Kursus i Solvarme. IEE 2008 Project SDHtake-off - Solar District Heating in Europe

Transkript

1 Kursus i Solvarme IEE 2008 Project SDHtake-off - Solar District Heating in Europe Ansvaret for disse slids ligger ved forfatteren, og afspejler ikke udtalelser fra myndigheder der har støttet projektet og disse kan ej heller gøres ansvarlig for brugen af disse oplysninger.

2 Information Disse slids er blevet udarbjdet i SDHtake-off projektet som er støttet af: Intelligent Energy Europe programmet. De udarbejde slids skal betragtes som en hjælp hvorfra man kan finde informationer fra. De orginale slids kan fås ved henvendelse til projekt koordinator: Thomas Pauschinger, SFZ Solites: [email protected]

3 Program 1. Hvorfor solvarme (SDH)? 2. Marked 3. Solvarme teknologi 4. Solvarme anlæg 5. Drift og vedligehold 6. Lovgivning og administrativ 7. Case studies

4 Hvorfor solvarme (SDH)? Fordele for fjernvarme selskaberne : Spredning af energiproduktionen ud på flere brændsler Opfylder krav fra forbrugerne og myndigheder om mere miljøvenlig varmeproduktion Pålidelig drift og lave driftsomkostninger Lang levetid Frit brændsel CO2 frit brændsel

5 Hvorfor solvarme (SDH)? Fordele for solvarme industrien: ingen investeringsomkostninger for den enkelte bruger lavere specifikke omkostninger ( / m2) som nås ved masseproduktion Øget viden om integration med andre varmekilder i komplekse systemer stimulering af innovation og forøgelse af markedet

6 Marked Aktuel status Opdaterede informationer findes på: Source:

7 Marked Aktuel status Opdaterede informationer findes på: Data per inhabitants Source:

8 Marked Aktuel status Opdaterede informationer findes på: Source:

9 Marked Aktuel status Source:

10 Marked Aktuel status Stigende marked og interesse!? < 1% store anlæg!? 10

11 Marked Aktuel status Varme & køling.. Blok og fjernvarme anlæg i nye og eksisterende by områder.. Anlæg til eksisterende og nye bygningskomplekser, industri, hoteller osv... Stor-skale systemer > 500 m 2 or > 350 kw th Montering af solfangere for et solkøleanlæg i Qingdau, China,

12 Market Aktuel status SWOT S: Vedvarendeenergi (varme)... overalt... W: Lav energitæthed... Størrelse / placering... (Biomasse brændsel > 30 gange det areal som!!) O: Fjernvarme produceret på vedvarende energi i villaer og byer Nye forretningsmuligheder... Fjernkøling på vedvarende energi... Køle funktion..?! T: Manglende incitamenter, interesse og viden... (politik, beslutningstagere, forsyningsselskaber, etc.) Gasnet... spildvarme... 12

13 Marked Aktuel status STATUS (2007) Et mindre antal af pilot anlæg... > 120 anlæg > 500 m 2 / 350 kw th Solvarme og køle anlæg... > 30 anlæg > 1 MW th / m 2 > 15 solvarmeanlæg i fjernvarme anlæg... > 10 large solvarmeanlæg í forbindelse med blok varme.. > 5 anlæg med (store) sæsonvarmelagre... > 5 sol køleanlæg... > 20 års drifts erfaringer... Men meget få specialiseret fabrikanter og rådgiver... 13

14 Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa > 125 Solvarme anlæg og køleanlæg > 500 m 2 / 350 kw th (2009) DTU COP 14 Jan SDH

15 Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa ~ 40 Solvarme anlæg og køleanlæg > 1 MW th (2009) DTU COP 14 Jan SDH

16 Solvarme anlæg i drift SE/DK (2007) Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa > 350 kw th > kw th DTU COP 14 Jan SDH

17 Ærø ~ 4 M2 pr indbygger (Østrig 0,4 M2) Marstal 1 M2 pr indbygger ~ 5 % af fjernvarme i SE Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa 17

18 Dækningsgrad med solvarme 30% Marstal Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa 18

19 Marked Aktuel status De største jordplacerede solfangeranlæg I eksisterende blok og fjernvarmesystemer (Feb. 2010) Legend: B = Boiler; CHP = Combined Heat and Power; DH = District Heat; WP = Wood pellet; *Calculated

20 Marked Status status De største tag integrerede solfangeranlæg installeret i nye og eksisterende blok og fjernvarmesystemer(feb. 2010) Legend: Heat = Net solar heat; BTES = Borehole Thermal Energy Storage; HP = Heat Pump; CWT = Concrete water tank; DH = District Heat

21 Marked Aktuel status De største solvarme og solkøle anlæg installeret i forskellige installationer (Feb. 2010)

22 Marked Aktuel status SDH projektet anlægsdatabase kan ses her:

23 Marked Aktuel status Første solfangeranlæg har været i drift siden først i firserne Kun få specialiserede firmaer De fleste af anlæggene er tag-integrerede eller tag-monterede solfangere, mens 22 anlæg i Sverige og Danmark har jordplaceret solfangeranlæg. De fleste solfangeranlæg er tryk systemer med en frostvæske blanding, som regel glykol og vand, mens fire fabrikker i Holland har drain back systemer 60% er forbundet til eksiterende bygninger Ofte i forbindele med biomasse anlæg 80% af anlæggene bruger flade solfanger De fleste af solfangeranlæggen er designet til at dække sommer forbruget- dvs varmt vand og distributionstab - ved hjælp af lager til dækning af døgn varitionen, 20 anlæg er udstyret med større lager der dækker en større del af varmeforbruget I ti anlæg foregår sæssonlageringen i isolerede tanke (over eller i jord), lager i jorden i syv, grundvandsmagasiner i to og en kombination af jord og vand i et anlæg. Ti anlæg er designet til at dække behovet for sommeren køling i varme drevet køleanlæg

24 Marked Trend og potentiale VISION Solvarme produktionen udgør en betydelig andel (>10%) af den varme der produceres i blok og fjernvarmesystemer i Europa 1% vil være ønskeligt inden for år?! 10% vil kræve store sæsonlagre..!? 24

25 Market Trends and potential Nøglespørgsmål for at opfylde 2020-målene Solgt varme "er 9% af varmebehovet i Europa (fra kw til MW) Solvarme skal være 10% af det samlede fjernvarmeforbrug på længere sigt Målet integrering af flere energikilder høj solvarmedækningsgrad: 10 20% med døgnlagering og 50 70% med sæsonlagring

26 Marked Trend og potential 13 GW, 28 PJ i 2006: kun 0,2 PJ for solvarme 20 PJ (5,6 TWh) i 2020 (stigning i marked+35%) og vi når op på 1% af fjernvarmeforbruget i Europa; derefter 100 PJ i det lange løb Desuden fjern køling!

27 Sol dækning Marked Trend og potential 50% Tyskland 1 og 2 families huse Bolig blokke By områder 25% 5-10% Størrelse Source: Solites

28 Marked Trend og potential Tyskland Source: Solites

29 Marked Hvor finder man mere information om... Solar thermal District heating

30 Solvarme teknologi Virkemåde Glas Ramme Source: Idaltermo Absorber Rør Isolering

31 Solvarme teknologi Virkemåde Sol indfald Transmission gennem glas Glas reflektion Varmetab Konvektions tab Absorption Reflektion Konvektion Stråletab Udnyttet varme Varmetab Source: Target/ISFH

32 Termisk solvarme Teknologi på marked

33 Termisk solvarme Teknologi på marked Source: Viessmann Source: Microtherm

34 Termisk solvarme teknologi Drifts konditioner Ydelse: kwh/m 2 år Effektiviteten afhænger af drifts temperaturerne Drifts konditioner : Max temperatur (stagnation): ca. 200 C Maxi tryk: ca.. 8 bar (testet op til 16 bar) Flow mængde: ca,. 50 l/h m 2 ; Typisk flow i Danske jordplacerede solfangeranlæg ligger på 6 35 l/min Tjek solfangernes datablad

35 Termisk solvarme teknologi Drifts konditioner 0 a 1 Tm Ta G a 2 T m T G a 2 NB. Irradiance of 1000 W/m 2

36 Termisk solvarme teknologi Drifts konditioner Herunder ses vejledende værdier. For hver enkelt fabrikat/solfanger findes disse tal i solfangerns datablad Collector name Collector type η 0 a 1 a 2 [-] [W/(K m²)] [W/(K² m²)] High performing ETC A High performing FPC B Medium performing FPC C

37 Termisk solvarme teknologi Drifts konditioner For at undgå frostspringninger tilsætte der glykol til det vand der cirkuleres I solfangeranlæggene. Overophedning vil normalt ikke forekomme i solfangeranlæg, såfremt disse er dimensioneret korrekt. Skulle det ske er systemerne opbygget med sikkerhedsventiler m.m. der sikre at man hurtigt igen opnår en normal drift.

38 Solvarme-teknologi Kvalitet og certificering EN Solvarme systemer og komponenter - Solfangere - Del 1: Generelle krav EN Solvarme systemer og komponenter - Solfangere - Del 2: Prøvningsmetoder CEN/TS Solvarme systemer og komponenter - specialbygget - Del 1: Generelle krav CEN/TS Solvarme systemer og komponenter - specialbygget - Del 2: Prøvningsmetoder (bilag C og D) Afprøvning og effektivitet Holdbarhed og pålideligehd Dataopsamling Sikkerhed

39 Solvarmeanlæg Anlægstegninger Blok og Fjernvarme værker C C Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa 39

40 Solvarmeanlæg Anlægstegninger Central primær Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa 40

41 Solvarmeanlæg Anlægstegninger Fordeling/Primær Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa 41

42 Solvarmeanlæg Anlægstegninger Fordeling/Primær Tag moduler Retur temp C Source: Jan-Olof Dalenback, EnerMa 42

43 Solvarmeanlæg Solindfald (udviklet til solceller kan også bruges til thermisk solvarme)

44 Solfangeranlæg Sol ressourcevurdering W = tilt (den optimale værdi afhænger af placering og energiforbrug) = azimut

45 Solfangeranlæg Sol ressourcevurdering East South West Source: Target/ISFH West South East

46 Solfangeranlæg Sol ressourcevurdering Min afstand mellem rækkerne / solfanger hældning Collector rows Latitude Source: ENEA Collector tilt angle

47 Solvarmeanlæg Solfanger areal Store solfanger (10-15 m 2 ) placeret i parallelle rækker, med op til 20 solfanger i en række. Criteria: Areal til rådighed økonimi sol dækningsgrad forbindelser seriel / parallel

48 Solvarmeanlæg Solfanger areal

49 Solvarmeanlæg Solfanger areal

50 Sol og fjernvarme Solvarmeproduktion Sol-produktion pr. m² disponeret jord-areal [kwh/m 2 pr. år]: q areal = 0.15 * G 0 R T er en temperatur-korrektions faktor der er defineret ved en aktuel driftstemperatur med reference til outputtemperaturen 50 C: R T = Q solproduktion,aktuel /Q solproduktion,50 C Solproduktionen afhænger i udpræget grad af middeltemperaturen I solfangersystemet.

51 Sol og fjernvarme Solvarmeproduktion

52 Sol og fjernvarme Solvarmeproduktion SF = Q solproduktion-aktuel /Q total-produktion For lav soldækning (< 20%), kan følgende omtrentlige ligning anvendes: Q solproduktion-lav = 0.15 * G 0 * A areal I tilfælde af høj soldækning er en mere detaljeret beregning nødvendig!

53 Sol og fjernvarme Lager Lager-størrelse afhænger af: solfanger-areal beregnet solvarme-andel af varmeproduktion alternative varmeproduktionsteknologier(varmepumper, gasmotorer, kedler m.v.) det totale varmeproduktions-behov Grafen er usikker ved specielt: - meget store solvarmeandele - ved varmepumpedrift Source: Energistyrelsens Teknologikatalog

54 Sol og fjernvarme Lager Source: Solites

55 Sol og fjernvarme Lager

56 Investment cost per m³ water equivalent [ /m³] Sol og fjernvarme Lager Lagertyper: Ståltank (thermal energy storage) Dam-varmeleger (Pit storage) Borehulslager (Borehole) Grundvandslager (ATES) Ilmenau Crailsheim Rottweil Steinfurt Tank thermal energy storage Pit thermal energy storage Borehole thermal energy storage Aquifer thermal energy storage Stuttgart Hanover Hamburg Eggenstein Neckarsulm (1. phase) Munich Chemnitz Rostock Friedrichshafen Marstal (DK) Crailsheim Specific storage costs of demonstration plants (VAT excluded) ,000 10, ,000 Storage volume in water equivalent [m³]

57 Sol og fjernvarme Lager Ståltanke: Denne teknologi kan være en økonomisk attraktiv løsning op til ca m 3 vand ekvivalent afhængig af konstruktionen (stål eller beton). I DK er stål-konstruktionen langt den mest anvendte! Damvarme-lagre: Denne teknologi er kombineret med en varmepumpe en attraktiv lagerkonstruktion. Varmepumpen booster temperaturen fra lageret op og giver mulighed for relativt lave lager-temperaturer og tilsvarende relativt små varmetab. Borehulslagre: varmeslanger, der er indstøbt I lodrette boringer opvarmer jordmassen ca. samme pris pr. m 3 vand-ekvivalent som ofte betydelig billigere end tilsvarende stål-tanke pris og tekniske muligheder for etablering afhænger stærkt af jordbundsforholdene. Grundvandslagre: der skal forefindes naturlite sekundære grundvandslagre grundvand pumpes til overfladen (værket). Dette opvarmes og sendes tilbage hvor det opvarmede vand opvarmer de omkringliggende jordlag. det er meget vigtigt at have et godt informationsniveau om jordbunds- og grundvands. Specielt er det vigtigt at checke, om der kommer strømmende grundvandsforhold I kontakt med lagermediet.

58 Sol og fjernvarme øvrige komponenter Ofte har solvarme-cirkulationspumperne et veldefineret pumpeflow for at sikre en veldefineret temperatur Pumpestørrelserne skal matche dimensionerne af rør for at sikre et veldefineret flow (delta-t over solvarme-panelerne på K) Det er kendt, at omkostningerne til rør-anlæg stiger med stigende rør-dimensioner. Men hvis rør-dimensioner øges, reduceres tryktab og den dertil hørende, nødvendige pumpeeffekt. Tryktabet i systemet afhænger af dimensioneringen af solvarmeanlægget. Hvis relativt mange solfangere serie-kobles skabes et større tryktab over hver enkelt række i forhold til, hvis modulerne parallelkobles. Modsætningsvist vil parallelkoblede moduler fordre større

59 Sol og fjernvarme øvrige komponenter % of anti-freezing fluid* T of protection ( C) * Propylene glycol

60 Sol og fjernvarme omkostnings-analyse (udelukkende gældende for jordplaverede anlæg): Køb/leje af jordarealer Solfangere Installationsomkostninger inkl. rørlægning I solfangerfelt Varmeveksler (inkl. pumper, ekspensions-beholdere, styringssystemer m.v.) Transmissionssystemer Glykol-vædske: 1000 /m 3 (3 /m 2 varmepaneler) Lagring Planlægning, design og optimering: 2 5 % af de totale omkostninger Diverse (bl.a. jordbearbejdning I solfangerfelt)

61 Sol og fjernvarme omkostnings-analyse (udelukkende for jord-placerede anlæg) Investering[ ]: p solfangerfelt = A solfangerfelt * p solfangerfelt pr. m2 where A land : areal-solfangerfelt [m²] Ca. 3 gange det effektive solfangerareal p land : Samlet pris for solfangerareal[ /m²]

62 Sol og fjernvarme omkostnings-analyse Eksempel Storskala-solvarmeanlæg på m 2 i Denmark Omkostninger solvarmefelt (30,000 m 2 ): 80,000 Solfanger-moduler ( m 2 ), rør- og pumpeanlæg glykol og varmeveksler: Jordbearbejdning, hegn etc.: Transmissions-anlæg: (1.000 m): 300,000 Styringssystem : Konsulentbistand: TOTAL INVESTERING: 2580,000 Beregnet ydelse: MWh/år Gennemsnitlig omkostning for 20 års annuitetslån med en rente på 5%, inflation 2% is 6,7%/year Årlige kapitalomkostninger: 2.580,000 x 6,7%/år = 173,000 /år Vedligeholdelsesomkostninger 1 /MWh = 4,500 /år TOTALE ÅRLIGE OMKOSTNINGER: 177,500 /år PRODUKTIONSPRIS FOR SOLVARME (UDEN TILSKUD): ~ 40 /MWh

63 Sol og fjernvarme omkostnings-analyse

64 Sol og fjernvarme omkostnings-analyse Opmærksomheden henledes på: Eventuelle afgifter på vedvarende energi Eventuelle tilskud for investeringer eller for produceret varme

65 Sol og fjernvarme omkostnings-analyse Online værktøj: (menu Software )

66 Drift og vedligehold Nøgle temaer for drift: stop/start forhold og målinger behov for og definition af alarmgivning for fejl og alarmering (tryk, temperaturer, urenheder i rørinstallationer m.v.) små systemer kan evt. Nøjes med fjerns-alarmer og monotorering (evt. Via internet) medens store systemer sædvanligvis styres via alarmer og målinger i nærhed af anlægget driftspersonalets basisviden om anlæggets driftsforhold er af afgørende betydning kontrol af flow hold øje med anlæggets effektivitet! vær opmærksom for temperaturforholdene på hver side af veksleren! lager-kapaciteten skal matche den aktuelle og kommende produktion

67 Drift og vedligehold Emner i forbindelse med vedligeholdelses-tjek (mindst 1 gang årligt) lækager: vædsketab/luft i systemet vædske-kvalitet(altid efter overophedning)ph, inhibitorer, glycol indhold komponenter: ventiler, ekspensionsbeholdere, sensorer etc. græsset skal slåes eller anvend får og lam!

68 Regler og administative procedurer

69 Eksempel: Brædstrup (Danmark) Hoved data Drift i af solvarmeanlæg i kombination med kraft-varme Idriftsættelse: 2007 Solvarmeareal: 8,012 m 2 Installeret effekt: kw th Solfanger-teknologi: pladesolfangere Placering: jordplacering Akkumulering: ståltank (volume: 2,000 m 3 ) Total produktion ab. værk: ca. 42 GWh/år Solvarme produktion: ca. 3.4 GWh/år Solvarme andel: 8%

70 Eksempel: Brædstrup (Danmark) Detaljer - drift I perioder med megen vindproduktion reduceres typisk (alt andet lige) prisen for el. Der er i disse perioder ikke altid økonomisk hensigtsmæssigt at drive kraftvarme-delen hvorfor kedelanlæggene opstartes. kort-tids varmelagre anvendes for at udnytte kraftvarme-fordelen frem for drift af kedelanlæg relativt høje danske produktionspriser, der er baseret på naturgas, har i kombination med en national stærk industri for solvarmeteknologien, givet grobund for etablering af mange solvarmeanlæg, der således drives i kombination med de eksisterende teknologier på kraftvarmværkerne herunder de eksisterende ståltanke.

71 Eksempel: Brædstrup (Danmark) Økonomi Totale investeringer: 1.640,000 Specifikke investeringer: 205 /m 2 solvarmeareal Tilskud: Driftsomkostninger: 0.66 /MWh produceret solvarme Produktionsomkostninger: 25 /MWh (31 /MWh uden tilskud)

72 Eksempel: Berlinerring (Østrig) Hoveddata Financieret via en ESCO model Idriftssættelse: 2004 Solvarmeareal: : 2,480 m 2 Installeret effekt 1,736 kw th Solfanger-teknologi: pladesolfangere Placering : Tag Lager: Ståltank (volumen: 60 m 3 ) Total produktion ab. værk : 7.84 GWh/år Solvarme produktion : 1 GWh/år Solvarmeandel: 13% (100% om sommeren)

73 Eksempel: Berlinerring (Østrig) Anlægsdada Tagmonteret solvarmeanlæg (2.417 m²) for produktion af varmt vand og rumopvarmning af multi-familie hused ( m² paneler for hvert anlæg) Anledningen til installationen af solvarme var en nødvendig tagrenovering og opgradering af isoleringsstandarden i husene Solvarmepanelerne forsyner direkte ind i husenes varmesystemer. Overskydende varme ledes ud u det sammenhængende varmesystemer og en ståltank. Det lokale varmesystem (lavt tryk) er forbundet til fjernvarmesystemet via en varmeveksler ESCO modellen: Varmen sælges til husinstallationerne til samme pris som er gældende for det stedlige fjernvarmeselskab

74 Eksempel: Berlinerring (Østrig) Økonomi Totale investeringer: 1.250,000 Specifikke investeringer: 521 /m 2 solfanger Tilskud: 500,000 Produktionsomkostninger: 48 /MWh (80 /MWh uden tilskud)

75 Eksempel: Crailsheim (Tyskland) Hoveddata Financieret via en ESCO model Idriftsættelse: 2003 Solvarmeareal: : m 2 Installeret effekt kw th Solfanger-teknologi: pladesolfangere Placering : Tag og mark Lager: Borehulslager BTES (volumen: m 3 ) Total produktion ab. værk : 4,1 GWh/år Solvarme produktion : 2,05 GWh/år Solvarmeandel: 50% Source:

76 Eksempel: Crailsheim (Tyskland) Driftsdata Fjernvarmetilsluttet solvarmeanlæg med sæsonvarmelager der har backup af af et mindre fjernvarmenet og en varmepumpeheat pump. Solvarmeanlæggene er installeret på nye og renoverede bygninger og på en støjvold Fjernvarmenettet producerer varme til rumopvarmning og til varmtvandsforsyning af 260 stk. multihuse, en skole og en gymnastikhal

77 Eksempel: Crailsheim (Tyskland)) Økonomi Totale investeringer: 7.000,000 Specifikke investeringer: 959 /m 2 solfanger Tilskud: 3.400,000 Produktionsomkostninger: 112 /MWh (219 /MWh uden tilskud Source:

78 Eksempel Vislanda (Sverige) Hoveddata Netto-måling af sol-produktion Idriftsættelse: 2009 Solvarmeareal: : 345 m 2 Installeret effekt 241,5 kw th Solfanger-teknologi: pladesolfangere Placering : Tag Lager: Borehulslager BTES (volumen: m 3 ) Total produktion ab. værk : 4,1 GWh/år Solvarme produktion : 0,138 GWh/år

79 Eksempel Vislanda (Sverige) Driftsdata Tagintegrerede solfangere på et eksisterende multi-familie bygning på m 2 opvarmet areal med et årligt varmebehov på ca. 150 MWh og et årligt varmtvandsbehov på ca m 3 Solvarmeanlægget er tilsluttet det lokale fjernvarmesystem via en prefabrikeret unit, der bl.a. indeholder en varmeveksler, ekspension, pumper m.v.

80 Eksempel Vislanda (Sverige) Økonomi Totale investeringer: Specifikke investeringer: 516 /m 2 solfanger Tilskud: Produktionsomkostninger: 63 /MWh (83 /MWh uden tilskud

81 Tilgængelige værktøjer fra projektet Ensartede slides: Hovedsprog er engelsk men der foretages oversætning til nationale sprog Spørgeskemaer for vurdering af mulighederne for at installere solvarme i kombination med fjernvarme og kraftvarme Nationale markedsforhold ( macro analyse ) Database for anlæg ( micro analyse ) Standard faktablade (såvel tekniske som ikke-tekniske) Erfagrupper Help desks

82 Tilgængelige værktøjer fra projektet Publikationer Leaflet Nationale markedsforhold of faktablade

83 Tilgængelige værktøjer fra projektet Anlægs databaser

84 Tilgængelige værktøjer fra projektet Standard faktablade

85 Tilgængelige værktøjer fra projektet Find tilgængelig viden