Varmepumpe - tillæg til projektforslag

Transkript

1 Varmepumpe - tillæg til projektforslag Udarbejdet af: Torben Henriksen Dato: 19. oktober 2017 Version: 1

2 Visionen Den danske energisektor er i udvikling mod grønnere og mere bæredygtige produktionsformer. Tangeværket var allerede ved idriftsættelsen i 1921 i stand til at levere energi fremstillet på datidens mest hensigtsmæssige måde i forhold til klimaet. Med nutidens viden om klimaforandringer har bæredygtig energiproduktion aldrig været mere aktuelt. Den vision, der grundlagde Tangeværkets grønne el-produktion, har gennem tiden vist sit værd og indeholder samtidigt endnu et uudnyttet potentiale. Dette potentiale ligger i tråd med den holdning danske politikere i fremtiden ønsker skal kendetegne og markedsføre dansk energiproduktion, regionalt som nationalt. Dette notat beskriver forhold, der omhandler et projekt, som i de kommende mange år kan fastholde Tangeværkets position med hensyn til innovativ og miljørigtig energifremstilling. Tangeværket vil opføre et anlæg, der lægger et ekstra led i kæden for indvinding af energi alene ved brug af naturens ressourcer. Via vandets bevægelse gennem værkets turbiner fremstilles strøm. Vandet indeholder samtidigt termisk energi, som uden brug af pumpeeffekt og alene ved naturlig cirkulation, kan opsamles i varmevekslere. Den termiske energi vandet herved afgiver, kan efterfølgende opgraderes i temperatur gennem kompressorer, der drives af samme grønne el som værket selv fremstiller. Dermed er ringen sluttet for et bæredygtigt og blivende kredsløb for energifremstilling af både el og varme. Varmen fra anlægget vil blive afsat i fjernvarmenettet til glæde for forbrugerne. Bjerringbro og Ulstrup varmeværker (på sigt Ans og Rødkærsbro) har et ønske om aftage varmen, hvilket i sig selv er med til at opfylde deres målsætning omkring øget bidrag fra vedvarende og grøn varme direkte i borgernes huse. Anlægget vil arkitektonisk fremstå med respekt for naturen og i harmoni med den resterende bygningsmasse. Den bekvemme afstand mellem Tangeværket og Energimuseet fuldender helhedsindtrykket af anlæggets indpas i det naturskønne område. Rammerne omkring fremstilling af el- og varmeenergi i respekt for miljøet efterlader dermed et stærkt indtryk hos befolkningen Som positiv afledt effekt giver projektet Tangeværkets nabo, Energimuseet som intuition, mulighed for at formidle energifremstilling til en bred skare fra studerende til politiske beslutningstagere. Præsentation af innovativ energifremstilling, fra teori til praktisk udført, virker som en oplagt mulighed, der i samarbejde med Energimuseet, bør eksponeres med gensidig forretningsudvikling for øje. Med dette projekt, vil måden energi fremstilles og konverteres på, danne en reference, der giver genlyd i forsyningsbranchen. Samtidigt bringes varmefremstilling via varmepumpeteknologi ind på den politiske dagsorden som et praktisk anvendeligt virkemiddel når samfundets målsætning om fossilfri fremtid skal indfries. Visionen er at gøre dette projekt til et fyrtårn inden for dansk innovation og vedvarende energi. El fremstilling ved brug af vand har gennem tiden vist sit værd. Kombineres denne metode med nutidens teknologi for varmefremstilling skabes således et projekt, der rækker langt ud i fremtiden.

3 Indhold 1 NOTATETS FORMÅL HVORDAN VIRKER EN VARMEPUMPE Virkemåde VARMEPUMPEANLÆG OG FYSISKE PLACERINGER Overordnet placering af enhederne Ledningstracé Fordamper placering i turbinekammer Nedkøling af vand via energioptag i turbinekammer Kompressoranlæg VARMEPUMPENS HOVEDKOMPONENTER Fordamper Kompressor Kondensator Side 2/12

4 1 Notatets formål Formålet med notatet er kort at supplerer med information omkring det overordnede princip, der gør sig gældende for varmefremstilling ved brug af varmepumpe på Tangeværket. 2 Hvordan virker en varmepumpe Varmepumpeteknologi er kendt og efterprøvet. Processen kendes fra industriel køleteknik og er opbygget af standardkomponenter. En varmepumpe optager energi ved et lavt temperaturniveau og afsætter samme energi, samt egen optaget drivenergi, ved høj nyttetemperatur. Varmepumpen i nærværende notat drives af den el Tangeværket selv fremstiller og stiller til rådighed. 2.1 Virkemåde Teknologien er baseret på at vandet i Tange sø får CO2, der cirkulere i en lukket kreds, til at fordampe. Dette sker, da kogepunktet for CO2 ligger under temperaturen på det omgivende vand fra Tange sø. Fordamper processen foregår i tilpassede og til opgaven dimensionerede varmevekslere (fordamper moduler), som nedsænkes i eksisterende turbinekamre. Vandets naturlige flow gennem turbinekammeret gør at det bestryger spalterne i de lukkede fordamper moduler. Derved sænkes temperaturen på det vand, der gennemløber den neddykkede varmeveksler. Temperatursænkningen vil i praksis være af en beskeden størrelse og ikke målbar. Dvs. i størrelsesordenen 0,03-0,05 ºC CO2 damp fra søvandsvekslerne kondenserer i varmepumpens kaskadeveksler, hvorved energien fra søvandet overføres til varmepumpens interne kølemedie ammoniak (NH3), som ved lav temperatur suges ind i en kompressor. Gennem kompressionsprocessen hæves NH3 kølemidlets tryk og temperatur således det ved kompressorens afgang antager en temperatur, som modsvarer et niveau, der egner sig til afsætning i et fjernvarmesystem. Den varme gas fra kompressoren tilgår en kondensatorkreds hvor den skifter fase til væske og afgiver energien til væskebåret fjernvarmekreds. Som grundlag for nærværende notat beskrives et varmepumpeanlæg, der indeholder kølemidlerne CO2 og NH3. De to kølemidler cirkulerer i separate kredse. CO2 er indsat som kølemiddel, hvor der veksles energi med vand i Tange sø. NH3 er det kølemiddel, der anvendes i kredsen, der veksler mod fjernvarme. Princippet er i hovedtræk illustreret i nedenstående Figur 2-1 Side 3/12

5 [Grab Figur 2-1 Princip for fremstilling af grøn varme- og el på Tangeværket Side 4/12

6 3 Varmepumpeanlæg og fysiske placeringer 3.1 Overordnet placering af enhederne Kompressorerne er tiltænkt placeret i det eksisterende maskinværksted/ garageanlæg vist på nedenstående Figur 3-1. Kompressorernes CO2 ledning skal, via rørføring, forbindes med varmevekslere monteret neddykket i Tangeværkets turbinekamre. Figur 3-1 Placering af kompressoranlæg, fordamper moduler og ledningstracé 3.2 Ledningstracé Ledningstracé for CO2 planlægges nedgravet langs sydsiden af Bjerringbrovej, ca. 45 meter. hvorefter rørene føres under vejen og til højspændingsstationen vest for Tangeværket. Her fra føres rørinstallationen i allerede eksisterende rør/kabelkanal, helt frem til varmepumpeanlægget. Ledningstracé for Fjernvarme føres ligeledes gennem eksisterende højspændingsstation. Fra højspændingsstationen følger tracéet eksisterende 60KV luftledning frem til Energimuseets P-plads, hvorefter ledningen føres mod syd til Bjerringbrovej og føres herfra langs Bjerringbrovej frem til offentlig vej på vest siden af jernbaneviadukten. Ledningstracé for el-forsyning føres fra eksisterende koblingsanlæg, gennem eksisterende kabelkanaler hele vejen fra Tangeværket og frem til varmepumpeanlægget. Side 5/12

7 3.3 Fordamper placering i turbinekammer Fordamper modulerne placeres i eksisterende turbinekamre. Der er som udgangspunkt regnet med placering af to moduler placeret vertikalt bag risten samt to moduler placeret horisontalt oven over turbinen. Der er tilgang til fordamper modulerne på samme måde som turbinerne i dag - ved tørlægning af kammeret. Yderligere foranstaltninger hvad angår tilgængelighed påregnes som udgangspunkt dermed ikke. Illustrationer nedenfor viser arrangementet set fra siden og fra oven Figur 3-3A Placering af fordamper i turbinekammer, set fra siden Figur 3-3B Placering af fordamper i turbinekammer, set fra oven Side 6/12

8 3.4 Nedkøling af vand via energioptag i turbinekammer Varmepumpens energioptag, som følge af nedkøling af vandet i turbinekammeret, vil over året varierer alt efter vandmængde og størrelsen på den el-effekt, Tangeværket stiller til rådighed. Formlen for vandets fald i temperatur gennem fordamper er: Temperaturfald = Køleeffekt / (Vandmængde x Varmefylde) Ved drift med én turbine/generator, der driver varmepumpeanlægget, vil temperatursænkningen i en sommer- hhv. vinterdriftssituation være som eksemplerne nedenfor. Sommer drift (minimum vandføring og maksimal temperatursænkning) Ved en el-produktion på 0,5 MW på Tangeværket er der et vand flow på ca. 7 m 3 /sek. gennem turbinekammeret. El-optaget til varmepumpeanlæggets kompressorer vil således være 0,480 MW, idet der medregnes 20 KW tab. Kompressorerne vil, under de givne driftskonditioner, have en varmeeffekt faktor (COPv) på 5,5. Dette medfører en fjernvarmeproduktion på 2,64 MW og en resulterende køleeffekt på 2,16 MW fra vandet, der bestryger fordamper fladerne. Temperatursænkningen på vandet bliver således: t = Q m c = 2, 16 = 0, 074 C 7 4, 186 Vinter drift (maksimal vandføring og minimal temperatursænkning) Ved en el-produktion på 1,4 MW på Tangeværket, er der et vand flow på ca. 21 m 3 /sek. gennem turbinekammeret. Hertil kommer ca m3/sek. til drift af en anden turbine, som udelukkende vil producere strøm til el-nettet. Denne vandmængde vil dog også gennemløbe den fordamperenhed der er placeret i denne turbines kammer. Samlet vandmængde i vinterdriftssituationen er m 3 /sek. El-optaget til varmepumpens kompressorer vil være 1,380 MW. Med en varmeeffektfaktor (COPv) på 3,5 medfører dette en varmeproduktion på 4,83 MW. Heraf kommer 3,45 MW i køleeffekt fra vandet, der bestryger fordamper fladerne. Temperatursænkningen på vandet bliver således: t 40m3 = t 30m3 = Worst case scenarie ved en meget tør vinter. t 21m3 = Q m c = 3, 45 = 0, 021 C 40 4, 186 Q m c = 3, 45 = 0, 027 C 30 4, 186 Q m c = 3, 45 = 0, 039 C 21 4, 186 Side 7/12

9 3.5 Kompressoranlæg Kompressorernes placering vil være i eksisterende maskinværksted/garageanlæg. Erfaringen viser at sådanne projekter tiltrækker besøgende hvis interesser spænder fra det teknisk faglige, politiske, eller i undervisnings-og uddannelsesøjemed. (kilde: lignende samarbejde mellem Grundfos og Bjerringbro Varmeværk) Bygningen tilpasses således den foruden praktiske hensyn også visuelt understøtter Tangeværkets vision om formidling af bæredygtig energiproduktion med intelligent teknologi. Kompressoranlæggets dimensioner hvad angår pladsbehov til maskiner er estimeret af anlægsbygger. Henvisning til nedenstående Figur 3-4A Kompressoranlæg, maskinstue. Bemærk venligst, at NH3/CO2 veksleren placeres i eksisterende bygning, og ikke som vist på nedenstående figur, i en vinkelbygning. Figur 3-4A Kompressoranlæg, maskinstue Garageanlæggets nuværende format fremgår af måltegningen vist på Figur 3-4B Side 8/12

10 Figur 3-4B Eksisterende garageanlæg Side 9/12

11 4 Varmepumpens hovedkomponenter 4.1 Fordamper Kilden til den varmeenergi anlægget afsætter i fjernvarmekredsen, er det søvand varmevekslerne, der nedsænkes i Tangeværkets turbinekamre, omgives af. Energi fra vandet i Tange sø bliver her overført til varmepumpen, idet vandets temperatur får kølemidlet i fordamper modulerne til at koge. Ved alm. atmosfæretryk koger vand ved 100 C. Ved at vælge CO2 som cirkulerende medie vil dette bringes til kogning selv ved en temperatur, som ligger væsentligt under søvandets. Når CO2 koger skifter det fase fra væske til damp - dette faseskift optager derved energien fra vandet. Vekslerne er opbygget af rustfrie plader, og hvert vekslermodul er sammensat af en række plade par med fast defineret spaltegab for vandets fri passage. Hvert plade par er sammenføjet i periferien og danner et lukket kammer. CO2 væske tilgår i bunden af pladepakken og forlader pladepakken i toppen som damp. Som illustration af denne vekslertype vises nedenstående Figur 4-1A Figur 4-1A Fordamper modul Snavs, som over tid måtte samle sig på det varmeoverførende areal, skal efter behov fjernes mekanisk for at sikre en effektiv varmeovergang og fastholde en samlet set høj anlægseffektivitet. Nedenfor viste Figur 4-1B viser hvorledes der i et turbinekammer er placeret fordamper moduler foran og ovenpå turbinen. Figur 4-1B Placering af fordamper moduler Side 10/12

12 4.2 Kompressor Kompressorens opgave i varmepumpesystemet er at transportere og opgradere energi den optager fra søvandets CO2 fordamper kreds. Kompressoren arbejder internt med kølemediet ammoniak (NH3). El til drift af kompressormotoren bliver fremstillet lokalt på Tangeværket. Der findes på markedet flere typer af kompressorer, som kan anvendes til formålet. Eksempel på ydre format af kompressor af stempeltypen fremgår af nedenstående Figur 4-2 Figur 4-2A Stempelkompressor Størstedelen af den el, der driver kompressoren bliver gennem kompressionsprocessen afsat som varme og indgår sammen med energien optaget fra Tange Sø som nytteenergi til afsætning i fjernvarmekredsen. Til vurdering af en varmepumpes virkningsgrad benyttes COP faktoren. COP står for Coefficient of Performance. Faktorens størrelse viser forholdet mellem den varmeenergi, der afgives til fjernvarmevandet i forhold til den el-energi som varmepumpen via elmotoren optager. COP = Afgivet varme / Optaget el. Figur 4-2B illustrerer kølemidlets vej gennem kompressoren og hvorledes en COP faktor på 3 fremkommer. Varm gas energi ud = 3 Kold gas energi ind = 2 El energi ind = 1 KCH Figur 4-2B Varmepumpe COP Illustration viser at en COP værdi på 3 betyder at kompressoren afgiver 3 energienheder nyttevarme til fjernvarmenettet hver gang der tilføres 1 energienhed på akslen i form af el fra kompressormotoren. Side 11/12

13 4.3 Kondensator Afsætning af kompressorens varmeenergi til fjernvarmenettet sker i varmepumpens kondensatorkreds. Her kondenserer kompressorens interne kølemedie NH3. Dette faseskift bevirker at fjernvarmens returtemperatur kan hæves til den fremløbstemperatur, som modsvarer kravet fra varmeværkets system. Teknikker og komponenter for regulering og afsætning af varme fra varmepumpe til fjernvarmenet er efterprøvede og tilgængelige i markedet. Vekslertypen, der benyttes i fjernvarmekredsen, vil være fuldsvejste og kompakte pladevarmevekslere for minimal risiko af lækage af NH3 gas til omgivelser. Der bliver i dette varmepumpeanlæg opsat gas detektorer såfremt større lækage opstår til omgivelserne. Der bliver i kredsen for fjernvarmevand indsat detektorer for lækagealarm såfremt fjernvarmevandet bliver eksponeret for NH3. Eksempel på en fuldsvejst pladevarmeveksler ses på Figur 4-3A Figur 4-3A Fuldsvejst kondensatorveksler For hensigtsmæssig regulering af varmeafsætning i fjernvarmekredsen har leverandøren af varmepumpeanlæg som oftest behov for at have 100 % kontrol over den vandmængde, der gennemløber kondensatorkredsen. Således er det med frekvensstyrede pumper mulig at afstemme varmekapaciteter og temperaturer så optimal driftsøkonomi opnås. Figur 4-3B Regulering af fjernvarmekreds viser de to hovedkomponenter. Figur 4-3B Regulering af fjernvarmekreds Side 12/12