Grøn Fjernvarme. Grøn Fjernvarme

Transkript

1 Grøn Fjernvarme Aalborg Universitet Esbjerg 2. Semester Anders Brandsborg Jensen, Mikkel Foghmar, Frank Rask Larsen, Flemming Jensen og Brian Puggaard Thomsen Trykt år 2013 Side 1

2 Side 2

3 TITELBLAD Tema: Solfangere og varmelagring Projekt titel: Grøn Fjernvarme Gruppe: EN2-B308b 2. semester Vejledere: Matthias Mandø, Jens Bo Holm-Nielsen og Søren Henrik Adam Universitet: Aalborg Universitet Esbjerg Studieretning: Bachelor i Energi Periode: Start: 1/ Aflevering: 22/ Antal Sider: 94 Forsidefoto: Marstal Fjernvarme (1) Initierende problem: Vil det være muligt at dimensionere et fjernvarmeværk, der ikke bruger fossile brændsler, men udelukkende er baseret på vedvarende energi? Forfattere: Anders Brandsborg Jensen Brian Puggaard Thomsen Flemming Jensen Frank Rask Larsen Mikkel Foghmar Side 3

4 Side 4

5 Abstract På baggrund af energi-linjens studietur til Gram Fjernvarme i starten af 1. semester blev gruppen inspireret af Grams planlagte udvidelse, til at arbejde videre med tanken om et solvarmebaseret fjernvarmeværk. Heraf det initierende problem: Vil det være muligt at dimensionere et fjernvarmeværk, der ikke bruger fossile brændsler, men udelukkende er baseret på vedvarende energi? Strukturen og udbredelsen af fjernvarme i Danmark belyses i den første del af rapporten, hvor det konstateres, at der er god basis for at omlægge fra fossile brændsler til vedvarende energiformer. Derefter kigges der på alternative energiformer til fjernvarme såsom biomasse, sol- og vindkraft, affaldsforbrænding, biogas og geotermi. Alle formerne har deres fordele, men biomasse, affaldsforbrænding og biogas er begrænsede, men kan evt. bruges som supplerende energiform. Geotermi er en ubegrænset energiform, men i Danmark skal der bores for dybt og omkostningerne bliver derved for høje. Teknologien er desuden relativt uprøvet under danske forhold. Sol- og vindkraft er de vedvarende energiformer i Danmark, hvor der er størst potentiale indenfor varme- og elforsyning. Lagring er i øjeblikket disse energiformers største begrænsning. Damvarmelageret kan være en løsning på at lagre solvarme fra sommer til vinter. Ud fra data fra Gram Fjernvarme dimensioneres lager og solfangerareal til dækning af varmebehovet for en by på størrelse med Gram. Til påvisning af sammenhængen mellem flowhastighed og energioptag udføres forsøg på en solfanger. Disse forsøg viser en klar sammenhæng mellem flow og energioptag - jo højere flowhastighed, jo større energioptag. Desuden laves målinger af differenstrykket, for at vise anlægskarakteristikken. Det lykkes på baggrund af det gennemførte forsøg at påvise sammenhængen mellem flowhastighed og energioptag samt sammenhængen mellem flowhastighed og trykfald. Det har ligeledes været muligt at dimensionere et fjernvarmeværk baseret på solfangere, med elkedel som supplerende energi. Side 5

6 Indholdsfortegnelse Forord Indledning Baggrund Strukturen i fjernvarmeforsyningen Brændselstyper i fjernvarmeforsyningen Problemanalyse Biomasse Biogas i fjernvarme Geotermi Affaldsforbrænding Sol- og vindkraft Problemafgrænsning Problemformulering Metode Teori Graddage Solfangerteori Anlægskarakteristik Omkostningsberegninger ved etablering af damvarmelager Solfangerforsøg Forsøgsbeskrivelse Bestemmelse af anlægskarakteristik Konvektion Fejlkilder Måleusikkerhed Konklusion på forsøg Perspektivering af forsøg...51 Side 6

7 5 Dimensionering Solfanger dimensionering Dimensionering af varmelager Supplerende energi Samlet Dimensionering Priskalkulation Konklusion Perspektivering Bibliografi Appendiks Appendiks 1. Danmarks Statistik varmefordeling efter antal Appendiks 2. Danmarks Statistik varmefordeling efter areal Appendiks 3. Trykfaldskurve for solfanger Appendiks 4. Omkostninger for damvarmelager Appendiks 5. Priser for damvarmelager Appendiks 6. Damvarmelager - Samlet ligning og udregning Appendiks 7. Arealberegning Appendiks 8. Regression på cas Appendiks 9. Amortisering Appendiks 10. Solvarmeudnyttelse Appendiks 11. Eksempler på dataindsamling Side 7

8 Forord Projektet bag denne rapport er grundlagt på en ide om at dimensionere et mindre fjernvarmeværk baseret på solvarme suppleret med varme produceret af overskudselektricitet. For at udnytte den lave pris på el i perioder med overproduktion, er der behov for en akkumuleringstank, som kan lagre energien. For at få tilstrækkelig lagerkapacitet til sæsonlagring kan løsningen være et damvarmelager. Princippet bag damvarmelagring er et stort overdækket hul i jorden, isoleret så varmetabet er minimalt. På den måde kan solvarmen tilføres lageret i takt med, at den produceres. Den supplerende varme kan så tilføres efter behov i de perioder, hvor elektriciteten er billigst. Ideen bag projektet afspejler, at vi i dag og i fremtiden står over for en række klima- og miljømæssige udfordringer. Fossile brændsler er ikke en vedvarende energikilde. Det er en begrænset ressource. Der er derfor brug for alternative energikilder, så den menneskeskabte CO 2 -forurening kan reduceres i fremtiden. Rapporten indeholder diverse beregninger i forbindelse med dimensioneringen af et fjernvarmeværk. Herunder beskrives også forskellige teoriområder, hvoraf nogle søges understøttet af forsøg. De primære data for beregningerne er opgivet af Gram Fjernvarme, som har været behjælpelig med oplysninger om deres specifikke data. De har desuden hjulpet med at give gruppen et indblik i et solvarmebaseret fjernvarmeværk gennem besøg på værket. Gennem arbejdet med projektet og udarbejdelse af denne rapport har gruppen mødt stor hjælpsomhed. Specielt skal der siges tak til: Vølund Varmeteknik A/S for sponsorering af solfangeranlæg Gram Fjernvarme AMBA, driftsleder Lars M. Damkjær VVS-Eksperten A/S, Esbjerg Afd. for sponsorering af PEX-rør Esbjerg, maj 2013 EN2-B308b Side 8

9 1 Indledning 1.1 Baggrund. Baggrunden for denne rapport er, at de fossile brændsler som kul, olie og gas er en begrænset ressource, der samtidig udleder store mængder CO 2, som medvirker til den globale opvarmning. Det er derfor nødvendigt at finde vedvarende alternativer til disse energikilder. Da rumopvarmningen i de danske husholdninger udgør næsten 84 % af danskernes private energiforbrug i hjemmet (2), er der et stort potentiale i en omlægning til vedvarende energi indenfor dette område. Da vi i Danmark samtidig har en høj fjernvarmedækning, vil en omlægning til vedvarende energi indenfor fjernvarmesektoren give stor gennemslagskraft i forhold til det samlede energiforbrug. Andelen af hustande med fjernvarme har desuden været stigende gennem de sidste mange år, som det fremgår af Figur 1. Der anbefales i Varmeplan 2010 (3), en rapport udført af Rambøll Danmark og Aalborg Universitet for foreningen Dansk Fjernvarme, en yderligere udbygning af fjernvarmedækningen med op imod 25 %. Herved opnås en samlet dækning på ca. 65 % af rumopvarmningsarealet. 100% 80% 60% 40% 20% 0% fjernvarme centralvarme med olie o.l. centralvarme med naturgas El-opvarmning Ovne med olie o.l. Andet Figur 1 Udviklingen i opvarmningsformer fra 1986 til 2012 (4) I Danmark er der ca. 430 fjernvarmeværker. Disse er fordelt på ca. 40 kommunale værker, der leverer omkring 50 % af fjernvarmen i Danmark, ca.10 private, som leverer en meget lille del af fjernvarmen, og resten leveres af andelsejede fjernvarmeværker. Disse værker leverer varme til ca. 1.6 mio. hustande og dækker derved, som det ses af Figur 2 over 60 % af Danmarks husstandes varmebehov. (5) (6) I forhold til bygningsareal dækkes dog kun 51 % af opvarmningsbehovet af fjernvarme, som det ses af Figur 3. Side 9

10 Centralvarme m naturgas 15,8% Centralvarme med olie 12,2% Centralvarme, ikke olie og naturgas 2,5% Varmepumpe 1,2% Elvarme 4,3% Fjernvarme 63,0% Øvrige ovne 0,8% Uoplyst 0,3% Figur 2 Fordeling af opvarmningstyper ud fra antallet af boliger i 2012 (7) (Appendiks 1. Danmarks Statistik varmefordeling efter antal Centralvarme m. naturgas 18,6% Ovne m olie o.l. El opvarmning 0,6% 6,8% Uoplyst 6,4% Fjernvarme 51,0% Centralvarme m. olie 16,6% Figur 3 Fordeling af opvarmningstyper ud fra bygningsareal (4) (Appendiks 2. Danmarks Statistik varmefordeling efter areal Da der samtidig har været en stigning i fjernvarmedækningen gennem de seneste år, vil det derfor være yderst interessant at vurdere, om fjernvarmen kan Side 10

11 produceres af vedvarende energi fremfor afbrænding af fossile brændsler. På nuværende tidspunkt udgør fossile brændsler omkring halvdelen af fjernvarmeproduktionen i Danmark. (8) Foreningen Dansk fjernvarme, som repræsenterer mere end 98 % af de danske fjernvarmeproducenter (6), er ligeledes positivt indstillet overfor dette. Som de skriver på deres hjemmeside: Dansk Fjernvarme anbefaler, at andelen af vedvarende energi i fjernvarmesektoren øges, og at fossil energi til fjernvarmeproduktion udfases, efterhånden som det er økonomisk fornuftigt (6) Politisk er der ligeledes fokus på området. Det er blandt andet i Energiaftalen af 12. marts 2012 (9) blevet besluttet at udarbejde en analyse af fjernvarmeforsyningens rolle i den fremtidige energiforsyning inden udgangen af Der er samtidig afsat en pulje på 35 millioner kroner fra til fremme af vedvarende energi indenfor fjernvarmesektoren. På den baggrund vil denne rapport forsøge at belyse, om det er muligt at producere fjernvarme uden anvendelse af fossile brændsler, baseret på vedvarende energikilder som eksempelvis solenergi, vindenergi, biomasser, biogas eller andre former for grøn energi. En anden problemstilling i forbindelse med fjernvarmeproduktion er, størstedelen af de decentrale kraftvarmeværker producerer varme som en biproduktion til elproduktion for derved at opnå en større samlet produktion og heraf større omsætning til dækning af faste omkostninger. De opnår ydermere den fordel ved kombineret el- og varmeproduktion, at de kan få en afgiftsbesparelse på det indkøbte brændsel. Dette skyldes, at der ikke er afgift på brændsel til elproduktion, hvilket der derimod er på brændsel til varmeproduktion. Afhængig af markedsprisen på el kan værkerne på den måde forbedre indtjeningen ved at producere både el og varme fremfor udelukkende at have varmeproduktion. Den ændrede struktur omkring elforsyningen i Danmark med mange vindmøller og senest private solceller har dog betydet, at vi på visse tidspunkter har en overproduktion af elektricitet. Denne overskuds-el sælges til en lav nedreguleringspris til eksempelvis Sverige og Norge (10), der har mulighed for lagring af energien i hydro-reservoirer. I disse bruges den billige el til at pumpe vand op i højtliggende reservoirer, hvorved det tilføres en potentiel energi. Når der så bliver brug for energien, ledes vandet ned gennem turbiner, hvor den potentielle energi igen omdannes til elektricitet, som ledes ud på el-nettet. I Danmark er der ingen naturlige højdeforskelle, hvorfor denne form for energilagring ikke er mulig. Det har derfor, set ud fra et dansk synspunkt, overflødiggjort en stor del af den elproduktion, der finder sted i forbindelse med fjernvarmeproduktion i de decentrale kraftvarmeværker. Som det fremgår af Figur 4, der viser elproduktion og Side 11

12 forbrug for december 2012, er den del af elproduktionen, der ligger over forbrugskurven reelt set overskudsproduktion, som sælges billigt på eksportmarkedet. Det optimale må derfor være en omlægning af en del af fjernvarmesektoren til varmeproduktion uden elproduktion, måske endog med mulighed for at udnytte den overskuds-el, der finder sted på visse tidspunkter. Som det er nu, sælges overskudsproduktionen til spotpris og der købes i princippet den samme elektricitet tilbage til en højere markedspris, når der er underskud af egen produktion. MWh Elproduktion og -forbrug december 2012 Vindproduktion Decentral produktion Central produktion Bruttoforbrug Dato Figur 4 Elproduktion og forbrug i DK-Vest for december (8) 1.2 Strukturen i fjernvarmeforsyningen Udover de ca. 430 kraftvarme- og varmeværker, der i Danmark fungerer som kollektive el- og varmeforsyninger, er der desuden ca. 480 selvstændige varme-og kraftvarmeværker, som udelukkende leverer el og varme til den institution, virksomhed eller boligblok, der ejer dem. (11) Der findes ligeledes enkelte mindre varmeproducenter, som leverer industriel overskudsvarme til lokale fjernvarmenet. Denne rapport vil dog udelukkende fokusere på de værker, der fungerer som kollektiv el og varmeforsyning. Der er overordnet set tale om tre typer af værker i Danmark (11): Centrale kraftvarmeværker. (16 værker) Disse værker er beliggende i større byer. Det er typisk værker som oprindeligt udelukkende producerede el, men som i kraft af udviklingen i Side 12

13 teknologien er overgået til både at producere el og varme for at udnytte spildvarmen og hermed øge udnyttelsesgraden. Decentrale kraftvarmeværker. (ca. 285 værker) Disse er beliggende i mellemstore byer, og de fleste er bygget med det formål udelukkende at producere varme. De er dog af hensyn til rentabiliteten overgået til både el- og varmeproduktion Decentrale varmeværker. (ca. 130 værker) Mindre varmeværker som er beliggende i mindre byer og udelukkende producerer varme. 1.3 Brændselstyper i fjernvarmeforsyningen. I fjernvarmeproduktionen anvendes der forskellige brændselstyper, som er bestemt ud fra vidt forskellige kriterier. Tendensen siden firserne har været at kul og olie er blevet udfaset til fordel for naturgas, biomasser og vedvarende energi. (12) Naturgassen er dog til trods for navnet fossilt brændstof og en udtømmelig ressource. Det er dog problematisk for mange varmeværker at skifte fra naturgas til afgiftsfrie alternativer som biomasser eller vedvarende energi, da de er politisk bundet af aftaler om brug af naturgas. Det er blandt andet det, der gør det svært for de såkaldte barmarksværker at få økonomien til at hænge sammen. Barmarksværkerne er fjernvarmeværker, der blev etableret omkring 1990 på en bar mark med et relativt tyndt opland. Målet med disse værker var at få brugt naturgassen fra Nordsøen til opvarmning af boliger i områder, hvor der ikke i forvejen var fjernvarme. Disse værker er politisk bundet til at bruge naturgas, men på grund af deres lille størrelse og relativt lange ledningsnet, med heraf stort varmetab, bliver varmeprisen for den enkelte forbruger uforholdsmæssigt høj. Dette ville delvist kunne afhjælpes ved at skifte til afgiftsfritaget biomasse eller vedvarende energi. (13) (14) Side 13

14 2 Problemanalyse For at belyse problemstillingen er der foretaget en analyse af udvalgte metoder til at producere fjernvarme. Disse metoder beskrives, hvorefter der delkonkluderes på de enkelte teknologier. Eftersom det er projektets mål at producere fjernvarme baseret på grøn og vedvarende energi. Gælder det derfor om at udvælge den teknologi, som findes mest bæredygtig, i forhold til den udvikling af metoderne, der eksisterer i dag. De teknologier der er valgt at fokusere på i denne rapport mht. fjernvarmeproduktion er: Biomasse, biogas, affaldsforbrænding, geotermi, sol og vindkraft. 2.1 Biomasse I Danmark udgør energiproduktionen fra biomasse den største del af den vedvarende energi. I 2011 var den samlede produktion af vedvarende energi på TJ, hvoraf de TJ var baseret på biomasse. Denne sektor stod altså for 61,9 % (Figur 5) af den samlede producerede mængde vedvarende energi. Dog udgør biomasse stadig kun 9,4 % af den samlede danske produktion af energi. (9) [%] 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Vedvarende energi, fordeling Biomasse Vindkraft Varmepumper Biogas Øvrige energikilder Figur 5: Vedvarende energi fordelt på energityper (9) Af Figur 6 fremgår det, at biomasseandelen af den vedvarende energi hovedsageligt består af tre hoveddele. Nemlig bionedbrydeligt affald, halm og diverse former for træressourcer. Der kan ses bort fra brænde som råvareressource i et varmeværk, da det logistisk set er for uhåndterbart. Den store mængde energi, der produceres af brænde, er fremkommet ved afbrænding i private brændeovne. Side 14

15 [TJ] Biomasse fordelt på type Figur 6: Biomasse i energisektoren fordelt på type (9) For at udnytte biomassen bedst muligt til fjernvarmeproduktion, skal den anvendes på centrale og decentrale varmeværker, hvor den skal omsættes til fjernvarmeenergi i forbrændingskedler. Det er derfor vigtigt at gøre energiressourcen så logistisk håndterbar som muligt. Dette betyder, at det mest hensigtsmæssige vil være at benytte halmballer, træflis, træpiller eller komprimeret mad- og papiraffald fra industrien. Bionedbrydeligt affald er en forholdsvis knap ressource, hvorfor en øget anvendelse heraf kan medvirke til, at råvarerne bliver dyrere og forsyningen mere ustabil. Halm, træpiller og flis har med nogenlunde enslydende brændværdier (15-18 GJ/t) de samme fordele med hensyn til logistik og lagring. (15) Ressourcerne har dog forskellig densitet, og det kan ud fra et logistisk synspunkt påvirke valget af den bedst egnede råvare. Af Tabel 1 fremgår det, at massefylden for træpiller er henholdsvis omkring seks og tre gange større, end den er for halm og skovflis. Dette gør sammen med de enslydende brændværdier træpiller til en mere håndterbar ressource end både halm og flis. Dertil skal dog medregnes en forskellig forarbejdningsgrad for de forskellige biomassetyper. Det kræver mere forarbejdning af træmassen at producere piller end flis og det kræver mere forarbejdning at producere flis end halmballer. Dette bør derfor indgå i den samlede vurdering og valg af biomasseressource. Side 15

16 Biomasse Kg/m 3 Træpiller 660 Lagret skovflis 235 Halm, gul Tabel 1: Massefylde, biomassetyper (16) En af de store fordele ved at bruge biomasse som vedvarende energikilde er, at man, i modsætning til sol-, vind- og vandkraft, kan lagre energiressourcen. Herved opnås den fordel, at energien kan produceres, når der er behov for den. Man skal derfor heller ikke bekymre sig om lagring af energien. Desuden bygger det på en allerede eksisterende teknologi, der derved straks kan implementeres i en fjernvarmeløsning. Brugen af biomasse i energiproduktion medfører en række etiske problemstillinger, der skal tages stilling til. Her er det hovedsageligt dilemmaerne vedrørende produktion af biobrændsler på områder, der kan anvendes til landbrugsjord, kritikerne af øget biomassebrug i energisektoren henfører til. Der argumenteres for, at anvendelsen af landbrugsjord til energiformål, kan være en medvirkende årsag til øgede fødevarepriser. Fælles for alle brændselstyperne er også, at de tilgængelige ressourcer ikke kan dække det samlede energibehov. (17) En af de afgørende ulemper for brugen af biomasse i fjernvarmeproduktion er de øgede afgifter, der pålægges alternative energiformer. For eksempel betyder en nyligt vedtaget femdobling af NOx-afgiften, at fjernvarmeprisen vil stige for slutbrugeren. Denne forøgelse gælder dog også for fjernvarme produceret på fossile brændsler, så i henhold til fossile brændsler contra biomassebrændsler betyder stigningen ikke noget. Et aspekt i afgiftsstigningen er dog, at kraftvarmeværker bliver kompenseret for stigningen gennem højere elpriser, hvilket varmeværker naturligvis ikke bliver. (5) (18) (19) Delkonklusion Der er altså en række fordele forbundet med at etablere et fjernvarmeværk baseret på biomassebrændsler. En af de største fordele er muligheden for, i lighed med fossile brændsler, at lagre ressourcerne, så energiproduktionen bedre kan afstemmes med energibehovet. Problemerne med ressourceknaphed gør dog sammen med problematikken omkring de etiske hensyn, omkring produktion af biomasse på landbrugsjord, at biomasse som energiform fravælges. Et øget befolkningstal betyder et tilsvarende øget areal til fødevareproduktion. Det er derfor vigtigt i forbindelse med produktionen af vedvarende energi også at have fokus på andre områder. Side 16

17 2.2 Biogas i fjernvarme I Danmark skal biogassen iflg. Danmarks varmeplan 2008, udarbejdet af Rambøll, kunne levere 8 PJ inden (20) Biogassen produceres på biogasanlæg, som iflg. rapporten Grøn vækst (21) skal op på at udnytte 40 % af den samlede mængde gylle i Danmark til grøn energi. Biogassen leveres til kraftvarmeværker, som kan bruge biogassen i de allerede installerede naturgasmotorer, hvor biogassen bliver brændt af og omdannet til varme og el. Fordelene ved at bruge biogas er først og fremmest, at man afgasser den gylle som husdyrene producerer. Derved bliver gyllens næringsstoffer nemmere optaget i jorden, hermed reduceres udvaskningen af naturskadelige stoffer. Dette mindsker forureningen af nærliggende vandløb. Samtidig opnås også en klimamæssig gevinst, da man undgår, at der bliver dannet metan under anaerobe forhold på markerne. Der er altså en række klima- og miljømæssige fordele ved at bruge biogas i fjernvarme. Der er dog en række logistiske udfordringer forbundet med at transportere biogassen rundt til de forskellige kraftvarmeværker. Medmindre gassen opgraderes til det eksisterende naturgasnet, skal den bruges i lokalområdet, hvor gassen er produceret. Der skønnes at være store økonomiske fordele ved at bruge biogas i varmeproduktion for mindre byer, som har et stort omkringliggende landbrugsareal. Man har f.eks. i Gedsted koblet et biogasanlæg, ejet af en lokal landmand, til Gedsteds varmeanlæg, dette har givet medejerne besparelser på varmeregningen, idet hele varmeproduktionen er lokalt ejet. (22) En af forhindringerne i at bruge biogas i fjernvarme er, at naturgasselskaberne ønsker at fastholde deres kunder. De tager derfor ofte retslige skridt for at forhindre fjernvarmeanlæg i at omlægge til mere naturvenlige opvarmningsformer. Dette var bl.a. tilfældet, da Gedsted Fjernvarme ville omlægge fra naturgas til biogas som opvarmningskilde. Landmanden, som ejer biogasanlægget, var tvunget til at købe naturgasselskabet ud for at gennemføre omlægningen. (22) Udover de juridiske problemer ved at indføre biogas som opvarmningsmulighed er der de infrastrukturelle. Det er dyrt, såvel økonomisk som miljømæssigt, at fragte gyllen mellem landbruget og biogasanlægget. Målet for Gedsted Fjernvarme er at bruge biogas fremfor naturgas til at producere 85 % (22) af fjernvarmen. Ud fra regnskabsresultaterne fra år 2010 til år 2012 (se Tabel 2) fremgår det, at målet ikke er opfyldt. Grunden til dette er, at biogassen er dyrere end naturgassen, som det fremgår af Tabel 3. (23) Side 17

18 Gaspris for Gedsted fjernvarme 2011 til til 2011 Naturgas til varmeproduktion biogas til varmeproduktion I alt Tabel 2: Gasforbrug for Gedsted Fjernvarme Gaspris per m til til 2011 naturgas til varmeproduktion 0,16kr. 0,18kr. Biogas til varmeproduktion 0,30kr. 0,50kr. Tabel 3: Gaspriser for Gedsted Fjernvarme Delkonklusion Biogas i fjernvarmeproduktion er allerede en moden teknologi og produktionen af biogas medfører en række miljø- og klimamæssige fordele. Det er dog ikke økonomisk rentabelt at erstatte naturgas med biogas. Medmindre teknologien videreudvikles til at udvinde en større mængde biogas fra biomassen, kan det ikke betale sig at bruge biogas uden offentlig støtte eller afgiftsfritagelse. 2.3 Geotermi Geotermisk energi betragtes som en form for vedvarende energi. Energien består af varmt vand, som strømmer fra jordens indre mod jordens ydre. I Danmark stiger temperaturen ca C pr meter man borer vertikalt ned i undergrunden. Før et geotermisk anlæg kan placeres, skal undergrunden undersøges grundigt. Der skal, mellem jordlagene, findes porøse og permeable sandlag, altså lag hvor der er størst mulig hulrum for vandstrømninger. Herhjemme kan boringer fra 800 meter og dybere bruges til at udvinde geotermisk varme. Det viser sig at jo længere man kommer ned i undergrunden, jo mindre porøse og permeable bliver sandlagene. Det har i Danmark vist sig, at det ikke kan svare sig at lave geotermiske boringer dybere end 2500 meter. Et geotermisk anlæg fungerer ved, at det varme undergrundsvand pumpes op til overfladen, hvorefter man udvinder varmen ved hjælp af varmevekslere, inden vandet igen pumpes ned i undergrunden i en anden boring. Selvom der laves omhyggelige undersøgelser i forbindelse med opførelse af et anlæg, kan der stadig Side 18

19 være en risiko for, at de optimale vandstrømninger til udvinding af energi ikke altid er til stede. Hovedstadsområdets Geotermiske Samarbejde (HGS) lavede i 2008 undersøgelser for de geotermiske reserver i hovedstadsområdet. Ifølge HGS er der i tilladelsesområderne reserver på godt PJ, hvilket vurderes til at kunne dække % af fjernvarmeproduktionen i hovedstadsområdet over flere tusinde år. I Danmark er der opført to geotermiske anlæg. Et i Thisted og et på Amager, endnu et anlæg er på vej ved Sønderborg. Anlægget i Thisted blev sat i drift i Her udnyttes varmen fra ca. 45 C varmt vand, i en boring på ca meter. Anlægget er koblet sammen med et affaldsbaseret kraftvarmeværk, hvor den geotermiske del kan producere varme, som svarer til ca husstandes årlige forbrug. Tilladelsen til opførelse af et geotermisk anlæg skal blandt andet ske efter undergrundsloven. Da man borer mere end 250 meter ned i undergrunden, skal energistyrelsen på forhånd underrettes, idet de bestemmer om et anlæg er omfattet af undergrundsloven. Selv et vertikalt jordvarmeanlæg kan risikere at blive omfattet af undergrundsloven. (12) Delkonklusion Det er tydeligt, at der er et væsentligt energipotentiale i geotermi. Da denne energiform betragtes som vedvarende energi, er det en god løsning til fjernvarmeproduktion. Men da disse anlæg endnu ikke er så udbredt, og erfaringerne hermed ikke er så store, skal der forskes mere indenfor området, således at denne teknologi kan gøres endnu mere attraktiv. 2.4 Affaldsforbrænding. Siden 1997 har alt forbrændingsegnet affald skullet afbrændes og udnyttes til energiformål. Der blev med andre ord sat en stopper for affaldsdeponering, hvorefter det for alvor blev attraktivt med forbrændingsanlæg. Danmark var det første land i Europa til at gennemføre et deponeringsforbud, hvilket i dag er en del af affaldsstrategien i EU. (24) I Danmark bruges affald til at udvinde energi i form af el og fjernvarmeproduktion. Umiddelbart er dette en god løsning, da affaldet derved skaber et bidrag til samfundet. Danske affaldsforbrændingsanlæg er kendt for at have en høj energiudnyttelse af affaldet, hvilket kan have sin fordel i forbindelse med salg af know-how til udlandet. (25) Side 19

20 Figur 7: Placering af forbrændingsanlæg (11) Forbrændingsanlæggene i Danmark skal ikke generere overskud. Jo højere energiudbytte der dermed udvindes af affaldet, jo mindre skal affaldsproducenten betale for affaldsbortskaffelse. Ifølge Energistyrelsen dækker salget af elektricitet og varme ca. 68 % af forbrændingsanlæggets samlede udgifter. Dermed kan affaldsproducenten nøjes med at betale de sidste 32 % i forbrændingsafgift. Disse tal bygger på generelle gennemsnitsberegninger for forbrændingsanlæg i Danmark. En ulempe ved denne energiform er de klima- og miljømæssige aspekter, idet der bl.a. udledes CO 2. Førhen var der store problemer med tungmetaller og giftige dampe, men disse forureninger er næsten elimineret i dag takket være diverse filtreringsmetoder. Grundet mangel på affald er en uheldig tendens ved at udvikle sig. Dong Energys anlæg i Horsens og Måbjerg importerer 40 % af deres affald fra England, mens flere andre anlæg overvejer at gøre det samme. Problemet er, at forbrændingsanlæggene har kontrakt på levering af en bestemt mængde fjernvarme. (26) Som det fremgår på Figur 7, er forbrændingsanlæggene placeret i eller nær større byer. I 2007 blev ca. 20 % af den producerede fjernvarme, og ca. 4,5 % af den producerede el, produceret af affaldsforbrænding. I alt bidrog affaldsforbrændingen med ca. 38 mio. GJ til energiforsyningen i Danmark. (11) Side 20

21 Delkonklusion Grøn Fjernvarme Der er ingen tvivl om at affaldsforbrænding på nuværende tidspunkt er en fornuftig måde at udnytte vores affald på. Men kigger vi på mindre byer, så bliver forbrændingsanlæg for dyre at drive, da der skal være en vis mængde affald i området. Disse aspekter ender ud i at beliggenheden af affaldsforbrændingsværkerne er nær store byer, og dermed er det mest optimale for fjernvarmeproduktion nær mindre byer nok en anden teknologi. 2.5 Sol- og vindkraft På nuværende tidspunkt er der i Danmark ikke mange erfaringer med at anlægge varmeværk udelukkende baseret på solenergi. Dette kan skyldes usikkerhed omkring, hvor meget solindfald der er de enkelte år. Nogle år er man nødt til at tildække solfangerne, for at undgå overophedning, og andre år er der knap sol nok til at få varmt brugsvand i hanerne om sommeren og da slet ikke om vinteren. Der er flere mindre fjernvarmeværker, der anlægger solfangerparker for at supplere varmeproduktionen. Disse værker er ellers hovedsageligt baseret på afbrænding af enten fossile- eller biobrændsler. Nogle få fjernvarmeværker satser stort på solvarme, med backup i et brændselsfyr, f.eks. ved afbrænding af flis. Solfangeranlæg er meget pladskrævende, det største anlæg i Danmark i øjeblikket Figur 9: Traditionel solfanger. (64) Figur 8 Vakuum solfanger (63) er på m² solfangeroverflade og grundarealet er væsentligt større. Der skal ligeledes være en form for akkumuleringstank eller varmelager, for at kunne gemme varmen fra de varme dage til de kolde. De fleste solfangerparker bruger den traditionelle solfanger, hvor væske løber gennem rør under en absorberflade. Det er formentlig pga. dens lave anlægs- og vedligeholdelsesomkostninger. Derimod har vakuum solfangeren vist sig at have stor effektivitet, selv ved lave temperaturer. Den er dog også mere kompliceret, og dermed dyrere i indkøb og vedligeholdelse. I områder med meget plads og stærk Side 21

22 sol, f.eks. i en ørken, er det muligt at anvende de såkaldte CSP, Concentrated Solar Power. De fungerer vha. spejle, der reflekterer solen hen på et tårn, hvor vand omdannes til damp og driver en turbine, som laver strøm.en beregning af data fra Solvarmedata.dk (27), viser en samlet produktionen af solvarme i 2012 på MWh for 25 fjernvarmeværker med solfangeranlæg. En samlet opgørelse over produktionen for alle solfangeranlæg i Danmark findes ikke, da en stor del af anlæggene er opsat på enfamilieshuse. Figur 11 CSP Concentrated solar power (62) Vindkraft Der er i Danmark ikke tradition for at anvende vindenergi til fjernvarme. Langt de fleste vindmøller producerer el, som i givet fald skal laves om til varme. Der er dog fremstillet vindmøller, som direkte omformer energien til varme f.eks. vha. en slags piskeris. En anden løsning kan være at drive en varmepumpe med el fra en vindmølle. Det er dog mere almindligt, at levere strømmen til forbrugerne, der selv tænder deres elvarme eller varmepumpe, fremfor et vindkraftbaseret fjernvarmeværk. Der hvor vindkraft i forhold til et varmeværk kan være en stor fordel, er når der er overskud af strøm, f.eks. om natten og når det blæser meget. Her kan der produceres billig varme, hvor der ligeledes vil være behov for lagring af varmen. Danmark er på nuværende tidspunkt blandt de førende indenfor udviklingen og produktion af vindmøller. De vindmølleparker, der bygges i øjeblikket, er udelukkende anlagt med de traditionelle vindmøller. De bliver højere og højere, og får større og større vingefang, for at kunne opfange så meget energi fra vinden som muligt. De fleste nye vindmølleparker anlægges ude på havet, både af pladshensyn og pga. at der her ikke er bakker, træer, bygninger og andet til at forstyrre vindflowet. Side 22

23 Figur 14: Forskellige typer af vindmøller. (6) (28) (29) Både mht. sol- og vindkraft er lagringen af energi en af de største udfordringer, fordi der er en masse sol- og vindkraft, bare ikke nødvendigvis på det tidspunkt hvor energien forbruges. Derfor er det vigtigt at kunne gemme denne energi, ikke blot hen over døgnet, men også fra sommer til vinter. Indtil nu har akkumuleringstanke kunnet udjævne produktionen over et til flere døgn. På et fjernvarmeværk er disse tanke typisk på m³, og afhængig af størrelsen på værket kan der være en til flere tanke. Der er siden 1970 erne blevet lavet forsøg med såkaldte damvarmelagre i Danmark. I 2004 byggede Marstal Fjernvarme et damvarmelager på m³, som et pilotprojekt. Dette forsøg er forløbet så godt at de har anlagt yderligere m³ lager, så de nu har ca m³ lagerkapacitet. Flere mindre fjernvarmeværker påtænker at anlægge damvarmelagre. Gram Fjernvarme har planer om et m³ stort damvarmelager, samt en udbygning af deres solfangerpark med m², så de i alt er oppe på ca m² solfangerflade. Delkonklusion for sol- og vindkraft For både sol- og vindkrafts vedkommende er det svært, at forudsige nøjagtigt hvor meget energi man kan forvente i både nær og fjern fremtid. I hvert fald i vores del af verden. Andre steder er der større solgaranti og man kan derfor udnytte denne energiform bedre end i Danmark. Solen skinner og vinden blæser tilstrækkeligt her også, vi skal bare være bedre til at høste og lagre denne energi. Det vil sige, at der skal videreudvikles på både solceller, solfangere og vindturbiner til en bedre virkningsgrad. Når det bliver muligt at løse problemerne omkring lagringen af overskudsvarme og -strøm, til solen ikke skinner og vinden ikke blæser, så har man svaret på en stor del af verdens energiefterspørgsel. Side 23

24 2.6 Problemafgrænsning Affald På grund af det til stadighed høje CO2-udslip og problemerne omkring logistik og ressourceknaphed fravælges affald som energi på et mindre varmeværk. Energiformen er langt bedre egnet til centrale kraftvarmeværker. Biogas Trods fordelene omkring forbedringer af gyllen og den modne teknologi bag, fravælges biogas som energikilde til fjernvarme. Det er en løsning, der endnu ikke kan etableres og drives uden offentlige tilskud. Desuden er der logistiske og luftforureningsmæssige udfordringer ved at have et biogasanlæg tæt på bynær bebyggelse. Biomasse De høje afgifter, ressourceknapheden samt de etiske problemstillinger gør, at biomasse, trods fordelene omkring den allerede eksisterende teknologi og ressourcelagringen, fravælges biomasse som energikilde. Geotermi Det er en forholdsvis ny og uprøvet energiform i Danmark, og der er derfor stadig for mange uvisheder forbundet med teknologien, hvilket er med til at gøre den både for dyr og usikker til almindelig brug og som hovedenergikilde. Sol/vindkraft Skønt ulemperne omkring ressourcestabiliteten synes fordelene ved solvarme at opveje disse i forbindelse med projekteringen af et mindre varmeværk. Det er for det første en nærmest CO2-neutral energiform, når anlægget er etableret. For det andet er det en gennemprøvet teknologi, der til stadighed effektiviseres. Vindenergi tilvælges som supplerende energikilde, pga. at den på samme måde som solenergien er stort set CO₂-neutral og der er allerede en overproduktion på visse tidspunkter. 2.7 Problemformulering Kan der dimensioneres et fjernvarmeværk baseret på solfangere og overskudsstrøm fra vindmøller for en by på størrelse med Gram? Hvor stort et solfangerareal skal der til at dække varmeforbruget? Hvor stor sæsonlagringskapacitet er der behov for? Hvor stor en del af varmen skal komme fra supplerende el? Side 24

25 2.8 Metode Grøn Fjernvarme Dimensioneringsberegninger er primært baseret på indsamlede data fra Gram Fjernvarme. Derudover er der anvendt data fra offentligt tilgængelige kilder, til at lave øvrige beregninger og analyser. Der er udført forsøg på et solfangeranlæg, for at påvise sammenhæng imellem flere parametre. Teorien er indhentet vha. lærebøger, vejledere, internettet og 3. part. Der er indsamlet kvantitative data fra egne forsøg på forsøgsopstilling, fra 3. part samt fra offentligt tilgængelige kilder. Side 25

26 3 Teori 3.1 Graddage Graddage er en forsimplet metode på, at beregne varmetab på. Graddagetallet, GD, er en bestemmelse af, hvor meget energi der er behov for, til opvarmning af et rum op indenfor en given periode på f.eks. en dag, en uge, en måned, eller et helt år (30) Graddagetallet er bestemt ved forskellen, mellem en basis temperatur, som i Danmark ligger på 17 ⁰C, og udetemperaturens middelværdi over et døgn. Man siger at basis temperaturen er 17 ⁰C fordi man ved hjælp af tilskudsvarme, som mennesker, solindstråling, og apparater mm. er i stand til, at opretholde en indetemperatur på 20 ⁰C. Hvis et døgn har en middelværdi på temperaturen f.eks. 9 ⁰C har dette døgn gradtallet 17-9 ⁰C = 8 graddage, dette fortæller altså hvad forskellen er, mellem middeltemperaturen inde og ude. Man kan beregne et hel års graddage ved at lægge alle graddagene for et år sammen. Et normalt år har ca graddage (30), men dette afhænger af hvor målingerne bliver foretaget, og på hvilken måde dataene behandles. Der er en række faktorer, der spiller ind i målingerne, dette kan være solindstråling, og vind på de pågældende målestationer. Man kan regne med lavere basistemperatur, hvis der f.eks. er flere personer i et rum, hvis der er større lystilgang fra solen, kraftigt oplyste rum, eller mange el-apparater i rummet, så som ovne, computere mm. Så jo større varmetilskuddet er indenfor - jo lavere er basistemperaturen. Derved bliver graddagetallet mindre. Dette betyder jo større graddagetal - jo større er brugen for opvarmning. Hvis man vil beregne basistemperaturen bruges følgende formel (30): Hvor t b = basistemperaturen til beregning af graddagetallet t i = den ønskede indetemperatur Φ i =det interne udnyttelige varmetilskud, beregnet som et gennemsnit for varmesæsonen, altså mennesker, el-apparaters varmetilskud i rummet indenfor. Side 26

27 H = det specifikke varmetab for transmissionen og ventilation, hvor transmissionen betyder hvor godt det enkelte hus er isoleret, og ventilationen, er luft til og fra huset. Hvis der skal tages hensyn til lavere basistemperaturer, skal der ganges en faktor på. Faktor K ganges med graddagetallet for, at tage hensyn til førnævnte basistemperatur. Denne kan beregnes således (30): Hvor a = antallet af dage i opvarmningsperioden t e = den månedlige ude middel temperatur. Man kan regne denne formel mht. K ud således, at man tager antallet af graddage på et år, for f.eks. fra DMI s rapport om graddage i Esbjerg lufthavn i år 2011 (31) Vil man kunne se at, ved Esbjerg luft havn har der været 3385 graddage i løbet af året. Denne indsættes og fås til: Hvis der er ændringer i basistemperaturen f.eks. om vinteren, hvor man ofte opholder sig inden for, kan basistemperaturen være ændret til f.eks. 16⁰C og dage der er vinter i Danmark som er sommerdage altså = 273, så kan man korrigere gradtallet ved at ændre tb til 16 og indsætte 273 på a s plads = 0,91 Det korrigerede graddageantal bliver så GD krr = 0,91*3385 =3112 graddage. Side 27

28 3.2 Solfangerteori For at yde mest effektivt skal en solfanger placeres vinkelret på solen. Men da solfangeranlæg normalt er fastmonterede med en bestemt indstilling er det vigtigt, at denne indstilling er så optimal som muligt. I Danmark gøres dette indledningsvis bedst ved at stille solfangeren i en hældning på 45 grader i forhold til vandret, retning stik syd. Ønskes højere effektivitet om vinteren øges vinklen, da den lavere sol i vinterhalvåret da vil stå mere vinkelret på solfangeren. En lavere vinkel end de 45 vil derimod øge effektiviteten om sommeren. Det kan derfor, for at opnå den højeste årlige effektivitet, for et fast solfangeranlæg betale sig at montere anlægget i mindre end 45, hvorved de længere dage i sommerhalvåret udnyttes. (32) En solfanger, der står vinkelret på solen, har i skyfrit vejr en effektivitet på omkring % (33). Det er dog ikke alene anlæggets placering, der har indvirkning på væskens evne til at optage varme fra systemet. Selve udformningen af hele anlæggets rørsystemer og den hastighed, hvormed væsken pumpes rundt i systemet har stor indvirkning på anlæggets effektivitet og dets evne til at optage varme gennem konvektion. For beregning af denne konvektionsevne anvendes ligningen: (34) Hvor h = varmekonvektions-koefficienten (W/m 2 *K) A s = areal af varmeoverførselsflade (m 2 ) Og hvor Hvor ( ) Hvor T s = rørets indvendige overfladetemperatur T e = væskens gennemsnitstemperatur, udløb T i = væskens gennemsnitstemperatur, indløb Side 28

29 Ligningen er dog langt fra så simpel, som den fremstår ved første øjekast. Varmekonvektions-koefficienten er nemlig afhængig af andre faktorer i systemet; navnlig systemets strømningstype. Herfor skal systemets Reynolds-tal kendes, for at dets konvektionsevne kan findes. Dette tal bruges til at forudse, hvor turbulent rørsystemets strømning er og er med til at fastsætte varmekonvektionskoefficienten. Størrelsen af Reynolds-tallet (Re) har betydning for, hvorledes der skal regnes videre på systemet (se Tabel 4). Den midterste værdi angiver et grænseområde, hvor det er svært at afgøre om strømningen er turbulent eller laminar. Skellet mellem laminar og hvor strømningen begynder at blive turbulent kaldes det kritiske Reynolds-tal. En helt præcis inddeling er det dog ikke, da den reelle inddeling afhænger af rørsystemets udformning; særligt med henblik på indsnævringer, knæk og kurver. Det skal da her også noteres, at det ved laboratorieforsøg er lykkedes at holde en strømning laminar ved Reynolds-tal på op til (34) Re laminar strømning Re laminar/turbulent Re turbulent strømning Tabel 4: Inddeling af Reynolds-tal Følgende formel bruges til udregning af Reynolds-tallet (34): Hvor ρ = væskens densitet (kg/m 3 ) V avg = væskens gennemsnitsfart (m/s) D = rørets karakteristiske diameter (m) μ = væskens dynamiske viskositet (kg/m*s) Når systemets strømningskarakteristika kendes, kan der regnes videre på dets konvektionsevne. Det næste vil være at udregne systemets Nusselt-tal, hvorved varmekonvektions-koefficienten kan bestemmes. Nusselt-tallet indikerer systemets evne til at optage varme gennem konvektion. Jo højere et Nusselt-tal, jo større er varmekonvektions-koefficienten og jo større er varmeledningsevnen. Side 29

30 For at fastslå Nusselt-tallet skal væskens Prandtl-tal (Pr) først bestemmes. Dette dimensionsløse tal fortæller om væskens evne til at omsætte kinetisk energi til varme og dets størrelse vil sammen med Reynolds-tallet have stor indvirkning på systemets Nusselt-tal. (34) Hvor μ = væskens dynamiske viskositet (kg/m*s) C p = væskens specifikke varmekapacitet (J/kg*K) k = væskens termiske konduktivitet (W/m*K) Ved hjælp af Prandtl- og Reynolds-tallet kan Nusselt-tallet nu beregnes. Fremgangsmåden for dette er dog her afhængig af, om systemet er laminart eller turbulent. Det er derfor vigtigt, at systemet er korrekt analyseret med henblik på inddelingen af Reynolds-tallet. En forkert inddeling vil medføre en forkert beregningsmetode, hvormed et falsk billede af systemets konvektions-evne opnås. Nusselt-tallet er svært at beregne korrekt, og gængse metoder giver hurtigt en fejlmargin på op mod 25 %. Den mest præcise metode for systemer med et fuldt udviklet turbulent flow med lavere Reynolds-tal er at benytte Gnielinskis ligning, hvorved fejlmarginen kan reduceres til væsentligt under 10 %. (34) ( ) Hvor f angiver rørets friktions-faktor Denne faktor udregnes vha. Petukhovs første ligning. (34) Fælles for disse to ligninger er, at de kun gælder for Reynolds-tal med en værdi mellem og , mens Gnielinskis ligning ydermere fordrer et Prandtltal mellem 0,5 og Side 30

31 Med et fastlagt Nusselt-tal kan varmekonvektions-koefficienten fastslås gennem ligningen (34): Hvor Nu = Nusselt-tal h = varmekonvektions-koefficienten (W/m 2 *K) k = væskens termiske konduktivitet (W/m*K) D = rørets karakteristiske diameter (m) Herigennem kan systemets konvektionsevne fastsættes gennem ligningen: Derved er frembragt et overblik over systemets evne til at overføre varme fra rørsystemet til væsken. Grundet de estimeringer, der skal laves ved inddelingen af Reynolds-tallet, vil det stadig være et estimat - dog et velunderbygget estimat. 3.3 Anlægskarakteristik Ethvert rørsystem vil, yde en modstand på den væske, der pumpes gennem det. Modstanden skyldes, at der bl.a. er friktion mellem væsken og indersiden af rørene, og der vil være modstand i de enkelte komponenter. Dette vil medføre et trykfald hen over systemet. Dette differenstryk (forskel på trykket før systemet og trykket efter systemet) kan beregnes, hvis sammensætningen af rørsystemet kendes. Anlægskarakteristikken er typisk beskrevet ved en anlægskurve indtegnet i et koordinatsystem med flowet, Q på x-aksen og tryktabet H på y-aksen. Side 31

32 For at beregne tryktabet, H tab anvendes følgende formel (35): Samlet tryktab = tryktab over komponenter + tryktab over rør Hvor ( ) og indsættes) ( ) ζ = komponenternes modstandstal λ = rørenes friktionskoefficient v = væskens gennemsnitshastighed g = tyngdeaccelerationen Det ses heraf at H tab afhænger af væskehastigheden, v i anden potens i begge bidrag. Dermed afhænger H tab også af flowet, Q i anden potens så derfor gælder følgende: Hvor K vil være systemets specifikke modstand Indtegnes dette i et Q-H koordinatsystem som nævnt vil dette give en parabel. Et eksempel på en sådan anlægskarakteristik ses på Figur 15, som viser karakteristikken for den solfanger der anvendes til forsøg i denne rapport. Her ses det, om end ikke tydeligt, at kurven har form som en parabel. Dette vil betyde at hvis flowhastigheden øges vil modstanden i anlægget samt den krævede energi til pumpning øges i anden potens. Trykfald [mbar] 200 Trykfald i vand Trykfald i vand Flow [kg/h] Figur 15: Anlægskarakteristikken for Vølund solfanger oplyst af producenten. Side 32

33 3.4 Omkostningsberegninger ved etablering af damvarmelager I dette afsnit bliver DTU-rapporten, Udvikling af flydende lågkonstruktioner til damvarmelagre (36), brugt som guideline til priserne på konstruktionen af et damvarmelager i forskellige størrelser. Priserne ses af Figur 16, og af (Appendiks 4. Omkostninger for damvarmelager) Kr kr. per kubikmeter for lermembran kr. per kubikmeter for stålliner m 3 Figur 16: Omkostninger ved etablering af damvarmelager efter størrelse. Før etablering af et damvarmelager foretages geotekniske undersøgelser, for at finde den mest optimale placering. Det er vigtigt man under udgravningen ikke rammer grundvandsspejlet, og samtidig har et godt fundament for resten af varmelageret. Denne geotekniske undersøgelse, skal derfor tages med i de økonomiske beregninger, når et varmelager etableres. I DTU-rapporten er prisen på den geotekniske undersøgelse, angivet til at være kr. uanset størrelse på damvarmelageret. Udover de geotekniske undersøgelser, skal der både opnås bygningstilladelse, og indregnes andre afgifter m.m. ved opførelsen af et damvarmelager. Disse priser fremgår som procentvise udgifter (36) af de samlede omkostninger, ved opførelsen af damvarmelageret (se Tabel 5) Side 33

34 Procentvis ekstra omkostninger, af samlede omkostninger Pris af samlet beløb i procent Projektering og udbud i fagentrepr. 10 % Byggeledelse, tilsyn, adm. M.v. 2,5 % Byggelånsrenter, stempeludg. O.l. 7,5 % I alt 20 % Tabel 5: Omkostninger ved etablering Princippet i et damvarmelager er at grave et hul, der minder om en omvendt pyramidestub. En vandtæt liner lægges direkte på jorden overalt i hullet. Vand fyldes i og ovenpå flyder et isolerende lag. Efter et stykke tid udtørrer jorden omkring hullet og virker som isolering. Ifølge erfaringerne er der et tab på kun ca. ½ C per måned. Det virker ligesom en akkumuleringstank, hvor der er forskellige varmelag, derved opnås en optimal varmeudveksling. Ved opførelse af et damvarmelager skal man først se på geometrien. Typiske damvarmelagre konstrueres som en pyramidestub. (se Figur 17) Figur 17: Pyramidestub For at kunne beregne omkostningerne ved udgravningerne, og herefter isoleringen skal man kunne beregne rumfanget, målt i kubikmeter. Side 34

35 Rumfangs beregning Til at beregne størrelsen af damvarmlageret og dermed omkostningen ved, udgravningen bruges følgende formel: (Denne formel er for beregning af en prismatoide, men kan også bruges for en pyramidestub) Til beregning af omkostningerne ved enten en kvadratisk bund, eller et rektangulær bund altså længde gange bredde, og isolering i bunden bruges formlen: Til beregning af omkostning på isolation af siderne bruges hvis: 1. Damvarmelageret er kvadratisk Grunden til der er brugt a1 og a både udenfor, og indenfor kvadratrodstegnet er at idet damvarmlageret er kvadratisk er alle 4 sider ens 2. Damvarmelageret er rektangulær Omkostninger ved udgravning I DTU-rapporten fremgår prisen for udgravning 27 kr/m 3 (36) uanset størrelsen af damvarmlagret. Så her kan ligningen for rumfagsberegningen tages i brug Skal der udgraves et damvarmelager på 61 gange 47 meter på toppen, og 18 gange 8 meter i bunden og en dybde på 10 meter, vil rumfanget være: = ,57 m 3 Side 35

36 Prisen for udgravning af damvarmelager, med størrelsen ,6 m 3 isolering vil være: uden ,57 m 3 *27 kr./m kr. Klargøring og dræn Når udgravningen har fundet sted skal der lægges dræn og nedsættes pumpe til ind- og udpumpning af vand. Disse arbejdsopgaver, og materialepriser bliver taget fra DTU-rapporten, som et estimat af prisen på et færdigt damvarmelager. Det er dog ikke alle tal der er taget med fra DTU-rapporten, idet der til denne rapports damvarmelager er valgt en løsning uden betonbund og -sider. Stållinerisoleringen fravælges ligeledes, da damvarmelageret i denne rapport, baseres HDPE liner. HDPE er et termoplast materiale, som er billigt at fremstille, og er bestandigt overfor vandige opløsninger, såsom syre, salte og baser, dog ikke stærkt oxiderende stoffer (37). Priser på klargøring og dræn Byggeplads, og byggeplads veje Tørholdelse af byggegrubbe Bassinkant Ind- og udløbsrør I alt Tabel 6: Priser på klargøring og dræn (36) Pris kr kr kr kr kr. Omkostninger ved isolering Omkostningerne ved isoleringen, kan som alle andre udgifter i et damvarmelagerprojekt være forskellige, idet der kan indhentes tilbud fra forskellige firmaer. Der bliver i denne rapport brugt tal fra Alibaba.com som er et globalt handelsfirma inden for, de plastik liners som bliver brugt til isolering af damvarmelagre. Prisen pr kvadratmeter HDPE liner ligger mellem 0,2$ og 3,5$ (38) afhængig af den indkøbte mængde. Udover dette bliver prisen på det flydende låg hentet i tal fra (36) I det lågkonstruktionens pris afhænger af damvarmelagerets størrelse. Side 36

37 Hvis man tager eksemplet på et damvarmelager, som beskrevet i omkostninger ved udgravning, så vil den estimerede pris være for isolering gennemsnit fra (38) og omregnet til danske kroner. Omkostninger ved isolering Isolering af sider Isolering af bund Låg isolering I alt Figur 18: Omkostninger ved isolering pris kr kr kr kr. Forbindelse og tilslutningsanlæg Da DTU-rapporten ikke medregner priserne for tilslutning til solfangere, eller styringsanlæg, vil der blive brugt tal fra en noget ældre rapport fra Ottrupgaard. (39) Til anlæggets tilslutning og forbindelse med solfangerne bruges de estimerede priser fra Ottrupgaard. (se Tabel 7) Forbindelse og tilslutningsanlæg Forbindelsesledning 2 ø48 præisoleret Afspærringsventiler Tilslutningsanlæg (pumper, shuntventil, varmeveksler og manøvrearrangement) excl. Styringsanlæg Anlæg for styring af op-affladning m.v. I alt Tabel 7: Priser fra Ottrupgaard Pris kr kr kr kr kr. Side 37

38 Udover dette kan der være udgifter forbundet med tilslutningen til et varmeværk, så varmen kan komme ud til forbrugeren. Iflg. en rapport fra DTU om dimensioneringen af storskala lager (40) kan dette medføre en væsentlig omkostning, idet det kan være nødvendigt at placere varmelageret langt fra varmeværket, da man bliver nødt til at placere varmelageret på grundlag af de geotekniske undersøgelser. En yderligere omkostning kan være at varmeværker opererer med et højere tryk end varmelageret. Man bliver derfor nødt til at sende vandet ud under højere tryk. I denne rapport bliver omkostningerne til selve tilslutningen kr. (40) Dette bliver ikke medregnet i de endelige estimerede omkostninger, da det er usikkert hvorvidt de vil være aktuelle i givne eksempel. Overordnede omkostninger Samlede omkostning for tænkt Omkostning i procent Pris eksempel Geotekniske undersøgelse Udgravning Klargøring og dræn Isolering sider Isolering bund Lågkonstruktion Tilslutning I alt Projektering og udbud i fagentrepr. 10 % af Byggeledelse, tilsyn, adm. 2,5 % af Byggelånsrenter, stempeludg. O.l. 7,5 % af samlet pris Tabel 8: Samlede omkostninger ved etablering af damvarmelager. Altså vil den estimerede pris for et tænkt eksempel på et damvarmelager med HDPE liner i stedet for stålliner være kr. Levetid på damvarmelager Når man ser på økonomien i et damvarmelager, skal der også ses på holdbarheden af damvarmelageret. HDPE liner er den billigste løsning, til at isolere siderne på damvarmelageret, men selvom HDPE liner beskrives til at have en levetid på 20 år, har erfaringer vist, at varmen i damvarmelageret, og kulden i jorden forringer levetiden. Det har betydet, at levetiden i værste fald har været helt nede på omkring 6 år. Dette kan være et stort problem for et damvarmelager, hvis der går hul på HDPE lineren. Det er ikke kun et stort spild af varme, men også et forurenings problem for f.eks. omkringliggende søer, åer, vandløb, og samtidig til fare for grundvandet. Der forskes en del inden for området, i at gøre det sikkert og samtidig rentabelt, at bruge HDPE liner, i stedet for at bruge den dyre metode med stålliner. (41) Side 38

39 Del konklusion Beregningen af etableringsomkostninger ud fra de ældre rapporter er ikke det optimale, men det er dog retningsgivende for omkostningsniveauet. Der er ikke i denne rapport taget højde for den generelle prisudvikling og eventuelle afgiftsændringer. Hvis man ser bort fra dette, ses det ud fra beregningerne, at det er væsentligt billigere at isolere med HDPE liner end, at isolere med stålliner. Dog er HDPE lineren ikke så holdbar som tidligere antaget. Der tages dog ikke højde for dette, i disse beregninger. Side 39

40 4 Solfangerforsøg 4.1 Forsøgsbeskrivelse I projektets startfase udfærdiges en forsøgsbeskrivelse. Forsøgene skal indeholde en række parametre, der observeres, nedskrives og efterfølgende behandles disse data. Herunder nævnes: Ind- og udgangstemperatur på solfangeren, flowhastighed, solindfald, tryk mm. Disse data indsættes manuelt i skemaer, og beregnes derefter i excel-ark for bl.a. at analysere sammenhængen mellem flow og energioptag. Figur 19: 3D tegning af forsøgsopstillingen tegnet i Autodesk Inventor Til indsamling af data bruges der termometre, manometer(trykmåler), flowmeter, effektmåler og pyranometer (solindfaldsmåler). De 3 førstnævnte var monteret på den pumpestation (billede 1), som fulgte med solfangeren. Det viste sig dog, at disse instrumenter ikke var tilstrækkeligt fintfølende nok til dette forsøg, hvorfor der blev lånt nogle digitale termometre og målebægre til måling af flow. Pga. at solfangeranlægget er bygget som et åbent system, er det medfølgende manometer heller ikke fintfølende nok. Der er derfor brugt en simpel vandsøjlemåler, dvs. en slange op i luften med streger på (billede 6). Til at måle flowhastigheden blev der brugt et 500 ml. og et 5230 ml. målebæger, som blev fyldt via tilbageløbsslangen. Tiden herfor blev målt, og flowhastigheden blev udregnet. Pyranometret blev brugt til at finde optimal vinkel i forhold til solen, og til at sikre sammenlignelige forhold mht. solindfald. Side 40

41 Figur 20 Solfangerforsøg og trykmåling Energioptag Da alle data indsamles manuelt, i intervalforsøg af 10 minutters varighed, bruges 4 mand, én på hver målepost (billede 2): Indgangstemperatur, udgangstemperatur, pyranometer og én noterer data i skemaet for hver 30. sekund. Før hvert intervalforsøg bestemmes flowhastigheden. På dette tidspunkt var variotransformeren endnu ikke blevet anskaffet, derfor styredes flowet vha. regulering af kuglehanerne på pumpestationen. I de indledende forsøg blev temperaturen målt ved slangernes ind- og udgange, men det blev hurtigt klart, at der var et stort varmetab i de knap 5 meter slange til og fra vandtankene. Derefter blev der lavet hul i slangen, så termometrene monteres så tæt på solfangeren som muligt (billede 3). Der blev under disse indledende forsøg utilsigtet ændret på højden af tilbageløbsslangen og derved ændredes også flowhastigheden: Disse målinger måtte derfor gøres om. Ved den første brugbare måling var det delvist overskyet, så denne er udeladt fra beregningerne, således at der er sammenlignelige solindfald på alle målingerne. De 7 første målinger er foretaget med en indgangstemperatur på 8-10 C. Derefter blev vandet i tanken varmet op i ca. en time, så indgangstemperaturen nåede C, hvorpå yderligere 3 målinger blev foretaget. Side 41

42 Trykmåling Alle data blev også her indsamlet manuelt. Ved forskellige flowhastigheder måles tryk og effekt. Ved hjælp af en vario-transformer (billede5) ændres spændingen til cirkulationspumpen og dermed flowhastigheden, som bestemmes på samme måde som ved forsøget med energioptag.. Det tog ca. 2-3 timer før systemet kom ordentligt op at køre. 0-punktet blev fundet ved systemstilstand og afmærket på målerøret. Dette lå ca. 500 mm over gulvet, svarende til vandspejlet i vandtanken. Efter hver ændring i flowet afventes systemets stabilisering inden afmærkning af væskehøjden. Målingerne 1-9 udføres. Disse blev dog mere og mere ustabile. Det blev så konstateret, at der stadig var luft i systemet og derfor er de første målinger muligvis ikke helt retvisende. En ekstra stophane blev monteret før vandsøjlerøret, så luften kunne spules ud af systemet. Den sidste måling lå 3260 mm over 0- punktet, så der blev brugt en stige for at lave de sidste afmærkninger. Samtidig med trykmålingen aflæses effektmåleren (billede 4). 4.2 Bestemmelse af anlægskarakteristik Det har ikke været muligt at beregne anlægskarakteristikken for solfangerforsøgsopstillingen, da der ikke forelå komplette oplysninger fra producentens side omkring rørføringerne i solfangeren. Da en adskillelse af solfangeren ikke var mulig uden uhensigtsmæssig destruktion forsøges anlægskarakteristikken fastlagt eksperimentelt. Da forsøgsopstillingen er et åbent anlæg gælder det at indgangstrykket og udgangstrykket er ens, nemlig atmosfærisk tryk. For at måle differenstrykket eller tryktabet over anlægget skal der derfor blot måles trykket umiddelbart efter pumpen. Dataene fra målingerne af effektoptaget i pumpen er ikke blevet behandlet, da usikkerheden omkring validiteten af disse er for stor. Side 42

43 De fremkomne data fra forsøgene fremgår af Tabel 9. Data målt Flow Trykfald [liter/h] [mbar] 11, , , , , , , , , , , , , ,4 323 Tabel 9: Trykfaldsmålinger ved varierende flow gennem solfanger. Disse værdier indsættes i et Q-H diagram (Figur 21) hvor de sammenlignes med kurven oplyst af producenten. Kurven over forsøgsdataene viser, et tydeligt sammenfald med kurven oplyst af producenten. De udsving, der ses på kurven over forsøgsdataene, skyldes en luftlomme i systemet. Efter udluftning af systemet stabiliserede målingerne sig, og udsvingene blev herefter minimale. Forskydningen i y-retningen skyldes, at der i forsøgene var en geodætisk løftehøjde på cirka en halv meter, som var nødvendig for den praktiske udførsel. Kurven over forsøgene er dog ikke en kurve over solfangeren alene, men er en kurve over det samlede anlæg inklusiv rørføringer til og fra solfangeren. Disse rørføringer er dog af en væsentlig større dimension end rørene i solfangeren, så disse har formentligt ikke bidraget nævneværdigt til den samlede anlægsmodstand. Side 43

44 Trykfald [mbar] Oplyst af producent forsøgsdata Flow [kg/h] Figur 21: Forsøgsdata sammenholdt med data oplyst af producenten. Delkonklusion Det er gennem forsøg lykkedes at påvise sammenhængen mellem Flow og tryktab i anlægget. Kurven for forsøgsdataene har et tydeligt sammenfald med kurven for trykfaldet oplyst af producenten. Begge disse kurver har form som en parabel, og understøtter derved teorien om at sammenhængen mellem Q og H kan opstilles i ligningen: For at vise stigningstakten differentieres dette udtryk og det er derved muligt at beregne stigningstakt (grafens hældningskoefficient) ved specifikke flowhastigheder: Dvs. at ved en flowhastighed på 100 kg/h vil stigningstakten være 200 K, og ved 200 kg/h vil den være 400 K. Det gælder altså at jo højere flowhastighed jo højere stigningstakt i tryktabet. Side 44

45 4.3 Konvektion Som beskrevet i afsnittet omhandlende solfangerteori (afsnit 3.2) har rørsystemets udformning og væskens flow-hastighed i teorien en indvirkning på systemets evne til at opvarme væsken. På baggrund af indhentede forsøgsdata vil dette blive søgt understøttet gennem beregninger på konvektionsevne. Herunder vil en eventuel sammenhæng mellem flow-hastigheden, Nusselt-tallet og udnyttelsesgraden forsøgt påvist. Det er udelukkende forsøgsdataene for de seks forsøg med nogenlunde fælles indgangstemperatur på ca. 10 C, der regnes på. De tre forsøg med højere indgangstemperatur anses som værende for lille et grundlag til at kunne konkludere noget på. For overskuelighedens skyld udregnes i dette afsnit kun et eksempel med data fra et forsøg. De øvrige resultater vil fremgå af tabeller og figurer. Der regnes kun på rørsystemet i solfangeren. Dimensionerne på dette er antaget ud fra producentens oplysninger. Først skal systemets reynolds-tal, der altså angiver systemets strømningsforhold, findes. Dette gøres med ligningen: Hvor ρ og μ er tabelopslag (40) baseret på væskens middeltemperatur og hvor Udregnet ud fra samme fremgangsmåde fås de resterende Reynolds-tal (se Tabel 10). I følge inddelingen af Reynolds-tal i afsnit 3.2 er systemet altså, afhængigt af flow-hastigheden, både laminart og turbulent samt en overgangsfase mellem disse. Det vil derfor være vanskeligt at foretage sammenlignelige beregninger på dataene, da inddelingen af Reynolds-tallet netop fordrer forskellige beregningsmetoder. Flow Reynolds [l/s] 0, , , , , , Tabel 10: Reynolds tal Side 45

46 Indsættes disse i en graf og sammenholdes med flow-hastighederne ses en proportional sammenhæng (se Figur 22), hvilket skyldes den lave indvirkning de to temperaturafhængige tabelopslag har på resultatet. Reynoldstallets størrelse afhænger altså i høj grad af rørdimensionering og flow-hastighed. Reynolds-tal Flow/Reynolds ,0000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 Flow/Reynolds l/s Figur 22: Sammenhæng mellem flow-hastighed og Reynolds-tal For at komme nærmere et samlet overblik findes dernæst Prandtl-tallet. Hvor alle temperaturafhængige værdier i udregninger bygger på tabelopslag (42). Prandtl-tallet er altså alene afhængig af væskens egenskaber ved forskellige temperaturer. Dette tal siger derfor kun noget om væskens egenskaber i systemet og ikke noget om systemets egenskaber. Det benyttes dog sammen med Reynoldstallet til at beregne systemets Nusselt-tal. Som nævnt egner Gnielinskis ligning til udregning af Nusselt-tallet (se afsnit 3.2) sig bedst til Reynolds-tal med en værdi over 3.000, hvilket kun halvdelen af dette forsøgs tal lever op til. Da forsøgsdataene her ikke peger enstydigt på en bestemt Side 46

47 strømningsform vil inddelingen af Reynolds-tallene blive modificeret og det kritiske Reynolds-tal sættes til henholdsvis og Dette gøres for at kunne sammenligne resultaterne fra de forskellige datasæt. Først betragtes strømningerne at være udviklende laminare; altså en strømning som endnu ikke er fuldt laminar. Til udregning af Nusselt-tallet og varmekonvektions-koefficienten skal en ny ligning derfor indføres. Denne ligning fordrer en konstant overfladetemperatur på indersiden af røret og tager endvidere højde for forskellen i væskens viskositet i henholdsvis midten af røret og mod røroverfladen. (43) Hvor L = rørsystemets længde D = rørets karakteristiske diameter μ = væskens viskositet (hhv. ydre og indre) (tabelopslag) Til den næste række af beregninger betragtes strømningerne som fuldtudviklede turbulente. Til disse beregninger benyttes Gnielinskis ligning: (44) ( ) ( ) Hvor friktionskvotienten: (45) Side 47

48 Beregningerne for de resterende Nusselt-tal med metoden for hhv. laminare og turbulente strømninger fremgår af Tabel 11. Nusselt-tal Nusselt-tal Laminar Turbulent 3,5 4,2 4,7 15,9 5,1 19,5 7,7 66,2 8,6 91,2 9,0 101,5 Tabel 11: Nusselt-tal Nusselt-tallene indsættes herefter i Figur 23, hvor de sammenholdes med den udregnede solfanger-effekt. Hældningerne på graferne tenderer en sammenhæng mellem Nusselt-tallet og solfanger-effekten. Solfangereffekt [W] Nusselt-tal/solfangereffekt Nusselt-tal 120,0 100,0 0 0,0 0,0000 0,0100 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600 0,0700 0,0800 0,0900 0,1000 Flow [l/s] Solfangereffekt/flow Nusselt-tal, laminar Nusselt-tal, turbolent 80,0 60,0 40,0 20,0 Figur 23: Nusselt-tal sammenholdt med solfanger-effekt Side 48

49 Delkonklusion Grøn Fjernvarme En helt tydelig sammenhæng mellem Nusselt-tallene og solfanger-effekten fremgår ikke. Det antages dog, at såvel flow-hastighed som Nusselt-tallet har en indvirkning på effekten. Dels antyder Figur 23 en indvirkning gennem de jævnt stigende grafer. Dels må den stigende værdi af Reynolds-tallene have en indvirkning på Nusselttallet, da flow-hastighed og Reynolds-tallet er proportionale. Hældningen for grafen for de laminare Nusselt-tal minder mere om hældningen for grafen for solfangereffekt. Det antages derfor, at strømningen tenderer et laminart flow mere end et turbulent. Der kan grundet spektret for Reynolds-tallene ikke drages en konklusion på tallene. Havde forsøget vist en entydig laminar eller turbulent strømning ville det have givet bedre muligheder for at konkludere på sammenhængen mellem flow-hastighed og effekt. 4.4 Fejlkilder I forbindelse med solfangerforsøget, er der en række fejlkilder som spiller ind. Der blev eksempelvis konstateret sol-genskin fra de omkringværende vinduer. I de områder på solfangeren, hvor der var genskin måltes effekten pr. m 2 til 13 % over det omliggende areal. Der blev fundet et væsentligt varmetab i rørene, så derfor placeredes termometrene så tæt på solfangerens ind- og udgang som muligt. Ved udgangen er der desuden en stor kobber/messing fitting, som leder varmen direkte ud i omgivelserne (Figur 24). Denne burde måske have været isoleret for at opnå en helt præcis udløbstemperatur. Vejrmæssigt er alle forsøgene på nær et, lavet med ca. samme solindfald og vindhastighed. Figur 24: Uisoleret fitting på solfangeren. Side 49

50 4.5 Måleusikkerhed Grøn Fjernvarme Eftersom alle data er manuelt indsamlet, vil der være aflæsningsunøjagtigheder. Disse er dog forsøgt minimeret ved at lade de samme personer aflæse samme poster under forsøgene. Forsøgsopstillingen er konstrueret, så solfangeren kan justeres i gradantal ift. vandret. Den kan derfor indstilles i den vinkel, hvor optimalt solindfald opnås. Der blev brugt et pyranometer til at måle solindfaldet, dette apparat har et differens på plus, minus 5 %. Diverse termometre, bægre til flowmåling, stopur, målebånd osv. indeholder ligeledes en vis måleusikkerhed. Mht. til forsøgets formål, vurderes det dog at disse fejlkilder og måleusikkerheder er forholdsvis små, og derfor ikke misvisende i forhold til resultatet. 4.6 Konklusion på forsøg På forhånd var teorien, at jo større flowhastigheden er, desto bedre udnyttelse fik man af solfangeren. Forsøgene viser at jo langsommere flow der køres med, jo større bliver udgangstemperaturen, men set ud fra Figur 25 må der konkluderes, at teorien om, at effektiviteten stiger, når flowet stiger er sand. Den røde graf viser, at solfangerens effektivitet øges, med flowhastigheden, ved en indgangstemperatur på ca. 10 C. Ifølge Vølund har solfangeren en effektivitet på 80,6 % med forudsætningerne at solindfaldet er på W/m 2, og at omgivelsestemperaturen ligger på 30 C. I forsøgsdataene ses det, at der har været et større solindfald, da gennemsnittet under alle forsøg ligger over W/m 2. Omgivelsestemperaturen lå dog kun mellem 8 og 9,5 C. Der er ved forsøget opnået en effektivitet på 80,3 % med en flowhastighed på 0,091 l/s. Det udledes dog ikke ud fra Vølunds data, hvilken flowhastighed der indgår i deres effektivitet på 80,6 %. Ud fra den blå kurve ses det, at med en indgangstemperatur på ca. 20 C er effektiviteten rimelig konstant, uanset flowhastighed. Dette er dog ikke et resultat, der kan konkluderes på, da der kun foreligger 3 målinger. På grund af dette må det statistiske grundlag for forsøget betragtes som utilstrækkeligt, og forsøget er derfor udeladt fra beregningerne i denne rapport. Effektivitet 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 Solfangereffektivitet 0,0 0,0000 0,0200 0,0400 0,0600 0,0800 0,1000 Start temp.ca 10 C Start temp ca 20 C Flow [l/s] Figur 25: Solfangereffektivitet Side 50

51 4.7 Perspektivering af forsøg Som det fremgår af Figur 26 er der stor forskel i effektiviteten i forhold til solindstråling på de forskellige anlæg. Disse forskelle kan være forårsaget af mange faktorer, bl.a. er nogle af værkerne nystartede og derfor ikke har fundet de rette indstillinger på pumper, varmevekslere mm. Andre faktorer kan være aldersforskelle på de forskellige solfangere og dermed virkningsgraden, at det må antages, at de nyeste anlæg har den nyeste, bedste og mest effektive teknologi indenfor solfangere. Figur 26: Effektivitet ift. solindstråling på de enkelte anlæg. Sammenholdes udnyttelsesgraderne fra Figur 26 med de forsøg der udført i forbindelse med dette projekt giver disse forsøg en markant højere udnyttelsesgrad. Forskellen har primært været at der forsøgsrækken som udgangspunkt været en fastsat flowhastighed, hvor der så er blevet målt temperaturstigning i solfangeren. Heraf er energioptaget efterfølgende beregnet. På de forskellige solvarmeanlæg derimod, bliver udgangstemperaturen fastsat, og flowhastigheden reguleres så efter dette. Det betyder at der ofte køres i ineffektive flowhastigheder med laminare strømningsforhold. Eksempelvis har Marstal Fjernvarme fastsat en udgangstemperatur på C, dvs. at alle strenge af solfangere skal have en flowhastighed, så sluttemperaturen igennem ca. 10 solfangere ender på denne temperatur. Side 51

52 Det kunne måske være muligt at opbygge eller ombygge eksisterende solvarmeværker, således at det er muligt, at skifte fra parallel- til seriedrift på solfangerstrengene så det herved bliver muligt at regulere strenglængden efter solindfaldet. Dermed kan der køres med mere optimal flowhastighed, med mest muligt energioptag, og alligevel opnå den ønskede sluttemperatur. Dette vil indebære en anden styringsmåde, og rørføringen skal være mere fleksibel, så det bliver muligt at koble solfangerne sammen i større eller mindre serie. Der vil formentlig være muligheder for at opnå større udbytte ud af de solskinstimer, der trods alt er i Danmark, når man ser på værkernes effektivitet i forhold til solindfaldet. (Figur 26) Side 52

53 5 Dimensionering 5.1 Solfanger dimensionering Det oplyses af Gram Fjernvarme, at de leverer fjernvarme til i alt 1126 husstande. Ifølge DONG Energy kan det gennemsnitlige energiforbrug i private boliger inddeles i følgende tre kategorier: Bygget før 1977, bygget og bygget efter (46) Huse opført år Antal huse Energi brugt til opvarmning kwh/år pr. m 2 Efter Før Tabel 12: Fordeling af huse efter byggeår ved Gram Fjernvarme Antages det at 20 % af husstandene i Gram har isoleringsevne som huse opført før år 1977, og 50 % har isoleringsevne for huse opført i , og til sidst 30 % har isoleringsevne, svarende til huse opført efter (se Tabel 12) Ud fra dette kan der laves en teoretisk dimensionering af, hvor mange solfangere der skal til, for at kunne levere fjernvarme udelukkende produceret af solfangere. Dette vil dog kun kunne lade sig gøre, hvis det er muligt at sæsonlagre varmen, idet der er en variation, både i solstyrken og i varmeforbruget hen over året. Følgende beregninger omhandler, hvor stort et solfangerareal der skal til for at producere den mængde varme, som modsvarer Grams fjernvarmebrugeres årsforbrug. Det oplyses af Arcon Solar A/S at da Gram Fjernvarmes nuværende solfangeranlæg blev opført, var der tilsluttet 1096 husstande og ca indbyggere til Gram fjernvarme. (47) Det teoretiske antal indbyggere med de nuværende 1126 hustande beregnes. Herefter udregnes den mængde varme, som skal bruges årligt. Der regnes med et standardhus på 130m 2. Side 53

54 Den forbrugsmæssige fordeling af de 1126 husstande fremgår af Tabel 12 og indsættes i nedenstående beregning. Hertil skal lægges forbruget af varmt brugsvand. Ifølge DONG Energy udgør dette 750 kwh/år pr. person. Sammenlagt: Ifølge Arcon Solar A/S og Gram Fjernvarme, skulle det i 2009 etablerede solfangeranlæg, levere MWh om året. Tal fra Solvarmedata.dk for Gram Fjernvarme viser dog at anlægget i gennemsnit over år 2011 og 2012 har produceret MWh. Dvs. at produktionen er 18 % lavere end antaget. De videre beregninger er baseret på den reelle produktion på MWh pr. år. Gram Fjernvarme oplyser at de i år 2011 og 2012 har haft et gennemsnitligt ledningstab på 27,5 %. Herefter udregnes det hvor stort et solfangeranlæg skal være for at producere denne mængde energi. Det allerede etablerede anlæg i Gram kan producere 16 % af det samlede forbrug. Dog regnes der videre med de opgivne tal fra Gram Fjernvarme. Det gennemsnitlige forbrug for 2011 og 2012 er opgivet til at være MWh. Den procentuelle dækning bliver herved: Det nye forholdstal bliver således: Side 54

55 Størrelsen af det etablerede anlæg skal altså ganges op med 7,14 for at kunne dække det samlede forbrug. Ifølge Gram Fjernvarme har de m 2 solfangere. Dette areal er det effektive solfangerareal også benævnt som det transparente areal. Det vil sige, at det er minus kanten/rammen af solfangere. Hver solfanger har et transparent areal på 12,56 m 2 Det allerede eksisterende anlæg fylder m 2. Hvis anlægget på antal solfangere skal opføres, og det antages dette anlæg har samme tæthed af solfangere, som det allerede eksisterende anlæg, skal der bruges m 2 x 7,14 = m 2 Dette bliver et kæmpe solfangeranlæg. Det eksisterende anlæg kostede 18 mio. kroner at opføre. Antages det at prisen er direkte proportional med størrelsen af anlægget, vil det koste 128,5 mio. kroner at opføre det m 2 store solfanger anlæg. Disse beregninger bygger desuden på, at det nye anlæg er bestående af Arcon HT-SA solfangere, som er samme type solfangere, der er anvendt i det eksisterende anlæg. 5.2 Dimensionering af varmelager Hvis et varmeværk skal baseres på 100 % solvarme, er det nødvendigt at kunne sæsonlagre energien, så den varme, der produceres af solfangerne om sommeren, kan lagres til brug om vinteren. Den aktuelle solvarmeproduktion for Gram dækker dog kun ca. 14 % af deres varmeforbrug. På Figur 27 er solvarmeproduktionen derfor skaleret op, så den modsvarer varmeforbruget. Derved kan varmelageret dimensioneres ved at se på det område, der ligger mellem de to grafer. Varmelagerbehovet er lig med arealet af området mellem graferne, hvor solvarmeproduktionen ligger over varmeforbruget. I den periode produceres der mere energi til lageret end der tages ud. Modsat bliver der i den periode, hvor grafen for varmeforbrug ligger over grafen for solvarmeproduktion, forbrugt mere energi fra varmelageret end der tilføres. Disse to perioder er på Figur 27 lige store, da summen af solvarmeproduktionen svarer til summen af varmeforbruget. Det vil sige, at der i figuren ikke er indregnet varmetab fra varmelageret. Det varmetab der er i ledningsnettet ud til forbrugerne er dog indregnet, da varmeforbruget er målt på afgangen fra værket. Side 55

56 Figur 27. Graf over gennemsnitlig varmeforbrug, og opskaleret gennemsnitlig solproduktion for Gram Fjernvarme i 2011 og Arealet af det skraverede område illustrerer lagerbehovet. Metoden til bestemmelse af arealet mellem graferne og hermed lagerbehovet er den trapezoide metode til numerisk integration. De to kurver integreres mellem skæringspunkterne og integrationen af varmeforbruget trækkes fra integrationen af solvarmeproduktionen. Det er ikke muligt at integrere de to grafer direkte, da der ikke kan opstilles en matematisk funktion for dem, som gælder for hele perioden. Graferne består dog, som det fremgår af Figur 28, af 11 lineære funktioner, som ligger mellem de 12 punkter på kurverne. Disse lineære funktioner lader sig let bestemme vha. formlerne for hældningskoefficient og liniens ligning. Det er kun nødvendigt at udregne ligninger for linierne og integralerne mellem de to skæringspunkter. Disse lineære funktioner f 1-7 (x), g 1-7 (x) samt de enkelte arealinddelinger er ligeledes indtegnet på Figur 28. Figur 28 Graferne for varmeforbrug og solvarmeproduktion inddelt i de respektive lineære funktioner for beregning af de mellemliggende arealer A1-A7. Side 56

57 Arealberegninger x- værdierne defineres som 01-jan=1, 01-feb=2, 01-mar=3 osv. Dette giver følgende x-y værdier: x y2 =f(x) y1=g(x) 1 226, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,20 Tabel 13: x-y værdier for de to grafer Beregning af A1 f 1 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Da det for alle linierne gælder at = 1, kan denne udelades, så a = Liniens ligning for f 1 (x) bestemmes ud fra formlen f 1 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (3 ; 2.566,90) Heraf: f 1 (x) = f 1 (x) = Side 57

58 g 1 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 1 (x) bestemmes ud fra formlen g 1 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : Heraf: (x 0 ; y 0 ) = (3 ; 3.225,80) g 1 (x) = g 1 (x) = x værdien i skæringspunktet mellem f 1 (x) og g 1 (x) bestemmes: Her gælder at: f 1 (x) = g 1 (x) = Arealet, A1 bestemmes heraf: Side 58

59 Beregning af A2 f 2 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for f 2 (x) bestemmes ud fra formlen f 2 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : Heraf: (x 0 ; y 0 ) = (4 ; 4.046,95) f 2 (x) = f 2 (x) = g 2 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 2 (x) bestemmes ud fra formlen g 2 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : Heraf: (x 0 ; y 0 ) = (4 ; 2.194,40) g 2 (x) = g 2 (x) = Arealet, A2 bestemmes herudfra: Side 59

60 De øvrige arealer A3 A7 udregnes på tilsvarende måde. Disse beregninger er vedlagt som bilag. (Appendiks 7. Arealberegning) Resultaterne af disse beregninger ses i Tabel 14 A1 234,61 A ,29 A ,92 A ,64 A ,94 A ,96 A7 234,61 A1-A ,97 Tabel 14: Resultater af arealberegningerne Enheden for arealet bliver MWh, da det er arealet mellem de 2 grafer for MWh der er udregnet. Ud fra resultaterne i Tabel 14 - beregnet på baggrund af gennemsnitlige forbrugsog produktionsdata for 2011 og vil det samlede lagerbehov for Gram Fjernvarme udgøre MWh, hvis de skulle baseres på 100 % solvarme. Sammenholdes det udregnede lagerbehov med Gram Fjernvarmes aktuelle årsvarmeforbrug fås: Det fremgår heraf at lagerbehovet svarer til ca. halvdelen af årsvarmeforbruget. Heri er der dog ikke taget højde for det varmetab, der måtte være i det pågældende lager. Pris for Grams damvarmelager Størrelsen på det varmelager, der skal til for at kunne rumme 51 % af Grams årlige forbrug vil kunne beregnes på følgende måde (38) Q = m*ρ*δt og herpå ganges en konverteringsfaktor, K, som omregner kj om til kwh. Side 60

61 Hvor (40) m = vands densitet = 976,6 kg/m 3 (ved 72 o C, som er gennemsnitlig temperatur i varmelageret) ρ = vands specifikke varmekapacitet = 4,1912 kj/kgk (ved 72 o C) Δt = forskellen i temperatur i damvarmelageret = 47 o C K = 277,8*10-6 kwh/kj (konverterings faktoren) (38) Sættes ind i formlen, og får Q: 976,6 kg/m 3 * 4,1912 kj/kgk * 47 o C*277,8*10-6 kwh/kj = 53,44 KWh/m 3 Dette bruges til at bestemme hvor stort lageret skal være ved at gange det forrige resultat med størrelsen af lagerbehovet beregnet tidligere (Tabel 14) MWh pr. år. Heraf: MWh til kwh: MWh * 1000 = kwh Der divideres med 53,44 kwh/m 3 og dette giver lagerstørrelsen i m 3 : Lagerbehov: = m 3 Med en potens regression på cas-værktøj af omkostningerne ved opbygning af damvarmelager (36) vist i (Appendiks 8. Regression på cas)fås ligningen: Hvor Sv = størrelsen af damvarmelageret i m 3 Sættes størrelsen af damvarmelageret ind fra Gram Fjernvarme vil prisen på dette damvarmelager være = kr. Side 61

62 5.3 Supplerende energi Grøn Fjernvarme I forbindelse med damvarmelageret skal der opføres en måde at supplere energi til lageret på. Da vi i Danmark har en overproduktion af el i visse perioder (Figur 4), som sælges billigt, vil det være oplagt at tilføre lageret energi mens der er billig elektricitet. Idet lageret har et svagt varmetab, er det irrelevant for lageret hvornår der tilføres energi. I Danmark har vi, i perioder, større produktion af elektricitet end vi kan udnytte, specielt om natten hvor forbruget er lavt. Dermed bliver strømmen også billigere om natten, så hvorfor ikke udnytte dette? Som privatforbruger kan vi endnu ikke købe strøm på timebasis til differentieret pris, men det kan varmeværkerne. Nogle af teknologierne som kan anvendes for at omdanne el til varme, kan eksempelvis være jordvarme, el-patroner, varmepumper eller elkedler. I fjernvarmesammenhæng er det luft til vand varmepumper der er relevante. En sådan består af to dele. En udedel og en indedel. Udedelen trækker luft gennem varmepumpen, og optager varmen fra luften. Gennem en Carnotproces overføres varmen til en væske, hvorefter man ved indedelen trækker varmen ud af væsken gennem en varmeveksler, for herefter at overføre varmen til lageret. Ofte vil en luft til vand varmepumpe være et alternativ til jordvarme. Grundene til at installere en varmepumpe i stedet, kan være at der ved jordvarme skal graves mange meter slange ned i jorden, hvilket kan være dyrt og pladskrævende. (48) Det er forskelligt hvor varmt vand en varmepumpe kan producere, så man skal naturligvis vælge en varmepumpe, som kan levere den fremløbstemperatur som ønskes. I en varmepumpe forekommer begrebet COP-værdi (Coefficient Of Performance). Denne værdis betydning består i forholdet mellem hvor meget energi varmepumpen leverer i forhold til hvor meget energi som optages. Den teoretiske COP-værdi beregnes ud fra udetemperatur og indetemperatur. For luft til vand varmepumper, bruges udeluftens temperatur, og indløbstemperaturen på vandet. Dog skal man være lidt skeptisk over producenternes COP-værdier, da der kan være aspekter som varmetab i processen, som ikke indgår i beregningerne. (34) Side 62

63 Figur 29 Princippet for varmepumper/jordvarme (6) Jordvarme er meget lig varmepumper, forskellen ligger stort set i at varmen her hentes fra jorden. Der skal dog graves mange meter slange ned i jorden, som enten kan gøres vertikalt eller horisontalt. En el-patron består, simpelt set, af et varmelegeme, som sænkes ned i akkumuleringstanken. Denne metode er yderst simpel, og med det samme man tilfører elektricitet, begynder den at varme. Idet der hverken er bevægelige dele, eller indgår flere processer i en el-patron er denne teknologi med til at kunne holde en lav vedligeholdelsespris. Virkningsgrad på en sådan, vil tilnærmelsesvis ligge på 1, idet den mængde energi som tilføres, direkte omdannes til varme. Figur 30 9kW el-patron (49) I 2008 har Skagen Varmeværk investeret 4,6 millioner kroner på en elkedel. (50) Elkedlens kapacitet er på 10 MW, og den bruges, når strømmen er billig. (51) Varmeværket planlægger at etablere en større akkumuleringstank, men indtil videre har de en tank på 4200m 3 som kan lagre 250 MWh varme. (52) Side 63

64 De efterfølgende beregninger i rapporten er baseret på etablering af en elkedel, da det umiddelbart er den lettest tilgængelige teknologi med den laveste vedligeholdelsesudgift. 5.4 Samlet Dimensionering. På trods af at solens indstråling til jorden er stort set konstant (53), vil bl.a. varierende skydække få solindfaldet på jordoverfladen, hvor solfangerne er placeret, til at variere signifikant. Da solindfaldet kan betragtes som konstant, vil det være tilstrækkeligt præcist at anvende DMI s opgørelse af solskinstimer pr. år til at vurdere udsvingene i solindfaldet på solfangerne fra år til år. På Figur 31 ses antallet af soltimer gennem de sidste 30 år. Som det fremgår, er der store udsving i de enkelte år. Den mindste værdi er timer/år (1987) og den højeste værdi er timer/år (2003). Dette giver et procentuelt udsving på -19 % til +18 % i forhold til gennemsnittet. Dette vil få solvarmeproduktionen til at variere tilsvarende, og det er derfor et vigtigt parameter at have med i overvejelserne omkring dimensioneringen Årlige soltimer Middelværdi Figur 31 Udviklingen i antallet af soltimer over de seneste 30 år ( ) (54) Varmebehovet vil ligeledes variere fra år til år. Et redskab til at sammenligne de enkelte års varmebehov er graddagetallet for de enkelte år. (Graddage er nærmere beskrevet i afsnit 3.1. Antallet af graddage bliver opgjort af Danmarks Meteorologiske Institut, der dog gennem de seneste 30 år har ændret flere gange på deres opgørelsesmetoder. Det har derfor ikke været muligt at indsamle helt ensartede data fra årene Dataene fra før 1998 er beregnet ved hjælp af månedernes middeltemperatur, hvor dataene efter 1998 er beregnet af DMI ud fra døgn-middeltemperaturen, og dette kan give en lille afvigelse i dataene. Specielt i sommermånederne hvor der kan være enkelte døgn som har haft en døgnmiddeltemperatur over 17 C, som vil betyde en 0-graddag. Ved en opsummering, som er brugt før 1998, vil den blive udlignet i den beregnede Side 64

65 månedsmiddeltemperatur. Der er dog tale om så lille en afvigelse, at den vurderes som uden betydning til dette brug. Som det fremgår af Figur 32 er der store udsving i antallet af graddage og hermed varmebehovet fra år til år. Den laveste værdi er 2729 graddage/år (2007) og den højeste er 3806 graddage/år (1985). Dette giver en procentuel afvigelse på -15 % og + 19 %. Dette vil dog ikke direkte kunne overføres til variationer i det samlede varmebehov, da graddagetallet udelukkende er retningsgivende for varmebehovet til rumopvarmning. Varmebehovet til varmt brugsvand indgår ikke heri, og dette må forventes at være mere stabilt end varmebehovet til opvarmning, som er afhængig af ydre parametre. Det må derfor vurderes hvordan fordelingen er på henholdsvis opvarmning og varmt brugsvand på det enkelte varmeværk for at vurdere udsvingene i varmebehovet fra år til år. Et forsigtigt skøn vil dog være minimum ± 10 % Graddage Middelværdi Figur 32 Udviklingen i graddage gennem de seneste 30 år ( ) (55) (31) (56) Hvis anlægget dimensioneres efter 100 % solvarme, vil det være nødvendigt at tage i betragtning hvordan det håndteres, når solvarmeproduktion og varmeforbrug ikke passer sammen. Worst case i den forbindelse vil være et varmt år med mange solskinstimer. Dette vil betyde et lavt varmeforbrug og en høj solvarmeproduktion. Side 65

66 Betragtes tallene fra Gram fjernvarme for 2012 med indeks 100 i middelværdien for produktion og forbrug fås følgende: Gram Fjernvarme. Forudsat 100 % produktion Indeks ift. middel 2012 [MWh] Produktion 106, Forbrug 92, Figur 33 Indekstallene og heraf akkumuleret produktion og forbrug for 2012 for Gram Fjernvarme Worst case Indeks ift. middel Pr. år [MWh] Produktion Forbrug Overskud Figur 34 Worst case med produktion 18 % over middel og forbrug 10 % under. På den baggrund vil det være nødvendigt at tage stilling til hvordan det håndteres, når der er større produktion end forbrug. Det er ikke muligt at slukke for solfangerne, da det vil betyde overophedning af dem, hvis der lukkes for cirkulationen. Varmelageret vil med dimensionering ud fra middelår kun kunne lagre produktionen for et middelår. Det betyder at der i worst case vil være et overskud af varme på næsten MWh i et anlæg på størrelse med Gram Fjernvarmes. Det vil derfor være nødvendigt, enten at bortlede overskudsvarmen fra varmelageret ved at cirkulere gennem solfangerne om natten, eller det vil være nødvendigt at underdimensionere solfangeranlægget, så det i de varmeste år kun opnår en produktion på 90 % af et middelårsforbrug. På den måde undgås det at der opstår en situation Hvor der produceres mere varme end der forbruges. Dette kræver derimod at der bruges supplerende energi til den resterende varmeproduktion. For at bestemme størrelsen af solproduktionen så bortledning af varmen undgås opstilles en ligning for det modsatte af worst case Solproduktion indeks 118 = varmeforbrug indeks 90 Solproduktion = = MWh Side 66

67 Med den dimensionering vil der ikke på noget tidspunkt blive produceret mere varme end der forbruges, men det stiller krav om større andel af supplerende varme, da det i langt de fleste år vil være nødvendig at supplere solvarmeproduktionen. Behovet for supplerende varme vil her være forskellen mellem minimal solproduktion og maksimal varmeforbrug ud fra ovennævnte dimensionering. Supplerende varmebehov = (24.120,3 x 81/100) = MWh Ønskes der derimod en 100 % dækning med solvarme uden behov for supplerende energi i normaldrift dimensioneres således at laveste solvarmeproduktion (indeks 81) dækker højeste varmeforbrug (indeks 110). Heraf ligningen: Solproduktion indeks 81 = varmeforbrug indeks 110 Solproduktion: = MWh Det betyder at der groft set er tre alternativer: 1. Fuld solfangerdækning uden supplerende energibehov i normaldrift. Behov for relativ stor varmebortledning. 2. Afstemt solfangerdækning med solfangere og varmelager dimensioneret i indeks 100. Her er der behov for både supplerende energi og varmebortledning. 3. Begrænset solfangerdækning med relativt stort behov for supplerende energi, men ingen behov for varmebortledning. Dimensioneringsalternativer Alternativ Solfanger Varmelager Supplerende Bortledning (indeks 100) energi [MWh] [MWh] [MWh] [MWh] Tabel 15 Dimensioneringskrav til solfanger, varmelager, supplerende energi og bortledningskapacitet Tabel 15 viser de minimumskrav der er til kapaciteterne for henholdsvis solfanger supplerende varme og bortledning. Varmelageret er dimensioneret ud fra tidligere beregning til at indeholde ca. 50 % af et års varmeforbrug. I de tre alternativer er der brugt forbruget i indeks 110, som er maksimalt årsforbrug. Side 67

68 Procentuel fordeling af varmekilder Alternativ Solfanger Supplerende energi I alt [%] [%] [%] Tabel 16 Den procentuelle fordeling af varmekilderne i de tre alternativer. I Tabel 16 ses hvordan varmeforsyningen er fordelt på henholdsvis solfanger og supplerende energikilde. Disse tal vil være gældende for år med maksimal produktion. Denne fordeling vil være anderledes ved andre forbrugs- og produktionsindeks. Delkonklusion Som det fremgår af Tabel 15 vil alternativ 1 med 100 % solfangerdækning medføre en uforholdsmæssig stor varmebortledning i de varme år. Da det samtidigt betyder at der ingen supplerende varmeforsyning er i tilfælde af driftsstop på solfangerne vil alternativ 2 og 3 være de mest realistiske at dimensionere ud fra. 5.5 Priskalkulation Ved anvende de data for omkostninger og dimensionering udregnet i rapporten opstilles økonomiske beregninger for de tre alternativer. Det er forudsat i beregningerne at størrelse og pris er direkte proportionale. Solfangere Ved beregningerne af MWh-prisen på solfangere bruges de beregnede data fra afsnit 5.1 For at dække Gram Fjernvarmes årsbehov på MWh (Gennemsnit for ) skal der investeres 128,52 mio. kr. Heraf MWh-prisen: = 4.505,- kr./mwh Varmelager Ved beregningerne af MWh-prisen på varmelageret bruges de beregnede data fra afsnit 5.2 For at dække Gram Fjernvarmes lagerbehov på MWh (Gennemsnit for ) skal der investeres 46,5 mio. kr. Heraf MWh-prisen: = 3.195,- kr./mwh Side 68

69 Supplerende energi Grøn Fjernvarme Ved beregningerne af MWh-prisen på supplerende varme bruges de beregnede data fra afsnit 5.3 Det forudsættes at der kan indkøbes billig el i gennemsnitligt 2 timer pr dag. Derfor antages det at en 10 MW elkedel har 730 driftstimer om året. Heraf: Årsproduktion: 730 timer x 10 MW = MWh Størrelsen på investeringen i en 10 MW elkedel er forbundet med en vis usikkerhed, men iflg. tal fra Skagen Varmeværk vil det udgøre ca. 4,6 mio. kr. Heraf MWh-prisen: = 630,- kr./mwh Samlet investering Dataene for årligt forbrug er beregnet i Tabel 15 Alternativ 1 Solfangere: MWh x 4.505,- kr./mwh = 193,5 mio. kr. Varmelager: MWh x 3.195,- kr./mwh = 55,6 mio. kr. I alt: = 249,1 mio. kr. Alternativ 2 Solfangere: MWh x 4.505,- kr./mwh = 142,5 mio. kr. Varmelager: MWh x 3.195,- kr./mwh = 55,6 mio. kr. Supplerende varme: MWh x 630,- kr./mwh = 5,8 mio. kr. I alt: = 203,8 mio. kr. Alternativ 3 Solfangere: MWh x 4.505,- kr./mwh = 108,5 mio. kr. Varmelager: MWh x 3.195,- kr./mwh = 55,6 mio. kr. Supplerende varme: MWh x 630,- kr./mwh = 9,6 mio. kr. I alt: = 137,8 mio. kr. Side 69

70 Tilbagebetaling Grøn Fjernvarme Den samlede investering skal betales af forbrugerne via varmeafregningen. Der beregnes derfor hvad investeringen kommer til at betyde for kwh-prisen. Der regnes med et årsforbrug på MWh (indeks 100). Den fremkomne pris er dog for den mængde varme der forlader værket, og ikke den mængde der når ud til slutbrugeren, så der skal efterfølgende tages højde for et evt. ledningstab. Regnearket til udregning af tilbagebetaling er vedlagt som Appendiks 9. Amortisering (57) Omkostninger pr kwh Alternativ Årsforbrug Investeringssum Tilbagebetalingstid Pris pr kwh [MWh] [kr] [år] [kr] , , , , , , , , ,35 Tabel 17 Oversigt over kwh-prisen for tilbagebetaling af investering. I Tabel 17 er beregningerne på baggrund af en rente på 5 % p.a. Hvis regeringen gør alvor af planerne om at sænke renten på klimavenlige investeringer til omkring 3 % vil det på alternativ 2 med en tiårig tilbagebetalingstid betyde et fald i kwh-prisen fra 82 øre til 75 øre. Der skal i alternativerne 2 og 3 tillægges indkøb af el til den supplerende energikilde. Side 70

71 6 Konklusion Grøn Fjernvarme Gennem denne rapport er følgende problemformulering forsøgt besvaret. Kan der dimensioneres et fjernvarmeværk baseret på solfangere og overskudsstrøm fra vindmøller for en by på størrelse med Gram? Hvor stort et solfangerareal skal der til at dække varmeforbruget? Hvor stor sæsonlagringskapacitet er der behov for? Hvor stor en del af varmen skal komme fra supplerende el? Herudover er der udført en række forsøg for at underbygge teorien om flowhastighedens betydning for solfanger-effektiviteten. Ved beregninger på data taget fra det allerede eksisterende anlæg i Gram er det i rapporten vist, at det for at dække Grams behov for varme vil være nødvendigt at etablere et solfangeranlæg med et transparent solfangerareal på knap m 2. Dette anlæg vil fylde et areal på ca. 25 ha og det vil koste omkring 128,5 mio. kr. at opføre det. Til trods for de store dimensioner er det ikke urealistisk at etablere et sådant anlæg. I rapporten er beregningsmetoden for størrelsen og etableringsomkostningerne af et damvarelager gennemgået. Med baggrund i denne gennemgang er størrelsen af den nødvendige lagerkapacitet til dækning af Grams behov udregnet. Herefter er etableringsomkostningerne for dette damvarelager estimeret på baggrund af tal fra gamle rapporter. Det viste sig, at sæsonlagringskapaciteten skal være på godt m 3 for at dække behovet og at det vil koste knap 47 mio. kr. at etablere lageret. Beregninger foretaget i rapporten påviste, at det vil være urealistisk at dimensionere anlægget med 100 % dækning af solvarme. Efterfølgende beregninger viste ikke en entydig fordeling af solvarme og supplerende energi. Forsøgene omkring flow-hastighedens indvirkning på solfangerens effektivitet påviste en tydelig sammenhæng mellem disse. Resultaterne skal dog tages med et vist forbehold, idet antallet af forsøg er relativt lille. Det understøttes dog af teorien, at der vil være en sådan sammenhæng. Side 71

72 7 Perspektivering Der konkluderes i denne rapport, at det er muligt at dimensionere og opbygge et fjernvarmeværk, baseret på solfangere og damvarmelager. Foruden at skabe arbejdspladser her og nu, både for ufaglærte, faglærte og højtuddannede, så vil det desuden være med til at de langsigtede mål om en reduktion af CO 2 -udledningen opfyldes. Hvis de fjernvarmeværker, der har muligheden, valgte at anlægge et solvarmeanlæg, ville det betyde en vækst i beskæftigelsen. Det er rent samfundsøkonomisk fornuftigt, men også miljø- og klimaøkonomisk vil det være en god forretning. Når anlæggene er opført er de stort set CO₂-neutrale, afhængig af hvilken form for supplerende energi, der er valgt og hvordan elektriciteten til den øvrige drift er produceret. Hvis der desforuden opføres flere vindmøller, rejser det nye udfordringer med at håndtere den øgede elproduktion både i form af smartgrid og energilagring. Ved at øge antallet af solfanger- og el-baserede fjernvarmeværker afhjælpes en del af denne problemstilling. Det vil desuden begrænse salget af billig overskuds-el til bl.a. Norge og Sverige. Dette er også helt i tråd med politikkernes udmeldinger omkring de tiltag, der skal gøres for at forbedre miljø og klima. Realiteten er dog ofte en anden. Afgiftspolitikken styrer desværre udviklingen og begrænser ofte klima- og miljøtiltag. Senest er det set med solcellerne, hvor reglerne blev ændret, da der var for mange, der investerede i solceller for at reducere egne udgifter til el. Det betød dog at staten kom til at mangle afgiftsindtægter, og derfor ændrede ordningen til at være mindre fordelagtig for den enkelte investor. På fjernvarmesiden opleves en lignende problemstilling. Statslige selskaber, som DONG forsøger at fastholde brugen af naturgas. Dette er med til at hæmme omlægningen til mere klimavenlige energiformer. DONG har således sået tvivl om Gram Fjernvarmes udvidelse af solvarmeanlægget, og indgivet en klage til energiklagenævnet. På trods af at Grams indbyggere ønsker mere solvarme, og der er fremvist et budget med en fornuftig tilbagebetalingstid på under 10 år, er det muligt for sådan et stort selskab at forsinke et godt fremskridt. I stedet for at fastholde naturgassen i fjernvarmen med tvang, er det måske en bedre løsning at finde alternativ anvendelse af denne. Eksempelvis indenfor transportsektoren. Det vigtigste er at politikkerne ser ud over afgiftspolitikken, når alternative energiformer skal vurderes. Hvis der planlægges udelukkende ud fra simpel økonomi og for lidt fremsynethed, vil det bremse udviklingen af ny teknologi. Knowhow er det Danmark skal leve af i fremtiden. Side 72

73 8 Bibliografi 1. Danmarksrejsen.dk. Danmarksrejsen.dk. [Online] [Citeret: ] 2. Energistyrelsen. Bruttoenergiforbrug og endeligt energiforbrug - Energistatistik [Online] [Citeret: ] %20publikationer/energi%C3%B8konomi%20og%20- statistik/2009/html/energi_08/html/kap07.htm. 3. Rambøll Danmark, Aalborg Unniversitet. Varmeplan Danmark Varmeplan Danmark Danmarks Statistik. Nyt fra Danmarks statistik. Bygningsopgørelse januar [Online] [Citeret: ] 5. Fjernvarme, Dansk. [Online] juni [Citeret: 15. maj 2013.] aterialer/temadage/aalborg260612/afgifter%20energiforlig% ashx. 6. Dansk vindmølle institut. [Online] [Citeret: 10. marts 2013.] 7. Danmarks Statistik. BOL102: Boliger efter område, beboertype, anvendelse, opførelsesår, opvarmningsforhold, toiletforhold, badeforhold og køkkenforhold. [Online] [Citeret: ] 8. Energinet. Udtræk af markedsdata. [Online] [Citeret: ] 9. Energistyrelsen. Energistatistik [Online] [Citeret: 12. Maj 2013.] 10. Energinet.dk. Energinet.dk - Reserver og regulerkraft. [Online] [Citeret: ] Energistyrelsen. Affaldsforbrænding. [Online] [Citeret: 20.. marts 2013.] DK/UNDERGRUNDOGFORSYNING/VEDVARENDEENERGI/BIOENERGI/AFFALD/Sider/ Forside.aspx. 12. Energistyrelsen. Geotermi. [Online] [Citeret: 20.. marts 2013.] Side 73

74 DK/UndergrundOgForsyning/Anden_anvendelse_af_undergrunden/Geotermi/Sider /Forside.aspx. 13. Energistyrelsen. Bistand til økonomisk trængte barmarksværker: Varmepriser nu og i fremtiden. [Online] [Citeret: ] DK/Politik/Dansk-klima-og-energipolitik/regeringensklimaogenergipolitik/forhandlinger11/Forhandlinger_om_Vores _energi/documents/bistand%20til%20oekonomisk%20traengte%20barmarksvoerk er%20-%20varmepriser%20nu%20og%20i%20fremtiden.pdf. 14. Nordisk folkecenter for vedvarende energi. Barmarksværker. [Online] [Citeret: ] Naturstyrelsen. [Online] [Citeret: 12. Maj 2013.] B F/0/Energifrabiomasse.pdf. 16. reka. [Online] REKA. [Citeret: 15. maj 2013.] Bioethics, Nuffield Council on. [Online] [Citeret: 15. maj 2013.] %20REPORT_0.pdf [Online] [Citeret: 15. maj 2013.] [Online] [Citeret: 16. maj 2013.] Rambøl. vbn.aau.dk. [Online] 18. Oktober [Citeret: ] Regeringen. [Online] 18. april [Citeret: ] C42300F23CCA/0/GROENVAEKST_2904rapporten.pdf. 22. avisen, Landbrugs. landbrugsavisen.dk. [Online] 24. August [Citeret: ] le+byen+op.htm. 23. gedstedvarme.dk. gedstedvarme.dk. [Online] 2010 til [Citeret: ] rsrapport_ pdf. 24. Rambøll. Affaldsforbrænding. [Online] oktober [Citeret: ] y. Side 74

75 25. Amager ressource center. presserum. [Online] 04.. september [Citeret: 20.. marts 2013.] Wittrup, Sanne. Hvert tredje forbrændingsanlæg fylder udenlandsk affald i ovnen. Ingeniøren. [Online] 1.. marts [Citeret: 17.. maj 2013.] Store solvarmeanlæg i fjernvarmesystemer. [Online] [Citeret: 07. april 2013.] DTU, Kaj Christensen. vidensystem.dk. [Online] [Citeret: ] DMI. dmi.dk. [Online] [Citeret: ] vvfs.dk. Varmt vand fra solen. [Online] [Citeret: 18. maj 2013.] reo.dk. [Online] [Citeret: 20. maj 2013.] Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Robert H Turner. Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, ISBN Heilmann, Thomas. Pumpedrift og energi. Holte : Heilmanns Forlag, ISBN Alfred Heller. Carsten Wesenberg, Niras. Aage Hansen, Niras. udvikling af flydende lågkonstruktionertil damvarme lagre, løsning tyndplade stål. s.l. : DTU , Fabrik, kunststof. pkkaps.dk. [Online] [Citeret: ] alibaba.com. alibaba.com. [Online] 29. April [Citeret: 29. April 2013.] Ole Olesen, labeoratoriet for varme-isolering, DHT. Torsten Bliksted, Nellemann A/S. Carsten Wesenberg, Nellemann A/S. Per Alex Sørensen, PlanEnergi. Forberedelse af varmeanlæg med solfanger og lertætnet Damvarmelager Ussing, Kurt Keilsgaard Hansen. Preben Nordgaard Hansen. Vagn. Seasonal heat storage in underground warm water stores, Dimensioning and planning of a full size store. København : DTU, U., Pedersen S. and Nielsen. Fastlæggelse af levetider for plastliner til sæsonvarmelagre. s.l. : (Danish) Technological Institute, Side 75

76 40. Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Robert H. Turner. Tabel A15. Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, Forced convection, s Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, Forced Convection, s Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Robert H Turner. Forced Convection, s Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, Dong Energy. Typisk varmeforbrug. [Online] [Citeret: den 31.. marts 2013.] 0varmeforbrug/Pages/index.aspx. 45. Gram Fjernvarme har i 2009 opført et m2 solvarmeanlæg. Skørping : Arcon Solar, energitjenesten. energitjenesten.dk. Luft til vand armepumpe. [Online] marts [Citeret: 28.. april 2013.] 47. DMI. solkonstanten. DMI. [Online] [Citeret: ] Cappelen, John. Denmark - DMI Historical Climate Data Collection No Data sheet. DMI.dk. [Online] DMI, [Citeret: ] (ed), Mikael Scharling. Teknisk rapport Månedlige opgørelser af graddage. DMI.dk. [Online] DMI, [Citeret: ] ISSN: DMI. DMI - Tekniske rapporter fra DMI. [Online] DMI, [Citeret: ] Excelregneark.dk. Privatbudget og økonomi. [Online] [Citeret: ] Dansk Fjernvarme. Brancheforening. Udviklingstendenser i dansk fjernvarme. [Online] [Citeret: ] atistikker/udviklingstendenserdanskfjernvarme2011.ashx. 53. Planenergi. energinet.dk. [Online] [Citeret: ] ning%20-%20psoprojekter/6750%20europ%c3%a6isk%20samarbejde%20omkring%20udvikling%20 af%20solvarmelagre%20til%20brug%20i%20kraftvarmesystemer.pdf. 54. Heller, Alfred. Investigation on floating lid construction pit water storage Ottrupgaard, Denmark. s.l. : Department of buildings end energy, DTU isbn , Side 76

77 55. WPT vindkonverter. [Online] [Citeret: 10. marts 2013.] windpro. [Online] [Citeret: 10. marts 2013.] solvarmedata.dk. Solvarmedata. [Online] [Citeret: 13. maj 2013.] Solar Feeds. Solar Feeds. [Online] [Citeret: 21. maj 2013.] P. Henning Jensen ApS. [Online] [Citeret: 6. marts 2013.] Bosch. [Online] [Citeret: 6. marts 2013.] geoteknisk.dk. [Online] [Citeret: 18. marts 2013.] energinet.dk. [Online] [Citeret: 4. marts 2013.] Yunus A. Cengel, John M. Cimbala, Robert H Turner. Forced Convevtion, s Thermal-Fluid. s.l. : McGraw-Hill, Forced Convection, s Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, Forced Convection, s Thermal-Fluid sciences. s.l. : McGraw-Hill, Forced Convection, kap 19. Thermal-Fluid Sciences. s.l. : McGraw-Hill, H. E. Hansen, P. Kjerulf-Jensen, Ole B. Stampe. Varme- og klimateknik, Grundbog 3. udgave. s.l. : Danvak ApS, ISBN styrdinvarmepumpe.dk. Hvad betyder COP, hvordan måler vi den, og hvorfor er den lavere end den fabrikanten oplyser? [Online] [Citeret: 28.. april 2013.] Side 77

78 9 Appendiks 9.1 Appendiks 1. Danmarks Statistik varmefordeling efter antal Side 78

79 9.2 Appendiks 2. Danmarks Statistik varmefordeling efter areal Side 79

80 9.3 Appendiks 3. Trykfaldskurve for solfanger Side 80

81 9.4 Appendiks 4. Omkostninger for damvarmelager tank volumen i kubikmeter kr. per kubikmeter for lermembran kr. per kubikmeter for stålliner kr. per kubikmeter for lermembran kr. per kubikmeter for stålliner Side 81

82 9.5 Appendiks 5. Priser for damvarmelager Side 82

83 9.6 Appendiks 6. Damvarmelager - Samlet ligning og udregning Samlet ligning: (( ( ) ( (( )) ( ) ) )) Hvis man sætter det tænkte eksempel ind i ligningen kommer den samlede pris for damvarmelageret til at være: (( ( ) (( )) ( )) ) = Side 83

84 9.7 Appendiks 7. Arealberegning Beregning af A3 F 3 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for f 3 (x) bestemmes ud fra formlen f 3 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (5 ; 5.149,48) Heraf: f 3 (x) = f 3 (x) = g 3 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 3 (x) bestemmes ud fra formlen g 3 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (5 ; 1.555,45) Heraf: g 3 (x) = g 3 (x) = Arealet, A3 bestemmes herudfra: Side 84

85 Beregning af A4. F 4 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for f 4 (x) bestemmes ud fra formlen f 4 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (6 ; 4.313,35) Heraf: f 4 (x) = f 4 (x) = g 4 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 4 (x) bestemmes ud fra formlen g 4 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (6 ; 1.175,55) Heraf: g 4 (x) = g 4 (x) = Arealet, A4 bestemmes herudfra: Side 85

86 Beregning af A5. F 5 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for f 5 (x) bestemmes ud fra formlen f 5 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (7 ; 4.130,78) Heraf: f 5 (x) = f 5 (x) = g 5 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 5 (x) bestemmes ud fra formlen g 5 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (7 ; 1.017,30) Heraf: g 5 (x) = g 5 (x) = Arealet, A5 bestemmes herudfra: Side 86

87 Beregning af A6. F 6 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for f 6 (x) bestemmes ud fra formlen f 6 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (8 ; 3.755,64) Heraf: f 6 (x) = f 6 (x) = g 6 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 6 (x) bestemmes ud fra formlen g 6 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (8 ; 1.007,25) Heraf: g 6 (x) = g 6 (x) = Arealet, A6 bestemmes herudfra: Side 87

88 Beregning af A7. F 7 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for f 7 (x) bestemmes ud fra formlen f 7 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (9 ; 2.124,72) Heraf: f 7 (x) = f 7 (x) = g 7 (x) bestemmes: Hældningskoefficienten, a beregnes Liniens ligning for g 7 (x) bestemmes ud fra formlen g 7 (x) = y = a(x x 0 ) + y 0 : (x 0 ; y 0 ) = (9 ; 1.291,40) Heraf: g 7 (x) = g 7 (x) = x værdien i skæringspunktet mellem f 7 (x) og g 7 (x) bestemmes: Her gælder at: f 7 (x) = g 7 (x) = Arealet, A7 bestemmes heraf: Side 88

89 9.8 Appendiks 8. Regression på cas Potensregression fremgangs måden på cas: Først vælges stat/list hernæst indsættes tallene fra (34) på list 1 og list 2 Så trykkes der på calc, hvor regression vælges, og under denne fane vælges potensregression Så vælges list 1 og list 2 til beregningen, og man får resultatet Side 89

90 Dette resultat har en procentmæssig afvigelse på ca. 1 %, dette ses på r^2 tallet. Side 90

91 9.9 Appendiks 9. Amortisering Amortisationsplaner Hovedstol ,00 I alt renter ,31 Antal terminer pr år 4 I alt afdrag ,00 Nom. Rente/ år 4,00% Løbetid i år 10,0 (Max 30 år ved 4 terminer og 10 år ved 12 terminer årligt) I alt Udgifter ,31 Ydelse/per termin ########### Termin År Restgæld Rente Afdrag Ydelse akk. Rente akk. Afdrag , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,00 0, , , , ,81 Side 91

92 9.10 Appendiks 10. Solvarmeudnyttelse Solfangerareal m² Solindstråling Wh/m² Produktion MWh Produktion pr. m²kwh Udnyttelsesgrad ift Solindstråling i % Strandby Kraftvarmeværk ,8 Sæby varmeværk ,8 Ulsted Fjernvarme ,3 Feldborg Kraftvarmeværk ,4 (sept-dec) Ørnhøj-Grønbjerg ,8 Kraftvarmeværk(sep-dec) Ringkjøbing Fjernvarme ,8 Ejstrupholm Varmeværk ,3 Skovlund Varmeværk (augdec) ,6 Brædstrup Fjernvarme ,5 Tørring Kraftvarmeværk ,7 Hejnsvig Varmeværk ,3 Tistrup Varmeværk ,1 Oksbøl Varmeværk ,2 Gørding Fjernvarme (aprdec) ,0 Gram Fjernvarme ,9 Vojens Fjernvarme ,1 Gråsten Fjernvarme (julidec) ,7 Broager Fjernvarme ,5 Sønderborg Fjernvarme ,5 Ærøskøbing Fjernvarme ,9 Marstal Fjernvarme ,0 Sydfalster Varmeværk ,5 Vejby Varmeværk (juni-dec) ,0 Helsinge Fjernvarme (junidec) ,2 Jægerspris Fjernvarme ,1 Side 92

93 9.11 Appendiks 11. Eksempler på dataindsamling. Side 93

94 Side 94