Industriel kraftvarme. Notat Marts 2000

Transkript

1 Industriel kraftvarme Notat Marts 2000

2 Industriel kraftvarme (IKV) Jan K. Jensen, DGC og Henrik Iskov, DGC Anvendelse af industriel kraftvarme (IKV) er samfundsøkonomisk en af de billigste metoder til reduktion af CO 2 -emissionen, hvorfor IKV løsninger er promoveret gennem en årrække. Status IKV dækker over en række forskellige teknologier og brændsler, som anført i Figur 1. IKV Teknologi Brændsel Teknologiandel 96 Gasmotor Gas (alle typer) 38% Gasturbine Gas, olie 37% Dampturbine Alle 22% Combined Cycle Gas, (olie) 4% Figur 1: IKV opdelt på teknologier. Den samlede IKV eleffekt var i 1997 knapt 400 MW e. Naturgas udgjorde samtidig 70% af brændselsgrundlaget. (Ref./1/). Der er i dag installeret en IKV eleffekt på ca. 400 MW e, mens potentialet vurderes at være 570 MW e i 2005 (Ref /2/). Dette er en nedskrivning på ca. 200 MW e i forhold til Energi 21. Begrænsninger for IKV Både etablerings- og driftsomkostninger er veldokumenterede for IKVanlæg, og etableringen af nye anlæg baseres på en forretningsmæssig vurdering af anlæggenes tilbagebetalingstid. Anlægstilskud, driftstilskud pr. produceret kwh samt elafregningspris er de økonomiske forhold, der kan begrænse eller fremme udbygningen med IKV. Det tekniske potentiale afgrænses væsentligst af procesforholdene: Driftstid, procestemperatur og samlet varmebehov.

3 De fleste danske virksomheder er ikke særlig energiintensive, hvorfor kun mindre IKV anlæg kan etableres. I mange tilfælde er IKV-teknologien derfor fastlagt til gasmotorer, da anlæg baseret på damp- eller gasturbiner kræver en vis størrelse for at være konkurrencedygtige. Der er dog en positiv udvikling i gang med hensyn til små gasturbiner, som kan ændre dette forhold. Ca. 75% af den installerede effekt består af anlæg under 10 MW e og langt de fleste anlæg har mindre ydelse. Eksempler I de følgende eksempler (a-i) beskrives en række danske eksempler på forskellig anvendelse af IKV. Anlæggene er alle naturgasfyrede og baseret på gasmotor- eller gasturbineteknologi. Anvendelsesområderne er: Varmeproduktion, CO2-dosering, hedtvandsproduktion, dampproduktion, køling samt direkte tørring. a. Varme og CO 2. Gasmotor b. Varme og CO 2. Gasmotor c. Hedtvand. Gasmotor d. Damp. Gasmotor e. Køling. Gasmotor f. Tørring og fjernvarme. Gasturbine g. Damp. Gasturbine h. Damp og nødstrøm. Gasturbine i. Direkte tørring. Gasmotor a. Gasmotoranlæg til gartneri: Varpelev Tomater A/S Naturgasbaseret kraftvarme har vundet en stor udbredelse på danske gartnerier. Omkring 50 gartnerier har nu installeret gasmotorbaseret kraftvarme. Gartneriet Varpelev Tomater A/S påbegyndte kraftvarmeudbygningen 1993 med et anlæg på 750 kw e. I 1995 installeredes endnu et anlæg af samme størrelse, og siden er et 3. anlæg på 2,1 MW e færdiggjort. Anlægget er forsynet med CO 2 -dosering til drivhusene.

4 Kraftvarmeanlægget fungerer som grundlastanlæg med en naturgasfyret kedel på 14 MW v som spids - og reservelastenhed. Til varmeproduktionen udnyttes spildvarmen fra motorens ladeluftkøler, smøreoliekøler, motorvandskøler og røggaskøler, således at totalvirkningsgraden bliver 90%. Anlægget er forsynet med en varmeakkumulator der, i den del af året hvor anlæggets fulde varmeydelse ikke kontinuert kan udnyttes, forøger mulighederne for at koncentrere driften i de timer af døgnet, hvor elprisen er højest (spids- og højlastperioderne). Motor: Waukesha, type VHP 5790 L GLD Elydelse [MW e ]: 0,75 Varmeydelse [MW v ]: 1,07 Elvirkningsgrad [%]: 37 Totalvirkningsgrad [%]: 89 OBS: Data for 2 motorer mangler b. Gasmotoranlæg med CO 2 -dosering til gartneri: A. Petersen CO 2 -dosering eller CO 2 -gødskning i forbindelse med kraftvarmeanlæg har i de senere år vundet indpas på flere danske gartnerier. Forsøg har vist, at det herved er muligt at øge grøntproduktionen med op til 30%, og gartneriets praktiske erfaringer bekræfter til fulde disse tal. Så vidt vides var Gartneriet Alfred Petersen først fremme i Danmark med anvendelse af røggassen fra et kraftvarmeanlæg til CO 2 -gødskning. Introduktionen skete i form af et demonstrationsprojekt med deltagelse af bl.a. DGC og Haldor Topsøe A/S. Kraftvarmeanlægget er baseret på 2 stk. gasmotorer af typen Niigata 18V26HX-G på i alt 6,3 MW e. Kraftvarmen udnyttes via røggasvarmevekslere samt ladeluftskølere, smøreoliekølere og kappekølere. Det eksisterende varmeanlæg er ombygget således, at frem- og returtemperaturen har kunnet sænkes, hvilket bidrager til en højere totalvirkningsgrad på kraftvarmeanlægget. En varmeakkumulator gør det muligt at optimere driften i forhold til 3-leds eltarifferne. For at muliggøre anvendelse af røggassen til CO 2 -gødskning er anlægget, ud over en CO-oxyderende katalysator fra Steuler, forsynet med et røggasrensningssystem fra Haldor Topsøe A/S. Dette rensningsanlæg er opdelt i to

5 dele, hvoraf den ene renser for NO x via en såkaldt SCR-proces (selektiv catalytic reaction), og den anden oxyderer CO og andre kulbrinter herunder ethylen til CO 2 og H 2 O. Effektiviteten af denne proces er meget vigtig, da ethylen er giftig for planterne. Anlægget er derfor forsynet med et by-pass der leder røggassen direkte til skorstenen ved fejlmelding. Motor: 2 stk. Niigata 18V26HX-G Elydelse [MW e ]: 6,3 Varmeydelse [MW v ]: 7,2 Elvirkningsgrad [%]: 37 Totalvirkningsgrad [%]: 81 Røggasrensningsanlæg: a) Steuler oxydations-katalysator for CO-reducering. b) Haldor Topsøe A/S, type GREENOX. c. Gasmotoranlæg med hedtvandsproduktion: Fuglsang Eksport Maltfabrik A/S. Et relativt stort varmebehov året rundt i forbindelse med maltningsprocessen gjorde kraftvarme til en oplagt mulighed. Indledende beregninger viste da også, at med de gældende tilskudsmuligheder ville tilbagebetalingstiden ligge omkring 3 år. Anlægget blev idriftsat i efteråret 1995, og de økonomiske forventninger er blevet indfriet. Anlægget er opbygget omkring en 1,5 MW e naturgasmotor fra Ulstein Bergen. Maltanlæggets varmebehov er fordelt på et hedtvandtsbehov (70%) og et varmluftbehov (30%). Via genvinding af stråletabet fra anlægget er opnået en usædvanlig høj totalvirkningsgrad. Dimensioneringen er sket ud fra ønsket om at ville undgå en varmeakkumulator, da varmen hovedsageligt aftages i form af hedtvand under tryk ved cirka 117 C. Kraftvarmedækningen af det samlede procesvarmebehov er derfor kun omkring 50%, og maltfabrikken er således i stand til at aftage fuldlast-varmeydelsen størstedelen af tiden. Motor: Ulstein Bergen KRGS 9G

6 Elydelse [MW e ]: 1,5 Varmeydelse [MW e ]: 2,1 Varmtvandstemperatur frem/retur [ C]: 117/50-70 Varmluftstemperatur frem [ C]: 50 Elvirkningsgrad [%]: 39 Totalvirkningsgrad [%]: 96 d. Gasmotoranlæg med dampproduktion: Brandtex I de senere år er der opført flere dampproducerende gasmotoranlæg. Da man typisk kun kan trække omkring halvdelen af varmeproduktionen ud som damp, er det derfor et væsentligt, at der ud over et dampbehov også er et betragteligt behov for lav -temperatur varme. At lavtemperaturvarmen udgør en markant del af varmeproduktionen er en delvis følge af myndighedernes krav om høj totalvirkningsgrad som forudsætning for tilskud. Anlægget på Brandtex er baseret på en gasmotor fra Jenbacher på 736 kw e. Der produceres damp til procesbrug ved 7,5 bar via udstødsdampkedlerne. Lavtemperaturvarmen (80 C) fra ladeluftkøler, smøreoliekøler og kappekøler anvendes til rumopvarmning. Anlægget kører kontinuert fuldlast, og i det omfang dampen ikke er nødvendig til procesbrug, anvendes den til produktion af varmt vand til rumopvarmning. En gaskedel på 2,3 MW v fungerer som reserve/spidslastforsyning for rumopvarmningen, og den gamle dampkedel fungerer som varm backup for dampforsyningen. Motor: Jenbacher type JMS 316 GS-N.LC Elydelse [MW e ]: 0,736 Varmeydelse, damp [MW v ]: 0,35 Dampdata [ C; bar]: 180; 7,5 Varmeydelse, varmt vand [ MW v ]: 0,35 Varmtvandstemperatur frem/retur [ C]: 80/50 Elvirkningsgrad [%]: 39 Totalvirkningsgrad [%]: 79

7 e. Gasmotoranlæg med absorptionskøling: Danica Forsikring I nogle kontor- og forretningsejendomme er der installeret kraftvarmeanlæg. Den høje isoleringsstandard kombineret med store mængder gratisvarme fra lys og edb resulterer i en relativt kort varmesæson. Endvidere haves typisk et begrænset forbrug af varmt vand. Hos Danica undersøgte man derfor mulighederne for i sommermånederne at udnytte kraftvarmen til produktion af komfort- og edb-køling. Resultatet blev, at man valgte at installere et absorptionskøleanlæg i forbindelse med det eksisterende gasmotorbaserede kraftvarmeanlæg. I varmesæsonen fungerer kraftvarmeenheden på normal vis, idet der produceres centralvarme via en varmeakkumulator for at optimere driften i forhold til 3-leds eltarifferne. I sommermånederne anvendes overskudsvarmen (i sommerhalvåret er der alene et minimalt varmtvandsbehov) som indirekte fyring i absorptionskøleanlægget. Det samlede kølebehov er så stort, at det skal suppleres med køling fra traditionelle køleanlæg. Anlægsøkonomien for absorptionskøleanlægget er begunstiget af, at der kun er et kølebehov i spids- og højlastperioderne. Tilbagebetalingstiden vurderes at være omkring 4-5 år. Motor: Jenbacher, type JMS 316 GSNLC Absorptionskøleanlæg: Trane, type ABSC 03 F/354 I varmesæsonen, uden køling: Elydelse [MW e ]: 0,66 Kraftvarmeydelse [MW v ]: 0,85 Fremløbs/returtemperatur [ C]: 90/ 60 Elvirkningsgrad [%]: 39 Totalvirkningsgrad [%]: ca. 85 I sommerhalvåret, med køling: Køleydelse [MW v ]: 0,50 Køletemperatur, frem/retur [ C]: 12/7

8 f. Gasturbineanlæg med årstidsbestemt udnyttelse af restvarmen (fjernvarme eller industri): Ølgod Grønt A/S Et væsentligt problem ved anvendelsen af gasturbiner er, at dellastvirkningsgraden er så ringe, at det som regel er en forudsætning for en god anlægsøkonomi, at anlægget kører fuldlast størstedelen af året. Kraftvarmeværket hos Ølgod Grønt A/S er det første danske eksempel af sin art, hvor man udnytter røggassen fra en gasturbine til industrielle tørringsformål i sommerperioden og til opvarmning af fjernvarmevand i vinterperioden. Anlægskonceptet er en gasturbine opstillet ved en tørreovn for græspiller og med en supplerende tilslutning til en fjernvarmeveksler, der forsyner Ølgod Fjernvarmeværk. Som spids- og reservelastenhed er anlægget forsynet med en efterbrænder. I sommerhalvåret kan der 24 timer i døgnet afsættes varme til tørring af grøntpiller. I vinterhalvåret ligger grøntpillefabrikken stille, men da kan byen aftage varmeproduktionen. For at optimere driften er der hertil inkluderet en fjernvarmeakkumulator. Set i forhold til et traditionelt industrielt kraftvarmeanlæg fås på årsbasis omkring en fordobling af kraftvarmeproduktionen og dermed en markant forbedret anlægsøkonomi. Gasturbine: Allison CX 501 K Elydelse [MW e ]: 3,8 Varmeydelse, gasturbine [MW v ]: 8 Varmeydelse, efterbrænder [MW v ]: maks. 20 Røggastemperatur før/efter economizer [ C]: 570/60-70 Vandtemperatur før/efter economizer [ C]: 40-45/75-85 Elvirkningsgrad uden efterbrænder [%]: 28 Totalvirkningsgrad [%]: 90-96

9 g. Gasturbineanlæg og et stærkt varierende varmebehov: MD-Foods AKAFA Kraftvarmeinstallationen på AKAFA er baseret på en gasturbine, hvor røggassen størstedelen af tiden udnyttes til dampproduktion. Endvidere er anlægget forsynet med en separat dampkedel til spids- og reservelastforsyning. AKAFA, der producerer fødevarer, har et konstant forbrug af damp døgnet rundt, bortset fra 4 timer hver formiddag, hvor anlægget rengøres. I denne periode er dampforbruget reduceret med 75%. Dette er umiddelbart meget uheldigt for kraftvarmeanlægget, da der netop i denne periode kan sælges el til spidslasttarif. Samtidig er dellastegenskaberne som nævnt meget ringe for en gasturbine. Disse problemer er imødegået ved, at anlægget i denne periode omstilles til delvis varmtvandsproduktion via en kondensator. Produktionen opsamles i en varmeakkumulator, der tømmes over døgnet. Den resterende del af dampproduktionen overhedes C og indsprøjtes i gasturbinens brændkammer. Dampekspansionen i gasturbinen øger elydelsen med cirka 15%. Dampinjektionen betyder samtidig et fald i NO x -emissionen. Anlægget overholder dog selv uden dampinjektion de danske myndighedskrav for røggasemission. Gasturbine: EGT THYPHOON Elydelse, uden/med dampinjektion [MW e ]: 4,5/5,2 Dampydelse fra GT, nyttiggjort uden/med dampinjektion [t/h]: 11/8,5 Dampdata [ C, bar] : 215, 20 Elvirkningsgrad uden/med dampinjektion [%]: 30/ 32 h. Gasturbineanlæg til grundlastdampproduktion / nødstrømsanlæg: Nybro Gasbehandlingsanlæg Anlægget er det første industrielle gasturbinedrevne kraftvarmeanlæg i Danmark og blev idriftsat i Det stigende gasforbrug nødvendiggjorde en forøget gasbehandlingskapacitet og dermed et større dampforbrug. Hidtil var forbruget dækket af to gas-

10 fyrede dampkedler, og valget stod nu mellem en tredje kedel eller en kraftvarmeenhed. Gasbehandlingsanlægget har behov for en meget høj driftsikkerhed, og derfor havde man hidtil haft et nødstrømsaggregat, der kunne opretholde de vitale kontrolfunktioner, hvis det offentlige net faldt ud. Med en passende dimensioneret ny kraftvarmeenhed i ø-drift (dvs. med en evne til at holde en stabil elkvalitet uden det offentlige net som støtte) ville det være muligt at opretholde den fulde gasbehandlingskapacitet - selv med vanskelige gaskvaliteter - hvis det offentlige elnet skulle falde ud. Økonomiske og driftssikkerhedsmæssige overvejelser resulterede i, at valget faldt på en gasturbinebaseret kraftvarmeenhed forsynet med efterbrænder. En ekstra forbrændingsluftsblæser muliggjorde dampproduktion uden gasturbinen i drift. Enheden skulle være stor nok til at dække det maksimale elforsyningsbehov. Dette betød samtidig, at kraftvarmeenheden kom til at fungere som en grundlastenhed i dampproduktionen. Denne anlægskobling har en stor driftsfleksibilitet, idet det således er muligt at producere el og damp med eller uden efterbrænderen i drift samt damp uden elproduktion alene med efterbrænderen i drift. (fuldlast) Gasturbine: Centaur H Elydelse [MW e ]: 3,8 Dampydelse uden/med efterbrænder [t/h]: 10/18 Dampdata [ C, bar]: 180, 10 Elvirkningsgrad, uden efterbrænder [%]: 28 Totalvirkningsgrad [%]: 82 i. Industriel kraftvarme og direkte tørring: Lundgard Teglværk Teglværket producerer årligt omkring 25 mio. røde og gule mursten. Produktionsprocessen består af presning, tørring, brænding og pakning. Tørringen sker med overskudsvarme fra brændingsovnene og kraftvarme samt supplerende gasbrændere.

11 Kraftvarmen erstatter cirka 80% af den energi, der tidligere skulle tilføres via disse gasbrændere. Kraftvarmen er baseret på en Jenbacher gasmotor med en elydelse på 465 kw e. Varmen fra motorens ladeluftkøler, kappekøler og oliekøler overføres til tørreluften via en varmeveksler i tørreluftens indblæsningskanal. Luftindtaget til varmeveksleren sker via motorhuset, hvorved motorens strålevarmen udnyttes. Varmen fra røggassen, der er C, føres ved direkte indblæsning sammen med køleluften fra motorvarmen (80-85 C). Luftmængderne reguleres, så temperaturen efter blanding ligger omkring 130 C før indføring til tørrekamre. Variationen i produktionen har betydet, at kraftvarmeanlægget kun er i drift mandag - fredag, hvilket resulterer i et årligt driftstimetal på 5550 timer. Motor: Jenbacher type 212 GS Elydelse [MW e ]: 0,465 Varmeydelse [MW e ]: 0,719 Varmluftstemperatur frem [ C]: 130 Elvirkningsgrad [%]: 39 Totalvirkningsgrad [%]: 94 Referencer Ref. 1: Industriel kraftvarme (IKV), Projektrapport, DGC, 1997 Ref. 2: Opfølgning på Energi 21. Status for energiplanlægning, Energistyrelsen, Juni 1999 Ref. 3: Koch, Jesper - Incentive Policy on industrial CHP in Denmark, Energistyrelsen 1997 (Konference-paper) Ref. 4: Administrationsgrundlag for tilskud til industriel kraftvarme, marts Energistyrelsen, april 1997 Ref 5: Bekendtgørelse nr. 688 af 15. oktober 1990 vedrørende begrænsning af kvælstofoxidforurening m.v. fra gasmotorer og -turbiner. Miljøministeriet Ref. 6: Starthjælp til flere energibesparelser i virksomheden. Energistyrelsen, februar ISBN

12 Ref. 7: Zantingh Energi Systemer Aps, Hjortshøj Ref. 8: Informationsblad om Fuglsang Maltfabriks kraftvarmeanlæg Ref. 9: JPH Rådgivning, Dronninglund Ref. 10: JPH Rådgivning, Kolding Ref. 11: Informationsblad fra Vølund om Ølgod Grønt anlægget Ref. 12: Informationsblad fra Vølund om MD-Foods AKAFA anlægget Ref. 13: DONG brochure om Nybro gasturbineanlæg