Bachelorprojekt ved Gråsten Fjernvarme ORC Anlæg (Organic Rankine Cycle)

Bachelorprojekt ved Gråsten Fjernvarme ORC Anlæg (Organic Rankine Cycle) 2012 Dan Christof Appel

Titelomslag Titel: Fag: Udarbejdet af: Studie nr.: Klasse: Bachelorprojekt ved Gråsten Fjernvarme Varme genvinding, optimering Dan Christof Appel A09579 A6 Dato: 18-12-2012 Vejleder: Praktik sted: Tom Andersen Gråsten Fjernvarme Kontakt person: Perter Mikael Kjer Stærdahl direktør ved Gråsten Fjernvarme Tlf. 51 28 29 12 Projekt type: Bachelor projekt Tegn: 73159 Normalsider: 30,5 Sider. X Dan Appel 2

Forord Uddannelsen som maskinmester på Aarhus maskinmesterskole skal afsluttes med et bachelorprojekt, samt minimum 10 ugers praktik. Det lykkedes mig at komme i 10 ugers praktik ved Gråsten Fjernvarme. I den periode gik jeg under betegnelsen driftsassistent og arbejdede sammen med de andre driftsassistenter. Efter endt praktik skal der skrives en rapport som skal danne grundlag for den mundtlige eksamination den. 4. januar 2013. Praktikperioden har dannet baggrund for denne rapport. Gråsten Fjernvarme har ytret ønske om, at få optimerings forslag til det nye varmeværk på Sønderborglandevej. Dette endte med at blive emnet for dette bachelorprojekt, Under drøftelser med direktøren, blev der blandt andet diskuteret mulighederne for implementering af et ORC anlæg (Organic Rankine Cycle). Da denne type anlæg kun findes et sted i Danmark og endnu ikke er i drift sat, gør dette emnet udfordrende og innovativt at arbejde med. Derfor ville jeg se nærmere på hvorledes dette kunne lade sig gøre. Det første der faldt mig ind var, at implementerer et ORC- anlæg i forbindelse med halmkedlen, for på den måde, både at kunne producerer grøn strøm og varme. Det næste var, at de en enkelt gang havde en overproduktion af solvarme. Denne solvarme, var de nødsaget til at køle ned om natten. Dette foregik via nat køling. Hvilket var en skam da det er spild af resurser. Det kunne derfor være interessant, at se på muligheden for at anvende et ORC anlæg. Projektet henvender sig primært til læsere med teknisk viden og interesse inden for fjernvarmeoptimering. Rapporten er skrevet til læsere med faglighed på 6. semesters niveau på maskinmesteruddannelsen. Under udarbejdelsen af rapporten har der været flere indover, som har været yderst behjælpelige med tilvejebringelse af data. Disse data og viden, der har gjort det muligt at skrive denne rapport. I den forbindelse skal der lyde en stor tak til følgende: De ansatte på Gråsten Fjernvarme. De ansatte på Marstal Fjernvarme. Jesper fra A.C. Lemvigh- müller. Henrik Jørgensen fra Sondex A/S Carsten Chlemensen, underviser i køleteknik på AAMS 3

Resume Denne rapport er en del af det afsluttende semester på Aarhus Maskinmesterskole. Rapporten er udfærdiget i sammenhæng med et praktikophold på Gråsten Fjernvarme. Her var der ytret ønske om muligheder for at optimere på det nye varmeværk på Sønderborglandevej. Rapporten beskriver og analyserer den daglige drift på Gråsten Fjernvarme. Anlægsbeskrivelse af det nuværende anlæg, som består af gaskedler, og gasmotorer og det nye anlæg som er under opbygning inddrages ligeledes i rapporten. Det nye anlæg består af en halmkedler og et solvarmeanlæg, der er tilsluttet en absorptionsvarmepumpe. Der blev fundet mulighed for optimering af det nye varmeværk via implementering af et ORC anlæg. Rapporten omhandler derfor også en beskrivelse af hvordan et ORC anlæg virker og hvor det kan bruges. Muligheden for at benytte ORC anlægget i forbindelse med halmkedlen og måden dette kunne gøres på, er analyseret og beskrevet. Hvortil der kunne konkluderes at dette var muligt. Ved anvendelse af en varmeveksler og benyttelse af osmosevand. Ud fra beregninger blev det påvist at en tilbagebetalingstid på ca. 5 år var realistisk. Derudover bliver der set på muligheden, for at benytte et ORC anlæg i forbindelse med overproduktion af solvarme. I stedet for at natkøle varme væk, kunne dette bruges det i ORC processen til at lave strøm. Her var det dog et problem med koldvand tilførslen til ORC anlægget. Her blev set på mulighederne for anvendelse af en varmepumpe eller et køletårn. Det kunne dog konkluderes at ingen af mulighederne var brugbare. Abstract This report is part of the final semester at Aarhus school of Marine and Technical Engineering. The report is made in connection with an internship at Gråsten Fjernvarme. From the district heating side they wished to optimize the new heating plant at Sønderborglandevej. The report describes and analyzes the daily operation at Gråsten Fjernvarme. The report deals with a description of the current system which consists of gas boilers and gas engines. Furthermore the new facility which is under construction will be involved in the report. The new facility consists of a straw boiler and a solar heating system connected to an absorption pump. The results found it possible to optimize the new plant by implementing an ORC-system. In addition the report includes a description of how an ORC-system works and how it can be used. The possibility of using an ORC-system for straw boilers is analyzed and described. The report shows that this was possible by using a heat exchanger and osmosis water. Based on calculations realistic payback was about 5 years. The opportunity of using an ORC-system in connection with overproduction of solar power has been discussed. Instead of cooling the heat away during night the use of an ORC-process could be used to generate power. The results show that the cooling water quantity wasn t sufficient to the ORC-system. At last the use of a heat pump or a cooling tower wasn t either an opportunity. 4

Indholdsfortegnelse Forord... 3 Resume... 4 Abstract... 4 Indledning... 7 Problem analyse... 7 Problemformulering... 7 Projektafgrænsning... 7 Metode... 8 Historie... 9 Satser på ren grøn profil.... 9 Procesanalyse... 10 Overordnet produktion... 10 Varmesystemets opbygning... 11 Gasmotorerne... 11 Gaskedel... 12 Solvarme anlægget... 13 Nat køling... 15 Halm anlægget... 16 Vand typer... 18 Osmose vand... 18 Naturlig osmose... 18 Omvendt osmose... 18 Blødgjort vand... 19 ORC - anlæg... 20 Virkemåde af ORC- anlæg... 20 Anvendelse af ORC- anlæg... 22 Ny proces med ORC- anlæg og halm kedel.... 24 Halmkedel... 24 Valg af varme veksler.... 25 Beregning af masse flow... 27 Styring / Regulering... 29 Ny drift time antal... 32 5

Kalks indflydelse... 33 Projektering... 36 Hyppighed af overproduktion af sol varme på solfanger anlæg... 37 Solvarme ny proces med varmepumpe... 37 De to kredse... 39 Beregninger.... 40 Projektering... 42 Solvarme ny proces med køletårn... 43 Beregninger... 44 Projektering... 45 Økonomi.... 46 Konklusion... 48 Figurliste... 49 Figur referencer... 50 Kilder... 51 Internet... 51 Bøger... 51 Kontakter... 51 6

Indledning I dette afsnit er der beskrevet problemanalyse, problemformulering og projektafgrænsning. Problem analyse Gråsten Fjernvarme er et varmeværk der levere varme til ca. 1350 husstande. Dette tal vil de næste par år stige, da Gråsten Fjernvarme er i gang med store udvidelser. Produktionen af varme forgår per den 04-07-2012 hovedsalig af de ny etableret 19000m 2 solfanger anlæg, samt en 1,700 KW absorptionsvarmepumpe, der bliver drevet af en 1 MW pillekedel. Pr. den 01-02-2013 vil varme produktionen, når solfangeranlægget ikke kan producere nok, bestå af en 12 MW halmkedel. Derudover har Gråsten Fjernvarme 2 stk. 16 cylindre Rolls Royce gasmotorer, der har en samlet varmeeffekt på 7,2 MW og en samlet el effekt på 5,4 MW samt 3 gaskedler med kombinationsbrænder. Gasmotorerne og gaskedlerne vil dog kun blive brugt i alleryderste nødstilfælde. Til opbevaring af varmen har Gråsten Fjernvarme to akkumulerings tank stående, en på 300 MW og en på 90 MW. Under praktikopholdet er følgende optimerings muligheder fundet: - Om sommeren når der produceres for meget varme via solfangerne, er man nød til at natkøle. Dette foregår ved at lade processen løbe baglæns. - Dertil kommer muligheden for at give den nye 12 MW halmkedel flere drift timer. Der er fra virksomhedens side givet ønske om et løsnings forslag til bedre udnyttelse af det nye varmeværk. Problemformulering Hvorledes kan udnyttelsen af det nye varmeværk optimeres? Projektafgrænsning For at projektet ikke blev alt for omfattende er det blevet lave nogle afgrænsninger. Dette er gjort i forhold til den tid der var til rådighed samt for at sikre at fokus bliver på optimeringsmulighederne. Rapporten vil tage udgangspunkt i hvordan anlægget køre nu samt de spekulationer jeg selv har dannet mig angående den fremtidige drift. Rapporten vil ikke komme ind på såvel stats støtte som EU støtte til et sådan projekt. Med hensyn til de fysiske dimensioner, hvad enden det er rørføringen eller diverse pumper og ventiler vil dette heller ikke blive beskrevet. Regulering og styring af ORC anlægget vil ikke blive beskrevet, da det antages at det bliver leveret af Turboden. Det samme gælde måden de forskellige SRO systemer skal arbejde sammen på. Styringen og reguleringen af varmt og kold vands tilførslen til ORC anlægget vil kun i meget begrænset omfang blive beskrevet. Der vil ikke være noget om CO 2 besparelser eller anden form for miljø faktorer, trods det er et spændende emne, så ville det kunne udgør en hel rapport hvis interessen lå der. 7

ORC afsnittet tager udgangspunkt i de ORC- anlæg som firmaet Turboden fremstiller. I ORC - anlægget vil kun de overordnet processer blive belyst. Den organiske olie vil ikke videre blive beskrevet ej heller de kemiske forhold i ORC processen. Vedligehold af ORC anlægget vil ikke blive belyst. I beregningerne vil der ikke blive taget højde for vedligeholdelsesomkostninger på de forskellige komponenter til optimeringsforslag. Metode For at kunne skrive denne rapport bedst muligt vil der blive taget udgangspunkt i den drift der på nuværende tidspunkt. forefindes ved Gråsten Fjernvarme. Dette vil jeg gøre i gennem min praktik, hvor jeg har mulighed for at se hele processen og få forklaret af driftsassistenterne hvorledes det virker. Dertil kommer at jeg vil nærstudere diverse Pi diagrammer samt se på data-kurver for de forskellige dage/perioder for, at opnå bedre forståelse af anlægget. Jeg vil opnå viden gennem samtaler og diskussioner med driftspersonalet og bruge deres viden og erfaring som støtte. Da ORC anlæg ikke er en del af pensum på Aarhus maskinmesterskole, vil jeg søge viden omkring dette på nettet og i lære bøger. jeg vil blandt andet benytte Turbodens hjemmeside, der har leveret et ORC anlæg til Marstal Fjernvarme. Dertil kommer et antal besøg til Marstal Fjernvarme. Jeg vil drage nytte af de erfaringer de har gjort sig og måden opstillingen af deres ORC anlæg er. I forbindelse med overproduktion af solvarme, vil jeg tage kontakt til andre solvarmeværker for at høre om de har samme problem og hvad de eventuelt gør ved dette. Derudover benyttes de fagkundskaberne, der er tilegnet gennem den daglige undervisning, faglærere samt lærebøger. Til hjælp med at finde komponenter, vil jeg benytte mig af virksomheder der før har leveret til Gråsten Fjernvarme og virksomheder der har viden inden for de kategorier der nu måtte komme. Ligeledes vil rapportens første udkast forsøgt færdiggjort tre uger inden afleveringsdato med henblik på at direktør ved Gråsten Fjernvarme Peter Mikale Kjer Stærdahl kan læse rapporten igennem og komme med eventuelle indsigelser og rettelser. Empiri i forhold til de oplysninger jeg bruger er beskrevet her under. Oplysningerne angående ORC anlæg samt varmeveksler anses for at være oprigtige, da de stammer direkte fra producenten og det anses som den bedste kilde der forefindes. De temperaturer det bliver brugt i rapporten anses ligeledes for at være oprigtige, da de kommer direkte fra producenter eller fra driftspersonalet, der har over 30 år erfaring med anlægget. Formålet med denne rapport er at belyser de største aspekter i muligheder for optimering af det nye varmeværk på sønderborglandevej. Hvor der derefter, hvis ideen findes interessant, kan arbejdes vider på ideen. 8

Historie Gråsten Fjernvarme blev bygget i 1956 og hed dengang Gråsten vand og varme forsyning. Navnet kom sig af at de både stod for fjernvarmen men også for vandforsyningen til byen. Fjernvarme blev produceret via oliekedler. Værket var oliefyret indtil den. 17. februar 1984, hvor værket officielt overgik til naturgas. I 1994 fik Gråsten Fjernvarme en kraftvarme del, bestående af 2 Rolls Royce motorer. Den 31. december 2006, overdrog Gråsten kommune virksomheden; Gråsten kommunale varmeforsyning til Gråsten Fjernvarme A.m.b.a. Vandforsyningsdelen blev lagt over på Sønderborg vandforsyning. Satser på ren grøn profil. De senere år har Gråsten Fjernvarme haft et ønske om at kunne levere fjernvarme til byen, der både var miljøvenlig og CO 2 neutral. Dette ønske er nu ved at blive til virkelighed, da de er i gang med en komplet omlægning af varmeproduktionen. Hvor de før kun brugte Naturgas til at producerer varme med, vil de nu bruge vedvarende resurser, såsom sol, træ piller og halm. I den forbindelse er de ved at udvide fjernvarme nettet til resten af Gråsten og har planer om, at komme ud til de nærliggende byer. Dette er et større projekter. Det forventes at solfanger anlægget kommer til at koste 42 millioner Dkr. dertil kommer en udvidelse af fjernvarmenettet på godt 50 millioner Dkr. samt en biomassekedel til 22 millioner Dkr. Ved Gråsten Fjernvarme har man også tilbudt fjernvarme-kunderne, at de kunne hente gratis isolerings materiale ved BYGMA, Så ledes at kunderne kunne få isoleret deres varmerør. På den måde kunne de reducere deres varme forbrug. I nybyggede huse er rørene dog godt isoleret i henhold til kravene fra byggereglementet. Det er dog helt anderledes i ældre huse, hvor gammel isolering kan være meget mangel fuld. Gråsten Fjernvarme har også indført et incitament tarif. Det vil sige at de husstande ikke har nok afkøling af deres varme, vil få en merpris på varmen. Det er ikke set som en straf til dem der har en dårlig afkøling, men som en motivation til, at hver enkelte forbruger sikre sig at de har den mest økonomiske varme. Endvidere ønskes en øget opmærksomme på at varme ikke bare er noget der kommer ud af radiatorerne, men det er noget man gerne skal vide lidt om og tage stilling til. 9

Procesanalyse I dette afsnit vil der blive forklaret generelt om varmeproduktionen ved Gråsten Fjernvarme. Overordnet produktion Gråsten Fjernvarme A.m.b.A er et andelsselskab, der på nuværende tidspunkt levere varme til ca. 1350 husstande. Dette tal forventes at stige i nær fremtid, da de er ved at lægge nye rør ned i Gråsten og samtidig har planer om at udvide til de nærliggende byer Rinkenæs, Egernsund og Adsbøl. Gråsten Fjernvarme er opdelt i to dele, den nuværende produktion og det nye de er ved at bygge. Det nuværende der består af gasmotorer og gaskedler ligger på Bocks Bjerg 5A inde midt i byen og det nye kommer til at ligge ude for byen på sønderborglandevej. Gråsten Fjernvarme er i gang med et stort nyt byggeri, der omfatter et 19 000 m 2 solfangeranlæg med en 1,700 KW absorptionsvarmepumpe, der bliver drevet af en 1 MW pillekedel. Derudover bygges der en 12 MW halmkedel og en akkumuleringstank på 300 MWh, med volumen på 7000 m 3. Alt dette skal stå i nye kedel bygninger samt administrations bygninger. Rundt 18 000 m 2 af solfanger anlægget står klart og har været i drift siden den 04-07-2012. Dette gælder også for absorptionsvarmepumpen og pillekedlen. Kedelog administrations bygningerne forventes indflytnings klar den 01/12/2012 og halmkedlen forventes i drift sat den 01/02/2013. Det er meningen at alt dette skal overtage den daglige produktion af fjernvarme til byen. Sidste års produktion af fjernvarme lå på 30. 990 MWh-varme. 1 Byen har et gennemsnits forbrug på 50 MWh pr. døgn om sommeren og 130 MWh pr. døgn om vinteren. (Se Bilag 1) Det nye anlæg skal overtage varmeproduktionen fra det nuværende anlæg, der består af 2 stk. Rolls Royce gasmotorer og 3 gaskedler. Gasmotorerne har en samlet varmeeffekt på 7,2 MW og en el produktion på 5,4 MW. Gasmotorerne er tilmeld det frie el marked og har en spot pris på 235 Dkr pr. MWh. De 3 gaskedler er med kombinationsbrænder, det vil sige de både kan brænde med olie og med gas. Der bliver dog kun brugt gas. Gaskedlerne har en samlet varmeffekt på 14,5 MW. Dertil er der en Akkumuleringstank på 90 MW. Det nuværende anlæg skal fungere som backup til det nye. 1 Perter Mikael Kjer Stærdahl direktør ved Gråsten fjernvarme Tlf. 51 28 29 12 10

Varmesystemets opbygning Her vil der blive beskrevet hvorledes de enkelte systemer fungerer med henblik på at opnå et ordentligt indblik i hele anlægget. Gasmotorerne Gasmotorerne er to 16 cylindrene Rolls Roys gasmotorer med en samlet varmeeffekt på 7,2 MW og en samlet el effekt på 5,4 MW. Gasmotorernes primer opgave er at producere strøm. Dette gøres ved at hver gasmotor driver en generator som så laver strøm. Motorerne køre kun når det er rentabelt for Gråsten Fjernvarme, det vil sige når de kan sælge strømmen til en højere pris end de kan producere den til. Udover at producere strøm laver de også varme, den varme kan Gråsten Fjernvarme bruge i deres daglige fjernvarme produktion. Det at gasmotorerne kun kører når det er rentabelt betyder at man ikke kan sige hvornår og hvor længe de kører. Det gør dem til en ustabil varme forsyning og er svær at sætte i et produktions system. Selve gasmotorer anlægget består af de to gas motorer, røggasveksler, netveksler og en akkumulerings tank. Se figur 1. Figur 1 SRO Billede Procesvandet der løber i gasmotor anlægget og i akkumulerings tanken er et lukket system. Procesvandet består af det man kaldet for Osmosesvand. Begrebet Osmosevand vil blive uddybet senere i rapporten. Net veksleren skiller procesvandet, i gasmotorerne og fjernvarmevandet i by nettet, fra hinanden. By nettet er det net af rør strenge der løber i gennem hele Gråsten, som forsyner de enkelte husstande med varme. I by nettet løber der blødgjort vand, mere om dette senere i rapporten. 11

I dette afsnit henvises der til Figur 2. Selve opvarmningen af procesvandet foregår ved at koldt returvand fra net veksleren (1), typisk med en temperatur på 40 C. Ledes gennem først ladelufts køleren (2) for derefter at løbe gennem smøroliekøleren (3). Herfra ledes det gennem lav temperatur røggasveksleren (4) over i cylinderkøleren (5) for til sidst at løbe gennem høj temperatur røggasveksleren (6). Procesvandet har nu nået en temperatur på 75 C. Figur 2 SRO Billede Procesvandet kan nu med en temperatur på 75 C, enten sendes ud gennem netveksleren, hvor det overføre sin varme til fjernvarmevandet i by nettet eller gemmes i akkumuleringstanken. Gaskedel Gråsten Fjernvarme har fire gaskedler, det er dog kun de tre der er drifts klar. Den sidste er i stykker og det er fra direktørens side ikke ønskeligt at reparere den, da det rent økonomisk ikke vil være rentabelt, med henblik på de få drift timer den måtte få i fremtiden. Gaskedlerne har en samlet effekt på 14,5 MW, fordelt på 5,5-5,5 og 3,5 MW. Gaskedlerne er den primære varmekilde for Gråsten Fjernvarme indtil den nye halmkedel samt solfanger anlægget står helt klar. Virkemåden for gaskedlen er simpel. Der indføres gas som så brændes af. Fjernvarmevandet fra by nettet ledes ind i kedlen, med en temperatur på 40 C, her bliver vandet opvarmet til 80 C. Når fjervarmevandet har nået sin temperatur kan det sendes ud til forbrugerne igen eller via net veksleren gemmes i akkumuleringstanken. Figur 3 SRO Billede 12

Solvarme anlægget Solvarme anlægget er på 18 000 m 2 med en max effekt på 12 MWh. Solfanger anlægget fungerer ved at der løber glycol fra en fødepumpe ud gennem alle solfangerne. Denne pumpe bliver styret af nogle fotoceller der sidder oppe på den 28 m høje akkumuleringstank. Disse solceller måler sol indstrålingen og ud fra dette tal styres hvor meget glycol der skal løbe gennem solfangerne. I solfangerne bliver glycolen opvarmet til 85 C. Herefter løber glycolen i gennem en varmeveksler(her efter kaldt solvarmeveksler) hvor den overføre varmen til fjernvarmevandet. Varmeveksleren her er en modstrøms veksler. Figur 4 Varmeveksler Fjernvarmevandet har en indløbs temperatur på 40 C og en udløbs temperatur på 75 C. Det opvarmede fjernvarmevand kan nu enten distribueres direkte til forbrugerne eller opbevares i akkumuleringstanken. Efter varmeveksleren er glycolen nu afkølet og returneres til fødepumpen hvorfra det hele starter om igen. Figur 5 SRO Billede Som det ses på overstående figur 5, har akkumuleringstanken fire dyser. Det er i de tilfælde hvor fjernvarmevandet ikke kan varmes helt op til de 75 C, så kan vandet lukkes ind i den dysse hvor temperaturen passer bedst. På den måde får man ikke blandet varmt og koldt vand. Det er sådan at det varme vand altid ligger øverst i tanken. Det gør det på grund af, at det varme vand har en laverer massefylde end det kolde vand. På den måde kan der i akkumuleringstanken være 85 C i toppen og kun 50 C i bunden. Det er derfor at aftapningen fra akkumuleringstanken foregår fra toppen for altid, at få det varmeste vand muligt. 13

Grunden til at der er en absorptionsvarmepumpe og en pillekedel indbygget i solfanger anlægget, er for at give solfanger anlægget et større arbejdes område. Hvis der ikke havde været en absorptionsvarmepumpe og en pillekedel. Ville man kun kunne benytte solfanger anlægget så længe glycolen i solfangerne kunne opvarmes til over 40 C. Dette skyldes at glykolen skal aflevere sin varme i den før omtalte solvarmeveksler. På den anden side af veksleren er der fjernvarmevand direkte fra returen på by nettet, som har en temperatur på 40 C. Det vil sige at temperaturen på fjernvarmevandet er bestemmende for hvor lav en temperatur på glycolen der kan bruges. Figur 6 SRO Billede Det er her absorptionsvarmepumpen kommer ind i billedet. Absorptionsvarmepumpen skal som bekendt bruge to varme tilgange. En høj, som den får fra pillekedlen, og en lav, som den får fra akkumuleringstanken. I og med at vandet tages fra akkumuleringstanken skabes der et køle lager i bunden at akkumuleringstanken. Temperaturen på vandet i kølelageret vil komme helt ned på 12 C. Når det så i den før om talte solvarmeveksler, i stedet for 40 C vand fra by nette, bliver brugt vand fra køle lageret på 12 C, så kan solfangerne benyttes hvor glykolen kun kan opvarmes til 15 C. Derved er arbejdsområdet for solfanger anlægget blevet markant større. 14

Nat køling Om sommeren når det rigtig er varmt og solen skinner fra en sky fri himmel i flere uger i træk, kan man producere mere energi end by nettet har brug for og akkumuleringstanken kan rumme. Derfor er man, som anlægget køre nu, nød til at natkøle. Det vil sige at man vender processen om. Figur 7 varmeveksler Man tager det varme fjernvarmevand fra akkumuleringstanken, køler det gennem varmeveksleren og tilbage i tanken. I varmeveksleren bliver glycolen nu opvarmet, glycolen afkøles ved at løbe gennem solfangerne. Den mænge der skal afkøles skal svare til næste dags produktion gerne med en sikkerheds margen der hedder + 5 %. Dette er forekommet en gang ved Gråsten Fjernvarme. 15

Halm anlægget Halmkedel anlægget er ikke bygget færdigt men forventes at være drifts klar til den 01/02/2013. Anlægget kommer til at bestå af en 12 MW halmkedel, der skal producere varme når der ikke kan leveres tilstrækkelig varme fra solanlægget. Halmen vil blive transporteret via kraner fra halm lageret gennem en halm snitter hvor halmen snittes, for derefter at blive pustet ind i kedlen hvor det bliver brændt. I kedlen opvarmes så fjernvarmevandet til den ønskede temperatur. Vandet vil komme direkte fra by nettet med en temperatur på 35-40 C og opnå en temperatur på 80-90 C. Vandet kan så distribueres direkte til forbrugerne eller gemmes i akkumuleringstanken. Figur 8 Halm forbrændings anlæg flow Der vil ikke komme situationer hvor halmkedlen kun køre del last. Dette er besluttet af direktøren og har også den fordel, at halmkedlen har en bedre virkningsgrad når den køre fuld last. Som det er opstillet nu vil halmkedlen skulle står for 70 % af den årlige varme produktion, der sidste år lå på 30 990 MW. Da Gråsten Fjernvarme hele tiden udvider, har man estimeret med et årligt produktionstal på 35 000 MW 2 for de næste par år. Halmkedlen kommer til at køre ca. 2100 timer årligt. Dette tal er beregnet ud fra nedenstående beregninger. Oprundes til 25 000 MW. Da halmkedlen kun vil køre fuld drift vil den kunne levere 12 MWh. 2 Perter Mikael Kjer Stærdahl direktør ved Gråsten fjernvarme Tlf. 51 28 29 12 16

Oprundes til 2 100 drift timer. Så længe forbruget i byen ligger på 12 MWh eller derover, vil al varmen fra halmkedlen går til by nettet. Kommer forbruget dog under vil halmkedlen begynde at fylde akkumuleringstanken. Tanken skal dog ikke fyldes helt, da der stadig skal være plads til den varme der eventuelt kan produceres via solvarmen. Når akkumuleringstanken er fyldt vil halmkedlen stoppe produktionen af varme og lukke ned. By nette skal nu forsynes fra akkumuleringstanken. Når tanken er ved at være tom vil halmkedlen igen starte op. 17

Vand typer Som ført nævnt bruges der to forskellige typer vand. Osmose vand ved gasmotorerne og blødgjort vand i by nettet. I dette afsnit er de to begreber nærmere beskrevet samt fremstillings metoden. Osmose vand I dette afsnit vil der blive forklaret hvad osmose vand er og hvordan det blive fremstillet. Osmose vand er vand der er afsaltet og renset for forureninger. Måden det er fremstillet på er ved hjælp af omvendt osmose. For at kunne forstå omvendt osmose, må man først vide hvad naturlig osmose er. Naturlig osmose Osmose er en naturlig proces der går ud på, at hvis man har to beholder med vand, der har forskellig slat indhold, som kun bliver adskilt af en semipermeabel membran (halv gennemtrængelig). Vil vandet i den beholder med lav salt indhold, nu forsøge at trænge gennem semipermeabel membranen over til den beholder med højt salt indhold. Dette vil det fortsætte med indtil salt indholdet er det samme i begge beholder.denne semipermeabel membran er konstrueret således at kun ren vand molekyler kan trænge gennemm den. Niveau forskellen mellem de to beholder kaldes for det osmotiske tryk. Figur 9 Naturlig osmose princip Omvendt osmose Ved omvendt osmose tvinger man vandet med det høje salt indhold gennem denne semipermeable membran. Denne membran filtrerer både ioner og andre opløste stoffer fra. Den kan dog ikke filtrere alle ioner ca. 0,5 % vil passerer 3. Dette tal afhænger dog af hvilket filter der bruges samt molekyle størrelse.princippet er, at det saltholdige vand bliver ledt indover semipermeabelmembranen. På grund af de mikroskopiske porer i membranen er der kun der rene vand molekyle(h 2 O) der kan passerer. Dette skyldes at vandmolekylet er et af de mindste molekyler i flydende form. Det der filtres fra kunne være stoffer såsom tungmetaller, kemikalier og andre bakterier. For at undgå at membranen bliver tilstoppet af større partikler vil det være en god ide at frafilter disse først. Dette problem kommer man udenom, hvis man benytter blødgjort vand. Mere om dette senere i rapporten. Figur 10 Omvendt osmose princip 3 http://www.hoh.dk/02_processer/omvendt_osmose.shtml 18

Blødgjort vand Blødgjort vand er råvand, hvor grundstoffer som Calcium- og Magnesium ioner (Ca+, MG+), er blevet erstattet med Natrium ioner (Na+). Dette er sket i en såkaldt ion bytter. Ion bytteren er en kationbytter som kemisk binder både Calcium og Magnesium der byttes ud med Natrium. I industrien bliver der brugt polystyren kugler som ion bytte stof. Ren praktisk foregår processen i en beholder der er fyldet med polystyren kugler. Rå vand løber gennem disse kugler hvor selve ionbytningen foregår. Derfra bliver vandet presset op gennem et rør i midten. Vandet er nu blødgjort og kan bruges som fjernvarmevand. Efter noget tid bliver ionbytte massen mættet, det vil siger det ikke længere bytter ionerne så godt. Derfor skal det regenereres engang imellem. Selve regenereringen foregår ved at man skyller ionbytte massen med salt (natriumklorid). 4 Dette kan gøres når det findes ideelt, for eksempel når vandforbruget er mindst. Ved Gråsten Fjernvarme har man et anlæg med to beholder, det vil sige man kan regenererer den ene medens den anden stadig kan levere blødgjort vand. Fordelen ved at man benytter blødgjort vand i fjernvarmenet er, at man slipper for kalk aflejringer. Kalk aflejringer kan i værste tilfælde helt lukke et rør. Samtidig slider det Figur 11 Blødgørings anæg princip mere på diverse komponenter såsom ventiler og pumper. Derudover slipper man også for at kalken ville sætte sig i de forskellige veksler, da det vil give en ringer varme overførsel. Mere om det senere i rapporten. 4 http://www.hoh.dk/02_processer/softening.shtml 19

ORC - anlæg I dette afsnit vil der blive forklaret virkemåden samt anvendelses muligheder for et ORC anlæg. Virkemåde af ORC- anlæg Undervejs i projektet er det lykkedes at komme på virksomhedsbesøg ved Marstal Fjernvarme, der har Danmarks eneste ORC- anlæg. Dette er et anlæg på 750 kw tilsluttet en 4 MW fliskedel. Anlægget er dog ikke i drifts sat i nu. Driftsleder/maskinmester Leo Holm, der står for den daglige drift, var villig til at fortælle om hvordan driften af deres ORC- anlæg ville komme til at se ud. Det sammen med de oplysninger der kan findes på Turboden s hjemme side udgør baggrund til det næste afsnit. ORC (Organic Rankine Cycle) Princippet i ORC teknologien er grundlæggende det samme som i en almindelig dampturbine. Men har den væsentlige forskel, at der her ikke bliver brugt vand damp men til gengæld en organisk olie. Olien var tidligere forskellige freon tyber, mens der i dag bliver brugt Toulen, Siloxan m.m. Denne olie har de fordele, at den har en høj molekyle vægt og en lavere fordampnings temperatur. Disse egenskaber giver nogle fordele, lavere rotations hastighed på turbinen, laver tryk og forringet korrosions risiko på metal dele og rotor blade 5 dertil kommer, at med det lave tryk og de lave arbejdstemperaturer kan arbejdskomponenterne laves af gængse materialer. ORC- anlægget er meget fleksibelt, det kan bruge spildvarme fra alt, lige fra olie- gas motorer, bio kedler til overskud af solvarme. Selve ORC- anlægget er sammen bygget med alle de væsentlige komponenter der høre til, det vil sige man for en ``kasse`` hvor alt er i og er lige til at installere i det system man nu måtte have. Det eneste man skal tilføje er en varme- og køle kreds. Her vil Processen i ORC anlægget blive forklaret. Den organiske olie bliver tilført det lukkede kredsløb gennem føde pumpen (1). Væsken løber først gennem regeneratoren(2) hvor det bliver opvarmet en smule, for derefter at løbe gennem Pre- heater og fordamperen(3). Her opvarmes den organiske olie til den når fordampnings punktet og fordamper helt. Dampen løber nu gennem en turbine(4) der producere elektricitet via en generator. Herfra løber dampen gennem regeneratoren(5) hvor dampen af køles lidt, løber så over i kondensatoren(6) hvor dampen kondenseres for til sidt at løbe tilbage til pumpen. Figur 12 ORC - anlæg princip skitse 5 Turboden.eu 20

Varmekilden til at fordampe den organiske olie kan komme fra forskellige resurser, så som biomasse eller geotermisk. Ligeledes kan køle kredsen der skal afkøle dampen også komme fra forskellig kilder, for eksempel fjernvarmevand. ORC- anlægget har et arbejdes område fra 90 C 200 C. 6 Kredsprocessen minder meget om den man kender fra et almindeligt dampkraftanlæg. Se figur13. Turbine, proces 1-2: Dampen ekspanderer gennem turbinen. Regenerative heat exchanger, proces 2-3: Dampen afkøles. Kondenser, proces 3-4: Dampen kondenseres. Pumpe, proces 4-5: Der sker en tryg stigning over pumpen Regenerative heat exchanger, proces 5-6: Den organiske væske varmes op. Fordamper, proces 6-1: Den organiske væske opvarmes, fordampes og overhedes. Figur 13 Princip skitse Overstående illustration er kun at se som en overordnet figur. 6 Turboden.eu 21

Anvendelse af ORC- anlæg Ideen med at anvende ORC- anlæg er, at producer strøm fra lave eller middel store varme resurser. ORCanlægget kan dog ikke forvandle 100 % af resursen til strøm. De ORC- anlæg som Turboden fremstiller til kraftvarmeværker, har dog en høj energi effektivitet på op til 98 %. ORC- anlægget kan af resursen lave 20 % om til strøm, 78 % til varmt vand og de resterende 2 % er spild, i form af termisk varme 7. Figur 14 Turbodens ORC - anlæg Overstående illustration viser et generelt billede af et anlæg som Turboden fremstiller. En fordel ved disse anlæg er at selv om der er små temperaturer svingninger kan Turbodens ORC- anlæg køre, helt ned til 10 % af normaldriften. Figur 15 Ydelses kurve På overstående kurve kan man se at der kan holdes en energi effektivitet på 90 %, helt ned til en drift der kun er 50 % af den normale. 7 http://www.turboden.eu/en/rankine/rankine-theory.php 22

Figur 16 Fyrings muligheder overblik På overstående billede ses der en principiel opbygning af mulighederne med et ORC anlæg. Man kan således bruge varmen fra en biomasse fyret kedel til at producere både strøm og varmt vand til fjernvarme. På den måde er det muligt at producere miljøvenlig og CO 2 neutral strøm og varme. Et ORC- anlæg er automatisk overvåget og kræver derved ikke konstant overvågning af en operatør. Det typiske time antal for personalet, vil være på tre til fem timer ugentligt. 8 Den tid er primet til for at kontrollere og valider de operationelle parametre. ORC- anlægget kan også fjernbetjenes via det SORsystem som forefindes på de respektive virksomheder. I forhold til forskning og udvikling er der stadig brug for det, bland andet på den organiske olie, så olien kan tilpasses endnu bedre til de forskellige processer og anlægstyper. Det forventes også at ORC anlæg ændre på el - og varme forholdet på kraftvarme værker. Idet at der måske kunne bruges røggasvarme fra en gasmotor i ORC - anlægget og på den måde producere mere el og minder varme. 8 Turboden.eu 23

Ny proces med ORC- anlæg og halm kedel. Det har vist sig at være meget svært at få oplysninger fra virksomheden Turboden. Faktisk er det slet ikke lykkedes at komme i kontakt med dem, trods utallige mails sendt til dem. Derfor er den nye proces opstillet ud fra de observationer der blevet gjort ved Marstal Fjernvarme og deres måde at gør tingene på samt forfatterens egne idéer og tanker. Halmkedel Når solvarmeanlægget ikke længere kan forsyne byen med varme, er det halmkedlen der skal tager over. Dette vil hovedsalig forekomme i vinter halvåret, hvor solvarme produktionen er ringe. Som det er opstillet nu vil halmkedlen køre ca. 2100 timer årligt. Halmkedlen skal stå for at opvarme fordamperen i ORC- anlægget således at den organiske olie kan fordampes. Halmkedlen er designet til at kunne producere såkaldt hedtvand. Hedtvand er varmt vand der holdes under tryk. Grunden til at det holdes under tryk er at man ikke vil have at det begynder at koge. Punktet hvor vand begynder at koge ved atmosfærisktryk (1 bar) er 100 C. Da denne halmkedel kan producere hedtvand på 160 C,(Se Bilag 2) er det nødvendigt at holde hele systemet under tryk på 6,5 bar 9. Vandet vil blive ledt gennem ORC - anlæggets fordamper (primær siden), derved fordampes den organiske olie. Vandet kommer ud fra fordamperen med en temperatur på 85 C. Grunden til denne temperatur er på 85 C er, at returvandet til halmkedlen ikke må kommen under 85 C.(Se Bilag 2) Vandet vil så recirkulere tilbage til halmkedlen hvor det vil blive varmet op igen. Denne procesforløb vil gentages så længe halmkedlen er i drift. Figur 17 Princip skitse over implementering Til at kondensere den organiske damp, skal der bruges en køle kreds af kold vand. Det vand kan tages direkte fra returen på by nettet. Her kommer vandet med en temperatur på Ca. 40 C. 9 Termodynamik, 2. udgave, 1. oplag 2007. Nyt Teknisk Forlag, ISBN-10 : 87-571-2613-5 S. 244 tabel 10,5 24

Vandet løber gennem kondensatoren (sekunder siden) hvor dampen kondenseres. Ved udgang af kondensatoren vil vandet have en temperatur på 90 C. I tilfælde af at man kommer ud for ikke at ville eller kunne køre med ORC - anlægget tilsluttet til halmkedlen, vil der være mulighed for at benytte en varmeveksler i stedet. Hedtvandet vil nu i stedet for at blive ledt til ORC- anlægget, blive ledt gennem en varme veksler (primær siden). Hedtvandet vil have en indgangs temperatur på 160 C og en udgangs temperatur på 85 C. På den sekunder side af varmeveksleren vil vandet, fra fjernvarme nettet, ledes igennem, i stedet for gennem ORC anlægget. Fjernvarme vandet vil have en indgangs temperatur på ca. 40 C og en udgange temperatur på 90 C. Dette giver en stor forsyningssikkerhed, idet at der kan køres med halmkedlen selvom der skulle være problemer med ORC- anlægget. Hedtvands kredsen skal være et lukket kreds løb. Det er blandt andet valgt på grund af, at det i tilfælde af en lækage på rør systemet vil være nemmere, at finder problemet når det er delt op i flere kredsløb. Da man hurtigt kan udlade nogle og kigge nærmere på andre kredse. På den måde er det kun vandet fra halmkedlen der vil løbe ud og ikke vandet fra fjernvarme nette. Desuden vil risikoen for snavs i vandet også mindskes. Vandet der skal cirkulere vil være osmose vand, det er valgt primært fordi det er helt ren vand og man derfor minimerer risikoen for problemer med for eksempel kalk belægning i veksleren, i ORC anlægget, og andre komponenter. Mere om kalkbelægning senere i rapporten. Vandet på sekunder siden af ORC anlægget og veksleren er fjernvarmevand, det er blødgjort vand, derfor vil der ikke komme problemer med belægning. Valg af varme veksler. I dette afsnit vil der blive begrundet valget af en modstrøms varmeveksler. Når der tales om plade varmeveksler er der hovedsaligt to typer veksler, nemlig medstrøms - og modstrøms- vekslere. Det der er den store forskel på de to typer varmevekslere er temperatur forløbet gennem dem. I en medstrøms veksler vil udløbstemperaturen på de to væsker nærme sig hinanden. Se figur 18. Figur 18 medstrøms veksler princip 25

Hvor man ved en modstrøms veksler har et lidt andet temperatur forløb. Her kan der opnås en højere udløbstemperatur på den kolde væske end udløbstemperaturen på den varme væske. Se figur 19. Figur 19 Mod strøms veksler princip Det vil sige at ved samme varmeveksler areal er ydelsen større ved en modstrøms veksler end ved en medstrøms veksler. 10 Da der her ønskes at udgangstemperaturen på den varme væske kommer til at lægge på 85 C og udgangs temperaturen på den kolde væske kommer til at lægge på 90 C. Er det nødvendigt at bruge en modstrøms veksler Det der vides nu er at veksleren skal være en modstrøms veksler. Veksleren skal kunne tåle et arbejdes temperatur fra 40 C til 160 C. Dertil kommer overtrykket på varmestrengen på 6,5 Bar. For at kunne vælge den rigtige veksler skal der nu findes frem til to masse flow, på henholdsvis primær og sekunder siden. Dette gøres i nedenstående afsnit. 10 Termodynamik, 2. udgave, 1. oplag 2007. Nyt Teknisk Forlag, ISBN-10 :87-571-2613-5 S. 235 26

Beregning af masse flow. Her i dette afsnit vil der være vist beregninger, hvorved der kan findes et flow på både primær og sekunder siden af varme veksleren. Beregninger på Primær siden: På Primær siden er følgende oplysninger kendt: Effekt på 12 MW. Φ Temperaturen på indløb 160 C t vi Temperaturen på udløb 85 C Ved hjælp af energi ligningen er massestrømmen af den varme væske, kg/s er den specifikke varmekapacitet for den varme væske, kj/(kg K) er ) er temperaturen på den varme væske ved indløb, C er temperaturen på den varme væske ved udløb, C Ved at flytte på formlen fås da t vu for vamt vand ved 160 C er 4,339 11 kj/(kg K) For at omregne kg/s til m 3 /s skal der deles med ρ v ρ v er densiteten af den varme væske, kg/m 3 Densiteten for varmt vand ved 160 C er 907,3 kg/m 3 Dette giver så et flow på primærsiden på 146,2 m 3 /h Beregninger på Sekunder siden: I en varmeveksler er den varmestrøm som bliver afgivet fra den varme væske, som derved bliver af kølet, den samme som bliver optaget af den kolde væske. Der ses bort fra varmetab i form af tab til omgivelserne. Dette giver en energi balance som denne: Det vil sige at følgende er kendt for sekunder siden: Effekt på 12MW. Φ Temperaturen på indløb 40 C t ki Temperaturen på udløb 90 C t ku 11 Termodynamik, 2. udgave, 1. oplag 2007. Nyt Teknisk Forlag, ISBN-10 :87-571-2613-5 S. 244 tabel 10,5 27

Ud fra samme ligning som før nævnt kan der nu beregnes et masse flow på sekunder siden. for vamt vand ved 90 C er 4,205 kj/(kg K) For at omregne kg/s til m 3 skal der deles med ρ k ρ k er densiteten af den kolde væske, kg/m 3 Densiteten for vand ved 90 C er 965,3 kg/m 3 Dette giver så et flow på sekunder siden på 212,85 m 3 /h For at opsummerer skal varmeveksleren kunne klare følgende krav: Overføre 12 MWh Klare temperatur på 40 C til 160 C Primær flow på. 146,2 M 3 /h. Sekunder flow på. 212,85 M 3 /h. Dertil kommer et arbejdstryk på min 6,5 bar. For at finde den veksler der var bedst egnet til opgaven, blev der taget kontakt til virksomheden Sondex A/S. Der producerer varmevekslere. Dette firme er at fortrække fordi de allerede har leveret en veksler til Gråsten Fjernvarme. Det er en stor fordel at have så få leverandør som muligt. Fordelen ved at have få leverandør er, at de er meget mere ind i de projekter som Gråsten Fjernvarme har. Derfor var det nærliggende at vælge Sondex A/S. Via kontakt med Henrik Jørgensen fra Sondex A/S blev der fundet frem til tre forskellige veksler.( Se Bilag 3) 1, S42 2, SPS647 3, SL333 Veksleren der blev valgt var S42. Den blev valgt på grund af at den over holdt de krav der var opstillet. Den kan arbejde med temperaturer fra 40 C til 160 C. Den kan klare de flow der er beregnet på primær og sekunder siden. Derudover kan den klare et arbejdstryk på 1,6MPa = 16 Bar. (Se Bilag 3) 28

Styring / Regulering Som det ses af nedenstående illustrationen er halmkedlen forbundet med ORC anlægget via to rør strækninger, de sorte streger. Her vil hedtvandet løbe gennem for at kunne komme til ORC - anlægget og tilbage igen. For at kunne opfylde den mulighed, at kunne køre med en varmeveksler i stedet for ORC - anlægget, er der ved hjælp af to trevejs ventiler (T1 og T2), skabt mulighed for at kunne flytte flowet fra ORC anlægget over til varmeveksleren. På samme måde er der skabt mulighed for at flytte flowet på fjernvarme nettes side. Her kan flowet ændres via de to tre vejs ventiler (T3 og T4). Figur 20 implementerings skitse Motorventilerne (MS 1-6) der ses på illustrationen er udelukkende til for, at kunne lukke for flowet. Dette er nyttigt i tilfælde af fejl / service på rørledningerne, halmkedlen eller ORC anlægget. På den måde kan man nøjes med at tømme det område for vand der nu skal serviceres, uden at de andre områder bliver berørt. Styringen af halmkedlen vil foregå med dens egen SRO, der bliver leveret med halmkedlen og vil derfor ikke blive videre forklaret her. Bortset fra, at halmkedlens SRO vil blive koblet sammen med den allerede eksisterende SRO styring på Gråsten Fjernvarme Styringen af hedtvands strengen skal dog styres/reguleres på en sådan måde, at man sikrer en tilbageløbs temperatur til halmkedlen der ikke kommer under 85 C. For at regulere bedst mulig på hedtvands strengen er der valg en statisk feedforward regulering. Denne regulerings metode udmærker sig ved at være et effektivt middel til at begrænse udsving ved forstyrrelser på reguleringen. Der vil her komme en principiel forklaring på feedforward måden at regulere på. På figur 21. ses en varmeveksler hvor der ønskes en afkøling af en væske. På varmeveksleren er der en enkel temperaturreguleringssløjfe. Det vil sige, at regulerings ventilen åbnes mere eller mindre alt efter temperaturen der bliver målt ved t u. Dette er for så vidt en fin løsning så længe der ikke kommer de store afvigelser i processen. Hvis temperaturen for eksempel ved t i, bliver markant højere skal regulerings ventilen jo åbne mere. Men regulerings ventilen registrerer det ikke før temperaturen ved t u bliver for høj og inden det er reguleret så det passer kan temperaturen ved t i være faldet tilbage på plades, også er regulerings ventilen lige pludselig for meget åben. 29

Al denne problematik kan undgås ved hjælp af en feedforward regulering. Figur 21 skitse Som det ses af figur 22 er der nu to temperaturtransmitter. Det betyder at regulerings ventilens åbnings grad styres af to temperaturer. På den måde vil man kunne opfange ændringer i processen meget før, og derved få et mere sikkert forløb. Figur 22 skitse Denne form for feedforward er prøvet at implementere i styringen af de to kredse til ORC anlægget. 30

På nedenstående illustrationen er vist hvorledes feedforward løsningen kunne se ud. De sorte streger er fortsat rør strenge og de blå er regulerings sløjfer. Figur 23 regulerings skitse TT 2 er en temperaturtransmitter der giver PV-signal til temperaturregulatoren (TC 1 ) som ved hjælp af feedforward- signalet (FF) fra (TT 1 ), beregner styresignalet u der styrer frekvensomformeren (SY 1 ). Frekvensomformeren ændrer så omdrejningstallet på pumpen (P1). Da indløbs temperaturen til halmkedlen ønskes til at være 85 C er Set punkt derfor sat til 85 C. Tryktransmitteren (PT) er for, at sikre at det tryk der skal være for at det 160 C varme hedtvand ikke kommer til at koge, bliver over holdt. ORC anlægget vil blive leveret med egen SRO, det skal så sammen kobles med det eksisterende SRO. Til at regulere fjernvarmestrengen der går på sekunder siden af ORC - anlægget, er der også valgt en feedforward regulering. Temperaturtransmitteren (TT 4 ) giver PV- signalet til temperaturregulatoren (TC 2 ) som ved hjælp af FF-signalet fra (TT 3 ), beregner styresignalet u der styrer frekvensomformeren (SY 2 ). Frekvensomformeren ændrer så omdrejningstallet på pumpen (P2). Da udløbs temperaturen fra ORC - anlægget ønskes til at være 90 C er Set punktet derfor sat til 90 C. 31

Ny drift time antal I dette afsnit vil det nye drift time tal blive beregnet. Som førnævnt vil ORC- anlægget kunne lave 20 % af resursen til el og 78 % til varme. Det vil sige, at af de 12 MW varme som halmkedlen laver, vil kun de 9,36 MW bliver til varme af fjernvarmevand. Dette giver et drift time tal på 2671. Det er en forøgelse på 571 timer. 32

Kalks indflydelse Grunden til at det er en god ide at benytte Osmose vand eller blødgjort vand, er at risikoen for kalk belægning minimeres. Problemet med kalk belægning er at varmeledningsevnen reduceres betydeligt ved selv den mindste belægning. Varmeledningsevnen er den evne et materiale har til at overføre varmen fra et medie til et andet. I en varmeveksler hvor man ønsker at overføre varme, i dette tilfælde varmen fra halmkedlen til by nettet, skal varmeledningsevnen være så stor som muligt. Varmeledningsevnen for materialet AISI 316 som pladerne i den valgte veksler består af, (Se Bilag 3), er 15 W/m*k 12 Hvor kalk har en varme lednings evne på bare 3 W/m*k 13 Hvilket er 5 gange ringer end AISI 316. Problemet med kalk belægning er at der så skal bruges mere energi for at overføre samme effekt, dertil kommer at pumperne skal bruge mere energi for at pumpe vandet rund i systemet. Dette vil dog ikke blive nærmer beskrevet her. Temperaturen vil falde gradvist i gennem et materiale, dette er skitseret på figur. 24 Figur 24 Temperaturforløb I de nedenstående beregninger er der prøvet at vise hvilken effekt 0,5 mm kalk har på en 0,5 mm tyk plade af AISI 316 med at areal på 1m 2. Dette vil ske ved først at beregne den samlede varmestrøm ved ren AISI 316 og derefter ved 0,5 mm kalk belægning på AISI 316, for til slut at sammenligne dem. Den samlede varmestrøm kan beregnes efter følgende formel der udspringer af Fouriers lov: Q = Varme strøm (W) U= Den samlede varmetransmissionskoefficient (W/m 2 *k) A= Arial (m 2 ) LMTD = Logaritmiske middeltemperatur differens 12 Logstor.pdf 13 Uddrag af rapporten kalk og vand fra Teknologisk Institut Februar 1999 33

Den samlede varmetransmissionskoefficient beregnes på følgende måde: U 1 1 1 1 2 = Varme overgangs tal for vand, 1700 W/(m 2 *k) 14 = Tykkelse af materiale. = Isolerings type. LMTD beregnes på følgende måde: tmax t LMTD tmax Ln t min min Figur 25 LMTD metode 14 Carsten Chlemensen, underviser i køleteknik på AAMS 34

Varmestrøm ved ren AISI 316: Q 1 t t 1 (160 90) (85 40) 1 0, 0005 1 (160 90) Ln 00 170 (85 40) max min A 1 1 AISI 316 1 tmax Ln 1 AISI 316 2 t min 17 15 0 Q 46767, 7W Figur 26 Tegning Varmestrøm ved 0,5 mm kalk: 1 t t 1 (160 90) (85 40) Q 1 0, 0005 0, 0005 1 (160 90) Ln 15 3 (85 40) max min A 1 1 AISI 316 Kalk 1 tmax Ln 1 AISI 316 Kalk 2 t min 1700 1700 Q 41105, 13W Figur 27 Tegning Ud fra beregningerne kan der ses at, ved ren AISI 316 overføres der 46,8 kw og ved kalk belægning er det reduceret til 41,1 kw. 35

Det giver en reduktion af varmestrømmen på 12 % Det er altså en god ide at holde en varmeveksler ren for kalk. Dette kan gøres ved at udsyre den. Dette vil dog ikke blive nærmere beskrevet her. Projektering Umiddelbart kan det godt lade sig gøre at benytte hedtvand fra halmkedlen til fordamperen i ORC anlægget. Det samme gælder muligheden for at benytte vandet fra by nettet til kondensatoren i ORC anlægget. Styringen og reguleringen af halm kedlen og ORC anlægget vil foregå via deres egne SRO systemer, dog skal de sammen kobles med det eksisterende SOR system. Dertil kommer en mindre styring af hedt vand tilførslen og kold vand tilførslen til ORC anlægget. Vandet i det lukkede system ved hedtvand er osmose vand og derved mindskes risikoen for kalk belægning. Det er dog ikke uden problemer at bygge et sådan anlæg. I forbindelse med virksomheds besøg på Marstal Fjernvarme viste det sig, at de har haft store problemer med opstart at ORC anlægget. Problemet var generatoren. Når Turbinen var oppe i omdrejninger og de skulle slutte generatoren til, sprang sikringerne i el skabet. Efter to opstars forsøg er det endnu ikke lykkes at komme i gang med el produktionen på Marstal Fjernvarme. 36

Hyppighed af overproduktion af sol varme på solfanger anlæg For at bestemme omfanget af problemet med overproduktion af solvarme er der gjort kontakt til andre solvarmeværker, for at høre deres erfaringer. Blandt andet skrev Flemming Sørensen fra Strandby varmeværk dette: Vi har benyttet natkøling én gang i den tid vi har haft solvarme, siden 2008, årsag var at vi IKKE var gode nok til at vurdere akk. kapaciteten i begyndelsen, "griskhed" med el-produktion samtidig. Endvidere giver mails fra Vojens fjernvarme, Sæby varmeværk, Ringkøbing fjernvarmeværk og Gram fjernvarme. Det indtryk at overproduktion af solvarme ikke er et stort problem hos solvarmeværker. Grunden til at der ved Gråsten Fjernvarme dog alligevel er interessant at kigge på denne problematik er, at solvarmeanlægget kan producere op til 77,5 MW varme og et døgns forbrug i byen ligger på 50 MW. Desuden er det også værd at undersøge om ORC anlægget kan bruge den varme. Da ORC anlægget alligevel ikke er i drift om sommeren og på den måde give den flere drift timer og producerer grøn strøm. Problemet med overproduktion af solvarme skal dog også ses i forhold til at Gråsten Fjernvarme har planer om at udvide til de nærliggende byer. Dette vil betyde at deres forbrug af varme vil stige. Dermed vil risikoen for overproduktion af solvarme falde, dette er dog ikke tager i betragtning i denne rapport. Solvarme ny proces med varmepumpe Om sommeren kan der komme situationer hvor der produceres for meget varme. For meget varme betyder mere varme end byen og akkumuleringstanken kan aftage. Det vil sige at når dagen er omme og der har været sol nok til at kunne fylde akkumuleringstanken, så kan der ikke optages mere varme. Derfor er det nødvendigt at komme af med næste dags varmeproduktion i løbet af aftenen / natten. Den overskuds varme bliver lige nu kølet væk om aftenen, så kaldt natkøling. Det er her ORC- anlægget kommer ind i bileddet. I stedet for at natkøle, hvor man bruger energi på at få varmen væk, kunne man bruge den varme til at opvarme ORC - anlægget og derved producerer strøm. Det at lave strøm ud af spildvarme har to store fordele, ikke alene bliver energien ikke smidt væk, men strøm er som bekend en mere ædel og riger energiform. Det skyldes at strøm både kan bruges til opvarmning, via el radiatorer, men også til almindeligt husholdnings samt industri og opladning af el biler. Hvor varmt vand kun kan bruges til opvarmning. For at ORC anlægget skal kunne køre, kræver det to kredse. For det første skal der på primær siden, bruges en varme kreds, varmt vand, til fordampning af den organiske olie i fordamperen. Her er det meningen at det varme vand fra solvarmen skal bruges. Dertil kommer at ORC anlægget på sekunder siden, skal bruge en køle kreds, kold vand, til kondensering af den organiske olie i kondensatoren. Den energi der er til rådighed for ORC anlægget om sommeren, er det solfanger anlægget kan producere på et døgn. Det højeste der er produceret på solfangeranlægger ved Gråsten Fjernvarme på et døgn er 77,5 MW. Dette skete den 24-07-12 15 (Se Bilag 4). Denne dag kom temperaturen over 25 C, og blev af DMI kaldt 15 http://solvarmedata.dk/side8400.html#histdata 37

en sommer dag. 16 Ud fra dette er der vurderet at 77,5 MW er det højeste der pt. kan produceres på Gråsten Fjernvarmes solfangeranlæg. Kommende vurdering vil være baseret på dette. Det er altså meningen at ORC anlægget skal køre om aftenen/natten og forbruge de 77,5 MW varme man kan risikere at producerer den næste dag. Tiden der er til rådighed om aftenen/natten til at forbruge de 77,5 MW varme er 15 timer. Dette time tal kommer af at en typisk produktions dag for solfangerne slutter omkring kl. 19 og starter først omkring kl. 08 igen. (Se Bilag 5) Det er i dette tids rum ORC anlægget kan køre da der her ikke bliver produceret varme af solfangerne. Grunden til at ORC anlægget ikke kan køre samtidig med at der bliver produceret solvarme, er at solfangerne skal køles af vandet fra by nettet og det samme skal kondensatoren på ORC anlægget. Men mere om det senere i rapporten. Vandet i akkumuleringstanken kan have en max temperatur på 95 C. Det betyder at den varme kilde der er til rådigheder 77,5 MW af 95 C varmt vand. Dermed er varmekredsen til ORC anlægget på plads og da minimum temperaturen som ORC anlægget kan køre på er 90 C, skulle der ikke komme komplikationer med dette. Det næste der skal findes er koldt vand til kondenseringen. Der blev valgt en metode hvor der ved hjælp af en varmepumpe blev skabt koldt vand til kondensatoren. Metoden blev valgt på grund af at man her ville få et meget lille energitab. Denne metode vil blive nærmere forklaret i nedenstående afsnit. ORC anlægget får sin varme, til fordamperen, fra akkumuleringstanken på 95 C varmt vand og sin kolde kilde fra en varmepumpe. For dog at ORC anlægge skal kunne fungere optimalt må vandet til at køle kondensatoren, ikke være for varmt. Ud fra Turbodens Organic Rankine Cycle Power Calculator 17, er der fundet frem til en max temperatur på køle vandet til kondensatoren på 15 C. 16 http://www.dmi.dk/dmi/endnu_en_sommerdag_i_skabet 17 http://www.turboden.eu/en/rankine/rankine-calculator.php 38

De to kredse Det varme vand skal tages fra akkumuleringstanken på 95 C, løbe gennem fordamperen i ORC - anlægget, hvorved den organiske olie fordamper. Derefter vil vandet med en temperatur på 50 C løbe tilbage i akkumuleringstanken. Til at køle den organiske damp, skal der bruges kold vand på max 15 C, det vand kan tages direkte fra returen på by nettet. Her kommer vandet med en temperatur på 40 C. Vandet skal ledes gennem en varmepumpe hvor det køles ned til 15 C. Herfra ledes vandet gennem kondensatoren på ORC anlægget. Vandet vil have en temperatur på 25 C når det lededes ud af ORC anlægget. Vandet vil løbe gennem varmepumpen hvor det opvarmes yderligere for til slut at løbe i akkumuleringstanken. Figur 28 Implementerings skitse Da der fra Turbodens sider er beskrevet at 78 % af energitilførslen i fordamperen, kommer ud som varmt vand. Vil det sige at langt størstedelen af den varme man tager fra akkumuleringstanken som varme kilde, vil kommer tilbage til akkumuleringstanken. Dette vil ske i form af at det kolde vand, der hæver sin temperatur gennem kondensatoren i ORC anlægget. 39

Beregninger. I dette afsnit vil der blive beregnet flow på primær siden af ORC anlægger(varme kreds), Flow på sekunder siden af ORC anlægget(kulde kreds) og temperaturen på køle vandet efter varmepumpen ved TT 6. Flow på primærsiden: Der skal fjernes 77 MW varme fra akkumuleringstanken. Da 78 % af varmeenergien kommer tilbage til akkumuleringstanken, er det ikke nok kun at sende 77 MW ind i ORC anlægget. men der skal flyttes hele 350 MW for at få fjernet de 77 MW. Tiden til at flytte denne mængde energi er sat til 15 timer. Dette giver at der skal flyttes 23,33 MW i timen. Ud fra nedenstående ligning kan flowet på primær siden findes. Temperaturerne T 1 og T 2 er givet fra Turboden. T 1 = 95 C T 2 = 50 C C pv er sat til 4,190 KJ/(kg K) 18 er sat til 977,8 4 kg/m 3 Flowet vil være 455,5 m 3 /t på primærsiden af ORC anlægget. Her vil flowet på sekunder siden af ORC anlægget blive beregnet: Da 78 % af den tilførte energi vil komme ud her igen. Vil der af de 23,33 blive tilført 18,2 MW til sekunder siden. 18 Termodynamik, 2. udgave, 1. oplag 2007. Nyt Teknisk Forlag, ISBN-10 :87-571-2613-5 S. 244 tabel 10,5 40

Temperaturerne T 3 og T 4 er givet fra Turboden. T 3 = 15 C T 4 = 25 C C pv er sat til 4,182 KJ/(kg K) Ud fra samme ligning som før kan flowet findes. er sat til 999,2 4 kg/m 3 Flowet vil være 1567,97 m 3 /t på sekundærsiden af ORC anlægget. For at kunne finde temperaturen hvormed vandet løber ind i akkumuleringstanken, skal der først ses på varmepumpen. Varmepumpen: Der antages at det ikke er varme tab i varmepumpen. Den energi som trækkes fra vandet på 40 C for at få det ned på 15 C vil blive beregnet her. Flowet gennem varmepumpen må være det samme som gennem ORC - anlæggets sekunder side. Det vil sige 271,8 kg/s. T 5 = 40 C T 3 = 15 C Ud fra samme ligning som før kan energi overførslen findes. Der fjernes 45,4 MW varme. Nu kan temperaturen på T 6 findes. Vandet vil have en temperatur på 50 C når det løber ind i akkumuleringstanken. 41

Projektering Ud fra beregningerne er nu givet at: Flowet på primær siden vil være på 455,5 m 3 /t. Flowet på sekunder siden vil være på 1567,97 m 3 /t. Temperaturen på returvandet til akkumuleringstanken vil være op 50 C. Der er specielt et tal der er interessant, nemlig flowet på sekunder siden af ORC anlægget. Det ligger helt oppe på 1567,97 m 3 /t. Der er ikke muligt at frem skaffe så meget vand. Da vandet kommer fra by nettet, er det by nettes flow der er bestemmende for hvor meget vand der er til rådighed til at køle kondensatoren med. By nettet har et flow på Ca. 40 M 3 når det er varmest 19, det kan derfor ikke lade sig gøre, at bruge et ORC anlæg på denne måde. Flowet på sekunder siden af ORC anlægget kan reduceres ved at hæve udgangs temperaturen ved T 4 men det vil stadig ikke være nær nok til, at kunne klare det med vand fra by nettet. Det må derfor siges, at denne metode ikke er en mulighed, hvor der må søges i andre gange. 19 Poul Erik Christensen, Fjernvarmeassistent ved Gråsten fjernvarme Tlf. 20448805 42

Solvarme ny proces med køletårn Da det ikke var muligt at bruge ORC anlægget hvor køle vandet blev leveret af en varmepumpe, er der her kigget nærmere på muligheden hvor køle vandet bliver leveret af et køletårn. Grunde til at denne metode først er blevet analyseret efter varmepumpe metoden er, at der ved varmepumpe metoden ikke ville opstå et nævneværdigt spild af de 77,5 MW varme. Dette skyldes at alle 77,5 MW skulle fjernes ved at laver det om til strøm. Det var dog samtidig en af grunden til at det ikke kunne lade sig gøre. Her i køletårn metoden vil der kun blive lavet strøm af 20 % af de 77,5 MW. Resten af de 80 % vil gå tabt, 2 % til varmetab og resten vil blive tabt i køletårnet. Figur 29 Implementerings skitse Grunden til at det dog alligevel er interessant at kigge på denne metode er, at 20 % af de 77,5 MW dog er bedre end ingenting og hvis der antages at ORC anlægget alligevel står der i forbindelse med halmkedlen, hvor ORC anlægget ikke vil køre om sommeren, vil det alligevel være værd at se på. Selve opstillingen er, at der som før skal fjernes 77,5 MW varme fra akkumuleringstanken. Tiden til dette er 15 timer. Det giver at der skal flyttes 5,167 MW i timen. På primærsiden af ORC anlægget vil der stadig ledes varmt vand fra akkumuleringstanken, til fordampning af den organiske olie i fordamperen. Det nye er, at på sekunder siden af ORC anlægget vil det kolde vand til kondensering af den organiske olie i kondensatoren, blive leveret af et køletårn. Vandet 43

der opvarmes i kondensatoren vil ledes ud i køletårnet hvor det afkøles, for derefter at løbe tilbage til kondensatoren. Grunden til at et køletårn er valgt. Er at et køletårn har en større kondenseringsydelse end en luftkølet kondensator med samme overflade 20. Figur 30 Køletårn Virkemåden af et køletårn: Køletårnet består, lige som en luft kølet kondensator, af lameller. Se figur 30. I toppen ses der to ventilatorer som suger luft op gennem lamellerne. Det specielle er, at der i køletårnet er nogle dyser. Disse dyser sprayer vand ud over lamellerne. Der vil blive fordampet ca. 10 % af vandet og resten vil løbe ned i bunden hvor det kan bruges til igen at blive sprayet ud over lamellerne. Princippet i køletårnet er, at når vandet fordampes fjernes der en større varme mængde fra kølemiddelet og derved øger effektiviteten. Beregninger Vandet kommer fra akkumuleringstanken med en temperatur på 95 C, hvor det ledes igennem fordamperen og tilbage til akkumuleringstanken, med en temperatur på 50 C. Flowet vil være på 100,89 m 3 /t beregnet ud fra understående formel. Temperaturerne T 1 og T 2 er givet fra Turboden. T 1 = 95 C T 2 = 50 C C pv er sat til 4,190 21 20 Noget om køleteknik 1. 4. udgave, bind 1, 1. oplag 2010. Scanprint a/s, ISBN-13 : 978-87-90477-07-3 21 Termodynamik, 2. udgave, 1. oplag 2007. Nyt Teknisk Forlag, ISBN-10 :87-571-2613-5 S. 244 tabel 10,5 44