Leijupetikattilan ja sähköistetyn höyryakun yhteistoiminta höyryverkossa : Sähkövastusten ohjaus vuorokausi- ja reservimarkkinoiden mukaan

Abstract

Ilmastotavoitteiden kiristyessä ja fossiilisten polttoaineiden käytön vähentyessä teollisuudessa etsitään aktiivisesti vähäpäästöisiä ratkaisuja höyryntuotantoon. Yksi keino on sähköistää höyryntuotanto hyödyntämällä uusiutuvaa energiaa. Tämä diplomityö tutkii sähköistetyn höyryakun hyödyntämistä osana tehtaan höyryverkkoa, jossa se toimii yhdessä kuplaleijupetikattilan kanssa. Tavoitteena on optimoida sähkövastusten käyttö siten, että saavutetaan mahdollisimman suuret säästöt sähkömarkkinoilla ilman höyryverkon toiminnan häiritsemistä.

Työ pohjautuu tilanteeseen, jossa teollisuuslaitos suunnittelee varalla toimivan raskasöljykattilan korvaamista sähkövastuksellisella höyryakulla. Höyryverkon ja siihen liittyvien laitteiden toiminta mallinnettiin MATLAB-ympäristössä. Simulointimalli rakennettiin kuvaamaan leijupetikattilan, höyryakun ja sähkövastusten yhteistoimintaa. Mallin avulla analysoitiin järjestelmän taloudellista ja teknistä suorituskykyä sähkömarkkinoille osallistuessa. Malli verifioitiin askelvaste- ja sinikäyräkokeilla. Lisäksi leijupetikattilalle suoritettiin minimikuorma- ja säätövastekokeet, joiden avulla määritettiin kattilan minimitehoksi 5 kg/s ja maksimitehonmuutosnopeudeksi 1 kg/s/min.

Ajomallin avulla arvioitiin eri ohjausstrategioiden, kuten blokki- ja hintakäyrätarjouksen sekä FCR-D- ja mFRR-reservimarkkinoille osallistumisen säästömahdollisuuksia tarkastellussa kohteessa. Simulointien perusteella sähköistetty höyryakku mahdollisti jopa 13–26 % säästöt vuotuisiin höyryntuotannon kokonaiskustannuksiin verrattuna tavanomaiseen operointiin. Hintakäyrätarjouksella saavutetut säästöt olivat keskimäärin 2–12 % suuremmat kuin blokkitarjouksella, mutta samalla sähkövastusten aktivoinnit lisääntyivät keskimäärin 130 %. Lisäksi osoitettiin, että höyrynkulutuksen tarkempi ennustaminen vähentäisi ylimääräisen höyryn tuotantoa ja kasvattaisi FCR-D- ja mFRR-markkinoille osallistuessa kokonaishöyryntuotannon säästöjä keskimäärin 2 %.

Sähkövastuksellisella höyryakulla saadut tuotot maksimoidaan osallistumalla vuorokausimarkkinoille hintakäyrätarjouksella ja reservimarkkinoille FCR-D- tai mFRR-markkinoiden kautta. Höyrynkulutuksen ennustamisella saadaan lisäsäästöjä ja höyryakun nestetilavuutta kasvattamalla voidaan vähentää ennustevirheistä johtuvia ulospuhalluksia. Säätölogiikassa höyryakun purkuteho pidetään ensisijaisena säätökeinona, mikä vähentää paineen nousua ja ulospuhallustilanteita sekä pidentää akun käyttöikää.

Työssä esitetään muitakin konkreettisia säätöparametriehdotuksia automaatiojärjestelmään sähkövastusten optimaalisen ohjauksen tueksi. Lisäksi arvioidaan simulointimallin tarkkuutta ja esitetään jatkokehityskohteita, kuten höyryakun nestetilavuuden tarkempi ohjaus ja tehtaiden yhteissähkötaseen hyödyntäminen.

Työ täydentää tutkimusaukkoa höyryakun sähköistämisestä ja sen yhteiskäytöstä leijupetikattilan kanssa, jota ei aiemmin ole tutkittu teollisessa kontekstissa. Työ tarjoaa kattavan analyysin sähköistetyn höyryakun teknisistä ja taloudellisista mahdollisuuksista teollisuuden energiajärjestelmässä. Lisäksi se antaa konkreettisia suosituksia ohjauslogiikan kehittämiseksi, jotta sähkömarkkinoiden säästöpotentiaalit voidaan hyödyntää tehokkaasti. Työn tulokset osoittavat, että sähkövastuksellisen höyryakun integrointi osaksi höyryverkkoa voi merkittävästi parantaa laitoksen kustannustehokkuutta erityisesti reservimarkkinoille osallistuttaessa.