Korttids energilagring I samarbeid med

Transkript

1 Forprosjektrapport 2011 Bacheloroppgave E1112 Korttids energilagring I samarbeid med

2 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Bacheloroppgave, forprosjekt Oppgavens tittel: Korttids energilagring Project tittel: Short-time energy storage Gruppedeltakere: Navn: Tlf. Epost. Oddbjørn Glenn Alnes (OGA) Stein Erik Hovin (SEH) Rune Solvang (RS) Anders Idsø (AI) Runar Herdlevær (RH) Oddbjora@stud.hist.no Steineh@stud.hist.no Runeso@stud.hist.no Andersi@stud.hist.no Studieretning: 3EK (elkraftteknikk), EDT, AFT, HiST Runarhe@stud.hist.no Gitt dato: Innlevingsdato: Antall sider/bilag vedlegg Veileder (navn/ /tlf.): John Arild Wiggen John.a.wiggen@hist.no Tlf Prosjektnummer: E1112 Oppdragsgiver: SmartMotor AS Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Richard Lund Richardl@smartmotor.no Tlf Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver (taushetsbelagt) X Rapporten frigitt etter Se Avtale

3 Sammendrag I denne forprosjektrapporten har vi lagt frem hvordan vi planlegger fremgangen av prosjektet i samsvar med oppdragsgiver og veileder. Forprosjektet viser prosjektets problemstilling, og etter møte med veileder og arbeidsgiver kom vi frem til klare hovedmål, delmål og resultatmål. Disse presenteres i rapporten slik at det tydelig viser hvordan vi har tenkt fremgangen. Ved å følge disse retningslinjene er vi sikre på kontinuitet og håper å kunne minimere sjansen for forsinkelser. I tillegg blir det lettere å holde kvaliteten og det innholdet på prosjektet som arbeidsgiver både ønsker og forventer. Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST Sammendrag 2

4 Forord Forprosjektet er skrevet som en kontrakt eller mal for selve bacheloroppgaven og ble produsert etter de retningslinjer og ønsker arbeidsgiver fremla på oppstartsmøte Prosjektgruppen består av studenter fra HiST (høgskolen i Sør Trøndelag), intern veileder og en representant fra arbeidsgiver. Oppgaven omhandler mulige løsninger for korttids energilagring og blir utført i samarbeid med Smartmotor, som primært utvikler forskjellige teknologier til bruk i skreddersydde og høyeffektive elektriske motorer og generatorer. Forprosjektet er skrevet i uke 4 og 5 og vil bli publisert gjennom forskjellige medier derav internettsiden vår og via itslearning. I tillegg vil en fysisk papirversjon bli tildelt arbeidsgiver og veileder. Ettersom forprosjektrapporten vil bli relativt lett tilgjengelig håper vi at de involverte partene lett kan følge fremgangen av prosjektet, og vi ønsker å være tilgjengelig for tilbakemelding dersom vi beveger oss i feil retning i forhold til prosjektets mål. Bachelorgruppen E1112 består av: Runar Herdlevær Rune Solvang Oddbjørn Glenn Alnes Stein Erik Hovin Anders Idsø Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST Forord 3

5 Innholdsfortegnelse Sammendrag... 2 Forord INNLEDNING Bakgrunn Oppgaveteksten Definisjoner TEKNISK DEL Problemstilling Prosjektmål Effektmål Resultatmål Prosessmål Prosjektbeskrivelse Spesifikasjoner... 9 Teori om energilagring:... 9 Case: Problemområder ARBEIDSPAKKER Definere arbeidspakker Fordeling av arbeidspakker og oppgaver Forprosjekt Teknologisøk Case Generelt og prosjektrapport PROSJEKTORGANISERING Prosjektdeltagere Utstyr og ressurser Prosjektleveranser Tids- og kostnadsplan Kvalitetssikring Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST Forord 4

6 1 INNLEDNING 1.1 Bakgrunn Prosjektet ble gitt av SmartMotor AS (SM) med kontaktperson Richard Lund. SM har lokaler i Jarleveien 8 på Lade i Trondheim og utvikler i hovedsak teknologier for å lage effektive og skreddersydde elektriske motorer og generatorer for industrien, med spesielt fokus på permanentmagnet teknologi. SM er ledende i deres utvikling av kompakte maskiner og driver i tillegg til produksjon med både service, design og forskning. SmartMotor ønsker at vi skal se nærmere på forskjellige teknologier for korttidslagring av relativt store energimengder og da med spesiell vekt på teknologi for lagring av energi i vinsjsystemer på skip. I dagens marked finnes det en del løsninger for lagring av energi, både elektrisk og mekanisk. Ved oppbremsing av bil, tog, trikk og i diverse heis, vinsjsystemer blir energi lagret. SmartMotor ønsker å få en oversikt over teknologier som blir brukt, og da spesielt for situasjonen med vinsjsystemer på skip, slik at de i fremtiden enten kan ta i bruk eller bygge videre på den teknologien vi kommer frem til i denne oppgaven. Siden hovedvekten av oppgaven ligger i det å finne en effektiv metode å lagre energi fra vinsj montert om bord på skip, vil det ikke bare være viktig at løsningen har kapasitet til å lagre 1MW i minimum 7 sekunder, men også at den er kompakt, rimelig og tåler de påkjenningene et slikt miljø vil ha. 1.2 Oppgaveteksten Korttids energilager er en generell utfordring innen mange sektorer: tog, bilindustri, all elektronikk som går på oppladbare batteri, kombinasjoner med hydrogen brenselcelle osv. Utfordringen i disse systemene er at det for eksempel under oppbremsing av ett tog, genereres energi som det ikke finnes en forbruker av. Energien må da enten lagres i ett korttids energilager eller brennes av over en motstand. Det finnes produkter på markedet i dag som baserer seg på superkondensatorer, batterier, svinghjul o.l. Første del av oppgaven går ut på å kartlegge de eksisterende løsningene. Basert på disse studiene skal studentene lage ett forslag til en løsning som kan ta 1MW i 7 sekunder. Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 1 INNLEDNING 5

7 Etter samtale med oppdragsgiver: Første del av oppgaven går ut på å gjøre et teknologisøk for eksisterende systemer hvor energilagring brukes, som for eksempel transportsystemer (Trikk, buss, tog), solcellepaneler, vind, tidevann, vinsj o.l. Andre del av oppgaven går ut på en gitt case hvor vi skal komme opp med løsninger som kan lagre 1MW i 7sekunder fra en vinsj som skal befinne seg om bord i skip, og vi må derfor ta hensyn til det elektriske systemet på skip. Løsningen skal også simuleres vha. et simuleringsprogram, samt dimensjoneres både fysisk og elektrisk for å tilfredsstille kravene som er satt. Oppgaven vil omfatte følgende: Del 1: Teknologisøk Teori om energilagring: Elektrisk Mekanisk Anvendelser: Vinsj Vind Tidevann Solcelle Bil, båt, trikk, bil o.l. Del 2: Case (situasjon med vinsj på båt) Generelt om skipsnett Eksisterende teknologiløsninger Lagring av 1 MW i 7 sek Valg av teknologi Simulering Dimensjonering Elektrisk Termisk Evaluering Kompakthet Levetid Pris Deler av oppgaven er veiledende og vi tar forbehold om mulighet for små forandringer. Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 1 INNLEDNING 6

8 1. 3 Definisjoner RH - Runar Herdlevær OA - Oddbjørn Alnes AI - Anders Idsø RS - Rune Solvang SH Stein Erik Hovin RL - Richard Lund JW John Arild Wiggen SM - SmartMotor AS PM - Permanent Magnet Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 1 INNLEDNING 7

9 2 TEKNISK DEL 2.1 Problemstilling I dette prosjektet skal vi samle informasjon om diverse energilagringsalternativer. Vi vil ta utgangspunkt i eksisterende teknologi for å se hvilken fordeler og ulemper disse har. På denne måten vil vi finne den best mulige løsningen for å kortidslagre 1MW i 7sekunder. 2.2 Prosjektmål Prosjektgruppen har i fellesskap kommet frem til følgende mål for prosjektet. Disse målene er videre brukt som grunnlag for det planleggingsarbeid som er gjort i forprosjektet. Hovedmålet er å komme opp men en god løsning for å kortidslagre 1MW i 7 sekunder. Resultatmålene er delt opp i to, der den første delen er et teknologisøk, og den andre er utarbeiding av løsningen vi har kommet frem til, der vi blant annet dimensjonerer og simulerer systemet Effektmål Komme opp med en løsning for å korttidslagre 1MW i 7 sekunder Resultatmål Sette oss inn i dagens teknologi. Mekaniske løsninger Elektriske løsninger Utarbeide en Case: Vinsj Generelt om skipsnett Valg av teknologi, eksisterende teknologi 1 MW i 7 sek Dimensjonering Simulere et helt system med vinsj, frekvensomformer, energilagringsenhet, strømforsyning osv. Hvert prosjektmedlem skal bruke minimum 500 arbeidstimer i dette prosjektet. Prosjektgruppen skal levere en skriftlig rapport innen 25. Mai Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 2 TEKNISK DEL 8

10 2.2.3 Prosessmål Vi forventer å komme med en rimelig og bra løsning for korttidslagring av 1MW. Denne løsningen skal simuleres ved hjelp av Matlab og PowerSim og vi håper den vil være til hjelp for SmartMotor. Det er viktig at både SmartMotor og vi selv er fornøyd med sluttresultatet slik at alle får godt utbytte av prosjektet. Personlig utbytte av prosjektet er også viktig både med tanke på praktiske erfaringer av prosjektarbeid, utvikle den faglige kompetansen som kan tas med videre etter endt studie og en god karakter. Det er også viktig for oss at trivselsfaktoren er høy innad i gruppen og at alle drar i samme retning og jobber mot samme mål. 2.3 Prosjektbeskrivelse Vi har opprettet en hjemmeside der man kan følge utviklingen underveis i prosjektet. Etter vi er ferdig med forprosjektet starter vi med å samle inn informasjon om energilagring. Vi ser på anvendelser (vinsj, bil, solcelle, vind, transport), forskjellige teknologier og om det går an å bruke dette i vårt tilfelle. 2.4 Spesifikasjoner Teori om energilagring: Elektriske løsninger Mekaniske løsninger Case: Skipsnett Lagre 1MW i 7 sekunder Evaluere kompakthet Rimelig pris Lang levetid. Nøye simulert. Dimensjonering, elektrisk og termisk Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 2 TEKNISK DEL 9

11 2.5 Problemområder Få realistisk/nøyaktig simulering Ettersom vi har begrenset kunnskaper i simulering, tror vi det kan oppstår problemer med å få et nøyaktig og realistisk resultat. Nøkkelen her vil være å begynne tidlig meg simuleringen og ha de samme folkene på jobben hele tiden. Dimensjonering Vi ser to problemer her; for det første er den fysiske størrelsen på alt siden det er begrensninger på hvor stort utstyret kan være. Det andre er at vi er avhengig av alle spesifikasjonene til materiellet (elektronikk som kondensator etc.) for å oppnå et nøyaktig resultat. Realistiske priser Vi forventer at prisene vi kommer frem til er høyere enn det som vil være reelt på grunn av at vi ikke avtaler med noen leverandører, noe som er vanlig blant etablerte bedrifter. Vi vil også være usikker på hva installasjonskostnadene vil bli, så dette må vi nok vurdere om det skal komme med i rapporten eller ikke. Tung teori Det er veldig mye stoff og på mange forskjellige språk. Mye av stoffet er tungt faglig stoff og det vil være en utfordring å tilpasse dette til nivået for denne oppgaven. Dette fører til at mye av tiden vil bli brukt til å forstå og sette seg inn i dette stoffet. Tidsberegning Selv om vi har mye tid på oss forventes det at det vil bli avvik fra gantt-diagrammet. Vi regner med det vil bli mye å gjøre og spesielt travelt mot slutten av prosjektet, ettersom ting kommer til å ta lengre tid enn forventet. Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 2 TEKNISK DEL 10

12 3. ARBEIDSPAKKER 3.1 Definere arbeidspakker Under har vi kommet frem til flere arbeidspakker som vi skal prøve å jobbe etter. Dette er en grov oversikt og det kan bli nødvendig å justere disse etter hvert både med tanke på innhold og tidsforbruk, men vi håper å kunne følge dette så mye som mulig. I tillegg til beskrivelsen har vi forsøkt å estimere tidsforbruket på de forskjellige arbeidspakkene etter hva vi mener burde vektlegges mest. Hvert gruppemedlem skal produsere ca 500 timer hver, noe som gjør at vi har ca 2500 timer til disposisjon for dette prosjektet. Hjemmeside Antatt tidsforbruk: 20 timer Forprosjekt Antatt tidsforbruk: 150 timer Innledning Teknisk del Arbeidspakker Prosjektorganisering Forside, sammendrag, forord og tittelside Teknologisøk Antatt tidsforbruk: 900 timer Hvilke tekniske løsninger på energilagring finnes? Anvendelser (vinsj, bil, solcelle, vind, transport) Hvilke er realistiske? Alle løsninger med oppbygging, fordeler/ulemper og bakgrunn? Fremtidige løsninger? Case Antatt tidsforbruk: 1000 timer Se spesifikt på energilagring for vinsj på båt Generelt beskrive skipsnett Sammendrag av eksisterende løsninger Simulering av valgte løsning Dimensjonering av valgte løsning Prosjektrapport Antatt tidsforbruk: 430 timer 2-siders fagartikkel Loggføringer Dokumentasjon Disposisjon og utforming av rapporten Evaluering av prosjekt og rapport Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 3. ARBEIDSPAKKER 11

13 3.2 Fordeling av arbeidspakker og oppgaver Under har vi fordelt arbeidsoppgaver og satt en ansvarlig for hver hovedoppgave. Det er ikke kun den ansvarlige som skal jobbe med oppgavene, men han har ansvar for at oppgaven fullføres tilfredsstillende Forprosjekt Oppgavedel Forside, tittelside, forord og sammendrag Kap 1 - Innledning Kap 2 - Teknisk del Kap 3 - Arbeidspakker Kap 4 - Prosjektorganisering Lage internettside Ansvarlig Runar Oddbjørn Stein Erik og Anders Rune Rune Runar og Oddbjørn Teknologisøk Oppgavedel Teknologi - Elektrisk Teknologi - Mekanisk Anvendelser Ansvarlig Anders Stein Erik Oddbjørn Case Oppgavedel Generelt om skipsnett Eksisterende teknologiløsninger Valg av teknologi Simulering Dimensjonering - Elektrisk Dimensjonering - Termisk Dimensjonering - Evaluering Ansvarlig Runar Oddbjørn Rune Rune Anders Stein Erik Rune Generelt og prosjektrapport Oppgavedel Loggføringer og rapporter 2-siders fagartikkel Ansvarlig Rune Runar Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 3. ARBEIDSPAKKER 12

14 4. PROSJEKTORGANISERING Vi har valgt å rullere på å lede prosjektmøtene med arbeidsgiver slik at alle får prøvd seg på dette, mens vi har valgt å ha en fast prosjektleder innad i gruppen som blant annet skal styre fremgangen i prosjektet samt å ha ansvaret for en del av det administrative som møteinnkallinger, møtereferat og lignende. 4.1 Prosjektdeltagere Navn: Rune Solvang Fra: Mosjøen Alder: 28 Adresse: Thoning Owesens gt 23 Mobil: Har GK elektro og VK1 elektro og allmennfaglig påbygging fra videregående skole. Begynte som lærling i Siemens installasjon i 2001 og tok fagbrev som elektriker gr. L i Tok deretter forkurs til ingeniør ved Hist og jobbet deretter som elektriker ved diverse prosjekter rundt om i landet før jeg startet på elkraftingeniør høsten Navn: Stein Erik Hovin Fra: Hovin Alder: 31 Adresse: Åsaringen 4 Mobil: Har GK elektro og VK1 Elektro. Har fagbrev elektriker gr. L. Har gått forkurs på HIST. Navn: Anders Idsø Fra: Stavanger Alder: 24 Adresse: Hans Hagerups gate 4B Mobil: Er utdannet elektriker gr. L. Begynte i 2007 på forkurs ingeniør ved Hist, har studert i Trondheim siden. Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 4. PROSJEKTORGANISERING 13

15 Navn: Oddbjørn Glenn Alnes Fra: Sortland Alder: 27 Adresse: Gløshaugveien 14. Mobil: Har grunnkurs elektro og VK1 IKT driftsoperatør fra videregående, studerte så forkurs før elkraft ved HIST. Jobber ved siden av skolen som vekter og i adgangskontrollen ved byggsikring NTNU. Navn: Runar Herdlevær Fra: Bergen Alder: 25 Adresse: Frode Rinnans Vei 135 Mobil: Født og oppvokst i Bergen. Har gått på GK og VK1 Elektro for så å gå videre på allmenn påbygg m/realfagskurs. Gikk etter dette to år på prosess og energi Ingeniør på HSH. Skiftet over til HiST, AFT Elektro Ingeniør. Aktiv og bedriver fotball det lar seg gjøre. 4.2 Utstyr og ressurser Vi har tilgang på følgende ressurser for prosjektet: Arbeidsrom G313 ved HiST i Gunnerusgate 1 Tilgang på møterom med projektor som kan reserveres for møter og lignende. 1 stk PC som er tilkoblet nettverket og står i arbeidsrom G313. Her har vi tilgang til alt av software som ligger på nettverket Tilgang på telefon og fax Software som vi trenger og har tilgjengelig: Office pakken med Microsoft Project MATLAB med Simulink og SimPower 4.3 Prosjektleveranser Rapporter og dokumenter som skal leveres i løpet av prosjektet: Forprosjektrapport Ferdig prosjektrapport 2-ukers rapporter som gås gjennom på hvert 14.dagersmøte Møteinnkallinger Møtereferat Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 4. PROSJEKTORGANISERING 14

16 Webside for prosjektet 2-siders fagartikkel rettet mot teknisk tidsskrift Hver gruppedeltaker fører egen detaljert journal over arbeidsinnsats 4.4 Tids- og kostnadsplan Vedlagt ligger Gantt diagram som viser planlagt tidsforbruk for hver arbeidsoppgave i prosjektet. Legger også ved S-diagram som viser forventet tidsforbruk totalt i prosjektet. Vi har foreløpig kommet frem til at vi ikke vil ha noen reisekostnader eller materiellkostnader i dette prosjektet da alt kommer til å bli simulert og dimensjonert med software. 4.5 Kvalitetssikring For å sikre og dokumentere fremgangen i prosjektet har gruppa laget en intern logg der alle noterer ned detaljert hva de gjør hver uke og antall timer. Loggen viser også totalt antall timer som er brukt og hvor mange timer som mangler, samt en graf som viser utviklingen over tid. Denne loggen blir oppdatert og lagt ut på itslearning med jevne mellomrom (minst hver uke) slik at veileder også kan følge med. Vi håper også å kunne legge denne ut på internettsidene etter hvert, men da under en passordbeskyttet side slik at dette ikke er åpent for alle. På denne måten kan oppdragsgiver også følge litt med på loggen underveis. I tillegg skal hvert gruppemedlem føre en egen journal som viser detaljert hva som gjøres hver dag. Parallelt skal gruppa som nevnt tidligere levere både 14-dagersrapporter, møteinnkallinger og møtereferat underveis i prosjektet. På neste side har vi laget en plan for innlevering av diverse dokumenter med forbehold om forandringer i tidsfristene: Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 4. PROSJEKTORGANISERING 15

17 Dokument Medium Tidsfrist Levers til Forprosjekt og papir Oppdragsgiver og veileder Internettside Web Alle Møteinnkalling 2 Papir/ Alle 2-ukersrapport 1 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 2 Papir/ Alle Møteinnkalling 3 Papir/ Alle 2-ukersrapport 2 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 3 Papir/ Alle Møteinnkalling 4 Papir/ Alle 2-ukersrapport 3 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 4 Papir/ Alle Møteinnkalling 5 Papir/ Alle 2-ukersrapport 4 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 5 Papir/ Alle Møteinnkalling 6 Papir/ Alle 2-ukersrapport 5 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 6 Papir/ Alle Møteinnkalling 7 Papir/ Alle 2-ukersrapport 6 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 7 Papir/ Alle Møteinnkalling 8 Papir/ Alle 2-ukersrapport 7 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 8 Papir/ Alle Møteinnkalling 9 Papir/ Alle 2-ukersrapport 8 Papir/ Oppdragsgiver og veileder Møtereferat 9 Papir/ Alle 2-siders fagartikkel Papir Alle Prosjektrapport Papir og CD HiST og oppdragsgiver Forprosjektrapport E1112 Korttids energilagring HiST 4. PROSJEKTORGANISERING 16

18 ID Task Mode Task Name Duration Start Finish 1 Oppstartsmøte 2 hrs Thu Thu Jan '11 24 Jan '11 31 Jan '11 07 Feb '11 14 Feb '11 21 Feb '11 28 Feb '11 07 Mar '11 14 Mar '11 21 Mar '11 28 Mar '11 04 Apr '11 11 Apr '11 18 Apr '11 25 Apr '11 02 May '11 09 May '11 16 May '11 23 May '11 W T F S S M T W T F S S M TW T F S S M TW T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M TW T F S S M T WT F S S M T WT F S S M T WT F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T WT F S S M T WT F S S M T W T F S S M 12 Forprosjekt 9 days Fri Wed Klargjøring, fordeling av oppg. 1 hr Fri Fri Forside, tittelside, sammendrag 5 hrs Mon Mon Innledning 1 day Tue Tue Teknisk del 4 days Tue Fri Arbeidspakker 2 days Tue Wed Prosjektorganisering 3 days Thu Mon Sammendrag 2 hrs Mon Mon Sette sammen rapport + div. 1 day Tue Tue Internettside 20 hrs Mon Wed Forprosjekt ferdig 0 days Wed Wed Teknologisøk 32 days Thu Fri Teknologi: Mekanisk 17 days Thu Fri Teknologi: Elektrisk 17 days Thu Fri Anvendelser: Transport (Bil, tog etc.) 9 days Mon Thu Anvendelser: Sol, vind, tidevann 6 days Fri Fri Anvendelser: Vinsj 10 days Mon Fri Møte med veileder 1 hr Tue Tue Møte med veileder 1 hr Tue Tue Møte med veileder 1 hr Tue Tue Case: Vinsj på båt 35 days Mon Fri Løsninger 10 days Mon Fri Generelt om skipsnett 10 days Mon Fri Simulering 25 days Mon Fri Dimensjonering 15 days Mon Fri Teknologisøk ferdig 0 days Fri Fri Møte med veileder 1 hr Tue Tue Møte med veileder 1 hr Tue Tue Møte med veileder 1 hr Tue Tue Case ferdig 0 days Fri Fri Prosjektrapport 15 days Mon Fri Klargjøring/innsamling av info 2 days Mon Tue siders fagartikkel 5 days Wed Tue Ferdigstillelse av rapporten 13 days Wed Fri Møte med veileder 1 hr Tue Tue Møte med veileder 1 hr Mon Mon Prosjektrapport ferdig 0 days Fri Fri Project: Bacheloroppgave Date: Wed Task Split Milestone Summary Project Summary External Tasks External Milestone Inactive Task Inactive Milestone Inactive Summary Manual Task Duration-only Manual Summary Rollup Manual Summary Start-only Finish-only Deadline Progress Page 1

19