Fremtidig varmeforsyning Nuuk

2014 Fremtidig varmeforsyning Nuuk Ujarak Anguta Frederiksen 07-02-2014

Forfatter: Studienr: Opgavetitel: Projekttype: Fagområde: Uddannelsesforløb/klasse: Uddannelsesinstitution: Vejleder: Ujarak Anguta Frederiksen A10012 Fremtidig varmeforsyning Nuuk Bachelorprojekt Energi 6 semester/a11-1 Aarhus Maskinmesterskole Henrik Rønbjerg Afleveringsdato: 07-02-2014 Rapportens størrelse: Anslag 62.886 Normalsider 26 sider Antal sider 44 - Bilag 1 12 - Mappe CD - Forside Eget billede Underskrift: Ujarak Anguta Frederiksen A10012 Side 1 af 44

Abstract This is bachelor project from a student of Aarhus School of Marine and Technical Engineering, on 6 th semester, which is divided in two parts; the first part is internship, at a company, and the second is to write a bachelor project, based with related subject. The student s internship was at Nukissiorfiit in Greenland, which is an energy company that delivers utilities for the population of 17 cities and 53 small settlements, in different places in Greenland. There are 15 local divisions who have responsibility for those cities and settlements. Nukissiorfiit s strategy is to deliver environmentally friendly energy, with focus on reliability and economical aspects. The capital city in Greenland is called Nuuk, which is supplied with power from a hydroelectric plant. The power consuming is divided into three different groups, which are light and utility power, electric household heating and commercial district heating. During winter of the last few years, the capacity from the hydroelectric plant has been at maximum load, where the load governor will reduce the power for the district heating. The excess capacity from hydroelectric plant has been formed to supply district heating from 10 kv electric hot boilers, which are used as primary district heat producers. To obtain sufficient supply during this scenario, oil fired boilers are used, which makes Nukissiorfiit not environmentally friendly. ETP Consult who are power analyst firm, had looked at the power situation, which highlighted the power situation as a problem in the future. Higher immigration makes energy consumption to continue to increase. The topic of this bachelor project is to minimize the use of oil, with obtaining on reliability and economical aspects. With day graphs and technical data from Nukissiorfiit, analyses the oil use to district heating. In the near future it is not possible to expand the existing hydroelectric plant. This makes Nukissiorfiit to look for solutions to reduce the use of oil. Nukissiorfiits has interest to optimize their own fuel, the electricity from hydroelectric plant. The solution was a heat pump, by exploiting the COP factor. But the possibility for a heat source to the heat pump, was a challenge in Greenland. With a low sun energy in the arctic land, the solutions was borehole thermal energy storage (BTES) by make use of surplus capacity, from the hydroelectric plant in summer period. The storage energy uses as heat source to the heat pump, which produces district heat in the winter. Although there spares a large quantity of oil, it turns out the heat pump plant is an expensive solutions. A 1 MW heat pump require many boreholes, and the dimension of the plant was too much artificial. Side 2 af 44

Indhold Abstract... 2 Formål... 5 Læsevejledning... 5 Indledning... 6 Problem analyse... 7 Problem formulering... 8 Afgrænsning... 8 Metode... 9 Nukissiorfiit... 10 Nuuk... 10 Fjernvarme Nuuk... 11 Anlægsbeskrivelse... 11 Oversigt af størrelser i varmeværke... 12 Regulering af fjernvarme... 13 Leveringsbetingelser... 14 Effektivisering af elforbruget til varmeproduktion... 15 Fjernvarme med varmepumpe... 15 Varmepumper til fjernvarme... 15 Mulige energikilder... 18 Valg af energikilde... 20 Overskudskapacitet... 20 Termisk Respons Test... 20 Udførte Termisk Respons Tests i Nuuk... 22 Usikkerheder... 23 Delkonklusion... 24 Princippet bag borehulslagring... 25 Lagring af overskudskapacitet... 26 Størrelse af varmepumpeanlægget... 27 Effektivitet af varmepumpeanlægget.... 28 Investeringsomkostning for varmepumpeanlægget... 28 Usikkerheder... 29 Energisituation... 30 Side 3 af 44

Nuuk anlæg... 30 Lastregulator... 30 Lastdiagrammer... 31 Usikkerheder... 34 Olieforbrug... 35 Olieforbrug i liter og kroner... 36 Usikkerheder... 37 Sparet olieforbrug... 39 Delkonklusion... 40 Konklusion... 41 Perspektivering... 42 Kildeliste... 43 Internet... 43 Bøger... 44 Side 4 af 44

Formål Dette er en bachelorprojekt af en elev fra Aarhus Maskinmesterskole. Dette udgøres på 6. semester som er opdelt i to dele, den første del er praktik på en virksomhed, og den anden del er at skrive et bachelorprojekt, der er baseret på en problemstilling, som derefter afgåes med eksamen. Den studerendes praktik var på Energitjenesten Nuuk på Grønland, som er et energiselskab, der leverer el, vand og varme for byen. Nukissiorfiits strategi er at levere miljøvenlig energi med fokus på pålidelighed og økonomiske aspekter. Dermed benyttes lejligheden for at sige tak til Energitjenesten Nuuk. Det har været spændene og lærerigt. Og specielt tak til driftschefen og teamlederen for varmeproduktion, da de har hjulpet til at realisere det her projekt. Således takkes også virksomheden Sweco, for at have samarbejdet med at dimensionere dette anlæg. Læsevejledning Rapporten skal læses løbende, for at få hele forståelsen af problemstillingen og analysedelen. I teksten er der henvisninger til fodnoter, som henviser til bilag eller kilde. Disse fodnoter er belyste med titler af bøger, kilde til internetside eller bilags nummer. Bilagene findes i bilagsmappen og dokumenter, data og udregninger har også en mappe for sig selv. Udregninger er foretaget på teksten, og de større udregninger er udført på Excel. Nogle af figurerne som er anvendt i rapporten kan også findes i dokumentmappen. I dokumentmappen findes også rapporter og dokumenter fra Nukissiorfiit og virksomheden Sweco. Forkortelsesforklaringen findes i bilag 1. Side 5 af 44

Indledning Grønlands selvstyre Naalakkersuisut har en Landstingsforordning 1 om energiforsyning fra 1997. Formålet er at fremme den mest samfundsøkonomiske og miljøvenlige energiforsyning og for at formindske energiforsyningens afhængighed af olie, hvor tilrettelæggelsen skal ske med henblik på økonomisering og besparelser i energiforbruget, med størst mulig energiforsyningssikkerhed og effektivisering af produktions- og forsyningssystemer med renere energiproduktion. Energiselskab Nukissiorfiit der er ejet af Grønlands selvstyre, er forpligtet til at levere effektivt og tilstrækkelig el- og fjernvarmeforsyning til forbrugerne i byer og bygder. Nukissiorfiit har således vision 2 med at udvikle miljøvenligt og bæredygtigt på den bedste og billigste måde. Rapporten har udgangspunkt med energisituationen i Nuuk, hvor vandkraftværket fra Buksefjorden dækker energiforbruget. Overskudskapaciteten er tilrettet til at dække varmeforsyningen som med større udstrækning er blevet el baseret opvarmning. Men i de kommende år vil der opleves problemer med, at kunne levere miljøvenligt energi om vinteren, hvor behovet er størst. Allerede nu, er der flere perioder hvor elforbruget opnår den maksimale kapacitet af vandkraftværket, dette medfører at der nedreguleres på nogle forbrugsenheder for at aflaste vandkraftværket. Konsekvensen er, at Nukissiorfiit afbrænder olie for at holde forsyningen oppe. Nukissiorfiit har fået ETP Consult til at analysere deres energisituation fra 2000 til 2011. ETP Consult har således lavet fremskrivninger frem til 2030 af energibehovet og mener, at allerede i 2023, vil der opstår flere og oftere perioder, hvor man ikke kan levere miljøvenlig energi, da middelbelastningen vil være over maxbegrænsningen for lastregulering. Således mener ETP, at med den nuværende stigning med elforbruget, er kapaciteten i vandkraftværket ikke tilstrækkelig nok. Med Nukissiorfiits interesse om at formindske forbruget af olie om vinteren, vil denne rapport omhandle en fremtidig løsning angående varmeforsyning, ved at effektivisere strømforbruget. 1 Internetside: Grønlands selstyre Nanoq 2 Internetside: Nukissiorfiit Side 6 af 44

Problem analyse Nuuk forsynes med elektricitet fra vandkraftværket i Buksefjorden. Værket blev sat i drift i 1993, hvor to turbiner leverede op til 30 MW indtil den tredje blev installeret i 2008, således blev værket fuldt udbygget med en samlet kapacitet på 45 MW. Der er foreløbigt kapacitet nok om sommeren, men der er stigende elforbrug pga. stigende befolkningstilvækst 3. Tilvæksten har skabt en ny bydel Qinngorput, som begyndte at tage form fra 2003 og er stadig under udvidelse med nye huse og boligblokke. Udviklingen medførte at forbruget om vinteren i nogle perioder begyndte at nå den maksimale kapacitet fra vandkraftværket. På lastdiagrammerne 4 fra 2012 kan man se, at den summerede effekt ofte når setpunktet. Grunden til den større forbrug om vinteren skyldes kortere soltimer 5 og større varmeproduktion. Varmeproduktionen er delt i prioriteringsliste der fordeler det energi som kræver konstant kraft og enheder der kan reguleres, som afbrydelig elvarme og elkedler, da de har oliefyre som backup enheder. Således når forbruget fra byen nærmer sig den maksimale kapacitet eller maxbegrænsningen på 44 MW, er der en lastregulator som nedregulerer eller stopper de el baserede fjernvarmeproduktion og bibeholder lys og kraft. Så overtages fjernvarmeproduktionen af oliefyrede kedler, og dette medfører at Nukissiorfiit modarbejder deres egen vision, da man afbrænder olie og bidrager miljøet negativt. En yderligere udvidelse af vandkraftværket er ellers en mulighed, men det vil være en langvarende investering, som kræver nøje planlægninger og overvejelser inden gennemførelse, det vil også påvirke vandreservoiret, da vandforbruget vil stige i takt med større el produktion. Dette vil påvirke vandstanden i søen endnu mere, da ETP har vurderet, at allerede i dag anvendes mere vand end der løber til. ETPs graf viser voldsomt fald i vandstanden 6 og viser at allerede i 2026 vil der være vandmangel. For at overholde Nukissiorfiits vision skal der findes en alternativ varmeproduktion, der kan aflaste vandkraftværket om vinteren. Olieforbruget skal formindskes her og nu, da udvidelse af vandkraftværket kræver længere tid, med undersøgelser, planlægning og gennemførelse som medfører en lang periode med mindre miljøvenlig varmeproduktion. At skulle vente på udvidelse af vandkraftværket løser ikke det nuværende problem. Nukissiorfiit har interesse for at effektivisere strømforbruget til varme, for undgå eller udsætte olieforbruget til deres oliekedler. Elektrokedlerne der anvendes til fjernvarmesystemer har el- og varmeeffekt på 1 1, dvs. med el effekt på 1 kw, kommer der 1 kw varme ud. For at effektivisere dette, kan COP faktor udnyttes, der kan hentes i en varmepumpe. COP 7 faktoren kan udvinde mere varme end den energi, der bliver optaget i varmepumpen. Men varmepumpen vil også kræve stabil varmekilde, især større anlæg til fjernvarmesystemer. 3 Bilag 2: Befolkningstilvækst 4 Bilag 3: Lastdiagrammer fra uge 1 12, 2012 5 Internetside: Mitrejsevejr 6 Bilag 4: Vandstanden 7 Coefficient of Performance angiver den energi, varmepumpen producerer i forhold til den tilførte energi Side 7 af 44

Problem formulering For at benytte en varmepumpe til effektivisering af strømforbruget til varme, skal der findes et varmekilde. Varmekilden er en større udfordring på Grønland, da solenergien er lavere 8 i den nordlige dele af jorden, også fordi Grønland er en arktisk land 9 med kold klima. Disse forhold hentyder til lavere temperatur af luft, havvand, vand og jord. Derfor skal der diskuteres og undersøges mulige varmekilder, hvorledes den bedst mulige løsning viderebehandles, vurderes og analyseres nærmere. Fjernvarmesystemer vil også kræve større varmepumper, hvilket skal dimensioneres i forhold til varmekilden og det eksisterende fjernvarmeanlæg, dermed vurderes hvor godt COP faktoren udnyttes. Der er også økonomiske forhold mellem olieforbruget fra oliekedlerne og varmepumpeanlægget. Dette betyder at det sparet olieforbrug i kr. skal tilbagebetale varmepumpeanlægget. Disse anlæg skal sammenlignes for at bevise at investering af varmepumpeanlæg er rentabelt og der skal beregnes hvor meget olieforbrug, der eventuelt kunne spares. For at beregne olieforbruget skal der analyseres hvornår oliekedlerne afbrænder olie for at forsyne fjernvarmenettet, dermed analyseres den fremtidig olieforbrug ved hjælp af fremskrivninger. Afgrænsning Selvom titlen lyder til, at der er flere mulige løsninger for fremtidig varmeforsyning, er dette projekt afgrænset til varmepumper, som er også meget tydeligt i problemformuleringen. Det er interessant både for virksomheden og for mig om Nukissiorfiits egen brændstof i form af elektricitet fra Buksefjordsværket kan effektiviseres og udnyttes bedre. Som sagt er effektivisering af fjernvarmeanlægget tilrettelagt til strømforbruget til fjernvarmeproduktion. Der er ellers mulighed for at effektivisere ledningsnettet ved at vurdere tabet, men pga. størstedelen af ledningsnettet er placeret underjordisk, er det ikke økonomisk hensigtsmæssigt at skulle begynde at grave rørføringerne frem. Afkølingen kan også effektiviseres i undercentraler, men dette vil kræve samarbejde med VVS firmaer, samtidig stabil forbrug fra kunderne. Efterhånden forbruget varierer meget i løbet af året, skal der eventuelt foretages nøje eftersyn af afkølingen som kan sagtens tage lang tid. Der vil ikke være beskrivelse af vandkraftværket og eltekniske beregninger, selvom fordeling af energien fra vandkraftværket er nævnt. Der skal analyseres forbrugsmønstre af kundernes forbrug af elektricitet kun i det koldeste perioder. Dog analyseres overskudkapacitet om sommeren hvis nødvendig. Da Nukissiorfiit har ikke erfaringer med varmepumpeanlæg, kan dette anlæg være begrænset til et bestemt størrelse i et bestemt varmeværk. Det kan være fordelagtig at undersøge en varmepumpe på 1 MW størrelse og en placering i Nuuks nye bydel Qinngorput, som har en helt nyt fjernvarmesystem. Varmepumpen vil ikke beskrives i detaljer, samt styring og service og vedligehold udelades. Varmekilden vil også være afgrænset til Nuuks område, dvs. det vil ikke være en løsning 8 Internet: Solenergi 9 Internet: Arktis Side 8 af 44

for hele Grønland. Og udgangspunktet vil være fjernvarmeproduktionen i vintermåneder hvor kapaciteten overstiges. De resterende måneder vil ikke have indflydelse for løsningsforslaget. Metode For at undersøge mulige varmekilder i Nuuk skal klimatiske faktorer og geologiske undersøgelser anvendes. Ud fra undersøgelsen vil der vurderes om hvilken varmekilde der kan anvendes, hvorledes den valgte løsning viderebehandles. Alt afhængig af den valgte varmekilde kan tidligere undersøgelser fra Nukissiorfiit anvendes hvis de forefindes. Dimensionering af varmepumpeanlæg skal ske i samarbejde med en virksomhed fra Sverige, Sweco 10. De har speciale med fjeldvarme og har tidligere lavet undersøgelser af Nuuks undergrund i samarbejde med Nukissiorfiit. Ved at anvende nøgletaler og diagrammer af forbruget og fordelingen af energien vil problemet om vinteren belyses. Dette analyse af driften er kvantitativ, da der anvendes målte værdier i form af nøgletaler og diagrammer fra Nukissiorfiit. Således herfra vurderes olieforbruget til fjernvarmeproduktion og ETPs rapport vil anvendes for at vurdere fremtidens energiforbrug. Disse metoder hentyder til at løsningsforslaget vil være en teoretisk fremstilling. 10 Internetside: Sweco Side 9 af 44

Nukissiorfiit Energivirksomheden Nukissiorfiit vigtigste opgave er, at distribuere el, vand og varme i hele landet. 15 energitjenester som er fordelt i landet har forsyningsansvar for 17 byer og 53 bygder. 11 Dette gør at Nukissiorfiit i dag, er en af Grønlands største virksomhed, der beskæftiger ca. 400 medarbejdere. Hovedkontoret som er placeret i Nuuk besidder HR, økonomi og projektledelse. Energitjenesten i Nuuk beskæftiger med vedligehold og planlægninger indenfor el, vand og varme også i de nærliggende bygder. Tilpasning og udvidelse af distribution sker med samarbejde mellem energitjenesten og hovedkontoret, hvor de fremlægger muligheder og ideer til distribution fra vedvarende energi. Nukissiorfiit som ønsker at producere og distribuere med grøn energi har mission og vision som er: Mission Forsyning med el, vand og varme og bidrage som en del af infrastrukturen til udviklingen af det grønlandske samfund. Vision Vi udvikler miljøvenligt og bæredygtigt på den bedste og billigste måde for samfundet. Nuuk Elværket som blev indviet i 1949, som også var den første offentlige elværk i Grønland, havde 2 stk. Bukh dieselgenerator med effekt på 96 kw pr. motor. Siden har der været opgraderinger af effekten ved at tilføje flere dieselgeneratorer/elværker 12 Og i 1974 blev der oprettet to 6.400 kw dieselgenerator i daværende ny elværk Nordhavn, således den samlede effekt blev omkring 21.000 kw. I 1991 installeres en dieselmotor mere, med effekt på 3.000 kw. Buksefjordsværket blev sat i drift i 1993, hvor to turbiner leverede op til 30.000 kw. Således fungere Nordhavnen som reserveelværk efter indvielsen af vandkraftværket. Den tredje turbine blev installeret i 2008, så den samlede effekt blev 45.000 kw. Og i 2011 blev reserveelværket udvidet med en ny 17.000 kw dieselgenerator. I dag forsyner Energitjenesten Nuuk ca. 16.000 13 indbyggere med el, vand og varme. Og i sidste år 2012 var den samlede produktion fra vandkraftværket 235 GWh 14. 11 Internetside: Nukissiorfiit 12 Bilag 5: El produktion Nuuk 13 Internetside: Wikipedia 14 Afsætningsmængder: Dokumenter Data Afsætningsmængder Mængder 2012 EXCEL Side 10 af 44

Fjernvarme Nuuk I dette afsnit beskrives fjernvarmenettet i Nuuk. Størrelse, placering og fremtidsudsigterne vil inddrages i beskrivelsen. Anlægsbeskrivelse Fjernvarmenettet i Nuuk er blevet etableret siden 1960 erne. Siden har der været ændringer og udvidelser på både rørføringer og varmeværke. Rørføringerne som stadig består af ældre dato, er oftest placeret under jorden, men nogle steder er rørene over jorden, som naturligvis afgiver større varmetab end underjordiske fremføringer. Men i dag er der fokus på at alle rør kommer i jorden, til dels for udseendet og for at formindske varmetabet. I dag bliver byen forsynet af fire fjernvarmenette, som hver forsyner bestemte dele i byen. Siden 1993 er der etableret 10 kv elektrokedler, så i dag består hver net af en eller flere elektrokedler, som levere indirekte varme til fjernvarmenettet, hvor elektrokedlerne er isoleret fra fjernvarmerørene ved hjælp af krydspladevarmevekslere. Nuuks centrum har det største net, hvor nettet er en ringnet som forsynes med 3 x 6 MW elektrokedler. Elektrokedlen på Radiofjeldet (VVR), har fire oliekedler som backup system. Således er der en elektrokedel ved Tuapannguit (VVT) og en i Nordhavnsværket (NHV). Bydelen Nuussuaq (VVN), forsynes af en elektrokedel med effekt på 4 MW og har backupenheder af to oliekedler. I Nuussuaq er der et kommunalt forbrændingsanlæg som også forsyner nettet. Forbrændingen levere ca. 3 MW. Kangillinnguit (VVK) som er det mindste net, levere to 400 Volts elkedler varme til nettet. Dette varmeværk har to oliekedler som backup, hvor den ene er privatejet og den anden ejes af Nukissiorfiit. Varmeværket i Qinngorput (VVQ) er opført med en ny 10 kv elektrokedel med en effekt på 6 MW. VVQ er relativt nyt, da den er idriftsat i starten af september 2012. Siden har fjernvarmenettet taget form, hvor der løbende kom flere forbrugere på fjernvarmen. For at illustrere fjernvarmenettet i Nuuk vises en grafisk afbildning i figur 1 som vises herunder. Side 11 af 44

Figur 1 Illustration af Nuuks fjernvarmenet Oversigt af størrelser i varmeværke Elektrokedlerne og backupenheder vises i tabel 1 og 2. Størrelse og type på både elektro-og oliekedler angives, samt de tilhørende fjernvarmenette bestemmes om det er ringnet eller ej. Tabel 1 10 kv elektrokedler i varmeværke Varmeværk Antal Type Effekt [MW] Backup Ringnet NVH 1 ZVPI 1806 5,8 Nej Ja VVR 1 ZVPI 1806 5,4 Ja Ja VVT 1 ZVPI 1806 6,0 Nej Ja VVN 1 ZPVI 1604 4,0 Ja Nej VVQ 1 ZVPI 1806 6,0 Ja Nej Nuuk nettet er forsynet fra de tre varmeværke: NVH, VVR og VVT. Nuussuaq nettet (VVN net) forsynes fra VVN og Qinngorput (VVQ net) fra VVQ. Kangillinnguit nettet (VVK net), har 0,4 kv elkedler, som ikke viderebehandles i dette projekt. Side 12 af 44

Tabel 2 Backupenheder I varmeværke Varmeværk Antal Kedel Brænder Effekt [MW] VVQ 2 Danstoker/global 7 Weishaupt/RL 50/2 A 2x 3,5 VVN 2 HE-TO RVS B2 Weishaupt/L9Z 2x 2,23 VVR 2 Jyds Varmekedelfabrik HEO-10 Weishaupt/RL 50/2 A 2x 3,5 VVR 2 Danstoker/global 7 Weishaupt/RL 50/2 A 2x 3,5 Det fremtidig plan for varmeforsyning er illustreret i bilagsmappen 15. Fjernvarmenettet står til udvidelse flere steder i Nuuks net, Nuussuaq og Qinngorput. Illustreringen viser også at afbrydelig elvarme er planlagt flere steder, som fjernvarme ikke kan forsyne. Regulering af fjernvarme Styringen af fjernvarmen, foregår ved at måle differenstryk ved den fjerneste forbruger. Det betyder at, hvis differenstrykket bliver for lav ved den fjerneste forbruger, øges effekten fra pumpen. Trykket i hovedfjernvarmeledningen kan stige op til 10 bar, hvorledes alle nye rørføringer tryktestes til 16 bar. Ved lukkede hovedhaner skal der også være et differenstryk på mindst 0,4 bar. Dvs. trykforholdet ændrer sig efter forbrug. Så om vinteren, når forbrugerne åbner ventilerne mere, skal pumpen levere et større tryk til kunderne for at opretholde trykkravet. Dette ens betyder stigning af trykket og flowet. Temperaturen som bliver styret efter fremløbstemperaturen fra varmeværkerne, skal opretholde temperaturen i fjernvarmenettet. Fremløbstemperaturen som er på sekundærsiden af fjernvarmevekslerne er op til 90, hvor i den nye fjernvarmesystem Qinngorput har op til 80 fremløb. Når temperaturen sænkes vil elektrokedlen levere mere effekt, for at give større varmebidrag til fjernvarmenettet. Herunder i figur 2 vises princippet af varmeværkerne med en oversigt fra VVQ. 15 Bilag 6: Nu og Fremtidsvarmeforsyning. Side 13 af 44

Figur 2 Oversigt af varmeværk VVQ Leveringsbetingelser Nukissiorfiits leveringsbetingelse for fjernvarme fra 2011 16, tilsigter et fremløbstemperatur på 75 85. Således kræves der afkøling fra forbrugeren med højest temperatur på 45 i returvandet og et års gennemsnitsafkøling på over 30. I figur 7 stemmer afkølingstemperaturen ikke overens med leveringsbetingelserne. Det skyldes bl.a. at fjernvarmesystemet er nyt i Qinngorput, og alle det nye bygninger har stadig problemer med at overholde betingelserne for afkøling. 16 Internetside: Nukissiorfiit Side 14 af 44

Effektivisering af elforbruget til varmeproduktion Med Nukissiorfiits interesse af varmepumper til effektivisering af strømforbruget fra vandkraftværket, vil dette afsnit handle om mulige løsninger til fjernvarme med varmepumper. Først undersøges om varmepumper, kan bruges til fjernvarme. Derefter vil der kigges på mulige energikilde til varmepumpe. Og til sidst vil den mest relevante og spændende løsningsforslag blive valgt og uddybet. Fjernvarme med varmepumpe Man kan spørge sig selv hvorfor Nukissiorfiit er interesseret i varmepumper. For det første forbruger varmepumpen elektricitet og for det andet producerer de ikke mere energi, end der er i forvejen. Men de har en egenskab der har en betydning for fjernvarmesystemer, de samler energien op fra lave temperatur og transformerer den energi til højere temperatur. Dette betyder, at energiforbruget reduceres således fossile brændsler kan erstattes med elektricitet. I betragtning til 10 kv elektrokedler som anvendes i dag til fjernvarmesystemer, kan energiforbruget ikke effektiviseres da elektrokedlerne skal bruge 1 kw elektricitet for at producere 1 kw varme. Hvis varmepumpen kan transformere varmeenergien til højere niveau er det interessent hvor meget varmeenergi i kw der vil komme ud, ud fra 1 kw elektricitet. I dag er store varmepumper tilgængelig i flere forskellige typer, disse varmepumper gør det muligt, at genvinde overskudsenergi og alternativt energikilde. Mulighederne for placering såvel energikilder til varmepumpen er mange. Ved at placere varmepumpen i ledningsnettet kan man opnå mindre tab i fjernvarmesystem, ved at køle yderligere ned på returløbet. Dette vil give bedre køling samt mindre tab i fjernvarmesystem. Varmepumpen kan således udnyttes i solvarmesystemer og geotermianlæg. I solvarmesystemer kan man øge produktionen ved at køle solpanelerne yderligere ned. I geotermianlæg vil der være effektivisering ved at køle det oppumpede vand og sende retur til undergrunden. Man kan også udnytte røggas, køleanlæg og overskudsvarme fra industrivirksomheder/bygninger, ved at køle de varme medier ned. Derfor har varmepumper et stort miljø- og effektiviseringspotentiale som kan bidrage i fjernvarmesystemer. Varmepumper til fjernvarme Her vurderes kortfattet varmepumper som kan anvendes i Nuuks fjernvarmesystemer med høj fremløbstemperatur op til 90. Dette er kun for at vise at der findes forskellige type af varmepumper, som er specielt bygget til fjernvarmeproduktion. Transkritisk CO 2 varmepumpe ADVANSOR 17 har udviklet en kommerciel varmepumpe til fjernvarme. Varmepumpen kan opnå høj temperatur med høj virkningsgrad, da processen som er et lukket kreds køles med det naturlige kølemiddel CO 2. De transkritiske varmepumper egnes bedst til store temperaturløft, men omvendt uegnet til små temperaturløft. Fordampningstemperaturen ligger mellem 5 til + 15, hvor effektiviteten stiger i takt med højere fordampningstemperatur. Varmepumpen kan leveres med varmekapacitet fra 100 1500 kw. I figur 3 herunder vises den transkritiske varmepumpe. 17 Internetside: ADVANSOR Side 15 af 44

Figur 3 Transkritiske varmepumpe fra ADVANSOR HeatPac NH 3 varmepumpe Johnson Control 18 har således udviklet et kommercielt varmepumpe til fjernvarme. En enkeltskruekompressor med ammoniak som kølemiddel. Med højtryks skruekompressoren er det blevet muligt at levere op til 90 varmt vand. Varmepumpen kan leveres med varmekapacitet fra 240 1600 kw. Den kompakte enhed er integreret med pladevarmeveksler, præ-formede rør, en kappe-plade fordamper med indbygget væske separator og en kappe-plade kondensator vises i figur 4 herunder. Figur 4 HeatPac enkeltskruekompressor varmepumpe fra Johnson Controls 18 Internetside: Sabroe Side 16 af 44

Single-screw NH 3 ICS Energy 19 har udviklet en højtemperatur varmepumpe i samarbejde med Star Refrigeration. Dette kompakte varmepumpeenhed med Vilter enkeltskruekompressor kan fylde så lidt som 48m 3, men kan arbejde ved kondenserings temperatur på over 90. Fordi Neatpump som den kaldes, benytter også ammoniak som kølemiddel. Vilter enkeltskruekompressoren har en lang driftstid pga. af den simple belastning på lejerne, da der ikke er radiale eller aksiale belastninger på hovedrotoren. Varmepumpen som kan levere varmekapacitet fra 300 1500 kw vises i figur 5 herunder. Figur 5 Neatpump enkeltskruekompressor varmepumpe fra ICS Energy 19 Internetside: ICS Energy Side 17 af 44

Mulige energikilder For at anvende en varmepumpe til fjernvarmeproduktion skal der findes en varmekilde. Og da dette varmepumpeanlæg skal hjælpe til at opvarme en bydel i Nuuk, skal der nøje overvejes hvad der er mulige løsninger til den forholdsvis store varmepumpeanlæg, men Nuuk kan være begrænset angående energikilder pga. af den lave jord-og lufttemperatur om vinteren. Omkringliggende større søer anvendes som drikkevand og største delen af Nuuk er en bjerggrund. Da bjergarten består mest af gnejs 20, er der dog potentiale for geotermi. Men først behandles mulige energikilder til varmepumpen. Havvand Der er stort potentiale for at udnytte havvandet som varmekilde. Nuuk som befinder sig i sydvestkysten af Grønland, har dog en varierende havtemperatur pga. Nordatlantiske havstrømme 21. Cirkulations ændringer i Nordatlanten har stor indflydelse for havtemperaturen. Overfladetemperaturen varierer mellem 0 3 grader i løbet af året 22. Dette vil være et problem for varmepumpen, da der vil være risiko for tilfrysning, for fordamperen og varmepumpens effektivitet vil blive alt for lavt. For at få større gradient skal der længere ned i dybden. Temperaturen ned til 600 meters dybde varierer omkring 3 6 grader 23. Her er der muligheder for at få større effektivitet for varmepumpen, men dette vil kræve mere undersøgelse, med bl.a. havdybde og havtemperatur omkring Nuuk. Grønland har jo også en lidt anderledes udfordring end de andre lande, der udnytter havvand som energikilde, nemlig havis og isbjerge. Disse kan nemt beskadige rørende som evt. skulle ligge i havbunden, dette vil kræve ekstra nøje undersøgelse af havforholdet, som kan vare flere år. Overskudsvarme Nuuk er begrænset med overskudsvarme og Qinngorput, som stadig er under udvikling bliver svært at skulle udnytte overskudsvarme, da der ikke findes industrivirksomheder i Qinngorput, selv i byen er der ikke industrivirksomheder som har større overskudsvarme til rådighed. Spildevand kræver en rensningsanlæg, som findes ikke på Grønland. Så dette energikilde er også udelukket. Røggasset i reserveelværket NHV kan ikke udnyttes længere, da den er først i drift, når vandkraftværket har udfald. Luften Luftvarmepumper egner sig ikke til anlæg i MW-størrelsen. Disse anvendes ofte til mindre anlæg såsom opvarmning til bygninger. En lavere temperatur om vinteren og en mindre energitæthed end de øvrige varmekilder, vil skabe en ringere effektivitet for varmepumpen. En varmepumpe på 1 MW vil således kræve en luftstrøm på ca. 300.000 m 3 /h. 24 Efterhånden dette varmepumpeanlæg kræver store køleflader og ventilatorer er det ikke fordelagtig at skulle anvende luften som varmekilde. Geotermi 20 PDF: Frederikshåb Isblink Søndre strømfjord side 17 21 Bilag 7: Havstrøm 22 Internet: Mitrejsevejr 23 Bilag 7: Havstrøm 24 Internet: Udredning vedrørende varmelagringsteknologier og store varmepumper til brug i fjernvarmesystemet Side 18 af 44

Da Nuuk er en bjerggrund er potentialet god for at udnytte fjeldvarmen eller energilagring inde i fjeldene. Dette kan gøres med borehuller og borehulslagring, som er en god mulighed, bl.a. fordi bjerggrunden består af gnejs, granit, sandsten og med højt indhold af kvarts. Disse egenskaber giver bjerggrunden god varmeledningsevne. Nukissiorfiit har også fået NeoEnergy Sweden AB 25, til at udføre tre Termiske Respons Test (TRT) af grunden. Disse test refererer undergrundens begyndelsestemperatur, dens effektive varmeledningsevne og borehullets varmeoverføringsegenskaber. Da fjeldvarme vil kræve enorm areal med borehuller, der skal have 20 meters mellemrum er det mere interessent med borehulslagring som kræver halv så meget mellemrum for borehullerne. 25 Sweco: Annex 1 Dokumenter Nukissiorfiit Sweco Side 19 af 44