Varmepumper på decentrale kraftvarmeværker En gennemgang af nyligt installerede varmepumper Energi og Klima Køle- og Varmepumpeteknik
Bjarke Paaske, Teknologisk Institut Bastiaan Pijnenburg, Teknologisk Institut John Tang, Dansk Fjernvarme
1
Titel: Varmepumper på decentrale kraftvarmeværker En gennemgang af recent installerede varmepumper
Udarbejdet af: Teknologisk Institut, Kongsvang Allé 29, 8000 Aarhus C Energi og Klima Køle- og Varmepumpeteknik September 2013
Udarbejdet for: Energinet.dk I forbindelse med PSO projekt 7136 Kontaktperson: Bjarke Paaske, E-mail:
[email protected]
Forfatter: Bjarke Paaske, Teknologisk Institut Bastiaan Pijnenburg, Teknologisk Institut John Tang, Dansk Fjernvarme
2
Forord Denne rapport er udarbejdet af Dansk Fjernvarme, FDKV og Teknologisk Institut som en del af PSO-projekt nr. 7136 ”Forøget fleksibilitet og effektivitet i energiforsyningen ved anvendelse af varmepumper i kraftvarmeværker”. PSO-projektets formål har primært været en demonstration af varmepumpeanlæg på decentrale kraftvarmeværker. Det oprindelige formål blev ikke opfyldt som forventet, fordi rammebetingelserne ikke var tilstrækkeligt gunstige, da projektet blev initieret. Sidenhen er flere større varmepumper dog blevet installeret ved forskellige kraftvarmeværker, og denne rapport beskriver seks af de varmepumpeløsninger, som producerer fjernvarme. Hensigten er at synliggøre forventninger og erfaringer med eksisterende og nye varmepumper. Projektgruppen håber, at rapporten kan bruges ved projektering af fremtidige varmepumper i kraftvarmeværker i Danmark. De samlede erfaringer kan forhåbentlig bidrage til bedre driftsøkonomi og større fleksibilitet i samspillet mellem energikilder, energilagre og energiforbruger samt bidrage til en større andel af vedvarende energi. Rapporten er primært rettet mod personer, som arbejder med fjernvarme- eller kraftvarmeanlæg, og personer, som er involveret i rådgivning og leverancer til disse anlæg. Rapporten er støttet økonomisk af Energinet.dk. Projektgruppen ønsker at takke medarbejderne ved de forskellige kraftvarmeværker, som har bidraget med værdifuldt input til rapporten. Den oprindelige projektgruppe bestod af: Advansor, Dansk Fjernvarme, Foreningen Danske Kraftvarmeværker, Brancheforeningen for Decentral Kraftvarme, Energi og Miljødata, Aalborg Universitet, HMN Naturgas og Teknologisk Institut. Undervejs i det oprindelige projekt, som har løbet siden 2007, er der udarbejdet flere delrapporter, som er nævnt i bilag B bagest i rapporten. Relevansen af de tidligere konklusioner vurderes dog ikke at være så interessante længere, fordi rammebetingelserne har ændret sig markant siden. De væsentligste forskelle er en højere gaspris, lavere elspotpriser og lavere energiafgifter på elektricitet. Herudover har beløbene for første års energibesparelse været relative høje i 2012 og 2013, hvilket betyder, at det også er interessant at udnytte industriel spildvarme til fjernvarmeproduktion via varmepumper.
3
Indholdsfortegnelse 1
Résumé .......................................................................................................... 6
2
Indledning ...................................................................................................... 7
3
Oversigt over undersøgte varmepumpesystemer ................................................. 9
4
Generel information om varmepumper ..............................................................11 4.1
5
6
7
Typer af varmepumper .............................................................................11
4.1.1
Kompressionsvarmepumper ................................................................12
4.1.2
Absorptionsvarmepumper ...................................................................13
4.1.3
Hybrid varmepumper ..........................................................................14
4.2
Effektivitet af varmepumper ......................................................................15
4.3
Varmeproduktionspris for varmepumper .....................................................15
4.4
Anvendelse af varmepumper .....................................................................17
4.5
Direkte varmeproduktion ...........................................................................17
4.6
Optimering af effektivitet på andre varmeproducerende enheder ....................17
4.7
Regulerkraftmarkedet ...............................................................................17
Case 1, Bjerringbro Varmeværk .......................................................................19 5.1
Beskrivelse af anlægget ............................................................................19
5.2
Beskrivelse af varmepumperne ..................................................................20
5.2.1
Varmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg ..............................20
5.2.2
Absorptionsvarmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg ..............20
5.2.3
Eldrevet varmepumpe til røggaskondensering på kedelanlæg ..................21
5.2.4
Køle/varmepumpe anlæg ....................................................................21
5.3
Beskrivelse af systemet ved hjælp af Energy Pro ..........................................23
5.4
Fleksibilitet ..............................................................................................26
5.5
Økonomi og afgifter ..................................................................................26
5.6
Erfaringer ................................................................................................27
5.7
Fremtidige forventninger ...........................................................................27
5.8
Nøgletal ..................................................................................................27
Case 2, Skjern Papirfabrik ...............................................................................29 6.1
Beskrivelse af systemet.............................................................................29
6.2
Økonomi og afgifter ..................................................................................30
6.3
Erfaringer ................................................................................................31
Case 3, Ans Varmeværk (projekteret) ...............................................................32 7.1
Beskrivelse af anlægget ............................................................................32
7.2
Varmepumpekonceptet .............................................................................32 4
7.3
Dimensionering ........................................................................................34
7.4
Økonomi ved systemet .............................................................................36
7.5
Forventninger ..........................................................................................37
7.6
Nøgletal ..................................................................................................37
8
Case 4, Lading Fajstrup Fjernvarme ..................................................................39 8.1
Beskrivelse af systemet.............................................................................39
8.2
Økonomi og afgifter ..................................................................................40
8.3
Nøgletal ..................................................................................................42
9
Case 5, Frederikshavn .....................................................................................43 9.1
Beskrivelse af varmepumpen .....................................................................43
9.2
Erfaringer ................................................................................................44
9.3
Nøgletal ..................................................................................................45
10
Case 6, Brædstrup Fjernvarme ......................................................................46
10.1
Beskrivelse af varmeværket....................................................................46
10.2
Beskrivelse af varmepumpen ..................................................................48
10.3
Økonomi og afgifter ...............................................................................48
10.4
Erfaringer .............................................................................................49
10.5
Nøgletal ...............................................................................................50
11
Konklusion .................................................................................................51
Bilag A: Referenceliste, varmepumper i kraftvarmeanlæg ..........................................52 Bilag B: Henvisning til delrapporter fra PSO projekt ..................................................54
5
1
Résumé
Denne rapport præsenterer en gennemgang af varmepumpeinstallationer i forbindelse med fjernvarme og kraftvarme i Danmark. Rapporten indeholder en beskrivelse af både de mest gængse varmepumpeteknologier, hvordan varmeprisen er sammensat, og hvordan varmepumper kan indgå i energisystemerne. For de seks fjernvarmesystemer beskrives de tekniske, økonomiske og driftsmæssige erfaringer med varmepumper. Rapporten er rettet mod dem, som arbejder med projektering, rådgivning, salg, installation og anvendelse af lignende installationer. Rapporten konkluderer, at varmepumper i mange tilfælde kan producere varme med en konkurrerende varmepris i forhold til gængse varmeproduktionsenheder og desuden være med til at øge fleksibiliteten i systemerne. Varmepumper kræver en brugbar varmekilde, og dette gør installationen mere kompleks end traditionelle varmeproduktionsenheder.
6
2
Indledning
EU’s klima- og energipakke fra december 2008 fastlægger, at der i 2020 skal være en andel af vedvarende energi på mindst 30 procent af det endelige energiforbrug. I 2035 skal hele el- og opvarmningssektoren være fossilfri, og i 2050 skal hele det danske samfund være baseret på 100 procent vedvarende energi. Store varmepumper kan være med til at nyttiggøre vedvarende energi (eksempelvis fra luft, jord, sol, eller søvand) og spilvarme (eksempelvis fra proces- og køleanlæg) til for eksempel fjernvarmesektoren. Der har de seneste år været en stigende interesse for at etablere store varmepumper til fjernvarmeproduktion. Herudover ses der en stigende interesse for at implementere varmepumper i energioptimering af kraftvarmeværker (eksempelvis røggaskøling på gasmotoranlæg). Den nye afgiftsomlægning i 2013, særligt vedrørende elafgifter i forbindelse med rumopvarmning, har forbedret de økonomiske forhold for varmepumper væsentligt. I dag er der imidlertid kun etableret få store varmepumper i Danmark. Projektgruppen antager dog, at der vil komme en væsentlig stigning i antallet af store varmepumper i de kommende år og ser derfor et behov for en samlet beskrivelse af de etablerede varmepumper. Problemformulering For at skabe resultater som kan bruges i forbindelse med fremtidige anlæg, har projektgruppen valgt at fokusere på varmepumpeinstallationer i seks fjernvarmesystemer. Der kigges på værkernes forventninger og hvordan disse er blevet indfriet: •
Hvad er værkernes forventninger til varmepumpeinstallationen med hensyn til blandt andet ydelse, driftsøkonomi, miljøbelastning og funktionalitet?
•
Hvad er værkernes erfaringer med de nyligt installerede store varmepumper efter idriftsættelse?
Metode Projektgruppen har undersøgt seks kraftvarmeværker, hvor der allerede er eller er ved at blive installeret varmepumper. Gennem interviews og gennemgang af relevant materiale er der for hvert værk samlet information til: •
en beskrivelse af selve anlægget med fakta og tal for komponenter, temperaturniveauer, energistrømme m.m.
•
en beskrivelse af overordnet økonomi, inkl. gældende afgiftsmodel
•
opsummering af forventningerne (funktion, ydelse, økonomi, etc.)
•
opsummering af erfaringer for de værker, hvor varmepumperne er i drift
•
Udfordringer og læring
7
Udover den detaljerede gennemgang af de seks værker er der lavet en opgørelse over kendte større varmepumpeinstallationer i Danmark. De mest relevante informationer er samlet i en tabel med oversigt over de forskellige varmepumper i kraftvarmeværkerne. Der er et indledende afsnit med generel information om varmepumpeteknologi til at øge forståelsen for resultaterne beskrevet i de øvrige kapitler. Der er ikke udført specifikke forsøg eller målinger til brug i denne undersøgelse. Der er kun brugt eksisterende data fra værkerne.
8
3
Oversigt over undersøgte varmepumpesystemer
Dette afsnit viser en kort oversigt over de forskellige varmepumper, som er beskrevet i rapporten. Desuden er der i bilag A en liste over kendte større eldrevne og absorptionsvarmepumper og deres hoveddata. Bjerringbro – eldrevet varmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg En lavtryks ammoniakvarmepumpe på ca. 760kW med nominel COP på 5,3 er installeret på motoranlæg nr. 1. Varmepumpen forvarmer returvand med kondenseringsvarme fra røggas, som køles til ca. 15°C i LT2 veksler. Total varmevirkningsgrad på motoren forbedres hermed ca. 10 %-point. Bjerringbro – absorptionsvarmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg En absorptionsvarmepumpe på ca. 700 kW til røggaskondensering er installeret på motoranlæg nr. 2. Varmepumpen forvarmer returvand. Der er ingen LT2 veksler og røggassen køles ned til ca. 25°C. Total virkningsgrad på motoren forbedres hermed ca. 5 %point. Bjerringbro – eldrevet varmepumpe til røggaskondensering på gaskedel En lavtryks ammoniakvarmepumpe på ca. 500kW med nominel COP på 5,2 er installeret på gaskedel nr. 3. Kedlens virkningsgrad forbedres med ca. 6 %-point. Bjerringbro – eldrevet varmepumpe til samproduktion af køl og varme Varmepumpen består af én et-trins og to to-trins ammoniakanlæg med en samlet varmeeffekt på ca. 3,7MW og en samlet køleeffekt på ca. 3,0MW. Varme COP er ca. 4,6. Varmepumpen køler kølevand fra 18°C til både 12°C og 6°C. Varmen udnyttes til opvarmning af fjernvarmevand til både 46°C og 67°C (nominelle data). De to varmestrømme blandes forskellige steder med varmt vand fra gasmotor og gaskedelanlæg. Den kolde brine bruges direkte ved Grundfos eller til nedkøling af et kuldelager i form af en grundvandsboring. Skjern – eldrevet varmepumpe til genvinding af spildvarme fra papirproduktion Varmepumpeanlægget består af tre ens ammoniakanlæg, som udvinder spildvarme fra tørringsprocessen. Anlægget er kombineret med en direkte varmeveksler og har en samlet ydelse på 5,3MW og en system-COP på 6,7. Ans – eldrevet varmepumpe med søvand som varmekilde Der installeres fire ens isobutan varmepumpeunits med en samlet varmeydelse på 1,5MW og en nominel COP på 3,5. Anlægget udnytter energi fra Tange Sø, som ligger i umiddelbar nærhed af værket. I dimensionering af anlægget tages der højde for at der kan forekomme perioder, hvor varmepumpen skal stå stille på grund af for lav vandtemperatur. Lading-Fajstrup – eldrevet varmepumpe på fjernvarme returvand Der er installeret to R-410A varmepumpeunits med en samlet varmeydelse på 128kW. Varmepumperne køler returvandet inden det løber ind i LT røggasveksleren. Hermed øges LT vekslerens effekt og den effektive COP af varmepumperne er ca. 2,6. Varmepumperne er koblet på lagertanken, så returvandet kan køles og lagres i bunden af tanken uafhængigt af drift med motoranlæg.
9
Frederikshavn – eldrevet varmepumpe på spildevand Der er installeret en CO2 varmepumpe med en total varmeydelse på 800kW. Varmepumpen består af 16 parallelt koblede kompressorer og har en samlet COP på ca. 2,8. Varmepumpen henter energi ud af spildevandet ved at køle det 3-4 grader ned inden det ledes ud til havet. Brædstrup – eldrevet varmepumpe i kombination med solvarme og sæsonlager Varmepumpen i Brædstrup er en ammoniak varmepumpe på 1MW med en nominel COP på 3,5. Varmepumpen er koblet på døgnlagertanken og er installeret i forbindelse med et solvarmeanlæg og et sæsonvarmelager. Varmepumpens primære opgave er at hæve temperaturen fra sæsonlageret.
10
4
Generel information om varmepumper
Varmepumper kan forbedre kvaliteten (temperaturen) af varmeenergi ved at flytte energi fra en varmekilde ved lavt temperaturniveau til en varmeafgiver ved højt temperaturniveau. Hertil bruger varmepumper en mængde energi, som typisk er betydelig mindre end den mængde, som flyttes. Figur 1 forklarer dette princip nærmere. Varmen strømmer altid fra en høj til en lav temperatur, men varmepumpen kan bruges til at flytte varmen til højere temperaturniveauer, hvilket giver mulighed for at udnytte energikilder med relative lave temperaturer til opvarmning.
Figur 1: Princippet for en varmepumpe.
Varmepumpens effektivitet udtrykkes som Coefficient Of Performance (COP), som er forholdet mellem den varmeydelse som varmepumpen leverer og den effekt som den dertil optager. Udtrykket COP bruges normalt også til at beskrive effektiviteten af et køleanlæg, hvor det beskriver forholdet mellem kuldeydelsen og effektoptag. Da varmepumpen og køleanlægget er to sider af samme system gælder følgende betragtninger for COP:
COPvarme =
Pafgiver Poptaget
Pafgiver = Pkilde + Poptaget
COPkulde =
Pkilde Poptaget
COP varme = COP kulde + 1
Eksemplet i Figur 1 giver således følgende resultater: COPvarme = 4 og COPkulde = 3. 4.1 Typer af varmepumper Der findes forskellige typer af varmepumper, men fælles for dem er, at de per definition skal bruge en vis mængde energi til at drive processen med at flytte varme fra kilden til afgiveren. Man kan derfor opdele varmepumper i forhold til, hvor drivkraften kommer fra: • •
Eldrevne varmepumper Varmedrevne varmepumper
Begge typer finder anvendelser i forbindelse med fjernvarme, fjernkøling og kraftvarmeanlæg. Eldrevne varmepumper er normalt udført som kompressionsvarmepumper med traditionel køleproces med fordampende kølemiddel. Varmedrevne varmepumper er typisk udført som absorptionsvarmepumper med kølemiddel og absorbent. I nyere tid anvendes også de såkaldte hybridvarmepumper, som kombinerer kompressions- og absorptionsteknologierne og anvender elektricitet som drivenergi. De tre principper, kompressions-, absorptions- og hybridvarmepumper, beskrives nærmere i følgende afsnit.
11
4.1.1 Kompressionsvarmepumper Eldrevne kompressionsvarmepumper er mest udbredte og er typisk baseret på traditionelle kompressionskøleanlæg, hvor varmeoptagelse og -afgivelse foregår ved at cirkulere et kølemiddel, lade det fordampe ved lave temperaturer og kondensere ved høje temperaturer. Ved at udnytte det faktum at kølemidlets kogepunkt ændres med tryk, kan fordampning og kondensering foregår ved forskellige temperaturniveauer. En kølekompressor trækker kølemiddeldamp ud af fordamperen ved lavt tryk og fører den op til kondensatoren ved højt tryk. I kondensatoren vil kølemidlet kondensere, da mætningstemperaturen er højere end varmeafgiverens temperatur, og derved afgives der nyttig varme. En ekspansionsventil styrer ekspansionen af kølemidlet, når det ledes fra højtryks- til lavtryksside. I fordamperen har kølemiddelvæsken en mætningstemperatur under varmekildens temperatur, og derfor fordamper kølemidlet, hvorved det optager varmen. Kompressoren drives typisk af en elmotor. Den simple skitse i Figur 2 viser princippet.
Figur 2: Princippet for kompressionsvarmepumpe.
Der er forskellige optimeringsmuligheder, når varmepumpernes ydelse skal forbedres. Her kan for eksempel næves, at kompressionsprocessen kan opdeles i flere trin, hvis temperaturløftet er stort. Afhængigt af temperaturniveau og temperaturforløb kan varmeveksling mellem kølemiddel og den sekundære kreds deles over flere vekslere. Hermed kan energien fra kølemidlet udnyttes optimalt. Den danske lovgivning forbyder brug af syntetiske kølemidler, når kølemiddelfyldningen er større end 10kg. Der er derfor udelukkende muligt at anvende naturlige kølemidler. Til større eldrevne varmepumper anvendes typisk CO2, NH3, Isobutan eller Propan. De enkelte teknologier har alle fordele og ulemper, og individuelle systemforhold vil betyde, at en særlig teknologi er mest hensigtsmæssig i et konkret system. COP for eldrevne varmepumpe afhænger i høj grad af temperaturforskellene imellem kilde og afgiver. Jo mindre forskel, jo højere COP. Der kan derfor være meget at hente ved at tænke varmepumper rigtigt ind i systemerne, så det sikres, at energien afleveres ved så lav en temperatur som muligt.
12
4.1.2 Absorptionsvarmepumper I modsætning til en kompressionsvarmepumpe, hvor processen drives ved hjælp af mekanisk energi i form af kompression, så drives processen i en absorptionsvarmepumpe ved hjælp af termisk energi i form af varme ved høj temperatur. Varmen til at drive processen kan komme fra røggas, damp eller en hedtvandskedel. En absorptionsvarmepumpe optager energi fra varmekilden i en fordamper ved lav temperatur og afgiver energi til varmeafgiver ved en temperatur imellem drivkilde og varmekilde. Varmen afgives i en kondensator og en absorber. Drivvarmen tilføres i den såkaldte generator også kaldet desorber. Absorptionsvarmepumper bygger på det princip, at bestemte væsker eller salte kan absorbere andre stoffer på gasform og få dem til at kondensere, så der frigives energi. De mest anvendte kølemidler er: • •
Vand (kølemiddel) og lithium bromid (absorbent) Ammoniak (kølemiddel) og vand (absorbent)
Systemets opbygning, som det kan ses i figur 3, består i den ene side af absorber, væskepumpe, desorber og ekspansionsventil. I den anden side ses fordamper, kondensator og ekspansionsventil. Kølemiddeldamp fra fordamperen absorberes ved lavt tryk i væsken, hvorved der genereres varme, som afgives. Væskeblandingen med høj koncentration af kølemiddel pumpes til desorberen på højtrykssiden. I desorberen koges kølemidlet ud af væsken ved hjælp af en ekstern varmekilde med høj temperatur. Kølemiddeldampen føres til kondensatoren, hvor det kondenserer og afgiver varme. Væsken med lav koncentration af kølemiddel føres tilbage til absorberen igennem en ekspansionsventil. Det kondenserede kølemiddel ekspanderes til et lavere tryk i fordamperen. I fordamperen koger kølemiddelvæsken, hvorved det optager energi fra varmekilden.
Figur 3: Princippet for absorptionsvarmepumpe.
Absorptionsvarmepumper har en teoretisk COP på 2,0, fordi hver enhed tilført varmeenergi teoretisk frigiver én enhed i kondensatoren og én enhed i absorberen. I praksis er der dog nogle interne varmetab, som betyder et vist spild af tilført varme, og COP er derfor typisk ca. 1,65-1,75. I modsætning til eldrevne varmepumper ændres COP stort set ikke, når temperaturniveauerne ændres. Før processen kan fungere, skal nogle bestemte 13
temperaturniveauer imellem de forskellige energistrømme være overholdt. Men så længe disse overholdes, er COP nogenlunde konstant. Har man en drivkilde med meget høj temperatur, er det muligt at udnytte den samme energi to gange i en såkaldt ”dobbelteffekt” varmepumpe. Herved opnås en COP på ca. 2,3. 4.1.3 Hybrid varmepumper En hybridvarmepumpe arbejder med vand og ammoniak som medier og kombinerer kompressions- og absorptionsteknologierne. Hybridvarmepumpen (se Figur 4) udnytter ammoniak/vandblandingens egenskab, nemlig at faseskift (kogning/kondensering) foregår over et stort temperaturinterval. På varmekildesiden optages varmen i desorber. En blanding af vand med en høj koncentration af ammoniak koger i desorberen, dog uden at fordampningen er komplet. Ved udgangen af desorberen udskilles ammoniakdamp, som suges op af kompressoren, mens væsken (som nu har en lav koncentration af ammoniak) pumpes af en væskepumpe. I absorberens tilgang blandes væske og damp, som nu er under højt tryk, og ved denne proces afgives varmen. En varmeveksler til intern varmegenvinding bruges til at forbedre processens effektivitet. Hybridvarmepumper er særligt egnet ved store temperaturløft, og da den arbejder ved relativt lavt tryk, er det muligt at bruge standard komponenter uden særlige krav til højt tryk. Ved at styre koncentrationen af blændingen kan processen tilpasses de eksterne konditioner.
Figur 4: Princippet for hybrid varmepumpe.
14
4.2 Effektivitet af varmepumper Der er forskel i effektiviteten mellem de forskellige varmepumpetyper på grund af forskellige virkningsmåder, konstruktionsprincipper, kompressortyper, kølemidler, etc. Varmepumper findes i mange varianter med hensyn til kapacitet (størrelse), virkningsgrad og pris. Både pris og effektivitet påvirker selvfølgelig varmeprisen. En høj pris giver høj afskrivning eller lang tilbagebetalingstid, og en høj effektivitet giver lavt strømforbrug og dermed lavere omkostninger til el. Effektiviteten af varmepumpen er stærkt afhængig af driftskonditionerne, som defineres af temperaturniveauer og temperaturglid (forskel mellem indløb og udløb) for varmekilde og varmeafgiver. Den bedste effektivitet opnås normalt ved lavest mulige temperaturløft, svarende til højest mulig temperatur i varmekilde og lavest mulig temperatur i varmeafgiver. I mange tilfælde vil temperaturen af varmekilden variere med tiden. Variationen er ofte sæsonbetonet, for eksempel ved solvarme eller søvand. Ved udnyttelse af industriel spilvarme kan variationen dog også afhænge af variationer i den produktionsproces, som genererer spildvarmen. Tilgængelighed af en egnet varmekilde til at dække et ønsket varmebehov er også en væsentlig faktor med hensyn til varmepumpens ydelse og effektivitet. Variation i temperaturniveauer for varmekilde og varmeafgiver er ofte i modfase. Om vinteren er temperaturen i varmekilden ofte lavest, mens den ønskede temperatur i varmeafgiveren er højest. Varmekilder som havvand og jordvarme har dog typisk en stor forsinkelse i deres temperaturforløb, hvilket betyder, at det koldeste niveau på varmekilde ikke nødvendigvis falder sammen med det varmeste niveau på varmeafgiver. Temperaturniveauer for varmeafgiveren er ofte defineret af eksisterende installationer, som er udformet med udgangspunkt i varmefremstilling igennem forbrænding af fossile brændstoffer. For at sikre lavest mulige temperaturniveauer ved varmeafgiveren kan en tilslutning af varmepumpen med mulighed for opblanding med varmere vand fra andre kilder være en mulighed til at optimere varmepumpens effektivitet. 4.3 Varmeproduktionspris for varmepumper Prisen for den varme, som produceres med fossile brændstoffer, er primært afhængig af brændstofpriser og afgifter og kun i mindre grad af temperaturniveauet for varmeafgiveren. Effektiviteten af en gaskedel eller gasmotor kan optimeres ved for eksempel at udnytte kondenseringsvarme i røggasen, hvilket er muligt, når returtemperaturen fra varmeafgiveren (f. eks. returvand fra fjernvarmenettet) er lav. Ved denne form for optimering kan effektiviteten normalt forbedres med nogle procenter. Variation i effektiviteten af gaskedler eller gasmotor er dog normalt meget begrænset. Ved varmepumper derimod kan effektiviteten variere meget afhængigt af driftskonditionerne. Der ses for eksempel variationer i COP op til en faktor 2 (COP mellem ca. 3 og 6) inden for anvendelser i fjernvarme i Danmark. De variable varmeomkostninger til produktion af varme med en varmepumpe er altså meget afhængige af varmepumpens COP. Ved eldrevne varmepumper er omkostninger til strøm afhængig af elprisen, elafgifter og diverse tariffer. Elprisen er sat sammen af forskellige elementer. Udover omkostninger til el kan der, afhængigt af den valgte varmekilde, være pligt til at betale overskudsvarmeafgift. Typisk vil man derudover også afsætte beløb til service og vedligehold samt afskrivning. Den variable varmeproduktionspris for en varmepumpe vil derfor typisk komme til at se ud som beskrevet herunder med gældende og delvis anslåede tariffer for 2013. Inden man går i gang med at installere en varmepumpe, bør man altid undersøge de skatte- og afgiftsmæssige forhold for det konkrete projekt ved for eksempel at alliere sig med sin revisor eller ved at få et bindende svar fra Skat.
15
Direkte el-omkostninger: El spotpris (markedspris) Transmission, distribution, systemtarif1: PSO-tarif El omkostninger i alt
300 220 172 642
kr./MWh (anslået) kr./MWh kr./MWh kr./MWh-el
Afgifter på eldrevne varmepumper, der drives af momsregistrerede virksomheder, udgør i 20132: Energiafgift Energisparebidrag Eldistributionsbidrag Tillægsafgift Energispareafgift Elafgift i alt
647 kr./MWh (er anført i lovens bilag 2) 6 kr./MWh 40 kr./MWh 62 kr./MWh (er anført i lovens bilag 2) 65 kr./MWh 820 kr./MWh-el
Hvis varmen anvendes til rumopvarmning i momsregistrerede virksomheder, tilbagebetales en andel af afgiften (2013 tal)3: -413 kr./MWh Elafgift i alt efter tilbagebetaling:
407 kr./MWh-el
I tilfælde af køb af overskudsvarme skal der betales overskudsvarmeafgift på 38 % (2013) af vederlaget for den del af varmen, der overstiger tre gange elforbruget i varmepumpen4. Desuden skal der afsættes et beløb til drift og vedligehold samt afskrivning, som er anslået til: Service og vedligehold Afskrivning
5 - 10 kr./MWh-varme 50 - 70 kr./MWh-varme
Når elprisen købes på spotmarkedet, spiller den ind på varmeproduktionsprisen, og ved meget høje elpriser vil varmepumpen derfor typisk ikke længere være konkurrencedygtig i forhold til andre produktionsformer. Elspotprisens fordeling i 2012 er vist i Figur 5, som viser, at elprisen i 2012 var under 400 kr. i ca. 90 % af tiden og under 300 kr. i ca. 70 % af tiden. Elpriserne vil variere fra år til år og betragtninger, som baserer sig på elpriser fra foregående år, skal derfor anvendes med omhu. Ifølge information fra Energi Danmark vil man kunne fastlåse elprisen på ca. 300 kr./MWh for de kommende ca. fem år.
1 Kilde energinet.dk for 2013: nettarif 4,0 øre/kWh, systemtarif 3,0 øre/kWh. Anslået distributionstarif 15 øre/kWh. 2 § 6 stk. 2 i Lov om Afgift af Elektricitet omhandler forbrug af anden elektricitet. Ifølge Lov om kuldioxidafgift (LKA), så skal der betales Energispareafgift af anden elektricitet. For virksomheder med processer omfattet af LKA § 9 og bilag 1 i LKA, kan der ydes hel eller delvis tilbagebetaling af Energispareafgiften (tung proces). 3 § 11 stk. 3 i Lov om afgift af elektricitet 7 – 11 punktum. 4 § 11 stk. 9 i Lov om afgift af elektricitet.
16
hyppighed (%)
el spot pris 2012 histogram, kumulativ 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
50
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 el spotpris (kr./MWh) Figur 5: Histogram for elspotpriser i 2012.
4.4 Anvendelse af varmepumper Varmepumper kan opfylde forskellige roller i et varmeproduktionssystem, og det er vigtigt at vurdere de forskellige muligheder inden et anlæg projekteres. Dette kan være som ”stand-alone” enheder, der producerer varme uafhængigt af andre varmeproduktionsenheder, i kombination med andre enheder, eller begge dele. 4.5 Direkte varmeproduktion Varmepumper kan bruges til opvarmning af vand som erstatning for eller tillæg til eksisterende varmeproduktionsenheder (såsom gaskedler og gasmotor). Eldrevne varmepumper kan skabe større fleksibilitet på fjernvarmeværker med hensyn til anvendelse af forskellige energiformer og kan mindske afhængighed af brændsler. Varmepumper kan levere varmt vand på det temperaturniveau, som fremløbet i fjernvarmenettet kræver. Ofte kan det dog være en god idé at se på muligheder for at sænke vandtemperaturen ud af varmepumper for efterfølgende at blande det med varmere vand, for eksempel fra gaskedler. På denne måde kan den ønskede fremløbstemperatur i fjernvarmenettet opretholdes, imens varmepumpens COP og dermed varmeproduktionsprisen optimeres. 4.6 Optimering af effektivitet på andre varmeproducerende enheder Udover varmeproduktion kan det også tænkes, at varmepumper kan bruges til at øge temperaturdifferensen mellem top og bund i lagertanke, nedkøle returvand til optimering af effektivitet af varmeværker eller nedkøle koldt vand til solfangerinstallationer med hensyn til at øge deres kapacitet. Disse forskellige anvendelsesmuligheder er ikke nødvendigvis alle økonomisk rentable, men der kan være forhold, hvor en sådan anvendelse alligevel kan være interessant. 4.7 Regulerkraftmarkedet Varmepumper kan indgå i balancering af elsystemet ved at omsætte strøm til varme eller ved at kunne blive slukket i perioder. Regulerkraftmarkedet opdeles i tre områder: primære reserver (frekvensregulering), sekundære reserver og manuelle reserver. Sammenhængen mellem de forskellige reserver er skitseret i nedenstående figur.
17
Effekt
Primære/FNR reserver
Sekundære reserver
Manuelle reserver
I tilfælde af at øvrige reserver udebliver
Tid 30 s
15 min
t
t+15 min
Figur 6: Regulerkraftmarkedet.
Det forventes, at varmepumper kun vil indgå i de manuelle reserver, hvilket dog forudsætter, at der kan samles puljer på mindst 10MW el-effekt. Varmepumper vil indgå som opregulering og el-patroner som nedregulering. De kan derfor ikke puljes sammen. Motoranlæg vil også indgå som opregulering, men fordi de producerer, og varmepumper forbruger, er det heller ikke muligt, at samle varmepumper og motoranlæg i samme pulje. Selvom man havde muligheden skal det dog også nævnes, at gevinsten vil være meget begrænset sammenlignet med den direkte besparelse, som varmepumperne giver. Start, stop og op- og nedkørsel af industrielle varmepumper vil typisk strække sig over en periode på mellem et par minutter og en halv time, afhængigt af opbygning og størrelse. Dette gør, at varmepumperne ikke umiddelbart egner sig til de hurtige regulereringskrav. Indtil videre anvendes varmepumper ikke på regulerkraftmarkedet. De primære reserver i øst er varetaget af forbindelsen til Sverige, og de sekundære reserver vil fra 2014 blive varetaget af forbindelsen til Norge.
18
5
Case 1, Bjerringbro Varmeværk
5.1 Beskrivelse af anlægget Bjerringbro Varmeværk ejer både et varmeværk og et kraftvarmeværk i Bjerringbro. Herudover driver Bjerringbro Varmeværk en energicentral med et kombineret køle- og varmepumpeanlæg placeret ved Grundfos A/S. Varmeværket kan producere fjernvarme på forskellige vis: • • •
med tre gaskedler, der er placeret på varmeværket med fire gasmotoranlæg, der er placeret i kraftvarmeværket med to to-trins og én et-trins varmepumpe, placeret i energicentralen ved Grundfos
Der er placeret lagertanke ved gasmotoranlæggene til korttidslagring og i forbindelse med energicentralen udnyttes udtjente grundvandsboringer til lagring af energi til kuldeproduktion ved Grundfos. Varmeværket forsyner forbrugerne igennem varmecentralen ved varmeværket, som også distribuerer varmen lavet på kraftvarmeværket ud til Bjerringbro by. Varmen ledes gennem et hovedledningsnet på ca. 40 km og et stikledningsnet på ca. 28 km. Antallet af forbrugere er ca. 2100, med Grundfos som den største kunde med ca. 24 % af det samlede varmeforbrug. Varmetabet i fjernvarmenettet er forholdsvis lavt, da Grundfos som storkunde er placeret direkte ved siden af kraftvarmeværket, hvorfor nettabet for varmeleverancen til Grundfos er minimal. Med den nye energicentral leverer varmeværket desuden køleeffekt til Grundfos. Billedet nedenfor viser en oversigt over Bjerringbro varmeværk.
Figur 7: Oversigt over Bjerringbro Varmeværk.
19
5.2
Beskrivelse af varmepumperne
5.2.1 Varmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg Der er monteret en varmepumpe på motoranlæg M1 til forbedring af motorens varmevirkningsgrad (se Figur 8). Varmepumpen køler røggassen efter LT-2 veksler og forvarmer returvandet inden dette ledes til motoren. Da vandet blot forvarmes til omkring 45°C anvendes et traditionelt 25 bars køleanlæg. Køleanlægget kan anvendes som varmepumpe, så længe fremløbstemperaturen er under ca. 50°C. Denne type anlæg er billig i indkøbspris og har en høj virkningsgrad. Varmepumpen har en nominel varmeeffekt på 760 kW og en COP på 5,3. Ved hjælp af varmepumpen stiger den samlede varmevirkningsgrad for gasmotoren med ca. 10 %point. Varmepumpen har dog et el-forbrug, som naturligvis påvirker den samlede elvirkningsgrad.
Figur 8: Principskitse over varmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg.
el
røggas
natur-gas
5.2.2 Absorptionsvarmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg På motoranlæg M4 er der monteret en absorptionsvarmepumpe på ca. 700 kW. Som ved det foregående anlæg udvinder varmepumpen yderligere energi fra røggassen ved kondensering af denne (se Figur 9). I modsætning til det foregående tilfælde bruger dette anlæg ikke elektricitet og udnytter udelukkende den høje temperatur i røggassen. På dette anlæg findes der ikke en LT2 veksler, og tallene er derfor dog ikke direkte sammenlignelige med det foregående. Motoranlæg med absorptionsvarmepumpen hæver varmevirkningsgraden med ca. 5 %-point, uden påvirkning af el virkningsgraden.
Figur 9: Principskitse over absorptionsvarmepumpe til røggaskondensering på motoranlæg.
20
5.2.3 Eldrevet varmepumpe til røggaskondensering på kedelanlæg Den ene kedel, K3, er ligeledes forsynet med en varmepumpe til røggaskondensering (se Figur 10). Kedlen er i forvejen udstyret med en LT-veksler og har høj virkningsgrad. Varmepumpen øger dog varmevirkningsgraden for gaskedlen med ca. 6 %-point fra 103 % til 109,2 %. Her bidrager varmepumpen med 500 kW varmeeffekt nominel med en COP på 5,2. 90°C fjernvarme frem fjernvarme retur
45°C
35°C
15°C 140°C
natur-gas
kedel
røggas veksler
LT veksler
el dreven VP
Figur 10: Principskitse over varmepumpe til røggaskondensering på kedelanlæg.
5.2.4 Køle/varmepumpe anlæg Som nævnt tidligere, er der opført en energicentral til samproduktion af varme og kulde. Varmen udnyttes i fjernvarmenettet og kølingen dækker en stor del af Grundfos’ proceskøl. Der er installeret én et-trins køle/varmepumpe og to to-trins køle/varmepumper (se figur 11 for en principskitse af to-trins anlægget) med en samlet varmeeffekt på ca. 3,7 MW og en køleeffekt på ca. 3,0 MW. Det nominelle elforbrug er på 770 kW. Billede 1 viser en del af anlægget. Grundfos forsynes med koldt vand på to temperaturniveauer, henholdsvis på 12°C og 6°C. Samtidigt leverer anlægget varmt vand til fjernvarmenettet på to temperaturniveauer, henholdsvis på 46°C og 67°C. Varmepumpe VP1 køler vandet fra 12°C til 6°C, mens VP2 og VP3 køler vandet fra 18°C til 12°C. Varmepumperne VP1 og VP2 varmer vandet i dæksler og væskeunderkøler fra 37°C til 46°C. Kondensatorerne i VP1 og VP2 varmer vandet fra 46°C til ca. 57°C, imens overhedningsfjerner på lav- og højtrykskompressoren varmer vandet fra 37°C til ca. 70°C, således at det samlede vand fra kondensator og overhedningsfjernere når 67°C. VP3 er en et-trins varmepumpe, som varmer vandet i dæksler og kondensator fra 37°C til 46°C, imens overhedningsfjerneren varmer vandet til 67°C. Begge varmestrømme på 46°C og 67°C blandes forskellige steder i det varme fremløb fra kraftvarmeværket, således at man kan tilgå varmeleverancen direkte til Grundfos eller til Bjerringbro by igennem varmefordelingscentralen på varmeværket (se også Figur 7). Ved at lade varmepumperne i energicentralen levere vand på to temperaturniveauer, kan kondenseringstemperaturen holdes nede, hvilket sikrer en høj COP for varmepumpen. Varmestrømmen på 46°C blandes med produktionen fra øvrige anlæg, så den rigtige fremløbstemperatur nås. Dette er muligt, fordi delstrømmen på 46°C kun udgør en lille del af den samlede varmeproduktion. Grundfos kan igennem en ventilstation bruge gamle grundvandsboringer som kuldelager. Kuldelageret har en forventet minimumskapacitet på 3500 MWh. Kølelageret bruges til at dække kølebehovet om sommeren, hvor varmebehovet er lavt og hvor det ikke forventes, at køle/varmepumpeanlægget kører. Anlægget er konstrueret således, at vinterens fjernvarmeproduktion kan lagre kulde til sommerperioden, hvor kuldebehovet overstiger varmebehovet (se også Figur 7).
21
fjernvarme frem 67°C
kompressor LT
kompressor HT
overhedningsfjerner LT
overhedningsfjerner HT
kondensator HT ekspansion LT
fjernvarme frem 46°C
ekspansion HT
mellemkøler
fjernkøl frem 12°C underkøler HT
fordamper fjernkøl retur 18°C
fjernvarme retur 37°C
Figur 11: Principskitse over to-trins køle/varmepumpe i energicentral.
Billede 1:Varmepumper i energicentral.
22
5.3 Beskrivelse af systemet ved hjælp af Energy Pro Anlægget er modelleret i EnergyPro for at visualisere driftsomkostningerne for de forskellige enheder. Modelopbygningen er vist i figur 12. Der er anvendt konstante virkningsgrader for motorer og gaskedler samt konstante COPværdier for varmepumperne.
Figur 12: Modelopbygning af system. Varmeproduktionsstrategi beregnet med EnergyPro baseres på netto produktionsomkostninger. I virkeligheden vil varmepumpedrift ikke kunne vælges frit, da man samtidigt skal dække kølebehovet ved Grundfos. Netto produktionsomkostninger for værket ser ud som vist i Figur 13.
23
Figur 13: Netto produktionsomkostninger vs. elspotpris med elafgift for 2013 (godtgørelse 413kr/MWh).
Figur 13 viser netto produktionsomkostningerne for de forskellige enheder. De tre kedelanlæg udgør de vandrette streger, da de er uafhængige af elprisen. Graferne for Kedel 1 og Kedel 2 ligger oveni hinanden, hvorfor kun den grønne streg for K2 ses. NPO for K3 er en anelse lavere på grund af varmepumpen, som hæver virkningsgraden. M1 - M4 er de fire motoranlæg. Her ses det, at M1 og M4 har den laveste NPO, som igen skyldes kombinationen med varmepumper. For M1 er forskellen størst ved lave spotpriser, fordi denne er kombineret med en eldrevet varmepumpe. Absorptionsvarmepumpen på M4 er ikke påvirket af elmarkedet, og M4’s hældning følger således de øvrige motoranlæg. Kurverne for VP1-VP3 viser NPO for de tre varmepumper på energicentralen. Energicentralens varmepumper har laveste produktionsomkostninger så længe spotprisen er under ca. 430 kr. Med udgangspunkt i elspotpriserne for 2012 ville varmepumperne på energicentralen være den billigste produktionsenhed i ca. 93 % af tiden. Dette baseres på histogrammet for elspotprisen for 2012 (se Figur 5). En typisk produktionsuge om vinteren og om sommeren er vist nedenfor. De tre varmepumper kører stort set hele tiden. Om vinteren kører gaskedlerne ved lave elpriser og ved højere elpriser kører én eller flere motoranlæg. Om sommeren kører de tre varmepumper også meget, men da de ikke kan dække hele behovet, udnyttes varmelageret til produktion med de øvrige anlæg i timer med gunstige elpriser.
24
Figur 14: Varme- og elproduktion i en typisk uge om vinteren.
Figur 15: Varme- og elproduktion i en typisk uge om sommeren.
25
5.4 Fleksibilitet De forskellige varmepumper giver værket i Bjerringbro en vis fleksibilitet, så gasmotorerne bedre kan driftes ved høje elpriser, og varmen kan lagres i de store akkumuleringstanke. På grund af grundvandslageret er der også en vis fleksibilitet på varmepumpeanlæggene. Man kan derfor i perioder med lave elpriser fortrinsvis producere varme med el. I forbindelse med kuldeproduktion til Grundfos produceres en del varme til varmenettet og ved at bruge kuldelageret kan kulde også produceres om vinteren, hvor der er størst varmebehov og mindst kølebehov, ved at lagere køl i grundvandsboringerne. Derudover opnår varmeværket også en stor fleksibilitet ved at udnytte muligheden for at blande op til 95°C varmt vand fra kedler og motorer med lunkent vand fra varmepumperne. Da varmepumperne kun dækker en del af behovet, er det for det meste nødvendigt at køre samtidigt med enten kedel og/eller motoranlæg. Her kan den høje fremløbstemperatur fra kedel og motoranlæg med fordel udnyttes til at holde fremløbet fra varmepumperne så lav som muligt, mens fremløbet til slutforbrugerne kan holdes inden for de lovede grænser. Dette princip bruges til alle varmepumperne, men køle/varmeanlægget er herudover opbygget på en sådan måde, at det altid leverer to temperaturniveauer. Forholdet og temperaturniveauerne kan styres og optimeres for at opnå den lavest mulige samlede netto produktionsomkostning. 5.5 Økonomi og afgifter Der er en særlig god økonomi ved denne type anlæg, da både varme- og kuldeproduktion har høj værdi. Med en varme-COP på 4,5 fås der derfor 3,5 enheder køleeffekt og 4,5 enheder varmeeffekt for hver enhed forbrugt strøm. Som udgangspunkt betales der fuld afgift af strøm til varmepumperne, og Grundfos kan herefter få en del refunderet, da kølingen bruges til proces. Udover strømpris og afgifter ligger der også en omkostning til service og vedligehold samt til afdrag på investeringen. Grundfos betaler det, der svarer til produktionsprisen for et normalt køleanlæg. På samme vis betaler varmeværket det, der svarer til varmeprisen for et normalt kedelanlæg og summen af solgt varme og kulde lægges sammen, hvorefter produktionsomkostningerne fratrækkes. Dette resulterer i et overskud, som deles ligeligt mellem Grundfos og Varmeværket. Varmeværket kan få godtgjort en del af afgiften af den el, som bruges til varme, da varmen bruges til drift af varmepumper i forbindelse med rumopvarmning. Andel af strøm, der bruges til varme, svarer til: ܲ→௩
ܱܲܥு ܱܲܥு + ܱܲܥ
Grundfos kan få en del af den el, som bruges til køleydelsen, godtgjort, da køling bruges til procesformål. Den andel af strømmen, som bruges til køl, er: ܲ→ø
ܱܲܥ ܱܲܥு + ܱܲܥ
Eksempel: Ved en varme-COP (COP-H) på 5 laves der samtidigt 5MW varme og 4MW køl per MW el. Tilsammen er det 9MW termisk energi, hvilket betyder, at 5/9 af strømmen går til varme og 4/9 går til køl.
26
5.6 Erfaringer Ifølge driftslederen lever alle varmepumperne absolut op til forventningerne, både hvad angår service, drift og support. De er meget driftssikre, og kompressionsvarmepumperne kan serviceres af montører i nærheden. Absorptionsvarmepumpen kan kun serviceres af specialister, men den er meget driftssikker. Der har været problemer med absorptionsvarmepumpen, fordi røggassen ledes direkte fra motoren ind i varmepumpen. Varmepumpens veksler var dog ikke egnet til røggas og den måtte derfor skiftes til en anden type, hvorved problemet er løst. Normalt drives varmepumperne via en mellemkreds med enten damp, hedt vand eller olie, hvilket ikke giver anledning til problemer. Skal en varmepumpe drives direkte af røggas, skal det derfor sikres, at den udstyres med en egnet veksler. Erfaringen viser, at absorptionsvarmepumpen egner sig bedst til stabil drift, hvor de eldrevne varmepumper kan starte og stoppe hyppigere. 5.7 Fremtidige forventninger Bjerringbro Varmeværk forventer yderligere muligheder for en mere effektiv udnyttelse af værket ved at anvende decentrale varmepumper i nettet til afkøling af returvand. Dette vil give lidt bedre effekt på de øvrige motor/kedelanlæg og samtidigt forbedre COP på de eksisterende varmepumper til røggaskondensering. 5.8 Nøgletal Hvis ikke andet er angivet, er tallene for 2012 følgende: •
Varmeproduktion: 84.402 MWh
•
Varmesalg: 69.683 MWh
•
Ledningstab: 14.539 MWh (ca. 17 %)
•
Antal forbrugere: 2099, største kunde Grundfos A/S, ca. 24 % af total varmeleverance
•
Primær energi: naturgas (Nordpool gas) og el (spotprismarkedet)
•
Volume døgnvarmelager: 6.400 m3, svarende til ca. 320MWh
•
Volume sæsonkølelager – grundvandsboringer: Volumen er ukendt, men kapaciteten er min. 3.500 MWh køleeffekt
•
Gaskedler: tre styks Danstoker naturgasfyrede kedler med en samlet varmeeffekt på 28 MW. Varmevirkningsgrad på ca. 103 % Kedel nr. 3 er suppleret med en eldrevet varmepumpe til røggaskondensering og derved øges varmevirkningsgrad til 109,2 %
•
Gasmotoranlæg: fire styks 18 cyl. Bergen Engines KVGS4 med en samlet el-effekt på 13 MW og en samlet varmeeffekt på 18 MW. Virkningsgrader på motoranlæg: M1 el 40,9 %, varme 65,9 %, med el-drevet VP, Sabroe Chillpac, til røggaskondensering M2 el 41,1 %, varme 55,5 %, udstyret med LT2 veksler M3 el 41,4 %, varme 54,5 %, udstyret med LT2 veksler M4 el 41,4 %, varme 59,0 %, absorptions VP, Thermax, til røggaskondensering
27
•
Et køle-/varmepumpeanlæg, samlet kuldeproduktion 3 MW, varmeproduktion 3,7 MW, elforbrug 0,77 MW.
•
Fjernvarme fremløb: 65 – 70°C
•
Fjernvarme retur fra nettet: ca. 35-40°C
28
6
Case 2, Skjern Papirfabrik
6.1 Beskrivelse af systemet Skjern Papirfabrik genvinder overskudsvarme, som sælges til Skjern Fjernvarme. Overskudsvarmen genvindes dels ved dampproducerende kedelanlæg ved direkte varmeveksling og dels fra tørreprocessen via en kombination af direkte varmeveksling og varmepumper. Anlægget til genvinding af energi fra tørreprocessen blev sat i drift i december 2012. Skjern Papirfabrik forventes i alt at levere ca. 36.000 MWh årligt til Skjern Fjernvarme. Til sammenligning havde Skjern Fjernvarme i 2012 en total produktion på 79.136 MWh. Skjern Fjernvarme leverer varme til ca. 3000 forbrugere. Varmeproduktion fra Skjern Papirfabrik vil derfor komme til at udgøre ca. 45 %. Varmepumpeanlægget genvinder energi fra tørreluft, som tidligere blev ledt direkte ud til det fri. Fjernvarmevandet skal opvarmes fra ca. 37°C til 68°C, og da tørreluften er imellem 50°C og 55° C klares den første del af opvarmningen med direkte varmeveksling, imens varmepumperne flytter energien i det temperaturområde, som ikke er muligt med direkte veksling. Fjernvarmenettet er koblet direkte på anlæggene, som også er forsynet med en akkumuleringstank til at stabilisere produktionen. Varmepumperne er tre ens parallelkoblede ammoniakanlæg med en samlet ydelse på ca. 4 MW. I kombination med den direkte varmegenvinding bliver den totale varmeffekt fra tørreprocessen ca. 5,4 MW. Anlægget er placeret ved og drives af Skjern Papirfabrik, og varmeværket har derfor ikke selv driftsansvar for den del, som købes ved Skjern Papirfabrik. Figur 16 viser et simplificeret diagram af anlægget.
Figur 16: Luft/vand veksler og varmepumpe i kombination med direkte varmeveksling.
29
6.2 Økonomi og afgifter Da varmen, som genvindes, stammer fra afgiftsfritaget procesenergi, skal der betales overskudsvarmeafgift, når den genvindes til rumvarme. Skjern Papirfabrik anmodede om et bindende svar fra Skat med hensyn til overskudsvarmeafgift, men fik i første omgang afslag. Skjern Papirfabrik påklagede afgørelsen og fik herefter medhold i, at den del af varmen som svarer til tre gange elforbrug i en varmepumpe er fritaget for overskudsvarmeafgift. I 2013 udgør overskudsvarmeafgiften 38 % af vederlaget, som varmen sælges for. Udover overskudsvarmeafgiften betales de forskellige afgifter for den strøm, som anvendes. PSO-bidraget kan ikke refunderes som ved kraftvarmeproducenter, men med de nye regler, som trådte i kraft i 2013, refunderes en stor del af energiafgiften, så denne i alt udgør 407 kr./MWh-el. Produktionsprisen for varmen er dermed sammensat af: • • • •
Indkøb af elektricitet (inkl. elafgifter) Overskudsvarmeafgift for varmeandel over COP=3 Drifts- og vedligeholdsomkostninger Afskrivning
I den første driftstid var varmeprisen baseret på et fast dækningsbidrag, som lægges ovenpå produktionsprisen. Skjern Papirfabrik garanterer en minimums COP for anlægget samtidigt med at Skjern Fjernvarme garanterer at aftage en bestemt varmemængde. Samlet set giver det både en sikkerhed for investeringen ved Skjern Papirfabrik og en sikkerhed for varmeprisen til forbrugerne ved Skjern Fjernvarme. Afregningsmodellen mellem Skjern Papirfabrik og Skjern Fjernvarme med fast dækningsbidrag blev afklaret i 2012 forud for idriftsættelse af anlægget i slutningen af 2012. I 2013 blev både elafgift og overskudsvarmeafgift ændret, hvilket har betydet, at man i stedet har valgt at bruge en dynamisk afregningsmodel for salg af fjernvarmen. Denne model går ud på, at man hver måned beregner afregningsprisen på baggrund af de faktiske produktionsomkostninger for varmepumpeanlægget samt de marginale produktionsomkostninger for Skjern Fjernvarme. Afregningsprisen lægges midt imellem, så papirfabrikkens fortjeneste svarer til fjernvarmeselskabets besparelse. Som næste skridt er der ved at blive etableret en sammenkobling mellem varmepumpeanlægget og kedelanlægget. Fjernvarmen, som laves med direkte veksling ved kedelanlægget, ligger på et højere temperaturniveau end den fjernvarme som varmepumpeanlægget skal levere. Ved at koble begge anlæg sammen bliver det muligt at blande de to vandstrømme. Det varmere fjernvarmevand fra kedelanlægget kan så blandes med lidt mindre varmt fjernvarmevand fra varmepumpelægget, hvilket vil gøre det muligt at sænke fremløbstemperaturen fra varmepumperne. Hermed kan COP øges for varmepumperne og varmeprisen for fjernvarme leveret til Skjern Fjernvarme sænkes. Nominelle data for varmepumpeanlægget: • • • • • • • •
Varmepumpe fabrikat: Antal varmepumper: Nominel varmeydelse: Nominel COP: Returtemperatur fjernvarme Fremløbstemperatur fjernvarme Fugtig luft fra papirtørring, ind Afkast luft, ud
Sabroe, model HeatPAC 157 HR tre stk. á ca. 1,33 MW 5,4 MW (inkl. direkte varmeveksling) 6,7 (inkl. direkte varmeveksling) 37°C 68°C 50°C, 100 % RH 30°C
30
6.3 Erfaringer Skjern Papirfabrik har selv været bygherre på varmepumpeprojektet. Én af de komponenter, som man har haft stor fokus på, var kølefladen, som skal trække varmen ud af den fugtige luft. Luften er aggressiv ved materialerne, og der har derfor været fokus på at finde en løsning, som kan tåle det aggressive miljø. Herudover er systemet opbygget på en måde, som gør det muligt at rense veksleren. En af de lidt større udfordringer efter opstart af anlægget har været at sikre en konstant høj fremløbstemperatur til fjernvarmen. I tilfælde af driftsstop, som bl.a. sker ved papirbrud, stopper hele anlægget i løbet af meget kort tid. Her har det været en udfordring at sikre, at der ikke opstår koldpropper i fjernvarmenettet. Der er foretaget nogle ændringer og justeringer i de første måneder efter anlæggets idriftsættelse, som har løst problemerne. Da anlægget ikke har været i drift særlig længe, er der ikke gjort tilstrækkelige erfaringer med service og vedligehold til at beskrive her.
31
7
Case 3, Ans Varmeværk (projekteret)
7.1 Beskrivelse af anlægget Ans Varmeværk har i en længere periode arbejdet med en varmepumpeløsning, som henter energi fra Tangesøen. Varmepumpen er ikke installeret på nuværende tidspunkt, men der er gjort mange tanker om løsningen. Samtidig forventes det, at lignende løsninger kan blive relevante andre steder, og derfor bringes de væsentligste parametre for konceptet i denne rapport. Ans Varmeværk er et mindre naturgasfyret kraftvarmeværk, som leverer varme til ca. 500 husstande. Der produceres årligt 14 GWh-varme på en gasmotor og to gaskedler. Kraftproduktionen afregnes på spotmarkedet. Figur 17 viser produktionsanlæggene på Ans Kraftvarmeværk.
Figur 17: Produktionsenhederne ved Ans Varmeværk.
7.2 Varmepumpekonceptet Ans Varmeværk ligger meget tæt på Tangesøen, som Gudenåen gennemløber. På grund af den store vandmængde i søen er denne en oplagt varmekilde for en varmepumpe til fjernvarmeværket. Der skal etableres en pumpestation ved varmeværket, som pumper vand ind fra søen og leder det tilbage tre til fire grader koldere. Der monteres to filtersier før og efter broen, hvor Gudenåens vand gennemløber Tange Sø. Vandet indtages i sien før broen og udledes i sien efter broen. Sugesien er forbundet til en pumpestation, som er nedgravet ved varmeværket ved siden af varmepumpen. Pumpestationen suger vandet ind fra søen og leder det igennem et finfilter, hvorefter det gennemløber varmepumpen, afkøles og ledes tilbage til søen.
32
For at opnå den krævede effekt med den før nævnte afkøling, bliver vandstrømmen igennem varmepumperne omkring 350 m3/time. Da søen indeholder 20 millioner m3 vand og den gennemsnitlige vandgennemstrømning er 20 m3/sekund, vil varmepumpens energioptag ikke påvirke den naturlige balance eller temperaturforhold i søen. Billede 2 viser rørledningerne imellem sø og varmeværk.
Billede 2: Rørføring imellem sø og varmeværk.
Der vil være en vis risiko for tilsmudsning af varmevekslerne, og det er selvfølgelig vigtigt, at der tages højde for de udfordringer, der vil komme i denne forbindelse. Søvandet ledes direkte igennem varmepumpens fordampere, og mekanisk rengøring vil derfor ikke være en mulighed. Varmepumperne forberedes til installation af et CIP-anlæg og tømning af vekslerne ved længere tids pauser. Det har ikke været muligt at finde entydige erfaringer omkring problematikken, men meget tyder på, at biofilm særligt opbygges ved stilstand. Tømmes vekslerne vil det formentlig bremse opbygningen.
33
7.3 Dimensionering Med søen som varmekilde er varmepumperne ikke afhængige af de øvrige produktionsanlæg og de skal primært ses som ”stand-alone” enheder, der varetager værkets samlede varmeproduktion i en stor del af året. Temperaturkriteriet har derfor været 75°C, som er værkets typiske fremløbstemperatur i vinterperioden. Der er regnet på flere forskellige størrelser og med de nuværende forhold er den økonomisk optimale størrelse på omkring 1,5 MW. En større varmepumpe vil give færre driftstimer på grund af stor overkapacitet i sommerperioden, og besparelsen ved en større kapacitet i vinterperioden afspejler ikke merinvesteringen. Varmekildens temperatur har stor indflydelse på varmepumpens kapacitet og effektfaktor. Vandets lave temperatur i vinterperioden betyder således, at både varmepumpens kapacitet og COP falder. Der er indhentet tilbud fra alle kendte leverandører, og løsninger med både kuldioxid, ammoniak og isobutan er blevet vurderet. På nuværende tidspunkt er sagen til behandling ved kommunen, og det har endnu ikke været muligt at få en tidsplan for dette forløb. Der er derfor endnu ikke indgået aftale med en leverandør, men af de fremsendte tilbud virker en løsning med fire mindre isobutan anlæg mest interessant. Der har ikke været store afvigelse i COP og pris for de forskellige anlæg, men på grund af praktiske hensyn virker isobutan anlæggene mest attraktive. Det forventes således at anvende samme (men større) type varmepumpeløsning, som der findes på Skejby Sygehus. Hver enkelt enhed yder ca. 380 kW, når vandet er 15°C, og ca. 285 kW, når vandet er 5°C. I alt vil kapaciteten altså blive på godt 1,5 MW om sommeren og godt 1,1 MW om vinteren. Isobutan anlæggene kan producere fjernvarmevand op til 85°C, men det er altid en fordel at køre med så lav en temperatur som mulig, da dette øger COP-værdien. Den laveste temperatur, som søvandet må tilbageledes med, er 2°C, og fordi anlægget er lagt ud til en temperaturdifferens på 3 K om vinteren, skal kapaciteten reduceres, når vandtemperaturen falder til mindre end 5°C. Da indtaget placeres på søens bund forventes det, at temperaturen sjældent vil være lavere end 4°C. Om sommeren køres der med samme flowmængde på søvandet og for at opnå den højere effekt køles vandet 4 K, når kapaciteten er størst. Det planlægges i første omgang at installere fire varmepumper, men søvandssystemet forberedes til installation af yderligere to varmepumper, så kapaciteten kan udvides, såfremt driftsøkonomien bliver mere gunstig på et senere tidspunkt.
34
På billedet herunder ses isobutan varmepumper, som er installeret på Skejby Sygehus ved Aarhus.
Billede 3: Varmepumper til kombineret varme- og kuldeproduktion på Skejby Sygehus.
35
7.4 Økonomi ved systemet Søvandet som varmekilde har en relativ lav temperatur og kombinationen med kravet til høj fremløbstemperatur (varmepumpen skal kunne levere varmen selvstændigt) betyder, at der opnås en COPværdi på ca. 3,2 når det er koldest, og 3,8 når det er varmest. Da varmepumpens produktionspris afhænger af spotprisen, kobles varmepumpen på varmelageret, så der kan produceres i de billigste timer i perioder med overkapacitet. Dette er illustreret i figur 18 herunder. Varmepumpernes ydelse og elforbrug afhænger af vandtemperaturen, og dette er lavet som funktioner i Energy Pro.
Figur 18: Produktionsenheder inkl. varmepumpe.
Varmeproduktionsomkostningerne for de forskellige anlæg ses i figur 19 og 20. Grundet vandets svingende temperaturer varierer varmepumpens produktionspris med årstiden. Figur 19 viser produktionsomkostningerne for januar måned og figur 20 viser omkostningerne i juli:
Figur 19: Netto varmeproduktionsomkostninger i januar.
36
Figur 20: Netto varmeproduktionsomkostninger i juli.
Som det ses af figurerne er varmepumpen den billigste produktionsenhed, når elspotprisen er lavere end 500 kr./MWh. Når der regnes på 2012, er varmepumpen stort set altid grundlastenhed og producere ca. 60 % af varmen. I 2012 vil spotprisen for elektricitet til varmepumpen i gennemsnit have kostet 225 kr./MWh-el, og som det ses af ovenstående giver det en nettoproduktionsomkostning på ca. 250 kr./MWh-varme, eller en besparelse på nogenlunde det samme. Under de forhold, som har været gældende i 2012 og første halvdel af 2013, vil løsningen i Ans have en simpel tilbagebetalingstid på fire til fem år, selvom investeringen bliver relativ stor på grund af etablering af filtre, pumper og rørsystemer for søvandet. 7.5 Forventninger Myndighedsbehandlingen har desværre været mere tidskrævende end forventet. For at få tilladelse til at udnytte søvandet skal der laves en VVM-screening og eventuelt også en egentlig redegørelse. På grund af strukturændringer i Silkeborg Kommune er sagen trukket ud, og på nuværende tidspunkt er det endnu ikke lykkedes at få screeningen gennemført. Seneste udmelding fra kommunen er, at det muligvis kan færdigbehandles i efterforåret 2013, hvorefter etableringen kan begynde. 7.6 Nøgletal Hvis ikke andet er angivet, er tallene for driftsåret 2011/12 følgende: •
Varmeproduktion: 14.000 MWh
•
Varmesalg: 10.650 MWh
•
Ledningstab: 3.350 MWh (ca. 24 %)
•
Antal forbrugere: 485
•
Primær energi: naturgas (HMN)
37
•
Volume døgnvarmelager: 380 m3, svarende til ca. 18 MWh
•
Gaskedler: to styks naturgasfyrede kedler med en samlet varmeeffekt på 3,8 MW. Varmevirkningsgrad på ca. 95 %
•
Gasmotoranlæg: et styks JMS-616 el-effekt på 2,4 MW og en samlet varmeeffekt på 3,2 MW Virkningsgrad: 41 % el og 54 % varme
•
Fjernvarme fremløb: 70 – 75° C (sommer-vinter)
•
Fjernvarme retur fra nettet: 40-35° C (sommer-vinter)
38
8
Case 4, Lading Fajstrup Fjernvarme
8.1 Beskrivelse af systemet Lading-Fajstrup varmeværk er et lille barmarksværk, som blev opført ved gartneriet Rosa i 1996. Varmeværket forsynede gartneriet og byen med fjernvarme indtil 2008, hvor kontrakten med gartneriet blev opsagt. Varmeværket er siden blevet drevet af LadingFajstrup Varmeforsyningsselskab og forsyner de ca. 200 husstande i Lading-Fastrup med varme. Der er forholdsvis meget ledningsnet og lav bebyggelsestæthed, hvilket giver et relativt stort ledningstab. Det forventes, at varmeværket i løbet af 2014 vil fusionere med Hammel Fjernvarme, som har affaldsforbrændingsovne og dermed en meget lavere varmepris. Varmeværket producerer varme med gas som brændsel ved hjælp af: • • •
En gaskedel Et motoranlæg med HT røggasveksler Et motoranlæg med HT og LT røggasveksler
Alle tre anlæg kan producere til den tilknyttede akkumuleringstank. Det ene motoranlæg, som kun har en HT røggasveksler, bruges kun i begrænset omfang på regulerkraftmarkedet.
el
Siden december 2012 har to mindre varmepumper suppleret de øvrige enheder. Varmepumperne er seriefremstillede væske/vand-typer, som køler det returvand, som bruges til røggaskondensering i LT veksleren. Varmepumperne er koblet på lagertanken, som giver den fordel, at varmepumperne kan være i drift uafhængigt af motoranlægget. Den skematiske opbygning af anlægget er vist i figur 21.
Varmepumper 128 kW
Figur 21: Varmepumpe til optimeret udnyttelse af røggaskondensering fra LT-veksler.
De to varmepumper yder hver ca. 64 kW-varme og har et elforbrug på ca. 15 kW per styk. Varmepumpernes driftsområde er begrænset på den kolde side til en maksimal tilladelig temperatur på 20°C. Da fjernvarmereturvandet ligger over dette niveau, er der monteret en shunt kreds på den kolde side før varmepumpen, som sikrer korrekt indløbstemperatur til varmepumperne. Varmepumperne køler ikke længere end til ca. 10°C, da effektiviteten af LT røggasveksleren flader ud ved lavere temperatur. På varmepumpens varme side afgives energien ved forvarmning af returvandet. På grund af varmepumpens lave kapacitet skal der alligevel suppleres med varme fra andre enheder eller fra døgnlageret. I sådanne tilfælde fås den bedste effektivitet ved lav fremløbstemperatur fra varmepumpen.
39
Ved at tilslutte varmepumperne til lagertanken er der fleksibilitet i forhold til drift med varmepumpen og gasmotoranlægget, da de ikke nødvendigvis skal køre samtidigt. Varmepumperne er kompakte lukkede enheder, hvilket gør det nemt at udvide eller udskifte. De to varmepumpeunits ses på billede 4.
Billede 4: Varmepumper, Lading-Fajstrup.
8.2 Økonomi og afgifter For den valgte løsning er naturgas varmepumpens varmekilde, og da den allerede er afgiftsbelagt, er det udelukkende elforbrug, drift og vedligehold samt afskrivning, der udgør driftsomkostningerne til varmepumpeanlæggene. Idet varmeværket producerer kraft, kan PSO-bidraget refunderes. Med de nye regler, som trådte i kraft i 2013, refunderes en stor del af energiafgiften, så denne i alt udgør 407 kr./MWh-el. Produktionsprisen for varmen er dermed sat sammen af: • • •
Indkøb af elektricitet (inkl. elafgifter) Drifts- og vedligeholdsomkostninger Afskrivning
Anlægget forventes at være afskrevet i løbet af ca. tre år. Da varmepumpen køler og varmer på det samme vand, tilfører den isoleret set kun systemet en energimængde, som svarer til elforbruget. Gevinsten kommer selvfølgelig ved øget effektivitet på LTveksleren, men som systemet er udformet i Lading-Fajstrup, er forholdet mellem afkøling og effektivitet ikke 100 % sammenhængende. Det betyder, at man ikke kan regne med varmepumpens nominelle COP, men man skal betragte den effektive COP, som er udtrykt som forholdet mellem den ekstra effekt man får i LT-veksleren ved afkøling af returvandet i forhold til varmepumpernes strømforbrug. For at beregne denne COP skal man derfor kende LT-vekslerens ydelse i forhold til indløbstemperatur. For det konkrete anlæg har varmepumperne en nominel COP på 4,27 og LT-veksleren har et kapacitetsforløb mellem 267 kW ved 18°C tilløb og 129 kW ved 35°C tilløb. Tilsammen giver det en effektiv COP ved varmepumpedrift på ca. 2,6.
40
Som tidligere nævnt kan varmepumperne enten driftes samtidig med motoranlægget eller uafhængigt ved køling af akkumuleringstanken. På figur 22 ses de forskellige nettoproduktionsomkostninger for motoranlæg med varmepumper, motoranlæg, kedel og varmepumper alene. 750 Motor og Varmepumper
700 Motor alene
650 NPO kr/MWh-varme
Kedel
600 Varmepumper alene (COP=2,6)
550 500 450 400 350 300 250 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Spotpris kr/MWh-el Figur 22: Netto produktionsomkostninger, gasmotor med og uden varmepumpe.
Som det ses af den blå linje, producerer motor og varmepumper mere varme, men mindre elektricitet med den samme mængde gas. Netto produktionsomkostningen bliver derfor mindre ved lave spotpriser, hvorimod varmepumpens elforbrug gør løsningen mindre rentabel ved høje spotpriser. Den lilla linje viser produktionsomkostningerne for varmepumperne alene. Som det ses, er denne løsning langt mere rentabel ved fluktuerende elpriser, hvor motoranlægget kan være i drift ved høje spotpriser og varmepumperne ved lave. Fordi produktionspriserne for varmepumper og motoranlæg er modsat proportionale med elprisen, giver kombinationen kun begrænset økonomisk effekt, medmindre enhederne kan driftes uafhængigt. Varmepumpens størrelse skal afstemmes med LT-vekslerens ydelse, forventet driftstid med motor ved høje elpriser og forventet driftstid med varmepumpen ved lave elpriser. På grund af den kommende sammenlægning med Hammel Fjernvarme vil varmeværket i Lading-Fajstrup komme til at fungere som fordelingscentral, og varmeproduktionsenhederne vil kun være på standby. Der er ellers også mulighed for at koble varmepumperne på en køleflade til udeluft således, at der kan produceres varme helt uafhængigt af motoranlægget. Hermed vil varmepumperne formentlig også kunne bruges om sommeren som et billigt alternativ til gaskedlen, når varmebehovet er begrænset.
41
8.3
Nøgletal
•
Årlig varmeproduktion ab værk: 5.600 MWh
•
Årligt varmesalg: 3.248 MWh
•
Årligt ledningstab: 2.352 MWh (42 %)
•
Fjernvarme fremløb, årsgennemsnit 68°C
•
Fjernvarme retur, årsgennemsnit: ca. 36°C
•
Antal forbrugere: ca. 208
•
Volume døgnvarmelager: 400 m3, svarende til ca. 24 MWh
•
Gaskedler: Model Gasmaster med en varmeeffekt på 2,5 MW. Varmevirkningsgrad på ca. 90 %
•
Gasmotoranlæg 1: Jenbacher J316: 0,736 MW-el og 0,894 MW-varme
•
Gasmotoranlæg 2: Jenbacher J316: 0,736 MW-el og 1,030 MW-varme
•
Virkningsgrader på motoranlæg: Anlæg 1 el 36,7 %, varme 44,2 %, kun HT veksler Anlæg 2 el 36,7 %, varme 51,1 %, med HT og LT veksler
•
LT veksler model Hollesen, varmeeffekt ved 35°C retur: 130 kW
•
Varmepumper: 2 styks Bosch IVT, model Greenline HE D43, varmeeffekt +20/+50: 64 kW, tilført effekt 15 kW, COP 4,27
42
9
Case 5, Frederikshavn
9.1 Beskrivelse af varmepumpen Frederikshavn Forsyning A/S er ejet af Frederikshavn Kommune og består af kraft-, fjernvarme-, vand- og spildevandsselskaber. Selskabet forsyner ca. 12.000 forbrugere med fjernvarme. Varmen bliver primært lavet på et affaldskraftvarmeværk og et gasfyret kraftvarmeværk. Derudover er der to kedelcentraler til spidslast, som også bruges ved lave elpriser. I 2009 blev der installeret en varmepumpe, der udnytter energi fra spildevand fra Frederikshavns centrale rensningsanlæg.
el
Varmepumpen blev til som et projekt i samarbejde med DONG Energy med det formål at demonstrere fjernvarmesystemet som lager for vindkraft. Typen er en Advansor CO2varmepumpe på ca. 800kW, som opvarmer fjernvarmevand direkte fra ca. 43°C til 75°C og som afkøler det rensede spildevand 3-4°C inden det ledes ud i havet. Spildevandstemperaturen varierer henover året, og det betyder, at varmepumpens varmeeffekt og COP ligeledes vil variere. Princippet for varmepumpen er vist i figur 23.
Figur 23: Principskitse varmepumpe på spildevand
Varmepumpen er opbygget med 16 mindre kompressorer, som sammen med de andre komponenter er monteret i en container. COP faktor ligger mellem ca. 2,5 og 3,1 afhængigt af spildevandstemperaturen. Da varmepumpen blev installeret, var det forventet, at den skulle producere ca. 4.000 MWh årligt og være i drift, når spotprisen er lavere end ca. 600 kr./MWh-el. I den seneste tid har der dog været meget få timer med spotpriser højere end 600 kr., og varmepumpen bør derfor producere en væsentlig større varmemængde under de nuværende forhold.
43
Billede 5 viser de 16 kompressorer opstillet i to rækker inde i containeren.
Billede 5: CO2 varmepumpe med 16 kompressorer.
9.2 Erfaringer Varmepumpen har indtil foråret 2013 produceret lidt over 4.000 MWh varme med en gennemsnitlig total COP på 2,8. Effektiviteten har levet op til forventningerne og selve varmepumpen har fungeret fint. Der har dog været en del udfordringer undervejs med den del af systemet, som er koblet på rensningsanlægget. •
Det har vist sig, at havvandet kan strømme baglæns ind i spildevandsledningen, særligt i perioder om natten, hvor spildevandsmængden er lille. Dette er muligt, da spildevandet til varmeveksleren kommer fra udløbsrøret mellem rensningsanlægget og havet, og der er derfor en direkte forbindelse mellem filtret før veksleren og udløb til havet
•
Tilbagestrømning har blokeret filtret med større partikler, så som snegle, ål, blade, tang, etc. Det har derfor været nødvendigt at montere et større og selvrensede filter med automatisk tilbageskyl
•
Varmeveksleren har været utæt på grund af korrosion, som er forårsaget af havvandets saltindhold, som kommer i kontakt med veksleren, når det strømmer baglæns. Det har derfor været nødvendigt at skifte til en titanium varmeveksler
•
Mikrobiologisk vækst ses i varmeveksleren, som kræver regelmæssig rensning med lud (NaOH) og salpetersyre (HNO3)
•
Det har været nødvendigt at etablere ekstra støjisolering for at mindske støjgenerne
44
Værket har en forventning om, at varmepumpen vil komme til at fungere stabilt, når udfordringerne omkring varmeveksling med spildevand er håndteret. Hvis det viser sig ikke at være rentabel med de nødvendige ændringer, overvejes muligheden for at bruge drikkevand som varmekilde. 9.3
Nøgletal
•
Årlig varmeproduktion ab værk: 225.900 MWh
•
Årligt varmesalg: 181.300 MWh
•
Årligt ledningstab: 44.600 MWh (20 %)
•
Antal forbrugere: ca. 12.000
•
Varmepumpe: Advansor, model compHEAT XL , 16 parallelle kompressorer, varmeeffekt +43/+80°C: 780 kW, ved spildevandstemperatur på 12°C, tilført effekt 281 kW, COP 2,8
45
10 Case 6, Brædstrup Fjernvarme 10.1 Beskrivelse af varmeværket Frem til 2007 var Brædstrup Fjernvarme udelukkende naturgasfyret. I 2007 blev der opført 8.000 m2 solfangere, og siden er der udvidet med yderligere solfangere, akkumuleringstanke, sæsonvarmelager, elpatron og varmepumpe. Varmepumpen, som er koblet på døgnlagertankene, blev sat i drift i 2012. Skitsen i figur 24 viser de forskellige produktionsmuligheder ved Brædstrup Fjernvarme.
Figur 24: Oversigt Brædstrup Fjernvarme.
De mange produktionsanlæg betyder, at man har en stor overkapacitet, og fordi enhederne bruger forskellige energikilder, er man ikke så følsom i forhold til varierende brændselspriser. Varmen kan således produceres både med naturgas, elektricitet og sol som energikilder: • • •
Naturgas; to gasmotorer og to gaskedler Elektricitet; en elkedel og en varmepumpe (med varme- og kuldeakkumulering) Sol, med mulighed for døgn- eller sæsonlagring
Varmeakkumuleringen udgøres dels af et korttidslager og dels af et sæsonlager. Korttidslageret består af to akkumuleringstanke, hvoraf den ene bruges som kuldelager for varmepumpen. Sæsonlageret er et borehulslager, hvor varmen lagres i jorden via lodrette boringer. I sæsonlageret gemmes varmen ikke varmere end ca. 50° C, og varmepumpen udnyttes derfor til genvinding af den del af energien, som er for kold til direkte varmeveksling.
46
Korttidslageret er hurtigt at op- og aflade og kan derfor håndtere korttidsvariationer i produktion og forbrug. I modsætning hertil er borehulslageret langsomt at op- og aflade. Borehulslageret oplades ved at cirkulere varmt vand fra korttidslageret gennem slangerne i borehulslageret, og det aflades ved at cirkulere koldt vand fra korttidslageret i slangerne. Om sommeren oplades borehulslageret med solvarme i de perioder, hvor solvarmeproduktionen overstiger byens forbrug, og det aflades igen i løbet af efteråret og vinteren. Varmepumpens primære funktion er at producere koldt vand, som kan bruges til at aflade borehulslageret, men den kan også øge solfangernes kapacitet ved afkøling af returvand inden det sendes i solfangere. Varmepumpen er tænkt på at skulle kunne levere ydelser på elreguleringsmarkedet. Det er dog ikke afprøvet, hvorvidt den installerede varmepumpe er i stand til at opfylde de forskellige ydelser på nuværende tidspunkt. Især de hurtige markeder (primære- og sekundære reserver) vil være udfordrende, fordi varmepumper er følsomme over for ændringer på både den kolde og varme side. På grund af den alsidige opbygning af varmeværket i Brædstrup kan man producere fjernvarme på flere forskellige måder, og man er dermed fleksibel i forhold til tilgængelighed og pris på energikilderne: •
Når solen skinner, produceres der varmt vand i solfangerne som evt. lagres
•
Når elprisen er høj, produceres der kraftvarme
•
Når elprisen er lav, produceres der varme med elpatron og varmepumpe afhængigt af marked for reguleringsydelser
•
Når gasprisen er lav, produceres der varme med gaskedel eller gasmotorer
Den producerede varme kan sendes i fjernvarmenettet eller lagres i døgn- og sæsonlagrene (dog ikke varme fra gaskedlerne). Fjernvarmeværkets overordnede politik er at drive værket optimalt, set fra et teknisk, økonomisk og miljømæssigt synspunkt, imens der produceres energi og varme til forbrugerne til en totalpris, der henhører til den billigste femtedel i Danmark. Brædstrup Fjernvarme ønsker samtidig at blive mere uafhængig af stigende gaspriser, og dette gøres bl.a. ved at indføre nye teknologier, som på sigt medfører tekniske, økonomiske og/eller miljømæssige forbedringer. Væsentlige aktiviteter og løsninger, som Brædstrup arbejder på: •
Forbedring af effektiviteten i fordelingsnettet, mindskelse af energitab, udskiftning af gamle rør med bedre isolerede rør
•
Udnyttelse af spotpris på elmarkedet, produktion af el og varme med gasmotorer ved høje priser og produktion af varme med elpatron og varmepumpe ved lave elpriser
•
Udnyttelse af muligheder for at bidrage til regulering af elnettet med varmepatron
•
Udvidelse af kapacitet af solvarmeanlæg
•
Muligheder for udvidelse af et borehulslager til sæsonlagering af solvarme
47
På lang sigt forventes det, at naturgassen vil blive afviklet som primært brændsel og blive erstattet af brændselsceller, biobrændsler og forskellige former for vedvarende energi. Brædstrup Fjernvarme har i deres investeringsplaner lagt op til en udvidelse af solvarmeanlæg og borehulslager, eller andet vedvarende energianlæg, for perioden 20152016. 10.2 Beskrivelse af varmepumpen Varmepumpen er en højttryks NH3 varmepumpe med skruekompressor. Ved brug af flere varmevekslere kan varmepumpen hæve fjernvarmevandet helt op til 90°C i et enkelt gennemløb og med kun én kompressor. I praksis er der dog aldrig brug for mere end 80°C, og fremløbstemperaturen holdes altid så lav som mulig for at optimere varmepumpens effektivitet. Anlægget kører med en nominel COP på 3,5. Figur 25 viser en principskitse af varmepumpen og billede 6 viser installationen ved Brædstrup fjernvarme.
Figur 25: Principskitse af varmepumpe, Brædstrup Fjernvarme.
Billede 6: Installation af varmepumpe, Brædstrup Fjernvarme
10.3 Økonomi og afgifter Systemets totaløkonomi kan være vanskelig at gennemskue. Varmepumpen udnytter energi fra borehulslageret, som ellers ikke ville kunne nyttiggøres. Denne energi stammer oprindeligt fra solfangerne, men lagres altså i borehulslageret, når solfangerproduktionen overstiger varmebehovet. Man må derfor betragte den samlede investering som en kombination af både varmepumpe, borehulslager og solfangere, hvor varmepumpen øger kapaciteten for både borehulslager og solfangere. Den produktionsafhængige omkostning varierer med varmepumpens COP efter temperatur i borehulslageret og krav til fjernvarmetemperatur.
48
Fordi varmeværket producerer kraft, kan PSO-bidraget refunderes. Med de nye regler som trådte i kraft i 2013, refunderes en stor del af energiafgiften, så denne i alt udgør 407 kr./MWh-el. Produktionsprisen for varmen er sat sammen af: • • •
Indkøb af elektricitet (inkl. elafgifter) Drifts- og vedligeholdsomkostninger Afskrivning
Med en samlet elpris på ca. 1.000 kr./MWh og en COP på 3,5 i det nominelle driftspunkt, vil den produktionsafhængige omkostning blive ca. 285 kr./MWh. Ud af de 1.000 kr./MWh-el udgør spotprisen ca. 300 kr., og under normale forhold vil varmepumpen derfor være konkurrencedygtig med de gasdrevne enheder op til væsentlig højere spotpriser. Driften er dog forudsat af kapaciteten på varmelageret samt en utilstrækkelig dækning fra solfangerne. Som tidligere nævnt svinger varmepumpens COP dog meget afhængigt af temperaturen fra borehulslageret og fremløbstemperaturen, som særligt kan reduceres i samproduktion med øvrige anlæg. Produktionsprisen varierer derfor for den pågældende varmepumpe med flere variable end blot spotprisen. 10.4 Erfaringer Varmepumpen ved Brædstrup blev indviet i maj 2012 sammen med det nye solvarmeanlæg. Borehulslageret blev varmet op første gang med solvarme om sommeren og i efteråret 2012. Et borehulslager har en vis vekselvirkning med jorden omkring og man vil derfor ikke kunne se den totale varmekapacitet i sæsonlageret allerede efter et år. Figur 26 viser, hvordan borehulslageret er op- og afladet i den første sæson.
Figur 26: Op- og afladning af borehulslager.
Varmepumpen kom først reelt i drift i efteråret, hvor sæsonvarmelageret var varmet op med solvarme. Siden efteråret 2012 har varmepumpen typisk været i drift om natten for at producere, når der ikke er sol og samtidig udnytte de lavere elpriser. I den første periode har der været nogle udfordringer med indregulering og opstart af varmepumpen, da temperaturen i sæsonlageret var varmere end den maksimalt mulige indgangstemperatur på den kolde side af varmepumpen.
49
10.5 Nøgletal Følgende er en oversigt over nøgletal for Brædstrup Fjernvarme, for det meste tal fra 2012: •
Primær energi (%-tal): indkøb af gas og strøm
•
Gasforbrug i alt: 3.776.930 Nm3
•
El salg ab. Net: 7.416 MWh
•
Solvarmeproduktion: 6.702 MWh
•
Årsproduktion af varme ab værk: 42.237 MWh
•
Antal kvadratmeter solpaneler: 18.600 m2
•
Volume sæsonvarmelager: 19.000 m3
•
Volume døgnvarmelager: 7.500 m3
•
Elkedel: 10 MW
•
Varmepumpe, kapacitet: ca. 1 MW, COP ca. 3,5
•
To styks motoranlæg, samlet effekt 7,28 MW elektricitet og 8,0 MW varme
•
To styks kedelanlæg, samlet effekt 23,5 MW
•
Samlet årlig varmeproduktion fra solanlæg: 9.000 MWh
•
Antal husstande: 1.474
•
Fjernvarme fremløb: 72 – 80°C
50
11 Konklusion Varmepumper bruges i forbindelse med kraftvarmeanlæg til at hente energi ud af meget forskellige varmekilder. Varmepumpens varmeproduktionspris er afhængig af mange faktorer, men i de beskrevne tilfælde har varmepumperne vist sig at være økonomisk rentable med relativt korte tilbagebetalingsperioder. På grund af de lave spotpriser i 2012 og 2013 og de nye muligheder for tilbagebetaling af afgifter for 2013 indgår varmepumperne primært som grundlast med lav varmeproduktionspris. Når energien udvindes fra industriel overskudsvarme, skal der betales overskudsvarmeafgift, men fordi overskudsvarmens høje temperatur medfører høj COP, er disse løsninger også interessante fra et økonomisk perspektiv. Varmepumpers effektivitet er meget afhængig af temperaturniveauer. En høj temperatur på varmekilden kombineret med en lav fremløbstemperatur giver derfor de bedste betingelser for optimal effektivitet og økonomi. Der findes i dag varmepumper, som kan nå de krævede fremløbstemperaturer i de fleste fjernvarmesystemer, men da varmepumper ofte indgår i en installation med andre varmeproduktionsenheder, er der normalt bedre økonomi i at bruge varmepumper til forvarmning eller delvis opvarmning af returvandet. Den ønskede fremløbstemperatur opnås således ved at blande varmt vand fra f.eks. gasmotor eller kedel med lunkent vand fra varmepumpen. Varmepumper bruges både til kombineret køle- og varmeproduktion og kan indgå på mange forskellige måder i en varmeinstallation. Den store fleksibilitet giver mange fordele, idet varmepumper kan bidrage til optimering af driftsøkonomi i systemer af meget forskellig art. Men den store fleksibilitet betyder samtidigt en større kompleksitet og risiko for at varmepumpen ikke opnår den bedst mulige økonomi, hvis forarbejdet ikke gøres ordentligt. Typiske varmekilder er røggas, industriel spildvarme og varme fra omgivelser. I enkelte tilfælde har det vist sig at være fornuftigt at bruge returvandet som en slags indirekte varmekilde. En afkøling af returvandet skal dog altid medføre bedre udnyttelse af andre komponenter for at den samlede økonomi kan blive bedre. Installation og beregning af den samlede økonomi bliver relativ kompleks og afhængig af andre dele af installationen. Der er derfor større risiko for at den forventede økonomi ikke opnås i praksis eller at installationen laves forkert. Ved at koble varmepumper sammen med døgn- eller sæsonlagre opnår man en større fleksibilitet i forhold til tilgængelighed af varmekilden, strømpris og varmebehov. Med de nuværende elpriser er der dog ikke det store incitament til at lade varmepumper indgå aktivt med reguleringsydelser. Ved de betragtede installationer har det vist sig, at varmepumperne efter idriftsættelse opererer med den forventede effektivitet og økonomi. Økonomien er endda blevet bedre med de ændrede afgiftssatser for 2013. Installation, idriftsættelse og indregulering af varmepumper har ved nogle af de første anlæg vist sig at være lidt mere omfattende end forventet. Desuden har det vist sig, at særlige forholdsregler er nødvendige, når varmen udvindes fra kilder, som medbringer risiko for tilsmudsning eller tæring, såsom spildevand og fugtig afkastluft. Med hensyn til daglig drift og vedligeholdelse har der ikke været større udfordringer, men det skal siges, at de fleste varmepumper, som er betragtet, endnu ikke har været i drift i mange år af deres forventede levetid.
51
Bilag A: Referenceliste, varmepumper i kraftvarmeanlæg De to nedenstående oversigter viser eldrevne og absorptionsvarmepumper installeret i forbindelse med fjernvarme og kraftvarme installationer. Der tages forbehold for at der kan være flere installerede anlæg end vist her og at der løbende kommer nye anlæg til. Eldrevne varmepumper: Sted/år
Leverandør
Varmekilde
Varmeydelse MW/COP
Skjern 2012
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Overskudsvarme luft afkast papirproduktion
3,9 / 5,0
Frederikshavn
Advansor (CO2)
Spildevand
Bjerringbro 2010
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Motor (røggas)
0,8 / 5,1
Bjerringbro 2011
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Gaskedel (røggas)
0,5 / 5,2
Bjerringbro 2012
ICS (Ammoniak)
Grundfos køling
3,7 / 4,6
Brande 2010
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Gaskedel (røggas)
0,65 / 4,2
Vinderup 2010
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Motor (røggas)
0,6 / 5,2
Korsholm Gartneri
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
4 x 1 / 4,0
Brædstrup
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Motor (røggas) Intercooler luft, solvarme, gaskedel BTES (Termisk borehulslager)
Hanstholm 2011
Alpha Inni Energi)
Biooliekedel (røggas)
0,3/5,8
Marstal 2012
Advansor (CO2)
Solfanger / sæsonlager
1,5 / 3,1
Lading Fajstrup 2012
Bosch/IVT (R-410A)
Røggaskondensering
0,13 / 2,6
Vejen 2013
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Røggaskondensering
1,0 / 4,1
Hundested 2012
Sabroe/Johnson Controls (Ammoniak)
Røggaskondensering
0,8 / 4,8
Tec
(LH-
52
1,0 / 3,0
1,2 / 3,2
Absorptionsvarmepumper: Sted/år
Varmekilde
Thisted/2000
Geotermi
Køleudyelse (genvundet varme) MW 4,0
Thisted, 1998
Geotermi
3,2
Amagerværket/2004
Geotermi
9,0
Tørring, 2013
Røggas, sol
0,7
Vestforbrænding
Røggas
13,3
Bjerringbro/2007
Røggaskond. gaskedel
0,95
Tarm, 2013
Røggas, sol
1,0
Toftlund, 2013
Røggas, sol
1,9
Vojens, 2011
Røggas, sol
0,7
Strandby/2008
Solvarme/røggas gaskedel
0,28
Hillerød/2011
Biomassekedel
0,5
Gråsten/2011
Solvarme/røggas biomassekedel
0,7
Hurup/2012
Røggas biomassekedel
0,5
Skagen, 2012
Røggas gasmotor
4,0
Galten, 2012
Røggas fliskedel
0,5
Dronninglund/2013
Damvarmelager
2,0
Sønderborg, 2013
Geotermi
12,5
53
Bilag B: Henvisning til delrapporter fra PSO projekt I forbindelse med det oprindelige projekt, som har løbet siden 2007, er der udarbejdet flere delrapporter som blandt andet beskriver hvordan varmepumper kan forøge fleksibiliteten og effektiviteten i energiforsyningen ved anvendelse i kraftvarmeværker. Blarke M.B. Smart intermittency-friendly cogeneration: Techno-economic performance of innovative double storage concept for integrating compression heat pumps in distributed cogeneration. Præsenteret ved ”6th International Renewable Energy Storage Conference” Berlin, 28-30 november 2011. Blarke M.B., Dotzauer E. Intermittency-friendly and high-efficiency cogeneration: Operational optimisation of cogeneration with compression heat pump, flue gas heat recovery, and intermediate cold storage. Energy (2011), doi:10.1016/j.energy.2011.10.008 Blarke M.B., Towards an intermittency-friendly energy system: comparing electric boilers and heat pumps in distributed cogeneration. Applied Energy 2012;91:349-365
54
