Skals Kraftvarmeværk a.m.b.a.

Transkript

1 Solvarme og varmepumpe ved Skals Kraftvarmeværk a.m.b.a. Roger Andersen Nordjylland Tlf Mobil NORDJYLLAND Jyllandsgade 1 DK 9520 Skørping Tel Fax MIDTJYLLAND Vestergade 48 H, 2. sal DK 8000 Aarhus C Tel Fax SJÆLLAND Postadresse: A.C. Meyers Vænge København SV Besøgsadresse: Frederikskaj 10 A 1. sal 2450 København SV Tel.: udkast September 2013

2 Indholdsfortegnelse 1 Indledning Sammenfatning Metode Forudsætninger Varmegrundlag Energipriser og afgifter Solvarme Varmepumpe Grundvand Skals renseanlæg Hjarbæk fjord Anlægsomfang Nettovarmeproduktionsomkostninger Resultater Energiomsætning, Varmeproduktion og naturgasforbrug Varmeproduktion fra solvarmeanlæg Varmeproduktion fra solvarmeanlæg og varmepumpe Investeringsbehov, solvarme Investeringsbehov, grundvandsvarmepumpe Selskabsøkonomi Følsomhedsberegninger Variation i naturgaspriser Variation i spotmarkedsbetaling Kvalitetssikret af Morten Vang Jensen Nordjylland Tlf mvj@planenergi.dk Rekvirent Skals Kraftvarmeværk A.m.b.a. Solbakken 1 DK 8832 Skals Kontaktperson: Svend Aage Thøgersen Tlf.: svend.th@mail.tele.dk Kontaktperson Steen Algayer Driftsleder Rapport udarbejdet af PlanEnergi, Nordjylland Roger Andersen Nordjylland Tlf Mobil ra@planenergi.dk Projekt ref Godkendelser Bilag 1 Danmarkskort med solindstråling Bilag 2 Inddata til energypro Bilag 3 Overblik Bilag 4 Udskrifter fra energypro Bilag 4 Mulige solvarmeanlægsplaceringer Side 2 af 64

3 1 Indledning Skals Kraftvarmeværk baserer i dag al varmeproduktionen på naturgas. Da prisen for naturgas og andre fossile brændsler forventes at stige i fremtiden, ønsker Skals Kraftvarmeværk at belyse et supplement til den nuværende varmeproduktion, som varetages af en Cat 3616 gasmotor samt en gaskedel. Skals Kraftvarmeværk ønsker at belyse økonomien i forbindelse med etableringen af et solvarmeanlæg og/eller en varmepumpe, der som udgangspunkt anvender grundvand som varmekilde. Endvidere belyses økonomien ved samdrift af solvarmeanlægget og varmepumpen. Da det ikke er muligt at udvide det nuværende kraftvarmeværk på Solbakken 1, vil man i forbindelse med etableringen af solvarmeanlægget bygge en større teknikbygning, hvor varmepumpen også kan placeres. Det nye solvarmeanlæg med tilhørende teknikbygning kan placeres på en mark enten nordvest for, nord for, sydvest for eller syd for Solbakken. Et eksisterende naturgasfyret kraftvarmeværk kan med den nuværende lovgivning ikke skifte til varmeproduktion med et CO 2 -neutralt brændsel, hvilket begrænser mulighederne for en udfasning af de fossile brændsler. Solvarme og el til varmepumper anses ikke som brændsler, hvilket betyder, at kommunalbestyrelsen kan godkende projektforslag for solvarme og varmepumper, der udviser positiv forbruger-, selskabs- og samfundsøkonomi. Varmepumper til fjernvarme er relativt nyt, hvilket betyder, at antallet af anlæg i drift er begrænset. Dog er teknologien langt fra ny, da der i mange år har været anvendt store varmepumper (kølemaskiner) til kølehuse, slagterier etc. I forbindelse med varmepumpen er der behov for en stabil varmekilde, som kan være industriel overskudsvarme i form af luft eller vand. I Skals er der ikke tilstrækkeligt med industriel overskudsvarme. I stedet er anvendelsen af grundvand, som har en stabil temperatur uafhængig af udetemperaturen, belyst i nærværende rapport. Investeringen i solvarmeanlægget er estimeret ud fra tilsvarende solvarmeprojekter. ICS Energy har oplyst overslagspriser på en varmepumpekonfiguration, der kan anvendes til fjernvarme. Grundvandsinstallationen med tilhørende rørføring er estimeret af PlanEnergi. For at vurdere totaløkonomien for varmeforbrugerne ved etablering af et solvarmeanlæg og/eller en varmepumpe har PlanEnergi opstillet en beregningsmodel for energisystemet, Herved beregnes energiomsætningen og selskabsøkonomien ved realisering af et solvarmeanlæg og/eller en varmepumpe. Side 3 af 64

4 2 Sammenfatning. Skals Kraftvarmeværks årlige varmebehov for et normalår er på MWh. Et solvarmeanlæg på m 2 vil kunne producere ca. 16% af det årlige varmebehov og en varmepumpeløsning på 2,85 MWh vil kunne producere ca. 74% af det årlige varmebehov. Efter at energiafgiften til varmepumper er blevet reduceret markant, er varmepumper blevet særdeles interessante i fjernvarmesystemer. Som det fremgår af nærværende rapport, kan en varmepumpe være konkurrencedygtig i hovedparten af alle driftstimer i varmeåret. Solvarmeanlægget har naturligvis en begrænsning i forhold til at producere varme i de kolde måneder. Ved at skifte elafregningen fra treledstarif til spot vil man med elspotpriserne for 2012 og de nye regler for elproduktionstilskud, hvor det variable elproduktionstilskud på 8 øre/kwh er omlagt til et produktionsuafhængigt tilskud, opnå en besparelse på kr. svarende til 61 kr./mwh. Besparelsen ved at skifte til spotafregning er meget afhængig af de faktiske elspotpriser, og vil derfor variere fra år til år. Det viser sig desuden, at besparelsen ved etablering af hhv. solvarme og varmepumpe er større når varmeværket er på spotmarkedet end når varmeværket er på treledstarif. Besparelserne angivet nedenstående er beregnet ud fra, at både det nuværende anlæg (referencen) og det udbyggede anlæg er på spotmarkedet. Solvarmeanlægget alene resulterer i en årlig nettobesparelse på driften på kr. og vurderes at kunne etableres for ca kr., hvilket giver en simpel tilbagebetalingstid på 12,9 år. Regnes finansieringen af etableringsomkostningerne som et 25-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% vil den årlige kapitalomkostning være på kr. Varmeproduktionsomkostningerne vil dermed reduceres med kr./år svarende til 14 kr./mwh. Ud over den umiddelbare besparelse er der den fordel, at prisen på varmen fra solvarmeanlægget ikke påvirkes af eventuelle fremtidige prisstigninger på brændsel og el. Varmepumpeanlægget alene resulterer i en årlig nettobesparelse på driften på kr. og vurderes at kunne etableres for ca kr., hvilket giver en simpel tilbagebetalingstid på 5,5 år. Regnes finansieringen af etableringsomkostningerne som et 15-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% vil den årlige kapitalomkostning være på kr. Varmeproduktionsomkostningerne vil dermed reduceres med kr./år svarende til 90 kr./mwh. Et kombineret solvarmeanlæg og varmepumpeanlæg resulterer i en årlig nettobesparelse på driften på kr. og vurderes at kunne etableres for ca kr., hvilket giver en simpel tilbagebetalingstid på 8,4 år. Den årlige kapitalomkostning vil være på kr. Varmeproduktionsomkostningerne vil dermed reduceres med kr./år svarende til 81 kr./mwh. Naturgasprisen har stor betydning for den simple tilbagebetalingstid for anlægget, og som det fremgår af følsomhedsberegningerne afhænger rentabiliteten af solvarmeanlægget derfor af, hvordan naturgasprisen udvikler sig. I forbindelse med etableringen af et solvarmanlæg skal der opføres en teknikbygning til varmeveksler, pumper, ventiler, glykoltanke, styring mv. I teknikbygningen kan varmepumpen, med Side 4 af 64

5 tilhørende hjælpeudstyr med fordel placeres og tilkobles akkumuleringstanken, som skal opføres i tilknytning til solvarmeanlægget. Hvis bestyrelsen ønsker at arbejde videre med solvarme og/eller varmepumpeløsningen anbefales det, at der foretages supplerende beregninger for at fastlægge den optimale størrelse af solvarmeanlægget og varmepumpen. For at fastlægge grundvandsresurserne i forbindelse med varmepumpen, skal der fortages en prøveboring og pumpning der medvirker til at bestemme hvor mange boringer der evt. skal etableres til at forsyne varmepumpen. Der skal endvidere udarbejdes diverse ansøgninger herunder: projektforslag, VVM-screening, lokalplan eller landzonetilladelse, miljøgodkendelse og vandindvindingstilladelse. Side 5 af 64

6 3 Metode Beregningerne i denne rapport bygger på centrale skøn, dvs. at priser, virkningsgrader m.m. er vurderet så realistisk som muligt. Dette er i modsætning til f.eks. Worst Case, som bygger på konservative værdier. Ulempen ved Worst Case-metoden er, at man risikerer at indbygge så megen sikkerhed i beregningerne, at det får et rentabelt projekt til at fremstå urentabelt. Brugen af centrale skøn medfører, at det reelle projekt kan vise sig at være både bedre og ringere end beregningerne. For at undersøge, hvor meget projektet påvirkes af ændringer i forudsætningerne, foretages følsomhedsberegninger på relevante parametre herunder ændringer i brændselsprisen samt ændringer i elafregningen (spotmarkedsbetaling). Alle beløb i rapporten er i 2013-kr. ekskl. moms med mindre andet er nævnt. Solvarmeproduktionen er beregnet i energypro. Modellen beregner varmeproduktionen fra varmeanlægget time for time gennem et år. Driften af det nuværende kraftvarmeværk er suppleret med et solvarmeanlæg og/eller en varmepumpe og er ligeledes simuleret i programmet energypro, hvor den optimale drift simuleres time for time gennem et år. EnergyPRO beregner den økonomisk optimale drift ud fra de opstillede forudsætninger. Herefter er driftsøkonomien og kapitalomkostningerne, som er relateret til investeringerne, beregnet i Excel. Udgangspunktet for de økonomiske beregninger er en referenceberegning, hvor driftsøkonomien for Skals Kraftvarmeværk er beregnet uden solvarme og varmepumpe som værket står i dag. Herefter er driftsøkonomien for værket inklusiv solvarme og/eller varmepumpe beregnet. For hvert scenarie beregnes driften både under forudsætning af at gasmotoren leverer el på treledstarif og under forudsætning af, at motoren leverer el til spotmarkedet. Derved kan det adskilles, hvor stor en del af en evt. besparelse der kommer fra ændringen af afregningsformen, og hvor meget der kommer fra udbygningen af anlægget. Solindstrålingen i Danmark varierer med ca. ±10 % afhængigt af, hvor i landet man befinder sig, jf. bilag 1. For Skals er der anvendt DRY * data fra DMI fra det centrale Jylland (Zone 3). * Design Reference Year for Denmark Side 6 af 64

7 4 Forudsætninger De vigtigste forudsætninger for beregningerne fremgår i det følgende. Øvrige forudsætninger for energypro-modellen ses i Bilag Varmegrundlag Varme ab værk har i henhold til årsopgørelsen fra Skals Kraftvarmeværk for varmeåret juni juni 2013 været MWh. Efterfølgende er varmegrundlaget blevet korrigeret for antallet af graddøgn i samme periode. Skyggegraddøgn for ØST-MIDTJYLLAND sammenholdt med HELE LANDET ØST-MIDTJYLLAND HELE LANDET Skygge- Skygge- Afvigelse Skygge- Skygge- Afvigelse graddøgn graddøgn, fra graddøgn graddøgn, fra EMDnormanormanormanormal EMD- EMD- EMD- År Måned (Antal (Antal (Antal (Antal.. graddøgn) graddøgn) (%) graddøgn) graddøgn) (%) ,7 131,2 108,5 20, ,4 9,4 56,2 52, ,7 61,3-33,6 32,6 52,7-38, ,1 146,7-4, , ,5 269,8-2,7 251, , ,8 396,3-14,5 341,8 385,1-11, ,4 474,4 11,6 529,8 466,2 13, ,8 498,6 6,9 530,7 492,6 7, ,3 432,3 17,6 503,2 431,4 16, ,6 445,8 27,5 564,7 444, ,5 328,2 12,6 351, , ,6-15,6 153,9 202,9-24,1 I ALT ,7 3428,4 7,2 3571, ,4 Tabel 1 Skyggegraddøgn for Øst-Midtjylland, sammenlignet med hele landet. Som det fremgår, har der i perioden været en afvigelse på 7,2 % i forhold til normal-året for området, hvilket giver en korrigeret varmeproduktion på MWh/år. Side 7 af 64

8 3.500 Varme ab værk / [MWh/måned] GAF GUF Oplyst 0 J J A S O N D J F M A M Figur 1: Graf med angivelse af fordelingen mellem GAF og GUF. Som det fremgår af ovenstående figur er der god overensstemmelse med den oplyste varmeproduktion og den varmeproduktionsfordeling, som er beregnet ud fra periodens graddage, og som består af et graddøgnafhængigt forbrug (GAF) og et graddøgnsuafhængigt forbrug (GUF). 4.2 Energipriser og afgifter På nuværende tidspunkt sælger Skals Kraftvarmeværk den producerede elektricitet til en fast pris som følger treledstariffen, som er et statisk el-marked, der reguleres efter en fast produktionsplan. I nærværende rapport er der ud over treledstarifberegninger foretaget en række beregninger på Skals Kraftvarmeværk, hvis værket var tilknyttet spotmarkedet i Vestdanmark i Varmepumpen er i alle beregningerne tilknyttet spotmarkedet. Naturgasprisen er sat til 2,4704 kr./nm 3, inkl. transport, lager og distribution. Der regnes med gældende afgiftssatser pr. februar 2013 inkl. forsyningssikkerhedsafgift på naturgas. 4.3 Solvarme Solvarmeanlægget er opbygget af en række solfangere, hvor der cirkuleres en glykolholdig væske igennem. Væsken fordeles til rækkerne af solfangere ved hjælp af en cirkulationspumpe. Væsken bliver gennem rækkerne af solfangerne opvarmet til den ønskede temperatur. Typisk opvarmes væsken til omkring C. Den glykolholdige væske ledes, når den er blevet opvarmet, til en pladevarmeveksler, hvor den opvarmer fjernvarmevandet. Da solvarmeproduktionen og varmebehovet i byen stort set aldrig stemmer overens bliver der tilkoblet en varmeakkumuleringstank, som virker som et døgnlager. Som det fremgår af nedenstående illustration er den enkelte solfanger opbygget i en højisoleret aluminiumskasse, hvor der er monteret en absorber, der cirkuleres en glykolholdig væske igennem. Side 8 af 64

9 Figur 2: Illustration af solfanger fra ARCON Solar monteret på betonfundament. Som det fremgår af nedenstående kurve er virkningsgraden på solfangerne afhængig af temperaturdifferensen over solfangerne og omgivelsestemperaturen. Temperaturdifferensen over solfangerne er differensen mellem væskens middeltemperatur og omgivelsestemperaturen. Figur 3: Virkningsgraden på en solfanger som funktion af temperaturdifferensen mellem væsken i solfangeren og omgivelsestemperaturen. Solvarmeanlægsplacering. Der er foreslået nogle mulige placeringer (se figur 4) som gør at længden på rørforbindelsen mellem Skals Kraftvarmeværk og solvarmeanlægget er estimeret til ca m. Derfor er alle beregninger foretaget med 1000 m. mht. investering i rør og beregning af varmetab. Matrikelkort leveret af Skals Kraftvarmværk findes i bilag 4. Side 9 af 64

10 Figur 4: Mulige placeringer af solvarmeanlægget ved Skals, hvor de mulige placeringer er markeret med sorte kanter. endvidere er Skals Krafvarmeværks placering markeret med adressen Solbakken Varmepumpe Varmepumpen er opbygget som et traditionelt køleanlæg med en fordamper, kondensator, kompressor og drøvleventil. I nærværende rapport er der anvendt en varmepumpe som kan hæve temperaturen på fjernvarmevandet til fremløbstemperatur. Som varmekilde til varmepumpen er der anvendt grundvand med en temperatur på 8 C som af varmepumpen nedkøles til 3 C. Side 10 af 64

11 4.4.1 Grundvand Der er undersøgt mulighed for at anvende grundvand som varmekilde og følgende er blevet oplyst: Skals grundvand Data Kapacitet? m3/h Temp vinter 8-9ºC Temp sommer 8-9ºC Tabel 2: Data for grundvand, kilde: GEUS-JUPITER. Kapaciteten er ukendt indtil prøveboring er foretaget. I sammenhæng med vurdering af den/de mest optimale energimæssige produktionsforhold er undersøgt om det kan være en realistisk mulighed at anvende grundvand til varmeproduktion til hel eller delvis dækning af Skals-områdets varmebehov. Denne løsning vil i givet fald være baseret på et antal produktionsboringer som oppumper grundvand, der via et varmepumpesystem afgiver varmeenergien, som efterfølgende anvendes som en del af varmeforsyningsbehovet. Det oppumpede grundvand vil efter varmepumpesystemet blive returneret til samme grundvandsmagasin via injektionsboringer. Der er foretaget en gennemgang og vurdering af de grundvandsmæssige forhold i området ved og omkring Skals Kraftvarmeværk i en radius på ca. 1 km. Overordnet betragtet er geologien i området præget af lagserier med en gennemgående relativt ensartet struktur. Udover ca. 0-1 m. toplag af muldagtig karakter, er der fra ca. 1 m. til cirka 100 m. under terræn, registreret primært vekslende smeltvands formationer bestående af sand og lerlag med varierende udstrækning. Side 11 af 64

12 Figur 5: Vandindvindingsboringer mm. i Skals området. I området er der etableret boringer til blandt andet vandforsyning og markvanding som er de dybeste boringer i områder. I disse boringer er der boret ned til cirka 100 m. under terræn. I øvrige boringer i området er der boret ned til mellem m. under terræn. De prøvepumpninger der er foretaget viser, at der har været oppumpet op til ca. 25 m 3 /h, hvor der er konstateret en sænkning af grundvandsspejlet på ca. 7-8 m. De data der er til rådighed for det undersøgte område omkring Skals, viser, at der er mange omgivende åbne arealer og grundvandsforekomster, som indikerer at der er gode muligheder for at placere et antal grundvandsboringer og dermed anvende en grundvandsvarmepumpeløsning til hel eller delvis dækning af varmebehovet i Skals by mv. Den angivne vandstandssænkning på cirka 7-8 m. ved en prøvepumpning på 25 m 3 /h viser at der er mulighed for en forøgelse af vandmængden. Uanset om der fokuseres på en 100 % eller f.eks. en 50 % dækning af et varmebehov, baseret på en grundvandsvarmepumpeløsning, er der dog ikke tilstrækkelige data til en sikker afklaring af hvor stor dækningsprocenten rent faktisk kan blive. I sammenhæng med den mængde grundvand, der skal anvendes til dækning af et varmebehov svarende til varmeværket produktion, vil der blive behov for langt større vandmængder end tilfældet er ved dækning af grundvandsbehov til drikkevandsforbrug. Side 12 af 64

13 Hvor f.eks. et vandværk, der producerer drikkevand til ca forbrugere oppumper en vandmængde svarende til ca m 3 /år, så skal der en vandmængde på op til ca. 30 gange så meget til pr. år, til dækning af ca. 75 % af varmebehovet. Den vandmængde der skal anvendes til dækning af varmebehovet vil være direkte afhængig af hvor stor en del af varmebehovet, der kalkuleres dækket. Hvis f.eks. der kun er behov for et supplement på 25 %, vil der, som naturlig konsekvens heraf være behov for en mindre grundvandsmængde. En afklaring af hvor meget kapacitet, der er til rådighed grundvandsmæssigt betragtet vil ikke kunne afklares før der er udført en testboring, der i givet fald kan anvendes efterfølgende som produktionsboring eller injektionsboring. Med de kendte geologiske / hydrogeologiske forhold taget i betragtning vil en testboring skulle etableres med en filtersætning i et niveau på ca m. dybde. På grundlag af resultaterne af en testboring vil det kunne afklares, hvor meget vand der kan oppumpes og dermed hvordan et komplet anlæg kan designes. Det er omkostningsmæssigt betragtet vigtigt om det er tilstrækkeligt at etablere 1 sæt boringer (1 produktionsboring og 1 injektionsboring). Under forudsætning af, at der kan opnås tilfredsstillende vandmængder fra en testboring, kan der træffes afgørelse om hvordan et komplet grundvandsbaseret varmepumpeanlæg dimensioneres/designes. En testboring skal etableres, som en normal vandindvindingsboring med forerør (det rør der sikrer boringen er tæt og ikke i fysisk kontakt med jordlagene omkring boringen) og filtersætning (det rør i boringen der er nede i de vandførende lag, hvor røret er perforeret med slidser hele vejen rundt, sådan at der kan pumpes grundvand ind igennem og op videre op fra boringen). Når boringen er udført, skal den efter ren-pumpning ( sandfri boring ) og evt. prøvetagning (analyse af grundvandvandets kvalitet) prøvepumpes over en periode på op til 14 dage med maksimal ydelse. Maksimal ydelse er den ydelse der kan opnås uden at der sker en tørkøring (filter/forerør tømmes for vand og dermed blotlægges pumpen) af pumpen i boringen. På grundlag af en prøvepumpning af testboringen, kan det vurderes hvor meget vand der kan oppumpes og dermed hvor stort et energipotentiale der faktisk er, dvs. der kan kalkuleres hvor meget varme, der vil kunne produceres. Selve testboringen vil kræve en myndighedsgodkendelse på samme vilkår som en traditionel boring med henblik på vandindvinding. Der skal søges om boringstilladelse og der skal også søges om indvindingstilladelse uanset, det er en midlertidig boring. Derudover skal der tages med i betragtning at det skal være muligt at komme af med det oppumpede grundvand gennem prøvepumpningsperioden. Side 13 af 64

14 Omkostningerne for udførelse af en testboring vil være afhængig af boredybde, adgangsforhold mv. En testboring til ca. 100 m. dybde med filtersætning, renpumpning, analyser og prøvepumpning og tolkning af data vil typisk kunne udføres indenfor en beløbsramme på kr. Når/hvis det bliver realistisk, skal der laves et decideret projekt, hvor testboringen anvendes som produktionsboring eller injektionsboring. Der er relativt store områder ved og omkring Skals der er velegnede til etablering af boringer og som ikke vil udgøre et problem i relation til negativ belastning af natur og miljømæssige interesse-områder. Typisk vil der kun være en midlertidig påvirkning i forbindelse med etablering af boringer og nedgraving af forsyningskabler, transmissionslledninger og etablering af en tørbrønd, der kan afsluttes i niveau med terræn. De grundvandsmæssige og natur/miljømæssige forhold i området, set ud fra drikkevandsmæssige interesser,er derfor heller ikke problematiske, og dermed vil det være muligt at etablere produktions og injektionsboringer Skals renseanlæg Der er undersøgt mulighed for at anvende overskudsvarme fra Skals renseanlæg. Skals renseanlæg Data Kapacitet 12,5 m 3 /h Temp. vinter 3 ºC Temp. sommer 13/14 ºC Tabel 3: Data for Skals renseanlæg opgivet af ansvarlig for renseanlægget ved Energi Viborg. Den teoretiske max effekt for dette vil i sommerperioden være på: P rens max = E/t = m c vand T/t = (12500 kg) (4,18 kj/(kg K) ((14-3) K) / 3600s = 0,16MW I vinterperioden vil det være en meget begrænset energimængde, der kan trækkes ud af spildevandet, da temperaturen er så lav at det ikke kan køles ret meget yderligere. Yderligere er der en afstand i luftlinje på ca m. mellem renseanlæg og Skals Kraftvarmeværk, derfor anses det ikke som rentabelt at genindvinde overskudsvarmen fra Skals renseanlæg Hjarbæk fjord Hjarbæk Fjord, er en 12 km lang sydlig forgrening af Limfjorden. Byen Hjarbæk ligger ved bunden af fjorden 10 km nordvest for Viborg. Den buede fjord har store tilløb fra flere åløb, heriblandt Simested Å, Skals Å, Fiskbæk Å og Jordbo Å og har ved Virksund kun en smal forbindelse til Lovn Bredning og dermed Limfjorden. Side 14 af 64

15 Der er undersøgt mulighed for at anvende fjordvand fra Hjarbæk fjord som varmekilde. Fjordvand Hjarbæk Data Temp. vinter 5 m. dybde 3ºC Temp. sommer 5 m. dybde 17ºC Tabel 4: Data for Hjarbæk fjord er opgivet af Rambøll miljø overvågning limfjorden Figur 6: Vandtemperaturer i Hjarbæk fjord på forskellige dybder udtaget i den kolde tid og den varme tid temp 5m dybde C jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Figur 7: Vandtemperaturer i Hjarbæk fjord på 5 m. dybde i Middeltemperatur er 10,4 C Side 15 af 64

16 En fornuftig årsdækning fra varmepumpen opnås erfaringsmæssigt ved, at varmepumpens effekt svarer til 50% af varmeværkets beregnede spidslast. Varmepumpen skal dermed have en varmeeffekt (p varm ) på 2,85 MW. Vandbehovet kan dermed for vinterperioden ved fuldlast beregnes til 880 m 3 /h under forudsætning af en afkøling fra 3 til 1 C. og en COP på 3,5 (jf. nedenstående): El-effekt: p el = p varm /COP = 2,85/COP = 2,85/3,5 = 0,81 MW Afkøling: p køl = p varm p el = 2,85-0,81 = 2,04 MW Vandbehov: Q vand = p køl /(c vand ΔT) = 2, kw/(4,18 kj/(kg K) 2 K) = 244 kg/s = 880 m 3 /h I forårs- og efterårssæsson kan vandbehovet ved fuldlast beregnes til 370 m 3 /h under forudsætning af en afkøling fra 10 til 5 C. og en COP på 4 (jf. nedenstående): El-effekt: p el = p varm /COP = 2,85/COP = 2,85/4 = 0,71 MW Afkøling: p køl = p varm p el = 2,85-0,71 = 2,14 MW Vandbehov: Q vand = p køl /(c vand ΔT) = 2, kw/(4,18 kj/(kg K) 5 K) = 102,4 kg/s = 370 m 3 /h Der er en afstand på ca m. mellem Hjarbæk fjord og Skals Kraftvarmeværk. Figur 8: Hjarbæk fjords placering i forhold til Skals Kraftvarmeværk på adressen Solbakken 1, afstanden er ca m. Side 16 af 64

17 4.5 Anlægsomfang Nedenstående figur viser et principdiagram med det nuværende kraftvarmeværk som modtager varme fra et nyt solvarmeanlæg samt en grundvandsvarmepumpe. Mellem kraftvarmeværket og det nye solvarmeanlæg/varmepumpe etableres der en varmetransmissionsledning. Figur 9: Principdiagram for grundvandsvarmepumpeinstallation med eksisterende installation og solvarmeanlæg. Solvarmeanlægget og varmepumpen anvender en fælles varmeakkumuleringstank på 2000 m 3 som lager. Side 17 af 64

18 4.6 Nettovarmeproduktionsomkostninger Nedenstående diagram viser varmeproduktionsomkostningerne ekskl. kapitalomkostninger feb. 2013, hvis værket var tilknyttet spotmarkedet. Det fremgår, at priskrydset mellem varmepumpen og gasmotor er ved en el-spotpris på 550 kr./mwh, hvilket betyder, at varmepumpen vil være den billigste produktionsenhed, når el-spotprisen er lavere end 550 kr./mwh. Figur 10: Varmeproduktionsomkostningerne ekskl. kapitalomkostninger som en funktion af elspotprisen. Som det fremgår af nedenstående figur, veksler el-spotprisen meget i løbet af døgnet. I 2012 var der timer, hvor el-spotprisen var 550 kr./mwh eller mindre. Den gennemsnitlige pris disse timer var 265 kr./mwh. Figur 11: El-spotpriser for Vestdanmark i Side 18 af 64

19 5 Resultater I dette kapitel sammenholdes energiomsætning og økonomi, for det udbyggede kraftvarmeværk med solvarme og varmepumpe, med referencen. 5.1 Energiomsætning, Varmeproduktion og naturgasforbrug Nedenstående to tabeller viser fordelingen af varmeproduktionen i forhold til den nuværende drift på naturgas. 0.0 Reference Treled 1.0 Treled Sol 2.0 Treled VP 3.0 Treled Sol & VP Naturgasforbrug (11,0 kwh/nm 3 ) Nm 3 /år Varmeproduktion, Naturgas Motor MWh/år Varmeproduktion, Naturgas Kedel MWh/år Varmeproduktion, Sol MWh/år Varmeproduktion, Varmepumpe MWh/år Varmeproduktion total MWh/år Elforbrug varmepumpe MWh/år Elproduktion MWh/år Tabel 5: Naturgasforbrug og varmeproduktion fordelt mellem naturgas, sol og varmepumpe. El fra motor sælges efter A-treledstarif. 0.0 Reference Spot 1.0 Spot Sol 2.0 Spot VP 3.0 Spot Sol & VP Naturgasforbrug (11,0 kwh/nm 3 ) Nm 3 /år Varmeproduktion, Naturgas Motor MWh/år Varmeproduktion, Naturgas Kedel MWh/år Varmeproduktion, Sol MWh/år Varmeproduktion, Varmepumpe MWh/år Varmeproduktion total MWh/år Elforbrug varmepumpe MWh/år Elproduktion MWh/år Tabel 6: Naturgasforbrug og varmeproduktion fordelt mellem naturgas, sol og varmepumpe. El fra motor sælges til markedspris (spot). Som det fremgår af nedenstående figur fortrænger solvarmeanlægget og varmepumpen en væsentlig del af det nuværende naturgasforbrug. Det skal dog bemærkes at mens kraftvarmeproduktionen på naturgas falder erstattes en del af varmeproduktionen af el i forbindelse med varmepumpen. Side 19 af 64

20 Figur 12: Fordelingen af varmeproduktion mellem naturgas, sol og varmepumpe samt naturgasforbruget i Nm 3 /år Varmeproduktion fra solvarmeanlæg Varmeproduktionen fra solvarmeanlægget topper i sommerhalvåret, hvor solen dækker en stor del af varmebehovet. Selvom solvarmeanlægget naturligvis ikke dækker varmebehovet i de resterende måneder, vil det stadig bidrage med energiproduktion. Produktionen fordelt over året fremgår af nedenstående figur MWh Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Varmeproduktion solvarme (MWh) Varmebehov Skals (MWh) Figur 13: Varmeproduktionen fra solvarmeanlægget og varmebehovet fordelt månedsvis. Side 20 af 64

21 5.1.3 Varmeproduktion fra solvarmeanlæg og varmepumpe Varmeproduktionen fra solvarmeanlæg og varmepumpen topper i sommerhalvåret hvor der i perioder ikke vil være behov for yderligere varmekilder og i den kolde periode vil varmeproduktionen primært komme fra varmepumpen med lidt eller ingen sol og suppleret med traditionel produceret varme på kedel/motor. Produktionen fordelt over året fremgår af nedenstående figur , , ,00 MWh 1.500, ,00 500,00 0,00 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Varmeproduktion solvarme (MWh) Varmebehov Skals (MWh) Varmeproduktion varmepumpe (MWh) Figur 14: Varmeproduktionen fra solvarmeanlægget og varmepumpen fordelt månedsvis. Side 21 af 64

22 5.2 Investeringsbehov, solvarme Investeringsbehovet for udbygningen af Skals Kraftvarmeværks med et m 2 solvarmeanlæg med tilhørende akkumuleringstank, fremgår af nedenstående budget: Estimeret investering solvarme 1 Solvarmeanlæg inkl fundamenter, rør i jord etc m 2 a kr kr Vekslerunit, pumper, glykoltank etc. kr Akkumuleringstank, m 3 kr Nitrogenanlæg kr Transmissionsledning 1000 meter á kr/m kr Rørarbejde ved indskæring på eksisterende værk kr Teknikbygning kr Hegn, beplantning og jordarbejde kr PLC og styring kr Værdi af energibesparelser 300kr/MWh kr Projektering og tilsyn kr Myndighedsbehandling kr. Uforudsete udgifter kr I alt kr ) Estimeret investering af PlanEnergi ud fra tilsvarende projekter. Tabel 7: Estimeret investeringsbehov, solvarmeanlæg. Side 22 af 64

23 5.3 Investeringsbehov, grundvandsvarmepumpe Estimeret investering grundvandsvarmepumpe 2 Boringer 2 x 3 boringer inkl. pumper, ventiler, styringer, pumpehus etc. kr Vandtransmissionsledning, PE (trykrør) meter á 750 kr./meter *2 Tilslutning af vandledninger på varmepumpe kr kr Varmepumpe, varmeydelse 2,85MW kr Varmepumpestyring, PLC og integration med SRO anlæg kr Tilslutningsbidrag el 3 kr El-installation (Tavle og kabler) kr Evt. lodsejererstatning kr Teknikbygning kr Projektering og tilsyn kr Myndighedsbehandling kr Uforudsete udgifter kr I alt kr ) Estimeret investering af PlanEnergi, overslagsprisen på varmepumpen er oplyst af ICS Energy 3 ) forudsætter tilslutning til elselskab med begrænset netadgang Tabel 8: Estimeret investeringsbehov, grundvandsvarmepumpe. Tilslutningsbidrag el Der er to måder at tilslutte varmepumpen til elselskabet: Begrænset netadgang. Normalt vil tilslutningen betragtes som værende stabil. Rådighedseffekten for elselskabet kan til enhver tid begrænse eller udkoble varmepumperne fra netadgangen. Dette skal undersøges nærmere i forbindelse med et konkret projekt. Pr. kw ved kw-maks afregning. Prisen er kr./ kw (Energi Midt). Det vil ved en varmepumpes elforbrug på ca. 750kW give kr. og er væsentlig dyrere end begrænset netadgang. Side 23 af 64

24 5.4 Selskabsøkonomi I nedenstående tabel er selskabsøkonomien beregnet som driftsbesparelsen minus kapitalomkostningerne der er relateret til de enkelte investeringer. Kapitalomkostningerne er beregnet som et 25-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5 % p.a. for solvarmeanlægget og et 15-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5 % p.a. for varmepumpe, grundet forventet levetid på installationerne. Det skal bemærkes, at varmepumpen i alle nedenstående beregninger er tilknyttet spotmarkedet. Grundberegning (Naturgas 2,4704 kr./nm 3 ) Reference Treled Reference Spot Treled Sol Spot Sol Treled VP Spot VP Treled Sol & VP Spot Sol & VP Investering kr Driftsomkostninger* kr./år Driftsbesparelse kr./år Simpel tilbagebetalingstid år - 14,8 12,9 7,9 5,5 11,1 8,4 Kapitalomkostninger, Solvarmeanlæg** kr./år Kapitalomkostninger, Varmepumpe*** kr./år Kapitalomkostninger, samlet kr./år Besparelse kr./år Varmeproduktionspris kr./mwh Varmeproduktionspris inkl. kapitalomkostning kr./mwh *) Driftsomkostningerne er beregnet i energypro. **) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 25-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. ***) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 15-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. Tabel 9: Selskabsøkonomisk beregning ved etablering af solvarme og varmepumpe. Den selskabsøkonomiske beregning, hvis værket var tilknyttet spotmarkedet giver et væsentligt bedre resultat sammenlignet med treleds-beregningen, hvilket skyldes, at varmepumpen og gasmotoren spiller bedre sammen på det dynamiske el-marked. Det skal bemærkes, at besparelsen for Reference Spot er i forhold til den nuværende drift af værket på treledstariffen. Besparelsen for Spot Sol, Spot VP og Spot Sol og VP er i forhold til Reference Spot. 5.5 Følsomhedsberegninger I det følgende foretages beregninger, der viser variationer i gas og elpriser og deres indvirkning på produktionsomkostningerne Variation i naturgaspriser Der er foretaget følsomhedsberegning på referencen med spot samt løsningsforslaget med solvarme og varmepumpe. Driftsomkostningerne er her beregnet med naturgaspriser på ± 10% af 2,4704 kr./nm 3. Resultaterne fremgår af nedenstående tabel. Side 24 af 64

25 Følsomhedsberegning, Naturgaspris 0.0 Reference Spot 0.0 Reference Spot 0.0 Reference Spot 3.0 Spot Sol & VP 3.0 Spot Sol & VP 3.0 Spot Sol & VP Variant Naturgas 2,22336 kr./nm3 Naturgas 2,4704 kr./nm3 Naturgas 2,7144 kr./nm3 Tabel 10: Følsomhedsberegning på ændring af naturgasprisen. Naturgas 2,22336 kr./nm3 Naturgas Naturgas 2,7144 2,4704 kr./nm3 kr./nm3 Investering kr Driftsomkostninger* kr./år Driftsbesparelse kr./år Simpel tilbagebetalingstid år 9,3 8,4 7,6 Kapitalomkostninger, Solvarmeanlæg** kr./år Kapitalomkostninger, Varmepumpe*** kr./år Kapitalomkostninger, samlet kr./år Besparelse kr./år Varmeproduktionspris kr./mwh Varmeproduktionspris inkl. kapitalomkostning *) Driftsomkostningerne er beregnet i energypro. kr./mwh **) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 25-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. ***) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 15-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. Den simple tilbagebetalingstid for anlægget afhænger af, hvordan naturgasprisen udvikler sig Variation i spotmarkedsbetaling Der er endvidere foretaget følsomhedsberegning på spot. Driftsomkostningerne er her beregnet med en ændring af spotmarksbetalingen for Vestdanmark i Priserne er valgt for 2010 da priserne var høje i forhold til spotpriserne i Resultaterne fremgår af nedenstående tabel. Følsomhedsberegning, Spotpris el 0.0 Reference Treled 0.0 Reference Spot 3.0 Treled Sol & VP 3.0 Spot Sol & VP Variant 2010 priser 2010 priser 2010 priser 2010 priser Investering kr Driftsomkostninger* kr./år Driftsbesparelse kr./år Simpel tilbagebetalingstid år - 10,2 9,4 Kapitalomkostninger, Solvarmeanlæg** kr./år Kapitalomkostninger, Varmepumpe*** kr./år Kapitalomkostninger, samlet kr./år Besparelse kr./år Varmeproduktionspris kr./mwh Varmeproduktionspris inkl. kapitalomkostning kr./mwh *) Driftsomkostningerne er beregnet i energypro. **) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 25-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. ***) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 15-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. Tabel 11: Følsomhedsberegning på ændring af spotmarkedsbetalingen. Ved at skifte elafregningen fra treledstarif til spot vil man med el-spotpriserne for 2010 og de nye regler for elproduktionstilskud, hvor det variable elproduktionstilskud på 8 øre/kwh er omlagt til et produktionsuafhængigt tilskud, opnå en besparelse på kr. Side 25 af 64

26 6 Godkendelser I forbindelse med etablering af solvarme eller varmepumpeanlæg skal der udarbejdes diverse ansøgninger herunder: projektforslag VVM-screening Lokalplan eller landzonetilladelse Miljøgodkendelse Vandindvindingstilladelse. Varmeindvindingsanlæg og grundvandskølingsanlæg I forbindelse med etablering skal bekendtgørelsen om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg følges. BEK nr Side 26 af 64

27 Bilag 1 Danmarkskort med solindstråling Figur B1.: Danmarkskort fra DMI med årlig solindstråling på en vandret flade. Side 27 af 64

28 Bilag 2 Inddata til energypro Parameter Forudsætning Planperiode 1 år (1/ til 31/ ) Udetemperatur Udetemperatur, DRY, Zone 2 (Centrale Jylland) Naturgas Brændværdi (nedre): 11 kwh/nm 3 Varme ab værk MWh/år juni juni 2013 Graddøgnskorrigeret og omregnet til et normalår med behovsprofil: MWh/år, hvor 77,7 % afhænger af udetemperaturen (GAF). Motor 1 Kedel 1 Indfyret effekt: kw Varme-effekt: kw El-effekt: kw Indfyret effekt: kw Varme-effekt: kw Solvarmeanlæg m 2 Koefficienter i solfangerligning (η 0, k 1 og k 2 ) η 0 : 0,839 k 1 : 3,2 k 2 : 0,0137 Varmepumpe Varmelager El-effekt: 712,5 kw (COP=4) Varme-effekt: kw + elforbrug til grundvandspumper Varmelager, Kraftvarmeværk Volumen: 900 m 3 (Eksisterende) Kapacitet: 47,9 MWh Varmelager, Solfangeranlæg Volumen: m 3 Kapacitet: 81,4 MWh El-marked Treledstarif, A1/A2-tarif (60/10 kv og 50/10 kv) pr. 1. juli Spotmarked i Vestdanmark i perioden d. 1/ til og med d. 31/ Driftsstrategi Minimer netto varmeproduktionsomkostninger Side 28 af 64

29 Økonomi Grundbeløb El-produktionstilskud Naturgaspris excl. afgifter Afgifter CO 2 -kvoter CO 2 -kompensation kr. (Oplyst af værket) Regnes som produktionsuafhængigt tilskud 2,4704kr./Nm 3 (samt følsomhedsberegning) Gældende afgifter fra februar Se i øvrigt bilag 4 for anvendte afgiftsforudsætninger. Ingen Ingen Drift og vedligehold Motor 1: 65 kr./mwh el Kedel 1: Solvarme: Varmepumpe: 5 kr./mwh varme 6 kr./mwh varme 25 kr./mwh el Side 29 af 64

30 Bilag 3 Overblik 0.0 Reference Treled 0.0 Reference Spot 1.0 Treled Sol 1.0 Spot Sol 2.0 Treled VP 2.0 Spot VP 3.0 Treled Sol & VP 3.0 Spot Sol & VP Naturgasforbrug (11,0 kwh/nm 3 ) Nm 3 /år Varmeproduktion, Naturgas Motor MWh/år Varmeproduktion, Naturgas Kedel MWh/år Varmeproduktion, Sol MWh/år Varmeproduktion, Varmepumpe MWh/år Varmeproduktion total MWh/år Elforbrug varmepumpe MWh/år Elproduktion MWh/år Estimeret investering solvarme 1 Solvarmeanlæg inkl fundamenter, rør i jord etc m 2 a kr kr Vekslerunit, pumper, glykoltank etc. kr Akkumuleringstank, m 3 kr Nitrogenanlæg kr Transmissionsledning 1000 meter á kr/m kr Rørarbejde ved indskæring på eksisterende værk kr Teknikbygning kr Hegn, beplantning og jordarbejde kr PLC og styring kr Værdi af energibesparelser 300kr/MWh kr Estimeret investering grundvandsvarmepumpe 2 Boringer 2 x 3 boringer inkl. pumper, ventiler, styringer, pumpehus etc. kr Vandtransmissionsledning, PE (trykrør) meter á 750 kr./meter *2 Tilslutning af vandledninger på varmepumpe kr kr Varmepumpe, varmeydelse 2,85MW kr Varmepumpestyring, PLC og integration med SRO anlæg kr Tilslutningsbidrag el 3 kr El-installation (Tavle og kabler) kr Evt. lodsejererstatning kr Teknikbygning kr Projektering og tilsyn kr Myndighedsbehandling kr Uforudsete udgifter kr I alt kr ) Estimeret investering af PlanEnergi ud fra tilsvarende projekter. 2 ) Estimeret investering af PlanEnergi, overslagsprisen på varmepumpen er oplyst af ICS Energy 3 ) forudsætter tilslutning til elselskab med begrænset netadgang Grundberegning (Naturgas 2,4704 kr./nm 3 ) 0.0 Reference Treled 0.0 Reference Spot 1.0 Treled Sol 1.0 Spot Sol 2.0 Treled VP 2.0 Spot VP 3.0 Treled Sol & VP 3.0 Spot Sol & VP Investering kr Driftsomkostninger* kr./år Driftsbesparelse kr./år Simpel tilbagebetalingstid år - 14,8 12,9 7,9 5,5 11,1 8,4 Kapitalomkostninger, Solvarmeanlæg** kr./år Kapitalomkostninger, Varmepumpe*** kr./år Kapitalomkostninger, samlet kr./år Besparelse kr./år Varmeproduktionspris kr./mwh Varmeproduktionspris inkl. kapitalomkostning kr./mwh *) Driftsomkostningerne er beregnet i energypro. **) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 25-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. ***) Kapitalomkostningerne er beregnet som et 15-årigt annuitetslån med en realrente på 3,5% p.a. Side 30 af 64

31 Bilag 4 Udskrifter fra energypro I dette bilag ses udskrifter fra energypro af henholdsvis den årlige energiomsætning og resultat af ordinær drift for referencen og projektet. Side 31 af 64

32 Side 32 af 64

33 Side 33 af 64

34 Side 34 af 64

35 Side 35 af 64

36 Side 36 af 64

37 Side 37 af 64

38 Side 38 af 64

39 Side 39 af 64

40 Side 40 af 64

41 Side 41 af 64

42 Side 42 af 64

43 Side 43 af 64

44 Side 44 af 64

45 Side 45 af 64

46 Side 46 af 64

47 Side 47 af 64

48 Side 48 af 64

49 Side 49 af 64

50 Side 50 af 64

51 Side 51 af 64

52 Side 52 af 64

53 Side 53 af 64

54 Side 54 af 64

55 Side 55 af 64

56 Side 56 af 64

57 Side 57 af 64

58 Side 58 af 64

59 Side 59 af 64

60 Side 60 af 64

61 Side 61 af 64

62 Side 62 af 64

63 Bilag 4 Mulige solvarmeanlægsplaceringer. Figur 15: Mulige placeringer af solvarmeanlæg nord for Skals, hvor de mulige placeringer er skraveret. placeringerne er opgivet af Skals Krafvarmeværk. Side 63 af 64

64 Figur 16: Mulige placeringer af solvarmeanlæg syd for Skals, hvor de mulige placeringer er skraveret. placeringerne er opgivet af Skals Krafvarmeværk. Side 64 af 64