppgaven har karakteristikkene for en pumpeturbin blitt simulert. Verktøyet for simuleringene har vært OpenFOAM. Griddene til simuleringene ble laget i Gambit og ble importert til OpenFOAM via fluent gridformat. Geometrien til pumpeturbinen som er benyttet i simuleringene ble stilt til rådighet av Rainpower. Det ble simulert for 28 driftspunkt fordelt på tre forskjellige ledeskovlåpninger. For å begrense simuleringstiden ble kun en av turbinens skovler ble tatt med i beregningsområdet. Resultatene viser god overensstemmelse med måledata for den aktuelle pumpeturbinen, se Figur 1. For å kunne sammenligne resultatene bedre ble det korrigert for tap som er med i måleverdiene, men som ikke omfattes av CFD simuleringene. Konvergens for simuleringer langt fra bestpunkt er problematiske på grunn av områder med tilbakestrømning eller sirkulerende strømning. OpenFOAM versjonene brukt i oppgaven er versjonene 1.5 og 1.5_dev. Versjonen ble byttet underveis fordi de periodiske grensebetingelsene ikke fungerte med versjon 1.5. Figur 1 Volumstrømskarakteristikker

Formålet med denne masteroppgaven er å utvikle, implementere og teste en algoritme for optimale bud i Elspot for en gitt vindkraftpark. Bakgrunnen for dette er innføring av nytt prissystem for balanseavregning i regulerkraftmarkedet (RKM). Denne regelendringen fjerner merinntektsleddet for ubalanser og har som hensikt å gi Statnett bedre oversikt over forventet produksjon i driftsdøgnet. Dette forventes å få særskilt innvirkning for passive produsenter da disse vanligvis har de største ubalansene mellom meldt og faktisk levert effekt. RKM blir dermed bestående av to forskjellige prissystemer, 1-pris og 2-pris. I 1-pris blir ubalanser gjort opp til regulerkraftpris, såfremt det har vært foretatt en aktiv regulering fra Statnett. For å bli beregnet i 1-pris må produsenten være aktivt regulert. Forbrukere får alltid 1-pris. I 2-pris kan ubalansen bli gjort opp til enten spotpris eller regulerkraftpris. Dersom produsentens balanse støtter systemets reguleringstilstand blir ubalansen gjort opp til spotpris. Er ubalansen i mot systemets reguleringstilstand blir regulerkraftpris gjeldene, hvilket vil føre til en merkostnad i forhold til om ubalansen hadde vært gjort opp i Elspot. 2-pris blir kun gjeldende for passive ubalanser. Med dette menes ubalanser som ikke er meldt inn til Statnett. Produsenter med uregulerbar produksjon kan overføre ubalansen sin fra 2-pris til 1-pris ved å oppdatere produksjonsbalansen sin. For å finne optimale bud må RKM og effekten fra vindparken modelleres. I modelleringen av RKM opprettes en rekke scenarioer med regulerkraftpris. For vindkraftmodellen blir vindeffekten beregnet som en funksjon av vindprognosen og utfallsrommet til effekten blir representert med scenarioer. Volumet til det optimale budet blir beregnet ved hjelp av en optimeringsalgoritme. Denne algoritmen er forskjellig for hvert prissystem. De resulterende optimale volumene er avhengige av hvilket prissystem eventuelle ubalanser avregnes i. Optimale bud for 1-pris vil finnes på ytterpunktene, 0 % og 100 %, av tilgjengelig kapasitet. Optimale bud for 2-pris vil være i samme størrelsesorden som prognosert vind. Modellerte priser i RKM viser seg å spille en stor rolle for nivået til det optimale budet, både for 1-pris og for 2-pris. Ut ifra resultatene av optimale bud kan det konkluderes med at det nye regulerkraftregimet til Statnett fungerer etter hensikten. For et utvalg av dager vil det optimale budet prestere bedre netto kontantstrøm en et referansebud, når faktiske data tas hensyn til.

Samandrag

I masterprojektet har huvudsyftet varit att följa upp installationerna och driften av energi centralen samt energibrunnarna vid universitetssjukhuset Nye Ahus under perioden januari- april 2009 genom att analysera mätdata från perioden. Utifrån detta har även alternativ för att minska bruket av spetslast vid täckning av högtemperaturskursen arbetats fram. För att även öka förståelsen kring energibrunnar och dynamiken i termiska lager så gjordes simuleringar i starten av masterprojektet med programmet EED för de termiska lagret. -Simuleringarna i EED visade på att det nuvarande lagret med 228 brunnar måste ha en effektbegränsning på ca 30 W/m för att med åren undgå en sjunkande årsmedel-temperatur i energilagret Ur analysen av mätdatan från perioden januari-april 2009 -Värmepumparna har levererat 85% av det totala lågtemperatursbehovet på 6,89 GWh -Ca 55% av den upptagna energin i förångaren under analysperioden kommer från återvinningskursen medan resterade 45% är hämtad från det termiska lagret -Hetgasvärmeväxlarna har endast levererat 12% av det totala högtemperatursbehovet på 1,27 GWh. Vid analys av alternativen för att minska användandet av spetslast i högtemperaturskursen blev det funnit att: -Beroende av installationens COP varierar största tillåtna investering, STI, mellan 12-19 Mkr. Där ett COP =5 för installationen har ett STI = 19, 0 Mkr -CO2-värmepump till uppvärmning av tappvatten från 5-75 °C har ett teoretisk årsvärmefaktor COP = 5,3 -CO2-värmepump till uppvärmning högtemperaturskursen från 43-83°C samt förvärmning av tappvatten från 5-40 °C har ett teoretisk årsvärmefaktor COP = 4,9 -Hybridvärmepumpen i kaskad lösning med kondenseringskursen uppnår ett årsvärmefaktor COP = 3 Det blir anbefallt att gå vidare med en grundligare analys av båda alternativen gällande användning av CO2-värmepump.

Denne oppgaven analyserer utviklingen av fornybar fjernvarme i Norge frem mot 2020 med bakgrunn i nye krav og føringer for energiløsninger. Fornybar fjernvarme er i denne oppgaven definert som fjernevarme basert på forbrenning av avfall og biobrensler. Oppgaven innledes med en oversikt over pådrivere og krav som påvirker energibruk og energiforsyning for bygninger i Norge. Videre følger netto energibruk for bygninger i Norge i tiden fremover beregnet ut i fra dagens krav og antatte krav i 2020. Forhold angående bruk av primærenergi samt CO2 utslipp i forbindelse fornybar fjernvarme er klarlagt. Det er videre gjort estimater for teoretisk potensial og antatt faktisk potensial for fornybar fjernvarme i Norge. Siste del omhandler økonomiske konsekvenser for et gitt området med fornybar fjernvarme der dagens behov for levert varme er sett i forhold til levert varme i 2020. For at fornybar fjernvarme i tiden fremover skal få et solid grunnlag for utvikling i Norge, er det nødvendig med politiske føringer som gjør dette lønnsomt både for sluttbruker og produsent. Av pådrivere vil regjeringen, fagdepartementene og Stortinget som lovgivende myndighet være de viktigste. Beregninger gjort ved bruk av en antatt forskrift for 2020, ”TEK20”, viser en nedgang i netto energibehov på 9 % for kontorbygg og en nedgang på 18 % for småhus i forhold til TEK07. Nedgangen i oppvarmingsbehovet er henholdsvis 45 % og 9 % sammenlignet med TEK07. Forhold som har betydning for primærenergiforbruk ved bruk av fornybar fjernvarme er i hovedsak virkningsgraden for fjernvarmeanlegg og distribusjonssystem og faktorer knyttet til disse . I tillegg vil transportkanaler og innretninger hos sluttbruker ha betydning. Det tekniske potensial for fornybar fjernvarme er estimert til omlag 38-41 TWh, hvor 35 TWh er biobrensel og 3-6 TWh er avfall. Det totale faktiske potensialet i 2020 er estimert til 1,7 TWh ut i fra prosjekter som ikke er lønnsomme uten offentlig støtte. Ved historisk estimering av fornybar fjernvarme, vil produsert energi i 2020 være omlag 8,2 TWh, hvor 4,5 TWh er produsert fra biobrensler og 3,7 TWh fra avfall. I en analyse av Trehørningen forbrenningsanlegg er det beregnet en nedgang på 20,2 % i behovet for levert varme for et gitt område i 2020 i forhold til dagens behov.

Byggebransjen er i stadig endring, og vi lever i et samfunn hvor brukere stiller høyere krav til kvalitet på bygg, enten det er boliger, kontorlokaler eller industri. Å ta de riktige beslutningene tidlig i byggeprosjektene er vesentlig for at det endelige resultatet blir godt. Dette krever god planlegging og de riktige verktøyene for å enes om hva som bør gjøres, og hvordan. Målet med denne masteroppgaven er å utvikle et relevant beslutningsstøtteverktøy for byggebransjen, med utgangspunkt i metoden Analytisk Hierarki Prosess (AHP). Gjennom arbeidet med oppgaven er metoden AHP grundig vurdert og sammenlignet med andre metoder, med mål om å vurdere om den er relevant for verktøyet. Det er spesielt skalaen som AHP er bygd på som er blitt diskutert. På bakgrunn av gjennomgangen av AHP er det kommet frem til at metoden er gunstig for bruk i et verktøy rettet mot byggebransjen. Videre er derfor et slikt verktøy utviklet i Microsoft Excel. Det bygger på et eksisterende verktøy utviklet av Eta Energi AS, men kommer med vesentlige endringer. Mange av endringene består i å senke brukerterskelen på verktøyet, slik at sjansen er større for at det blir tatt i bruk. Det innebærer blant annet en mer intuitiv oppbygning av verktøyet, navigasjonsknapper for enklere navigering, nye forklaringer på faktorene som vurderes, samt estetiske endringer. I tillegg er det lagt til rette for lagring av data i Microsoft Access slik at man etterhvert kan bygge opp en database av tidligere erfaringer. Tilslutt er det utarbeidet en detaljert brukermanual for verktøyet. Denne beskriver gangen i verktøyet i detalj og er rikt illustrert med skjermbilder og eksempler. En kort presentasjon av AHP er tatt med innledningsvis. Brukermanualen er også med på senke brukerterskelen og heve kvaliteten på verktøyet som helhet.

Denne masteoppgaven er i all hovedsak rettet mot å ekstrahere eksperimentelle data på olje-vann flushing, begge i væskefase. Det vil også gjøres en evaluering på hvor godt flerfasesimulatoren OLGA 6.0 klarer å reprodusere resultater fra eksperimentene. Utgangspunktet for oppgaven kommer av en forespørsel fra Chevron. De trenger forsøksdata for å kunne diskutere hvorvidt etylen-glykol eller etanol kan anvendes til å flushe vann ut av jumper rør offshore. I tillegg er ideen å produsere en stor nok mengde data til å kunne brukes som referanse senere ved Institutt for Energi-og Prosessteknikk, til å programmere egne flerfasesimulatorer. For å få en komplett og enkeltstående oppgave, er teorien rundt to fluid modellen samt beskrivelsen av lab oppsettet hentet direkte fra forløperen til denne masteroppgaven [10]. OLGA 6.0 utgaven bruker to fluid modellen i sin beregningsalgoritme og lab oppsettet er beskrevet nøyaktig nok til at eksperimentene skal kunne reproduseres. Analysen er bygget opp rundt plottene av vann holdup vs. tid plottene for forsøk og simuleringer, som er vedlagt i Appendiks A til C. Gjennom disse diskuteres flushetider, oljefronter og OLGA 6.0 prediksjoner for superficielle oljehastigheter fra 0.02m/s til 0.8m/s. Testene er kjørt for test loop innstillinger på en halv grad stigning og helning samt horisontalt. Resten av Appendiksene inneholder visuelle data på oljefrontens formutvikling mens den passerer gjennom test seksjonen, og trendplott på hvordan den forandrer hastighet fra innløp til utløp. For å fullstendig tømme testseksjonen og det fleksible utløpet må det brukes superficielle oljehastigheter på minst 0.3m/s. Innenfor intervallet Chevron har spesifisert, er de raskesete flushetidene 30s, 48s og 51s for hhv. for en halv grad helning, horisontal og en halv grad stigning. OLGA 6.0 simulatoren er også funnet til å egne seg bra til å beregne olje-vann flushing så lenge ikke vannholdup ligger igjen i testseksjonen. For oljehastigheter under 0.14m/s klarer ikke oljen å spyle ut alt vannet og forskjeller mellom registrert og predikert holdup ligger generelt mellom 20-40% i dette området.

Potensialet for klimagassreduksjoner gjennom lokalt initierte tiltak er beregnet å være mellom 2,5 og 8 millioner tonn CO2-ekvivalenter innen 2020. Dette utgjør 15 til 50 % av Norges mål for innenlands utslippsreduksjon, hvilket gjør kommunen til en viktig brikke i nasjonalt klimaarbeid. Et nasjonalt satsningsområde innen kommunalt klimaarbeid er utvikling av klima- og energiplaner. Per januar 2010 har 27 % av landets kommuner utarbeidet en slik plan, mens ytterligere 54 % har gjort vedtak om å utarbeide plan. I oktober 2008 inngikk Enova et samarbeid med Kommunenes Sentralforbund om kommunal satsning på miljøvennlig omlegging av energibruk og energiproduksjon. I samarbeidet inngår utvikling av et webverktøy som har til hensikt å forenkle prosessen rundt utarbeidelse og oppdatering av kommunale klima- og energiplaner. Kommunenes sentralforbund (KS) har fått ansvaret for å utvikle dette. I denne rapporten presenteres et forslag til kravspesifikasjon for et slikt webverktøy. Kravspesifikasjonen er utarbeidet for å kunne benyttes når arbeidet med webverktøyet etter planen legges ut på anbud vinteren/våren 2010. Webverktøyet anbefales inndelt i tre nivåer; administratornivå, brukernivå og nivå åpent for alle. I brukernivået skal kommunene kunne utarbeide en fullverdig klima- og energiplan. Det anbefales i rapporten at kommunen skal ledes gjennom tre hovedtrinn: kartlegging av nåsituasjonen, utarbeidelse av fremtidige utviklingsbaner og definering av målsetninger og tiltak. Anbefalinger til innhold i hvert av disse trinnene er beskrevet. Det er blant annet behov for hjelpemidler som kan bistå kommunen i å estimere effekten av hvert enkelt tiltak. I hvert trinn skal det derfor implementeres flere metoder og verktøy. En metode og to verktøy er utarbeidet i arbeidet med denne rapporten. Metoden som er utviklet skal hjelpe kommunene å se målsetninger og tiltak i sammenheng. Dårlig samsvar mellom overordnede målsetninger og effekten av tiltakene utarbeidet i eksisterende klima- og energiplaner viser at det er behov for en slik metoden. Metoden går ut på at effektene av hvert enkelt tiltak skal summeres og sammenliknes med den overordnede målsetningen. På den måten kan kommunene få oversikt over i hvilken grad målsetningene stemmer overens med den estimerte effekten av tiltakene. Ved avvik vil kommunen bli oppfordret til enten å justere målsetningene eller å videreutvikle tiltaksplanen. Det første verktøyet beregner kostnader og energibesparelser for tiltak innen veibelysning, det andre beregner reduksjon i klimagassutslipp per kjørte kilometer for privatbiler. Verktøyet for veibelysning er testet på et reelt prosjekt og viste seg å gi gode estimater både for kostnader og for energibesparelser. Verktøyet for utslipp fra privatbiler lar seg ikke teste ettersom det baserer seg på prognoser om utvikling innen bilteknologi frem mot 2030. Det knytter seg betydelige usikkerheter rundt hvilken retning bilteknologien vil ta. Dette bidrar til usikkerheter også i verktøyets beregninger. En casestudie på hvordan avvik fra antatte prognoser vil påvirke verktøyets resultater er gitt i rapporten.

Ved bruk av bergvarmepumpe vil temperaturen i grunnen bli redusert med tida. Resultatet er auka kompressorarbeid. Solfangarsystem kombinert med bergvarmepumpesystem, kan bidra til betre forhold for bergvarmepumpa. Det finst mange moglege kombinasjonar og det er behov for å analysera ulike løysingar. Målet med masteroppgåva var å foreta ei detaljert analyse av ulike tekniske kombinasjonsløysingar med solfangarsystem, varmepumpeanlegg og system for termisk energilagring for større bygningar. Det har blitt beskrive fire ulike systemløysingar med bergvarmepumpe, solvarmesystem og termisk energilagring (borehol), kor ulike eigenskapar ved løysingane blei trekt fram. Ei teknisk- og økonomisk analyse av to av kombinasjonsløysingane presentert som kombinasjonsløysing 2 og 3, har blitt utført ved hjelp av simuleringsprogram for sol (TSOL), for berggrunn (EED) og for varmepumpe (CoolPack). For å ha datagrunnlag til analysen blei Skadberg skole nytta som case. Skulen har stort behov for varmt vatn, og det var difor av interesse å nytta han som basis for analysen. Bakgrunnen for at kombinasjonsløysing 2 og 3 blei valt til å nytta i analysen, heng saman med grensa kompleksitet i høve til simuleringsprogram og tilgjengeleg tid. I tillegg var det av stor interesse å sjå korleis fluidtemperaturen blei endra ved ulik påverknad på berggrunnen; kombinasjonsløysing 2 varmar opp berggrunnen ved hjelp av solfangarar, medan kombinasjonsløysing 3 avlastar berggrunnen ved å nytta solfangarsystem til varmt vatn. For å lettare kunne sjå kva dei to solsystema hadde å sei for det totale elektriske energibehovet, blei det nytta eit referansesystem. Referansesystemet består av to bergvarmepumpesystem; CO2-varmepumpesystem for varmt vatn og NH3-varmepumpesystem for romoppvarming. For begge kombinasjonsløysingane blei fluidtemperaturen auka og kompressorarbeidet redusert i forhold til referansesystemet. Kombinasjonsløysing 2 fekk størst fluidtemperatur, medan kombinasjonsløysing 3 fekk lågast totalt behov for elektrisitet. Solvarmesystem er generelt forbunde med relativt store investeringar, noko som og gjeld for desse anlegga. Kostnaden for plan solfangar med dekklag, som blei nytta i kombinasjonsløysing 3, ligg i området 1 500 – 4 000 kr/m2. Dette resulterte i ei investering på 0,75 – 2,00 millionar, noko som er langt over den utrekna største tillate investeringa. I tillegg til solfangarane må ei rekna med investering til blant anna prosjektering, røyrføring, varmevekslarar, stativ og tankar. Noko som medførte at kombinasjonsløysing 3, med den konfigurasjonen som blei nytta i oppgåva, ikkje kunne bli lønsam. For plan solfangar utan dekklag, som blei nytta i kombinasjonsløysing 2, ligg kostnaden rundt 600 – 900 kr/m2. Investeringskostnad knyta til solfangarane blei dermed 300 000 – 450 000 kr. Denne kostnaden er over den største tillate investering, som blei funnen for simulert systemløysing. Dei aller fleste slutningar ein byggherre står overfor, er forbunde med risiko eller usikkerheit. Ei følsomheitsanalyse med variasjon i kalkulasjonsrente og energipris blei difor utført. Alle dei simulerte kombinasjonsløysingane er funne økonomisk ulønnsame, sjølv med denne variasjonen. Dette kan ein sei allereie før ein har full oversikt over komplett kostnadsbilete. Simuleringane er blitt gjort noko forenkla, grunna grensingar i tilgjengeleg tid og simuleringsprogram. Prinsippa i kombinasjonsløysingane er likevel vist og rekna på. Meir detaljerte og tidkrevjande simuleringar kan auka presisjonen om nødvendig.