Delprojekt Metoder til opsamling af overskudsenergi væksthuse.

Transkript

1 GAU 2008 Projekt, Nedsættelse af energiforbruget og CO 2 emissionen fra væksthusgartnerierhvervet. Delprojekt Metoder til opsamling af overskudsenergi væksthuse. Indledning. Gartnerierne har altid været dygtige til at tilpasse sig den energimæssige situation og hurtigt omstillet sin energiforsyning til det den mest lønsomme. Det har medført at nogle gartnerier har anlæg der kan fyre med mere end 3 af de fossile brændselstyper. For gartnerierne er et sikkert og stabilt energiforsyningssystem er en af de vigtigste forudsætninger for en planteproduktion. Kan der udvikles andre energiforsyningssystemer baseret på vedvarende energi og bedre udnyttelse af de energistrømme der er i væksthuset og kan de opfylde sikkerhedskravene. Vil sådanne systemer hurtigt finde vej til væksthusgartnerierne. Over de sidste 10 år er energiforbruget til opvarmning faldet med over 20 %, til et gennemsnitligt energiforbrug på ca. 450 kw pr m² for et standard år og for et velholdt væksthusareal med potteplanter. El forbruget er i gennemsnit opgivet til 96 kwh pr m² pr år for væksthusareal installeret med vækstlys. For væksthusarealer uden vækstlys er tallet 8 til 20 kwh pr m² pr år. Tallene dækker over store variationer fra gartneri til gartneri. Nøgletallene er hentet fra den energidatabase, som GartneriRådgivningen har opbygget på baggrund af erhvervets Brancheaftaler med Energistyrelsen, om gennemførelse af energieffektive tiltag i væksthusarealerne. Med de energieffektiviseringer der allerede er gennemført bliver det vanskeligt med de nuværende tekniske løsninger, at reducere energiforbruget med mere end %. Det betyder at energiforbrug til opvarmning for et gartneri med høj teknisk stade og udvidet klimastyring vil ligge på 300 til 350 kwh pr m² pr år for et standard år. For yderligere at reducere den fossile andel af energiforbruget til opvarmning, er det nødvendigt, at se på mulighederne for udnyttelse af alternative energikilder som sol, vind m.m. Kendetegnet for alternative energikilder er, at de er vanskelige at kontrollere og at de ikke altid er der når der er behov for energien. Det gælder ligeledes, at kapaciteten og effektiviteten øges betydelig hvis det er mulig at lagre denne energi til tidspunkter hvor der er energibehov. Det vil kræve helt nye energiforsyningssystemer, hvor der skal udvikles systemer til energiekstraktion, opretholdelse af væksthusklimaet og energilagring. Alternative energiforsyningssystemer. Af de alternative energikilder der er til rådighed er udnyttelse solenergien den mest nærliggende væksthuse som i sig selv er fortræffelig solfanger. Beregninger baseret på

2 referenceåret DRY har vist, at indstrålingen i væksthuset gennem en klimaskærm bestående af lag 4 mm glas ligger på ca.850 kwh pr m² pr år, eller over dobbelt så meget energi som væksthuset bruger til opvarmning. Ved at ekstraherer halvdelen af den indkommende energi, gemme det og genbruge energien når der er behov for opvarmning, vil det være mulig rent teoretisk, at opvarme væksthusarealet uden brug af fossile brændsler. Dækningsgraden afhænger af det dimensionerende varmetab og den effekt det alternative energiforsyningssystem er dimensioneret efter. Solstrålingen er en umådelig energikilde der bør have meget mere fokus, helt generelt er den energimængde fra solen, der om året rammer jordens overflade mere end gange større end den samlede menneskeskabte energiomsætning. Endnu er vi ikke særlige gode til at udnytte denne energi. Almindelige solfangeranlæg er ikke taget med her, men kunne indgå i overvejelserne, som et supplement til den alternative energiforsyning. Væksthusets varmeanlæg dimensioneres efter et varmebehov på 320 W pr m² væksthusareal pr år, med en temperaturdifferens på 30 C. Ved dimensionering af kedelanlæg og varmeflader kan der tages hensyn til ændring i det dimensionerende varmetab som følge af mere isolerende dækkematerialerne, gardinanlæg samt størrelsen af vækstlys installationen. Opvarmningen af væksthuset sker via varmeflader bestående af 5/4 rør og placeret i top, sider og under bordene i væksthuset. Styring og regulering af væksthusklimaet sker i dag ved opvarmning via varmefladerne, er der for høj luftfugtighed eller for høj temperatur, ventileres der gennem vinduesarealerne i tagfladen. Varmeekstraktion. For at udnytte overskudsenergien fra solindstrålingen og gøre væksthuset energineutralt, er det nødvendige at udvikle et helt nyt energiforsyningssystem der indeholder energiekstraktion, energilagring og genbrug af energi. Der eksisterer andre alternative energiforsyninger, alle disse energiforsyninger kan i princippet bruges enkeltvis eller i kombination, det afhænger af forsyningssikkerhed, investeringer og driftsomkostninger. Væksthuset er som nævnt en fortræffelig solfanger, det er derfor mest nærliggende at undersøge om solenergien, er den alternative energiforsyning der har det største potentiale i forhold til væksthusarealer. Nedenstående kurve viser den månedlige indstrålingensum på vandret for reference året DRY, de to andre kurver viser det månedlige varmeforbrug pr m² væksthusareal i et standard år (DRY). Den blå kurve (gns. Vtab) viser det månedlige varmeforbrug pr m² væksthusareal for et årligt varmeforbrug på 545 kwh pr m². Den grønne kurve (nyt Vtab) viser det månedlige varmeforbrug pr m³ væksthusareal for velisolerede væksthuse med et årligt varmeforbrug på 350 kwh pr m².

3 Figur 1. Kurverne viser den månedlige indstråling på vandret og det månedlige energiforbrug for en gennemsnits- og en velisoleret væksthuskvadratmeter. Kurverne viser et stort potentiale for ekstraktion af solenergien i væksthusarealer, den indstrålede energimængde er 2 til 3 gange større en den varmemængde der er krævet til opvarmning af væksthusarealet. For at kunne udnytte den viste energimængde, skal der designes et system der kan trække energi ud af væksthuset, lagre den og gemme den til der er et energibehov. Grundvandskøling. For at ekstraherer overskudsvarmen fra væksthusarealerne er det nødvendigt med en eller anden form for kølemedie. I bygninger og industriprocesser har man siden 1996 brugt grundvand som kølemedie. Principperne bag grundvandskøleanlæg er ganske enkel og kan beskrives to boringer og en varmeveksler. Fra den ene boring pumpes det 9 C kolde vand op til varmeveksleren, hvor der veksles med det varme vand fra væksthuset, derefter reinjekseres det opvarmede grundvand via den anden boring til et undergrundsmagasin, grundvandet cirkuleres i sit helt eget lukkede system. Køleanlæggets kapacitet afhænger helt undergrundens geologiske sammensætning og den vandmængde der kan pumpes op. Erfaringerne fra de etablerede grundvandsanlæg viser, at undergrunden i store dele af Danmark er velegnede til etablering af nævnte anlæg. Erfaringerne viser også, at det varme vand reinjekseres holder sin højere temperatur over lang tid. Temperaturen falder ca. 1 C i løbet af 2 til 3 måneder. Det således, muligt gemme f.eks. overskudsvarmen fra væksthusarealerne fra sommer til vinter i undergrundsmagasinerne. Når der skal bruges varme vendes vandstrømmen og det varmevand pumpes op og via en varmepumpe opvarmes vandet 50 til 70 C Nedenstående figur viser princippet ved ekstraktion af varme i væksthuset ved det kolde grundvand og gemme den ekstraherede varme i grundvandsmagasinet. Det er ikke lige til at få tilladelse til at borer i undergrunden. En ny bekendtgørelse har banet vejen Bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøleanlæg. Der er ligeledes åbnet mulighed for, at søge om dispensation til at hæve grundvandstemperaturen til 30 C.

4 Figur 2. Principperne for et grundvandsanlæg med ekstraktion of overskudsvarmen og lagre den i undergrunden Køling og ekstraktionssystemer. I Holland arbejdes der med lignende projekter det lukkede og det semilukkede væksthus hvor det primære var at afkøle væksthuset og gemme den udtrukne energi i undergrunden. Til afkøling af væksthusene anvender hollænderne standard ventilations- og køleenheder eller de opbyggede specialenheder tilpasset væksthusmodulet. Nedenstående billeder viser eksempler på nogle af de ventilationsenheder der anvendes i hollandske væksthuse. Ventilationsenhederne har en køleeffekt op til 200 W/m ² og der regnes med en luftcirkulation på op til 15 gange i timen. I grøntsags gartnerier anvendes et lidt andet system her placeres der ventilationsposer til indblæsning under dyrkningsrenderne og der trækkes luft i gavlene. Nedenstående viser eksempler på ventilationsenheder der anvendes i Holland til køling af væksthusarealerne

5 Figur 3. Ventilations anlæg med køle- og varmeflade til placering under dyrkningsbordene. Figur 4. Standard køle/varmeunit til ophængning under tagfladen.

6 Figur 5. Speciel designet ventilationsunit med køle- og varmeflader til montering mellem væksthusets søjlerækker. Figur 6. Posekøling specielt designet til tomat og agurkproduktion.

7 Ekstraktionsanlæg. I projektet Intelligent Energihåndtering er designet et andet princip, hvor energiekstraktion har højeste prioritet. I projektet arbejdes der med et centralt ventilationsanlæg, hvis eneste funktion er at ekstrahere så meget indstrålingsenergi som muligt, ved at placere indtaget over skyggegardinerne tage den opvarmede luft (35 til 55 C) fører den over kølefladen (ca. 10 C) og blæse den afkølede luft (16 til 24 C) ud under bordene. Figur 7. Principskitse for ekstraktions anlæg. Ekstraktionsanlægget beregnes efter et luftskifte på min. 1,5 gang i timen. Ved valg af skyggeanlæg er det en fordel, at skyggeanlægget har en meget lille skyggevirkning, således anlægget kan være trukket for i så lang tid som mulig. De yderste fag af skyggegardinet kan styre og reguleres uafhængig af det øvrige gardin og kantrækkes fra når der skal ekstraheres varme. Anlægget kan ligeledes bruges affugtning og fjerne varmen fra vækstlyset. Andre former for varmeekstraktionsanlæg bør undersøges, f.eks. bruge væksthusets eksisterende varmeflader, andre typer af ventilationsanlæg og ved placering af flere varmerør eller ribberør i toppen af væksthuset som en slags solfanger. Energilager og akkumuleringstanke. For at kunne udnytte de alternative energiforsyninger er det nødvendigt med en form for lagring af energien i kortere eller længere tid. Der er flere måder at lagre energien på, men det der er mest nærliggende set ud fra tilgængelige teknologier, er at vand er det medie der bør satses på. Der skelnes mellem flere former lager et korttidslager, et langtidslager og om lageret opvarmes til C eller til C. Korttidslager. Korttidslager beregnes ud fra, at kunne dække varmebehovet fra dag til nat eller få dage i sommer halvåret. Denne lager form vil typisk være akkumuleringstanke eller vandbassiner f.eks. placeret under væksthuset. Korttidslager vil i overvejende grad være isolerede ståltanke (akkumuleringstank), der kan lagre vand på over 70 C i en kort periode. Størrelse af buffer tank afhænger af, hvilken

8 overskudsenergi der er til rådighed og i hvilke mængder. For eksempel fik de buffertanke der blev dimensioneret til kraftvarmeanlæggene en størrelse, der svarede til ca. en dags kørsel med anlægget. Vandbassiner kan lige som ståltankene lagre energi i kortere tid. Bassinerne er vanskeligere at isolere, hvilket kan betyde et væsentlig større varmetab i lagringsperioden. Mest velegnet til lagring 30 til 40 C varmt vand. Korttidslager har typisk en lagerstørrelse på op til 5000 m³ Langtidslager. Undergrundsanlæg med vand som medie Før etablering af anlæg skal ansøgning indsendes til kommunen. Etablering af sådanne anlæg er gjort nemmere med udgivelsen af bekendtgørelse om varmeindvindingsanlæg og grundvandskøling (BEK nr af 24/11/2006). Bekendtgørelsen fastsætter regler for kommunalbestyrelsen meddelelse af tilladelser til etablering og drift, samt sikring af grundvandskvaliteten. Der er generelt gode muligheder for herhjemme for at etablere et varmelager i undergrunden, især hvis lokaliteten er uden for de, såkaldte OSD - område (områder med særlige drikkevandsinteresser). De er mulig ud fra boringer til vandingsvand eller andre formål, at fastslå mulighederne i de bestemt områder. Når grundvandet anvendes som medie til varmeopsamling, er det indvinding - og afledningskapaciteten samt boredybden der er med til, at afgøre om der skal etableres et anlæg. Vandkapaciteter på over 30 m³ og boredybde på ca. 75 m er et rimeligt udgangspunkt. Undergrundsanlægget består af et lige antal boringer, halvdelen anvendes til oppumpning af det 10 C varme vand og den anden halvdel til reinjektion af det opvarmede undergrundsvand. Afstanden mellem de to sæt boringer bør minimum være 100 m. Det opvarmede returvand lejrer sig omkring boringerne og danner et varmelager på flere tusind m3. Anlægget beregnes som et termisk balanceret anlæg, således undergrundsmagasinet kun påvirkes i et begrænset område og i princippet vil den oplagrede varme være brugt inden for et år Undergrundsanlæg med undergrunden som medie. En anden metode at lagre energi i undergrunden er ved en såkaldt Geo Heat Energibrønd GHEB-system, systemet består at et speciel udviklet aluminiumsrør med en diameter på 100 mm. Aluminiumsrøret bores ca. 80 m ned i undergrunden, herefter pumpes vand ned i røret, der optager varmen fra jorden/grundvandet og fører varmen tilbage via en varmepumpe eller et kølesystem. Aluminiumsrøret er i princippet dobbelt så der ledes en vandstrøm ned i midten af røret og retur langs ydersiden. Materialet har en høj varmelednings evne så varmen hurtig kan overføres eller optages undergrunden omkring røret. Aluminiumsrøret er designet med et sikkerhedskammer og automatisk overvågning af lækage. Varmelageret opbygges ved at borer x antal rør ned, rørene placeres med en afstand på op til 15 m. Et lager der kan yde ca. 500 kwh, er beregnet til ca. 49 boringer i en dybde af 80 m. Lageret kan let udbygges, ved at tilfører flere boringer, da boringerne er lukkede skal der ikke tages hensyn til vandkapacitet og særlige drikkevandsinteresser. Der findes andre typer af energibrønde hvor der i stedet for aluminium anvendes et dobbelt plastrør udformet som en sløjfe. Herved kan det opvarmede vand føres ned i den ene side af sløjfen, afgive varmen til undergrunden og returneres afkølet i den anden side af sløjfen Nedenstående billede viser et dobbelt plastrør, der kan sænkes ned i en boring.

9 Figur 8. Dobbelt plastrør udformet som en sløjfe til nedsænkning en undergrundsboring. De to ovennævnte lagertyper kan kun opmagasinerer vand på ca. 30 C og vil når det opvarmede vand genbruges, bliver opgraderes via en varmepumpe til højere temperaturer. Overjordisk vandmagasin. Erfaringer fra solfanger anlæg har vist, at overjordiske vandbassiner/vandmagasiner er velegnet som varmelager for den indhøstede energi fra solfangerne. Med det rigtige design af vandmagasinet er det mulig, at gemme 70 C varmt fra sommer til vinter uden de store varmetab. Et overjordisk vandmagasin skal udformes på en sådan måde, at der er mindst mulig jordflade set i forhold til vandmængden og et volumen på over m³. Vandmagasinet udformes som en pyramidestub, hvor højden af pyramidestubben skabes ved udgrave ca. halvdelen af højden og bruge det op gravede jord til at denne den resterende af højden. Magasinet tætnes med en særlig plast dug og som låg udlægges mindst 800 mm tykt isoleringslag, der kan flyde på vandet. Økonomi. Den største hindring for at etablere det nævnte energiforsyningssystem med undergrundsanlæg, varmeekstraktion og varmepumpe i et gartneri er investeringen. Foreløbige overslagsberegninger viser at anlægsinvesteringerne vil ligge omkring 800 til 1200 kr. pr m² væksthusareal, jo større areal der skal dækkes jo lavere bliver investeringerne. En overslagsberegning for et væksthusareal på 5000 m², med et energiforbrug 450 kwh pr m² pr år og en energipris på 300 kr. pr MWh viser, at der med en investering på 5,2 mio. kr. og en dækningsgrad på 85 % af det årlige energiforbrug til opvarmning, bliver den simple tilbagebetalingstid på ca. 9 år.