Utfasing av oljefyring er mulig med dynamisk termisk lagring kaare.gether@niva.no Dr.ing. Energieffektive systemer. Medoppfinner av dynamisk termisk energilager helge.skarphagen@niva.no Ing. Pådriver for varmepumpebaserte grunnvarmesystemer i mer enn 20 år H.Skarphagen og K. Gether 23. september 2009 1
Problembeskrivelse Skisse til løsning basert på dynamisk termisk energilagring Invitasjon til forskningssamarbeid for å løse ut NFR-midler til demoanlegg H.Skarphagen og K. Gether 23. september 2009 2
Dagens fjernvarme er ikke klimanøytral 25% av Hafslunds fjernvarme er fossilbasert 50 % fossil varme på de kaldeste dagene Hafslund har planer om å erstatte den fossile varmen med mer biomasse og biofyringsolje. Hvor realistisk er dette?
Fjernvarme leverer ikke kjøling Fjernvarme innebærer innlåsing i et monopol Biomasse til drivstoff vil få bedre betalingsevne, enn brukt som varme Varmepumper hos sluttbrukere minst like effektivt som i fjernvarmeanlegg Observer at varmepumper fremheves som grønn energi av Hafslund: Søppeleksport truer fjernvarme Norske forbrenningsanlegg sliter med å få tak i nok avfall. Avfallet sendes til Sverige. www.tu.no/energi/article211626.ece Hafslund lover grønnere fjernvarme Olje og gass som spisslast i fjernvarmeanlegg er på vei ut. www.tu.no/energi/article212135.ece Vi har investert 780 millioner kroner og er avhengig av deler av dette avfallet. Per dato ser det mørkt ut. Det er ekstremt lave priser i Sverige. Vi må ha 1.000 kroner per tonn avfall for å få det til å gå rundt. Svenskene slår oss med kanskje 250-300 kroner.
Helsemessige betenkligheter med biobasert oppvarming Mange norske byer er i daler. Termisk inversjon på stille kalde dager er et stort problem Vedfyring kan øke kreftfaren Å fyre med ved inne kan føre til at stuen din blir like forurenset som en tungt trafikkert storbygate, viser svensk forskning. Doktorgradsavhandling fra Sahlgrenska Universitetssjukehuset
Enorme NOx-utslipp fra biobrensel www.tu.no Bioenergi kan gi opptil fire ganger så høye utslipp av NOx som naturgass. Norge er i Gøteborgprotokollen forpliktet til å redusere de årlige NOx-utslippene til maksimalt 156.000 tonn innen 2010. I 2005 var de norske utslippene av NOx nesten 216 000 tonn, Regjeringens Biostrategirapport utarbeidet av Eli Arnstad er ufullstendig. Hvem må bære kostnadene for å rydde opp? Dioksinfilter? Askedeponering på Langøya? NO x katalysator? Aske fra tre - gjødsel eller spesialavfall? Aske fra trevirke kan inneholde overraskende høye, naturlige konsentrasjoner av tungmetaller. For kadmium og sink var praktisk talt alle prøvene fra bjørk og gran over maksimumsgrensen for det tillatte i kloakkslam. For bly var 75 prosent av asken fra bjørk og 25 prosent av asken fra gran, over grenseverdiene. www.forskning.no
www.effektiv.org EFFem Kalkyl Betingelser : Vannkraftdrevet varmepumpe. Gjennomsnittsverdier for svenske fjernvarmeanlegg.
En brønnborer som produserer energibrønner borer anslagsvis 100 m om dagen i gjennomsnitt. Med 200 årlige arbeidsdager utgjør årsproduksjonen 20 000 boremeter. 1 m borehull som kan levere både varme og kjøleenergi yter anslagsvis 35 W/boret meter. Et riktig dimensjonert varmepumpeanlegg som leverer både varme og kjøling har anslagsvis 3500 driftstimer årlig. Oljefatet representerer 1 oljeekvivalent = 2 450 MWh 20 000 m/år x 35 W/m x 3500 h = 2 450 000 kwh årlig leverer et brønnborerårsverk. Denne årsproduksjonen erstatter 2 450 000 kwh el eller fyringsolje årlig. Med 1 kr/kwh utgjør dette 2,45 millioner kr årlig. Det forutsettes at et årsverk som høster biobrensel produserer en tilsvarende energimengde fordelt på skogplanting, rydding, skogsmaskinfører, tømmertransport, flishugging, tørking, lagring og utkjøring til kunden. En omsetning på 2,45 millioner kr per årsverk i biobransjen virker realistisk.
Hvis biobrensel-høsteren og brønnboreren produserer like mange oljeekvivalenter hver seg første året, har brønnboreren det 10 året levert 4,5 ganger så mye energi. 10 år 9 8 7 6 5 4 3 2 1 start år Klimaarbeide som utføres en gang er langt mer verdifullt enn årvisse leveranser. Andre eksempler: etterisolering innsetting isolerglass varmegjenvinnere i ventilasjonen vann og vindkraftubygging Det krever omtrent samme arbeidsinnsats for å installere en biokjel som en varmepumpe. Ikke glem arbeide, investeringer og areal til pipe og flislager.
Det er 22 år til 2030, Det er ikke likegyldig om man satser på riktig teknologi eller ei. Vi må prioritere riktig bruk av arbeidskraften. 231 oljeekvivalenter energi levert i klimaets tjeneste 22 år 2030 22 oljeekvivalenter energi 21 20 19 borehullsbasert varmepumpe 18 17 innhøsting av bioenergi 16 15 14 Det oppnås 10 ganger så mye klimagevinst per årsverk med brønnboreralternativet! 13 12 11 10 9 8 Brønnborerens arbeide kan forventes å levere fornybar energi like lenge som bygget består. 7 6 5 4 Biosankeren må starte på nytt hvert år. Ved årets slutt er det bare aske tilbake. 3 2 1 start år 2008
Flere kabler til utlandet (krav om CO2 reduksjoner vil medføre mindre kullkraft), utfasing av oljefyring og introduksjon av elektriske biler vil på noe sikt presse opp prisen på vannkraft Ved å investere i borehull og energilagre blir nedbetalingstiden noe lengre, Tradisjonelle økonomiske analyser synliggjør ikke den dramatiske lønnsomheten som inntrer når anlegget er nedbetalt. Der andre årvisst må kjøpe brensel leverer varmepumpe-anlegg 70 % av energien gratis.
Dynamisk termisk energilagring medfører: Teknologien leverer både oppvarming og kjøling med samme investering Kjølingen blir levert som frikjøling med minimalt energiforbruk Tilnærmet klimanøytral Nær 100% fornybar energi Spisslastbehovet blir i praksis fjernet Frigjort arbeidskraft, ingen biosanking og minimalt vedlikehold (husk eldrebølgen) Minimal miljøbelastning Ikke låst til et monopol som fjernvarme Meget bra lønnsomhet for langsiktige investorer Forsikring mot galopperende fremtidige energipriser
Kald tilluft Moderat vintervær, dagdrift Ventilasjonskrets Avkastluft Roterende varmeveksler, 80 % virkningsgrad 17 20 C tilluft 45 C 40 C -2 C 1 C Varmepumpe Radiatorkrets Selv i moderne kontorbygg med roterende varmegjenvinner går 30 til 50 % av årlig varmebehov til ettervarming av ventilasjonsluft. Varmepumper dimensjoneres vanligvis for å dekke 40 til 70 % av netto dimensjonerende varmeeffektbehov på årets kaldeste dag (DUT). Resterende andel dekkes med spisslast fra olje-, gass- eller elektrokjeler. Borehull +3 C
Typisk profil for ventilasjonsbehov for noen bygninger. Det er nå vanlig å styre ventilasjonen basert på inneluftens innhold av CO 2 I disse timene har varmepumpen vanligvis ledig kapasitet på grunn av redusert ventilasjon og eventuell nattsenking av temperaturen. Denne overskuddsvarmen kan lagres! Tid på døgnet 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Skolebygg Kontorbygg Sykehjem
Kald tilluft Kald vinterdag Ventilasjonskrets Avkastluft Varmeveksler 17 20 C tilluft 55 C 50 C Varmepumpe Radiatorkrets -4 C -1 C 25 til 40 C 23 C Korttids, termisk energilager Borehull På kalde dager kan varmebehovet dekkes ved å separere kretsene. Varmepumpen leverer varme kun til radiatorkretsen, mens varmebehovet til ettervarming av ventilasjonsluft dekkes av det termiske energilageret. +1 C
Varm tilluft Kjølemodus Ventilasjonskrets Avkastluft 14 19 C tilluft +12 C +17 C +9 C x +7 C Korttids, termisk energilager +10 C Borehull +10 C Om sommeren benyttes det termiske energilageret til å levere kjøling. Lageret fylles om natten og på kjølige dager. Når borehullene ikke greier å dekke kjølebehovet med frikjøling, supplerer korttidslageret. Hele kjølebehovet kan dermed dekkes med frikjøling. Energilagrene utnyttes hele året og får følgelig relativt kort avskrivningstid.
Tørrkjøler reduserer antall nødvendige boremeter. Viktig knep ved lite areal. Ventilasjonskrets 17 20 C tilluft 3 til 30 C uteluft avlaster/lader borehullene 0 C 3 C 25 C 22 C X Varmepumpe Radiatorkrets Tørrkjøler Når uteluften er varmere enn borehullet benyttes en tørrkjøler til å avlaste borehullene og samtidig heve temperaturen på frostvæsken inn på varmepumpens fordamper. Tørrkjølere fryser imidlertid igjen når lufttemperaturen nærmer seg 0 C. Avansert styring nødvendig når borehullene også skal levere kjøling. Borehull +3 C
Simuleringsverktøyet TRNSYS Eksempel på ferdig system: Anlegg som prosesserer og lagrer kaldt kjølevann når det er gunstig
Simulering: Få ut data om ønskede parametere Eksempel på lønnsomhet ved å produsere kjøling om natten. Sammenligning av effektforbruk i forhold til strømpris 3.50 0.90 3.00 0.80 0.70 2.50 0.60 kw 2.00 1.50 0.50 0.40 NOK/kWh 1.00 0.50 0.30 0.20 0.10 0.00 4.00 16.00 4.00 16.00 4.00 Klokkeslett DTES-anlegg Standard AC-anlegg Elspot 0.00
NIVA og forskningsbedriften Gether as har unik tilgang til teknologien med Dynamic Thermal Energy Storage, DTES Optimert dynamisk styring utvikles i samarbeid med Institutt for Teknsisk Kybernetikk, NTNU. Vi har simuleringsverktøyet TRNSYS som gjør det mulig å dimensjonere de ulike komponentene i forhold til hverandre med relativt stor treffsikkerhet.
Konseptet er utarbeidet av: Asplan Viak, Gether as og NIVA i samarbeid som vant førstepremie i Undervisningsbyggs konkurranse for å fase ut olje- og elektrokjelene i Osloskolene H.Skarphagen og K. Gether 23. september 2009 21
Vi ønsker å finne partnere med eiendommer som kan være egnet for å lage ulike demonstrasjonsanlegg. Forskningsstiftelsen NIVA sammen med eiendomsbransjen vil lettere kunne løse ut midler fra Forskningsrådet. Med forskningsmidler i ryggen er risikoen for budsjettoverskridelser for utbygger sterkt redusert. H.Skarphagen og K. Gether 23. september 2009 22