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 ¡17 th 2015

What ¡is ¡European ¡Spallation ¡Source? Europe ¡2019: ¡ The ¡European ¡Spallation ¡Source ¡ (<5 ¡MW) • One ¡of ¡Europe's ¡largest ¡planned ¡research ¡ infrastructure • Will ¡bring ¡new ¡insights ¡to ¡the ¡grand ¡challenges ¡ of ¡science ¡and ¡innovation • Collaborative ¡project: ¡Includes ¡more ¡than ¡17 ¡ countries ¡ Lund, ¡Sweden ¡ • 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) USA ¡2006: Japan ¡2008: 2 SNS (<1.4 ¡MW) JPARC ¡(<1MW)

ESS ¡Energy ¡Policy: Responsible, ¡Renewable ¡and ¡Recyclable Board ¡decision ¡ June ¡2013 ¡ Renewable 100% ¡renewable ¡energy Responsible Recyclable < ¡270 ¡GWh/year All ¡recuperated ¡heat ¡will ¡be ¡reused 3

Energy ¡policy ¡impact ¡on ¡ESS ¡operations 300 ¡GWh, ¡0,05 ¡ Operations ¡cost ¡ 15 ¡M€ €/kWh budget -­‑1,5 ¡M€ -­‑30 ¡GWh Responsible -­‑0,01 ¡€/kWh, ¡ stable ¡ Renewable -­‑1,5 ¡M€ and ¡predictable Baseline REC Sales ¡of/utilization ¡ Recyclable +2 ¡M€ +3 ¡M€ to of ¡excess ¡heat Positive ¡net ¡ 270 ¡GWh, ¡0,04 ¡€, ¡ 5-­‑6 ¡M€ Sales ¡of ¡excess ¡heat effect New ¡operations ¡ 9-­‑10M€ cost 4

Energy ¡Inventory ¡2013:2 Electricity ¡use ¡ GWh MW ¡max ¡power Accelerator 119 18 Target 21 3 Cryo 44 6 Buildings 7 1 Instruments 11 1 Control ¡systems 3 0 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 0 Total 253 60 5

The ¡Baseline solution 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. 6

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 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) 7

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 ¡ organisations 8

Ideas and ¡Proposals from ¡The ¡Open Call • Recycling ¡of ¡nutrients • Thermal ¡storage – Hybrid ¡cooling ¡chain ¡and ¡water ¡ – Development ¡of ¡energy ¡layers treatment • Fuel ¡cells • Production ¡of ¡cooling ¡with ¡ – Suggested ¡method ¡is ¡MCFC ¡/ ¡ thermal ¡energy connected ¡to ¡biogas • Oxygen ¡nitrogen ¡separation – Ad/ab-­‑sorption • Bio ¡production ¡of ¡food, ¡feed ¡ – Utilising ¡temperature ¡diffs and ¡fuels • Ultra ¡pure ¡water ¡production – Hybrid ¡cooling ¡chain, ¡micro ¡ – New ¡technology ¡with ¡membranes algaes, ¡biogas ¡anaerobic • Low ¡temp ¡district ¡heating • Water ¡treatment – Several ¡methods – New ¡system ¡for ¡water ¡treatment ¡ plants 9

The ¡REC ¡business ¡case ¡for ¡the ¡end ¡user Key ¡Figures: 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 RES ¡business ¡ case ¡outcome: – Project ¡IRR ¡(pre ¡tax): ¡22.13% Breakeven ¡at: ¡5 th 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, ¡ 10 and ¡therefore ¡could ¡generate ¡income *** ¡2% ¡inflation

In ¡both ¡options, ¡we ¡have ¡a ¡full ¡heat ¡recovery ¡capacity ¡in ¡ place ¡by ¡31 ¡Dec ¡2019, ¡but ¡there ¡are ¡differences Baseline REC •Full ¡heat ¡recycling •Full ¡heat ¡recycling •Stable ¡revenue ¡stream •Stable ¡revenue ¡stream •Substantial ¡power ¡use ¡for ¡ •Insignificant ¡power ¡ HP consumption •Limited ¡to ¡42 ¡MW •Up ¡to ¡72 ¡MW ¡recycling •External ¡benefits •External ¡benefits • Warm ¡homes ¡and ¡showers • Generation ¡of ¡new ¡jobs ¡estimated ¡ to ¡150-­‑200 ¡FTEs ¡ • Local ¡Utility ¡profit ¡ • Increased ¡local ¡food ¡production • Regional ¡increase ¡in ¡tax ¡return • Reduced ¡emissions • System ¡leap ¡in ¡recycling ¡systems ¡ for ¡heat ¡energy 11 11

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 • 12