European Spallation Source Cooling Solution and Business Case - - PowerPoint PPT Presentation

European Spallation Source Cooling Solution and ¡Business ¡Case

Fredrik ¡Indebetou Project ¡Manager ¡Recyclable

www.europeanspallationsource.se

June ¡17th 2015

What ¡is ¡European ¡Spallation ¡Source?

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USA ¡2006: SNS (<1.4 ¡MW) Japan ¡2008: JPARC ¡(<1MW) Lund, ¡Sweden ¡ Europe ¡2019: ¡The ¡European ¡Spallation ¡Source ¡ (<5 ¡MW)

• One ¡of ¡Europe's ¡largest ¡planned ¡research ¡

infrastructure

• Will ¡bring ¡new ¡insights ¡to ¡the ¡grand ¡challenges ¡
• f ¡science ¡and ¡innovation
• Collaborative ¡project: ¡Includes ¡more ¡than ¡17 ¡

countries ¡

• 2014: ¡Start ¡of ¡construction ¡phase ¡of ¡the ¡world's ¡

most ¡powerful ¡linear ¡proton ¡accelerator ¡

• 2019: ¡Provide ¡the ¡world's ¡most ¡advanced ¡tools ¡

for ¡studying ¡materials ¡with ¡neutrons ¡ (~ ¡450 ¡employees; ¡> ¡2500 ¡users ¡/ ¡year)

ESS ¡Energy ¡Policy: Responsible, ¡Renewable ¡and ¡Recyclable

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Renewable

100% ¡renewable ¡energy

Responsible

< ¡270 ¡GWh/year

Recyclable

All ¡recuperated ¡heat ¡will ¡be ¡reused

Board ¡decision ¡ June ¡2013 ¡

Energy ¡policy ¡impact ¡on ¡ESS ¡operations

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Responsible Renewable Recyclable

Operations ¡cost ¡ budget

15 ¡M€

• ­‑1,5 ¡M€
• ­‑1,5 ¡M€

+2 ¡M€ +3 ¡M€

300 ¡GWh, ¡0,05 ¡ €/kWh

• ­‑30 ¡GWh
• ­‑0,01 ¡€/kWh, ¡ stable ¡

and ¡predictable

Sales ¡of/utilization ¡

• f ¡excess ¡heat

to

Baseline REC

Positive ¡net ¡ effect

5-­‑6 ¡M€

270 ¡GWh, ¡0,04 ¡€, ¡ Sales ¡of ¡excess ¡heat

New ¡operations ¡ cost

9-­‑10M€

Energy ¡Inventory ¡2013:2

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Electricity ¡use ¡ GWh MW ¡max ¡power

Accelerator 119 18 Target 21 3 Cryo 44 6 Buildings 7 1 Instruments 11 1 Control ¡systems 3 Heat ¡Pumps 60 8 TOTAL 265 37

Heat GWh Electricity ¡needed ¡to cool ¡with ¡district ¡heating ¡(GWh) ¡

Low 73,5 35 ¡= ¡16 ¡(low ¡to ¡medium) ¡+ ¡19 ¡(medium ¡to ¡high) Medium 91 25 ¡(medium ¡to ¡high) High 88,5 Total 253 60

The ¡Baseline solution

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• In ¡the ¡baseline ¡solution, ¡ low ¡and ¡medium ¡cooling ¡loops ¡are ¡up-­‑

graded ¡through ¡ heat ¡pumps ¡into ¡suitable ¡temperature ¡so ¡that ¡it ¡ can ¡be ¡supplied ¡ to ¡the ¡local ¡district ¡heating ¡grid ¡(DH).

• The ¡return ¡feed ¡is ¡supplied ¡at ¡suitable ¡temperatures ¡and ¡low ¡

temperature ¡loop ¡is ¡achieved ¡through ¡ chillers.

• In ¡total ¡253 ¡GWh is ¡exchanged ¡from ¡ESS ¡to ¡

the ¡local ¡district ¡heating ¡net.

The ¡REC ¡solution

• The ¡REC ¡solution ¡consists ¡of ¡three ¡consecutive ¡biological ¡heat ¡sinks ¡

– 15 ¡ha ¡high-­‑intensive ¡green ¡house ¡production – 1000 ¡ton ¡re-­‑circular ¡on-­‑shore ¡fish ¡farm ¡(pike-­‑perch) – 10-­‑15 ¡ha ¡high-­‑intensity ¡ open ¡farmland ¡production, ¡ where ¡the ¡excess ¡heat ¡extends ¡ the ¡growing ¡season ¡allowing ¡higher ¡yearly ¡yield ¡per ¡HA

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• Supply ¡temp ¡is ¡55°C ¡and ¡

return ¡temp ¡is ¡15° C

• An ¡energy ¡storage ¡will ¡act ¡

as ¡buffer ¡and ¡seasonal ¡ storage ¡for ¡the ¡ intermittent ¡energy ¡ supply ¡from ¡ESS

• A ¡proposed ¡site ¡for ¡the ¡

REC ¡solution ¡is ¡the ¡ neighboring ¡ plot ¡E-­‑NE ¡of ¡ ESS ¡site ¡(+30 ¡ha)

The ¡Open ¡Call

• In ¡September ¡2013 ¡ESS ¡launched ¡an ¡Open ¡Call ¡searching ¡for ¡new ¡ideas ¡for ¡

medium ¡grade ¡heat ¡recycling

• Out ¡of ¡15 ¡responses, ¡six ¡were ¡selected ¡by ¡the ¡evaluation ¡committee ¡(both ¡

ESS ¡and ¡outside ¡participants)

• The ¡Recyclable ¡Energy ¡Cooperation ¡(REC) ¡was ¡initiated ¡spring ¡2014 ¡with ¡the ¡

goal ¡to ¡support ¡and ¡deliver ¡a ¡recycling ¡solution ¡for ¡ESS ¡that ¡was ¡not ¡ dependant ¡on ¡heat ¡pumps

• The ¡first ¡target ¡for ¡the ¡collaboration ¡was ¡to ¡deliver ¡a ¡business ¡case ¡by ¡the ¡

end ¡of ¡2014, ¡with ¡sufficient ¡data ¡to ¡be ¡a ¡basis ¡for ¡decisions ¡in ¡the ¡involved ¡

• rganisations

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Ideas and ¡Proposals from ¡The ¡Open Call

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• Recycling ¡of ¡nutrients

– Hybrid ¡cooling ¡chain ¡and ¡water ¡ treatment

• Production ¡of ¡cooling ¡with ¡

thermal ¡energy

– Ad/ab-­‑sorption

• Bio ¡production ¡of ¡food, ¡feed ¡

and ¡fuels

– Hybrid ¡cooling ¡chain, ¡micro ¡ algaes, ¡biogas ¡anaerobic

• Water ¡treatment

– New ¡system ¡for ¡water ¡treatment ¡ plants

• Thermal ¡storage

– Development ¡of ¡energy ¡layers

• Fuel ¡cells

– Suggested ¡method ¡is ¡MCFC ¡/ ¡ connected ¡to ¡biogas

• Oxygen ¡nitrogen ¡separation

– Utilising ¡temperature ¡diffs

• Ultra ¡pure ¡water ¡production

– New ¡technology ¡with ¡membranes

• Low ¡temp ¡district ¡heating

– Several ¡methods

The ¡REC ¡business ¡case ¡for ¡the ¡end ¡user Key ¡Figures:

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RES ¡business ¡ case ¡outcome: – Project ¡IRR ¡(pre ¡tax): ¡22.13% – Breakeven ¡at: ¡5th year ¡of ¡operation – 3.3 ¡M ¡€ Revenue ¡for ¡ESS ¡(sales ¡of ¡Energy) – 150-­‑200 ¡new ¡jobs ¡created * ¡At ¡this ¡moment ¡we ¡lack ¡data ¡whether ¡this ¡will ¡bring ¡profit ¡for ¡end ¡user ¡or ¡not ** ¡Its ¡plausible ¡that ¡an ¡energy ¡layer ¡would ¡be ¡able ¡to ¡supply ¡local ¡DH ¡with ¡energy ¡during ¡winter, ¡ and ¡therefore ¡could ¡generate ¡income *** ¡2% ¡inflation

In ¡M€ Investment cost Annual ¡Yield ¡ AnnualOPEX ¡*** Greenhouses 41.7 21.5 13.8 Energy ¡Storage 5.0 N/A N/A Fish ¡Farm 5.6 10.0 7.0 Open ¡Farmland 0.9 0 ¡* N/A Energy ¡distribution 0.25 0 ¡** N/A Sum 53.45 31.5 20.8

In ¡both ¡options, ¡we ¡have ¡a ¡full ¡heat ¡recovery ¡capacity ¡in ¡ place ¡by ¡31 ¡Dec ¡2019, ¡but ¡there ¡are ¡differences

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Baseline REC

• Full ¡heat ¡recycling
• Stable ¡revenue ¡stream
• Insignificant ¡power ¡

consumption

• Up ¡to ¡72 ¡MW ¡recycling
• External ¡benefits
• Generation ¡of ¡new ¡jobs ¡estimated ¡

to ¡150-­‑200 ¡FTEs ¡

• Increased ¡local ¡food ¡production
• Regional ¡increase ¡in ¡tax ¡return
• Reduced ¡emissions
• System ¡leap ¡in ¡recycling ¡systems ¡

for ¡heat ¡energy

• Full ¡heat ¡recycling
• Stable ¡revenue ¡stream
• Substantial ¡power ¡use ¡for ¡

HP

• Limited ¡to ¡42 ¡MW
• External ¡benefits
• Warm ¡homes ¡and ¡showers
• Local ¡Utility ¡profit ¡

Outside ¡ESS ¡technical ¡needs, ¡why ¡this ¡is ¡ important!

• Today ¡the ¡world ¡population ¡is ¡growing ¡rapidly ¡– we ¡are ¡estimated ¡to

reach ¡a ¡world ¡population ¡of ¡9 ¡billion ¡in ¡2050 ¡(from ¡7,3 ¡billion ¡today)

• Developing ¡countries ¡will ¡show ¡a ¡higher ¡growth ¡compared ¡to ¡the ¡industrialized ¡world ¡and ¡at ¡the ¡

same ¡time ¡the ¡consumption ¡rate ¡will ¡grow ¡in ¡parallel ¡to ¡the ¡development

• This ¡means ¡increasing ¡demand ¡for ¡food ¡and ¡water
• Nutrients ¡such ¡as ¡P ¡(phosphorous) ¡are ¡closing ¡to ¡a ¡peak ¡supply. ¡P ¡is ¡absolutely ¡essential ¡and ¡a ¡

limiting ¡factor ¡in ¡food ¡production. ¡At ¡the ¡same ¡time ¡most ¡food ¡production ¡systems ¡have ¡an ¡ unacceptable ¡nutrient ¡leakage ¡into ¡the ¡environment

• According ¡to ¡IEA ¡the ¡growth ¡in ¡energy ¡use ¡is ¡39% ¡since ¡1990
• 10% ¡(or ¡bn USD ¡6 ¡000) ¡of ¡the ¡worlds ¡GDP ¡is ¡spent ¡on ¡energy
• Production ¡and ¡usage ¡of ¡energy ¡is ¡strongly ¡linked ¡to ¡global ¡warming

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