| dc.description.abstract | Jorden befinner seg i en stor klimakrise der behovet for å gå vekk fra fossile brennstoff vokser, samtidig som verdens befolkning opplever energimangel. Global oppvarming er et pressende og komplekst problem fremprovosert av menneskelige aktiviteter, der en stor bidragsyter er forbrenning av fossilt brensel og avskoging. Dette fører til økning av klimagasser i atmosfæren, som videre fanger varmen fra solen og får den gjennomsnittlige temperaturen på jorden til å stige. De negative konsekvensene av denne prosessen er stigende havnivå, hyppigere naturkatastrofer og uforutsigbare værfenomen, samt trusler mot matsikkerheten. For å redusere disse endringen kreves det umiddelbar handling og et globalt samarbeid.
Heldigvis har det blitt satt et økende fokus på å redusere og stoppe disse endringene, da det forskes på nye løsninger som benytter fornybare energikilder til energiproduksjon. Her er land som Norge ledende, der vannkraft står for omtrent 90 prosent av landets kraftproduksjon. Bioenergi er én av flere kilder til fornybar energi, der den lagrede energien kommer fra organiske materialer i form av planteprodukter, gjødsel og skogsavfall, og anses derfor for å være karbon-nøytralt. Denne formen for energi vil spille en viktig rolle i en løsning på den globale oppvarmingen, der bioenergi kan brukes i en rekke former, som biodrivstoff, biomasse og biogass.
Det finnes også ulemper ved denne type energiproduksjon, der en av de største utfordringene er konkurranse om dyrkbart land, særlig i tørre områder. Dette kan føre til habitatødeleggelser og usikkerhet rundt matforsyningen, men vil enkelt kunne løses med god planlegging og forvaltning av de aktuelle områdene. Et annet stort problem er overgangen i det grønne skifte, der økonomi spiller en svært viktig rolle. Dersom bruken av olje, kull og gass fortsetter å ha et økonomisk fortrinn, vil det være vanskelig å gjennomføre drastiske endinger. Derfor vil det være svært viktig med nytekning og utvikling av smarte løsninger som kan konkurrere både på effektivitet og pris.
Det er nettopp bioenergi som er grunnlaget for dette gradarbeidet, der det er utviklet et småskala energisystem som benytter biobrensel til å produsere strøm og varme. Prosjektet har tatt utgangspunkt i større bioenergianlegg som ofte benyttes til å levere fjernvarme til store bygninger og boligkomplekser. Gjennom oppgaven har det blitt sett på hvordan disse anleggene kan komprimeres og benyttes i mindre skala, for å konkurrere med eksisterende løsninger. Solceller, vind- og vannturbiner har lenge vært benyttet i mindre skala og ansees derfor som de største konkurrentene sammen med kraftselskaper.
Prosjektets mål har derfor vært å utrede, utarbeide, dimensjonere og designe en systemløsning for småskala energi og elektrisitetsproduksjon basert på lokalt brensel og overopphetet damp og på denne måten dekke energibehovet til private boliger. Dette er gjennomført ved å benytte kjente produktutviklingsverktøy som IPD, Pugh´s metodikk og SCAMPER, sammen med analyse- og simuleringsverktøy gjennom dataprogrammene Solidworks og Ansys.
Prosjektet ble delt opp i fire hovedfaser for å sikre god kvalitet og et godt sluttresultat. I første del av prosjektet ble målsettinger, planlegging, litteratursøk og markedsanalyser utført, for å få god oversikt over tidsrammer og aktuelt stoff. Etter et omfattende søk var det lite informasjon å finne om småskala-systemer som leverer strøm mellom 5-10 kW, noe som gjør dette prosjektet til et selvstendig og originalt konsept. Videre begynte utviklingsfasen som la grunnlaget for prosjektet, der produktspesifiseringer og funksjonsanalyser ble utviklet for å utforske forskjellige løsninger. Her ble de mest egnede løsningene selektert til videre konseptutvikling, før komponentene ble 3D-modellert og analysert på bakgrunn av tidligere håndberegninger, i design og konstruksjonsfasen. Til slutt gikk prosjektet over i realiseringsfasen der miljøkrav, produksjonsmetoder og konstandskalkyler ble drøftet og utviklet, før gjennomføring av en omfattende helhetsvurdering og evaluering av prosjektet ble oppsummert i en konklusjon.
Gjennom prosjektet er det utviklet et energisystem som drives av biobrensel, der forbrenning av pellets, flis og ved bidrar til oppvarming av vann, damp og luft. Energisystemet er bygd opp av en rekke ulike komponenter som er slått sammen i 5 forskjellige del-sammenstillinger; A-Bærende elementer, B-Energisystem, C-Dampkjele med matesystem, D-Dampturbin og E-Kledning.
A-Bærende elementer består av en ramme bygd opp av kvadratiske hulprofiler for å sikre en lett og sterk konstruksjon. Videre er det benyttet plater i for å skille de ulike komponentene fra hverandre og sørge for trygg oppbevaring. Aluminiumlegeringen AW-6082 T6 benyttes rammen og AW-6061 T6 benyttes på resterende deler i del-sammenstillingen.
B-Energisystem er hjertet i systemet og sørger for å levere strøm, varmluft og varmtvann. Vann lagres i en dampkjele og varmes opp av forbrenningsvarmen fra brennkammeret, før det når kokepunktet og fordamper. Dampen føres deretter inn i en overoppheter, som sørger for tørr damp slik at dampturbin effektivt kan driftes.
Turbinen skaper så en roterende bevegelse som igjen driver en generator som produserer strøm, der batterier sørger for effektiv lagring. Ved normal drift vil energisystemet levere strøm med nominell effekt på 5,6 kW, der maks effekt vil ligge på 7,2 kW. Videre kan dampkjelen produsere varmtvann med en massestrøm på 0,058 kg/s når systemet er i operativ tilstand. Etter at dampen har blitt utnyttet i turbinen føres den gjennom en kondensator, der dampen kondenseres til vann med en temperatur på om lag 90 °C. Dette gjøres ved hjelp av 15 °C kjølevann som kontinuerlig sirkulerer gjennom kondensatoren. Etter at dampen kondenseres pumpes vannet tilbake til dampkjelen ved hjelp av en vannpumpe, før en ny energisyklus kan begynne.
Energisystemet tilbyr ikke bare strøm, men også oppvarming. Avgassene fra forbrenningen sørger for å drive en «luft til luft»-varmeveksler. Her benyttes kald luft utenfra som føres inn i varmeveksleren og varmes opp av forbrenningsvarmen, før luften deretter blir ført inn til for eksempel en fritidsbolig. Varmeveksleren som har blitt utviklet varmer opp 10 °C kald luft utenfra til en temperatur på ca. 50 °C med en volumstrøm på 0,014 . Gjennom B-Energisystemer er det blitt benyttet stål i normal og rustfri variant, kobber, aluminium og isolerende brannmursplater.
C-Dampkjele med matesystem tar for seg komponentene som sørger for enkel forbrenning. Del-sammenstillingen åpner opp for at energisystemet kan produsere energi uten tilsyn, der matesystemet oppbevarer og mater brennkammeret med pellets og flis ved hjelp av en motorisert skrue. Det er også tatt høyde for manuell mating av brensel i form av ved, der det er konstruert en dør for enkel tilgang til brennkammeret. Matesystemet er bygd opp av komponenter der det er brukt ulike stålvarianter og aluminium.
D-Dampturbin er den mest komplekse delen i systemet og sørger for å omdanne den termiske potensielle energien i dampen til roterende mekanisk energi. Dampturbinen er lagd av rustfritt stål for å sikre god levetid, og rotoren har 23 turbinblader som optimaliserer kraften fra den overopphetede dampen.
E-Kledning er den siste delsammenstillingen og sørger for at hele systemet er beskyttet fra omgivelsene, slik at det kan stå ute i alle værforhold. Kledningen sørger for at brukeren kan benytte seg av systemet ved hjelp av inspeksjonsluker og dører, der det er benyttet enkle symboler på hver dør for å skape et brukervennlig og oversiktlig system. Kledningen er konstruert i aluminium, der det også benyttes brannmursplater.
Energisystemet har fått navnet BioCommunity og bygger på dette med å utvikle bærekraftige bioenergiløsninger for landlige og fjerntliggende samfunn, samt fremme økonomisk utvikling og miljømessig bærekraft. Systemet vil benytte ved, pellets eller flis som vil kunne gi økonomiske fordeler på sikt og konkurrere med eksisterende løsninger og alternativer. Dersom det kun fyres med bjørkeved, vil det koste 0,20 kr/kWh å drive systemet og om det benyttes pellets vil det koste 0,44 kr/kWh. Med en utsalgspris på 30 000,- vil det ta litt over et år for brukeren å tjene inn beløpet, dersom det brukes i minimum 3 måneder i året, forutsatt det ikke legges inn avanser. | |
| dc.description.abstract | Earth is in a major climate crisis where the need to move away from fossil fuels is growing, while the world's population is experiencing energy shortages. Global warming is a pressing and complex problem provoked by human activities, where a major contributor is the burning of fossil fuels and deforestation. This leads to an increase in greenhouse gases in the atmosphere, which further trap heat from the sun and cause the average temperature on Earth to rise. The negative consequences of this process are rising sea levels, more frequent natural disasters and unpredictable weather phenomena, as well as threats to food security. To reduce these changes, immediate action and global cooperation are required.
Fortunately, there has been an increasing focus on reducing and stopping these changes, as research is being done on new solutions that use renewable energy sources for energy production. Norway is the leader here, where hydropower accounts for approximately 90 percent of the country's power production. Bioenergy is one of several sources of renewable energy, where the stored energy comes from organic materials in the form of plant products, fertilizers and forest waste, and is therefore considered to be carbon neutral. This form of energy will play an important role in a solution to global warming, where bioenergy can be used in several ways, such as biofuel, biomass, and biogas.
There are also disadvantages to this type of energy production, where one of the biggest challenges is competition for arable land, especially in dry areas. This can lead to habitat destruction and uncertainty about the food supply, but can easily be solved with good planning and management of the relevant areas. Another major problem is the change in to “the green transition”, where economics plays a very important role. If the use of oil, coal and gas continues to have an economic advantage, it will be difficult to implement drastic changes. Therefore, it will be very important to enjoy and develop smart solutions that can compete both on efficiency and price.
Bioenergy is precisely the basis for this thesis, where a small-scale energy system has been developed that uses biofuel to produce electricity and heat. The project is based on larger bioenergy plants which are often used to supply district heating to large buildings and housing complexes. Through the thesis, it has been seen how these facilities can be compressed and used on a smaller scale, in order to compete with existing solutions. Solar cells, wind and water turbines have long been used on a smaller scale and are therefore considered the biggest competitors along with power companies.
The project's aim has therefore been to investigate, prepare, dimension and design a system solution for small-scale energy and electricity production based on local biomass and superheated steam and in this way cover the energy needs of private homes. This has been carried out by using well-known product development tools such as IPD, Pugh's methodology and SCAMPER, together with analysis and simulation tools through the computer programs SolidWorks and Ansys.
The project was divided into four main phases to ensure good quality and a good end result. In the first part of the project, objectives, planning, literature searches and market analyzes were carried out, in order to get a good overview of timeframes and relevant material. After an extensive search, there was little information to be found about small-scale systems that deliver power between 5-10 kW, which makes this project an independent and original concept. Furthermore, the development-phase that laid the foundation for the concept began, where product specifications and functional analyzes were developed to explore different solutions. Here, the most suitable solutions were selected for further concept development, before the components were 3D modeled and analyzed based on previous hand calculations, in the design and construction phase. Finally, the project moved into the realization phase where environmental requirements, production methods and steady-state calculations were discussed and developed, before carrying out a comprehensive overall assessment and evaluation of the project, which is summarized in a conclusion.
Through the project, an energy system has been developed that is powered by biofuel, where the combustion of pellets, chips and wood contributes to the heating of water, steam and air. The energy system is made up of several different components which are combined in 5 different sub-assemblies; A-Load-bearing elements, B-Energy system, C-Steam boiler with feed system, D-Steam turbine and E-Cladding. A-Load-bearing elements consist of a frame made up of square hollow profiles to ensure a light and strong construction. Plates are also used to separate the various components and ensure safe storage. The aluminum alloy AW-6082 T6 is used on the frame and AW-6061 T6 is on all remaining parts in the sub-assembly.
B-Energysystem is the heart of the system and provides electricity, hot air and hot water. Water is stored in a steam boiler and heated by combustion in the combustion-chamber, before it reaches the boiling point and evaporates. The steam is then fed into a superheater, which provides dry steam so that the steam turbine can be operated efficiently.
The turbine then creates a rotating movement that in turn drives a generator that produces electricity, where batteries provide storage. In normal operation, the energy system will deliver electricity with a nominal output of 5.6 kW, where the maximum output will be 7.2 kW. Furthermore, the steam boiler can produce hot water with a mass flow of 0.058 kg/s when the system is in operational condition. After the steam has been used in the turbine, it is passed through a condenser, where the steam is condensed into water with a temperature of around 90 °C. This is done using 15 °C cooling water that continuously circulates through the condenser. After the steam is condensed, the water is returned to the steam boiler where a new energy cycle can begin.
The energy system not only offers electricity, but also heating. The exhaust gases from the combustion drive an "air to air" heat exchanger. Here, cold air from outside is used, which is fed into the heat exchanger and heated by the combustion heat, before the air is then fed into, for example, a holiday home. The heat exchanger that has been developed heats up 10 °C cold air from outside to a temperature of approx. 50 °C with a volume flow of 0.014 .
Through B-Energysystem, steel in normal and stainless versions, copper, aluminum and insulating firewall plates have been used.
C-Steam boiler with feed system deals with the components that ensure easy combustion. The part assembly allows the energy system to produce energy without supervision, where the feed system stores and feeds the combustion chamber with pellets and chips using a motorized screw. Consideration has also been given to the manual feeding of fuel in the form of wood, where a door has been constructed for easy access to the combustion chamber. The feeding system is made up of components where various steel variants and aluminum have been used.
D-Steam turbine is the most complex part of the system and is responsible for converting the thermal potential energy in the steam into rotating mechanical energy. The steam turbine is made of stainless steel to ensure a long life, and the rotor has 23 turbine blades that optimize the power from the superheated steam.
E-Cladding is the last component assembly and ensures that the entire system is protected from the environment, so that it can be left outside in all weather conditions. The cladding ensures that the user can use the system using inspection hatches and doors, where simple symbols are used on each door to create a user-friendly and clear system. The cladding is constructed in aluminium, where firewall boards are also used.
The energy system has been named BioCommunity and builds on developing sustainable bioenergy solutions for rural and remote communities, as well as promoting economic development and environmental sustainability. The system will use firewood, pellets or chips, which will be able to provide financial benefits in the long term and compete with existing solutions and alternatives. If only birch wood is used, it will cost NOK 0.20/kWh to run the system and if pellets are used, it will cost NOK 0.44/kWh. With a retail price of NOK 30,000, it will take a little over a year for the user to earn the amount, if it is used for a minimum of 3 months a year, provided no advances are made. | |
