Optimering af processer og uider i varmepumper Brian Elmegaard Branchemøde i fjernvarmen 5. september 2018 DTU Mekanik Institut for Mekanisk Teknologi Sektion Termisk Energi Baseret på samarbejde med en række kolleger og samarbejdspartnere samt støtte fra Innovationsfonden og EUDP
Indhold 1 Varmepumper igangværende projekter 2 Varmepumper potentialer og udfordringer 3 Højere Lorenz-virkningsgrad 4 Afrunding 2/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Indhold 1 Varmepumper igangværende projekter 2 Varmepumper potentialer og udfordringer 3 Højere Lorenz-virkningsgrad 4 Afrunding 3/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
SVAF Store elvarmepumper til Fjernvarme Fase 2 HOFOR, CTR, VEKS, Innoterm, Alfa Laval, Biofos, DME, DTU, EUDP Demonstration af store varmepumper i København 5 MW Spildevand som varmekilde 5 MW geotermi som varmekilde 4/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
THERMCYC DTU, AaU, TU München, TU Delft, Mærsk, Alfa Laval, MAN Diesel & Turbo, Danfoss, Arla, Viegand Maagøe, Teknologisk Institut, Innovationsfonden Udnytte lavtemperatur spildvarme til elproduktion eller varmepumper 5/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Mixed refrigerant heat pumps/cooling systems (MIREHP) Teknologisk Institut, Sauter, Alfa Laval, Danarctica, DTU, EUDP Analyse og demonstration af varmepumper med kølemiddelblandinger 6/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Energylab Nordhavn Københavns kommune, HOFOR, DONG Energy, Balslev, ABB, Danfoss, By & havn, MetroTherm, Glen Dimplex, CleanCharge, DTU, EUDP Demonstration af Smart Energy fremtidens integrerede system i Københavns Nordhavn 10 DTU Elektro, Danmarks Tekniske Universitet 10. november 2015 Ø-system for krydstogtterminal Boostervarmepumpe til varmt brugsvand Udnyttelse af overskudskapacitet 7/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Indhold 1 Varmepumper igangværende projekter 2 Varmepumper potentialer og udfordringer 3 Højere Lorenz-virkningsgrad 4 Afrunding 8/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Varmepumpeintegration Heat Source: Flue gas Industy Waste water Sea water Geothermal Fuel: Electricity(grid) Gas (Natural / Bio) Heat demand: District heating network With/without Storage Primary DH-network Heat Source: Industy Solar Thermal Waste water Geothermal Secondary DH-network Fuel: Electricity (grid) Gas (Natural / Bio) Heat demand: Small DH-network With/without Storage Heat Source: Air Solar Thermal Shallow Geothermal Fuel: Electricity(grid) Heat demand: Individual consumers Transmission Distribution Consumption 9/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Varmepumper potentiale og udfordringer Eektiv i forhold til elvarme Eektiv i forhold til direkte fyring Potentielt eektiv i fjernvarme Anvender el og en lavtemperatur varmekilde Potentiale for integration i smart energisystem 10/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Eektfaktor Eektfaktor (COP) beskriver eektivitet af varmepumpe COP = Varme ydet el brugt = Teoretisk maximum Carnots proces COP Carnot = Lavtemperatur-energi + el brugt el brugt T høj T høj T lav, i [K]=[ C +273.15] 11/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Integration i fjernvarme t [ C ] W T kond T frem T ret T kilde Tab skyldes: temperatur mismatch kompressorvirkningsgrad varmetab tryktab... T ud T ford Q ford Q kond Q [MW] 12/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Lorenz-processen Teoretisk maximum med temperaturglid Lorenz COP COP Lorenz = T høj T høj T lav Middeltemperaturer anvendes t [ C ] T kond W T høj T frem + T retur 2 + 273.15[ C] T frem T ret T kilde T ud T lav T kilde + T ud 2 T ford + 273.15[ C] Q ford Q kond Q [MW] Lorenz-virkningsgrad η Lorenz = COP COP Lorenz 13/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Udfordringer Økonomi Forbruger Samfund Drift investering Elkilde Varmekilde Tilgængelighed Omkostning penge, energi Samtidighed med behov Teknik COP i forhold til teori Kølemidler Naturlige, HFC, HFO Tryk og temperatur Smøring Kompressorer Lovgivning Afgifter 14/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Kølemiddelsituationen Tæt koblet til proces og komponentteknologi Naturlige kølemidler Ammoniak Ammoniak-vanddamp blanding Vanddamp CO 2 Kulbrinter Kunstige kølemidler HFC - R134a (max 10 kg) HFO - R1234yf, R1234ze(E), R1233zd(E) 15/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Indhold 1 Varmepumper igangværende projekter 2 Varmepumper potentialer og udfordringer 3 Højere Lorenz-virkningsgrad 4 Afrunding 16/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Varmepumpe Vestmannaeyjar Island Ammoniak 10 MW Havvand COP 3.24 η Lorenz = 52 % Ref: Deding, Johnson Controls 17/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Stor varmepumpe i Københavns fjernvarme 5 MW Havvand/Spildevand Ammoniak COP 3.35 η Lorenz = 62 % 18/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Stor hybridvarmepumpe i Københavns fjernvarme 5 MW Geotermi Ammoniak-vand COP 4.3 η Lorenz = 45 % 19/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Zeotropiske blandinger 50 % propylen/ 50 % butan COP 5.65 η Lorenz = 46 % 20/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Indhold 1 Varmepumper igangværende projekter 2 Varmepumper potentialer og udfordringer 3 Højere Lorenz-virkningsgrad 4 Afrunding 21/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Afrunding Stort behov for varmepumpeløsninger fremover Demonstration nødvendigt Varmekilde med tilstrækkelig kapacitet krævet energi og eekt Økonomi, teknik, regler er udfordringer Muligheder for eksibilitet og smart energy 22/22 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Indhold 5 Varmekilder 1/5 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Potentielle kilder SF SD SR RF RD (F) T DH,Forward (D) T Demand (R) T DH,Return (S) T Source 2/5 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Varmepumpe COP for udtagsværk 10 8 DH 70 o C-35 o DH 90 o C-40 o DH 105 o C-50 o C 8.47 Heat pump COP [-] 6 4 4.11 3.52 3.08 4.52 4.52 4.52 5.30 4.74 3.87 5.51 4.90 4.97 6.25 6.83 2 0 SF SD SR RF RD COP = Varme ydet el brugt = varmekilde energi + el brugt el brugt 3/5 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
System COP fra el for udtagsværk 6 5 DH 70 o C-35 o DH 90 o C-40 o DH 105 o C-50 o C 4.76 COSPelec [-] 4 3 2 3.91 3.34 2.92 4.29 4.29 4.29 4.22 3.49 1 0.95 0.95 0.94 0.95 0.95 0.94 0 SF SD SR RF RD Ændring i varme ydet fra system COSP = el forbrugt Fjernvarmeretur er ikke en varmekilde! 4/5 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18
Fleksibel udnyttelse af kilder Luft Grundvand Havvand 5/5 DTU Mekanik Varmepumper 5/9-18