Heating of airplanes – a new application of district heating : Product development of an air climate unit used for airplanes during ground service.

Flygbranschen står idag för 2 % av de globala utsläppen av fossil koldioxid och har som första världsomspännande industri enats om gemensamma globala miljömål för att minska sin klimatpåverkan. Fjärrvärmebranschen står inför tuffa utmaningar då fjärrvärmeunderlaget förutspås minska på sikt. Smart Climate Scandinavian AB:s idé att värma flygplan med fjärrvärme när de står parkerade på backen är världsunik och möter de behov som både fjärrvärme- och flygbranschen har, att hitta nya affärsområden respektive minska sina utsläpp. Syftet med detta examensarbete var att ta fram underlag för utveckling av nästa generations styrsystem för Smart Climates klimataggregat samt undersöka konsekvensen av byte från ett traditionellt aggregat till ett från Smart Climate med hänsyn till energieffektivitet, miljöbelastning och driftkostnad. Mätningar av de termiska egenskaperna hos ett flygplan av typen ATR72-500 genomfördes. Det genomsnittliga U-värdet beräknades till 2,0 W/(m2·K) och värmekapaciteten till 3,421 MJ/kg. Med Excel VBA programmerades en applikation som har använts och kan fortsätta användas som ett verktyg för produktutveckling. Denna applikation beräknar energibehovet för ett flygplan baserat på inställda parametrar, som till exempel utetemperatur och flygplanets termiska egenskaper. Med Excelapplikationen beräknades den potentiella energibesparingen vid införande av nattsänkning, det vill säga tillfälligt sänk temperatur i flygplanet, till ca 30 % av ursprungligt energibehov. En konsekvensanalys av byte från elbaserade aggregat till ett fjärrvärmebaserat aggregat med föreslagen nattsänkning genomfördes. Analysen avgränsar sig till flygplanet som systemgräns och saknar därför en jämförelse av skillnad i förluster som vartdera systemet har. Beräkningarna visar att nattsänkningen innebär en reduktion av det årliga behovet från 25000 kWh till 15500 kWh för en ATR72-500. Traditionella aggregat tillämpar inte denna reglerteknik. Byte av energikälla från el till fjärrvärme innebär en minskning av de globala CO2e-utsläppen med mellan 9000 och 22000 kg per år. Hur stor besparingen i driftkostnad blir beror på rådande energipriser. Vid utveckling av nästa generation styrsystem rekommenderas att nattsänkning införs för Smart Climates aggregat då det visat sig ge stora energibesparingar. Dessutom föreslås styrsystemet vara uppkopplat mot internet för att underlätta framtida reglerjusteringar, datainsamling och produktutveckling. Att styra tillförd effekt på kabintemperaturen har visat sig mer pålitligt än vid styrning med hänsyn endast till utetemperaturen. Framtida studier föreslås fokusera på att utvidga systemgränsen från flygplanet till att ta med energitransportförluster i beräkningarna. Förslagsvis utses en specifik flygplats och systemgränsen sätts vid flygplatsens energimätare för el respektive fjärrvärme. Optimering av glykol/vattenflöde och dimensionering av ledningar, strypventiler och pumpar är intressanta frågeställningar. Frigörande av kapacitet i flygplatsens transformatorstation kan i sig vara en orsak till att välja varmhållning av flygplan med fjärrvärme. Den kanske viktigaste konsekvensen av att ersätta el med fjärrvärme är att högvärdig energi kan användas där den behövs.The aviation industry today is responsible for 2 % of the fossil carbon dioxide emissions and has, as the first global industry, united around common goals for reducing its effect on climate change. The district heating industry faces tough challenges ahead considering the demand of its primary product is predicted to decrease in the longer run. Smart Climate Scandinavian AB’s idea of heating airplanes parked on ground with district heating unites the needs for both the aviation and district heating industry of reducing emissions and finding new areas of application respectively. The purpose of this thesis is to provide information for development of the next generation Smart Climate air climate unit control system and to study the consequences of changing from a traditional air climate unit to one from Smart Climate, with regard to energy efficiency, environmental impact, and operation cost. The thermal properties of an airplane of the type ATR72-500 where measured. The U-value was calculated to 2,0 W/(m2·K) and the heat capacity to 3,421 MJ/kg. An Excel application was programmed in Excel VBA to be used for product development. The application calculates the energy demand of an airplane based on settings such as outside temperature and the airplane’s thermal properties. The potential energy savings of introducing night time reduction, which is temporarily reducing the temperature in the airplane, is calculated to about 30 % of the initial energy demand. A consequence analysis of changing from a traditional electricity based air climate unit to one based on district heating with the proposed night time reduction was performed. The analysis was limited to the airplane as the system boundary and hence does not include energy losses which both systems have. The night time reduction is not implemented in traditional air climate units and hence the demand in energy is calculated to decrease from 25000 kWh to 15500 kWh per year for an ATR72-500. Changing energy source from electricity to district heating results in a reduced emission of CO2e of somewhere between 9000 and 22000 kg per year. How big the saving in operation cost will be depends on the energy prices for electricity and district heating. An introduction of night time reduction is recommended in the next generation control system of Smart Climate’s air climate unit since it evidently comes with great energy savings. It is also proposed that the next generation is wired up online on the internet. This will facilitate future setting adjustments, data gathering and product development. Also validated during the study is that the technique of regulating the temperature of inlet air by measuring the cabin temperature is more reliable than the traditional technique of using the outside temperature. It is suggested for future studies to include energy transport losses and hence should focus on one airport with well-defined system boundaries. A suggestion is using the same boundary as the energy meters of the airport. Optimizing glycol/water flow and dimensioning of pipes, valves and pumps are interesting issues to investigate. A reduced electricity demand will decrease the needed capacity of the transformer station and could give reason for considering heating airplanes with district heating. Perhaps the most important consequence of replacing electricity with district heating is that primary energy can be used where it is needed.