Paperitehtaan sähköistämisratkaisujen hyödyntäminen reservimarkkinoilla

Abstract

Sähköverkon tehotasapainon ylläpitämiseksi tuotannon ja kulutuksen on oltava tasapainossa joka hetki. Kuitenkin säästä riippuvaisen ja joustamattoman tuotannon lisääntyessä sähköverkon tehotasapainoa on yhä hankalampaa ylläpitää. Tällöin korostuvat erilaiset joustoa tarjoavat kohteet. Suurteollisuuden tarjoama kulutusjousto reservien muodossa voisi olla ratkaisu muuttuvan sähköverkon tasapainossa pitämiselle sekä ilmastotavoitteiden saavuttamiselle. Reservimarkkinoille osallistumalla reservitoimittajat voivat näiden lisäksi ansaita lisätuottoa sähkönkäytön joustamisesta.

Tässä työssä tutkittiin paperitehtaan sähkönkäytön joustopotentiaalia, reservimarkkinoille viennin vaiheita ja edellytyksiä sekä markkinoille viennin kannattavuutta. Tarkastelu tehtiin kirjallisuuden pohjalta, jossa ensin tunnistettiin mahdolliset joustokohteet. Kaikki reservimarkkinapaikat eli nopea taajuusreservi (FFR), taajuusohjattu käyttöreservi (FCR-N), taajuusohjattu häiriöreservi (FCR-D), automaattinen taajuuden palautusreservi (aFRR) ja manuaalinen taajuuden palautusreservi (mFRR) arvioitiin soveltuvuudeltaan toimia sopivana markkinapaikkana. Paperitehtaan reservimarkkinakäyttöä tutkittiin erään kohdeyrityksen paperitehtaan laitteiden kautta. Nämä laitteet olivat paperikoneen kuivatusosan ilmakuivain ja jälkikäsittelyosan superkalanteri. Tuloksia voidaan yleistää koskemaan paperiteollisuutta, sillä paperitehtaan tyypilliset prosessit ovat samanlaiset.

Yrityskohteen laitteiden säätökykyä testattiin yksinkertaisilla säätötesteillä ja saatuja tuloksia verrattiin reservituotteille asetettuja teknisiä vaatimuksia vastaan. Tuloksia analysoitiin Excel-taulukkolaskenta- ja PowerBI-tietojenvisualisointiohjelmistossa. Saatujen tulosten pohjalta tehtiin tarkasteltavien laitteiden automaatiojärjestelmään kehitysehdotuksia. Laitteiden markkinoille viennille tehtiin myös kustannushyötyanalyysi, jossa projektin kannattavuutta arvioitiin nettonykyarvon (NPV), sisäisen korkokannan (IRR), kustannushyötysuhteen (CBR) ja takaisinmaksuajan (PBP) avulla.

Tarkasteltavilla laitteilla voidaan nykyisillä asetuksilla osallistua ainoastaan mFRR-markkinoille tietyin ehdoin sähkönkäytössä. Automaatiojärjestelmän säätöpiirin ja -logiikan uudelleenvirityksen jälkeen ilmakuivain soveltuisi kaikille markkinoille ja superkalanteri ainoastaan mFRR markkinoille siinä olevien rajoitusten vuoksi. Superkalanteria olisi myös mahdollista hyödyntää FFR- ja FCR-markkinoilla, mutta tämä vaatisi lisää selvitystä. Kustannushyötyanalyysin tuloksista NPV:ksi muodostui usealla diskonttauskoroilla ja projektin elinikäarvoilla laskettuna ainakin 730 000 €:n kassavirta, tarjottavasta reservikyvystä ja projektin eliniästä riippuen yli 1000 %:n IRR, yli 15 kertainen CBR ja alle vuoden PBP.

Saatujen tulosten perusteella yrityskohteen laitteiden reservimarkkinakäyttö on prosessin rajoitusten ja kustannushyötyanalyysin puolesta kannattavaa. Suurteollisuustoimijoiden olisi syytä arvioida omien prosessiensa ja laitteidensa hyödyntämistä uudestaan piilevien potentiaalien varalta. Hyödyntämällä olemassa ja käytettävissä olevaa joustavaa sähkönkäyttöä reservimarkkinoilla teollisuuden toimijat mahdollistaisivat laitteidensa koko potentiaalin hyödyntämisen, lisätuottojen saamisen sekä osallistuisivat samalla kulutusjouston edistämiseen, mikä puolestaan edistäisi ilmastotavoitteita.

Production and consumption must be in balance for the electricity grid to maintain its power balance. However, as weather dependent and inflexible production increases, it becomes harder to maintain this balance. As such, the role of flexible resources rises. Demand side response provided by large-scale industries in the form of reserves could become a solution for reaching the needed balance of the power grid while also advancing climate goals.

This thesis studied the demand flexibility of paper mills’ electricity usage, what kind of steps and qualifications are needed to participate in the reserve markets and lastly the profitability of participating in the reserve markets. The study was done based on literature reviews where potential demand flexibility entities were recognized. All the reserve market products were considered when considering possible marketplaces. The reserve products are Fast Frequency Reserve (FFR), Frequency Containment Reserve for Normal Operation (FCR-N), Frequency Containment Reserve for Disturbances (FCR-D), automatic Frequency Restoration Reserve and manual Frequency Restoration Reserve (mFRR). The utilization of the devices used in the paper mills in the reserve markets was studied through a target company’s paper mills’ devices. These devices are the paper machine’s drying section’s air dryer and post processing process’ supercalender. The results can be generalized for paper industries’ processes because most of the typical paper making processes are the same.

The target company’s devices’ regulation capabilities were tested with simple and unofficial activation tests, and the test results were then compared to the reserve products’ technical requirements. Test results were analyzed in Excel and PowerBI. Based on the test results, improvement ideas were suggested for the automation system of the air dryer and supercalender. A cost benefit analysis (CBA) was also done for the reserve market utilization of the target company’s devices. The profitability of the project was analyzed through net present value (NPV), internal rate of return (IRR), cost-benefit ratio (CBR) and payback period (PBP).

In the present state of the devices, they can only participate in the mFRR markets with certain conditions regarding electricity usage. After the retuning of the automation systems’ control loop and control logic, the air dryer would be suitable for every reserve, and the supercalender would be suitable for only the mFRR markets because of the restrictions regarding the operation of the supercalender. The supercalendar could also be considered to be utilized in the FFR- and FCR markets but this would need further investigation. As for the CBA results, several discount rates and projects lifetime values were used for NPV calculation, and the minimum cashflow value turned out be at least 730 000 €. The IRR resulted in at over 1000 % depending on the used reserve capacity and project’s lifetime value. CBR came in at over 15 and PBP was less than a year.

Based on the results, it can be stated that the utilization of the target company’s devices in the reserve market is profitable based on the processes’ restrictions and the CBA results. Large-scale industry operators should re-estimate their processes and devices utilization potential again. By participating in the reserve markets, industry operators could maximize their devices’ potential, ensure new incomes and participate in advancing DSR which also helps promote climate goals.