Udnyttelse af røggasenergi med varmepumper - v. Aabenraa og Rødekro Fjernvarme

Transkript

1 2015 Udnyttelse af røggasenergi med varmepumper - v. Aabenraa og Rødekro Fjernvarme Thomas Lautrup Søndergaard Jon Ingemann Nissen Århus Maskinmesterskole

2 Titel: Projekttype: Uddannelsestrin: Uddannelsessted: Vejleder: Udnyttelse af røggasenergi med varmepumper Bachelorprojekt 9. semester Aarhus Maskinmesterskole Flemming Hauge Pedersen Afleveringsdato: 01 / Normalsider: 40,5 Sider i alt: 80 Antal bilag: 29 Forside illustration: (Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, 2015) Forfattere: Thomas Lautrup Søndergaard - M12755 Jon Ingemann Nissen - V10907 Side 1 af 80

3 Abstract This report was written by two students at Aarhus School of Marine and Technical Engineering, as a final project. The aim of this report is to examine how to exploit energy in the exhaust gas in the wood chips combustion plant at Aabenraa and Rødekro District Heating, using heat pumps. Extraction of energy from the exhaust gas using heat pumps is extremely relevant, because this can raise the efficiency of the wood chips combustion plant. The report contains the general theory of heat pumps and a further description of electric driven heat pumps and absorption heat pumps. Furthermore proposals to implement these two installations at Aabenraa and Rødekro District Heat are given. The proposals are described in two separate sections of this report. These sections each contain an economical part, describing the price of the installation, and a part describing profitability and the repayment ability of the installation. Lastly an analysis of the two installations will be made based on economy and environmental impact. Based on this analysis, the most beneficial installation to exploit energy from the exhaust gas at Aabenraa and Rødekro District Heat is determined. The conclusion based on this report is that, the most beneficial way to extract energy from the exhaust gas emitted by the wood chips combustion plant on Aabenraa and Rødekro Heat District would be the use of absorption heat pumps, rather than electric driven heat pumps. Side 2 af 80

4 Indholdsfortegnelse Abstract... 2 Forord... 6 Læsevejledning Indledning... 8 Virksomheds beskrivelse... 8 Problemstilling... 9 Problemformulering... 9 Afgrænsning... 9 Rapportens opbygning Metode Videnskabelig tilgang Validitet Empiri Interview Kildekritik Aabenraa og Rødekro Fjernvarmes historie Flisanlæggets opbygning Flislageret Kedlen Varmeveksling Multicyklon og Scrubber Fjernevarmenettet Formålet med varmepumper Beregninger Røggasanalyse Energiindhold i røggassen Beregning af returvandsstigning ved brug af kompressionsvarmepumpe Beregninger af tilført el effekt for kompressionsvarmepumper Side 3 af 80

5 Beregning af returvandstemperaturstigning ved brug af absorptionsvarmepumpe Eldrevne kompressionsvarmepumper Egenskaber Procesmedier Opbygningen af kompressionsvarmepumper Komponenterne Kompressor Kondensator Fordamper Drøvleventil / ekspansionsventil Opbygning af konkret anlæg ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme Eksisterende anlæg Det nye anlæg Energiudvinding fra røggassen Ny varmeveksler/kondensator Varmepumpe Antal varmepumper El tilslutning Vedligehold og Service Afgifter Net- og systemtarif (Energinet) Distributionstarif (Netselskabet) Elafgift (Staten) PSO-tarif (Energinet) Afgift på biobrændsel Økonomi - kompressionsvarmepumper Indtægter Side 4 af 80

6 Anlægsudgifter Driftsudgifter Scrapværdi Renter Absorptionsvarmepumper Opbygning og virkemåde Procesmedier Vedligehold og service Opbygning af absorptionsanlæg Økonomi - Absorptionsvarmepumper Indtægter Anlægsudgifter Driftsudgifter Scrapværdi Renter Analyse af kompressions- og absorptionsvarmepumpe anlæggene Konklusion Perspektivering Bibliografi Bilagsoversigt Side 5 af 80

7 Forord Denne rapports formål er at undersøge mulighederne for at udnytte røggasenergien på flisanlægget ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. Rapporten er skrevet på 9. semester i forbindelse med det afsluttende bachelorprojekt på Århus Maskinmesterskole. Rapporten tager udgangspunkt i flisforbrændingsanlægget ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, hvor den ene af forfatterne, Jon Ingemann Nissen, har været i bachelorpraktik i perioden 02/ til 17/ Ideen til emnet er opstået i forbindelse med bachelorpraktikken, og den store interesse der er for varmepumper indenfor fjernvarme branchen. Interessen for dette emne er yderligere blevet bekræftet efter deltagelse i Dansk Fjernvarmes temadag om store varmepumper. Vi vil gerne sende en stor tak til alle, der har hjulpet i forbindelse med projektet: Karsten Pedersen - Teknisk chef - Cronborg Robert Brodersen - Produktions chef - Aabenraa og Rødekro Fjernvarme Flemming Hauge Pedersen - Lektor - Maskinmester - Århus Maskinmesterskole Jonas Lassen - Salg, Support og Energirådgiver - Johnson Controls Martin Schjøtt - Salgs Ingeniør - BoilerWorks Side 6 af 80

8 Læsevejledning Rapporten er udarbejdet på Århus Maskinmesterskole af to bachelor studerende. Rapporten er tiltænkt et publikum med tilsvarende vidensniveau. Derfor anbefales det, at læseren har en teknisk viden indenfor rapportens fagområder. Forkortelser: Kvp: Kompressionsvarmepumper Avp: Absorptionsvarmepumpe Flisanlæg: Flisforbrændingsanlægget Eldrevne varmepumper: Kompressionsvarmepumper Side 7 af 80

9 1 Indledning Formålet med opgaven er at finde den bedst egnede metode til at udnytte den røggasenergi, der ikke bliver udnyttet ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. Vi vil undersøge mulighederne for udnyttelse af røggasenergien ved anvendelse af forskellige typer varmepumper. Virksomheds beskrivelse Aabenraa og Rødekro Fjernvarme har 26 ansatte og forsyner over 8200 forbrugere, som er fordelt ud over byerne Aabenraa, Rødekro, Stubbæk, Styrtom og Hostrupskov. Ledelsens og bestyrelsens mål er: At varmeforsyningen er så stabil og prisvenlig som muligt, og at varmen skabes med miljøvenlige brændselskilder. Aabenraa og Rødekro Fjernvarme står netop nu i en fornyelses fase, hvor både driften og bygningsmassen omlægges og fornyes. Før i tiden fik man overskudsvarme fra det nu nedlukkede Enstedværk, som producerende el. Derfor er man gået fra at være en distributør af fjernvarmen til selv at producere fjernvarmen. De har derfor indenfor de sidste år investeret i nye anlæg til forbrænding af biomasse bestående af halm og flis. Dette har de gjort for at opfylde deres mål om at profilere sig som en grøn virksomhed. Der er i denne forbindelse opført et flisforbrændingsanlæg og et halmforbrændingsanlæg til produktion af fjernvarme. Side 8 af 80

10 Problemstilling Selvom anlæggene er forholdsvis nye, er der formentlig stadigvæk muligheder for at optimere på anlæggene og mindske miljøbelastningen, hvilket bl.a. er en del af denne opgaves undersøgelse. Et sådant tiltag vil også yderligere understøtte Aabenraa og Rødekros Fjernvarmes mål om hele tiden at arbejde for en så grøn profil som mulig. I dag udnytter Aabenraa og Rødekro Fjernvarme ikke alt energien i flisforbrændingsanlæggets røggas. På den måde mister de energi, som de har produceret. Derfor vil det være nærliggende at optimere anlægget med varmepumper, og på den måde udnytte så meget af energien i røggassen som muligt. Problemformulering Hvordan kan Aabenraa og Rødekro Fjernvarme øge effekten på flisforbrændingsanlægget med varmepumper og samtidigt begrænse miljøbelastningen? Hvilken type varmepumpe er økonomisk mest attraktiv på Aabenraa og Rødekro Fjernvarmes flisforbrændingsanlæg? Afgrænsning Rapporten er opbygget omkring Aabenraa og Rødekro Fjernvarmes flisforbrændingsanlæg. Rapporten beskæftiger sig kun med absorptionsvarmepumper med vand og litium bromid som kølemiddel og eldrevne kompressionsvarmepumper med ammoniak og propan som kølemiddel. Der tages ikke hensyn til tab som varmeafledning. Ligeledes tages der ikke hensyn til kondensvand fra røggasveksleren. Afgrænsningerne er valgt ud fra et tidsmæssigt perspektiv, og i forhold til om der er relevant for opgaven at beskæftige sig med andre metoder og anlæg. Side 9 af 80

11 Rapportens opbygning Rapporten er opbygget efter vejledningen: Rapportskrivning 2012 (Andreasen & Kersten, 2012). Rapporten er opdelt i kapitler, som gør indholdsfortegnelsen mere overskuelig, og læseren får et overblik over rapportens omfang, inden den læses. Kapitel 1: Rapportens indledning, der indeholder virksomhedsbeskrivelse, problemstilling, problemformulering og afgrænsning. Kapitel 2: Beskriver hvilke metoder, der er anvendt til at indsamle viden. Kapitel 3: Beskriver Aabenraa og Rødekro Fjernvarmes historie, og indeholder ligeledes en beskrivelse af det eksisterende anlæg. Kapitel 4: Beskriver formålet med anvendelse af varmepumper i fjernvarmebranchen. Kapitel 5: Udregninger af, hvor meget energi der er i røggassen for at få et billede af, hvor meget energi der kan udvindes via en varmepumpe. Kapitel 6: Beskriver først overordnet, hvordan en eldreven kompressionsvarmepumpe virker. Derefter kommer et forslag til, hvordan et konkret kompressionsvarmepumpeanlæg kunne se ud, og hvilke udgifter der vil være i forbindelse med etablering af et kompressionsvarmepumpeanlæg. Afsnittet afsluttes med økonomiske udregninger på anlægget. Kapitel 7: Beskriver først overordnet, hvordan en absorptionsvarmepumpe virker. Derefter kommer der et forslag til, hvordan et konkret absorptionsvarmepumpeanlæg kunne se ud, og hvilke udgifter der vil være i forbindelse med etablering af et absorptionsvarmepumpeanlæg. Afsnittet afsluttes med økonomiske udregninger på anlægget. Kapitel 8: I kapitlet analyseres hvilken type varmepumpeanlæg, der vil være mest fordelagtig for Aabenraa og Rødekro Fjernvarme med hensyn til økonomi og miljø. Kapitel 9: I afslutningen af rapporten vil konklusionsafsnittet være, her vil rapportens vigtigste resultater og vurderinger blive beskrevet. Kapitel 10: Bilagsoversigt Side 10 af 80

12 1 Metode Videnskabelig tilgang Denne rapport er en naturvidenskabelig rapport, som er udarbejdet med en positivistisk tilgang. Positivismens hovedformål er at frembringe en så sikker viden som muligt. Den positivistiske metode gør brug af to værktøjer til at nå frem til en konklusion: induktion og deduktion. Induktion bygger på empirisk viden, som man har opbygget ved hjælp af observationer. At drage en induktiv slutning vil sige, at man drager en konklusion på baggrund af den mængde data, man har indsamlet. Den induktive slutning forholder sig kun til den indsamlede data og ikke til andet. Derfor er det nødvendigt, at have en stor mængde data for at kunne anvende induktion. En stor datamængde er med til at sikre en høj validitet, som er vigtigt for projektets troværdighed. I dette projekt anvendes induktion, eksempelvis til at bestemme gennemsnitstemperatur og -flow i det eksisterende anlæg. Disse værdier bruges til dimensionering af varmepumperne. Det data, som bliver anvendt til at bestemme værdierne, er trendudskrifter fra fjernvarmeværket. Trendene består af mange målinger over en periode på 50 dage med stabil drift. Alle disse målinger udgør datamængden der tages udgangspunkt i. Ved at betragte målingerne kan man ved induktion konkludere, at den generelle værdi må være gennemsnitsværdien. I deduktion er det logik, som danner grundlag for en konklusion. Ud fra nogle opstillede præmisser drages en logisk konklusion. Det er derfor vigtigt, at det data og de informationer, som præmisserne stilles ud fra, er af høj kvalitet. Deduktion anvendes i dette projekt eksempelvis ved de beregninger, som bliver udført i projektet. I beregningerne opstilles en ligning, som er præmisserne. Ud fra den opstillede ligning drages en logisk slutning, som er resultatet af ligningen. Ved den hypotetiske-deduktive metode anvendes der både empiri og logik. I denne metode gøres der brug af hypoteser og antagelser som præmisser. Ud fra disse præmisser drages en deduktiv slutning, hvorefter man undersøger, om præmisserne er i overensstemmelse med virkeligheden. I denne rapport er det den hypotetiske-deduktive Side 11 af 80

13 metode, som bliver brugt til at afklare projektet hovedspørgsmål. Herunder ses et eksempel på, hvordan denne metode er anvendt. Præmis: Præmis: Præmis: Hvis der installeres varmepumper på flisværket, kan der udvindes mere energi fra røggassen. (hypotese) Hvis en varmepumpe installeres, kan røggassen afkøles fra 47⁰C til 20⁰C. (hjælpe hypotese) Røggassen afgiver energi når den afkøles. (observation) Konklusion: Altså kan der udvindes mere energi ved at installere varmepumper på flisværket. Da hjælpehypotese er en antagelse, er det nødvendigt, at man efterfølgende undersøger, om denne stemmer overens med virkeligheden. Observationerne i denne situation er baseret på en betragtning af et I/x diagram. På I/x diagrammet observeres det, at energiindholdet falder, når temperaturen falder. Ud fra de tre præmisser kan der drages en logisk konklusion. Validitet Hvis et projekt som dette skal have nogen kommerciel værdi, er det nødvendigt, at resultatet af projektet er validt, og at man kan se, hvordan man er kommet frem til resultatet. For at sikre dette benyttes nogle forskellige dokumentationsmetoder. Hvor der i rapporten anvendes data og informationer fra andre kilder end rapporten selv, bruges der kildehenvisninger efter Harvardstilen. Dette gøres for at sikre, at man efterfølgende kan finde frem til kilden, som verificerer de anvendte oplysninger. Nogle oplysninger er indsamlet og vedlagt som bilag bagerst i rapporten. Når der anvendes data herfra, henvises der direkte til bilagene. I projekter er der beskrevet og forklaret, hvilke fremgangsmetoder der er blevet brugt til at komme frem til rapportens resultater. Dette er gjort for at opnå intersubjektiv prøvbarhed, hvilket vil sige, at undersøgelsen er udført efter regler, som fremlægges åbent, så de kan gentages af andre med samme resultat. Side 12 af 80

14 Empiri Hele dette projekt tager udgangspunkt i data og informationer fra en lang række kilder. Der anvendes både kvantitativ og kvalitative data i dette projekt. Kvantitativ empiri er af lav kvalitet, derfor skal der anvendes store mængder data, for at det bliver validt data. Den kvantitative empiri analyseres ved anvendelse af den induktive metode. De data som danner baggrund for de trends, som er brugt i projektet, er kvantitative. Det er de, fordi de består af mange målinger, som individuelt ikke giver et pålidelige billede. Kvalitativ empiri er af høj kvalitet, derfor har man ofte en mindre datamængde. Da kvalitative data er af høj kvalitet, anses en lille mængde data stadig for validt. Derved bliver det muligt at analysere den lille mængde data ud fra den deduktive metode. De fleste informationer, som anvendes i dette projekt, er kvalitative. Det vil sige, at man har få informationer, men at de er pålidelige. Dette gør sig gældende for de informationer, som stammer fra bl.a. interviews og lærebøger. Interview Interviewformen, som er blevet brugt igennem dette projekt, er den semistrukturerede interviewform. Forud for interviewet er det blevet overvejet, hvilke informationer man skulle have med fra interviewet. På baggrund af disse overvejelser er der blevet udarbejdet en interviewguide i stikordsform. Interviewguiden bruges til at sikre, at man får alle de informationer, man kom for at få, og samtidig holder struktur i interviewet. Under interviewet stilles spørgsmålene som åbne spørgsmål. Dette gøres for at undgå at præge eller begrænse svarene. Herved kan interviewet udvikle sig og give ny viden fra synsvinkler, som intervieweren ikke havde forudset. For at sikre den tilegnede viden fra interviewet er der under interviewet blevet skrevet et referat i stikordsform. Side 13 af 80

15 Kildekritik Informationerne, som blevet indsamlet til rapporten, stammer fra forskellige kilder. Nogle af disse kilder kan have en interesse i, at manipulerer den data, som udveksles for at fremstå bedre. Denne manipulering er ikke nødvendigvis en bevist handling, men kan stamme fra en general opfattelse eller holdning, i det miljø som de færdes i. Derfor er man nødt til at forholde sig kritisk til de kilder, som man bruger. Ved at forholde sig kritisk og holde de informationer som man får op imod kildens interesser, kan man herved øge sandsynligheden for at opdage misinformation. I dette projekt anvendes der flere forskellige grupper af kilder. En væsentlig kilde er producenter og leverandøre af varmevekslere og varmepumper. Fælles for denne gruppe er, at de alle gerne vil sælge deres eget produkt. På trods af dette betragtes specifikationer og data på komponenterne for at være valide. Denne betragtning gøres på baggrund af, at det er dem, som kender deres egne produkter bedst. Ydermere er producenter nød til at leve op til de specifikationer, som de skriver deres produkter overholder. Nogle af projektets informationer stammer fra lærebøger, som har været brugt i undervisningen på maskinmesteruddannelsen. Disse informationer anses for at være almengyldige. Energistyrelsens drejebog til store varmepumpeprojekter i fjernvarmesystemer er blevet brugt til at give en baggrundsviden om varmepumper. Da drejebogen er udarbejdet for energistyrelsen, er den ikke farvet af en producent, som gerne vil øge sin omsætning. Dog bære rapporten præg af, at den skal fremme eldrevne varmepumper frem for absorptionsvarmepumper. Grunden til dette er, at man ønsker, at kunne anvende noget af overskudsstrømen fra vindmøller i fjernvarmenettet. Rapportens indhold vurderes at være valid, da den er udarbejdet af anerkendte ingeniørfirmaer. Dansk fjernvarme er en interesseorganisation, som har til formål at skabe et netværk for fjernvarme producenter i Danmark. Dansk fjernvarme vurderes til at være en valid kilde, da de som udgangspunkt har samme interesse som fjernvarmeværkerne. Side 14 af 80

16 Ing.dk er et seriøst teknisk nyhedsmagasin. Artikler fra dette magasin er af en høj faglig kvalitet. Dette eliminerer ikke risikoen for, at artiklerne er farvet af journalistens eller dennes kilders holdninger. Når der er blevet anvendt informationer fra denne kilde, er artiklens holdning blevet overvejet. Retsinfo.dk er statens værktøj til at kommunikere lovgivning ud til befolkningen. Indholdet på dette website er lovgivning, og bliver derfor behandlet som fakta. Side 15 af 80

17 3 Aabenraa og Rødekro Fjernvarmes historie De to fjernvarme selskaber Aabenraa og Rødekro Fjernvarme blev i 2007 fusioneret og de to sammenlagte værker fik Peter Sørensen som direktør. Tidligere var Aabenraa og Rødekro to selvstændige selvskaber, som begge fik overskudsvarme fra Enstedværket, der havde en stor el-produktion på kul og i mindre grad halm. I 2010 blev det besluttet, at Enstedværket og Stigsnæsværket skulle lukkes for at give plads til mere grøn energi. I oktober 2013 stoppede Dong samarbejdet med Enstedværket og nedlukningen var nu en realitet. Derfor blev Aabenraa og Rødekro Fjernvarme tvunget til at finde på nye metoder til, at kunne forsyne forbrugerne med fjernvarme. Det resulterede i, at man i 2012 opførte et nyt hovedkontor til administrationen sammen med et nyt flisfyret anlæg på 2x15 MW, plus en backup oliekedel på 15 MW. I 2014 blev der ligeledes opført et nyt halmfyret anlæg på 3x12 MW, hvor det er muligt at iblande træpiller sammen med halmen. Der rådes desuden over en række ældre centraler med oliefyret- og pillefyret kedler. I dag anvendes oliekedlerne som backup centraler efter opførsel af de nye halm- og flis værker. Træpillekedlerne anvendes hovedsageligt i spidslast situationer men også som backup. Side 16 af 80

18 Flisanlæggets opbygning Det flisfyrede anlæg, som er rapportens hovedpunkt, er bygget af Tjæreborg Industries, og har en effekt på 2x12 MW på selve kedlerne. Dertil kommer der 2x3 MW, som laves på kedlernes scrubber, hvorfor effekten samlet set kommer op på 15 MW pr. kedel. I afsnittet efter afsnittet omhandlende flislageret, vil én enkelt kedel blive beskrevet, da de to kedler er ens. Formålet er at få et indblik i de forskellige processer der sker, og at få forståelse for fjernevarme produktionen. I bilag 11 er der vist en oversigt over kedel 1, og i bilag 10 er der vist en oversigt over hele anlægget. På nedestående billede (figur 1) vises en oversigtstegning af hele anlægget, og de enkelte komponenters placering. Lagerbygning Figur 1: Eget Arkiv Side 17 af 80

19 Flislageret Flisen til kedlerne kommer ind på det indendørs flislager igennem 3 vognporte, hvor lastbilerne tipper flisen af i modtagersiloerne. Flisen bliver derefter transporteret ind på flislageret ved hjælp af to automatiske traverskraner. Begge kraner er udstyret med el hydraulisk skovlgrab. På lageret kan der opbevares m3 flis, svarende til dags fuld drift. Kedlerne får automatisk tildelt flis af de to kraner, som føder kedlerne i 4 tragte, to til hver kedel. I tragtene er der placeret 2 aftastere. Den øverste aftaster registrerer, når flis niveauet er under denne, og giver signal til kranerne, så de kan transportere mere flis hen i tragten. Den nederste aftaster fungerer som alarm. Alarmen udløses, hvis flis niveauet falder under dens niveau. Flisen falder ved hjælp af tyngdekraften ned i bunden af tragten, hvor indskubberen sidder. Indskubberen er en hydraulisk cylinder, der skubber en vis mængde flis ind i kedlen. På den måde styre man last niveauet alt efter, hvor hyppigt man sætter cylinderen til at skubbe flis ind i kedlen. Kedlen Kedlentypen er en ristekedel. Risten ligner en trappe (se billede 1). Flisen bliver via indskubberen skubbet ind på trappen i kedlen. Ovenpå hver trin af trappen sidder der en askeskubber. Disse kører hele tiden frem og tilbage med et vist interval, og på denne måde bevæger de hele tiden materialet et trin af gange ned af trappen. På den første del af trappen tørre flisen, længere nede af trappen er flisen tør nok til, at der går ild i flisen og forbrændingen sker. Forbrændingen har brug for en stor mængde luft. Der bliver tilført luft både fra ristene og fra siderne. Luften fra ristene er primærluft, som blæser luft op under risten i 4 zoner. Luften hentes i kedelrummet. Ristene er delt op i zoner, hvor zone 1 er den første del, hvor flisen kommer ind i kedlen. I zone 1 bliver primærluften opvarmet til C, for at få tørret flisen. Sekundærluften blæser luft ind over forbrændingen Billede 1: Ristekedel Forfatternes eget arkiv Side 18 af 80

20 på risten, og luften hentes også i kedelrummet. Luftens formål er at tilføre ilt til de gasser, der opstår i forbindelse med afbrændingen af flisen. På den måde opnås der en optimal forbrænding. I bunden af trappen er flisen så udbrændt, at der kun er aske og en smule slagger tilbage. I bunden af trappen er der en fordybning, hvori der ligger en stor snegl tværs igennem kedlen. Sneglens formål er at transportere asken og slaggerne ud fra kedlen og over i en redler, som transporterer resterne ud i en lukket container. Varmeveksling Den energi, som kedlen producerer, bliver overført til vand, som derved bliver opvarmet. Røgen fra forbrændingen er en vigtig varmekilde. Røgens energi bliver overført til vandet i konveksionsparten, hvor røgen cirkulerer. Varme transmissionen sker også gennem kedlens vægge, som er dobbelt væggede. Mellem væggene er der vand, som også fungerer som køling af det stål, kedlen er opbygget af. Vandet bliver opvarmet til ca. 125 C, hvorefter det igennem kedlens vekslere opvarmer fjernvarme transmissionsnettets vand til ca. 95 C. For at vandet ikke koger, er vandet under tryk på ca. 4 bar. Ligeledes er der installeret shuntpumper, der regulere temperaturen på vandet efter veksleren ved at pumpe varmt vand fra kedlen over til det afkølende efter kedlens veksler. Dermed hæves temperaturen, og der sker ikke for store termiske spændinger i metallet i kedlen. Når varmeforbruget er mindre, fx om natten, er der mulighed for at lagre varme på akkumulationstanken (45 MW). Side 19 af 80

21 Multicyklon og Scrubber Efter røgen har været igennem konveksionsparten, kommer røgen igennem multicyklonen. Her renses røgen for askepartikler, som ikke er ønskelige i scrubberen. Problemet er, at asken kan ødelægge pumper i scrubberen eller stige ud af skorstenen og falde ned i det omgivne miljø. Den sidste afkøling sker i kedlens scrubber. Dens formål er både at hente energi ud af røgen, men også at fjerne forurening fra røgen, eksempelvis tungmetaller. Inde i scrubberen overrisles røgen med vand. På den måde fjerner man både energi og forurening fra røgen, som optages af vandet. Derefter ledes det opsamlede vand igennem en varmeveksler, hvor varmen overføres til returvandet. På den måde kan man hæve returvands temperaturen med ca. 10 C. En del af vandet bliver efterfølgende renset i vandbehandlingsanlægget for at fjerne de forureninger, som vandet har optaget fra røggassen. Fjernevarmenettet Fjernvarmens net består af transmissionsnettet, som løber i en stor ledning rundt i de forskellige byer og bydele. Der er derfor placeret en række vekslerstationer rundt i byerne. Disse er placeret strategisk fornuftigt i forhold til antal forbrugere de pågældende steder. Vekslerstationerne, som på den ene side er bynettet og den anden side transmissionsnettet, får tilført deres varme fra transmissionsnettet. Bynettet forsyner forbrugerne med fjernvarme via forbrugerens stikledning ud til bynettet. Ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme er det tilladt for forbrugeren både at have direkte fjernvarme igennem deres radiator eller en mindre veksler installeret i huset. Side 20 af 80

22 4 Formålet med varmepumper Formålet med anvendelse af varmepumper indenfor fjernvarmen sektoren er at udnytte eksisterende varmekilder, hvor man kan hente noget gratis eller ikke udnyttet energi. Der er mange forskellige energikilder, der kan nævnes: Røggas Overskudsvarme (fra industri og køleprocesser, herunder fjernkøling) Geotermi Spildevand Grundvand, herunder grundvandslager, og drænvand fra afværgeboringer mv. Sø- og åvand Andre varmekilder (luft, havvand, jordvarme, drikkevand, solvarme og varmelagre) (Clausen, et al., 2014) De forskellige varmekilder gør det muligt at hente termisk energi fra kilderne ved en forholdsvis lav temperatur alt efter, hvilken kilde der anvendes. Termisk energi ved lav temperaturniveau kan være svært at udnytte, og bruges derfor ikke altid. For at kunne udnytte den termiske energi, er man nød til at flytte det til et højere temperatur niveau, der giver bedre muligheder for at anvende energien. Til dette formål kan en varmepumpe anvendes. For at drive varmepumperne kræves det dog, at der bliver tilført noget energi. Denne energi kan være enten elektrisk eller i form af termisk energi ved højtemperatur, fx røggas eller hedt vand. Dette gør, at man kan opdele varmepumper i to hovedkategorier: elektriskdrevene og varmedrevende varmepumpe. Der findes dog også en tredje variant, som er en mellemting af de to anlægstyper. Heraf kommer nok også navnet hybridvarmepumper. Der findes mange anvendelsesmuligheder og forskellige typer varmepumper. Varmepumper har en række fordele, her kan nævnes: Lavere varmepriser Den primære motivation til at investere i en varmepumpe er en forventning om lavere varmepriser enten nu eller på længere sigt. Risikospredning Ved introduktion af et nyt brændsel (elektricitet) i produktionen, bidrager varmepumpen til at sprede den økonomiske risiko i Side 21 af 80

23 produktionen (diversificering), hvilket gør produktionen mere robust over for variationer i el- og brændselspriserne. Effektivisering Muligt at udnytte rest- og spildvarme i det eksisterende produktionsanlæg, eller nærliggende industriel produktion. Endvidere mulighed for at optimerer udnyttelsen af solvarme. Introduktion af nye forretningsområder Introducere muligheden for at producere og sælge køling i tilknytning til fjernvarmeproduktionen. Styrker miljøprofilen Hovedsageligt vindbaseret el-produktion - udnytter hidtil uudnyttede lavtemperatur varmekilder i omgivelserne som spildevand, industriel spildvarme, geotermi, grundvand m.m. og herfra leverer et vedvarende energibidrag til varmeproduktionen. Styrke nye samarbejder Ved fjernvarmens samspil med elforsyningen og med muligheden for fjernkøling, og dermed fjernvarmens rolle i fremtidens integrerede forsyningsplanlægning. (Clausen, et al., 2014) Hvilken rolle kan en varmepumpe så spille ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, hvis man kigger på, hvilken fordele en varmepumpe kan have? Man vil selvfølgelig altid stræbe efter en lavere pris til forbrugerne, dette kan gøres med effektivisering, fx ved at hæve virkningsgraden på anlæggene. Det vil altid være en fordel at sprede risikoen ved at have forskellige måder at producere fjernvarme. Især i fjernvarmebranchen ved man aldrig, om der kommer en uforudset afgift på en type brændsel eller anden form for energi, som gør at produktionsomkostningerne stiger. Aabenraa og Rødekro Fjernvarme vil gerne styrke deres grønne profil. Dette kan også gøres via varmepumper. Hvis man ser på, hvilke udfordringer Aabenraa og Rødekro Fjernvarme har i fremtiden, kan en varmepumpe derfor være en fornuftig investering. Det forventes, at man i 2035 skal være fossilfri (Regeringen, 2013). Fjernvarmen har i dag en række oliefyret centraler, som derfor skal udfases i den kommende fremtid. Den første central er allerede under udfasning, da den ligger centralt i Aabenraa by og derfor står i vejen for byfornyelse. Det er dog endnu ikke besluttet, hvilken form for energi, der skal afløse de oliefyrede kedler, som skal nedlægges. Her ville en varmepumpe være en Side 22 af 80

24 fornuftig løsning, da den også lever op til kravet om fossilfrit varme produktion i På den måde vil man også kunne drage erfaringer med varmepumper ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, inden man måske i fremtiden skal lave alt fjernvarme produktion på varmepumper. For at udbrede kendskabet til store varmepumper er der fra regeringens side afsat 55,2 mio. kr. til at udbrede store varmepumper i fjernvarmebranchen (Caruso, 2014). Puljen er hovedsaligt rettet mod varmepumper drevet af elektricitet, da man forudser en stor produktion af el på vindenergi. Allerede i 2020 skal 50 % af elforbruget i Danmark dækkes af vindkraft (Clausen, et al., 2014). Det forventes at medføre en stigning i antallet af eldrevne varmepumper i fjernvarmesektoren, idet samspillet mellem vindenergi og eldrevne varmepumper er optimal. Grunden til at eldrevne varmepumper og vindenergi passer godt sammen kan forklares med, at vindmøllerne producerer strøm i perioder, hvor der også er stor behov for varmeproduktion i fjernvarmesektoren. Desuden er det også muligt for fjernvarmen at lagre energi i akkumuleringstanke og på den måde udnytte energien senere. Anlæg som Aabenraa og Rødekro Fjernvarme er dog ikke i målgruppen for varmepumpe puljen, da de i forvejen producerer det meste af deres energi på biomasse og ikke på fossile brændstoffer. Der er dog argumenteres for, at man også burde sætte ind med varmepumper på anlæg som Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, da der i dag ikke sker en stor udvikling, indenfor udbredelse af varmepumper og man er langt fra målet med udbredelsen af varmepumperne. Side 23 af 80

25 I 2020 er den planlagte produktion af energi fra varmepumper 555,6 MW. På nuværende tidspunkt produceres der kun 16,7 MW med varmepumper (Se figur 2). Man er altså langt fra målet, og man kan sætte spørgsmålstegn ved, hvorvidt man når op på den planlagte produktion med den nuværende udvikling. Derfor kunne det være en fordel at større fjernvarmeproducenter som Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, også vil være i målgruppen for varmepuljen for overhoved at kunne nå op på den planlagte produktion. Ligeledes ville det også være en fordel at se på andre varmepumper end eldrevne. Absorptionsvarmepumper ville måske være mere attraktivt på nogle anlæg og bidrage til et mere miljøvenligt fjernvarmebranche. Udbredelsen vil også være en fordel for samfundet generelt. Figur 2: Planlagt produktions fra varmepumper i 2020 (Clausen, 2015) Side 24 af 80

26 Opsummering Samlet set anses det at installere varmepumper på flisforbrændingsanlægget i Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, vil give en række fordele både for forbrugerne, men også for samfundet. Her kan bl.a. nævnes: Bedre virkningsgrad på flisanlægget Udnytte spildenergi (røggassen) Grønnere profil Bedre for miljøet Sprede risikoen (uforudsete afgifter) Være med til at opnå den planlagte varmepumpeproduktion i Danmark Side 25 af 80

27 5 Beregninger I dette afsnit vil projektets termodynamiske beregninger blive foretaget. Der anvendes data fra efterfølgende afsnit i rapporten, fx COP fra de valgte varmepumper (se kapitel 6 & 7). Beregningerne er samlet i dette afsnit for at gøre beregningerne mere overskuelige og sammenhængende. Ligeledes anvendes nogle af beregningerne i det kommende afsnit til at foretage valg af komponenter og økonomiske beregninger. Der regnes kun på en af kedlerne, da begge kedler er ens. For at give et bedre overblik over anlægget, og de værdier som vil blive brugt i beregningerne, er der på figur 3 en skitse tegning af anlægget. På skitsetegningen er der indsat en værdi for røggassens volumenstrøm. Disse værdier stammer fra en målerapport, som Force har udført på anlægget (bilag 2). Derudover anvendes der trendudskrifter fra fjernvarmeværket, som er målt over en periode på 50 dage med stabil drift, for at give et billede af de gennemsnitlige værdier på anlægget. Gennemsnitsværdierne fra trendudskrifterne anvendes til at bestemme røggastemperaturen før røggasveksleren (bilag 19), temperaturer på scrubbervandet (bilag 21) og fjernvarmeretur vandet før (bilag 22) og efter scrubberveksleren (bilag 20). Figur 3: Oversigts tegning over nyt anlæg Kilde: Eget arkiv Side 26 af 80

28 Røggastemperaturen efter røggasveksleren skal være så lav som muligt, da man herved genvinder mest mulig energi ud af røggassen. Det kan være problematisk med en meget kold røggas, fordi den kan blive tungere end luften udenfor skorstenen. I dette projekt anses det for at værre realistisk at nedkøle røggassen til 20⁰C, og det er derfor valgt som baggrund for projektet. Denne antagelse bygger på erfaringer fra Vejen fjernvarmeværk, hvor man har erfaret at lavere temperature end 20⁰C kan give problemer med røgnedslag. Varmepumpens fordampertemperatur er sat til 15⁰C for at være sikker på, at røggasveksleren kan nå at køle røggassen ned til 20⁰C. Ligeledes er varmepumpens kondensatortemperatur sat til 61⁰C for kompressionsvarmepumper og 70⁰C for absorptionsvarmepumper for at sikre, at alt energien kan blive afsat i fjernvarmevandet. Røggasanalyse I dette projekt er det målet at udvinde mere energi af røggassen. Derfor er det nødvendigt at undersøge, hvor meget energi der er tilbage i røggassen. Ved undersøgelsen af dette vil røggassen blive betragtet som fugtig atm luft, da det er hvad de tilgængelige programmer og tabeller er konstrueret ud fra. Fejlen ved denne betragtning vil ikke være ret stor, fordi størstedelen af den udvundne energi, fremkommer ved at en del af vanddampene, i den i forvejen mættede røggas, kondenseres. For at underbygge dette sammenlignes den specifikke varmekapacitet for røggassen med atm luft. I de følgende beregninger vil der blive brugt data fra Forces målerapport (bilag 2), som blev udført på det eksisterende anlæg. Derudover vil der blive brugt tabeller fra lærebogen Termodynamik (Lauritsen & Eriksen, 2012). c v = specifik varmekapcitet, konstant volumen r CO2 (tør) = 14,7% (bilag2) volumenandele CO 2 r O2 (tør) = 5,85% (bilag2) volumenandele O 2 Det antages, at det tilbageværende indhold består af 0,9 procent Ar og den resterende del er N 2, da CO og NO x indholdet er ubetydeligt lavt jf. rapporten. Denne betragtning beror på, at noget af oxygenen under forbrændingen omdannes til kuldioxid og noget til vand, mens Side 27 af 80

29 de resterende gasarter forbliver uændret. Sammensætningen af atmosfærisk luft målt i volumenprocent er 78 vol-% N 2, 21 vol-% O 2, 0,9 vol-% Ar jf. Termodynamik side 200 (Lauritsen & Eriksen, 2012). De sidste 0,1 % ses der her bort fra, da det består af flere forskellige gasarter i små koncentrationer. r N2 = 100 r co2 r o2 r Ar = ,5 5,85 0,9 = 78,75% Røggassens specifikke varmekapacitet kan beregnes ud fra ligningen nedenfor. I ligningen ganges volumenandelene med den specifikke varmekapacitet for de respektive gasarter, som derefter ligges sammen. De specifikke varmekapaciteter er aflæst ved 0⁰C i tabel 10.6 side 291 (Lauritsen & Eriksen, 2012) c v røggas = r CO2 c v + r CO O2 c 2 v + r O N2 c 2 v + r N 2 Ar c v Ar c v røggas = 0,147 0, ,0558 0, ,7875 1, ,009 0,520 c v røggas = 0,9949 kj kg K For at kunne sammenligne varmekapaciteterne for atm luft og røggassen udregnes forskellen mellem de to varmekapaciteter i procent. c v atm luft = 1,004 kj kg K fejl % = c v atm luft c v røggas c v atm luft fejl % = 1,004 0,9949 1,004 fejl % = 0,91% Det kan her ses, at fejlforskellen mellem de to specifikke varmekapaciteter er under en procent. Hertil kommer, at fordampningsvarmen for det vand der kondenseres er 2392 KJ ved 1 bar side 297 (Lauritsen & Eriksen, 2012). Hvis røggassen køles fra 46,6⁰C til 20⁰C kan man ud fra I/x diagrammet (bilag 3) se, at der i gennemsnit kondenseres 0,0018 kg vand pr. kg røggas for hver K⁰ røggassen afkøles. Herved afsætter vandampene med kg Side 28 af 80

30 deres kondenseringsenergi 4,3 kj kg K kj for hver gang røggassen afsætter 1. Derudover kg K har vandampene også en specifik varmekapacitet, som er medtaget her, da formålet er at bevise, at fejlen ved at betragte røggassen som fugtig atm luft er meget lille. På grund af den store energi fra vandampende vil den samlede fejl ligge langt under en procent. Denne afvigelse anses i denne rapport som acceptabel. Energiindhold i røggassen Ved beregning af den energimængde som røggassen kan afgive ved nedkøling er det nødvendigt at have en række oplysninger på plads. Først og fremmest er det nødvendigt at vide, hvad røggastemperaturen er før og efter nedkølingen. Røggastemperaturen før nedkølingen, vil være temperaturen efter scrubberen. Denne temperatur aflæses på trendkurverne fra varmeværket. Røggastemperaturen efter nedkølingen er den temperatur man ønsker at nedkøle røggassen til, for dette anlæg er det 20⁰C som tidligere beskrevet. I dette projekt anses det for at værre realistisk at nedkøle røggassen til 20⁰C, og det er derfor valgt som mål for projektet. Det er også nødvendigt at vide, hvor meget vand røggassen indeholder. Røggassen anses her for at være på dugpunktet, fordi røggassen før skrubberen er ved en meget høj temperatur. Derved har røggassen fordampet og optaget mere vand end den kan indeholde efter temperatur faldet over skrubberen. Den sidste faktor, som skal bruges til at beregne energimængden, er massestrømmen af røggassen. Første skridt er at finde ud af, hvor meget energi røggassen indeholder før og efter nedkølingen. Ved at indsætte de to temperature på dugpunktslinjen i et I/x diagram kan man aflæse entalpien for fugtig luft ved de to tilstande. For at undgå unøjagtige aflæsninger bruges computerprogrammet Moist air til beregning af disse værdier. t røg1 = 46,6 t røg2 = 20 Røggastemperaturen før nedkøling Røggastemperaturen efter nedkøling Side 29 af 80

31 x = 1 Røggassens mætningsgrad af vanddampe v røg = m 3 n,t /h Røggassens volumenstrøm (tør luft v. 0⁰C og 1 bar) I Entalpi fugtig luft Beregning af entalpi før nedkøling: t røg1 = 46,6, x = 1 I 1 = 231,2 kj/kg (tør), vha. moist air Beregning af entalpi efter nedkøling: t røg2 = 20, x = 1 I 2 = 57,43 kj/kg (tør), vha. moist air Ved at trække de to entalpier fra hinanden får man den energimængde, som røggasen har afgivet under nedkølingen pr. kg røggas. Beregning af entalpifald under nedkøling: I = I 1 I 2 = 231,2 57,43 = 173,77 kj/kg (tør) Entalpifaldet skal herefter ganges med massestrømmen. Derved får man den afgivende effekt. For at omregne røggassens volumenstrøm til en massestrøm, er det nødvendigt at kende massefylden på røggassen. Røggassens massefylde beregnes ved at gange de enkelte gasarters volumenandel med massefylde for gasarterne. Herved får man en gennemsnitlig massefylde for gasarterne i røggassen. Da vi i beregningerne skal bruge massefylden for tørluft, tages røggassens vandindhold ikke med i beregningerne. De i røggassens indeholdte gasarters volumenandele er beregnet i afsnittet røggasanalyse, og anvendes derfor igen i følgende beregning. r CO2 = 14,7% volumenandele CO 2 ρ CO2 = 1,98 kg 3 massefylden ved 0⁰C og m 1 bar CO 2 r O2 = 5,58% volumenandele O 2 ρ O2 = 1,43 kg m 3 massefylden ved 0⁰C og 1 bar O 2 r N2 = 78,75% volumenandele N 2 ρ N2 = 1,25 kg m 3 massefylden ved 0⁰C og 1 bar N 2 Side 30 af 80

32 r Ar = 0,9% volumenandele Ar r Ar = 1,78 kg 3 massefylden ved 0⁰C og 1 bar Ar m ρ røggas = r CO2 ρ CO2 + r O2 ρ O2 + r N2 ρ N2 + r Ar ρ Ar ρ røggas = 0,147 1,98 + 0,0558 1,43 + 0,7875 1,25 + 0,009 1,78 Beregning af afgivende effekt: ρ røggas = 1,37 kg m 3 P røg = I m røg = I v røg ρ røg = 173, ,37 = 1323 kw Effekten som tages ud af røggassen skal afsættes i fjernvarme returvandet efter scrubbeveksleren. Dette vil give en temperatur stigning af returvandet, som kan beregnes, når temperaturen på returvandet efter scrubbeveksleren og vandets specifikke varmekapacitet er kendt. For at kunne afsætte energien ved det højere temperaturniveau er det nødvendigt at anvende en varmepumpe. Drivenergien, som varmepumpen får tilført, bliver også afsat i fjernvarme returvandet. Derfor skal drivenergien lægges til energien fra røggassen. For kølemaskiner og varmepumper angiver man en COP faktor, som betyder coefficient of performance. COP faktoren er nytteenergien divideret med drivenergien. Ved at bruge nytteenergien og COP kan drivenergien beregnes, og herved også den totale energi. Der ses bort fra varmetab til omgivelserne, da producenterne ikke oplyser dette for varmepumperne. Der vil herefter blive lavet to beregninger for temperaturstigningen i returvandet. Én for en absorptionsvarmepumpe og én for en kompressionsvarmepumpe. Det er nødvendigt at lave to beregninger, da COP faktoren for de to anlæg er forskellige. Side 31 af 80

33 Beregning af returvandsstigning ved brug af kompressionsvarmepumpe COP kvp = 4,9 (se bilag 5) Beregning af drivenergi: COP vp = P nytte P drive COP vp = P røg + P drive P drive 4,9 = P drive P drive P drive = 339,2 kw Beregning af den samlede energi, som tilføres fjernvarme vandet: P tot = P røg + P drive P tot = ,2 P tot = 1662,2 kw Beregning af temperaturstigning: Beregningerne skal anvendes til at bestemme kondenseringstemperaturen på varmepumpen. c V vand = 4,19 t vand 1 = 50,8 kj kg Varmefylde for vand (0-100⁰C) side 306 (Nielsen, 2011) Fjernvarmereturvandes temperatur efter skrubber veksleren t vand 2 Fjernvarmereturvandes temperatur efter energi tilførsel fra varmepumpe V vand = 198,9 m3 h Fjernvarmereturvandes volumenstrøm ρ vand 50 = 988 kg/m 3 Massefylde for vand ved 50⁰C side 307 (Nielsen, 2011) Side 32 af 80

34 P tot = m vand c V vand (t vand 2 t vand 1 ) P tot = V vand ρ vand 50 c V vand (t vand 2 t vand 1 ) 1662,2 = 198, ,19 (t vand 2 50,8) t vand 2 = 58 Ud fra beregningen vises det, at returvandet bliver opvarmet til 58⁰C, og derfor sættes kondenseringstemperaturen på kompressionsvarmepumperne til 61⁰C. Dette for at sikre, at alt energien kan overføres til returvandet igennem kondensatorveksleren. Beregninger af tilført el effekt for kompressionsvarmepumper I COP en er der ikke medregnet virkningsgraden til elmotoren på kompressoren, da producenten ikke oplyser, hvilken virkningsgrad motoren har. Derfor antages det, at elmotoren er en IE3 elmotor, da alle elmotor mellem 7,5-375 kw indenfor EU efter den 1. januar 2015 skal være af IE3 typen (HorsePower Scandinavian, n.d ). En IE3 elmotor på 60 kw, som driver varmepumpen Frascolds W80-240AXH, skal derfor minimum have en virkningsgrad på 94,6, da det er en 4-polet elmotor (Alderlyst Elektro, n.d.). Den totale optagende effekt kan udregnes ved hjælp af den optagende driv effekt fra varmepumperne, divideret med virkningsgraden på elmotoren. Denne udregning kan ses herunder: P El = P drive η el P El = 339,2 0,946 P El = 358,6 kw Side 33 af 80

35 Beregning af returvandstemperaturstigning ved brug af absorptionsvarmepumpe COP avp = 1,7 (se bilag 9) Beregning af drivenergi for absorptionsvarmepumpe: COP avp = P nytte P drive COP avp = P røg + P drive P drive 1,7 = P drive P drive P drive avp = 1890 kw Beregning af den samlede energi med absorptionsvarmepumper som tilføres fjernvarme vandet: P tot avp = P røg + P drive avp P tot avp = P tot avp = 3213kW Beregning af temperaturstigning for absorptionsvarmepumpe: Temperaturstigningen skal anvendes til at bestemme varmepumpens kondenseringstemperatur. c V vand = 4,19 t vand 1 = 50,8 kj kg Varmefylde for vand (0-100⁰C) side 306 (Nielsen, 2011) Fjernvarmereturvandes temperatur efter skrubber veksleren t vand 2 Fjernvarmereturvandes temperatur efter energi tilførsel fra varmepumpe Side 34 af 80

36 V vand = 198,9 m3 h Fjernvarmereturvandes volumenstrøm ρ vand 50 = 988 kg/m 3 Massefylde for vand ved 50⁰C side 307 (Nielsen, 2011) P tot avp = m vand c V vand (t vand 2 t vand 1 ) P tot avp = V vand ρ vand 50 c V vand (t vand 2 t vand 1 ) 3213 = 198, ,19 (t vand 2 50,8) t vand 2 = 64,85 Ud fra beregningen vises det, at returvandet bliver opvarmet til 64,85⁰C, og derfor sættes kondenseringstemperaturen på absorptionsvarmepumperne til 70⁰C. Dette for at sikre, at alt energien kan overføres til returvandet igennem kondensatorveksleren. I det kommende afsnit vil der på baggrund af afsnittene omhandlende formålet med varmepumper og beregningsafsnittet, blive undersøgt, hvilken muligheder der er for implementering af varmepumper på flisanlægget ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. Der vil blive undersøgt mulighederne for implementering af både eldrevne- og absorptionsvarmepumper, da de umiddelbart hver især har en række fordele og ulemper. Side 35 af 80

37 6 Eldrevne kompressionsvarmepumper I følgende afsnit vil eldrevne kompressionsvarmepumper blive beskrevet for at give et indblik i, hvordan en kompressionsvarmepumperne virker og udrede fordele og ulemper ved deres anvendelse på flisforbrændingsanlægget ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. Egenskaber Kompressionsvarmepumperne skal anvendes til at hæve temperaturen på returvandet i fjernvarmen, da man her kan overfører energi til en så lav temperatur som muligt. Det har den fordel, at kompressionsvarmepumperne skal lave en begrænset temperaturstigning, før energien kan overføres til returvandet. Desto højere en temperatur man skal overføre energi til, jo mere energi skal kompressionsvarmepumperne også have tilført, og det giver et højt elforbrug, som ikke er ønskeligt. Formålet med kompressionsvarmepumper er at udnytte røggassens energi og dermed køle røggassen, og på den måde udnytte mere af energien i røggassen. For at finde frem til den mest fordelagtige varmepumpe til anlægget er teknisk chef Karsten Pedersen, som er ejer af firmaet Cronborg, blevet interviewet (Pedersen, 2015) se bilag 25. Firmaet Cronborg har specialeret sig i at lave energiprojektor ved typisk at udnytte spildenergi. De har stor erfaring på området. Fordelen ved at have Cronborg som kilde er, at firmaet ikke er forhandler af et bestemt mærke inden for varmepumper. Firmaet tager udgangspunkt i det specifikke projekt, og vælger varmepumpe derefter. Side 36 af 80

38 Procesmedier Kølemidlets opgave er at transporterer energien rundt i anlægget. Det er derfor vigtigt at vælge det rigtige kølemiddel, da det er en vigtig del af processen for en varmepumpe. Kølemidlet optager varme i fordamperen når det skifter fra flydende form til dampform, dvs. det fordamper under optagelse af varme. I kondensatoren afgiver kølemidlet varme, og skifter fra dampform til flydende form. Det vil sige, at kølemidlet kondenserer når det afgiver varme. Kulden eller varmen kan derfor udnyttes enten som et køleanlæg eller som et varmeanlæg, alt efter om man anvender kølingen eller varmen. I dag er det ikke lovligt at anvende syntetiske kølemidler, hvor der anvendes over 10 kg fyldning (HFC-fri, u.d.). Syntetiske kølemidler er også blevet meget dyre pga. afgifter. Derfor anvendes der naturlige kølemidler i større anlæg. Inden for naturlige kølemidler kan nævnes propan (R290) eller ammoniak (R717), som er meget udbredt. I rapporten, er der blevet taget udgangspunkt i at anvende R290 som kølemiddel på Kompressionsvarmepumperne. Grundet til at valget er faldet på R290 er, at det ikke er så hårdt for komponenterne i anlægget, som fx R717. Der vil derfor være mere vedligeholdelse forbundet med at anvende R717 som kølemiddel. Desuden er R290 også blevet anbefalet til anlægget af firmaet Cronborg (Pedersen, 2015), der har gode erfaringer med R290 som kølemiddel. Side 37 af 80

39 Opbygningen af kompressionsvarmepumper Inden der kommer forslag til, hvordan et konkret anlæg kan se ud, beskrives kort grundprincipperne i en kompressionsvarmepumpe for at få større forståelse for det konkrete anlægs opbygning. Et varmepumpeanlæg består overordnet af 4 hovedkomponenter. På Figur 4 ses en principskitse af et varmepumpeanlæg. Her ses de fire hovedkomponenter, som er kondensatoren, fordamperen, ekspansionsventilen/drøvleventillen og kompressoren som sidder mellem fordamper og kondensator. Figur 4: Princip skitse af varmepumpe (Clausen, et al., 2014) Side 38 af 80

40 Komponenterne Kompressor Kompressorens formål er at suge så meget kølemiddeldamp væk fra fordamperen, så den ønskede fordampningstemperatur kan opretholdes og komprimere kølemidlet, som derved skaber varme i forbindelse med kompressionen. Det vil altid ske på dampform, da kompressoren ikke kan tåle væske, da væske ikke kan komprimeres. Derfor er det vigtigt, at anlægget er rigtigt dimensioneret, så man ikke får væskeslag i kompressoren. Der findes mange forskellige typer, fx stempel- scroll- eller skruekompressor. Der er forskellige metoder til at styre kompressorens kapacitet, her kan nævnes: Udkobling af maskiner Udkobling af cylinderkapacitet Regulering af omdrejningshastighed (frekvensomformer) Omløb af kølemiddelvarmegas (by-pass) Kondensator I kondensatoren afgiver kølemidlet varme til fx rumopvarmning, og på den måde kondenserer kølemidlet til væske. Før fordamperen vil kølemidlet derfor være på væskeform. Kondensatoren kan være af forskellige udformning alt efter, hvad den skal anvendes til. Det er fx muligt, at overfører dens afgivende energi til luft eller vand. Alt efter hvilket medie energien skal overføres til, anvendes fx veksler eller blæser. Fordamper I fordamperen tilføres der igen energi fra fx udeluften eller væske og kølemidlet fordamper. Det gør, at der bliver taget energi ud fra det medie, som man anvender, og derfor køler på dette. For at beskytte kompressoren er det vigtigt, at alt kølemiddel bliver fordampet, da kompressoren ikke kan tåle væske. Fordamperen kan ligesom kondensatoren have forskellig udformning alt efter, hvor energien hentes, det kan være fx veksler eller blæser. Side 39 af 80

41 Drøvleventil / ekspansionsventil Drøvleventilen styrer mængden af kølemiddel gennem fordamperen. Desuden skabes der også et trykfald, som giver et temperaturfald på kølemidlet. Drøvleventilen er det komponent, der adskiller højtrykssiden og lavtrykssiden. Opbygning af konkret anlæg ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme Efter lidt kort baggrundsviden i forrige afsnit, vil der i dette afsnit komme konkrete forslag til, hvordan et anlæg kan se ud ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. Forslaget til anlægget er udfærdiget med viden fra især drejebogen, Johnson Controls og firmaet Cronborg. Som tidligere nævnt er det meget vigtigt at placere en varmepumpe det rigtige sted i anlægget, da en forkert placering vil kunne ødelægge hele økonomien i varmepumpen. Det handler især om at afsætte varme det rigtige sted ved så lav temperatur som muligt. Hvis man skal hæve temperaturen meget med en varmepumpe, vil det koste meget energi. Derfor vil det være bedre at have flere seriekoblede varmepumper i forskellige temperatur trin, hvis temperaturen skal hæves meget. På den måde skal hver enkelt varmepumpe ikke hæve temperaturen meget og dermed ikke have tilført så meget energi. Hvis man derimod skal hæve varmepumpernes kapacitet, vil varmepumper sidde parallelt. På tegning herunder ses først en oversigtstegning af det eksisterende anlæg (Figur 5) på Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. På oversigtstegning (Figur 6) ses et forslaget til opbygningen af anlægget, som det kan se ud efter implementering af varmepumper. Figur 5: Oversigt over eksisterende anlæg. Kilde: Eget arkiv Side 40 af 80

42 Eksisterende anlæg Det eksisterende anlæg, hvor varmepumpen skal implementeres, består af scrubbetårnet og scrubbeveksleren. Som tidligere nævnt er scrubbetårnets formål at rense røgen for forurenende partikler, og samtidigt optage energi fra røgen. I scrubbeveksleren overføres energien fra scrubberen til retur fjernvarmevandet. Figur 6: Oversigts tegning over nyt anlæg Kilde: Eget arkiv Det nye anlæg Ved optimering af det eksisterende anlæg med varmepumper skal der foretages en ombygning af anlægget. Det medfører mange overvejelser omkring, hvor de nye komponenter skal indsættes for at kunne udnytte de nye komponenter bedst muligt. Der vil i følgende afsnit blive beskrevet de enkelte komponenters placering, og begrundelsen for hvorfor den foreslåede placering er valgt. Komponenternes placering gælder ligeledes også for absorptionsvarmepumper, da anlæggets opbygning vil være det samme for både kompressionsvarmepumper som absorptionsvarmepumper. Den store forskel mellem disse to slags varmepumper ligger i den måde, hvorpå varmepumperne får tilført energi. Side 41 af 80

43 Energiudvinding fra røggassen Der findes forskellige metoder til at udvinde restenergien fra røggassen, der kan fx anvendes et scrubbetårn eller røggasvarmeveksler. Der har været tre forskellige scenarier under udvælgelse af den rigtige metode til at udvinde restenergien fra røggassen. Første scenarie var at køle scrubbevandet med varmepumpen efter scrubbeveksleren. På denne måde kunne scrubbevandets temperatur sænkes, og dermed kan scrubbevandet optage mere energi fra røggassen. Denne metode havde dog den ulempe, at den ville sænke temperaturen inde i scrubbetårnet. Dette ville medføre en forringelse af virkningsgraden på scrubbeveksleren, da temperaturen på scrubbeveksleren ville blive lavere. Derfor ville den energi scrubbeveksleren yder blive forringet pga. den lavere temperatur, som skal modregnes den energi man får ud af varmepumpen. Andet scenarie var at indsætte et scrubbetårn mere efter det eksisterende scrubbetårn. På denne måde ville man have sit eget lukket kredsløb, som ikke ville have indvirkning på det eksisterende scrubbetårn. Derfor ville man heller ikke påvirke scrubbevekslerens virkningsgrad. Et scrubbetårns formål er både at rense røgen og udvinde energi, men da røgen er blevet renset, er der ikke behov for at rense røgen yderligere. Ulempen er, at et nyt scrubbetårn er fysisk stort og består af mange komponenter, som kræver en stor ombygning konstruktionsmæssigt, for at få plads til det nye scrubbetårn. En anden ulempe kan også være, at man skal pumpe scrubbevand rundt i det nye scrubbetårn, som vil blive blandet med det vand der kondenseres fra røgen. Man vil derfor ikke kunne undlade at behandle en del af vandet, da det over tid ikke kan undgås, at vandet vil blive forurenede, selv af en meget lille koncentration af forurening fra røggassen. Dette kunne fx medføre en ændring af ph-værdien i vandet, vil ændringen af ph-værdien kunne forsage tæring på rørene og scrubbetårnet. Tredje scenarie er, at indsætte en røggasvarmeveksler efter det eksisterende scrubbetårn. Røggasvarmeveksler vil have sit eget lukkede kredsløb, og blandes ikke med det vand, der kondensere fra røggassen. Derfor vil denne mulighed heller ikke havde indvirkning på den eksisterende scrubbevekslers virkningsgrad. Røggasvarmeveksler er simpelt opbygget, og er forholdsvis let at installere i det eksisterende anlæg (se billede 2). For at få det maksimale ud af røggasveksleren, konstrueres den som en modstrømsveksler, hvor Side 42 af 80

44 røggassen sendes ind i toppen og strømmer ud i bunden. Ved denne konstruktion afgiver det udkondenserede vand mest muligt energi til veksleren, da det vil løbe mod bunden af veksleren. Det kondenserede vand fra røggassen, skal dog stadig fjernes fra røggasvarmeveksleren. Dette gør sig dog gældende for alle tre løsningsscenarier. Røggasvarmeveksler anses derfor for den mest fordelagtige løsning, baseret på disse tre scenarier. Billede 2: Røggasveksler Kilde: (Schjøtt, 2015) Første scenarie vil ødelægge den eksisterende scrubbevekslers virkningsgrad, og man vil derfor ikke få den ønskede effekt ud af anlægget. Andet scenarie anses for værende en for stor ombygning, som vil udgøre en stor omkostning ved etableringen. Dette uden at få øget effekt, som modsvarer den store anlægsomkostning. Tredje scenaries store fordele vil være, at opbygningen er simpel og udgifterne til etablering anses for værende mindre end opbygningen af et nyt scrubbetårn som beskrevet i scenarie to. Side 43 af 80

45 Ny varmeveksler/kondensator Varmen, som udvindes af røgen, skal som udgangspunkt afsættes ved så lav temperatur som muligt. Umiddelbart vil den mest fornuftige placering være foran scrubbeveksleren på returvandet, da temperaturen her er lavest. Men hvis temperaturen på returvandet stiger inden scrubbeveksleren, vil man ødelægge scrubbevekslerens virkningsgrad. Derfor vil det være mere fornuftigt at afsætte energien efter scrubbeveksleren, selvom det kræver en større tilførsel af energi til varmepumpen. Grunden til at varmepumpen skal have tilført mere energi er, at den skal hæve temperaturen og dermed trykket mere, end hvis energien skulle afsættes ved en lavere temperatur. Det er dog typisk fornuftigt at anvende en relativt lille mængde energi til varmepumpen for til gengæld at kunne udnytte en større mængde energi fra røggassen, som ellers vil være spildenergi. Varmepumpe Som tidligere nævnt er valget faldet på R290 som kølemiddel. For at vælge den rette varmepumpe har firmaet Cronborg udregnet nogle forskellige scenarier ved hjælp af varmepumpeproducenten Frascolds software. Disse scenarier kan ses i bilag 5, og beskriver ud fra forskellige kondenseringstemperaturer og fordampningstemperaturer, hvor stor kølekapaciteten, den optagene effekt og COP er for den valgte varmepumpe. COP en er for kompressoren ved køledrift og skal derfor plusses med en, når kompressoren bliver anvendt som varmepumpe, da man udnytter varmesiden af kompressoren, og derfor anvendes den tilførte energi også. Valget af varmepumpen er faldet på Frascolds W80-240AXH, som er en semihermetisk kompressor med 8 cylinder. Den har en nominel volumenstrøm ved 50 Hz på 239,02 m 3 /h, og indeholder 2x13 kg kølemiddel af typen R290. Side 44 af 80

46 Røggassen skal køles ned til 20 C, for at dette er muligt, skal fordampningstemperaturen under 20 C. Valget er faldet på 15 C, da temperaturen heller ikke skal for langt ned, da det vil koste meget energi. Returvandet skal hæves i temperatur fra ca. 49 C, ud fra beregningerne i kapitel 5: (Beregningen af returvandsstigning ved brug af kompressionsvarmepumpe) ses at returvandet hæves til 58 C. Derfor sættes kondenseringstemperaturen til 61 C. I bilag 5 kan kølekapaciteten, den optagene effekt og COP aflæses for en enkelt varmepumpe, for den valgte drift ved fordampningstemperatur på 15 C og kondenseringstemperatur på 61 C. Tallene kan også ses herunder og på figur 7: Kølekapacitet: 229,88 kw COP kvp : 3,9 +1 = 4,9 Optagen effekt: 58,96 kw Figur 7: Fordampnings- og Kondenseringstemperatur. Kilde: Bilag 5 Side 45 af 80

47 Antal varmepumper Ud fra kølekapaciteten pr. varmepumpe kan der nu dimensioneres, hvor mange varmepumper det er nødvendigt at anvende for at kunne opnå den rigtige effekt. I afsnittet omkring udregning af energi i røggassen, er der udregnet en energi på 1323 kw pr. kedel. Derfor skal køleeffekten kunne aftage de 1323 kw. Antal varmepumper = Energi røggas køleeffekt = 1323 = 5,8 6 stk. 229,88 Der skal derfor anvendes 6 stk. parallelle varmepumper af typen Frascolds W80-240AXH, pr. kedel. Der skal derfor totalt anvendes 12 stk. varmepumper, da der er to kedler. Da varmen skal afsættes efter scrubbeveksleren, er det ikke muligt med et samlet system. Derfor vil de 6 parallelle varmepumper have deres eget lukkede system pr. kedel. I produktkataloget fra Cronborg i bilag 4 kan det ses, at en varmepumpe af typen Frascolds W80-240AXH koster kr. pr. stk. Side 46 af 80

48 Placering af varmepumperne Da bygningen til flisanlægget ikke er forberedt til at have varmepumper stående, er det nødvendigt med en tilbygning. Der er tre oplagte muligheder for placeringen af varmepumperne. Grunden til at placeringerne er oplagte, er fordi, det er imellem scrubbetårnet og selve skorstenen. Desuden er der heller ikke langt ind til vekslerne. Dette giver mulighed for at indsætte røggasvarmeveksleren mellem scrubbetårnet og skorstenen, og samtidigt ikke skulle lave alt for lange rørføringer. De tre muligheder er: oven på taget af askelageret, oven på taget af smedenes lagerbygning eller inde i lagerbygningen. De to første forslag til placering vil være på et fladt tag. Her vil det være muligt at lave en overbygning. Da varmepumperne er tunge (1600 kg pr. stk.) vil det dog kræve en forstærkning af bygningerne. Askelageret har den ulempe, at der også er kælder under askelageret, hvorfor en forstærkning af bygningen vil være mere kompliceret, end forstærkningen af lagerbygningen. I askerummet er det ligeledes en del faste installationer, som ikke kan flyttes fx askeredleren. I lagerbygningen står der kun pallereoler. Det vil være muligt at finde en ny placering af pallereolerne. Der foreslås derfor en placering af pallereolerne i en garage, hvor der opbevares forskellige maskiner og trailere, og hvor man ikke udnytter fordelen ved at have pallereoler, og dermed kunne udnytte pladsen i højden. På den måde kan varmepumperne overtage pallereolernes plads, og man spare derfor en udbygning og forstærkning af en af lagernes tag. Placeringen af varmepumperne i lagerhallen, anses for at være den klart billigste og bedste placering, da det ikke kræver udbygning og forstærkning af de eksisterende bygninger. Side 47 af 80

49 El tilslutning Forsyning af elektricitet til varmepumperne kan være forbundet med store omkostninger. Dette gælder både hvad angår tilslutning og kabelføring, men der betales især mange penge til forsyningsselvskabet for udvidelse af den oprindelige installation. Ved forsyningsselskabet Sydenergi, som forsyner Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, koster en udvidelse af den bestående installation 1640,00 kr. pr. kw. I afsnittet: Beregninger af tilført el effekt for kompressionsvarmepumper, i kapitel 5, er det udregnet at 6 varmepumper forbruger 358,6 kw. Da der er 12 varmepumper er den optagede effekt det dobbelt dvs. 717,2 kw. Udvidelse af den eksisterende installation ved Sydenergi vil derfor være 717,2 kw. Side 48 af 80

50 Vedligehold og Service Der er selvfølgelig meget forskel på, hvor meget et anlæg skal serviceres og vedligeholdes alt efter størrelse og udformning på anlægget. Nogle anlæg med mere aggressive kølemidler som ammoniak, har større krav til vedligehold og service. Ved større varmepumper med stempelkompressor anbefales typisk følgende service intervaller: Hvert år eller ca timer lille eftersyn med kontrol af olie, filtre, sikkerhedsautomatik m.m. Hvert 2. år Der foretages et lovpligtigt eftersyn af trykbeholdere og rørsystemer. Hvert 4. og 8. år er der krav om en mere grundig besigtigelse af henholdsvis trykbeholdere og rørsystemer. Mellemstort eftersyn for hver timer, opmåling og kontrol, eventuelt udskiftning af fjedre m.m. Hovedeftersyn for hver timer, udskiftning af lejer, plejlstangsbolte m.m. (Clausen, et al., 2014) Levetiden for store varmepumper ligger typisk på 20 år, hvis de vedligeholdes korrekt. Der findes sliddele i kompressoren, som ikke kan holde 20 år, men som kan skiftes uden større indgreb. Typisk tegnes der en serviceaftale med leverandøren af varmepumperne. Det giver en god sikkerhed for at anlægget bliver serviceres ordentligt, fordi leverandøren skal stå inde for deres produkter. Det giver også en større sikkerhed, når man skal udregne en investering i et varmepumpeanlæg, da man med en serviceaftale er sikret mod uforudsete udgifter og sikret oppetider på anlægget. For et kompressionsvarmepumpeanlæg med R290 som kølemiddel, vil en serviceaftale ligge mellem 10 til 20 kr./mwh varme (Clausen, et al., 2014). Side 49 af 80

51 Afgifter Den største del af driftsomkostningerne for en eldrevet varmepumpe er den energi, som den får tilført i form af elektricitet. Det der gør el dyrt, er de afgifter, der skal betales i forbindelse med køb af elektricitet, her kan nævnes: Elprisen (indkøbt på markedsvilkår til enten variabel eller fastpris) Net- og systemtarif (Energinet) Distributionstarif (Netselskabet) Elafgift (Staten) PSO-tarif (Energinet) (Clausen, et al., 2014) Elprisen bestemmes af markedsudbuddet og der handles typisk el på to forskellige måder: variabel elpris eller fast elpris. Den variable elpris er spotmarkedet, som styres af udbud og efterspørgsel, og som derfor er en mere usikker pris, som stiger og falder alt efter marked, dog vil den generelt være billigere end en fast elpris. Dette gør også, at man har muligheder for at have en mere fleksibel drift, hvor den lave elpris kan udnyttes ved at lade varmepumperne kører fx om natten, hvor el ofte er billigere. Der vil dog altid være en større risiko forbundet med en variabel elpris, og det er svært at beregne en ny investering på baggrund af en variabel elpris. En fast elpris vil være en kontrakt på typisk 5 år frem i tiden, eller længere, hvor man har bundet sig til en fast elpris i den årrække kontrakten rækker. Derfor vil en fast elpris give større sikkerhed, når en ny investering skal beregnes. Hvis ens varmepumpe investering er baseret på udnyttelse af billig el i fx perioder med meget vindenergi, vil investeringen være forbundet med en større risiko. Side 50 af 80

52 Net- og systemtarif (Energinet) Net- og systemtariffen er fastlagt årligt af Energinet.dk. Nettariffen dækker omkostningerne der er på det danske transmissionsnet. Systemtariffen dækker omkostningerne ved reservekapacitet, systemdrift m.v.. priserne for 2015 ses herunder: Nettarif: 4,2 øre/kwh Systemtarif: 2,9 øre/kwh (Energinet, 2015) Distributionstarif (Netselskabet) Distributionstarif skal alle betale til det netselskab, hvor de køber el. Tariffen dækker omkostninger til distribution og energispare forpligtigelser. Prisen er fastsat alt efter, hvilket tilslutnings- og spændingspunkt man bliver forsynet med. Herunder kan ses et eksempel på forskellige priser alt efter, hvilken kundetype man er. Kundetypen er fastsat efter ens aftagepunkt. Figur 8: Eksempel på distributionstarif fra 2014 Kilde: (Clausen, et al., 2014) Side 51 af 80

53 Elafgift (Staten) Efter en lovændring i 2013, skete der en markant ændring i elafgiften, der ca. blev halveret til 380 kr./mwh (Clausen, et al., 2014). PSO-tarif (Energinet) PSO-tariffen står for Public Service Obligations. Pengene fra PSO-tariffen bliver anvendt til at finansiere miljøvenlig el-produktion. Tilskud til vedvarende energi såsom vindmøller, udgør størstedelen af PSO-tariffen. Det er Energinet, der opkræver afgiften og dækker de offentlige forpligtigelser, som er fastsat af elloven. Energinet opkræver tariffen ved netselskaberne. PSO-tariffen for 2. kvartal 2015 er fastsat til 21,4 øre/kwh (Energinet, 2015). Omkostningerne kan ses herunder: Tilskud til vedvarende energi (VE), dvs. vindmøller og andre VE-anlæg Tilskud til decentral kraftvarmeproduktion Forskning og udvikling i miljøvenlig energiproduktion og i effektiv anvendelse af el Betaling til Sikkerhedsstyrelsens omkostninger Øvrige omkostninger (Anon., 2012) Som nævnt anvendes hovedparten af PSO-tariffen til etablering af vindmøller. Hvis man fra regeringens side i fremtiden ønsker at anvende eldrevne varmepumper til at udnytte den stigende vindenergi. Er det underligt, at de eldrevne varmepumper er underlagt en PSO-tarif, der hæver omkostningerne til el forbrug betragteligt. Derfor er der stor uenighed i fjernvarme sektoren omkring PSO-tariffen, da mange ikke mener, der skal betales PSOafgift til el som anvendes til varmepumper. Energistyrelsen og skatteministeriet er dog stadig af den opfattelse, at PSO-tariffen skal betales. I forhold til loven er der også steder, der kan tolkes som om, at der ikke skal betales PSO-tarif, disse kan ses på næste side: Side 52 af 80

54 9 a. En virksomhed, som producerer fjernvarme på et kraft-varme-værk eller på et fjernvarmeværk, som den 1. oktober 2005 var indrettet til kraft-varme-produktion, betaler ikke beløb til dækning af omkostninger til offentlige forpligtelser efter 8, stk. 1, for det elforbrug, som medgår til at producere fjernvarme til forbrugere ved hjælp af elektricitet (Klima-, Energi-, og Bygningsministeriet, 2013) 1. Varmeproducerende virksomheder kan fritages for at betale beløb til dækning af offentlige forpligtelser som nævnt i 9 a, stk. 1 og 2, i lov om elforsyning for den del af deres elforbrug, som anvendes til varmeproduktion, såfremt 1) elektriciteten anvendes til at producere varme i et varmeproducerende anlæg omfattet af 2 eller 3, og 2) elektriciteten medgår til direkte varmeproduktion ved hjælp af elpatroner, varmepumper o.l (Klima-, Energi-, og Bygningsministeriet, 2009). Afgift på biobrændsel Den meget omdiskuterede afgift, som i folkemunde blev kaldt brændeafgiften, kunne havde haft stor betydning for Aabenraa og Rødekro Fjernvarme. Den blev efter stor opmærksomhed i pressen tilbagerullet af regeringen. Afgiften skulle være pålagt alt biomasse, og ville derfor havde ført til en stigning i priserne på flis. Side 53 af 80

55 Økonomi - kompressionsvarmepumper For at kunne beregne en tilbagebetalingstid skal hele anlæggets pris findes, samt driftsomkostningerne, der er forbundet med eldrevne kompressionsvarmepumper. Ligeledes skal der udregnes, hvor store indtægterne fra varmepumperne er. I næste afsnit vil indtægterne først blive udregner og efterfølgende udgifterne. Indtægter Det oplyses på Aabenraa og Rødekros Fjernvarmes hjemmeside, at der for forbrugerne betales 400 kr./mwh ekskl. moms (Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, 2014). En varmesæson betegnes her i rapporten som 216 dage eller 5184 timer. Varmepumperne kan i denne periode ved fuldlast yde 1662,2 kwh pr. kedel, dette kan ses i kapitel 5: (Beregning af det samlede energi som tilføres fjernvarmevandet). Da der er to kedler er den samlede ydelse for alle varmepumperne det dobbelte af 1662,2 kwh, dvs. 3324,4 kwh eller 3,3244 MWh. Indtægterne for en varmesæson kan herefter beregnes: Indtægter kvp = ( ydelse kvp forbruger pris) t varmesæson Indtægter kvp = (3, ) 5184 Indtægter kvp = ,84 kr./varmesæson Anlægsudgifter Udgifter til anlægget udgør: varmepumper, røggasvarmeveksler, varmeveksler, el tilslutning og installation. Varmepumpernes pris er kr./stk. og kan ses i produktkatalog i bilag 4. Der skal anvendes 12 stk. Røggasvarmevekslerens pris er kr./stk. og kan ses i bilag 7. Der skal anvendes 2 stk. Side 54 af 80

56 Varmeveksler der skal anvendes som kondensator og fordamper. Der skal anvendes 2 stk. pr. kedel altså samlet 4 stk. Prisen er kr./stk. (Pedersen, 2015). El tilslutningen koster 1640 kr./kwh eks. moms og der kan anvendes 717,2 kwh (se kapitel 6: el tilslutning). Prisen for el tilslutningen kan ses herunder: El tilslutning kvp = pris tilslut P el tot kvp = ,2 = kr. Installationen som udgør opsætning, rørføring, kabler og tavler kan regnes med ca. 35 % af varmepumpens pris (Pedersen, 2015). Installationsprisen udregnes her under: Installation kvp = varmepumpe pris kvp % = ,35 = kr./varmepumpe Installationsprisen er pr. varmepumpe og skal derfor ganges med antal varmepumper. Driftsudgifter Driftsudgifterne vil være elforbrug, service og vedligehold. Elforbrug er den største driftsudgift. El prisen for Aabenraa og Rødekro Fjernvarme er 1,6 kr./kwh inkl. Moms eller 1,28 kr./kwh eks. Moms, kan ses på bilag 8. Da den totale optagede effekt er 717,2 kw for de 12 varmepumper, se afsnit om el tilslutning (se kapitel 6: el tilslutning) og en varmesæsonen er 5184 timer. Vil den samlede optagne effekt for de 12 varmepumper på en varmesæson være: Total optaget effekt kvp pr varmesæson = totale optagende effekt kvp t varmesæson = 717, = ,8 kwh = 3.717,9648 MWh Service og vedligehold ses i kapitel 6: (Service og vedligeholdelse) står der at service og vedligehold koster mellem 10 og 20 kr./mwh. Der regnes derfor med et gennemsnit på 15 kr./mwh. Varmepumpernes effekt er 3,3244 MWh og varmesæsonen er 5184 timer. Den samlede effekt pr. år er derfor: Årlig effekt kvp = ydelse kvp t varmesæson = 3, = ,7 MWh Side 55 af 80

57 Scrapværdi Eltilslutningen vil udgøre en del af scrapværdien, da den ikke bliver afskrevet, fordi man ikke mister el-tilslutningen igen. El-tilslutningen udgør kr., som kan ses på forrige side. Scrapværdien på varmepumperne efter 20 år anses for at være kr. Den totale scrapværdi bliver således: Total scrapværdi kvp = el tilslutnig kvp + scrapværdi kvp = = kr. Side 56 af 80

58 Renter Det anses, at Aabenraa og Rødekro Fjernvarme kan optage lån til 2 % i rente, da det er en meget sikker investering og renten generelt er lav. Ud fra det forrige afsnit omhandlende økonomi, kan der udregnes de samlede omkostninger til anlæg og drift. Disse omkostninger kan ses herunder: Side 57 af 80

59 Ud fra scrapværdi, renter, indtægterne, de samlede anlægsomkostninger og de samlede driftsomkostninger kan resultatet og tilbagebetalingstiden beregnes. Udregningen kan ses i bilag 27 (for bedre kvalitet) og herunder. Under billede vil der være forklaring til de forskellige poster. Anlægsværdi: År 1 vil det være de samlede anlægsomkostninger. År 2 vil det være de samlede anlægsomkostninger minus afskrivninger, og så videre. Renter: Renten er sat til 2 %, og er 2 % af anlægsværdien for det givende år. Afskrivninger: Anlæggets afskrivning vil være de samlede anlægsomkostninger minus scrapværdien. Derefter er de delt ud på tyve år, da det er den forventede levetid for varmepumpe anlægget. Driftsomkostningerne: Anlæggets driftsomkostninger er udregnet på forrige side, og er en årlig udgift. Omkostninger i alt: Anlæggets samlede omkostninger dvs. renter, afskrivninger og driftsomkostninger. Indtægter: Indtægterne er udregnet i afsnittet omkring økonomi for kompressionsvarmepumper, og viser hvor store indtægterne er for varmepumperne. Resultat: Viser resultatet for det pågældende år, og er indtægterne minus omkostninger i alt. Tilbagebetalingstid: Viser hvornår anlægget kan være betalt tilbage, hvis alle indtægterne anvendes til at betale anlægget tilbage. Side 58 af 80

60 Opsummering eldrevne kompressionsvarmepumper Ud fra det økonomiske aspekt vil en implementering af varmepumper, som udnytter røggasenergien, være tilbagebetalt efter 12 år, hvis alle indtægter går til afbetaling af varmepumpeanlægget. Det anses dog ikke for normalt at afskrive med alle indtægterne især ikke, hvis der kan lånes til en fordelagtig rente. Derfor vil det være mere retvisende at anvende resultatet, der viser de årlige indtægter fra varmepumpeanlægget, som baggrund for at tage beslutning om, hvorvidt et varmepumpeanlæg vil være en fornuftig investering. For at se på om varmepumper er konkurrencedygtige i forhold til det nuværende flisforbrændingsanlæg, udregnes prisen pr. MWh for varmepumperne. Prisen for første år kan ses herunder og efterfølgende prisen for år 20. Derefter regnes gennemsnittet. Pris pr. MWh kvp år 1 = Pris pr. MWh kvp år 20 = omkostninger i alt 1 = = 361,7 kr./mwh antal producerede MWh kvp ,6 omkostninger i alt 20 = = 342,9 kr./mwh antal producerede MWh kvp ,6 Gennemsnit pris kvp pr. MWh = pris kvp år 1 + pris kvp år 20 2 = 352,3 kr./mwh (361, ,9) = 2 Prisen pr. MWh på flisforbrændingsanlægget ved Aabenraa og Rødekro Fjernvarme er 222 kr./mwh (Brodersen, 2015). Det ses derfor, at en MWh producerede på varmepumperne, er væsentlig højere end prisen pr. MWh producerede på flisforbrændingsanlægget. Det gør, at varmepumperne ikke er så konkurrencedygtige i forhold til flis. Der er dog stadig økonomi i varmepumper, og de er miljøvenlige i den forstand, at de udnytter den energi, som er produceret, og som ellers vil være spildenergi. Prisen pr. MWh ligger i den lave ende af, hvad Jesper Kock fra Dansk Fjernvarme mener, det koster at producere varme på kompressionsvarmepumper. Det ligger dog ikke under de 350 kr./mwh, som svare til, hvad prisen er for husstande med individuelt varme fra, fx et oliefyr. Derfor mener Jesper Kock, at prisen skal ned på 300 kr. pr. MWh for at det giver en fornuftig økonomi for fjernvarmebranchen. Vi er i den situation lige nu, hvor det vil koste lidt mere end 400 kr. pr. produceret MWh med en stor varmepumpe, men hvis vi skal kunne levere til vores kunder, så skal prisen ned under 350 kr. Det svarer nemlig til prisen for den individuelle opvarmning (hvor husstande selv sørger for varmen vha. fx et oliefyr, red.) Vi har fremlagt tre forslag til, hvordan man kunne få prisen på varmepumperne ned, og hvis alle tre blev gennemført, så ville man havne på 300 kr. pr. MWh, forklarer Jesper Kock (EnergiWatch, 2015). Side 59 af 80

61 7 Absorptionsvarmepumper I modsætning til kompressionsvarmepumper, som oftest drives af en elektrisk motor, drives absorptionsvarmepumper ikke af mekanisk energi, men af varmeenergi. Den energi som bruges til at drive en absorptionsvarmepumpe skal være ved en høj temperatur. Ved at tilføre varme ved en høj temperatur, kan man udvinde energi fra energi kilder ved lavere temperatur. Den tilførte energi går ikke tabt, da man både får den tilførte og den udvundne energi ud af varmepumpen ved en mellem temperatur. På fjernvarmeværker kan man ved at bruge drivenergi fra kedlen og køle på røggasen få mere ud af den producerede energi, fordi den af røggassen udvundne energi også kan anvendes til opvarmning af fjernvarme vandet. Opbygning og virkemåde En absorptionsvarmepumpe adskiller sig fra et en kompressionsvarmepumpe ved at kompressoren er udskiftet med to varmeveksler, en pumpe og en ekstra drøvle ventil (se figur 9). Derudover skal der både være et kølemidle og en væske, som kan absorbere det. Absorptionsvarmepumpen består af i alt fire varmevekslere med hver deres funktion. De Figur 9: Opbygning absorptionsvarmepumpe Kilde: (Clausen, et al., 2014) Side 60 af 80

62 fire vekslerne er adskilt i to trykniveauer og konstrueret på en sådan måde, at væske ikke kan løbe mellem vekslerne i samme trykniveau. Generator og kondensator vekslerne befinder sig i et højere trykniveau end fordamper og absorber. Denne trykforskel opstår ved at absorbenten pumpes op i generatoren. Her opvarmes absorbenten så noget af kølemidlet desorberes. Ved desorbtionen udvider kølemidlet sig, og herved skabes et overtryk, som bliver opretholdt af de to drøvleventiler. Generatoren er den del, hvor drivenergien tilføres i form af varme ved en høj temperatur. Hvor høj temperaturen på procesmediet, som tilfører energi til generatoren, skal være, afhænger af hvor højt et kondenseringstryk og hermed kondenseringstemperatur, man ønsker i anlægget. Temperaturen skal være høj nok til at desorbere kølemidlet fra absorbenten ved det kondenseringstryk, som anlægget skal køre ved. Hvis temperaturen på procesmediet er højere end nødvendigt, reduceres flow så energitilførslen passer til driftssituationen. Energien overføres fra procesmediet til absorbenten, ved at absorbenten risles ud over generatorveksleren. Herved desorberes noget af kølemidlet fra absorbenten. Kølemidlet vil efter desorbtionen være på gasform, fordi den ved desorbtionen får tilført fordampningsvarmen. Absorbenten, som efter desorbtionen er ved en mere koncentreret opløsning, da noget af kølemidlet er fordampet, løber ned i bunden af generator beholderen. I kondensatoren kondenseres det fordampede kølemiddel fra generatoren, ved at holde kondensatorvekslerens overfladetemperatur koldere end kølemidlets fordampnings temperatur. Dette gøres ved at pumpe den væske, som man vil have varmepumpens energi overført til, igennem kondensator veksleren. Derved vil kølemidlet, når det rammer kondensatorvekslerens overflade, kondenserer og løbe ned i bunden af kondensatorvekslerens beholder. Når kølemidlet er kondenseret løber det igennem en drøvleventil ned i fordamper beholderen. Kølemidlet risles udover fordamperveksleren, derved optager kølemidlet energi fra fordamperveksleren og fordamper. Hvis alt kølemidlet ikke når at fordampe, falder det ned i bunden af fordamperveksler beholderen. For at undgå at kølemidlet ophober sig i bunden af beholderen, pumpes det op og udover veksleren igen. Da trykket er lavere i fordamper beholderen, end den er i kondensator beholderen, får kølemidlet en lavere fordampningstemperatur. Ved at gøre trykket, og hermed fordampningstemperatur Side 61 af 80

63 lavere, kan man udvinde energi fra det procesmedie, som pumpes igennem fordamperveksleren. Procesmediet, der pumpes igennem fordamperveksleren, er den energikilde ved lav temperatur, som man ønsker at udnytte, fx røggas. I absorbernen forenes kølemidlet og absorbenten igen. Det sker ved at absorbenten fra generatoren drøvles ned til det lavere tryk, som er i absorberen, gennem en drøvle ventil. I absorberen bruses absorbenten ud over absorberveksleren, så den afkøles. Herved kan absorbenten igen optage kølemidlet, som bliver tilført fra fordamperen på gasform. Når Absorbenten har optaget kølemidlet, løber det ned i bunden af absorber beholderen. Herfra bliver det pumpet op til generatorveksleren igen. Absorberveksleren køles af væsken, som energien fra varmepumpen skal overføres til. Man vil typisk serieforbinde absorberveksleren med kondensatorveksleren. Om væsken først løber igennem absorberveksleren og derefter gennem kondensatorveksleren eller omvende, afhænger af producentens design. Procesmedier For at drive et absorptionsanlæg er det nødvendigt at have kølemiddel og en anden væske, som kan absorbere det. Denne væske kaldes for absorbenten. Der anvendes primært to kombinationer af kølemiddel og absorbenter. Den ene kombination er Figur 10 På figuren ses et skema for krystalliserings grænser for LiBr Kilde: (Herold, et al., 2010) Side 62 af 80

64 ammoniak og vand, med ammoniak som kølemiddel. Denne kombination udmærker sig ved, at den kan anvendes ved meget lave temperatur, fordi ammoniak ikke fryser til is ved 0 ⁰C. Til gengæld er det nødvendigt at have et anlæg med nogle relative høje tryk, for at kunne afsætte varmen, da kondenseringstrykket ved, fx 60 ⁰C er ca. 26 bar. Den anden kombination er vand og litium bromid(libr), hvor vandet i denne kombination agerer kølemiddel. Denne kombination er den de fleste producenter anvender til absorptionsvarmepumper. Her kører anlægget ved et noget lavere tryk, og kondenseringstrykket ved fx 60 ⁰C er under 1 bar. Derudover slipper man for at have et så aggressivt kølemiddel som ammoniak, der er giftigt og hård ved anlægget. I dette projekt arbejdes der med temperaturer langt fra frysepunktet. Derfor anses LiBr/vand kombinationen for at være den mest fordelagtige løsning, og vil være den kombination, som vil blive brugt i dette projekt. LiBr er et salt, som er meget vandabsorberende. Saltet kan fremstilles ved at blande litiumhydroxid og hydrogenbromid. Ved sammenblandingen går litium ionen i forbindelse med brom ionen og bliver til LiBr, desuden går hydrogen ionen og hydroxid ionen i forbindelse med hinanden og bliver til vand. Li + OH + H + Br Li + Br + H 2 O LiBr i en varmepumpe er i en vandig opløsning. Når opløsningen i generatoren tilføres en tilstrækkelig mængde energi begynder vandet i opløsningen at fordamper. Herved desoberes vandet, og opløsningen bliver stærkere. Når den stærke opløsning afkøles i absorberen, absorberer den vanddampene, og herved bliver opløsningen svagere. LiBr kan krystallisere, hvis opløsningen bliver for stærk. Dette giver aflejringer i generatoren, som vil nedsætte varmeledningsevnen, og kan skabe risiko for forstoppelser. Derfor er det vigtigt, at man holder koncentrationen på et niveau, som er over krystalliseringsgrænsen. På figur 10 skal opløsningen befinde sig i området liquid solution. Det vil sige, ved 20 ⁰C må opløsningen ikke komme over 60 % LiBr. Side 63 af 80

65 Vedligehold og service Vedligeholdsomkostningerne for absorbstionsvarmepumper er ikke så store i forhold til andre typer varmepumper. Vedligeholdsomkostningerne er under 5 kr./mwh varme, side 44 (Clausen, et al., 2014). En af faktorerne som er med til at begrænse vedligeholdelses omkostningerne er, at der ikke anvendes mekanisk energi, som i de andre typer anlæg. Derved bliver den mekaniske slitage reduceret. For at få så meget ud af anlægget som muligt, er det vigtigt, at anlægget vedligeholdes. Hvis anlægget vedligeholdes ordentligt, kan det forlænge levetiden og undgå en forringelse af anlæggets virkningsgrad. Derfor udtager man en gang om året en prøve af LiBr en, som sendes til analyse. Ud fra analysens resultat kan man se væskens kemiske sammensætning. På baggrund af dette kan der tilsættes nogle kemikalier med forskellige egenskaber. Da LiBr er et salt, og derfor består af ioner, er det tilbøjelig til at give korrosion i de metalliske dele inde i anlægget. Denne korrosion kan mindskes ved at tilsætte Lithium-molybdat. Et andet problem kan være, at man har for store overfladespændinger i væsken. Disse overfladespændinger kan reduceres ved at tilsætte octanol. Der kan i nogle tilfælde komme luft ind i anlægget. Dette giver anledning til korrosion, da der normalt ikke findes ilt inde i anlægget. Ydermere forringer det processen i anlægget, fordi den indtrængende luft optager plads, som skulle være brugt af kølemidlet. Derved mindsker det kølemidlets kontaktflade med vekslerne og absorbenten. For at slippe af med den indtrængende luft gøres der brug af en pumpe, som er bygget ind i anlægget. Side 64 af 80

66 Opbygning af absorptionsanlæg Absorpsionsvarmepumpen implementeres på samme måde som komparationsvarmepumpen med hensyn til placering af varmeveksler og anlæg. Til forskel fra kompressionsanlægget skal der etableres en hedvandstilslutning fra fliskedlen på 140 C. I det eksisterende anlæg, er temperaturen efter kedlen dog kun ca. 125 C, denne temperatur skal hæves til 140 C. Ud fra anlægsspecifikationen i bilag 29, ses det at anlæggets driftstemperatur kan ligge mellem C. Driftstemperaturen hæves ved at sænke flowet på kedelpumperne. Denne tilslutning kobles parallelt med kedlens fjernvarmevandsveksler. Flowet til kedlens fjernvarmeveksler og varmepumpen styres af to nye ventiler, som monteres på hver deres tilgang. For at reducere varmetab skal alle rørene isoleres. Dette er en ekstra etableringsomkostninger i forhold til kompressionsanlægget. Til gengæld slipper man for etableringsomkostningerne af kompressionsanlægget el-tilslutning. Da absorptionsanlægget strøm forbrug er meget lille kan det tilsluttes den eksisterende elinstallation i bygningen. Side 65 af 80

67 Økonomi - Absorptionsvarmepumper For at kunne beregne en tilbagebetalingstid skal prisen på absorptionsvarmepumpeanlæggets findes, samt driftsomkostningerne der er forbundet med absorptionsvarmepumper. Ligeledes skal det udregnes, hvor store indtægterne fra varmepumperne er. I næste afsnit vil indtægterne først blive udregnet og efterfølgende udgifterne. Indtægter Indtægterne for absorptionsvarmepumper vil være anderledes end for kompressionsvarmepumpen, da man ikke får tilført energi fra den elektricitet, man ville anvende ved drift af kompressionsvarmepumperne. Indtægterne vil derfor stadig være 400 kr./mwh (Aabenraa og Rødekro Fjernvarme, 2015), som Aabenraa og Rødekro Fjernvarme får for deres varme, men energien som varmepumpen laver, vil være røggassens energi. Røggassens energi er 1323 kw pr. kedel (se kapitel 5: Beregning af afgivende effekt), dvs. den samlede effekt for begge kedler vil være det dobbelte altså 2646 kw eller 2,646 MW. Varmesæsonen vil stadig være 5184 timer. Indtægterne kan dermed udregnes: Indtægter avp = ( P røg forbruger pris) t varmesæson Indtægter avp = (2, ) 5184 Indtægter avp = ,6 kr. Side 66 af 80

68 Anlægsudgifter Udgifter til anlægget udgør: varmepumper, røggasvarmeveksler, varmeveksler og installation. Priserne kan ses i bilag 9. Priserne fra Johnson Controls er en samlede pris for et færdigt anlæg inkl. levering og pladssætning, samt opstart af anlægget. Prisen er dog uden tilslutning af røggasvarmeveksler og installationer. Prisen for et anlæg er kr. pr. kedel. Dvs. samlet kr. for begge kedler. Installationer som udgøre rørføring, kabler og tavler anses for at være ca. det samme som for kompressionsvarmepumper. Prisen for installationer er derfor kr. og kan ses i kapitel 6 under økonomi - kompressionsvarmepumper. Røggasvarmevekslerens pris er kr./stk. og kan ses i bilag 7. Der skal anvendes 2 stk. Driftsudgifter Driftsudgifterne vil være el, service og vedligehold. Da en absorptionsvarmepumpe ikke forbruger ret meget elektricitet ca. 16 A, vil det ikke indgå i beregningerne. Service og Vedligehold ses i kapitel 7: (Vedligehold og service) der står at service og vedligehold koster 5 kr./mwh. Det vil være nødvendigt at finde den samlede effekt for absorptionsvarmepumperne pr. varmesæson for at udregne service og vedligehold. Effekt pr. kedel vil være 3230 kw (se kapitel 5: Beregning af den samlede energi, med absorptionsvarmepumper, som tilføres fjernvarmevand), den samlede effekt for begge kedler vil derfor være det dobbelte altså 6460 kw eller 6,460 MW. Den samlede effekt gange derefter med varmesæsonen på 5184 timer. Dette beregnes herunder: Årlig effekt avp = ydelse avp t varmesæson = 6, = ,6 MWh Side 67 af 80

69 Scrapværdi Scrapværdien på absorptionsvarmepumperne efter 20 år anses for at være kr. Renter Det anses at Aabenraa og Rødekro Fjernvarme kan optage lån til 2 % i rente, da det er en meget sikker investering og da renten generelt er lav. Ud fra det forrige afsnit omhandlende økonomi, kan der udregnes de samlede omkostninger til anlægs og drift. Disse omkostninger kan ses herunder: Side 68 af 80

70 Ud fra scrapværdi, renter, indtægterne, de samlede anlægsomkostninger og de samlede driftsomkostninger kan resultatet og tilbagebetalingstiden beregnes. Udregningen kan ses i bilag 28 (for bedre kvalitet), men også herunder. Forklaring til udregningerne vil være den samme som til kompressionsvarmepumperne, dog med andre indtægter som kan ses i foregående afsnit under indtægter. Side 69 af 80