ATES-systemer i decentrale kraftvarmeværker og barmarksværker. Civilingeniør Stig Niemi Sørensen www.enopsol.dk Januar 2014 Indledning De decentrale kraftvarmeværker og barmarksværkerne står overfor store udfordringer i forbindelse med omlægningen til fossilfri varmeproduktion. Status er, at flere værker har udbygget med solvarme, andre har investeret i elkedler og biomassefyr. Absorptions-varmepumper er også ved at blive indsat. Gasmotorerne får mindre og mindre køretid pga. konkurrencen fra vindmøllerne. Der vil blive stort behov for termisk energilagring og de første damvarmelagre er etableret. Tekniske løsninger med lagring af lavtemperatur solvarme eller overskudsvarme i grundvandsmagasiner i kombination med el-drevne varmepumper trænger sig på, og er blevet interessante alternativer til de kendte løsninger. Med sådanne systemer vil det blive muligt at producere helt fossil- og CO 2-fri fjernvarme og vel at mærke til konkurrencedygtige priser og foreløbige beregninger viser, at betalingstiden også kan blive attraktiv. Baggrund I en nærtstående fremtid skal de mere end 400 danske fjernvarmeselskaber beslutte hvordan de fossile brændsler skal udfases. De fleste selskaber undersøger i øjeblikket mulighederne. Ifølge anbefalingerne i Klimakommissionens rapport peges på et fremtidigt energisamfund i Danmark med bl.a. mere vind, solvarme, geotermi og biobrændsel. Anbefalingerne er fulgt op politisk, og der er sat årstal på hvornår delmål og det endelige mål skal være opnået. Men der gives klogeligt ingen drejebog eller facitliste for hvordan omstillingen skal foregå for det enkelte selskab, men afgiftssystemet, subsidier og støttemuligheder vil blive styrende for de teknologier, der vil finde anvendelse.
Teknologivalg Mange teknologier vil komme i spil og det bliver vigtigt at få dem til at fungere sammen, således at det samlede energisystem i hvert enkelt tilfælde bliver optimalt både teknisk og ikke mindst økonomisk. Her ligger udfordringen, idet fjernvarmeselskaberne skal navigere med et langt større udvalg af energiløsninger end hidtil. Et dansk barmarksværk består i dag i sin basisopbygning af en naturgasfyret motor, der producerer både el og fjernvarme, naturgasfyrede spidslastkedler og en eller flere varmeakkumuleringstanke. Med den voksende el-produktion fra vindmøller presses driftstiden nedad for gasmotorerne og barmarksværkerne må brænde mere og mere dyr naturgas i spidslastkedlerne. Nogle værker har udbygget med højtemperatur solvarme i få tilfælde suppleret med damvarmelagre, andre har indsat elkedler for køb af billig overløbsstrøm fra vindmølleproduktion, andre har udbygget med biobrændsels-kedler og absorptionsvarmepumper. ATES-systemer og fossilfri fjernvarmeproduktion En teknologi, der hidtil har været overset i forbindelse med fjernvarmen, er anvendelsen af lavtemperatur varme- og kuldelagring i de terrænnære, grundvandsførende jordlag de såkaldte ATES-systemer. Mange steder i Danmark findes velegnede, terrænnære grundvandsmagasiner, der kan anvendes til kort- og langtidslagring af lavtemperatur varme uden at være til gene for indvindingen af grundvand til drikkevand. Varmen, der skal lagres, kan genereres ved fx solvarme, industriel spildvarme og overskudsvarme fra fx affaldsforbrænding. Den til enhver tid mest fordelagtige varmekilde til varmepumpen bør anvendes. Er der solvarme til rådighed anvendes denne indirekte som varmekilde til varmepumpen. Er der varme i overskud lagres denne i grundvandsmagasinet. Hvis der ikke er sol eller udeluft eller anden varme til rådighed anvendes den lagrede varme i grundvandsmagasinet. Således kan der leveres fjernvarme hele året rundt. Varmepumpen producerer koldt vand, når den benytter varme fra grundvandsmagasinet. Kulden herfra kan også lagres eller anvendes til fjernkølingsformål.
Baseres hele systemet i en fremtid på vindmøllestrøm kan levering af varme og køling ske helt uden brug af fossile brændsler og dermed uden netto CO 2-udledning. Varmepris Varmeleveringsprisen afhænger væsentligst af den elpris fjernvarmeværket skal betale, COP-faktoren som varmepumpen kan præstere, prisen for lavtemperatur varme og prisen for ATE-systemet, hvilket med dagens elpriser og forventet investeringsomfang vil betyde varmepriser, der er konkurrencedygtige med naturgasbaseret fjernvarmeproduktion. Lader man varmepumpen køre alene efter elprisen på spotmarkedet vil der kunne produceres endog meget billig fjernvarme. Anlægsopbygning eksempel I figur 1 er vist en driftsform (sommer), hvor et højtemperatur solfangeranlæg leverer varme til dækning af varmebehovet. Overskudsproduktion lagres i varmeakkumuleringstankene (VAK). Grundvandsmagasinet oplades med lavtemperatur varme fra lavtemperatur solvarme. I figur 2 er vist en driftsform (sommer, efterår, forår), hvor varmebehovet dækkes ved afladning af varmeakkumuleringstankene. Varme fra højtemperatur og lavtemperatur solfangere lagres i grundvandsmagasinet. I figur 3 er vist en driftsform (sommer, efterår, forår), hvor varmebehovet dækkes af varmepumpen. Varmen til varmepumpen produceres af højtemperatur og lavtemperatur solfangere. Overskudsproduktion af lavtemperatur varme fra solfangerne lagres i grundvandsmagasinet. I figur 4 er vist en driftsform (vinter, forår, efterår, nat), hvor varmebehovet dækkes af varmepumpen. Varmen til varmepumpen laveres fra grundvandslageret.
Figur 1. Sommer. Højtemperatur solvarme dækker hele varmebehovet og overskudsproduktion lagres i varmeakkumuleringstankene. Lavtemperatur solvarme lagres i grundvandslageret.
Figur 2. Sommer, efterår, forår. Varmebehovet dækkes fra højtemperatur varme lagret i varmeakkumuleringstankene. Højtemperatur solvarme lavtemperatur solvarme lagres i grundvandslageret.
Figur 3. Sommer, efterår, forår. Varmebehovet dækkes af varmepumpen. Varmen til varmepumpen kommer fra HT og LT solfangere. Overskud af solvarme lagres i grundvandslageret.
Figur 4. Vinter, efterår, forår, nat. Varmebehovet dækkes af varmepumpen. Varmen til varmepumpen kommer fra grundvandslageret.