Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Miljö- och energisystem Matilda Schollin Temperaturreglering med hjälp av solreflektering och värmeväxling för att möjliggöra odling av alger Temperature control using solar reflection and heat exchange to allow the growing of algae Examensarbete 22,5 hp Högskoleingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik Juni 2014 Handledare: Jan Forsberg Examinator: Lena Stawreberg Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 [email protected] www.kau.se Sammanfattning Användningen av fossila bränslen är ett problem i dagens samhälle. Fossila bränslen bidrar till utsläpp av växthusgaser, andra föroreningar och det finns dessutom inte någon energisäkerhet i användning av dessa bränslen. Det används mycket fossila bränslen i Sverige och en sektor som använder en stor del fossila bränslen är transportsektorn. En förflyttning från fossila bränslen till förnyelsebara bränslen behövs. Med den teknik som används i de flesta transportmedel vore det bra, för att en förflyttning ska ske, om det fanns ett flytande förnyelsebart bränsle att tillgå i stor skala. De flytande förnyelsebara bränslen som finns att tillgå i dag konkurrerar ofta med odling av mat och användningen av dessa bränslen medför därför andra problem. En ny idé är att odla alger vid pappers- och massaindustrier för att producera förnyelsebara bränslen. Alger innehåller olja som kan pressas ut och bli biodiesel och algresterna kan sedan rötas till biogas eller pressas till pellets. Anledningen till att odling av alger vid pappers- och massaindustrier det undersöks, är för att det finns outnyttjade resurser där som skulle kunna utnyttjas för detta ändamål. För industrierna skulle det innebära ett bättre industriellt kretslopp samt ökade inkomster tack vare försäljning av algerna eller algprodukter. Ett av de största problemen med att odla alger vid industrier är att de odlas utomhus och det kan då bli svårt att hålla ett bra temperaturintervall i odlingsdammen. I detta arbete har olika alternativ till system för att hålla ett bra temperaturintervall i en raceway vid Bäckhammars bruk undersökts genom att bygga upp en rimlig och trovärdig modell i simuleringsprogrammet Simulink. Ett antal simuleringar över olika system för temperaturreglering gjordes i modellen för att ta reda på vilket system som var det bästa. Det system som skulle vara bäst att använda är att reflektera bort en del solinstrålning från dammen en del av året samt använda både kylande och värmande värmeväxling så vattnet i racewayen kan värmas respektive kylas när behoven finns. Abstract The use of fossil fuels is a problem in today's' society. Fossil fuels contribute to pollution, the increase of greenhouse gases and to the lack of energy safety in the usage of these kind of fuels. A lot of fossil fuels is being used and especially in the transportation sector. It is essential to start using renewable energy sources instead of fossil fuels. Because of the technique that most means of transportation uses, the best thing, in order to make a transportation possible, would be to make a high amount of liquidated renewable energy source available. The liquid renewable energy source that is available today is often competing with the cultivation of food, therefore the usage of these kind of energy sources lead to other problems. One possibility is to grow algae at pulp and paper industries in order to produce renewable energy sources. Algae contains oil that can be squeezed out and transform into biodiesel and the rest products can later produce biogas by digestion, or it could be pressed into pellets. The reason for this study focusing on cultivation of algae in pulp and paper industries is because of the unused resources which exists there, which could be used to grow algae. This would mean, for the industries, a better industrial cycle and also higher income because of the selling of algae and the product it produces. One problem with cultivation of algae, by industries, is that they are grown outdoors which makes it harder to keep the temperature, in the pond, at the right level. This study have tested different alternatives to keep the temperature in a raceway at Bäckhammars mill, this by building a reasonable model in the simulation program Simulink. Several simulations have been done on various systems in the model in order to find out which system that was the most suitable. The most suitable system would be to reflect part of the sunlight from the pond, during one part of the year, and also use a mix between cooling and heating exchange this would lead to the water temperature, in the raceway, being able to increase and decrease regarding to the needs at the time. Förord Den här rapporten är resultatet av kursen Examensarbete under vårterminen 2014. Arbetet har utförts på Karlstads Universitet och mätningar har gjorts på algodlingen vid Bäckhammars bruk. Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete. Jag vill tacka min handledare Jan Forsberg på Karlstads Universitet som varit till hjälp vid frågor och problem under arbetets gång. Även Maria Sandberg på Karlstads Universitet ska ha ett tack för hjälp och idéer vid starten av arbetet. Matilda Schollin Karlstad, Maj 2014 Innehållsförteckning 1. Inledning .................................................................................................................................. 1 1.1 Bakgrund ............................................................................................................................ 1 1.1.1. Algprojektet/Samarbetspartners ................................................................................. 3 1.2. Syfte .................................................................................................................................. 4 1.3. Mål .................................................................................................................................... 4 1.4. Avgränsningar ................................................................................................................... 4 2. Teori ......................................................................................................................................... 5 2.1. Algodling ........................................................................................................................... 5 2.2. Raceway ............................................................................................................................ 7 2.3. Ekvationer ......................................................................................................................... 8 3. Metod ..................................................................................................................................... 10 3.1. Simulink .......................................................................................................................... 10 3.2 Tidsintervall ..................................................................................................................... 10 3.3. Modellen ......................................................................................................................... 11 3.4. Verifiering ....................................................................................................................... 12 3.4.1 Solinstrålning ............................................................................................................ 13 3.4.2. Värmeväxling ........................................................................................................... 14 3.5. Simuleringar .................................................................................................................... 15 4. Resultat ................................................................................................................................... 16 5. Diskussion .............................................................................................................................. 18 6. Slutsats ................................................................................................................................... 19 7. Referenser .............................................................................................................................. 20 Bilaga 1 ......................................................................................................................................... A Bilaga 2 ......................................................................................................................................... B