Energisystemer til Kraftvarmeanlæg Århus 21. april 2008 Torben M. Hansen og Kim G. Christensen
Agenda Om Advansor Om CO2 varmepumper Implementeringsmuligheder i fht. gasmotor og turbineanlæg Røggas Net-installeret varmepumpe Returvand Anden varmekilde Vindkraft Varmegenvinding Koblinger til gasmotoranlægget: Klassificering af kraftvarmeværker IKV DCKV Spildvarmegenvindig Driftsøkonomi parametre af betydning Produktionsalternativ Praktiske forhold på værket
Om ADVANSOR ADVANSOR er en teknologi- og produktionsvirksomhed på energiområdet indenfor køleanlæg og varmepumper Vi bruger CO 2 teknologi til CO 2 reduktion ADVANSOR udvikler, producerer og udfører projekter indenfor Kraftvarme: Industrielle og decentrale værker Procesindustri Fødevarefremstilling Vi samarbejder med brancheorganisatoner, GTS er, universiteter, Miljøstyrelsen og industrien for at fremme bæredygtige energibesparelser
ADVANSOR s produkter compheat: Varme- og Kraftvarme-produktion Produkter skræddersyede til varme- og kraftvarmeanlæg. Direkte tilkobling til gasmotoren uden forstyrrende indgreb på vandsiden. Varmen leveres direkte til fjernvarmenettet mellem 80-90 o C. Også mindre varmepumper primært til industrielt brug. Kapaciteter: 20 1200 kw compbine: Kombineret og kuldeproduktion Integreret anlæg til samtidig produktion af varme og kulde. Producerer varmt ved 80-100 o C og koldt vand til forbrug eller isbank. Anvendelse bl.a. til pasteurisering af fødevareprodukter samt fremstilling af varmt vand til rengøring samtidig med kulde. Kapaciteter: 80-800 kw compfort: Kuldeproduktion Koldtvandsanlæg til luftkonditionering eller proceskøling. compfort producerer koldt vand i området 0-16 C. Anlæggene kan anvende adiabatisk og frikøling, hvilket giver et meget lavt energiforbrug. Endeligt er støjniveauet et de laveste på markedet. Kapaciteter: 80-400 kw compsuper: Køl/ frys Advansor tilbyder også køle/ fryseanlæg til supermarkeder og andre kommercielle og industrielle køle/ fryse-applikationer. Anlæggene anvender kun CO 2 som kølemiddel og fokus ligger på pålidelighed, servicevenlighed og lavt energiforbrug Kapaciteter: 6/15 50/150 kw
Transkritisk varmepumpe: compheat Patentanmeldt: Metode og apparat, specifikt til kraftvarmeanlæg compheat varmepumperne er de første af sin art udviklet i DK af TI i 2003-2005 compheat adskiller sig fra konventionelle varmepumper ved Ingen kondensering ved varmeafkast Modstrømsveksling mellem vand og gas med høj densitet compheat muliggør Valgfri afgangstemperatur på vandsiden, eksempelvis fra 80 C til 100 C Meget høj effektfaktor (3.7-3.8) ADVANSOR sikrer dig Den nyeste varmepumpeteknologi Den optimale implementering og drift af varmepumper på netop dit værk
Transkritisk varmepumpe: compheat Baggrund for udviklingen: 1986: Augustenborg (havvand) 1996/98: Varmepumper i industrien Forbedring af virkningsgrader på kraftvarmeanlæg Termisk løft for ikke højt nok 2003-06: EFP projektet ExpressDK: Analyse, udvikling og demo af transkritiske varmepumper Teknologisk Institut, Foreningen Danske Kraftvarmeværker, Danfoss, Naturgas Midt-Nord, m.fl. Bygger videre på erfaringerne, men det termisk løft forbedres Prototype testes ved Teknologisk Institut Juni 2006: Prototypen til test ved Teknologisk Institut 2006: ADVANSOR markedsfører compheat varmepumperne som er de første af sin art Patentanmeldt 2006: Metode og apparat, specifikt til kraftvarmeanlæg 2008/09: Demonstration af teknologien på kraftvarmeanlæg
Karakteristika for CO 2 Generelle egenskaber: Gruppe II (L1) med ODP = 0 + GWP = 1 (NH 3 = L2, R290 = L3) Ingen begrænsninger på opstillingssted og anvendelse Temperatur og trykområde: -55 -> +31 C (5.5 -> 73 Bar) CO 2 Tungere end luft, i det hele taget en tung gas Fordele: Små rørdimensioner og små tryktab Bedre virkningsgrader på kompressorer og høj volumetrisk kølekapacitet Bedre varmeovergang specielt ved pool-boiling Udfordringer: Højere tryk (op til 130 bar) Høje stilstandstryk Anvendelse af sikkerhedsventiler Udskilning af olie/ væske-dråber fra CO 2 -gassen Sikring af anlæggets COP ved høje temperaturer Pris på komponenter
Transkritisk versus subkritisk drift T [ C] 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0-10 CarbonDioxide Superkritisk fluid 70 bar 60 bar 35 bar 0,2 0,4 18,7 bar 0,6 0,8-1,60-1,40-1,20-1,00-0,80 - s[kj/kg-k] Overhedet gas Transkritisk: Gaskøler: ingen faseskifte ved varmeafgivelse [T, p] er indbyrdes uafhængige tryk for optimal COP afhænger af p 0, T uk, ε ivv og η s god afkøling i gaskøler er vigtig for optimal COP pinch point skal undgås i veksleren Subkritisk: business as usual Fordele små dimensioner materiale valg Udfordringer Få komponenter er tilgængelige som standard Transition: anlægget skal kunne skifte mellem de 2 driftsformer styring anlæggets udformning
Kort om teknikken: Transkritisk varmepumpe vrs kondenserende 125 12000 kpa 90 C 100 75 55 C 50 log p 25 6000 kpa 25 C 0 3000 kpa Enthalpi[kJ/kg/K] Enthalpi [kj/kg]
Varmevekslere til CO 2 - gaskølere Temperature [ C] 110 100 90 80 70 60 Refrigerant Water Same HX area Flow: +/-50% Same inlet temp Optimering af 2 parametre 1) Gaskøler geometri/ design 2) det høje tryk Low water flow Medium water flow 50 High water flow 40 0 4 8 12 16 20 Step (Counter flow)
Øget totalvirkningsgrad på kraftvarmeanlæg Hvordan opstår besparelsen? kw varme kw el kw naturgas Afkast til skorsten Afkast til skorsten VP 320 320 65 255 120 2600 1000 El til net 2600 1000 880 El til net 375 1280 Varmt vand 1280 1655 Varmt vand Uden varmepumpe, totalvirkningsgrad 88% Med varmepumpe, totalvirkningsgrad 97,5%
Plug and play - installation Vindkraft Naturgas Elkøb 400V compheat Elsalg 10KV Ingen nye termiske indgreb med motoren Direkte kobling på fremløb og returstreng eller direkte på akk.tanken Decentral kraftvarme Returvand Akk. tank Varmt vand
compheat 4-IKV, layout: 1.000 kw varmeproduktion
Varmepumpe med koldt lager basis princip Basisprincip princip A Adskilte vandkredse 1 stk ny 400m³ koldtvandstank 2 stk nye LT vekslere Inkludering af ladeluft 2. trin i varmeoptag DN125 Fordele: Uafhængige vandkredse balance går nemt op Røggas TI I-26 TT I-18 TT I-16 Flangetilslutning DN65 Ulemper: Høje installationsomkostning til: - Varmevekslere - Ny koldtvandstank HT vekslere Motorkøling 700 m³ TT I-21 5 MW oliekedel 4,6 MW N-gaskedel Varmeafgiver: 980 kw ved 40 C ind/80 ud Ladeluft 1. trin TT I-20 TT I-19 TT I-17 Opladning 30m³/time 40 C 35 C Nye LT vekslere 480 kw 55 C LT vekslere 400 kw? Vandkreds : 21 m^3/h 2½" DIN 2440, ID65 DN125 Flangetilslutning DN65 400 m³ 30 m³/time 26,5 C 2x117 kw Ladeluft 2. trin DN125 Opladning 30 m³/time 20 C Afladning 30 m³/time 20 C Afladning 30 m³/time 40 C Vandkreds: 30 m^3/h 3" DIN 2440, ID80 TI I-22 TI I-24 TI I-23 700 kw PC Bautavej 1A 8240 Aarhus V Denmark Tegnings navn: Vandkredse Billund Varmeværk - Højmarksvej Drawing No. Scale Revision Date All rights reserved: No part of this information or design of 1:1 Rev.1: 001 22/03-07 drawings may be reproduced, without the XX.XXXX Init.: Rev. 2: xx/xx-xx prior written permission of Advansor A/S TH Rev. 3: xx/xx-xx
Varmepumpe med koldt lager variant B
Varmepumpe med koldt lager variant B OPLADNING: PRINCIP B Ny motorkreds med nye vekslere yder ca. 3920 kw ved opladning: 56 m³/time * 4,2 * (90-30) /3,6 = 3920 kw Fordele: Den eksisterende tank kan genanvendes Flow balancerne er på plads Ulemper: Ny LT vekslere kræves 56 m³/time ved 90 C DN125 Røggas 450 C TI I-26 29m³/time ved 90 C?? 26,5 m³/time ved 90 C TT I-18 TT I-16 Flangetilslutning DN65 HT veksler 700 m³ Nettovarmetilførelse ved oplading: 90/20 C svarer til 1600+700 kw 5 MW oliekedel 4,6 MW N-gaskedel Motorkøling 1,6 MW 120 C Ladeluft 1. trin TT I-19 TT I-17 26,5 m³/time ved 40 C 35,6 C? Nye + eksistrende LT vekslere 470 kw ekstra? Ladeluft 2. trin 2x117 kw 29 m³/time ved 20 C Flangetilslutning DN80 DN125 Flangetilslutning DN65 Flangetilslutning DN80 56 m³/time ved 29,5 C DN125 DN125 Bautavej 1A 8240 Aarhus V Denmark Tegnings navn: Vandkredse Billund Varmeværk - Højmarksvej Drawing No. Scale Revision Date All rights reserved: No part of this information or design of 1:1 Rev.1: 001 22/03-07 drawings may be reproduced, without the XX.XXXX Init.: Rev. 2: xx/xx-xx prior written permission of Advansor A/S TH Rev. 3: xx/xx-xx
Varmepumper i kraftvarme Den afgiftsbelagte gasmængde på gasmotoren skal beregnes ud fra e/v-formel På den afgiftsbelagte gasmængde beregnes afgiften således: Rumopvarmning: Energiafgift + CO 2 -afgift Let proces: CO 2 -afgift Tung proces: 5/18 af CO 2 -afgift Afgifter på el Rumopvarmning: E-afgift (53.1) + CO 2 -afgift (9) + PSO (0,6) + El-dist (4) = 66,7 Industriel proces: E-afgift (53.1) + CO 2 -afgift (9) + PSO (0,6) + El-dist (4) Varmepumper til decentrale kraftvarmeværker (rumopvarmning) Eldrevet varmepumpe: 66,7 øre/ kwh Gasdrevet VP: Energi- og CO2-afgifterne (204,2+19 øre/nm3) ~ 20,3 øre/kwh 1 kwh gas giver 0,35 kwh el og 0,57 kwh varrme (92%) Ligelig fordeling af afgift 22 øre/kwh mekanisk energi
Varmepriser med varmepumper i decentral kraftvarme Ved f.eks. el købt på 2008 termin DK : 340 kr/mwh Mekanisk drevne E-omk = E-pris + E-afgift = 34 øre/ kwh + 22 øre/ kwh = 56 øre/ kwh Varmepris = 560/ 3,7 = 151 kr./ MWh Elektrisk drevne E-omk = E-pris + E-afgift = 34 øre/ kwh + 67 øre/ kwh = 101 øre/ kwh Varmepris = 1010/ 3,7 = 273 kr./ MWh Varmeafgift ved udmøntning af L81: 18 (16,2+1,8) øre/kwh varme E-omk = E-pris + E-afgift = 34 øre/ kwh = 34 øre/ kwh Varmepris = 340/ 3,7 + 180 = 272 kr./ MWh Varmeafgift ved udmøntning af L81: 18 (16,2+1,8) øre/kwh varme E-omk = E-pris + E-afgift = 34 øre/ kwh = 34 øre/ kwh Varmepris = 340/ 3,7 + 180/3,7 = 140 kr./ MWh
Varmepumpen er ens men værkernes funktion og vilkår er forskellige Funktion Anlægskapacitet Industriel kraftvarme: Tung proces eller let proces - ingen energiafgift på gas - reduceret CO2 afgift på gas - mange driftstimer - proces tilpassede Elproduktion <5 MW 5 MW > Elproduktion Decentral kraftvarme - varmegrundlag - typisk 40 C / 80 C stor spredning på anlægsdata Totalinstalleret effekt >20 MW Mange værker har flere produktionsalternativer, fx. gas-, olie, kulkedler eller biomasse. Regler Frivillig 3 leds tarif eller markedsvilkår Tvunget markedsvilkår CO2 kvote omfattet virksomhed Virkemidler Spids- og højlast prioritet Regulerkraftfunktioner mulig Spotafhængig driftsplanlægning
Praktiske forhold på værket Røggaskondensering: LT veksler: Ny/eksisterende? Skorstenskernen og røggaskanaler i rustfri Spildevandsafledning til rensningsanlæg Olieskimmer, oxidering og neutralisering Særlige forhold? Pladsforhold! Mekanisk kobling til motor: Hydraulikpumpe, hydraulikmotor og gear Kraftudtag på motoren Akkumuleringstank Kapacitet Kølemiddeludslip Emmission til motor Emmission til boligområder Indpasning ift de øvrige produktionsalternativer
Parametre med indflydelse på økonomi i varmepumper Teknik: Stabile forudsætninger Driftstimeprofil Elvirkningsgrad Varmevirkningsgrad Indfyret effekt Returvandets temperatur Temperatur efter LT veklser Marked: Dynamiske forudsætninger Elsalg på markedsvilkår Elspotprisudvikling CO2 kvoteprisudvikling Gaspris Afgiftsregler Geografi
Udgangspunkt: Hvad koster varmen? Gasmotor, -turbine, -kedel: Omkostninger Gaspris inkl transmission Vedligehold Energiafgift CO2 afgift CO2 kvoter Indtægter Elsalg 3led/Marked Reservekraft Varmepumpe: Elpris Terminsaftale Spot-el Afgift Rumopvarmningsafgift Varmeafgift efter L81 Varmegenvindingsafgift Elpris + Afgift Varmepris = Effektfaktor Varmeproduktion Effektfakt or = Effektoptag
Dynamiske forudsætninger Elspot DK vest [kr/mwh] Det er svært at spå især om fremtiden.. Gaspris [øre/nm 3 ] CO2 kvotepris [ /ton]
Terminspriser 2008 DK øst, DK vest DK øst 2008 DK vest 2008
Spotprisudsving henover flere døgn Spotpris døgnudsving 600,00 500,00 400,00 300,00 kr/mwh 200,00 100,00 11-08-01:00 11-08-08:00 11-08-15:00 11-08-22:00 12-08-05:00 12-08-12:00 12-08-19:00 13-08-02:00 13-08-09:00 13-08-16:00 13-08-23:00 14-08-06:00 14-08-13:00 14-08-20:00 15-08-03:00 15-08-10:00 15-08-17:00 16-08-00:00 0,00
Varmeproduktionspriser for varmepumpe og gasmotor 600,00 Spotpris døgnudsving og varmeproduktionspriser 500,00 Elkøb+18+4 øre/kwh effektiv afgift 400,00 300,00 SPOTPRIS GASMOTOR VARME VARMEPUMPE kr/mwh 200,00 100,00 0,00 11-08-01:00 11-08-12:00 11-08-23:00 12-08-10:00 12-08-21:00 13-08-08:00 13-08-19:00 14-08-06:00 14-08-17:00 15-08-04:00 15-08-15:00
Varmeproduktionspriser for varmepumpe og gasmotor Spotpris døgnudsving og varmeproduktionspriser 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 SPOTPRIS GASMOTOR VARME VARMEPUMPE Elkøb+66øre/kWh kr/mwh 100,00 0,00 11-08-01:00 11-08-11:00 11-08-21:00 12-08-07:00 12-08-17:00 13-08-03:00 13-08-13:00 13-08-23:00 14-08-09:00 14-08-19:00 15-08-05:00 15-08-15:00
Varmeprissammenligninger Decentralt kraftvarmeværk med gasmotor Dragsholm Fjernvarme 600 Varmepris [kr/mwh] 500 400 300 200 100 Gasmotor Varmepumpe Gaskedel Varmepumpe + 180 kr/mwh Elvirkningsgrad 0,38 Varmevirkningsgrad 0,500 Total virkningsgrad 0,880-0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Elpris [kr/kwh]
Vindmøller og varmepumpe ejet af varmeværk Varmeoptag: 700 kw Røggas eller andet Effektoptag: 330 kw a 42 øre/kwh Varmeproduktion: 1030 kw fortrænger varme til 360 kr/mwh Driftstid 8000 timer/år (VP som grundlast) Varmeoptag Effektoptag Elnet Varmeproduktion Besparelsesværdi for værket (8000 x 1,030)MWh/år x (360-420/3) = 1.812.000 kr/år Varmepumpe
Vindmøller og varmepumpe ejet af vindmølle producent Varmeoptag: 700 kw Jord, vand, som eller spildvarme Effektoptag: 330 kw a 35 øre/kwh (markedspris) Varmeproduktion: 1030 kw Salgspris 200 kr/mwh Ækvivalent elpris=200/3=67 øre/kwh Driftstid 8000 timer/år (VP som grundlast) Værdi for vindmølleejer = Varmesalg Tabt elsalg (8000 x 1,030)MWh/år x 200 (330x8000*0,35) = 1.648.000-924.000 = 724.000 kr/år Følsomhed: Varmesalg ±50 kr/mwh = ±412.000 Elpris: ±0,05 kr/kwh =±132.000 Varmeoptag Effektoptag Varmepumpe Elnet Varmeproduktion
Jordslangeoplægning PEL rør Effekt 25 W/m Optag 700.000 W Længde 28.000 m Varmeydelse i varmepumpe Eksempel Grundens længde Nødvendige bredde 1000 kw 150 m 125 m/m 224 m Nødvendigt jordareal 33.600 m² Effektoptag 20,83333 W/m² Andre data på optager Tør sandet jord Fugtig lerjord Vandførende lag 10 W/m² 30 W/m² 40 W/m²
Varmekilder for varmepumper COP værdier for compheat varmepumper: T 0 /T vi /T vu Ved 20/40/80: COP= 3,70 Ved 10/40/80: COP=2,95 Ved 10/35/80: COP=3,30 Ved 0/40/80: COP = 2,50 Ved 0/35/80: COP = 2,75 Hyppige varmekilder Kilde Temperaturområde ( C) Omgivende luft -10-15 Ventilationsafkast 15-25 Grundvand 4-10 Søvand 0-10 Flodvand 0-10 Havvand 3-8 Granitlager 0-5 Jordvarme 0 10 Spildevand >10 Industriel spildvarme 20-60
Barrierer for varmegenvinding Besparelser er interessante men daglig drift er essentiel Varmepumpen isoleret set er økonomisk men den samlede installation ved eksisterende anlæg kan flytte billedet væsentlig Nye installationer med varmegenvinding er og vil i stigende omfang blive relevante Begrænset viden hos slutbruger er det muligt?? Indgroet misforståelse: Varmegenvinding kan ikke betale sig... Stadig reminiscenser af politisk modvilje (arven fra 80 erne) Afgiftsreglerne kunne godt blive mere favorable?!?
Konklusion og perspektiver CO2 varmepumper kan producere 80-90 C vand direkte til fjernvarmenettet Der kan isoleret set spares op til 25% gas og dermed reduceres emissioner (CO, CO2, NOx, CH4, aldehyd og andet) fra den danske kraftvarmeproduktion ved anvendelse af varmepumper Reduktion af nettab kan i visse tilfælde øge besparelsen Besparelserne kan typisk tilbagebetale den totale anlægsinvestering indenfor 3-6 år Besparelsen værksspecifik Markedsmekanismerne er dynamiske og skal evalueres i sammenhæng med værkets drift Varmepumper kan yderligere indgå i visser værkers regulér-strategi Inddragelse af værkets tekniske installationer, driftsforhold og øvrige produktionsalternativer er mindst ligeså betydningsfuldt som varmepumpen Gældende afgiftsregler er vigtige for den rette varmepumpe implementering. AUC estimerer at store varmepumper kan udbygge vindkraftens andel i den danske elforsyning optil 40% uden at der skal eksporteres stadig mere overskudsstrøm varmepumper skaber øget reguleringsfleksibilitet i det samlede el-system Varmepumper kan indgå som virkemidler til opfyldelse af Bekendtgørelse om energispareydelser i net- og distributionsvirksomheder