Varmepumper i fremtidens energisystem: Systemanalyse, miljø og økonomi Morten Boje Blarke, Ph.D, Adjunkt, Aalborg Universitet
FJERNVARMEPUMPER.DK
Partnerskap for forandring Uafhængig planlægning og policy (AAU v/morten Boje Blarke) Fremstillings- og servicevirksomheder (Advansor v/ Torben M. Hansen) (SEG v/lars Toft Hansen) Tekniske udviklings- og videnscentre (Teknologisk v/ Bjarke Paaske) Operatører (JER)
Det før-bæredygtige energisystem Mobility Power exchange Power-only plants Electricity Electricity Fuels Cooling Heat-only boilers Heat Heating Resources Conversion Exchange Demand
Det før-bæredygtige energisystem
På vej til et decentralt energisystem 16 centrale kraft- og kraftvarmeværker 1985 beslutning væk fra videre centralisering: Ingen kernekraft, påbegyndte programmer for vindkraft og decentral kraftvarme Indenlandsk naturgas ankommer fra Vesterhavet i 1985/86 Energi 2000 fra 1990, verdens første bæredygtige nationale energihandlingsplan Vindeventyret 1896 2009: en historie i sin egen ret der sammenfletter bl.a. folkehøjskoler, græsrødder, smedemestre, forskere, og naturlige ressourcer
På vej til et decentralt energisystem Omkring 650 decentrale kraftvarmeværker Et væsentligt aspekt ved livet og fornemmelsen af sammenhæng i mange lokalsamfund, stadig er de fleste værker drevet nonprofit af andelsselskaber
Eksisterende vindkraft (on-shore, off-shore) Fremtidige placeringer off-shore (200 MW pies)
Første generation bæredygtigt energisystem (1G) Vindkraft Wind power etc. etc. Intermittent Diskont. elektricitet power Power Eludveksling Exchange Electricity Elektricitet Electricity Brændsler Fuels Power Kraftværker plants Kraftvarme Cogen Cooling Køling Boilers Kedler Heat Varme Heat Solvarme Solar heat etc. etc. Intermittent Diskont. varme heat Thermal Termisk Storage lagring Exchange Resources Conversion Demand and storage
Diskontinuerlighed kræver udbud-efterspørgsels intelligens 2008 (20 % wind) 2025 (50 % wind)
Elbehov Centrale kraftværker Decentral kraftvarme Vindkraft 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 MW
Elbehov Samlet kapacitet Decentral kapacitet 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 MW
Forsyningsandel og vind-venlighed for decentral kraftvarme (vest) 60% 50% 51,7% 50,2% 48,4% 55,7% 56,9% 56,4% R = c ( e ( e e )( d d ) m e ) 2 m m ( d d ) 2 m 40% 30% 30% 28% 26% 23% 23% DG share 30% Wind share DG Windfriendliness 20% 10% 21% 23% 24% 22% 26% 24% 0% 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Anden generation bæredygtigt energisystem (2G) Absorption Vindkraft Wind Intermittent Diskont. power etc. etc. elektricitet power Kompression Store Små Power Eludveksling Exchange Electricity Elektricitet Electricity Brændsler Fuels Tri- and Kraftvarme Quad-gen Mechanical Varmepumpe Heat Cooling Cooling Køling Heat Varme Heat Solvarme Solar heat etc. etc. Intermittent Diskont. varme heat Thermal Termisk Storage lagring Exchange Resources Conversion Relocation Demand and storage
Hvordan kommer vi videre? Vurderingsmetoder, analyseværktøjer, økonomiske vilkår, lovgivning, planlægning Morten Boje Blarke, Ph.D, Adjunkt, Aalborg Universitet
Perspektiver for varmepumper Kan forbedre brændselsudnyttelsen Kan reducere CO2 udledningen Kan reducere driftsomkostningerne, både samfunds- og selskabsøkonomisk Kan sikre princippet om samproduktion af kraft og varme, og dermed nonprofit ejerskabsformer Kan være det umiddelbart næste skridt på vejen mod et ægte decentralt energisystem med store perspektiver for dansk teknologiudvikling, eksport, arbejdspladser Særligt for kompressionsvarmepumper Kan bidrage til integration af vindkraft Kan fortrænge investeringer i transmissionsnet til nabo-lande (supergrid) Kan være en forsikring mod kraftige udsving i el- og brændselspriser
Erfaringer fra 1. generation af store varmepumper 1. Ingen hyldevare 2. Ikke vindvenlig 3. Lav afgangstemperatur 4. Problematiske kølemidler 133.000 Nm 3 /h 130 o C 68 o C 11 m 3 /h 55 o C 150.000 Nm 3 /h 115 o C 48 o C 47 o C 80 m 3 /h 28 t/h 8,3 bar(e) 184 o C 65 o C 6 m 3 /h (A6) 900 m 3 /h 14 m 3 /h 8 m 3 /h (A5) 60 o C 28 t/h 900 m 3 /h AVP 1 95 o C AVP 2 59 o C 46 o C 80 o C FJV returledning Anlæg 5 60 o C f1/f2 1.400 m 3 /h FJV returledning Anlæg 6 06-09-21
238 MWe varmepumper Ingen teknologimål 450 MWe varmepumper
Eksisterende tilpasnings-instrumenter 1. Siden 2005 er alle decentrale kraftvarmeanlæg over 5 MWe tvunget til at operere på markedsvilkår (spot og reguleringsmarkedet) 2. L1417 elpatronloven stimulerer til strategisk brug af elektricitet i fjernvarmeproduktionen ved at reducere elafgiften med omkring 70% for elkedler
L1417 Elanvendelse til fjernvarmeproduktion, også egenproduceret el, beskattes som udgangspunkt med 66,5 øre per kwh (incl. CO2 afgift) alm. elafgift. Med L1417 er afgiften, uden samtidig kraftvarmeproduktion, lempet til 50 kr/gj fjernvarme (incl. CO2 afgift). Dette svarer til 18 øre per kwh for elpatroner og 63 øre per kwh for varmepumpe (med en COP på 3,5). Tilsyneladende forståelse for, at varmepumper, der genvinder spildvarme fra allerede afgiftsbelagt røggas, kan beskattes på basis af elforbruget (= nettovarmeproduktion) Men ellers gælder det, at jo mere effektiv elanvendelse jo højere afgift!
L1417 s målgruppe 11 stk. 17: Stk. 17. Momsregistrerede varmeproducenter, der leverer varme uden samtidig produktion af elektricitet til de kollektive fjernvarmenet, og som har kraftvarmekapacitet ( ) eller som den 1. oktober 2005 havde kraftvarmekapacitet ( ) kan få tilbagebetalt ( ) (d)en del af afgiften, der overstiger 45 kr. pr. GJ fjernvarme ab værk eller 16,2 øre pr. kwh fjernvarme ab værk ( )
L1417 reaktion: Målgruppens planer om elpatron / varmepumpe
Spørgsmål 6: Oplever I, at der er særlige problemer knyttet til installation af varmepumpe i forhold til installation af elpatron? 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Fysisk placering Teknisk integration Driftsmæssig integration og styring Afgiftslempelsens konkrete udformning Finansiering Rentabilitet Investeringsrisikoen Ved ikke Slet ikke I mindre grad I nogen grad I høj grad
Spørgsmål 7: Hvilke vilkår kunne være afgørende for, at selskabet vil vælge at installere en varmepumpe i varme-produktionen? 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Ved ikke Slet ikke I mindre grad I nogen grad I høj grad 30% 20% 10% 0% Yderligere afgiftslettelse for køb af el til varmepumpe Direkte investeringstilskud Teknisk rådgivning Økonomisk rådgivning
Spørgsmål 8: Hvad kunne være en relevant lav-temperatur varmekilde for en eventuel varmepumpe i jeres område? 100% 80% 60% 40% Ved ikke Slet ikke I mindre grad I nogen grad I høj grad 20% 0% Geotermi Solvarme Udeluft Jordvarme Spildvarme eller spildevand Sø- eller havvand Røggaskøler eller intercooler
Spørgsmål 9: Hvad har selskabets/virksomhedens ledelse fokus på netop nu? 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Markedsoptimering af køb og salg af el Integration af elpatron eller varmepumpe Udbygning af varme-produktionskapacitet Udbygning af elproduktions-kapacitet Omlægning til vedvarende energikilder Energibesparelser Forberedelse til anden ejerform Akutte økonomiske vanskeligheder Ved ikke Slet ikke I mindre grad I nogen grad I høj grad
Spørgsmål 10: I hvilken grad vil I være interesseret i at indgå i et samarbejde med Aalborg Universitet og Teknologisk Institut om at afprøve varmepumper i varme-produktionen? 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Ved ikke Slet ikke I mindre grad I nogen grad I høj grad 30% 20% 10% 0% Vi kunne godt tænke os, at blive vært for et demonstrationsanlæg Vi er parate til medfinansiering af et demonstrationsanlæg Vi er villige til at løbe en begrænset økonomisk risiko
CHP-HP med røggaskøling og koldt varmelager District heating Compressor Expansion
Resultater: Vind-venlighedskoefficienten Relocation Coefficient 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Ref erence A B C D E F Options 1. Alternativer med varmepumpe eller elkedel øger anlæggets vindvenlighed fra 0,50 op til 0,58. 2. En lille varmepumpe (der udnytter røggassen og f.eks. tiløjer 20 % varmeprod. kap.) med koldt varmelager (som i sig selv øger vv) er mere vind-venlig end en fuld-scala elkedel.
Resultater: Samfundsøkonomisk produktionsomkostning Levelized Economic Costs Per Unit Demand Sold 0,23 0,22 0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Ref erence A B C D E F Options 1. Samfundsøkonomis ke omkostninger (inkl. CO2 omkostninger, og fortrængte omkostninger) øges fra 7 % op til 84 %. 2. Men meromkostninger kan forsvares, nuværende lovgivning kompenserer ikke i tilstrækkelig grad disse løsninger for at understøtte vindintegration.
Resultater: Vind-venlighedsforøgelsens omkostningseffektivitet Levelized Economic Cost Per Increased Percentage R 42.000.000 40.000.000 38.000.000 36.000.000 34.000.000 32.000.000 30.000.000 28.000.000 26.000.000 24.000.000 22.000.000 20.000.000 18.000.000 16.000.000 14.000.000 12.000.000 10.000.000 8.000.000 6.000.000 4.000.000 2.000.000 0 A B C D E F Options 1. Et koldt varmelager øger omkostningseffektiviteten. 2. CHP-HP-CS og CHP- HP-GS (lille) er de mest omkostningseffektive alternativer (mere omkostningseffektive end elkedler)
Mer-omkostninger er acceptable (i et system-perspektiv) Storebælt I (600 MW / DKK 1,3 mia.) klar i 2010 Storebælt II på vej (600 MW / DKK 1,2 mia.) Skagerrak IV på vej (600 MW / DKK 2 mia.) Tysklands-udvidelse på vej (2500 MW / DKK 3 mia.) Nye planer for en forbindelse til Holland (COBRA) Dertil vil manglen på nye indenlandske transmissions-ledninger til at føre vindkraft ud af landet koste elforbrugerne 4,4 øre per kwh i 2025 ifølge elinfrastrukturkommissionen, april 2008 Indenlandsk strategi for integration af vindkraft er mere hensigtsmæssig end en open access strategi? Elforbrugerne skal kompensere fjernvarmeforbrugerne for meromkostningerne, da elforbrugerne i forvejen netop forventes at finansiere den i Energinet.dk dominerende open access strategi for integration af vindkraft
Behov for ny regulering og for koordineret aktion Vi foreslår, at et velafbalanceret instrument ville være at give decentrale kraftvarmeproducenter fuld fritagelse for elafgift for elektricitet anvendt i varmeproduktionen for op til 10 % af værkets egenproduktion af el (beskytter fortsat kraftvarmen, men baner vej for enkel og effektiv integration af varmepumper, og tager udgangspunkt i det elforbrug, der kan sikre røggasudnyttelsen, og samtidig med plads til at eksperimentere med supplerende eksternt varmeoptag). Decentrale operatører må forstå, at deres fremtidige eksistens er i fare om ikke de forstår at øge deres produktions vind-venlighed. Operatørerne har interesse i at gennemføre en koordineret aktion for autonomt gennem eksperimentelle koncepter af den foreslåede natur at håndtere denne udfordring.
Dual-purpose (interactive modeling framework) Hybrid Project-System Model EnergyPLAN / SIVAEL / RAMSES energypro COMPOSE (Compare Options for Sustainable Energy) EnergyInteractive.NET Energinet.dk / DEA