Valg av varmepumpeløsning for et fjernvarmeanlegg

Valg av varmepumpeløsning for et fjernvarmeanlegg En gjennomgang av aktuelle varmepumpeløsninger i et fjernvarmeanlegg avhengig av størrelse og krav til temperaturer i anlegget Gjermund Vittersø www.thermoconsult.no 1

innhold Kort presentasjon Hvorfor varmepumpe? Hvorfor bør varmepumpa være for liten? COP Quiz Temperaturløfter n Typer varmepumpe Varmekilder Kuldemedier Beregningseksempel Noen eksempler på fjernvarmevarmepumper 2

Presentasjon Gjermund Vittersø, sivilingeniør fra NTH i 1986, med hovedfag kuldeteknikk. Jobbet som: Forsker på åsintef, 2år Rektor på Statens kjølemaskinistskole, 8 år Avdelingsleder Prosjekt og drift Bærum Fjernvarme 7 år Varmepumpebasert fjernvarme og fjernkjøling Teknisk sjef Norild 3 år Divisjonsjef j Ahlsell kuldedivisjonen 4 år Partner i Thermoconsult resten av livet kanskje..? 3

Presentasjon Thermoconsult : ledende d rådgivingsfirma ådii innen kuldeteknikk kldtkikkog varmepumpeteknikk. Dannet av : Helge Lunde, Per Erik Abrahamsen, Egill T Elvestad i 1992. Alle sivilingeniører fra NTH, Kuldeteknikk, med lang og allsidig erfaring fra kulde og varmepumpe bransjen. Thermoconsult for tiden engasjert i : Varmepumper p til fjernvarme, skoler og sykehjem, industri, næringsbygg Kjøle og fryseanlegg med varmegjenvinning til grossistlager og distribusjonslager, dagligvare isbaner og ishaller, prosessindustri, næringsmiddelindustri, skip og fiskefartøy, tog Prosjekter, Feilretting, Kurs og foredragsvirksomhet Mer info om Thermoconsult finnes på www.thermoconsult.no 4

Hvorfor varmepumpe? Primært: Produsere rimelig varme Miljøvennlig varme Dekke et kjølebehov? Sekundært: driftsikkerhet, enkel drift, uten behov for bemanning eller transport MEN: Målet med VP er ikke å få nok varme kaldeste dag, g, det må andre kilder sikre, Målet er lave årlige fyringskostnader.

Hvorfor bør varmepumpa være for liten? (1) 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % -25. C -20. C -15. C -10. C -5. C 0. C 5. C 10. C 15. C 20. C Effekt dekning % Energibehov i 5C intervallet % Energibehovet summerer seg opp til en topp mellom -5 C og 10 C, fordi det er slike dager som det er flest av. Effektbehovet øker jo kaldere det blir ute, linjert (omtrent). Men varmepumpa må ikke dekke hele effekten for da vil den nesten aldri få brukt de siste 40% av ytelsen.

Hvorfor bør varmepumpa være for liten? (2) Strømpris øre/kwh 70 Eksempel: Varmebehov kwh/år 300 000 Investering i en Effektbehov kw 200 varmepumpe som dekker VP_nr 1 VP_nr 2 60% av effekten og 90% av Varmepumpas effektdekning 60 % 40 % energien gir 4 års kw 120 80 tilbakebetalingstid. Varmepumpa energidekning 90 % 10 % kwh/år 270 000 30 000 Varempumpas p COP 3 3 Varmepumpepris kr 500 000 333 333 Spart energi kwh/år 180 000 20 000 Spart energiutgift kr/år 126 000 14 000 Enkel nedbetalingstid år 40 4,0 23,8 Kjøpes en varmepumpe som dkk dekker alt, de siste 40% effekt, vil ikke innsparingen øke mye. Tilleggsinvesteringen vil ha 23 års tilbakebetalingstide, mens de første 60% har 4 år.

COP COP = Produsert Varme Forbrukt energi Fordi COP er under brøkstreken i regnestykket for innsparing, er innsparingen mest følsom for lave COP verdier, når COP blir høy, fra 45 4,5 og oppover øker innsparingen i relativt lite. 6 0 % -10 % 5-20 % 4-30 % -40 % 3 COP -50 % 2-60 % 1-70 % -80 % 0-90 % 0 1 2 3 4 5 6 COP Innspart % 1 0 % 15 1,5 33 % 2 50 % 2,5 60 % COP 3 67 % Inspart % 3,5 71 % 4 75 % 4,5 78 % 5 80 % 5,5 82 %

Quiz Hva gir mest varme? A. 1 kwh varme avgitt ved 80/60 C B. 1 kwh varme avgitt ved 60/40 C Hva er dyrest av A. 1 kwh varme 80/60 C produsert av VP B. 1 kwh varme 60/40 C produsert av VP Hva er dyrest av A. 1 kwh varme 80/60 C produsert av olje B. 1 kwh varme 60/40 C produsert av olje 9

Temperaturløfter n 45 C 0 C 20 C 65 C 0 C 20 C 10

Hva betyr temperaturløftet Temperaturløft, o C 0/35 0/40 0/45 0/50 0/60 Varmeytelse, kw 114 110 105 100 90 Endring, % - -3,5-8 -12-21 Tilført effekt, kw 24,6 26,1 27,7 28,9 31,4 Endring, % - +6,1 +13 +17 +28 Varmefaktor, - 4,63 4,21 3,79 3,46 2,87 Endring energiforbruk, % - +10 +22 +34 Tabellen viser eksempel på hvor følsom en varmepumpe typisk er for temperaturløftet +62 11

Varmekilder (1) Ideelle krav Luft sjøvann fjell avløpsvann grunnvann Spillvarme Høy 40 C? temperatur +20 25 C 10 5 C 5 5 C 15 5 C 10 5 C 20 C? Liten investeringi ja tja nei tja tja tja Gratis ja ja ja tja ja tja noen flere noen noen noen Tilgjengelig ja steder steder steder steder steder Ikke korrosiv oftest ikke alltid ja tja ikke alltid Ja? Ikke riming jo, dessverre nei nei nei nei nei Ikke belegg Oftest ikke kan være nei kan være kan være Nei? Det er fordeler og ulemper ved de fleste varmekilder. Lokale forhold vil bestemme hva som er mest egnet i hvert enkelt tilfelle 12

Varmekilder (2) Størrelse og krav til temperaturer Temperatur på kald side: : Sjøvann, avløpsvann 10 5 C Berg 2 --3 C Luft +20 - -25 C Avløpsvann Al 15 5 C Grunnvann 10 5 C Spillvarme 40 20 C Hver grad høyere temperatur øker innsparingen med ca 0,5 % ( med 50/0 som utgangspunkt) 13

Varmekilder (3) Typiske brutto COP for de forskjellige varmekildene ved 45 C turvann og 65 C turvann. Bruk av spisslast og strøm til pumper vifter og ev. avriming vil trekke netto årlig COP ned. COP Års snitt 45 C C 65 C C Sjøvann 7 C 4,3 2,9 Berg 0 C 3,7 2,6 Luft 0 C 37 3,7 26 2,6 Avløpsvann 10 C 4,6 3,1 Grunnvann 7 C 4,3 2,9 Spillvarme 30 C 8,7 4,6 14

Varmekilder (4) Typiske Innsparing for de forskjellige varmekildene ved 45 C turvann og 65 C turvann. Bruk av spisslast og strøm til pumper vifter og ev. avriming vil trekke netto årlig COP ned. Innsparing 45 C 65 C Sjøvann 7 C 77 % 66 % Berg 0 C 73 % 62 % Luft 0 C 73 % 62 % Avløpsvann 10 C 78 % 68 % Grunnvann 7 C 77 % 66 % Spillvarme 30 C 89 % 78 % 15

Mulige kuldemedier Kuldemedier NH3 CO2 134a R410a Hybrid Kjemisk/ naturlig Naturlig Naturlig Kjemisk Kjemisk Naturlig Glide [K] 0 K 20 50K 0 K 0,5 K 40 K avgift [kr/kg] 0,- 0,- 209,- 360,- 0,- Temp. lft løft ett ttti trinn 0/45 C 0/80 C 0/65 C 0/57 C 20/110 C Temp. løft to trinn 0/90 C 0 / 120 C 0/90 C Størrelse > 500 kw < 1MW Alle Mindre < 20 MW anlegg 16

Beregningseksempel lønnsomhet sjøvanns VP uten kjøling Varme Dim Effektbehov 4 000 kw Energikost 0,6 kr/kwh Ekv. Driftstid 2 000 Energipris 0,7 kr/kwh Energibehov 8 000 000 kwh/år Effektdekning 50 % Inntjening 3 680 000 kr/år Effekt VP 2000 kw VP Energidekning 90 % Investering 25 000 000 kr Cop VP 3,00 Rel. invester 12 500 kr/kw Energi fra VP 7 200 000 kwh/år 3,1 kr/kwh Energi til VP 2 400 000 kwh/år Spisslast 800 000 kwh/år Tilbakeb. tid 6,8 år Energiforbruk 3 200 000 kwh/år Spart energi 4 800 000 kwh/år Total COP 2,50 17

Beregningseksempel lønnsomhet sjøvanns VP med kjøling Varme Dim Effektbehov 4 000 kw Energikost 06k 0,6kr/kWh Ekv. Driftstid 2 000 Energipris 0,7kr/kWh Energibehov 8 000 000 kwh/år Effektdekning 50 % Inntjening 3 680 000 kr/år Effekt VP 2000kW VP Energidekning 90 % Investering 25 000 000 kr Cop VP 3,00 relativ invester 12 500 kr/kw Energi fra VP 7 200 000 kwh/år 3,1 kr/kwh Energi til VP 2 400 000 kwh/år Spisslast 800 000 kwh/år Tilbakeb.tid 6,8 år Energiforbruk 3 200 000 kwh/år Spart energi 4 800 000 kwh/år Total COP 2,50 Totalt med både varme og kjøling Kjøling 2000kW Driftstid 800timer Inntjening 4 632 000 kr/år Frikjøling 30 % COP 4 Investering 26 000 000 kr Energi 1 600 000 kwh Energiforbruk 280 000 kwh Årlig inntjening 952 000 kr/år Tilbakeb.tid 5,6 år Total COP 2,53 18

Noen eksempler på varmepumpeløsninger Ytelse Anleggs- Kulde- Kompressortype Varmekilde løsning medie 4,5 MW 2 trinn R134a turbiner sjøvann 20 MW 2trinn R134a turbiner avløpsvann 14 MW 2 trinn NH3 Monoskruekompr. sjøvann 2 MW Ett trinn NH3 Skruekompressor spillvarme 1 MW Ett trinn, trans.kristisk CO2 Stempel kompressor Spillvarme 05MW 0,5 Hybrid NH3/ Stempel Spillvarme vann kompressor 19

Stor sjøvannsvarmepumpe armep mpe Frikjøling med sjøvann, Varmekapasitet 4.5 MW, To-trinnsanlegg Turbiner, R134a, Kjølekapasitet: 9 MW, Oljekjel: 10 MW

Stor avløpsvannsvann VP Varmepumpe: 11,2 MW (25 MW inkl oljekjeler) To-trinnsanlegg Turbiner, R134a Varmeproduksjon dkj : 52GWh Kjølekapasitet: 8 MW Kjøleproduksjon : 10,5 GWh 30.000000 m2 gatevarme Ny varmepumpe 9 MW varme og 10 MW kjøling 05.11.2010 22 Fortum fjernvarme AS

FAKTA 2-trinns system Kapasitet: >14,3 MW Varme: +60 90 o C Sjøvann: + 8/4 o C COP: > 3,0 @ 90 o C Kapasitetsregulering g ned til 10% ytelse To-trinnsanlegg. Monoskrue NH 3 varmepumper til Drammen Fjernvarme AS

Single-skruekompressorer k Single-skruekompressorer Nyere forskning & utvikling muliggjør høytrykkskompressorer med bl balanserte radial- dil og aksialkrefter beregnet for kondensering av NH3 ved 95 o C

Vilter (single) skruekompressor Drivaksel Hovedrotor Akseltetning Stjernehjul Stjernehjul serviceluke Stjernehjul Plassering for kapasitets kontrollaktuator (aktuator ikke vist) Trykkport Volum kontrollaktuator Trykkkammer

Spillvarme VP 2MW NH 3 Sarpsborg fjernvarme Temperaturen på spillvarmen holder fra 30 til 45 C, og maksimal utgående varmtvannstemperatur fra varmepumpen er 80 C. Installert effekt i fjernvarmesentralen er varmepumpen på 2 MW pluss en kjele for bioolje på 7 MW. Varmepumpen er en GEA Grasso FX PP 800 vann/vann varmepumpe med ammoniakk som kuldemedie. Varmekapasiteten er på 2000 kw ved 60/75 C på varm side og 40/30 C på kald side. Effektforbruket er da 526 kw, det vil si at effektfaktoren er 3,8. Varmepumpen er utrustet med en turtallregulert skruekompressor, og har 52 bar trykklasse. 26

CO2, transkritisk VP: compheat 4-IKV 1MW CO2: 8 C fordampning med fylt fordamper avløpsvann ved 15C CO2: 8 C fordampning med fylt fordamper, avløpsvann ved 15C, Vand varmside: 40/80 C, COP: 3,4

compheat 4-IKV Dong Energy 1 MW heat production

HYBRID VARMEPUMPE (Absorption / kompression) +30 C +80 C ICE DRAW Varmt vand Absorber Receiver COP = 4,5 CONTROL SYSTEM ICE DRAW Regulerventil Spildvarme +40 C kch ICE DRAW Kompressor +20 C Kølet vand Desorber Løsningspumpe Separator

Hybrid varmepumper i drift Kunde Branche kw Køling Varme COP Timer Tine Mejeri,1 350 45-15 50-85 3,0 23.000 Nortura 1 Slagteri 650 50-40 50-83 48 4,8 17.200 Nortura 2 Slagteri,2 275 +500 49-38 51-88 5,0 7.500 Nortura 3 Slagteri 470 49-42 51-88 4,8 7.500 Bekkelag Biogas, 3 1100 40-20 60-70 4,3 1.100 1: Totrins anlæg 2: Totrins anlæg kaskade 3: Spildevandsanlæg/ Biogasproduktion

Oppsummering: Det er mye å velge i for varmepumper i fjernvarme: Varmekilder Kuldemedier Kompressortyper Anleggstyper Kjølebehov? Det vil alltid lønne seg med små temperaturløft Varmepumpa må designes ut fra lokal forhold! 31

Takk for oppmerksomheten! Gjermund Vittersø www.thermoconsult.no 32