Varmepumper i Lejre Kommune version 0.2 Flemming Bjerke i samarbejde med Niels Hansen, NH-Soft Dette notat behandler brugen af varmepumper i Lejre Kommune som supplement til Klimaplanen 2011-2020 for Lejre Kommune. Notatet beskæftiger sig med produktion af el og varme, ikke med transport og energibesparelser m.m.. Notatet peger på:: at Lejre Kommune kan på lang sigt ikke alene blive nettoselvforsynende med vedvarende energi, men også blive nettoeksportør af energi fra vedvarende kilder. mulige initiativer hvor man kan bevæge Lejre i retning af energiselvforsyning med gennemprøvede teknologier. udviklingsprojekter der er nødvendige for at realisere selvforsyning og energieksport. Der er taget udgangspunkt i Forslag til klimaindsatsen for de vigtigste sektorer i Lejre Kommune.http://www.lejre.dk/ref.aspx?id=26625. Tallene herfra er ikke kontrolleret. Der er ikke medtaget mulige energibesparelser hvilket dog kun styrker konklusionerne. Lejre Kommune har med en befolkningstæthed på 111 mod landsgennemsnittets 126 i udgangspunktet rådighed over noget mere vedvarende energi end landet som helhed. Specielt har Hovedstadsområdet et meget stort behov for import af vedvarende energi. Såfremt Danmark skal gøres selvforsynende med vedvarende energi, er det relevant at overveje om landkommuner som Lejre hvor de vedvarende energiressourcer er særlig store, kan forsyne sig selv med vedvarende energi, og tillige eksportere energi produceret ved vedvarende energi. Lejre Kommune kan naturligvis godt forsynes med mølleenergi udefra, f.eks. fra havvindmøller. Det er imidlertid afgørende at energiproduktionen justeres som vinden blæser hvilket er mere meningsfuldt i lokal kontekst og i forbindelse med Lejre Kommunes vindmølleplanlægning. Lejre Kommunes langsigtede målsætning bør derfor være at blive nettoselvforsynende med energi samt at muliggøre nettoeksport af energi produceret med vedvarende energi. Overordnet skitse til energiselvforsyningsplan for Lejre Kommune Formålet med dette afsnit er at formulere overordnede principper for den mere konkrete integrering af varmepumper i Lejre Kommune. Formålet er ikke at lægge op til en realisering af denne skitse inden for de første 10-20 år. Dette skyldes at realiseringen af skitsen afhænger af en række forhold såsom afprøvning af en række teknologier samt integrering af det samlede energisystem på måder som ikke er gennemprøvede. Endvidere afhænger omstilling til selvforsyning med el og varme af økonomiske forhold og indstillingen hos kommunens borgere som ikke er taget i betragtning i denne skitse. Varmepumper er afgørende for at etablere et effektivt vedvarende energisystem. Af tre grunde: 1. Varmepumper forbedrer udnyttelsen af el fra vindmøller og solceller til varmeproduktion med en faktor 4-5. Samtidig kan udnyttelsen af biogas til opvarmning forøges med en faktor ca. 2 såfremt biogas også bruges til at producere el der driver en varmepumpe. 2. Varmepumper udnyttes til at lagre varme i vanddamme hvilket er vigtigt for at kompensere 1
for variationerne i energi fra sol og vind samt behovet for energi. 3. Varmepumper udnyttes til at udtage varme fra kølige energilagre. Dette betyder at en gennemtænkt integration af varmepumper i energiforsyningen baseret på vedvarende energi indebærer meget store effektiviseringer på følgende punkter: 1. Produktion af varme 2. Produktion af el fordi varmepumper muliggør varierbar afbalancering mellem el- og varmeproduktion samt lagring af varme. Endvidere spiller varmepumper en afgørende rolle for kompensering for variationerne i vind- og solenergi. Denne kompensering foretages via varmepumper og lagring af varme i vand samt ved at lagre biogas i det nationale biogassystem. Hovedprincipperne for brug af varmepumper fremgår af følgende 2 tabeller: Højt varmebehov Højt Elbehov Lille elbehov Høj sol/vindproduktion El til brugerne. Varme produceres med varmepumper. Fjernvarme optages i lagre Varmepumper lagrer varme. Varme produceres med varmepumper. Lav sol/vindproduktion Biogas producerer el og varme. Varmepumper forbruger varme. Lavt varmebehov Højt Elbehov Lille elbehov Høj vindproduktion Til husholning. Varme lagres. Varme lagres. Lav vindproduktion Biogas producerer el og lagrer varme. Minimal produktion med vind eller biogas. For Lejre kommune er det største energiproblem som disse principper skal løse beskrevet som følger: Det samlede varmebehov er opgjort til 317.000 MWh. Den største varmekilde er fyringsolie, som dækker godt 38% af varmebehovet. Den næststørste varmekilde er naturgas, som står for godt 31% af varmeforsyningen. Fjernvarmen, som kun findes i Hvalsø, svarer til godt 10% af kommunens varmebehov. Elvarmen har en endnu højere andel, idet den anvendes til dækning af godt 13% af opvarmningen. Under andet hører bl.a. varmepumper, som indtil videre dækker 0,7% af varmebehovet. (Forslag til klimaindsatsen for de vigtigste sektorer i Lejre Kommune. http://www.lejre.dk/ref.aspx?id=26625 ) Kort sagt, omkring 82% af Lejre Kommunes varmeforsyning er baseret på løsninger der ud fra et ønske om CO2-reduktion og uafhængighed af fossil energi er uholdbare. Endvidere bruges der 66.000 Mwh el i Lejre Kommune der heller ikke kan siges at produceres bæredygtigt i Lejre Kommune. I dag (2008) blev der ikke produceret særlig meget vedvarende elektricitet i kommunen. Den eneste vedvarende energi, der produceres, er baseret på vindkraft, hvor der i 2008 blev 2
produceret 11,2 mio. kwh, som kan sammenholdes med elforbruget i kommunen i 2008 på 66,0 mio. kwh. (Forslag til klimaindsatsen for de vigtigste sektorer i Lejre Kommune. http://www.lejre.dk/ref.aspx?id=26625 ) Når dertil føjes at 13% af opvarmningen, ca. 42.000 MWh, bruges til elvarme, hvilket vha. varmepumper kunne dækkes med ca. 10.000 MWh, bliver behov for el ca. 76.000 MWh betyder det at der er et udækket elforbrug på ca. 65000 MWh idet Hvalsø Kraftvarmeværk kun producerer ca. 11.000 MWh. Hvis vinden blæste konstant skulle der være en vindmøllekapacitet på ca. 146.000 MWh 1 (dvs. ca. 1/3 af den max. vindmølleudbygning på 400.000 MWh) for frembringe både el og opvarmning ved maksimal udnyttelse af varmepumper. Da vinden ikke blæser hele tiden, må ca. halvdelen af behovet for (vedvarende) energi frembringes på anden vis. Dette kan delvis gøres med biogas: [Biogasanlægget] forventes at producere 5,5 mill m3 biogas (svarende til knap 3,3 mio. m3 methan). Energimæssigt svarer gasmængden til 130.000 GJ biogas (eller ca. 36.300 MWh). Biogassen kan - som nævnt - enten opgraderes til naturgasnettet eller anvendes på et kraftvarmeværk (gasmotor). Forsat uafklarede tilskudsforhold ved opgraderingen af biogas taler som tidligere nævnt for et kraftvarmeværk. En del af biogassen kan umiddelbart anvendes på Hvalsø Kraftvarmeværk til erstatning for naturgas. Aktuelt (2008) bruges der 22.800 GJ naturgas på en varmekedel og 57.200 GJ naturgas på et kraftvarmeværk. Herudover anvendes der overskudsvarme fra Hvalsø Savværk på 53.800 GJ. (Forslag til klimaindsatsen for de vigtigste sektorer i Lejre Kommune. http://www.lejre.dk/ref.aspx?id=26625 ) Hertil kommer anvendelse af halm til elproduktion og koblet med varmepumber Halmreserven vurderes til 154.100 MWh, som svarer til 65% af energiforbruget til olie og naturgas. (Forslag til klimaindsatsen for de vigtigste sektorer i Lejre Kommune. http://www.lejre.dk/ref.aspx?id=26625 ) Man kan ikke vente at kunne anvende al halmen. Idet det antages at 2/3 er tilgængelig, giver dette 100.000 MWh, dvs. incl. biogas er der 136.000 MWh biomasse. Udnyttes 40% heraf til produktion af el, vil dette give ca. 55.000 MWh hvorfra skal trækkes det halve af elforbruget på 66.000 MWh, hvilket giver ca. 22.000 MWh el til varmepumper, dvs. 88.000 MWh varme hvortil kommer 80.000 MWh spildvarme fra elproduktionen. Det giver i alt 168.000 MWh varme hvilket overstiger den del af varmeproduktionen som vindmøllerne ikke kan forsyne med. Dette forudsætter dog at sommerens overskud af vindenergi på ca. 40.000 MWh kan bruges til at producere varme, men idet der ikke er behov ret meget af denne varme må hovedparten af de 40.000 MWh eksporteres. Dermed bliver der behov for en samlet vindemøllekapacitet på ca. 180.000 MWh i Lejre kommune. Dette forudsætte dog at der kan lagres varme i damme på ialt ca. 200.000 m3. Disse damme bruges som varmekilde til at kompensere for vindvariationerne om vinteren samt lagre en mindre varmemængde i løbet af sommeren. I de større byer i Lejre Kommune etableres alm. højtemperatur fjervarme i de tæt bebyggende 1 Med en COP på 4 skal der 80.000 MWh el til at frembringe 320.000 MWh varme. Hertil kommer 66.000 MWh el. 3
områder. Hvor der er lidt længere mellem huse, fokuseres på fjernvarme med lunkent vand f.eks. 35 grader kombineret med en mindre varmepumpe i boligen til brugsvand og for de boliger som kræver en højere temperatur til centralvarme, monteres en middelstor varmepumpe. Tilsammen vil dette antagelig kunne forsyne 60 % (ligelig fordelt mellem alm fjernvarme og fjernvarme ved lunken vand) af boligmassen i kommunen. Den resterende del af boligmassen udenfor fjernvarmesystemet distribueres energi så vidt muligt i vand i uisolerede rør ved en temperatur, så der ikke tabes væsentlig energi til jorden. Denne energi omsættes i individuelle varmepumper i boligerne som bruger el løbende. De resterende ejendomme kan opvarmes vha. af jordvarme eller en kombination af luft-til-luft varmepumper og afbrænding af træ/træpiller. I princippet kan Lejre Kommune således blive selvforsynende med varme og el uden at bruge samtlige kommunens vedvarende energiressourcer. Dermed har Lejre Kommune endog potentiale til at eksportere varme og el ved at kombinere energi fra vind, biogas og halm med varmepumper. Denne konklusion styrkes af energibesparelsesmuligheder på f.eks 1% årligt. Det er således ikke alene en fordel at integrere varmepumper i Lejres vedvarende energistrategi, det er en nødvendighed hvis man skal gøre kommunen nogenlunde selvforsynende med energi i perioder med svigtende vindenergi, endsige energieksporterende. Dette kræver dels udnyttelse af tilstrækkelige biogas- og halmressourcer, dels damme som varmelagre til at udjævne korttidssvingninger i mølleproduktionen. Integration af varmepumper i Lejres Energisystem At Lejre Kommune kan blive ikke blot selvforsynende med varme og el, men også ekspoterende, betyder dog ikke at dette er økonomisk og politisk muligt. Endvidere vil en række mulige løsninger skulle prøves af og færdigudvikles før man kan nærme sig selvforsyning under optimal anvendelse af varmepumper. Der er derfor behov for 4 sammenhængende planer/projekter: 1. Udarbejdelse af en overordnet selvforsyningsplan for hvordan Lejre kan blive selvforsynet med el og varme vha. vedvarende energi samt blive eksportør af energi. 2. Udarbejdelse af 1. trin for realisering af planen hvor der fokuseres på de vigtigste og økonomisk mest gunstige anvendelser af varmepumper. 3. Realiseringen af Klimaplan 2011-2012 med integration af varmepumper. 4. Igangsættelse af de vigtigste udviklingsprojekter for at kunne realisere selvforsyning. Add 1. Den overordnede plan består i en yderligere bearbejdning af første afsnit i nærværende notat. Add 2. Hvalsø Fjernvarmesystem gennemgås mhp. mulighederne for rentable effektiviseringer ved brug af varmepumper. Der undersøges muligheder for: varmepumper ved varme- og elproduktionen på Hvalsø Kraftvarmeværk, dels med henblik på effektivisering, dels mhp. fleksibilisering af forholdet mellem el- og varmeproduktion samt ophør af kedelproduktion af varme. udbygning af varmelagring ved Hvalsø Kraftvarmeværk. varmepumper knyttet til rensningsanlægget i Hvalsø og koblet til fjernvarmenettet. flere temperaturniveauer i fjernvarmen kombineret med varmepumper i husstande. kombination af varmepumper og husstandsvindmøller. brug af jordvarme i tyndt befolkede områder. 4
Add 3. I forbindelse etablering af større anlæg i medfør af Klimaplanen sikres det at varmepumper integreres, såfremt det er økonomisk/energimæssigt fordelagtigt, således at: Vindmøllestrøm kan drive varmepumper i Lejre Kommune til opvarmning eller lagring. Biogasanlæg knyttes til varmen fra fjernvarmeanlæg og varmepumper. Varmepumper bruges til gøre forholdet mellem fjernvarme- og elproduktion fleksibelt. Fjernvarmeudbygning integrerer varmepumper og brug af varmepumper i husstande. Anvendelse af halm knyttes til fjernvarmeudbygning med varmepumper. Varmepumper installeres i offentlige bygninger hvis dette er rentabelt. Add 4. Der er behov for at foretage forskning og udvikling indenfor følgende områder: 1. Hovedproblemet ved brug af varmepumper til opvarmning i husholdninger, kontorer mv. er pålidelig adgang til et ikke alt for koldt varmemedium, f.eks. 20 grader. Det typiske problem ved luft til luft varmepumper til opvarmningsformål er at de er ineffektive ved minusgrader. Derfor skal der skaffes et varmemedium der ikke bliver så koldt om vinteren. Dette gør jordvarme til et godt alternativ, men det er ofte umuligt af praktiske grunde. Fjernvarme er en anden løsning på adgangen til passende varmemedium idet det varme vand forsyner ejendomme med tilstrækkelig varme til opvarmning. Imidlertid er det dyrt at udlægge fjernvarme i en landkommune hvor boligerne er spredte. Et vigtigt udviklingsprojekt består i at undersøge de optimale muligheder for at udbygge fjernvarmenettet med uisolerede rør hvor der fremføres af kølig fjernvarme (f.eks. 20 grader) og tilbageføres koldt vand (f.eks. 5 grader) efter afkøling i hustandes varmepumper. 2 Dette burde kunne få prisen på nedlægning af fjernvarmerør i ren mark ned på under 100 kr/m. Potentialet i Lejre Kommune i sådanne billige rørsystemer bør vurderes og i givet fald bør der etableres et mindre forsøgsprojekt med lavtemperaturfjernvarme gennem uisolerede rør. Der findes nogle erfaringer i Danmark med brug uisolerede rør til lignende formål, og der er behov for at få et overblik over disse erfaringer samt den relevante internationale litteratur på især engelsk og tysk. 2. Et andet vigtig udviklingsprojekt består i at udvikle teknikker til at afbalancere vindproduktion og kraftvarmeproduktion således at kraftvarmeværker i praksis neddrosler forbruget af gas, olie og kul når der produceres vindenergi. Kraftvarmeværkerne går når tilstrækkelig vindenergi er til rådighed, over til at producere varme ved varmepumper. Dette sker stort set ikke i dag hvorved den vindproducerede el anvendes meget inefficient. Der er i den forbindelse behov for ændre på afgifts- og afregningsstrukturen således at det i f.eks. Lejre Kommune vil være økonomisk fordelagtigt for Hvalsø Kraftvarmeværk at gå over til varmepumper som vinden blæser. 3. Et tredje udviklingsprojekt består i undersøgelser af mulighederne for og økonomien i at etablere så omfattende damme til lagring af varme som der er brug for til lagring af vindenergi i form af varme. 2 Varmetabet til jorden fra det kølige fremføringsvand genindvindes delvis ved at det kolde tilbageførselsesvand varmes op af den opvarmede jord. 5