Muligheder/barrierer/udfordringer med højtemperaturvarmepumper

Transkript

1

2 Teknologiløsninger inden for industriens processer Muligheder/barrierer/udfordringer med højtemperaturvarmepumper Lars Reinholdt Teknologisk Institut, Energi og Klima

3 Indhold Lidt teori Hvor godt kan det blive Lidt historie Arbejdsmedier ( kølemidler ) Systemer Potentiale Udviklingsområder Integration i energisystemer med tre eksempler Varmepumpeanlæg og -komponenter Generelle betragtninger Krystalkuglen Lidt postulater

4 Lidt teori Elektrisk energi Overskudsvarme (f.eks. 40 C) Procesvarme (f.eks. 110 C) Varmepumpe COP VP = Varmeproduktion El forbrug

5 Lidt teori COP Carnot (konstant kilde og dræn) COP C = T H T H T L T H = Sink temperature (K), T L = Source temperature (K) COP Lorenz (kilde og dræn med glid ) COP L = T lmh T lmh T lml T lmh = log mid. temp. sink (K), T lml = log mid. temp. source (K)

6 Lidt teori Maksimal COP Procetemperatur 150 C COP for de allerbedste anlæg er i dag ca. 50% af det teoretisk mulige

7 Højtemperaturvarmepumper Lidt historie Traditionel køleteknik arbejder med maksimalt systemtryk på 25 bar, hvilket er nok til drift af køleanlæg i selv meget varme omgivelser Tidligere lå maksimaltemperaturen for varmepumper ved C Stigende marked for CO 2 køleanlæg, samt udsigten til gennembrud for store varmepumper har ført til markedsføring af flere industrielle højtrykskompressorer til bar og en enkelt til 130 bar (transkritisk CO 2 : 1MW)

8 Højtemperaturvarmepumper Industriel VP: Temperatur > 85 C, varmeproduktion > 500 kw Teknologier (el-drevet): Der er ikke løsning, der dækker alt Kølemidler (naturlige) NH 3 H 2 O CO 2 Kulbrinter (HC) Blandinger H 2 O + NH 3 (hybrid) Systemopbygning Flertrin Kobling: Parallel/serie Kaskade: Kombination af forskellige VP-teknologier for at dække større temperaturløft

9 Potentiale (fra Potentialet for højtemperatur-varmepumper i industrien)

10 Potentiale (fra Potentialet for højtemperatur-varmepumper i industrien)

11 Potentiale (fra Potentialet for højtemperatur-varmepumper i industrien)

12 Potentiale (fra Potentialet for højtemperatur-varmepumper i industrien) Sammenfatning Med et delta T for varmepumpen på 20 C er potentialet opgjort til ca TJ/år. Det stiger til ca TJ/år hvis varmepumpen kan løfte temperaturen 40 C og til TJ/år ved et temperaturløft på 70 C. Hovedparten af varmen kan dækkes med varmepumper, som kan levere en varme passende til 100 C temperaturbehov, og kun ved et delta T på 70 C stiger potentialet væsentligt med ca. 40%, hvis varmepumpen kan dække temperaturbehov op til 180 C. Reduceres minimumsstørrelsen for varmepumpen fra 0,1 MW til 2 MW falder potentialet med 5 15%. (Ovenstående udgør 6 til 24% af industriens samlede brændselsforbrug (2006)) Kun en mindre del af det opgjorte potentiale vil kunne dækkes med dagens varmepumper. Vi skønner, at TJ/år vil kunne dækkes af varmepumper, der kan løfte temperaturen op til 80 C.

13 Potentiale konklusion Kun en lille del af potentialet kan dækkes med varmepumper, der levere varmen ved op til 80 C. Hovedparten af varmen kan dækkes med varmepumper, som kan levere varme ved C. Udvikling af store varmepumper med kapaciteter fra 1-2 MW vil dække en meget stor del af markedet.

14 Udviklingsområder Integration i energisystemer Varmepumpesystem

15 Integration i energisystemer Udfordringer 1/2 Energisystemer er traditionelt ikke designet ud fra energieffektivitet Størrelse og installation Omkostning Kapacitet Varmepumper er Nice to have ikke Need to have Ikke-tekniske barrierer Økonomiske kalkulationsmodeller Finansieringsmodeller Varmepumper giver ofte større binding på processerne Behov for samtidighed mellem overskudsvarme og varmebehov Mere kompleks styring

16 Integration i energisystemer Udfordringer 2/2 VE i industrien ift. Smart grid / fleksibelt elsystem: Industrien ønsker 24/7 -udnyttelse af udstyret, der investeres i: Begrænset mulighed for regulering pga. mangelende overkapacitet: Dårligt ift. Smart Grid Lange driftstider: Godt for systemøkonomien Entreprisegrænserne flyder ud Varme-, proces- og køleentrepriserne samt styring griber mere ind i hinanden Rammevilkår påvirker markedet meget VE i industrien El-afgift

17 Integration i energisystemer Behov Behov for udbredelse af viden om systemdesignets betydning for varmepumper Temperaturniveauer og løft Teknologier Energioptimering De tre bud: 1) Spar 2) Varmeveksel 3) Kan varmepumpe anvendes? Tidsserieanalyse og pinchanalyse Driftstid Samtidighed mellem kilde og forbrug (evt. lager) Lastprofil

18 Ekspempel Århus Slagtehus

19 Ekspempel 1 Århus Slagtehus Kniv-sterilisatorer ændret til elopvarmning > 90 C behov sænket 55% > Varmepumpe blev fravalgt

20 Eksempel 2 Thises Mejeri Dampsystem 2,8 MW Varmepumpe kan vanskeligt regulere så hurtigt, men lasten kan udjævnes

21 Eksempel 3 Arla Arinco (pulvermælk) Spraytørring: Forvarmning af tørreluft Oprindeligt: 2,5 MW Installeret: 1,2 MW Dimensioneret temperatur: 85 C. Efter idriftsættelse: 83 C for ikke at øge tab fra røggas!!!

22 Integration i energisystemer Udviklingsområder Behov for udvikle og udbrede viden om Nye anlæg: Nytænkning af termiske processer for optimal integration af varmepumper Eksisterende processer: Strategier for retrofit Samdrift mellem køl og varmepumpe Kompetent rådgivning: De tre bud Tidsserieanalyse og pinchanalyse Økonomisk kalkulation Forretningsmodeller VE i industrien i form af vindmøllestrøm (Smart Grid): Behov for ekstra kapacitet: Hvordan skal det finansieres? Af Hvem? (Energioptimering kan tilvejebring ekstra kapacitet)

23 Varmepumpeanlæg 1/3 Varmepumpeanlægget Anlægsdesign Forskellige temperaturniveauer med samme kompressor Kombinationer af forskellige VP-teknologier Fastlæggelse af optimale temperaturniveauer Valg af komponenter (kompressorstørrelser, varmevekslere etc.) Driftsstrategi / styring Opstart/stop Reguleringshastighed/fleksibilitet Variable driftstemperaturer Varmelagere VP kombineret med andre teknologier (spidslastkedler) Varmebærere: Damp / tryksat vand / hedtolie Simuleringsværktøjer økonomi års-cop (a la Pack Calculator II )

24 Varmepumpeanlæg 2/3 Varmepumpeanlægget Komponenter Kompressorer + motor/drivlinje Højere (afgangs-)temperaturer Kompressorer med flere suge- og afgangstryk ( economizerporte ) (vand-) køling af motor/drivlinje (i dag 5-10% tab) Vanddamp Kompressorer for beskidt damp (rekompression) Varmevekslere Vanddamp: Direkte kontakt (kloakvand, geotermi, procesvand/fjernvarme...) Varmevekslere, optimeret for store temperaturglid Varmevekslere for dampproduktion Kombinerede, kompakte varmevekslere (f.eks. forskellige temperaturniveauer i samme varmeveksler) Ekspander (CO 2 : + 20% vist) PSO Rotrex : vanddamp 500 kw

25 Varmepumpeanlæg 3/3 Varmepumpeanlægget Arbejdsmedier Er kølemidlerne de optimale medier (de er oprindeligt valgt til andre temperaturer)? Blandinger Termodynamisk procesdesign Store temperaturdifferencer/glid åbner for optimering gennem opdeling i trin Kombination af forskellige processer (f.eks. NH 3 + CO 2 i kaskade)

26 Krystalkuglen ift. højtemperaturvarmepumper: Naturlige kølemidler Lavtryk-processer (komponentpris) Vanddamp Mange processer med vand: Koge / inddampning / tørring / frysetørring Hybridprocessen Flertrinsanlæg / kombinerede anlæg Proof of concept: Test af løsninger / komponenter Verifikation Arbejdsmedierne Industrien vil nok kun blive en mindre aktør ift. fluktuerende el (smart grid) VE i industrien: Varmepumper kan få en stor rolle Det rigtige hold skal sættes: Mange forskellige kompetencer

27 Lidt postulater For at det skal lykkes skal vi have højtemperaturvarmepumper der er Billigere, simplere, mere effektive Enkle at implementere Robuste i styringen Vi er overbevist om at der er behov/plads til VPere i industrien men for at kunne prioritere indsatsen skal der foretages Mere detaljeret kortlægning af volumen, dvs. vi skal starte med de områder med mest ensartethed, passende antal og stort, samlet energibehov (impact) Rammebetingelserne skal ligge fast Dansk industri har muligheden, da vi drives af politiske krav/ønsker og vi er foran endnu