Fyrtårnsprojekt VI. Sagsrapport. Janne Dragsted Esben Larsen Kasper R. Jakobsen Adriána Hudecz. Institut for Byggeri og Anlæg

Transkript

1 Fyrtårnsprojekt VI Janne Dragsted Esben Larsen Kasper R. Jakobsen Adriána Hudecz Sagsrapport Institut for Byggeri og Anlæg 2012 DTU Byg Rapport SR (DK) December 2012

2 Fyrtårnsprojekt VI, Afsluttende rapport 2012 Institut for byggeri og anlæg Center for Arktisk Teknologi Danmarks Tekniske Universitet Kemitorvet 204 DK 2800 Kgs. Lyngby Denmark Tel: (+45)

3 Fax: (+45) Indholdsfortegnelse Forord... 4 Vindenergi... 5 Renovering og opgradering af Sarfannguit... 5 Opdatering af Nanortalik... 7 Isdannelse i Grønland Solenergi Placering PV anlæg Ydelse Perspektiv og konklusioner Referencer

4 Forord Denne rapport beskriver arbejdet udført i forbindelse med Fyrtårnsprojekt VI Der er arbejdet indenfor områderne solenergi og vindenergi, begge områder hvor forhold og potential er undersøgt i forgående Fyrtårnsprojekter. Projektet er finansieret i samarbejde med det grønlandske selvstyre med kr. under puljen Udvikling indenfor vedvarende energi og klima. Det samlede budget er på kr. 4

5 Vindenergi I dette års fyrtårnsprojekt fokuseres der på undersøgelse af udvalgte bygders vindkraft resurse, samt opbygning af den fornødne infrastruktur til at validere vind, vejr og klimamodeller. Der er i forbindelse med projektet indkøbt udstyr til Sarfanguit og Nanortalik sitesne, samt to reference stationer vest for Nanortalik. Med den valgte instrumentering vil disse sites opfylde kravene i den gældende IEC standard og det sikre at måleresultaterne, har en sådan standard, at de kan bruges til dimensionering af vind påvirkede konstruktioner, som fx vindmøller, master og bygninger. På grund af vejrlig, lange leveringstider og forlængede test perioder er ikke alt udstyr endnu blevet installeret, men de resterende test og installation, vil blive foretaget så snart vejret tillader det. Renovering og opgradering af Sarfannguit Som en del af dette års projekt skulle der installeres nyt udstyr i Sarfannguit med henblik på at få bedre målinger af vindforholdene ved den installerede testvindmølle. Der er indkøbt 1. klasses instrumenter, bedre beskyttelsesskabe, PV paneler mm. Instrumenterne er i løbet af efteråret blevet testet i DTU laboratorier og send til Sisimiut. Udstyret vil blive installeret ved Sarfannguit så snart fjeldet er isfrit og sikkert at arbejde på. Status for den installerede test vindmølle er at den stadig har problemer med at håndterer bygdens eget ustabile elnet. Særligt de store frekvens og spændingsvariationer udfordre sikkerhedssystemerne, men vi har iværksat et projekt med henblik på at løse disse problemer. Ser man på de seneste vinddata der er indsamlet for Sarfannguit så kan man se at særligt de laveste vindhastigheder er dårligere repræsenteret for det seneste år, hvilket indikerer at de nuværende instrumenter er nedslidte. Dette giver også udslag på den målte middel vindhastighed, se Tabel 1, særligt for lav vindsperioderne (forår og sommer). De nye instrumenter er af en bedre kvalitet, end de tidligere anvendte, og det betyder at den forventede levetid er væsentlig længere. Den korte levetid af de nuværende betyder at det kan være svært at følge fx de årlige variationer, den reelle vindhastighed og turbulens. For yderligere information se bilag(sarfannguaq wind monitoring og Sarfanguaq) Figur 1 Nuværende instrument setup for Sarfannguit mast 1, set fra sydvest 5

6 Tabel 1 Middel vind hastighed for Sarfannguit Total ws Avb ws Avb Ws Avb ws Avb ws Avb ws Avb ws Avb ws Avb ws Avb ws Avb m/s % m/s % m/s % m/s % m/s % m/s % m/s % m/s % m/s % m/s % Jan 7, ,2 96 6,7 100 NoN 0 5,7 99 8,1 97 7, ,9 98,7 Feb 7, , ,5 75 6,9 47 7, ,9 96 6, ,9 99,2 mar 7, ,2 99 5,8 8 5,7 99 6,7 96 6, ,2 97 6,4 98,5 Apr 6,4 99 5,0 97 1,2 25 6,0 97 4,8 97 5,7 57 3, ,2 98,0 Mai 6,4 97 4,6 98 0,4 0 5,4 99 5,0 17 NoN 0 3, ,0 98,5 Jun 4,1 96 4,4 95 NoN 0 4,9 98 4,2 7 NoN 0 3,9 97 4,3 96,5 Jul 4,9 83 4,1 97 NoN 0 4,0 95 4,7 25 NoN 0 4,1 97 4,1 96,3 Aug 5,1 90 4,2 52 2,7 7 NoN 0 4,1 96 4,1 18 4,3 76 3, ,3 95,3 Sep 5,3 95 4,1 80 5,7 98 2,8 32 4,6 95 3,5 73 4, ,9 97 4,9 97,0 Oct 6,8 97 6,8 98 6, ,9 97 5,9 94 3,2 0 5, , ,6 98,0 Nov 7, ,1 98 6,5 99 2,5 34 6,1 100 NoN 0 5,5 97 6, ,4 99,2 Dec 7,7 97 6,0 99 5,7 1 NoN 0 8,1 100 NoN 0 7, ,6 48 7,2 99,0 Total 6,4 95,8 6,3 96,2 5,4 85,6 5,4 82,4 3,5 30,8 5,6 85,0 4,9 44,3 5,8 42,1 5,1 94,7 5,6 97,9 6

7 Opdatering af Nanortalik Målet med at opgraderer og udvide Nanortalik måleprogrammet er at få målinger af en bedre kvalitet og med en geografisk spredning, der gør det muligt at anvende dem til validering af meso og mikroskala modeller for vind, vejr og klima. Referencestationen ved dumpen 1601 Målestationen er blevet opgraderet med nye instrumenter med henblik på måling af: vindhastighed, turbulens, indstrømningsvinkel, overisning, relativ fugtighed, temperatur mm. Stationen er endvidere blevet udstyret med et nyt online datatransmissionssystem. Det nye databehandlingssystem behandler og sender de indsamlede data til en server, der publicerer dem på internettet. Installationen blev dels foretaget i løbet af sommeren og blev afsluttet under besøget i november. Figur 2 Installation af instrumenter midlertidig loggerudstyr august

8 Figur 3 Referencestation 1601 ved dumpen i Nanortalik, set fra øst 8

9 Nye stationer på fjeldet syd og nordvest for Nanortalik Installationen af de to nye stationerr på hhv. 30 og 40m blev på grund af lang leverings og transporttid forsinket i forhold til den oprindelige plan. Installationen blev indledt medio november med de nødvendige helkopter løft i fin solskindvejr og uden megen sne på fjeldene, men denn følgende dag satte vinteren ind og arbejdet blev meget besværligt. Dett sydvestlige site i 530m..o.h. Var meget svært tilgængeligt pga. megen sne, vind og tåge. Efter fundamentet og de nødvendige ankerne var monteret måttee alt videre arbejde på sitet derfor opgives. Figur 4 Placering af de tre sites omkringg Nanortalik(Rød linje ved 1601) 9

10 Figur 5 Udstyr ankommet til Sydsite i flot vejr Figur 6 Installation af fundment og ankrer på Sydstitet 10

11 Nordsitet er med sine 180m.o.h noget lettere tilgængelig og trods nogen fygesne blev fundament og ankrer monteret. Vind og en fremskredet tidsplan betød at installationen af denne station også måtte udskydes. Vi forventer, alt efter vejrforholdene, at rejse de to master i maj eller juni, hvor vejret normalt er mere gunstig for denne type arbejde. Figur 7 Installation af fundament på Sitenord Vindkraft i Nanortalik I løbet af sommeren og efteråret har en gruppe studerende undersøgt: mulighederne for at implementerer vindkraft i Nanortaliks elnet, omkostninger og rentabiliteten, for installation af en 1MW WinWind windmølle. Resultatet af dette projekt viser at det er marginalt rentabelt at installerer en WinWind ved dumpen, hvis der ikke tages hensyn til det forhøjede turbulensniveau. Turbulensniveauet og dens indflydelse på produktionen og økonomien er en af de ting der skal undersøges nærmere før et projekt kan iværksættes. Som alternativ placering har gruppen valgt en top syd for nordsitet. Dette site viser sig at være mindre rentabelt selvom vindforholdene er væsentlig bedre, men omkostningerne til etablering af en vej fra havnen i Nanortalik til sitet vurderes at være for stor for den lille mølle. For at gøre de nord og vestlige dele 11

12 af øen rentable skal der enten: anvendes søtransport og forholdsvis korte veje, omkostningerne til vejbygning skal ned eller der skal installeres en større effekt. Se mere i rapporten: Feasibility study of implementation of wind power in the Nanortalik Energy System Validering af mikro og mesoskala modeller Arbejdet med at validerer mikro og meso skale modeller er allerede indledt via et samarbejde med Risø DTU s metrologiafdeling. Den først model der vil blive valideret for Nanortalik vil være mesoskalamodellen Weather Research and Forecasting (WRF) fra NCAR. I det første projekt testes to versioner af WRF (Standard og polar) med input fra to forskellige globale modeller. Denne metode kaldes også Down scaling. Metoden bruges til vejrudsigter, klimamodeller og til bestemmelse af vedvarende energiresurser. Fordelen ved denne metode er at den kan anvendes globalt og kun regnekraften sætter begrænsningen for hvor stort et område der kan behandles. Et af de specielle fænomener vi gerne vil undersøge er de katabatiske vinde, som bl.a. dækker over de kendte Piteraqs. Vi ved fra vores målinger at en væsentlig del af de grønlandske vinde er katabatiske, men hvor gode modellerne er til at bestemme disse er pt. uklart. I det næste projekt vil vi teste mikro skala modeller og forholdet imellem mikro og meso skala modeller. Mikro skala modellerne dækker ofte kun et maget begrænset område på nogle få kvadratkilometer mens meso skala modellerne dækker adskillige hundrede kvadratkilometer. Mikro skala modellerne tager bl.a. de lokale terræn og ruhedsforhold med i beregningerne og giver derfor et mere højopløseligt resultat. Mikroskalamodellerne testes både ved krydsestimering imellem masterne, men også ved Down scaling. 12

13 Isdannelse i Grønland Som en lille del af projektet, blev risikoen for isdannelse undersøgt. Der er forskellige (direkte og indirekte) teknikker til at identificere isdannelsen [1]. Direkte teknikker til at identificere overisningsperioder er fx kameraer og is detektorer. Indirekte teknikker er baseret på klimatiske og meteorologiske parametre, såsom temperatur, luftfugtighed, vindhastighed og skyhøjde. Under forundersøgelse af de indsamlede data i Nanortalik mellem 2007 og 2010 og baseret på tidsvarende litteratur om vindenergi i koldt klima [2], var det tydeligt at ved kun at anvende indirekte metoder til undersøgelse af isdannelsen bliver resultaterne meget upålidelige. Tabel 2 opsummerer antallet af mulige overisningsdage under anvendelse af fire forskellige metoder. De data, der blev indsamlet var i vintermånederne (oktober april) i i Nanortalik. Tabel 2 Antal dage med mulig overisning i Nanortalik i perioden fra oktober til april over to år på baggrund af forskellige moddeler. År Dobbelt anemometer Temperatur og luftfugtighed Skyhøjde og temperatur Vindhastighed og temperatur dage 33 dage 44 dage 21 dage dage 47 dage 55 dage 35 dage Som det kan ses af disse resultater, er antallet af overisningsdag meget afhængt af hvilken metode der anvendes. Det er grunden til at det blev besluttet at investere i en is sensor, nemlig en HoloOptics is rate sensor. Sensorerne blev installeret i sommeren 2011, og planen var at undersøge de indsamlede data i løbet af foråret Begge sensorer blev beskadiget i løbet af vinteren sandsynligvis på grund af høj spændingsudsving. Udstyret blev erstattet af producenten og en af dem blev geninstalleret på masten i Nanortalik. 13

14 Solenergi I den seneste rapport Fyrtårn V blev det identificeret som økonomisk attraktiv at udnytte solenergi til elproduktion. Denne produktion er specielt interessant i byer og bygder, hvor der ikke planlægges eller allerede er etableret udnyttelse af vandkraft. På grund af de seneste års markante prisfald på solceller synes denne teknologi nu at blive attraktiv til elproduktion i det grønlandske samfund, dels på grund af den markant lavere pris og små installationsomkostninger og dels stigende elpriser. Specielt er PV anlæg interessante på grund af solcellers negative temperaturkoefficient, dvs. større elproduktion ved lave temperaturer. I forbindelse med gennemførelsen af Fyrtårnsprojekt VI er der installeret et demonstrations PV anlæg på et enfamiliehus (ejet af KNI) i Sisimiut med opkobling på elnettet. Anlægget er installeret med hjælp af lokale håndværkere i samarbejde med Nukissiorfiit. Derudover er der installeret måleudstyr så elproduktionen, solstråling og temperatur registreres. Placering Det var oprindeligt tiltænkt at anlægget skulle installeres på Bygge og Anlægsskolen i Sisimiut, men fra kommunens side var der større interesse i, at et demonstrationsanlæg blev installeret på et enfamilieshus for at hæve gennemskueligheden for borgerne og udnyttelsen af solenergi. Derudover var det væsentligt at placering af det første PV anlæg med opkobling til nettet blev installeret i nærheden af teknisk support, hvis der skulle opstå uventede problemer, hvilket ligeledes er begrundelsen for at benytte lokale håndværkere og teknikkere. Det bør næves at der har været opmærksomhed på, at Sisimiut udnytter vandkraft i stor skala og har den laveste elpris, hvilket betyder at Sisimiut ikke betragtes som det ideelle sted for et PV anlæg, men er valgt af praktiske grunde, og fordi der er mange ligheder med grønlandske bygder hvad angår klima, miljø, hustype og kultur. PV anlæg PV anlægget består af 30 multikrystallinske solcellepaneler fra Trina Solar og en inverter fra Danfoss, se Figur 8. Solpanelerne er specificeret for drift ned til en temperatur af 40 C, en snebelastning op til 5.4 Pa og en vindbelastning op til 2,4 Pa. Inverteren er en 8 kw model der maksimerer elproduktionen ved en given indstråling og leverer effekten ud som AC på elnettets 3 faser. Inverteren er i stand til at justere effektniveauet i forhold til netparametre, udføre frekvensstyring og understøtte spændingen ved regulering af den reaktive effekt. 14

15 Figur 8 Installation af PV anlæg i Sisimiut. Ydelse Anlægget er installeret og tilsluttet nettet efter aftale med Nukissiorfiit. Desværre har inverteren detekteret en fejl, hvilket foreløbigt tolkes som at den leverer effekt men ydelsesdata bliver ikke logget. Ydelsen er derfor på nuværende tidspunkt vurderet teoretisk indtil det er muligt at indhente målinger fra anlægget. Det installerede PV anlæg vurderes til at producere ca kwh/år, hvilket er omkring det dobbelt af hvad en gennemsnitsfamilie i Grønland forbruger på årsbasis. I et teoretisk studie er det konstateret, at PV anlæg kan være økonomisk attraktive for private husholdninger. Groft sagt kan det konkluderes, at PV anlæg er attraktive, hvis en vis brøkdel af strømmen anvendes med det samme mens den overskydende strøm sælges til en sats svarende til oliesubstitution for elproduktion. Det betyder så også, at PV anlæg formentlig er attraktive i de isolerede bosættelser, der i øjeblikket forsynes af diesel generatorer og hvor elprisen er høj. I disse systemer er der imidlertid grænser for hvor meget der kan installeres, inden PV giver balance og stabilitetsproblemer. Derudover er økonomien følsom over for drifts og vedligeholdelsesudgifter. Disse omkostninger forventes at være lave for PV anlæg, hvilket søges verificeret mere præcist i forbindelse med det nye demonstrations PV anlæg. 15

16 Perspektiv og konklusioner Vindenergi Det anbefales at forsætte med at indsamle data fra vindmålestationerne i Sarfannguit og Nanortalik, samt at vurdere vindforholdene og potentialet for udnyttelsen af vindenergi. Derudover anbefales det at fortsætte arbejdet indenfor validere mikro og mesoskala modeller på baggrund af data fra Nanortalik. Solenergi Det anbefales ligeledes at forsætte med at følge produktionen og driften af dette demonstrationsanlæg, samt at anlægget benyttes til studier både for studerende ved Bygge og Anlægsskolen i Sisimiut og ved DTU i Lyngby. Endvidere vil det være hensigtsmæssigt at kortlægge forbrugsmønstrene af grønlandske husholdninger, hvilket vil gøre det muligt at tilpasse PV anlæg bedre til behovet end det er muligt nu. Det vil også være hensigtsmæssigt at gennemføre en undersøgelse af de mindre grønlandske elnet med hensyn til stabilitet og andre parametre med henblik på en bredere integration af PV i sådanne systemer. På baggrund af de opnåede erfaringer fra PV anlægget i Sissimiut vil det formentligt blive interessant at installere anlæg i mindre bygder, hvilket var det oprindelige mål med installation af PV systemet Til sidst foreslås det at specificere Nukissiorfiit s rolle og interesser i udviklingen af PV anlæg i Grønland. 16

17 Referencer 1. V. Carlsson. Measuring routines of ice accretion for wind turbine applications. the correlation of production losses and detection of ice. Master s thesis, Umeå University, L. Tallhaug, G. Ronsten, R. Horbaty, R. Cattin, T. Laakso, M. Durstewitz, Lacroix, E. A., Peltola, and T. Wallnius. Wind energy projects in cold climate. Technical report, Executive Committee of the International Energy Agency Programme for Research and Development on Wind Energy Conversion Systems,

18 DTU Byg Institut for Byggeri og Anlæg Danmarks Tekniske Universitet Brovej, Bygning Kgs. Lyngby Tlf ISSN