Demand response at Porvoo refinery

Työssä selvitetään Neste Oyj:n Suomen Porvoon jalostamon mahdollisuuksia osallistua sähkön kysyntäjoustoon taloudellisesti kannattavasti aiheuttamatta haittaa jalostamon ydinprosessille eli öljynjalostukselle. Kysyntäjoustolla on mahdollista ylläpitää joustavasti sähkön kysynnän ja tarjonnan välistä tasapainoa ja sitä kautta sähköverkon taajuutta siinäkin tilanteessa, että energiajärjestelmässä merkittävästi lisätään joustamatonta uusiutuvan energian tuotantoa. Kysyntäjoustolla voidaan lisäksi taata sähkön riittävyys huippukysynnän aikaan, laskea keskimääräisiä energian tuotantokustannuksia ja pienentää verkkokapasiteetin lisäämisen tarvetta. Työn teoriaosassa analysoidaan pohjoismaisia sähkömarkkinoita ja kysyntäjouston markkinapaikkoja kuten Fingridin reservi- ja säätösähkömarkkinoita, Suomen tasehallintaa ja Nesteen omaa sähkönkulutusta ja sähkölaitteita. Fingridin kysyntäjoustomarkkinoille osallistuminen vaatii sähkölaitteelta hyvää säädettävyyttä, suurehkoa tehoa ja nopeaa aktivoitumisvastetta, jotta markkinapaikan vaatimukset saadaan täytettyä. Lisäksi Porvoon jalostamolla on tärkeää, ettei laitteen säätäminen aiheuta haittaa prosessille, mikä rajaa merkittävästi potentiaalisia joustokohteita, vaikka erilaisia pumppuja ja kompressoreita on jalostamolla yli 2 000. Tämän takia työn soveltavassa osassa keskitytään analysoimaan säiliöalueen pohjaöljyketjun varastosäiliöiden sähkölämmittimiä. Muut jalostamon kysyntäjoustomahdollisuudet analysoidaan lyhyesti. Pohjaöljysäiliön T47 uppokuumentimen potentiaalia ja soveltumista Fingridin teknisesti haastavalle taajuusohjatun käyttöreservin markkinalle tutkittiin laskemalla lämpöresistanssimenetelmällä säiliön lämpöhäviöt ja rakentamalla historiadataan pohjautuen malli, jolla pystytään ennustamaan pohjaöljyn lämpötilamuutoksia eri tilanteissa. Työn johtopäätöksenä todettiin, että uppokuumentimen automaattinen säätö taajuusohjatun käyttöreservin markkinalla sähköverkon taajuuden funktiona on teknisesti ja prosessin suhteen mahdollista toteuttaa eikä säätö aiheuta laitteelle teknistä kulumista. Investointi säiliöalueen pohjaöljysäiliöiden liittämisestä taajuusohjattuun käyttöreserviin todettiin työssä taloudellisesti kannattavaksi. Jatkossa on myös mahdollista lisätä reservin joustokapasiteettia esimerkiksi hyödyntämällä pohjaöljyketjuun liittyviä jakeluterminaalin sähkölämmittimiä.The possibilities to use demand response of electricity at Neste Corporation’s oil refinery in Porvoo are studied in this thesis taking into account economical side and the relevant refining process. Demand response is a flexible way to balance the supply and demand and also the electricity frequency in the grid even if inflexible renewable energy production increases in the energy system. Demand response can also be used to secure electricity supply in peak demands, decrease average energy production costs and the investment costs required in the electricity grid. In the literature section of the thesis Nordic electricity and demand response markets for example Fingrid’s reserve and balancing energy markets, Finnish balance model and the electricity usage and devices at the refinery are analyzed. It requires good adjustability, quite big capacity and fast activation time from the electrical device in order to meet the requirements of Fingrid’s demand response markets. In addition it is important that adjusting devices won’t affect the main process, which limits the potential demand response resources a lot, even though there are over 2 000 pumps and compressors at the refinery. Because of this, in the applied part of the thesis the focus in the analysis is in the vacuum residue chain at the tank farm and the electrical heaters of different vacuum residue tanks. Other possible demand response resources at the refinery are analyzed shortly. The potential of electrical heater of T47 vacuum residue tank and its suitability to Fingrid’s technically challenging Frequency Containment Reserve for Normal Operation (FCR-N) was studied by calculating heat losses of the tank with thermal resistance method and building a model based on history data, which can be used to predict the changes in the temperature of vacuum residue in the tank in different circumstances. As a conclusion, it was discovered that the automatic adjustment of heater’s power in the FCR-N market by following the frequency of the grid is technically feasible. Also the adjustment won’t harm the process or the device if done properly. The investment of adding tank farm’s vacuum residue tanks to the FCR-N market was found profitable. In the future it is also possible to add more resources to the FCR-N reserve by utilizing distribution terminal’s electrical heaters that are also part of the vacuum residue chain