<p>Hovedmålet med denne Masteroppgaven har vært å gjøre en detaljert analyse av et utvalgt kompaktaggregat med luft/vann-varmepumpe, samt analysere bruken av jord/luft-varmeveksler for forvarming og forkjøling av utelufta, i lavenergiboliger/passivhus med kompaktaggregat. Den detaljerte analysen av kompaktaggregatet er utført ved hjelp av målinger i laboratoriet og vurdering og analysering av ulike forbedinger av kompaktaggregatet. Analysen av bruken av en jord/luft-varmeveksler er gjort ved å sette opp modeller for beregning av ytelsen og trykktapet. I tillegg er det også sett på ulike problemstillinger ved bruk av varmeveksleren i boliger. Ved bruk av en jord/luft-varmeveksler for forvarming og forkjøling av tillufta til boligen er det viktig at tillufta har god kvalitet. Det bør derfor benyttes et luftfilter på inntaket i tillegg til at rørene bør legges med en helning på minst 2 % for drenering av kondensert fuktighet. Temperaturendringen over røret er svært avhengig av temperaturforskjellen mellom utelufta og grunnen. Temperatur-endringen og effekt tilført lufta vil være størst i klimasoner hvor utetemperaturen varierer mye over året. Snittet fra de fem klimasonene det er gjort beregninger for, viste at temperaturendringen over kollektorrøret var på 4,1 ˚C, ved en utetemperatur på -10 ˚C. For å sørge for en stor temperaturendring og et lavt trykktap over røret, bør lufthastigheten holdes lav, typisk 1 m/s. Målingene på kompaktaggregatet var utført ved en utetemperatur på mellom 3,5 og 5 ˚C. Ved en utetemperatur på 3,5 ˚C og en romtemperatur på 26 ˚C, ble tilluftstemperaturen på 22,5 ˚C. Over måleperioden hadde varmepumpa en varmefaktor på 2,06, mens kompaktaggregatets varmefaktor var på 1,3. Temperaturvirkningsgraden på varmegjenvinneren lå i snitt på 0,833 i perioden med oppvarming av tappevannet. På starten av oppvarmingsperioden leverte aggregatet maksimal varmeytelse. Når avviket mellom målt og ønsket temperatur i berederen ble mindre, leverte varmepumpa effekt i tillegg til at det elektriske varmeelementet leverte laveste eller ingen effekt. Når det gjelder tiltak for å forbedre kompaktaggregatet, vil bruk av suggassvarmeveksler, CO2 som arbeidsmedium og økt luftmengde til fordamperen kunne bidra til bedre effektfaktor. Det bør også benyttes en systemløsnings som gir mulighet for å levere kjøling og oppvarming samtidig. Bruk av en jord/luft-varmeveksler vil gjøre aggregatet bedre egnet for norske forhold. Bruk av underkjølings-varmeveksler for forvarming av utelufta bør ikke benyttes. Hvilke systemløsninger som er best egnet og som bør benyttes vil bli et optimaliseringsspørsmål, hvor en bedre og mer effektivt systemløsning veies opp mot pris, driftssikkerhet og plassen det krever.</p>

<p>Det har de siste årene vært en betydelig vekst i kraftforbuket i Midt-Norge. Det forventes videre vekst i årene som kommer. Siden det ikke har vært en tilsvarende vekst i kraftproduksjonen i regionen, forventes det at Midt-Norge vil ha et betydelig kraftunderskudd. Statnett har beregnet dette undrskuddet i 2010 til 9 TWh for et normalår. I et tørrår vil dette underskuddet kunne bli betydelig større. Beregninger gjort ved hjelp av Samkjøringsmodellen og Statnetts modell for 2010 bekrefter dette. Midt-Norge vil ha et kraftunderskudd på 9,6 TWh i et gjennomsnittår og vil i tørrår måtte rasjonere deler av forbruket for å skape balanse. Det vil være nødvendig med maksimal import mesteparten av tiden. Det tyder ikke på at det vil være effektmangel i Midt-Norge. Prisene vil være stabile over døgnet. Det vil derimot være en klar pristopp senvinters. Midt-Norge er for tiden inndelt i et eget prisområde hos kraftbørsen Nord Pool. Normalt inngår Midt-Norge i samme prisområde som Nord-Norge. Regionen er skilt som et virkelmiddel for å oppnå kraftbalanse. Beregniger viser at Midt-Norge vil ha merkbart høyere priser som eget prisområde enn hva som er tilfelle når regionen inngår i samme prisområde som Nord-Norge. For Nord-Norge blir situasjonen motsatt, og Nord-Norge har mye å tjene på å være eget prisområde. Forbruket til kraftkrevende industri modelleres normalt ved hjelp av utkoblbare kontrakter. Når kraftprisen kommer over utkoblingsprisen kobles forbruket ut. Erfaringer fra høyprisperioder tyder på at det er en treghet i tilpasningen til industrien. Forbruket vil reduseres gradvis om prisene holder seg høye lenge. SINTEF tester for tiden ut en ny måte å modellere fleksibiliteten på. Ved å modellere kun en viss prosentandel av forbruket som prisavhengig fra uke til uke, vil Samkjøringsmodellen kunne ta høyde for tregheten. Simuleringer med ulik treghet i forbruket viser at redusert fleksibilitet medførere høyere priser og økt rasjonering. Om fleksibiliteten økes ytterligere vil det medføre at magasindisponeringen legges om. Modellen legger opp til en høyere magasinfylling, noe som medfører mer flom. Resultatene i Midt-Norge blir annerledes enn resten av Norge. Dette kan ses i sammenheng med at situasjonen i Midt-Norge er anstrengt fra før. Den nye modelleringen er i utviklingsfasen og erfaringer viser at ytterligere uttesting er ønskelig for å oppnå stabile resultater.</p>

<p>Denne masteroppgaven tar utgangspunkt i en todelt problemstilling. For det første gjennomføres en regional energi- og klimaanalyse av og for de fem kommunene i Sør-Østerdal: Elverum, Trysil, Åmot, Stor-Elvdal og Engerdal. Analysen har som målsetning å avdekke eventuelle nytteverdier av en regional betraktning, sammenlignet med frittstående kommunale analyser. Arbeidets andre hoveddel består i å bruke energisystemet i Sør-Østerdal til å utføre en ”pilot” brukertest av REAM – Regional Energy Analysing Modell, et nytt modellverktøy for energi- og klimaplanlegging. Masteroppgaven inngår som en del av prosjektet ”Grønn utvikling i Sør-Østerdal”, som er igangsatt for å øke utnyttelsen av lokale bioressurser til energiproduksjon, og i den sammenheng stimulere det lokale næringslivet. Energi- og klimaanalysen beskriver energisystemet i kommunen. Produksjon, distribusjon og forbruk av energi dokumenteres, utslipp av klimagasser kartlegges, i tillegg gjennomføres en kartlegging av det samlede ressursgrunnlaget for energiproduksjon i regionen. Denne ressurskartleggingen ga interessante resultater. I følge beregningene er bioenergi fra skogen den dominerende energiressursen i fire av fem kommuner, og representerer her over 50 % av det samlede ressursgrunnlaget. Også i den femte kommunen er bioenergiressursene betydelige, her gjør imidlertid et betydelig potensial for storsaka vannkraftproduksjon at andelen blir noe mindre. Når statistikken viser at ved og treavfall i dag kun dekker mellom 5 % og 10 % av energiforbruket er det åpenbart at det er et betydelig uutnyttet potensial for bioenergiproduksjon. Arbeidet med REAM gikk ikke som planlagt, fordi det underveis oppsto store forsinkelser i utviklingen av programmet. Det innebærer at en foreløpig versjon er brukt til simuleringer, modellen av Sør-Østerdal som presenteres i den oppgaven er følgelig ufullstendig. Forsinkelsene førte til at imidlertid til at arbeidet med Sør-Østerdal i større grad enn planlagt kunne involveres i utviklingsprosessen. Dette var en positiv konsekvens av forsinkelsene. Innflytelsen på og innsikten i REAMs funksjonalitet økte som et resultat av dette, og testing av flere versjoner av programmet resulterte i en rekke tilbakemeldinger av teknisk og funksjonell karakter. I prosessens siste fase oppsto kun mindre tekniske problemer, og den versjonen av REAM som nå foreligger ser ut til å fungere godt og gir fornuftige resultater. I begynnelsen av oppgaven formuleres tre hypoteser, som kommer med ulike påstander knyttet til nytteverdi av regional energi- og klimaplanlegging. Den første hypotesen beskriver konsekvensene i form av effektivisert energisystem og reduserte klimagassutslipp. Den neste hypotesen trekker fram økt politisk samarbeid og styrket kompetanseutvikling som de viktigste følgene. Den tredje hypotesen peker i retning av manglende resultater og begrenset nytteverdi for prosjektet. Erfaringene fra denne oppgaven tyder på at påstandene i den andre hypotesen stemmer best. De tiltak og initiativ som allerede nå er i startgropa tyder på at samarbeidet har stimulert og motivert de enkelte aktørene. Erfaringene må kunne sies å bekrefte påstandene i denne hypotesen, som nevner tettere samarbeid, sterkere kompetansebygging, og samkjøring av målsetninger som potensielle effekter.</p>

<p>Det er i dag sterkt fokus på å bekjempe klimaendringer og for å nå internasjonale utslippsavtaler. I Norge har det nå kommet nye Tekniske Byggeforskrifter, TEK 07, som tar sikte på å redusere energibruken i bygninger med totalt 25 %, og at 40 % av oppvarmingsbehovet skal dekkes av alternative energikilder. Dette gjør bruk av fjernvarme til oppvarmingsformål stadig mer aktuelt, men betyr at fjernvarmeselskapene i teorien vil få solgt mindre mengde energi over året til hver abonnent. Denne oppgaven analyserer utvalgte forhold som kan påvirkes ved utbygging av et fjernvarmesystem. Dette er gjort ved noen generelle betraktninger, og gjennom eksemplifisering ved beregninger av pågående utbygging av fjernvarmesystemet i Klæbu. Økonomien i et fjernvarmesystem kan bedres gjennom å utnytte produsert energi på en best mulig måte, samtidig som investeringer og drift og vedlikehold av distribusjons-nettene sikrer høy kvaltitet over lengre tid. Det er derfor behov optimalisering av komponentene i fjernvarmesystemet. Det er viktig at abonnentsentralen utføres slik at den sikrer mest mulig effektiv varmeoverføring, og ut fra vurderinger gjort her vil dette best oppnås ved en systemløsning med direkte veksling av varmt tappevann. Sverige har innført standardisering og sertifisering abonnentsentraler, og har gjennom dette opplevd utvikling mot mer effektive sentraler. Forbedringer i distribusjonsnettet kan ut fra rapportens gjennomgang og vurderinger blant annet skje ved å benytte tvillingrør hvor dette er mulig, øke isolasjonen på enkeltrør og i større grad benytte fleksible rør i stikkledninger. Redusert oppvarmingsbehov vil føre til større betydning for riktig dimensjonering av tappevannvarmeveksleren. Gjennomgang av beregning av effektbehov for varmt tappevann indikerer at Normalreglementet for sanitæranlegg muligens ikke er tilstrekkelig, da det er uklart i forhold til tappevannstemperaturer og gir tilsynelatende noe overdimensjonering av nødvendig effektkapasitet på veksleren. Beregningseksempel for grenlending i Klæbu ga en sammenlagret effekt på 2173 kW som opptrådte kl 09. Sammenlagringsfaktoren ble beregnet til 0,977, som skyldes få bygninger med relativt likt forbruksmønster. Samtidighetsfaktoren ble beregnet til 1 for nesten alle bygningene. Beregninger for denne grenledningen viste videre en reduksjon i TEFs inntekter på omlag 300 000 kr med dagens brenselspris ved 30 % redusert behov for levert varme til aktuelle bygninger. Erfaring fra prosjekt med lavenergiboliger i Sverige viser at estimert framtidig energibehov er lavere enn reell utvikling, blant annet på grunn av endringer i abonnentenes varmebehov. Det er derfor usikkerhet knyttet til energibruken i bygninger etter innføring av TEK 07. Slik TEK 07 fremstår, legger den etter vurdering her ikke i tilstrekkelig grad til rette for bruk av alternative energikilder til oppvarmingsformål.</p>

<p>I Norge har antall småkraftverk knyttet til distribusjonsnettet økt kraftig de siste årene. Denne avhandlingen undersøker ulike stabilitetsproblemer som kan oppstå i distribusjonsnett med betydelig innslag av lokal kraftproduksjon tilknyttet kraftnettet. Det har blitt undersøkt om det er mulig å identifisere stabilitetsproblemer knyttet til nettkonfigurasjon, størrelsen på produksjonsenhetene, last eller andre karakteristiske egenskaper ved systemet. Videre er det undersøkt om regulatorinnstillinger vil være kritisk for systemets oppførsel eller om problemene er mer knyttet til treghetskonstantene til roterende masser. Kraftsystemsimuleringsprogrammet SIMPOW har blitt benyttet til lastflytanalyser og dynamiske analyser av to case. Case 1 omhandler Snåsa distribusjonsnett (NTE), der 5 småkraftverk er under utbygging, og case 2 tar forseg Breiava kraftverk (Lyse produksjon) der det oppstod effektpendlinger under idriftsettelsesprøvene av kraftverket. SIMPOW hadde ikke en modell for en spenningsregulator med mulighet for Var eller effektfaktor kontroll og det ble derfor valgt å etablere en datamodell for spenningsregulatoren DECS- 100 fra Basler Electrics til analysene i SIMPOW. Det var i første omgang polhjulsvinkelstabiliteten som ble studert i case 1 og case 2. Lineæranalyse ble benyttet for å undersøke om systemene var småsignalstabilt og til å undersøke hvordan ulike forsterkningsparametere i spenningsregulatoren og treghetskonstanten til generatoren påvirket stabiliteten til systemet. Det ble funnet at en økning i treghetskonstanten, H, til generatorene økte systemets kritiske klareringstid. En økning i H fører også til at maskinens elektromekaniske egenfrekvens reduseres. Hvordan forsterkinger i spenningsregulatoren påvirker stabiliteten til systemet vil variere fra system til system. I case 1 førte økning i forsterkningen til spenningsregulatoren til økt demping av systemet. I case 2 er en produksjonsenhet med relativt stor aktiv effektproduksjon koblet til hovedtransformator gjennom en lang linje. En økning i forsterking i spenningsregulatoren eller treghetskonstanten til synkrongeneratoren førte i dette tilfellet til at det oppstod stående effektpendlinger når systemet ble utsatt for en forstyrrelse. Det er grunn til å tro, ut ifra de analysene som er gjennomført, at høye maskinreaktanser i denne situasjonen hadde en negativ effekt på generatorens transiente stabilitet.</p>

<p>Vannkraftlaboratoriet har i den siste tiden opplevd stor pågang fra eksterne firmaer som ønsker å teste modeller av turbiner og andre vannkraftmaskiner. Det er derfor ønskelig å kartlegge kapasiteten til pumpene i Vannkraftlaboratoriet. I denne oppgaven er det utført målinger av pumpene. På grunnlag av målingene er det utarbeidet en pumpekarakteristikk med virkningsgradskurver. Pumpene, to KSB 400-665, ble kjørt i singel-, serie- og parallelldrift, og det ble utarbeidet pumpekarakteristikker for disse konfigurasjonene. Det ble ved undersøkelser funnet at pumpekarakteristikken er stabil i alle områder. Det ble utført trykkpulsasjonsmålinger på pumpene og i rørsystemet for å se i hvor stor grad trykkpulsasjoner fra pumpene kan påvirke turbinforsøk. Av den grunn er pumpene kjørt i system med en høytrykks-Francis modellturbin. Pumpas løpehjulsfrekvens (turtallsfrekvens) og harmonier, samt løpeskovlfrekvens ble identifisert i trykkpulsasjonsmålingene på pumpa. Disse frekvensene dempes ut i systemet. Trykkpulsasjonsmålinger på turbinmodellens innløp viste en reduksjon av løpehjulsfrekvensen, mens harmonifrekvenser og løpeskovlfrekvensen elimineres. På grunnlag av disse observasjonene kan det slås fast at turbinforsøk ikke påvirkes av trykkpulsasjoner generert i pumpa.</p>

<p>Det er behov for kraftutbygging i Norge på grunn av økende forbruk og tørrårsproblematikk. Ny kraftproduksjon basert på andre ressurser og økt overføringskapasitet til utlandet kan bedre forsyningssikkerheten og stabilisere kraftprisene. Det utredes i denne sammenheng muligheter for internasjonale kabelprosjekter og flere norske selskaper arbeider med å utvikle teknologi for bunnfaste og flytende vindturbiner. Potensialet for offshore vindkraft i norsk økonomisk sone er meget stort, men teknologien er umoden og dårlige rammevilkår i europeisk sammenheng hemmer utvikling og utbygging. De første prøveprosjektene for flytende vindkraft vil realiseres i løpet av 2009. I oppgaven utføres det en rekke simuleringer med en MATLAB-modell utviklet for å undersøke bedriftsøkonomisk lønnsomhet og sensitivitet til ulike offshore vindkraftprosjekter. Simulering av et prosjekt med 400 MW installert vindkraft tilkoblet dedikert kabel til Norge viser at nødvendig støtte må være en innmatingstariff på rundt 600 kr/MWh. Hvis vindkraftutbygger mottar produksjonsstøtte, må tillegget være i underkant av 400 kr/MWh med dagens kraftprisnivå. Det vil også bli mulig å koble offshore vindkraft til internasjonale forbindelser. Det er mange usikkerhetsmomenter knyttet til et slikt prosjekt. Derfor utføres det simuleringer med ulike forutsetninger for å illustrere konsekvenser av noen mulige utfall. En park med 400 MW installert vindkraft tilkoblet en forbindelse mellom Norge og Tyskland på 1000 MW blir undersøkt. Vindkraften i et slikt prosjekt viser seg å være ulønnsom med valgte forutsetninger og dagens norske støtteordning. Store inntekter på grunn av krafthandel fører allikevel til at prosjektet får en positiv nåverdi. Handelsinntektene er kun avhengig av prisforskjellen mellom områdene. Internasjonale kabelprosjekter er altså veldig lønnsomt under gitte forutsetninger. Beregningene viser at en 1000 MW kabel til Tyskland gir en netto nåverdi på om lag 5,7 milliarder kroner med 8 prosent diskonteringsrente og levetid på 25 år. I følge beregningene har kabelprosjektet positiv nåverdi selv om prisene i de to områdene jevner seg ut med om lag 50 prosent. Modellen viser at det kan være gunstig for en privat utbygger å inngå et samarbeid med Statnett som er systemansvarlig i Norge. Statnetts motivasjon for å inngå et samarbeid vil være deres berettigede del av handelsinntektene og en rekke positive samfunnsøkonomiske virkninger. En av simuleringene som er foretatt forutsetter at Statnett kompenserer for tapt støtte ved eksport av vindkraft til utland. Dersom det installeres 400 MW vindkraft og den private aktøren eier 40 prosent av kabelen blir nåverdien rundt 1,7 milliarder kroner. På grunn av kostnadsdelingen med Statnett er risikoen mindre. Vindkraftutbyggeren får i dette tilfellet en mindre andel av inntektene fra krafthandel. En eventuell prisutjevning mellom Tyskland og Norge vil dermed få mindre konsekvenser.</p>

<p>Kaldnes HYBAS (Hybrid Biofilm Activated-Sludge) avløpsvann-renseprosess består av to prosesser som er relativt godt forstått: Aktivslam (AS) og Moving-Bed Biofilm Reactor (MBBR), biofilm med bevegelige bærere. Det finnes en stor del litteratur, men spesielt for Aktivslam, som beskriver virkemåten og dimensjoneringsprosedyrer for de to systemene. For HYBAS er det viktig å få kunnskap om hvordan biofilm interakterer med aktivslammet og å danne en metode for dimensjonering av en fullstendig HYBAS prosess. Professor Hallvard Ødegaard ved NTNU har foreslått en modell for HYBAS, formulert som en 15-stegs utregnings-prosedyre, delvis basert på erfaringsdata, men med vekt på å være logisk og intuitiv. Denne modellen er analysert for overenstemmelse med litteraturen. Små modifikasjoner som forbedrer nøyaktigheten og generaliserer modellen er foreslått. Modellen er implementert i et Excel regneark for å muliggjøre eksperimentering og videre utvikling av modellen. En analyse av enkelte komponenter av modellen mot data fra et pilot-anlegg er forsøkt, men med betydelige problemer. Noen gode overenstemmelser med modellen blir vist, men også sterke uoverenstemmelser med modellen blir identifisert, med forbehold.</p>

<p>Denne masteroppgaven er skrevet i forbindelse med et pågående doktorgradsarbeid der det blant annet skal gjøres trykkpulsasjonsmålinger på det eksisterende løpehjulet ved Tokke kraftverk. Hensikten med denne trykkpulsasjonsmålingen vil være å teste om det foreslåtte måleoppsettet virker, og å skaffe måledata av eksisterende turbin. Disse dataene vil brukes som sammenligningsgrunnlag når det skal måles på det nye løpehulet som skal installeres på et senere tidspunkt. Resultatene fra arbeidet vil også bli brukt som et grunnlag for senere sammenligning av modell- og fullskalamålinger. Under måling vil det brukes en frittstående datalogger, (CompactRIO) som vil være plassert inne i løpehjulskonusen. Fra dataloggeren vil det gå ledninger ut til miniatyr-trykktransducere som vil være limt fast til løpehjulsskovlene. I forbindelse med dette har måleoppsettet blitt ferdigstilt slik at det kan fungere under testkjøring av turbinen. I hovedsak har dette arbeidet gått ut på å lage praktiske løsninger som gjør det mulig å montere måleoppsettet, samt å forhindre vannlekkasje inn til det elektriske utstyret. I oppgaveteksten var det planlagt gjennomføring av målinger ved Tokke Kraftverk under masterperioden. Dette ble det dessverre ikke gitt mulighet til, grunnet økonomiske årsaker. I stedet ble det, etter samtaler med veileder, valgt å fokusere på å ferdigstille måleoppsettet samt å lage all nødvendig programvare. I tillegg er det kjørt tester for å verifisere at måleoppsettet virker. Siden det viste seg vanskelig å bruke et eksisterende LabView-program, har all nødvendig programvare blitt programmert fra bunnen av. Den programmerte CompactRIO-kontrolleren fungerer på den måten at den ved gitte tidspunkt, som samsvarer med en på forhånd bestemt kjøreplan, vil logge data fra sensorene. Ved de samme tidspunktene vil det bli logget ledeskovlåpning og trykkforhold i sugerørskonusen. Det er også blitt laget verktøy for frekvensanalyse, som vil brukes til frekvensanalyse av de ulike måledataene. I oppgaven er det også gjort tester på programvaren og måleoppsettet. Det største problemet som dukket opp, var begrensninger ved hardwaren på CompactRIOen. Dette medfører at det ved jevne mellomrom må overføres data, og i disse periodene blir det ikke logget data fra sensorene. Rådataene skal frekvensanalyseres, og det er derfor laget et program som tar hensyn til loggepausene ved å legge inn kunstige loggpunkter, basert på snittverdier til hver sensor.</p>

<p>Oppgaven tar for seg mulige løsninger for pumpedrift i en utvidelse av Kvanndal kraftverk, for å ta vare på flomvann som går til overløp. I et normalår forsvinner mer enn 33 millioner m3 vann over dammen i Kvanndalsfoss. Med pumpedrift i Kvanndal vil dette vannet pumpes til Sandvatnet, for å nyttes til energiproduksjon først i Kvanndal og deretter i Suldal 2. I vårflommen blir tilsiget til Kvanndalsfoss stort, og selv om Kvanndal stanser produksjonen og turbinene i Suldal produserer for fullt, blir det ofte overløp. Kvanndal, med 40 MW installert effekt, og Suldal 2 med 150 MW installert effekt, vil som følge av en utvidelse kunne øke energiproduksjonen med omtrent 30 GWh i et år med normalflom. Oppgaven tar for seg følgende tre alternative løsninger for pumpedrift i Kvanndal, for å ta vare på energien i flomvannet: • A: Ombygging av eksisterende turbin, med nytt pumpeturbinhjul i eksisterende turbinhus. • B: Pumpeturbin i ny stasjonshall, med to mulige løsninger for vannveier. • C: Pumpe i egen hall, koblet på vannveiene til Kvanndal. Basert på fremtidig kraftpris og investeringskostnadene for alternativene blir lønnsomhetene funnet. For normalflom på 25 GWh får løsningene negative nåverdier, der pumpekraftverkløsningen tilkoblet eksisterende trykksjakt peker seg ut som beste løsning. Det drøftes usikkerheter i flom- og prisscenarioene, der kun små endringer vil gi lønnsomhet til en utvidelse med pumpeturbin i egen stasjonshall.</p>