Morten Emil Jørgensen Maskinmester uddannelsen DRIFTSOPTIMERING AF VARMEPUMPE. Bachelor projekt

DRIFTSOPTIMERING Morten Emil Jørgensen Maskinmester uddannelsen AF VARMEPUMPE Bachelor projekt

Titelblad Titel Driftsoptimering af varmepumpe Fredericia Maskinmesterskole, Esbjerg D.15/12-2017 Skribent Morten E. Jørgensen Problemformulering Hvilke muligheder har Esbjerg Mejeri for at højne belastningen på varmepumpen og dermed få en mere stabil drift og hvad vil det betyde økonomisk i forhold til varmeproduktionen. Antal ns: 14,5 Sider 34.936 Tegn 1

Abstract Arla Foods Esbjerg is a dairy factory that specializes in long life dairy products which is UHT treated (Ultra High Temperature). This process removes all bacteria s in the product making it able to stay fresh for much longer, an example of such a product could be Matilde chocolate milk. A few years ago, they installed a water-to-water heat-pump to make economical savings on the factory s energy consumptions. In the meanwhile, it has shown difficult to achieve a load high enough to ensure a stable operation of the heat-pump. This results in a lot of start-ups and shutdowns, making the heat-pump less efficient and increases the wear and tear of the components within. By measuring the energy consumptions of the factory s heat exchangers with secondary temperature needs below 80 C additional consumers can be found to increase the load of the heatpump making it possible for it to have less start-ups. Systems where measuring data is not available an external flow meter with datalogger is mounted. The collected data is analyzed and calculations are made to determine the basis of an optimization. Conclusion to the found optimization possibilities is that it is possible to increase the load of the heat pump to more than double that of the load that is today. Furthermore, it shows that there are economical savings to be made with the suggested optimization. 2

Indholdsfortegnelse Titelblad... 1 Abstract... 2 Forord... 4 Indledning... 5 Problemformulering... 6 Anlægs beskrivelse... 6 Metode... 7 Dataindsamling... 7 FLUXUS F601... 7 Mejeriets egne energimålere... 8 Besparelses områder... 9 Besparelse varmepumpe kontra gaskedler... 9 Gaspris... 9 El pris... 9 Beregning af omkostninger ved gaskedelenergi... 9 Beregning af omkostninger ved varmepumpeenergi... 11 Hvorfor er der penge at spare på afgifter... 12 Belastnings optimering... 15 Varmecentralen... 15 CIP-centralen... 17 Optimerings besparelse... 18 Besparelse af afgiftsomkostninger... 19 Besparelse af energiomkostninger... 19 Ombygningen... 19 Prisoverslag af ombygning... 20 Estimat af driftsomkostning af ny pumpe... 21 Investerings analyse... 23 Diskussion... 24 Konklusion... 25 Litteraturliste... 26 3

Forord Forud for dette bachelorprojekt har jeg gennemgået en praktikperiode på 10 uger ved Esbjerg Mejeri. Jeg har fulgt min vejleder og forsyningsansvarlig Atli Johannesen og har dermed fået et indblik i hans hverdag i virksomheden. Ydermere har jeg deltaget i forskellige møder med de andre ledere fra teknisk afdeling i forbindelse med drift og planlægning af det tekniske på virksomheden. Dette projekt beskriver en problemstilling som er fundet i løbet af disse 10 uger og behandler data som ligeledes er samlet i denne periode. Personalet på mejeriet har være yderst behjælpelige og forstående og en tak skal gives for den hjælp jeg har fået. En særlig tak gives til de nøglepersoner, som har haft indflydelse på projektet. - Atli Johannesen, Utility Manager v. Arla Foods vejleder, sparringspartner og kontaktperson i forbindelse med data og kommunikation med eksterne firmaer. - Jacob Steffensen, Flow Product Manager v. Insatech assisterende i opsætning og udlæsning af måleudstyr. 4

Indledning Esbjerg mejeri er det eneste UHT mejeri i Arla Foods Danmark. UHT (Ultra High Temperature treatment), denne behandling betyder at mælkeproduktet kan holde sig meget længe selv ved stuetemperatur. I 2015 fik forsyningsafdelingen installeret en varmepumpe med nominel ydelse på 1,5 MW, denne er i mellemtiden aldrig kommet til at køre ordentligt og det resulterer i at den har en del start/stop og aldrig rigtig bliver driftsvarm. Varmepumpen leverer i dag igennem et buffertanks system, varmtvand til et centralvarmeanlæg som fordeler varmen til mejeriets forbrugere. Udover varmepumpen leverer en dampvarmeveksler også energi til denne kreds. Formålet med varmepumpen var at denne skulle overtage varmeproduktionen til rumvarme og varmtvand, men da varmepumpen ikke kører optimalt og har meget nedetid, bliver der brugt meget damp til dette i stedet. Ved at lokalisere varmeforbrugere forventes det at belastningen af varmepumpen kan øges med 20%, og komme til at køre mere stabilt. Det betyder dermed også at varmepumpen kommer til at overtage hoveddelen af energiproduktionen til centralvarmeanlægget. For at undersøge potentialet for forhøjet forbrug på varmecentralen kigges der efter forbrugere af varmeenergi på maximalt 80 C i processen, som ikke allerede er tilsluttet varmecentralen og der måles herefter om de fundne forbrugere kan have en effekt i form af energiforbrug. Rapporten vil ikke behandle varmepumpens kolde side, da varmepumpens primære opgave er levering af hedt vand til varmecentralen. Projektets hovedformål er at optimere driften af den omtalte varmepumpe og det vurderes derfor at den kolde ikke er relevant i denne sammenhæng. Projektet vil behandle indsamlet data fra mejeriet egne målere og måleprøver foretaget med et eksternt måleapparat. Denne data omhandler energimålinger, som gør det muligt at synliggøre energiforbruget. Findes der ved en analyse en mulighed for en optimering, holdes den estimerede udgift til eventuelle nødvendige ændringer op imod den økonomiske gevinst der kan være ved at lave disse. For at analysere grundlaget for optimeringen og om denne kan betale sig ud fra et økonomisk synspunkt. Da der i forbindelse med energiforbrug i Danmark er pålagt diverse afgifter, vil rapporten behandle og medregne dem i forbindelse med det økonomiske aspekt. 5

Problemformulering Hvilke muligheder har Esbjerg Mejeri for at højne belastningen på varmepumpen og dermed få en mere stabil drift og hvad vil det betyde økonomisk i forhold til varmeproduktionen. Anlægsbeskrivelse Denne rapport tager udgangspunkt i en varmepumpe som for nogle år siden blev installeret på Esbjerg mejeri. Varmepumpens hovedformål er at levere hedt vand til produktionens varmecentral. Dette gør den igennem 2 buffer tanke på hver 125 m 3, disse tanke indeholder henholdsvis lunt og hedt vand. Det lune vand er det som kommer tilbage fra varmeveksleren ude ved varmecentralen og skal optimalt være på ca. 50-60 C og hedt vand er det som leveres videre til varmecentralen. Varmepumpen er styret af returvandstanken, når denne når en vandstand på 900cm sendes der signal til varmepumpen og den kan hermed starte, herefter kan den så kører til vandstanden i tanken når 200cm hvor der bliver lukket for signalet fra tanken og varmepumpen stopper. Varmecentralen fordeler varmeenergien til processens forskellige forbrugere, disse forbrugere er, varmt brugsvand, varmt vand til rum opvarmning og varme til processer i blanderiet. Det varme brugsvand går ikke kun til håndvaske, men også til processens CIP system (Cleaning In Place). CIP systemet bruger varmt vand når der skyldes igennem efter der har været anvendt en rense væske, disser væsker er en blanding med lud eller syre. CIP systemet bruger derfor kun vand kortvarigt og meget sporadisk da det afhænger af maskinen hvornår der køres CIP. Den kolde side af varmepumpen er koblet på processens kølevand parallelt med 3 stk. køletårne via en buffer tank på 125m 3, kølevandet kommer fra processen hvor det f.eks. kan have været anvendt til at køle mælken efter UHT fasen. 6

Metode For at kortlægge varmepumpens energiafsætning skal der foretages forbrugsmålinger på varmecentralen. Dette gøres via flow og temperaturmålere som sidder på centralens side af varmevekslerne, ved en aflæsning dagligt. Ydermere skal der foretages målinger på potentielle forbrugere for at kunne lave en analyse og en begrundet vurdering af om der er grundlag for at arbejde videre med denne forbruger. Disse målinger foretages bl.a. med et eksternt clamp-on ultralyds flowmeter og temperaturfølere. I flow-meteret er der en indbygget datalogger, som gør det muligt at hente den målte data ud til videre behandling, eller udlæses af mejeriets egne energimålere. Al data gemmes i Excel format, som gør det muligt at behandle den kvantitative data til brug i den videre analyse. Den indhentede data anvendes til udregninger om energibehovet ved målepunktet, når energibehovet er kortlagt foretages der vurdering af om hvilke forbrugere der kan foretages ændringer på og dermed gøre driften af varmepumpen mere stabil. Eventuelle ændringer analyseres yderligere ud fra et økonomisk synspunkt, hvor det vurderes om ændringen er rentabel ud fra en tilbagebetalingsberegning, hvor prisen af en ændring sidestilles med de eventuelle besparelser som denne kunne medføre. Dataindsamling Aflæsninger og målinger der er anvendt i den følgende analyse, for at kortlægge energiforbruget i varmecentralen er indsamlet på følgende måder. Aflæst data er indsamlet fra mejeriets egne aflæsningsark i Excel-format, aflæsningerne foretages manuelt på ugentlig basis af mejeriets tekniske lagerpersonel. Yderligere målinger foretages med et eksternt måleredskab, denne og det fastmonterede måleudstyr beskrives i det efterfølgende afsnit. FLUXUS F601 FLUXUS F601 ultralydsmåler er et clamp-on flowmeter som kan anvendes til datalogning af en flowproces uden at skulle ind i systemet man ønsker en måling på. På denne måde undgår man at skulle lukke for systemet så processen stoppes og ydermere undgår man forurening i proces og produkt. Det er en fordel specielt i en fødevarevirksomhed da der er store krav til hygiejne og renhed af rørsystemet. 7

Figur 1 - Fluxus F601 industrial portable flowmeter Måleapparatets specifikationer 1 beskriver en målenøjagtighed på +/- 1,6 %, med en nulpunktsnøjagtighed på 0,01 m/s når apparatet opstilles med en standard kalibrering. Ønskes der en mere præcis måling kræves det at måleudstyret opstilles af en tekniker med det fornødne kalibreringsudstyr. Målinger i forbindelse med dette projekt er foretaget med en standard kalibrering og derefter sammenlignet med andet måleudstyr, som anvendes til energimåling, for at verificere målingernes præcision. Målinger foretaget med dette apparat er logget i rapporter i Excel format, apparatet er ved opsætning blevet indstillet til at lave en logning 1 gang per minut, værdien der logges er en gennemsnitsværdi af det målte i minuttet mellem logningerne for at give den mest præcise måling over længere perioder. Mejeriets egne energimålere Målinger aflæst fra mejeriets egne regneark er foretaget med energimålere fra Kamstrup, disse målere bruges til opgørelse af afgiftsforhold for mejeriets energiforbrug. Dette betyder at de skal opfylde visse lovkrav 2 om målesikkerhed og repetition for at kunne godkendes til disse opgaver og disse vurderes derfor anvendelige til følgende analyse og beregninger. 1 http://insatech.com/downloads/tsfluxus_f601v1-3en_leu.pdf 2 https://www.retsinformation.dk/forms/r0710.aspx?id=185048 8

Besparelsesområder I forbindelse med en optimering af varmepumpen er der mulighed for at opnå nogle besparelser for forskellige områder. I dette afsnit vil disse områder blive forklaret for at klarlægge hvor de største besparelser er at finde. Områderne der vil blive gennemgået er, udgifter til driften af de to leverandører af varmeenergi til mejeriet. Herunder varmepumpe og gaskedler, og udgifter i form af afgifter som skal betales i forbindelse med brug af energi til henholdsvis proces og komfort. Besparelse varmepumpe kontra gaskedler Ved at foretage beregninger for omkostninger ved hver af de to varmekilder, kan en sammenligning og en eventuel besparelse, ved at bruge energi fra varmepumpen frem for gaskedler findes. Den samlede omkostning ved opvarmning af vand ved brug af gaskedler beregnes som følgende. Omkostningerne for gaskedelenergi beregnes ud fra priser på naturgassen og den beregnede effektivitet af gaskedlerne. Omkostningerne ved varmepumpenergi beregnes ud fra prisen på elektricitet i kwh leveret til varmepumpen og varmepumpens oplyste COP. Der tages i disse beregninger ikke højde for vedligehold af systemerne, da det ikke vurderes til at have særlig relevans for beregningerne. Anvendte priser til beregning er via. mailkorrespondance med Adm. Direktør Hanne Hansen, blevet oplyst som følger. Nævnte mailkorrespondance findes som bilag 2. Gaspris Gaspris der opgøres pr. Nm 3 er for 2017, oplyst til 195,93 øre pr. Nm 3 og med en afgift på 67,32 øre pr. Nm 3. Dette giver det en samlet indkøbsomkostning på 263,25 øre pr. Nm 3. El pris EL pris pr. kwh er ligeledes for 2017, oplyst til 59,05 øre/kwh, med afgift på 0,47øre/kWh. Samlet indkøbsomkostning, 59,52 øre/kwh. Beregning af omkostninger ved gaskedelenergi Følgende udregninger vil visse den samlede pris pr. kwh ved fyring af gaskedler til produktion af damp. I beregningerne bliver tal som er aflæst fra mejeriets egne energinøgletal anvendt. Mængden af vand, som bruges i kedlerne måles af måler 03-16. Ud af de ugentlige aflæsninger som findes i bilag 3, beregnes et gennemsnit af mængden af blødt vand der ugentligt bliver leveret til gaskedlerne. Inden vandet fyldes på gaskedlerne behandles det i et RO-anlæg, som i 9

udbudsmaterialet set som bilag 4, er oplyst til at have en vandudnyttelse på 85%. Vandets massefylde 3 er aflæst ved 7 C da det er denne temperatur vandet til mejeriet bliver leveret ved. Flow behandlet vand = 1.548 m3 0,85 999,9 kg 168 hr m 3 = 7,83 103 [ kg hr ] Det samlede vandforbrug i kedlerne består af nyt vand såvel som retur kondensat. Kondensatet måles af måler 03-25 og ligesom for måler 03-16 beregnes et ugentligt gennemsnit til videre behandling. Kondensatets temperatur er antaget til at være 62 C konstant og massefylden 4 er derfor fundet ved denne temperatur. Data for vandforbrug findes i bilag 3. Kondensatflow = 320 m3 kg 982,2 168 hr m 3 = 1,87 103 [ kg hr ] Følgende beregninger viser effektiviteten af gaskedlerne i form af kwh/nm 3. Dampflow = 7,83 10 3 kg kg + 1,87 103 = 9702,22 [kg hr hr hr ] 2,69[kg s ] Entalpi for damp er aflæst 5 ved 8,8 bar da dette er det indstillede tryk på kedlerne. Dampenergi = 2,69 kg s kj 2771,3 = 7.454,8 [kw] kg Herfra skal den energi der er i fødevandet fratrækkes således, at det kun er den energi der produceres i kedlerne der er tilbage. Entalpier er udlæst 6 ved respektive temperaturer. Fødevandsenergi = 7,83 kg 103 hr 259,46 kj 3.600 s kg + 1,87 kg 103 hr 3.600 s 29,41 kj = 579,6 [kw] kg Produktion gaskedler = (7.454,8 kw 579,6 kw) 168 hr = 1.155,03 [MWh pr. uge] Det beregnede gennemsnitlige forbrug af gas bruges til beregningen herunder til at vise kedlernes ydelse pr. normalkubikmeter gas. Data for gasforbrug findes i bilag 5. Brændværdi gaskedler = 1.155,03 MWh 103 110.420 Nm 3 = 10,46[ kwh Nm 3] 3 Massefylde tabel, side 83, kemiske og fysiske formler af Otto V. Rasmussen, 9. udgave. 4 Massefylde tabel, side 83, kemiske og fysiske formler af Otto V. Rasmussen, 9. udgave. 5 Tabel 1. side 12, Damptabeller af Dennis Hansen, 3. udgave 2007 6 Tabel 2. side 20 & 22, Damptabeller af Dennis Hansen, 3. udgave 2007 10

Med de oplyste priser på indkøb af naturgassen giver det det en kwh pris som beregnet herunder. Pris kwh gaskedler = 263,25 øre Nm 3 10,46 kwh = 25,16 [øre pr. kwh] Nm 3 Omkostninger i form af elektricitet og behandlet vand medregnes ikke da gaskedlernes primære formål er at levere damp til produktionens rensnings- og steriliseringsprocesser. Den elektricitet der anvendes til drift af kedlerne bruges hovedsageligt til pumper og ventiler, energi til disse vurderes at være nogenlunde konstant, da det fortsat er nødvendigt at begge kedler kører. Det vurderes ikke, at der er nogen forskel i forbruget af behandlet vand da varmevekslere er et lukket system og dermed kommer det anvendte vand tilbage til kedlerne i form af kondensat, kedlernes vandtab ligger i de processer, hvor der bliver brugt damp til rensning af f.eks. tanke og rørsystemer. Beregning af omkostninger ved varmepumpeenergi Omkostninger ved produktion af varmeenergi fra varmepumpen er hovedsageligt den elektricitet der bliver anvendt til at drive varmepumpen, herunder er de elmotorer, som driver kompressorerne. Omkostningerne beregnes ud fra den hidtidige drift af varmepumpen og ud fra den af varmepumpen oplyste COP, da det ikke er muligt at beregne varmepumpens COP uden at medregne tabet i rørsystemet, som i store dele ikke er isoleret, dette skyldes en mangel på målepunkter og datalogning ved varmepumpen. Beregningerne herunder viser en udregning af Elforbrug per produceret kwh varmeenergi og dernæst en samlet pris per kwh. Som COP er der anvendt den mindste af aflæste COPer fra varmepumpens betjeningspanel. Foto 1 (bilag 6), er taget umiddelbart efter varmepumpen har endt sin opstartscyklus og foto 2 (bilag 6), er taget efter at varmepumpen har kørt i nogle timer og er dermed driftsvarm. Heraf bruges COP i alt fra foto 1 på 4,4, for at kalkulere med de værste forhold for varmepumpen, til omkostningsudregningen der skal sammenlignes med den for gaskedlerne beregnede. I perioden D.28/8 til D.27/10 i år, ses det af bilag 6 at varmepumpen har haft et samlet elektricitetsforbrug på 119.077,08 kwh. Produceret kwh COP 4,4 = 119.077,08 4,4 = 523.939,15 [kwh] 11

Dette betyder at i samme periode skal varmepumpen have produceret 523.939,15 kwh i varmeenergi til varmecentralen. Målinger viser dog at dette ikke er tilfældet, men at der kun er leveret 327.460 kwh til varmecentralen i samme periode, se bilag 8. Dette skyldes til dels store tab i form af afkøling, da som tidligere nævnt at store dele af rørsystemet ikke er isoleret. Prisen for elektricitet per kwh er oplyst til 59,05 øre/kwh og med en afgift på 0,47 øre/kwh, dermed bliver prisen per kwh produceret som følger. øre 59,05 Pris kwh produceret varmepumpe = kwh 4,4 + 0,47 øre kwh = 13,53[ øre kwh ] Dog skal det nævnes at prisen per kwh udnyttet er en lidt anden da der som nævnt ovenfor ikke er leveret det samme som det beregnede producerede. Prisen heraf bliver som beregnet herunder. Pris kwh leveret = øre 59,05 kwh + 0,47 øre kwh 327.460 kwh 119.077,08 kwh = 21,64[ øre kwh ] Dette betyder at der i realiteten kun er en prisforskel på 3,52 øre/kwh fra gaskedler til varmepumpen. Hvorfor er der penge at spare på afgifter Da man i Danmark skal betale afgift af den energi man anvender i sin virksomhed er der lavet forskellige satser for forskellige anvendelsesområder. F.eks. er der stor forskel i afgiftssatserne fra procesenergi til komfortenergi. Under komfort hører f.eks. rum-opvarmning/køling og varmtvand til håndvaske og badeforanstaltninger. Der er dog her tilfælde hvor disse også kan hører under processer hvor afgiftssatserne er betydeligt lavere, f.eks. kan energi til rumopvarmning hører under proces hvis det er i forbindelse med at en lagerbygning skal have en bestemt temperatur af procesmæssige årsager. Som eksempel kan det nævnes at på Esbjerg Mejeri har de op til flere rum hvor der kræves en høj temperatur, dette skyldes at man i disse rum har udpluk fra produktionen for at kunne teste kvalitet og holdbarhed. I disse rum gælder afgiftssatsen for proces-energi. 12

Ydermere er der stor forskel på afgiftssatsen i forhold til hvor energien kommer fra, herunder oplistes de gældende afgiftssatser. Energiafgift 7 for anvendelse af elektricitet til opvarmning er i 2018 på 40,7 øre/kwh, virksomheden godtgøres for afgiften hvis energien anvendes til proces på nær 0,4 øre/kwh. Energiafgift 8 for gas er i 2018 på 219,9 øre/nm 3, her er reduktion af godtgørelsen på 4,5 kr/gj hvilket omregnet giver 1,62 øre/ kwh. Omregning foretaget med udgangspunkt i omregningsmetoden vist på SKAT 9. 4,5 kr GJ 102 3,6 10 3 = 1,62[ øre kwh ] CO 2 -afgift 10 også kaldet energispareafgift betales hvis der er anvendt brændsler som f.eks naturgas til opvarmning, satsen for denne er i 2018 på 39,1 øre/ Nm 3. NOX-afgift 11 skal ligeledes betales ved anvendelse af gas, i 2018 bliver satsen for denne 0,8 øre/nm 3 I forhold til at anvende varmepumper til genindvinding af overskudsvarme er der nogle særlige regler 12 i forbindelse med afgiftsudregning heraf. For varmeenergi fra varmepumper gælder at der skal betales overskudsvarmeafgift af energien fra COP 3 og opefter, hvis energien anvendes til komfortopvarmning. Tages der igen udgangspunkt i de data, som kan udlæses af varmepumpens brugerflade (bilag 6), skal der betales afgift af 36% af den varmeenergi der anvendes til komfort fra varmepumpen. Med udgangspunkt i omregningsmetoden vist på SKAT, beregnes der en afgiftssats pr. kwh ud fra godtgørelsesnedsættelsessatsen for 2018 13. 51 kr GJ 102 3,6 10 3 = 18,36 [ øre kwh ] 7 http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/elafgiftsloven 8 http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/gasafgiftsloven 9 http://www.skat.dk/skat.aspx?oid=2062257 10 http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/co2-afgiftsloven 11 http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/kvaelstofoxiderafgiftsloven-nox 12 http://www.skat.dk/skat.aspx?oid=2062257 13 http://www.skat.dk/skat.aspx?oid=2062262 13

Samlet afgift per produceret kwh fra gaskedler til proces. (39,1 + 0,8) øre Procesafgift gaskedler = Nm 3 øre 10,46 kwh + 1,62 kwh Nm 3 Samlet afgift per produceret kwh fra gaskedler til komfort. Komfortafgift gaskedler = Samlet afgift per produceret kwh fra gaskedler til proces. = 6,18[ øre kwh ] (39,1 + 219,9 + 0,8) øre Nm 3 øre 10,46 kwh = 24,84[ kwh ] Nm 3 Procesafgift VP = 0,4 øre kwh = 0,09 [ øre 4,4 kwh ] Samlet afgift per produceret kwh fra varmepumpe til komfort. Komfortafgift VP = øre 40,7 kwh + (18,36 øre øre 0,36) = 15,86 [ 4,4 kwh kwh ] Man har på et tidspunkt i forbindelse med en ombygning koblet forsyningen af vand til CIP-centralen til den varmeveksler, som leverer varmt brugsvand til f.eks. diverse håndvaske. Da der er forskel på afgifterne i forhold til brugsvand og varmt procesvand betaler Esbjerg Mejeri for den med den højeste afgift, det er i dette tilfælde varmt brugsvand. Derfor vil der være penge at spare ved at lave individuelle måling på de 2 forskellige situationer. 14

Belastningsoptimering I forbindelse med en optimering af varmepumpens drift er det nødvendigt at lokalisere forbrugere af varmeenergi som kan overføres til varmepumpen. Krav for at varmepumpen kan overtage forsyningen til en forbruger, er at forbrugeren maksimalt har et temperaturbehov på 80 C, da som det tidligere er nævnt kun er muligt for hedt vandet fra varmepumpen, maksimalt at have en temperatur på 90 C. Erfaringer på Esbjerg Mejeri har vist, at for at kunne sikre sig den ønskede temperatur på sekundærside af en varmeveksler, er det bedst med en temperaturforskel på 10 C på max temperaturer fra primær- til sekundærside af varmeveksleren. I det følgende afsnit vil der blive beskrevet de fundne muligheder for at øge belastningen af varmepumpens hedt vands side. Varmecentralen Som det også er beskrevet i afsnittet om afgifter, deler varmepumpen og gaskedlerne belastningen fra varmecentralen mellem deres respektive varmevekslere. Da der ikke er forbrugere med temperaturkrav over 80 C tilkoblet varmecentralen er det nærliggende at undersøge om det er muligt at overdrage forsyningen af varmeenergi hertil, til varmepumpen alene. Den leverede energi i kwh til varmecentralen i ugerne 10 til og med 39 er på følgende. Data hentes fra bilag 9. Leveret energi varmepumpe veksler = (1.076 39) 10 3 = 1.037.000 [kwh] Leveret energi dampveksler = (2.248 26) 10 3 = 2.222.000 [kwh] Total leveret energi = 1.037.000 + 2.222.000 = 3.259.000 [kwh] Dette giver ved beregning en gennemsnitlig belastning på samlet. Total belastning = 3.259.000 = 646,63 [kw] 30 7 24 Sammenlignet med den gennemsnitlige belastning på varmepumpens varmeveksler, svarer det til at varmepumpen kun leverer knapt 32% af den samlede energi i varmecentralen. Belastningsandel varmepumpe = 1.037.000 30 7 24 646,63 = 0,318 31,8% 15

Dette betyder at kun 1/3 af den energi der bliver brugt i varmecentralen kommer fra varmepumpen. Dette skyldes blandt andet at set-punktet for temperaturen af vandet i centralen er på hele 88 C. Da vandet fra varme-pumpen ikke har potentiale til at være på mere end 90 C og varmepumpen står stille meget af tiden, opnår vandet sjældent denne temperatur. Dette gør det meget svært at opnå set-punktet, udelukkende med varmepumpen. Ved at sænke set-punkts temperaturen for varmecentralen kan forbruget fra dampvarmeveksleren overdrages til varmepumpen og dermed øges forbruget af energi fra varmepumpen til cirka det tre dobbelte. Dette vil resultere i at varmepumpen vil skulle køre mere og dermed have færre opstart/ned luk. Dog har yderligere målinger vist, at der er uoverensstemmelser mellem målinger af leveret og brugt energi i varmecentralen. Det ses af mejeriets egne energimålere (bilag 9) at i perioden D.25/9 til D.2/10 blev der gennemsnitligt leveret 595,24 kw til varmecentralen, fra både gas- og varmepumpe - veksler men i samme periode er der kun målt et forbrug på gennemsnitligt 375 kw. En ekstern måling, som vist på bilag 10, foretaget med FLUXUS F601 flowmeteret har vist at i samme periode, blev der gennemsnitligt leveret 360 kw til varmecentralen. Dette bevidner at der foreligger en målefejl i mejeriet egne målekomponenter og at det totale forbrug i varmecentralen er nærmere det af forbrugernes afmålte end det af forsyningsmålerne. Ved en omregning af målingerne fra forsyningsmålerne ses det at måler 05-14 tilsyneladende måler den totale energiafsætning i systemet og derfor for at beregne energiafsætningen fra damp varmeveksleren fratrækkes det målte fra varmepumpes varmeveksleren det målte ved måler 05-14. Efter de nye beregninger ses det at gaskedlerne kun leverer cirka halvdelen af det oprindeligt aflæste, dette betyder at den forventede belastning der kunne flyttes over til varmepumpen nu er en del mindre end først forventet. Den nuværende procentiske belastning af varmepumpen beregnes herunder ud fra de foregående tal og varmepumpens nominelle ydelse. Belastning VP % = 205,75 kw 1.500 kw = 13,7% 16

CIP-centralen Som tidligere beskrevet bliver CIP-centralens kemitanke i dag fyldt med varmt vand via varmtvandsveksleren i varmecentralen. Tankenes indhold bibeholdes ved en ønsket temperatur ved at kemiblandingen cirkuleres igennem damprørvekslere, temperaturen bestemmes af den kemiske blandings egenskaber. Temperaturkravet på disse tanke er på mellem 70-90 C og det er derfor muligt her at foretage ændringer således at belastningen flyttes fra dampekedlerne og over til varmepumpen. 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Flowmåling D.13-14/10 C m³/h Lineær ( C) Lineær (m³/h) Figur 2 Graf for måleværdier Ved flowmåling af fødevandet til CIP-centralen findes et forløb som vist i Figur 2, flowgrafen viser et forløb som er meget præget af øjebliksforbrug i CIP-centralen og som det ses af temperaturgrafen at temperaturen af fødevandet sjældent over 40 C. Dette betyder at der er grundlag for en yderligere belastning som kan overføres til varmepumpen. Figur 2 er et udkast af måleværdier fra en måling foretaget med et F601 Flowmeter, resterende værdier kan ses som grafer i bilag 9. Beregninger af udlæste måleværdier, har vist at på CIP-centralens tanke fyldes vand med en gennemsnitstemperatur på 34,77 C og med et gennemsnitligt flow til tankene på 1,83 m 3 /h i perioden D.13/10-D.20/10, beregninger kan ses i bilag 11. Følgende beregning foretages med henblik på at klarlægge den gennemsnitlige energibelastning i måleperioden. Der er igen taget udgangspunkt i at vandværkstemperaturen er antaget til at være 7 C. kj Nuværende CIP belastning = 4,19 kg C 1,83 m 3 h 103 (34,77 C 7 C) = 59,17 [kw] 3600 17

Ved at foretage en ombygning af varmecentralen bliver det muligt at opnå en højere fødevandstemperatur til tankene i CIP-centralen og dermed øges også energibelastningen hertil. Ombygningen omhandler en ny varmeveksler og en buffertank på sekundærside af denne veksler, hvilket gøres for at udjævne belastningen da påfyldning på de enkelte tanke foregår på mellem 2-13 minutter ifølge målingerne. Tages der udgangspunkt i at fødevandet til buffertanken opnår en temperatur på 80 C, kan den samlede forventede belastning af den nye varmeveksler beregnes som følger. kj Ny CIP belastning = 4,19 kg C 1,83 m 3 h 103 (80 C 7 C) = 155,53 [kw] 3.600 Med udgangspunkt i den nuværende energibelastning ville den foreslåede ombygning medføre en øget belastning af varmecentralen på 96,36 kw over 24 timer, da produktionen på mejeriet kører i døgndrift er der et konstant behov for energi i varmecentralen og dermed kan man med stor fordel fordele den ekstra belastning ud over hele døgnet. Efter de nye beregninger giver det en ny total belastning på Ca. 37,9 % af varmepumpens nominelle ydelse. Procentisk belastning efter optimering beregnet herunder. Ny Belastning VP % = 440,87 kw + (155,53 kw 59,17 kw 0,4923) 1.500 kw = 37,9% Altså betyder optimeringen en forøgelse af den samlede belastning af varmepumpen på 24,1 %. Optimeringsbesparelse Den samlede besparelse ved optimeringen beregnes i dette afsnit til senere sammenligning med den samlede omkostning som følger af implementering af optimeringen. Der tages udgangspunkt i at mejeriet kører produktion 360 dage om året, her er der taget højde for nedluk juleaftensdag, nytårsdag og det årlige nedluk på 3 dage til vedligehold af utility systemerne. Der tages i disse beregninger ikke højde for termiske tab i rør og tanke, dermed bliver besparelserne beregnet ud fra prisen per produceret kwh. 18

Besparelse af afgiftsomkostninger Samlet årlig beregnet besparelse af afgiftsforhold. Her regnes med de forhold som er gældende og den i projektet beregnede fordeling af belastningen mellem varmepumpe og gaskedler. Beregnes ud fra de procentiske belastninger som ses af bilag 8. Afgifts bespearelse proces = (6,18 0,091) 235,1 0,4438 (360 24) 100 = 54.891 kr. pr. år (24,84 15,86) 235,1 0,5562 (360 24) Afgifts besparelse komfort = = 101.455 kr. pr. år 100 Afgifts besparelse v. Ny veksler = = 47.593 kr. pr. år (15,86 0,5077 + 24,84 0,4923 9,25) 59,17) 360 24 100 Med disse beregninger vil der samlet være en afgiftsbesparelse ved optimeringen på 203.938 kr.pr år, dette resultat anvendes til videre beregning. Besparelse af energiomkostninger Samlet årlig beregnet besparelse af omkostninger ved at producere varmeenergi med varmepumpe frem for gaskedler. Der beregnes to besparelser for at verificere af besparelser i begge tilfælde. (155,53 59,17 0,5077) ((25,16 13,53) 360 24) Besparelse max. = = 130.866 kr. pr. år 100 (155,53 59,17 0,5077) ((25,16 21,64) 360 24) Besparelse min. = = 42.935 kr. pr. år 100 Minimumsbesparelsen er beregnet ud fra den totale anlægs COP, som forventes at stige med en øget belastning. Ombygningen Dette afsnit vil beskrive den foreslåede ombygning for uddybe forslagets opbygning og et overslag af omkostningen heraf. Ved at flytte belastningen fra mejeriets CIP central, til veksleren for varmtvand over på en separat varmeveksler kan man spare penge på de afgifter der betales, men der er også besparelser at hente ved af have en højere fødevandstemperatur, da som beskrevet tidligere sker den øvrige opvarmning af CIP tankene med damprørvekslere. 19

Opbygning af ombygningen foreslås med en buffertank af hedt vand, på denne måde kan der justeres på vandflowet gennem varmeveksleren, således at belastningen på varmecentralen udjævnes i forhold til CIP centralens forbrug. Fysisk kræves der en ombygning af varmecentralen, CIP central og opstilling af buffertanken. Mejeriet har allerede en tank til rådighed, som for tiden ikke anvendes og kunne derfor bruges til dette. Tanken på 50 m 3 stilles på en dertil egnet platform udenfor CIP centralen, herfra føres rustfrie rør ind til henholdsvis varme- og CIP-central. Dette betyder at der skal laves cirka 60 meters rørarbejde. Hertil kommer der noget elektrikerarbejde i form af montage af niveauføler og pumper fra tank til CIP central. For at kunne foretage en vurdering af investeringens omfang, er der fra mejeriets sædvanlige leverandør af smedearbejde blevet indhentet et tilbud på ombygningen. Denne er dog foruden opstilling af buffertank og diverse arbejdsopgaver, herunder el-entreprisen. Ud fra tidligere projekter og erfaringer er der i samarbejde med mejeriets forsyningsansvarlige lavet et prisoverslag på resterende opgaver, med det formål at foretage beregning af den totale omkostning af ombygningen. Dokumentation for tilbud af smedearbejde fremgår af Bilag 12. Prisoverslag af ombygning Smedearbejde, herunder varmeveksler, montage/levering af rør, pumpe og ventiler Opsætning af buffertank El-arbejde, herunder kabler til pumpe, ventil, følere og PLC programmering. Samlet overslag af ombygning 245.000 kr. Ca. 30.000 kr. Ca. 40.000 Kr. Ca. 315.000 kr. Figur 3- investeringsoverslag 20

Estimat af driftsomkostning af ny pumpe Tilbuddet som er givet på ombygning indeholder en pumpe, som skal føre vand fra buffertanken og over til CIP tankene. Pumpen der er nævnt i tilbuddet er af typen Alfa Laval LKH-10. For at kunne beregne pumpens Elforbrug antages det at den samlede løftehøjde ikke overstiger 10 m på baggrund af at rørene bliver udført i 3 rustfri, som har en lav ruhed og at CIP tankene ikke er højere end 5 m. Figur 4 - Pumpekarakteristik LKH 14 Som det fremgår af figur 4, kan pumpe der er nævnt i tilbuddet med et 120mm pumpehjul, maksimalt levere 25 m 3 /h, ved en løftehøjde på 10 m. Ud fra dette beregnes en årlig driftstid med udgangspunkt i målingerne som fremgår af bilag 11 og antallet af produktionsdage. Drifttimer pr. år. = 1,83 m3 h 360 24 = 632,5 timer pr. år 25 m3 h 14 https://www.alfalaval.com/globalassets/documents/products/fluid-handling/pumps/centrifugalpumps/lkh/performance-curves---alfa-laval-lkh--lkhup-lkhpf-lkhi-lkh-evap-10-50-hz10-60-hz.pdf 21

Figur 5 - LKH-10 Power Curves 15 Ved aflæsning af figur 5, ses det at ved det valgte driftspunkt skal pumpens motor levere ca. 1,25 kw. Alfa Laval anvender ABB motorer med effektivitets klasse IE3 i deres pumpeløsninger, disse har data som følger 16. Figur 6 - ABB elmotor Ud fra databladet aflæses motorens cosϕ til 0,84. Pumpens årlige driftsomkostninger, bliver ud fra de oplyste data på 560,17 kr. pr. år. Dette beløb fratrækkes besparelsen ved beregning af tilbagebetalingstiden. 15 https://www.alfalaval.com/globalassets/documents/products/fluid-handling/pumps/centrifugalpumps/lkh/performance-curves---alfa-laval-lkh--lkhup-lkhpf-lkhi-lkh-evap-10-50-hz10-60-hz.pdf 16 https://library.e.abb.com/public/2cb08e5893494bfd853e658a738e446b/ppm_catalog_13042016.pdf 22

Investeringsanalyse Med de forudgående resultater kan en tilbagebetalingstid beregnes ud fra de tilgængelige priser og målinger, på denne måde kan det beregnes om optimeringsforslaget er rentabelt for mejeriet. Der regnes en tilbagebetalingstid for begge tilfælde beskrevet tidligere og der tages udgangspunkt i tidligere beskrevet investeringsoverslag, da det ikke har været muligt at skaffe et tilbud fra en leverandør. Tilbagebetalingstid. min. = Tilbagebetalingstid. max. = Total pris af ombygning Samlet største årlige besparelse driftsomkostninger 315.000 [kr. ] = 203.938 + 130.866 560,17 [ kr. = 0,94 år anno ] Total pris af ombygning Samlet mindste årlige besparelse driftsomkostninger 315.000 [kr. ] = 203.938 + 42.935 560,17 [ kr. = 1,28 år anno ] Da afgifterne er udregnet efter den oplyste COP ændres besparelsen herpå ikke. Tilbagebetalingstiderne der ses er under mejeriets grænse på 3 år, hvilket betyder at rent økonomisk er der grundlag for at investeringen kan betale sig. 23

Diskussion For at opnå besparelsen af afgiftsforholdene er det ikke nødvendigt at opføre den fulde foreslåede ombygning da denne besparelse kunne opnås ved a indkoble en separat varmeveksler for fødevand til CIP centralen, dog vil de hurtige påfyldninger være meget sporadiske og derfor vil belastningen af varmepumpen af denne grund være meget ujævn. Da de beregnede tilbagebetalingstider i begge tilfælde er under den 3 års grænse som mejeriet har ved sådanne projekter, vil mejeriet have en økonomisk interesse i at foretage ombygningen. Den øgede belastning vil ikke kunne gøre at varmepumpen kører konstant, men det vil bevirke at den vil køre mere med færre stop, dette ses af beregningerne der er lavet af den procentiske belastningsgrad af varmepumpen. Der er visse usikkerheder i rapporten, da det ikke har været muligt at måle eller beregne de termiske tab i rørsystemer og buffertanke. Andre usikkerheder ligger i det anvendte måleudstyr, her kan en mere præcis måling foretages ved at foretage en on site kalibrering af måleudstyret. På den baggrund bliver de foregående udregninger et bud på den besparelse der ville være at hente ved forslaget der er opstillet. Mejeriets egne aflæsninger indeholder også en usikkerhed i kraft af at disse er aflæst som MWh og der er derfor en stor margin for det præcise forbrug i varmecentralen, for at lave mere nøjagtige beregninger er det nødvendigt med flere målepunkter i samme måleperiode foretaget af kalibreret måleudstyr. Da tilbagebetalingstiderne er baseret på et delvist overslag er en usikkerhed i disse og de vil derfor ændre sig når et reelt tilbud gives på de resterende arbejdsopgaver der vil være i forbindelse med ombygningen. 24

Konklusion Hvilke muligheder har Esbjerg Mejeri for at højne belastningen på varmepumpen og dermed få en mere stabil drift og hvad vil det betyde økonomisk i forhold til varmeproduktionen. Ved brug af eksterne målinger og mejeriets egne energiaflæsninger, er der blevet synliggjort hvor mejeriet har forbrugere der har potentiale for at blive overdraget til varmepumpen, frem for gaskedlerne. Hermed er det vist, at de af mejeriets forbrugere, som er indenfor det opstillede krav på en maksimal temperatur på 80 C, er at finde i mejeriet varmecentral og i CIP-centralen. Med udgangspunkt i de indsamlede data er der i rapporten blevet foretaget beregninger som viser energiforbruget ved de fundne forbrugere med henblik på at udregne den samlede belastning, som kan overdrages til varmepumpen. Beregningerne der er blevet foretaget i rapporten viser, at ved at ændre set punktet for temperaturen i varmecentralen og ydermere ved foretage en ombygning af denne, vil det kunne resultere i en belastningsforøgelse på 24,1% altså mere end en fordobling af den nuværende. Dette vil synliggøre sig i en øget drift af varmepumpen og betyder at den vil opnå bedre driftsforhold. I forbindelse med at flytte energiforbruget fra gaskedlerne til varmepumpen, er der afgiftsforhold der ændrer sig. Udregninger af disse ændringer viser, at det generelt set er billigere at foretage de omhandlende opvarmningsopgaver med varmepumpen frem for at bruge gaskedler. Omkostningerne ved at foretage de foreslåede systemændringer er forholdsvis begrænsede og som det kan ses af de tidligere beregninger er den maksimale tilbagebetalingstid under 3 års grænsen for hvad der er rentabelt og optimeringen kan derfor betale sig rent økonomisk. 25

Litteraturliste Bøger - Otto V. Rasmussen, KEMISKE OG FYSISKE TABELLER (2014), 9. udgave, 5. oplag, Gyldendal. - Dennis Hansen, DAMPTABELLER (2007), 3. udgave, Fredericia. Web-sider FLUXUS F601 Flowmeter http://insatech.com/downloads/tsfluxus_f601v1-3en_leu.pdf (16-10-2017) Lov for typegodkendelse https://www.retsinformation.dk/forms/r0710.aspx?id=185048 (20-10-2017) Afgiftsvejledning 2017 https://www.pwc.dk/da/publikationer/2017/pwc-afgiftsvejledning-2017.pdf (04-12-2017) Overskudsvarme og afgifter 2017 https://www.pwc.dk/da/nyt/2017/overskudsvarme-og-afgifter-2017.pdf (04-12-2017) Elafgiftsloven http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/elafgiftsloven (06-12-2017) Gasafgiftsloven http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/gasafgiftsloven (06-12-2017) CO2-afgiftsloven http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/co2-afgiftsloven (06-12-2017) NOX-afgiftsloven http://www.skm.dk/skattetal/satser/satser-og-beloebsgraenser/kvaelstofoxiderafgiftsloven-nox (06-12-2017) E.A.4.6.10.3 Beregning og betaling af overskudsvarmeafgift http://www.skat.dk/skat.aspx?oid=2062257 (06-12-2017) E.A.4.6.10.8 Satser ved nedsættelse af overskudsvarmeafgift http://www.skat.dk/skat.aspx?oid=2062262 (06-12-2017) Performance curves LKH-10 https://www.alfalaval.com/globalassets/documents/products/fluid-handling/pumps/centrifugalpumps/lkh/performance-curves---alfa-laval-lkh--lkhup-lkhpf-lkhi-lkh-evap-10-50-hz10-60-hz.pdf (12-12-2017) El motor https://library.e.abb.com/public/2cb08e5893494bfd853e658a738e446b/ppm_catalog_13042016. pdf (12-12-2017) 26

Referencer Mailkorrespondance med Hanne Hansen, Administrerende direktør, Arla Foods Esbjerg Mejeri, hanne.hansen@arlafoods.com. 27