Varmepumper som energibesparelse

Transkript

1 Varmepumper som energibesparelse Hvordan beregnes energibesparelsen så den understøtter den grønne omstilling? Nina Detlefsen, Kasper Nagel og Christian Holmstedt Hansen

2 Grøn Energi er fjernvarmens tænketank. Vi omsætter innovation og analyser til konkret handling til gavn for den grønne omstilling, vækst og beskæftigelse i fjernvarmebranchen. Grøn Energi bygger på et dynamisk fællesskab mellem Dansk Fjernvarme, de toneangivende danske eksportvirksomheder, rådgivere, interesseorganisationer samt universiteter. Dato: 14. december 2015 Udarbejdet af: Nina Detlefsen, Kasper Nagel, Christian Holmstedt Hansen Kontrolleret af: Jesper Koch Beskrivelse: I dette notat beskrives forskellige metoder til beregning af energisparetilskuddet ved indførelse af store varmepumper i fjernvarmesystemer. Grøn Energis medlemmer:

3 Opsummering I dette notat belyses forskellige metoder, hvorpå energibesparelsen fra implementering af store varmepumper kan opgøres. Der pågår for tiden forhandlinger om en fornyelse af energispareaftalen, hvor det er på tale, at varmepumper skal være en del af en ny aftale. Store varmepumper er et vigtigt element i den grønne omstilling, hvor vi skal elektrificere alt det, som kan elektrificeres. Derfor er det vigtigt, at metoden for opgørelse af energibesparelser fra store varmepumper også understøtter denne omstilling mest muligt. I dette notat gennemgås tre metoder til opgørelse af energibesparelser for store varmepumper. Den første metode baseres på første års varmeproduktion og er inspireret af den nuværende solvarmeordning, den anden metode er inspireret af den nuværende vindmøllestøtte ordning, og den sidste metode afspejler effektivisering af produktionen og den energi, der spares herved. Hvis man ser tilskuddet fra energibesparelser som en støtte til implementering af varmepumper, kan man omregne energibesparelserne til en støtte til store varmepumper. Her ser man, at hvis energibesparelserne opgøres på den første eller den tredie metode, falder støtten pr. MW installeret effekt, jo større varmepumpen er. Metode 2 giver lige meget støtte pr. MW installeret effekt uafhængigt af størrelsen. Hvis man ønsker større varmepumper, som bidrager med større fleksibilitet, i energisystemet, så vil metode 2 være at foretrække. Hvis man ønsker en metode, som ligner den eksisterende solvarmeordning, skal man vælge en metode baseret på første års produktion. Udfordringen her bliver dels, at det er svært at opgøre denne, da den er afhængig af, hvilke andre produktionsteknologier, som er tilstede på værket, hvor den installeres og dels, at der er faldende tilskud pr MW installeret effekt jo større varmepumpe, som installeres. Metode 3 afspejler mest retvisende, hvor meget energi, som er sparet, men denne metode udfordres også af faldende tilskud pr. MW installeret effekt samt vanskeligheder ved opgørelsen. Af de forskellige metoder, som er gennemgået i dette notat, er det Metode 2, inspireret af vindmølleordningen, som understøtter en grøn omstilling i videst muligt omfang. 3

4 Introduktion Den 1. januar 2016 ændres retningslinjerne i den nuværende aftale om energiselskabernes energispareindsats af 13. november De nye retningslinjer for aftalen, som skal gælde for perioden efter 31. december 2015, er i øjeblikket til forhandling. I den nuværende aftale indgår primært slutforbrug, dvs. energirenovering i form af f.eks. isolering og nye vinduer, og konverteringer fra en energikilde til en anden kilde. Kollektive varmepumper i energispareaftalen I forbindelse med forhandlingerne af de nye retningslinjer for energispareaftalen, vil det være oplagt at inkludere kollektive varmepumper i de nye retningslinjer for energispareaftalen. Dels fordi små varmepumper til husstandsopvarmning allerede er med, og dels fordi en varmepumpe rent faktisk sparer primær brændsel, samt er med til at elektrificere samfundet. Desuden vil der, ved at inkludere kollektive varmepumper i energispareaftalen, skabes et yderligere incitament til at etablere store varmepumper i f.eks. fjernvarmesektoren, hvor økonomien i at etablere en stor varmepumpe i dag ikke er god nok. Fordele ved store varmepumper Etableringen af store varmepumper har mange fordele. De store varmepumper er en effektiv måde at integrere store mængder vindmøllestrøm i energisystemet, idet det kan lagres til senere brug i fjernvarmeværkernes lagertanke. Dertil kommer, at varmepumper er mere effektive end mange af de eksisterende produktionsenheder. I dette notat diskuteres, hvordan en metode til at opgøre energibesparelsen på, kan designes, så incitamentet til investering i varmepumper dels understøtter ordningen om energibesparelser og dels understøtter den grønne omstilling. I forhold til store varmepumper skal det ifølge aftalen om energibesparelser være værdien af energibesparelsen, som gør, at investeringen i varmepumpen bliver rentabel, så der derved implementeres flere store varmepumper. Energibesparelsens værdi for fjervarmeværket Værdien af den samlede energibesparelse ved etablering af store varmepumper afhænger ikke kun af metoden, men også af markedsværdien på energibesparelser. Fjernvarmeværker er pålagt et energisparemål. Hvis et fjernvarmeværk etablerer en varmepumpe vil energibesparelserne forbundet hermed først og fremmest gå til dækning af egen forpligtelse, hvorfor den værdi, energibesparelserne repræsenterer, svarer til et køb andetsteds. Overskydende energibesparelser vil kunne sælges på markedsvilkår. Markedsprisen på energibesparelser afhænger af mange ting, ikke mindst for tidspunkt på året for køb/salg. I denne analyse antages det imidlertid, at man sælger alle energibesparelser på markedet til markedspris, og værket vil derfor skulle genindkøbe energibesparelser svarende til værkets forpligtelse. Hvis priserne på tidspunkter med køb og salg er forskellige, vil værdien af energibesparelser afvige fra det, som er skitseret i dette notat. 4

5 Denne analyse indeholder en gennemgang af tre metoder til opgørelse af energibesparelser for store varmepumper af forskellige størrelser. Vi antager i denne analyse, at kollektive varmepumper kan tælle med som energibesparelse i den kommende aftale. Ud fra denne forudsætning er der set på forskellige metoder til opgørelse af denne energibesparelse, herunder konsekvenser af de forskellige metoder. Forudsætninger for analysen Vi har i denne analyse taget udgangspunkt i et gennemsnitligt decentralt kraftvarmeværk med en årlig varmeproduktion på ca MWh-varme. Denne varme produceres af en kedel og en motor med specifikationerne angivet i tabel 1. Forudsætninger Årlig ab værk leverance [MWh-varme] Gaskedel indfyret effekt [MW] 11 Gaskedel varmeeffekt [MW] 11 Gasmotor indfyret effekt [MW] 13,5 Gasmotor varmeeffekt [MW] 7 Gasmotor eleffekt [MW] 5,3 Varmepumpe COP 3,5 Investering i varmepumpe [Mio. DKK/MW-varme] 6,0 Konverteringsfaktor k 1, til el 1,8 Tabel 1: Forudsætninger for analysen Metoderne som analyseres er: Metode 1: Første års varmeproduktion Ved denne metode opgøres første års varmeproduktion på varmepumpen, som lægges til grund for beregning af energibesparelsen. Metode 2: Fuldlasttimer Ved denne metode danner et bestemt antal fuldlasttimer basis for beregning af energibesparelsen. Metode 3: Systemvirkningsgrad Ved denne metode ligger værkets samlede systemvirkningsgrad til grund for beregning af energibesparelsen. 1 Konverteringsfaktoren skal jf. energispareaftalen bruges ved beregning af energibesparelsen ved konvertering mellem to energiarter. I dette tilfælde bruges konverteringsfaktoren 1,0 ved naturgasforbruget (før-situationen) og 1,8 ved elforbruget (efter-situationen) 5

6 Metode 1: Første års energibesparelse Denne metode er inspireret af den nuværende måde at beregne energibesparelsen for solvarmeanlæg. En udfordring med denne metode er, at det på forhånd er vanskeligt at opgøre første års varmeproduktion, hvilket betyder at man ikke, på samme måde som for solvarmeanlæg på forhånd har et godt estimat af første års varmeproduktion. Denne produktion afhænger af den øvrige bestykning på værket såsom anlægseffektiviteter, lagerkapacitet, varmebehov, gaspriser, elpriser med mere. Den energi der spares ved implementering af en given varmepumpe kan derfor være forskellig hvis identiske varmepumper installeres på to forskellige værker eller i to forskellige år. Der er forskellige måder at opgøre energibesparelsen baseret på første års varmeproduktion på. Energibesparelse = Varmeproduktion(1. år) k Elforbrug (1. år) Energibesparelse = Varmeproduktion(1. år) Elforbrug (1. år) Energibesparelse = Varmeproduktion(1. år) (1a) (1b) (1c) Brugen af store varmepumper forhindres k-faktoren i Metode (1a) afspejler den miljø belastning der er ved at bruge el til varme. I denne sammenhæng betragtes det som en straf idet det reducerer det samlede antal energibesparelser. Denne straf er primært tiltænkt situationer hvor man har elpaneler som bruges til opvarmning og ikke til varmepumper og slet ikke til store varmepumper. Man kan jo diskutere det fornuftige i, at denne faktor er større end 1, når man netop tilskynder til elektrificering af samfundet og specielt varmesektoren. Hvis man netop vælger at lade k = 1 får man Metode (1b). Her fratrækkes elforbruget fra varmeproduktionen. Man kan netop se dette som et udtryk for den vedvarende energi som er medgået til varmeproduktionen og også som et udtryk for den mængde energi som reelt er sparet. Varmepumpen vil køre i de timer med lavest pris og derfor sandsynligvis størst andele af vindenergi. Metode (1c) ligner formlen for opgørelse af energibesparelse ved solvarmeanlæg mest muligt og altså en beregningsmetode som allerede er velkendt i energisparesammenhæng. Metode 2: Fuldlasttimer Denne metode er inspireret af den måde vindmøller opnår støtte på. Her gives tilskud til et antal fuldlasttimer pr. MW installeret el-effekt. Formlen for energibesparelsen er som følger: Energibesparelse = Fuldlasttimer Varmepumpe kapacitet (2) 6

7 Man kan ikke sammenligne den udregnede energibesparelse direkte med den sparede brændselsforbrug i en given tidsperiode. Men varmepumpen vil over tid spare energi svarende til energibesparelsen, dog er det variabelt hvor lang tid der skal gå inden varmepumpen har indkasseret besparelsen. Hvordan antallet af fuldlasttimer fastsættes, er ikke helt enkelt. Fuldlasttimerne skal i denne sammenhæng afspejle: En evt. straf for brug af el til varme. Tage højde for, at energibesparelsen kun er forskellen mellem output og input. COP-faktoren, da den indirekte er med til at bestemme, hvor lang tid der går, inden et bestemt antal fuldlasttimer er opnået. Ved denne metode ved man ikke på forhånd, hvor lang tid der går, før værket har opnået en produktion, der svarer til det givne antal fuldlasttimer. Denne metode er velkendt fra vindmøllestøtteordninger, og da energispareordningen kan ses som støtte, er det relevant at vurdere metoden. Dog er denne opgørelsesmetode ikke på linje med metoderne til opgørelse af energibesparelser i den nuværende aftale. Metode 3: Systemvirkningsgrad Energispareordningen har til formål at sikre, at energibesparelser sker så billigt som muligt. Metode (3) tager derfor udgangspunkt i brændselsforbruget ud fra en før-/efter-situation, da den sparede mængde brændsel er et udtryk for en energibesparelse. Ved en given produktion hænger systemvirkningsgrad og brændselsforbrug sammen. Systemvirkningsgraden betegnes SVG og kan udtrykkes som SVG = Årlig produktion Brændselsinput. En formel for energibesparelsen er: Energibesparelse = Brændselsinput før Brændselsinput efter Energibesparelse = Årlig produktion SVG før 7 Årlig produktion SVG efter (3)

8 Denne metode afspejler mængden af energi input, som medgår til at producere et givent mængde output. Metoden er let forståelig, men den er ikke på linje med måden, energibesparelser opgøres i den nuværende aftale. Beregningsmetode Med udgangspunkt i et gennemsnitligt decentralt kraftvarmeværk med specifikationer angivet i tabel 1, er der med energypro regnet på følgende scenarier: Reference: Naturgasfyret værk Scenarie 1: Naturgasfyret værk med en varmepumpe på 1,8 MW-varme. Denne varmepumpe er dimensioneret efter sommerbehovet for varme, og det betyder, at varmepumpen kører stort set hele tiden. Scenarie 2: Naturgasfyret værk med en varmepumpe på 6,6 MW-varme. Denne varmepumpe er dimensioneret til at dække 60% af varmebehovet i den time, hvor varmebehovet er størst. Dette betyder, at varmepumpen fortrænger mere gasproduktion end i scenarie 1, men kører langt færre timer. Resultater I Tabel 2, er angivet resultater fra driftssimuleringer med de forskellige produktionsteknologier på værkerne. Resultater - naturgasværk Naturgasfyret værk Reference Scenarie 1 Scenarie 2 Årlig ab værk leverance [MWh-varme] Varmepumpens varmeeffekt [MW-varme] 1,8 6,6 Årlig varmeproduktion fra VP [MWh-varme] Beregnet antal fuldlasttimer VP Brændselsforbrug naturgas [MWh] Elforbrug varmepumpe [MWh] Systemvirkningsgrad [%] 96,2 133,7 321,8 Varmeproduktionspris [DKK] Tabel 2: Resultater for de forskellige scenarier Som det ses af Tabel 2 ændres driftsmønsteret væsentligt, når der installeres en varmepumpe. Faktisk vil den lille varmepumpe som forventet producere hele tiden. Den større varmepumpe vil kun producere i knap 6000 af årets timer, hvilket fortrinsvis vil være de timer med de laveste elpriser og derfor størst andel 8

9 af vindkraft. Man ser også, at jo mere der produceres på varmepumpen, jo højere bliver den årlige systemvirkningsgrad. Omkostningerne til produktion reduceres jo større varmepumpen bliver, men om det er nok til at bære investeringen, skal først undersøges nærmere. Energibesparelser ved de forskellige metoder Hvis vi vælger at se på et naturgasfyret værk med hhv. en lille eller en stor varmepumpe hvor vi udregner, hvor mange energibesparelser de forskellige metoder ville have givet, fås resultatet vist i Tabel 3. Energibesparelser [MWh] ved de forskellige metoder Scenarie 1 Scenarie 2 Metode (1a) Metode (1b) Metode (1c) Metode (2) Metode (3) Tabel 3: Energibesparelse pr. MW installeret varmepumpe effekt. Energibesparelserne er angivet i MWh. I Tabel 3 kan man se, hvor store energibesparelser de forskellige scenarier ville have udløst ved de forskellige metoder. Det er vigtigt at pointere, at energibesparelserne er udregnet pr. MW installeret varme på varmepumpen. Metode 1a har været diskuteret i forhandlingerne om en kommende aftale. Her er elforbruget til varmepumpen straffet med en k-faktor som er politisk fastsat. Vanskeligt at bestemme 1. års produktion Fælles for metoderne baseret på 1. års varmeproduktion (de tre første) er, at det er svært på forhånd at bestemme, hvor stor produktionen fra varmepumpen vil være i første driftsår. Udover, at det afhænger af de øvrige produktionsenheder på værket, vil det også afhænge af de meteorologiske forhold det givne år. Dvs. om det er et koldt år, varmt år, elpriser (som afhænger af nedbør i norden og vindkraft) og meget mere. En metode som ikke straffer store varmepumper I denne analyse har man antaget, at Metode (2) giver støtte til 4000 fuldlasttimer. De 4000 timer svarer nogenlunde til energibesparelsen for en lille varmepumpe med den metode, som har været diskuteret i forhandlingerne hidtil (Metode (1a)), og metoden baseret på fuldlasttimer ((2)) udløser samme tilskud. Fordelen ved Metode (2) er, at den er simpel. Man kan også konstatere, at Metode (2), som den eneste metode, giver konstant støtte pr. MW installeret varmepumpeeffekt 9

10 og derved ikke straffer de større varmepumper ved at give et mindre energisparetilskud pr. MW installeret varmeeffekt jo større varmepumpe, som installeres. Ud fra elsystemets synspunkt er netop større varmepumper at foretrække, idet de giver øget fleksibilitet i systemet ved at køre i færre timer totalt. Disse timer vil være de absolut billigste timer. Denne fleksibilitet bør præmieres i en grøn omstilling hvor netop fleksibilitet bliver et nøgleord i de kommende år. En metode baseret på reel energibesparelse Metode (3) er interessant, idet den udtrykker, hvor meget energi der fortrænges. Netop hvor meget energi, som spares er essensen i energibesparelser. Her angiver Metode (3), hvor meget energi, som spares på et fjernvarmeværk under forudsætning af, at man stadig leverer den samme komfort til forbrugerne. Energibesparelsen i forhold til investeringen Der vil ikke i denne analyse blive lavet en egentlig investeringsanalyse, idet en sådan afhænger af mange andre faktorer end netop energisparebidraget. Hvis vi antager, at energibesparelsen repræsenterer en værdi på 44,3 øre/kwh, kan energibesparelserne i tabel 3 omregnes til kr. Hvis dette tilskud ses i forhold til den investering, som vi her har antaget er 6 mio kr/mw-varme, fås nedenstående tilskudsprocenter ved de forskellige metoder. Disse tilskudsprocenter afhænger af prisen. Prisen brugt her er den pris, som Energistyrelsen i 2012 angav som prisloft for energibesparelser 2. Støtteprocenter ved de forskellige metoder Scenarie 1 Scenarie 2 Metode (1a) 31,4% 20,9% Metode (1b) 46,2% 30,7% Metode (1c) 64,7% 43,0% Metode (2) 29,5% 29,5% Metode (3) 47,3% 32,3% Tabel 4: Støtteprocent pr. MW installeret varmepumpe effekt Som det ses af tabel 4 er støtteprocenten pr. MW installeret effekt den samme for Metode (2) uafhængig af både størrelse på varmepumpe og de øvrige produktionsteknologier, som er tilstede på værket. Alle andre metoder har det til fælles, at støtteprocenten falder, hvis størrelsen på varmepumpen stiger. Hvis man gerne vil have et grønt energisystem og tilskynde til store varmepumper, vil Metode (2) derfor være at foretrække. 2 Energistyrelsen 2012: Billiggørelse af energiselskabernes besparelsesindsats 10