Fylles ut av Fylkesmannen: Fylkesmannens saksnr i eforte Melding mottatt dato: Kontrollklasse for virksomheten: Melding til Fylkesmannen om virksomhet etter forurensningsforskriftens kapittel 27: Forurensninger fra forbrenning av rene brensler 1-50 MW Skjemaet sendes elektronisk til Fylkesmannen i ditt fylke, se nettadresse på www.fylkesmannen.no Lenke til forurensningsforskriften: http://www.klif.no/seksjonsartikkel 29296.aspx Veiledning til meldingen: Forklaring/definisjoner Dette skjema gjelder for anlegg med en eller flere fyringsenheter i fysisk eller driftsmessig sammenheng på samme sted der summen av enhetenes installerte innfyrte effekt er 1-50 MW (fra og med 1 MW til og med 50 MW). Enhetsstørrelse i 27-4 a) og 27-5 b) er summen av installert innfyrt effekt for fyringsenheter med samme brensel. Installert innfyrt effekt er definert som den effekt som til enhver tid er mulig å utnytte ut fra faktisk brennerkapasitet uavhengig av hvilket brensel som til enhver tid blir benyttet. Rene brensler er definert som oljer, gass, kull og biobrensel. Forurenset returtrevirke regnes ikke som rene brensler. El-kjeler omfattes ikke av reguleringen og regnes ikke inn i anleggsstørrelsen. Utfylling av skjema Ansvarlig for anlegget har meldeplikt til fylkesmannen før anlegget starter opp eller før anlegg endres/utvides, jf 27-8 og 27-10. Både produksjonsdata, tekniske data, utslippsdata og askedisponering/planlagt askedisponering skal fylles ut. For kombikjeler angis utslippsdata for begge/alle brenselstyper. For kombikjeler gjelder lempeligste utslippsgrenser. Kvotepliktige utslipp av CO 2 Eksisterende og nye anlegg med nominell innfyrte effekt > 20 MW som har utslipp av fossil CO 2, må søke Klima- og forurensningsdirektoratet om særskilt tillatelse til kvotepliktige utslipp. Dett gjelder også for anlegg med installert innfyrt effekt 20 MW dersom anlegget står i driftsmessig sammenheng med andre forbrenningsanlegg i samme nett slik at innfyrt effekt er > 20 MW. Melding og oppstart Nye anlegg eller utvidelser/endringer skal i god tid før oppstart/endring sende utfylt skjema til Fylkesmannen. Anlegg som omfattes av kapittel 27, men som driver uten tillatelse, bør også sende inn meldingsskjema. Virksomheten kan starte opp/endre/utvide fra 6 uker etter at meldingen er bekreftet mottatt av Fylkesmannen, med mindre Fylkesmannen fastsetter noe annet. Fylkesmannen kan på bakgrunn av meldingen pålegge virksomheten å søke om tillatelse i henhold til 11 i forurensningsloven. Mellomlagring av aske Mellomlagring av aske krever særskilt tillatelse fra Fylkesmannen.
1. Bedriftsdata Bedriftsnavn Gateadresse Postadresse Stjørdal Fjernvarme AS Kjøpmannsgata 9, co/ Stjørdal kommune, 7500 STJØRDAL co/ Biovarme AS, Akersgata 1, 0158 Oslo Kommune Stjørdal Fylke: Nord Trøndelag Kontaktperson Navn: Tormod Gevelt e-post: tormod.gevelt@biovarme Org. nummer (bedrift).no 992 120 746 Tlf: 90680641 Gårdsnr. 107 Bruksnr.: 406 Kartreferanse (UTM- koordinater) Etableringsår/byggeår anlegg: Sonebelte Nord - Sør Øst - Vest 32V 70 390 95 05 968 00 2011 Endret/utvidet år: Avstand til nærmeste bolig, skole, institusjon og lignende (m) Ca 50 m (boliger vest for anlegget) 2. Planstatus Dokumentasjon på at virksomheten er i samsvar med eventuelle planer etter plan - og bygningsloven skal legges ved meldingsskjemaet til kommunen. Planbestemmelsene kan gi føringer blant annet for utforming av anlegg, støy, lukt med mer. Er lokaliseringen behandlet i reguleringsplan? Reguleringsplanens navn og dato for vedtak Ja. Detaljregulering pågår. Nedre Ringbanen Lillemoen. 15.11.07 sak 0110/07 3. Produksjonsdata a) beskrivelse Systembeskrivelse og flytskjema for anlegget I vedlegg Type brensler Grunnlast: Treflis Reserve og spisslast: Olje
b) anlegg med en type hovedbrensel (angi hovedbrensel) Samlet installert innfyrt effekt Antall fyringsenheter Estimert driftstid - grunnlast Estimert driftstid spiss-/reservelast Estimert produsert energimengde grunnlast Estimert produsert energimengde spiss-/reservelast MW stk timer/år time /år GWh/år GWh/år c) anlegg med flere typer hovedbrensler (angi hovedbrensler) Samlet installert innfyrt effekt 9,1 (bio) + 13,0 (olje) MW Antall fyringsenheter 4 stk Estimert driftstid - grunnlast 8000 timer/år Estimert driftstid spiss-/reservelast 2000 time /år Estimert produsert energimengde grunnlast 34 GWh/år Estimert produsert energimengde spiss-/reservelast 6 GWh/år d) Opplysninger om fyringsenhetene Samlet nominell effekt Type brensel Damp / hetvann / direkte fyrt Grunnlast eller spisslast Innfyrt effekt [MW] Termisk effekt [MW] Fyringsenhet 1 1 Bioanlegg Hetvann Grunnlast 4,55 4,7 (3) Fyringsenhet 2 1 Bioanlegg Hetvann Grunnlast 4,55 4,7 (3) Fyringsenhet 3 1 Oljekjel Hetvann Spisslast 6,5 6,0 Fyringsenhet 4 1 Oljekjel Hetvann Spisslast 6,5 6,0 Kombienhet Flere brensler i samme fyringsenhet Enhetsstørrelse Sum fyringsenheter med samme brensel 2 / Bioanlegg Hetvann Grunnlast 9,1 8,0 Enhetsstørrelse Sum fyringsenheter med samme brensel 2 1 Skriv inn eget unikt navn på fyringsenhet 2 Kombienheter summeres inn i enhetsstørrelse for det brensel som gir lempeligste utslippsgrenser (3) Inkludert kondenseringsanlegg Oljekjel Hetvann Spisslast 13,0 12
4. Tekniske data En (1) tabell per fyringsenhet Fyringsenhet 1 og 2 (biokjeler) Forbrenningsløsning: Rist / fluidized bed / brenner/etc. Type enhet: Røykrørskjel//Vannrørskjel/direkte fyring /etc. Bioanlegg m/bevegelig rist Røykrørskjel Temperatur ut: Gjelder varmtvanns- / dampkjel Maks 120 º C Røykgasstemperatur 60 (etter kond.) º C Røykgassmengde Fuktig gass 2 x 9300 Nm 3 /time Røykgassrensing: Multisyklon/ posefilter/ elektrofilter/etc. Multisyklon og kondenseringsanlegg Utslippshøyde over bakken 30 m Utslippshøyde over tak 15 m Røykrørsdiameter 2 x 0,55 m En (1) tabell per fyringsenhet Fyringsenhet 3 og 4 (oljekjeler) Forbrenningsløsning: Rist / fluidized bed / brenner/etc. Type enhet: Røykrørskjel//Vannrørskjel/direkte fyring /etc. Oljekjel (spisslast) Røykrørskjel Temperatur ut: Gjelder varmtvanns- / dampkjel Maks 120 º C Røykgasstemperatur 220 º C Røykgassmengde Fuktig gass 2 x 7460 Nm 3 /time Røykgassrensing: Multisyklon/ posefilter/ elektrofilter/etc. (Ingen) Utslippshøyde over bakken 30 m Utslippshøyde over tak 15 m Røykrørsdiameter 2 x 0,60 m 5. Utslippsdata a) Utslipp til luft En (1) tabell per brenselstype (kopier denne tabell for hver brenselstype) Brenselstype: Bio 3 Utslippskomponent mg/nm 3 vol % O 2 Midling Karbonmonoksid (CO) 200 6 Time Nitrogenoksid (NOx) 300 6 Time Støv (PM10) 75 6 12 timers
En (1) tabell per brenselstype (kopier denne tabell for hver brenselstype) Brenselstype: Olje 3 Utslippskomponent mg/nm 3 vol % O 2 Midling Karbonmonoksid (CO) 80 3 Time Nitrogenoksid (NOx) 250 3 Time Støv (PM10) 20 3 12 timers 3 Kombienheter angis med utslipp for begge brenselstyper Karbondioksid (CO 2 ) 4 Ikke kvotepliktig Tonn/år 4 Gjelder kvotepliktige anlegg Spredningsberegninger er gjennomført (dato og vedlegg nummer) 01.04.2011 - Vedl. A 6. Aske a) Askedisponering 1 En (1) tabell per brensel Brenselstype Askebehandling Mengde tonn/år Disponering Bunnaske 130 Deponi Flyveaske (inkl. tørrstoff fra slamfilter) 36 + 4 Deponi + utslipp til luft 1 Mellomlagring av aske krever tillatelse fra Fylkesmannen Følgende forutsetninger ligger til grunn for askeberegningen: - 1% aske av forbrent mengde biomasse (% av fuktig mengde) pr år. - Årlig estimert forbruk av flis: 17 000 tonn (34 GWh) - Askeandel totalt blir da: 170 tonn/år. - Videre er følgende oppgitt for anlegget: 1,05 kg flyveaske pr MWh, hvorav 0,7 kg utskilt i syklon og 0,35 kg (tørrstoff) filtreres ut i slamfilteret (scrubber). Dette tilsvarer 36 tonn/år. I tillegg kommer finstøv (PM10) beregnet til 4 tonn/år; totalt 40 tonn/år. - Resten av estimert askemengde er oppgitt som bunnaske, dvs. 130 tonn/år.
Oppdragsgiver Stjørdal Fjernvarme AS Rapporttype Endelig 2011-03-31 BIOVARMEANLEGG STJØRDAL SPREDNINGSBEREGNINGER VARMESENTRAL
VARMESENTRAL 3 (43) BIOVARMEANLEGG STJØRDAL VARMESENTRAL Oppdragsnr.: 6110068 Oppdragsnavn: Biovarmeanlegg Stjørdal Dokument nr.: V-rap-001-A Filnavn: V-rap-001-A-doc Revisjon A B C Dato 2011-03-24 2011-03-25 2011-04-01 Utarbeidet av SEN/FVK SEN/FVK SEN Kontrollert av SEN/FVK OG/SEN SEN Godkjent av SEN SEN SEN Beskrivelse Spredningsberegning Revisjonsoversikt Revisjon Dato Revisjonen gjelder A 2011-03-24 Rapport, endelig. B 2011-03-25 Språklige korrigeringer og presiseringer. Lagt til vedlegg (klimadata og utslippsdata). Ingen endring av konklusjon. C 2011-03-31 Korrigeringer/supleringer etter gjennomgang med oppdragsgiver. Lagt til vedlegg (prinsipp- og systemskjema). Ingen endring av konklusjon (samme pipehøyde). Rambøll Mellomila 79 P.b. 9420 Sluppen NO-7493 TRONDHEIM T +47 73 84 10 00 F +47 73 84 10 60 www.ramboll.no
4 (43) VARMESENTRAL INNHOLD 1 INNLEDNING... 7 2 KONKLUSJON... 8 3 SAMMENDRAG... 9 4 SPREDNINGSBEREGNINGER... 11 5 ANLEGGETS LOKALISERING... 14 6 LUFTKVALITETSKRITERIER... 17 7 METEOROLOGISKE DATA FOR STJØRDAL... 19 8 UTSLIPPSDATA... 20 9 RESULTATER - SPREDNINGSBEREGNING... 22 9.1 Vurdering av pipehøyde for å unngå downwash"... 22 9.2 Resultater uten hensyn til topografi (flatt terreng)... 23 9.3 Resultater med hensyn til topografi (terrengprofil)... 27 9.3.1 Terrengprofil... 27 10 RESULTATER - SYNLIG RØYK (VANNTÅKE)... 30 11 RESULTATER - TEMPERATUR I RØYKSKYEN... 32 12 REFERANSER... 34 13 VEDLEGG A - CFD-MODELL OG TEKNISKE FORUTSETNINGER... 35 13.1 CFD-analyser... 35 13.2 CFD-modell (geometri)... 35 13.3 Grid... 35 13.4 Vindprofil... 37 13.5 Rand- og initialbetingelser... 38 13.6 Program- og maskinvare... 38 14 VINDDATA FOR VÆRNES 1980-2010 (FYRINGSSESONG)... 39 15 RELATIV FUKTIGHET OG TEMPERATUR... 40 16 UTSLIPPSDATA... 41 17 BEREGNINGSMATRISE SCREEN VIEW 3... 41 18 PRINSIPPSKJEMA - BIOKJEL OG RØYKGASS... 42 19 SYSTEMSKJEMA - BIOVARMEANLEGG... 43 Rambøll
VARMESENTRAL 5 (43) FIGUROVERSIKT Figur 4.1 Prinsippskisse av røykfanens spredning under ulike stabilitetsforhold. Figuren er hentet fra [1].... 12 Figur 4.2 Skisse av en Gaussisk spredningsmodell. Figuren er hentet fra [12].... 13 Figur 5.1 Blde av området sett fra SØ (hentet fra Finn.no). Pilen markerer anleggsplasseringen.... 14 Figur 5.2 Markering av utsatte punkter (GISLine, Stjørdal kommune). Vindrose for Stjørdal (vinterhalvår siste 30 år, eklima.no) er montert inn i kartet.... 15 Figur 7.1 Vindroser for vinterhalvåret for Værnes i Stjørdal. Kilde eklima, DNMI.... 19 Figur 9.1 Bakkekonsentrasjon NO2 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon A- Full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural).... 23 Figur 9.2 Bakkekonsentrasjon PM10 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon A- Full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural). NB! Maksimale times- verdier er angitt i grafene over.... 24 Figur 9.3 Bakkekonsentrasjon NO2 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon B- Kun biokjeler i full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural).... 25 Figur 9.2 Bakkekonsentrasjon PM10 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon B- Kun biokjeler i full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural). NB! Maksimale timesverdier er angitt i grafene over.... 26 Figur 9.3 Terrengprofil fra varmesentralen mot Fosslia (kompleks terrengmodell). Pipefundamentet er plassert i 0,0. Fosslia ligger 1200-1600 meter fra utslippspunktet.... 27 Figur 9.4 Terrengprofil fra varmesentralen mot Husbymarka (kompleks terrengmodell). Pipefundamentet er plassert i 0,0. Fosslia ligger 1600-1800 meter fra utslippspunktet.... 27 Figur 9.6 Bakkekonsentrasjon NOx (døgnmiddel) ved pipehøyde 30 m og kompleks terreng. Full drift (A)... 28 Figur 9.6 Bakkekonsentrasjon NOx (døgnmiddel) ved pipehøyde 30 m. Fosslia og kun biokjeldrift (B).... 29 Figur 9.6 Bakkekonsentrasjon PM10 (døgnmiddel) ved pipehøyde 30 m. Husbymarka og kun biokjeldrift (B).... 29 Figur 10.1 Tilført fukt til uteluften som funksjon av avstand fra utslippet (beregnet med Screen View 3) langs senterlinjen for røykskyen 57 m over bakken.... 30 Figur 10.2 Resultater fra CFD-simulering av utslipp full belastning på biokjelene (9,6MW) ved utetemperatur 0 C (273,15 K). Øverst vises estimert synlig røyksky (vanntåke) med en tilskuddsgrense på 0,2 g/m3. Nederst med en grense på 0,1 g/m3. Det er benyttet en "nøytral" temperatursjiktning på -0,5 C/100 m stigning.... 31 Figur 11.1 Temperatur i røykskyen. Resultater fra CFD-simulering av utslipp full belastning på oljekjeler (12MW) ved utetemperatur 0 C (273,15 K) og utslippstemperatur på 220 C. Øverst: Vindhastighet 3 m/s. Nederst: Vindhastighet 2 m/s.... 32 Figur 13.1 Bildet viser CFD-modellen med et snitt av griddet som er benyttet.... 36 Figur 13.2 Eksempel på vindprofil benyttet som randbetingelse. Figuren viser eksponentiell kurve (Upow) sammen med tilsvarende logaritmisk vindprofil (Ulog).... 37 Ramboll
6 (43) VARMESENTRAL TABELLOVERSIKT Tabell 4.1 Sammenheng mellom vertikal temperaturgradient og stabilitetsklasser... 11 Tabell 5.1 Kotehøyder og høyder på bygg o.l. innenfor en radius på 2000 m fra utslippskilden. Se Figur 5.2 for plassering av de nærmeste punktene.... 16 Tabell 6.1 Gjeldende nasjonale luftkvalitetskriterier (kilde FHI)... 17 Tabell 6.2 Gjeldende grenseverdier i forskriften (bakkekonsentrasjoner) for aktuelle komponenter [8].... 18 Tabell 8.1 Utslippsgrenser til luft i hht 27-5 i forurensningsforskriften... 20 Tabell 8.2 Utslippsdata. Inndata til spredningsberegningene. NOx-verdier er regnet som NO2.... 20 Tabell 8.3 Korreksjonsfaktor for NOx-utslipp, Kilde [17].... 21 Tabell 9.1 Faktorer for estimering av tidsmidlede konsentrasjonsverdier.... 22 Tabell 10.1 Data for fuktinnhold i uteluften. Kolonnen helt til høyre viser hvor mye fukt som må tilføres luften pr m 3 før den blir mettet.... 30 Rambøll
VARMESENTRAL 7 (43) 1 INNLEDNING Rambøll Norge AS har på oppdrag av Stjørdal Fjernvarme AS utført spredningsberegninger og CFD-simuleringer for ny varmesentral øst for Stjørdal sentrum. Samlet kjeleffekt for anlegget er oppgitt til 20 MW fordelt på to biokjeler á 4 MW og to oljefyrte spisslastkjeler á 6 MW. Det taes i tillegg ut 2 x 0,8 MW i kondenseringsvarme etter biokjelene. Dimensjonerende driftssituasjon skal gi en ytelse på i 21,6 MW med en grunnlast på 9,6 MW. Grunnlasten dekkes av biokjelene, og skal fyres med flis. Utslippsberegningene utføres for å verifisere at utslipp fra anlegget tilfredsstiller krav til maksimale bakkekonsentrasjoner for nye anlegg gitt av Forurensningsforskriftens kap. 7 og 27 [8]: Forurensningsforskriftens 27-5 avsnitt c (nye fyringsenheter):... For nye forbrenningsanlegg/fyringsenheter 5 MW skal det gjennomføres spredningsberegninger for å bestemme høyden på utslippspunktet for røykgassen. Beregningene skal utføres av en uavhengig, kompetent faginstans. Beregninger for fastsettelse av utslippshøyde skal gjøres på bakgrunn av utslippsmengder, bakgrunnskonsentrasjoner og de ugunstigste spredningsforhold som kan forekomme. Utslippshøyden skal beregnes slik at bidraget fra forbrenningsanlegget/fyringsenheten normalt ikke overskrider 50% av differansen mellom bakgrunnsverdiene og maksimalt tillatte grenser for luftkvalitet, jf. forurensningsforskriftens kapittel 7. Innledningsvis er skorsteinshøyden vurdert ut i fra fare for røyknedslag ved nærliggende bygninger (inkl. nytt kjelhus). Deretter er det tatt utgangspunkt med denne minimumshøyden. Spredningsberegninger for utsatt nedslagsfelt er så utført med økende skorsteinshøyde helt til det ugunstigste området ikke lenger blir utsatt for høyere bakkekonsentrasjoner enn tillatt. Det er gjennomført en CFD-simulering for å vurdere temperaturprofilen i røykskyen ved ugunstige driftsforhold. Dette danner grunnlag for vurdering av en sikkerhetssone med hensyn på flyvning i nærheten av anlegget. Ramboll
8 (43) VARMESENTRAL 2 KONKLUSJON En pipehøyde på 30 meter vil være tilstrekkelig for å tilfredsstille forskriftens krav til luftkvalitet. Det er forutsatt at all NO x omdannes til NO 2, noe som gir konservative verdier. Synlig vanntåke i røykfanen er vurdert til å ligge på mellom 150 og 400 meter ved ugunstige værforhold. Slike forhold vil oppstå 12% av tiden i fyringssesongen. En minimum sikkerhetssone på 100 m fra utslippspunktet er beregnet forutsatt et krav på maksimal overtemperatur dt < 1 C. Rambøll
VARMESENTRAL 9 (43) 3 SAMMENDRAG Rambøll Norge AS har på oppdrag av Stjørdal Fjernvarme AS utført spredningsberegninger for fremtidig forbrenningsanlegg på Stjørdal. En vurdering av synlig vanntåke i røykfanen er også omhandlet. Samlet kjeleffekt for anlegget oppgitt til 20 MW fordelt på to biokjeler á 4 MW og to oljefyrte spisslastkjeler á 6 MW. Det taes i tillegg ut 2 x 0,8 MW i kondenseringsvarme etter biokjelene i en kombinert scrubber. Dimensjonerende driftssituasjon skal gi en ytelse på 21,6 MW med en grunnlast på 9,6 MW. Grunnlasten dekkes av biokjelene, og skal fyres med flis. Spredningsberegningene er utført ved antatt dimensjonerende driftssituasjon og ved dellast. Biokjelene fyres med flis med inntil 55% fuktinnhold. Resulterende konsentrasjoner ved bakkenivå og utsatte punkt for NO x, støv (PM10) og CO er beregnet. Utslippdata for røykgassen er oppgitt av oppdragsgiver Stjørdal Fjernvarme AS (se vedlegg), og er identisk med verdiene i Forurensningsforskriften [8] for kjelstørrelse 20-50 MW. Utslippsverdiene i Forurensningsforskriften gjelder for anlegg som brenner rene brensler (dvs. ikke bruk av RT-flis). Programvaren Screen View 3 fra EPA (U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY) er benyttet for å gjennomføre beregningene. Programmet benytter en Gaussisk spredningsmodell og beregner luftkonsentrasjon av forurensninger fra utslippskilden som funksjon av avstand fra kilden. Beregningene er utført for kombinasjoner av aktuelle stabilitetsforhold og vindstyrker. Screen View 3 er også benyttet for å vurdere utbredelsen (spredning) av synlig vanntåke. Det er i tillegg laget en CFD-modell i ANSYS CFX for å synliggjøre temperatur- og dampspredning i røykfanen. Resultatene fra Screen View 3 og CFD-simuleringen supplerer hverandre og er lagt til grunn for vurderingen av synlig røyk under ulike klimatiske forhold. Alle klimadata for området er hentet fra eklima.no. Følgende resultater er presentert og vurdert: Minimum pipehøyde for å unngå "downwash" fra nærliggende bygninger. Maksimal timesmiddel bakkekonsentrasjon (µg/m 3 ). Overslag døgnmiddelverdier for støv (µg/m 3 ). Avstand fra utslipp til maksimal bakkekonsentrasjon (meter). Utbredelse av synlig røyk (vanntåke) og temperaturprofil i røykskyen ved ugunstige drftsforhold. Resultatene viser at en pipehøyde på 30 meter vil være tilstrekkelig for å tilfredsstille forskriftens krav til luftkvalitet. Det er utslipp av NO x som er dimensjonerende for skorsteinshøyden. Området Husbymarka, som ligger ca 1 km nord for anlegget, er dimensjonerende nedslagsfelt. Resultatene er videre basert på at all NO x omdannes til NO 2 ved bakkenivå. Hvis vi tar utgangspunkt i korrigeringsfaktorer [17] for mengde NO x som reelt omdannes til NO 2, vil vi også Ramboll
10 (43) VARMESENTRAL kunne tilfredsstille luftkvalitetskriteriet gitt av KLIF/FHI på 37,5 µg/m 3. Dette forutsetter at Fylkesmannen/KLIF aksepterer disse korrigeringsfaktorene. Det har ikke vært mulig å oppdrive lokale bakgrunnsverdier for Stjørdal. NILU har imidlertid i fm andre tilsvarende oppdrag opplyst at dersom man ikke har data tilgjengelig, kan man benytte følgende bakgrunnsbelastning for bynære boligområder: NO 2 = 25 µg/m 3 (timeverdi). PM 10 = 20 µg/m 3 (døgnmiddel). Bakgrunnsbelastning av betydning vil normalt opptre i kalde perioder med mye vedfyring og lokal trafikk. Beregning av synlig røykfane som følge av høy fuktighet i brensel (55% fuktig flis), viser at man under "normalt" ugunstige forhold vil få en synlig vanndampsky som strekker seg ca 150-200 meter fra utslippspunktet. "Normalt" ugunstigste forhold oppstår når lufttemperaturen ligger mellom 0 og 5 C og man har en relativ fuktighet på rundt 95%. Under slike forhold vil det ofte være regn og/eller lavtliggende skydekke som medfører at inntrykket av den synlige vanntåken dempes. På fine vinterdager med svært lave lufttemperaturer og høy relativ luftfuktighet (95%) vil man kunne oppleve en vanndampsky som strekker seg opp mot ca 400 m fra utslippspunktet. Av statistikken kan vi lese at vi kan forvente "ugunstige forhold" ca 12% av tiden i fyringssesongen, dvs når RH er over 85% og lufttemperaturen er under 4 C. CFD-beregningene viser at man under ugunstige driftssituasjoner, dvs. full drift av kun oljekjeler ved ca 0 C utetemperatur, får en sone rundt anleggets utslippspunkt på ca 50 meter der temperaturen i røykskyen ligger 3 C over lufttemperturen (dt>3 C). Sonen øker til ca 100 m rundt utslippspunktet ved et krav på maksimal dt < 1 C. Rambøll
VARMESENTRAL 11 (43) 4 SPREDNINGSBEREGNINGER For å kunne si noe om hvordan utslipp fra en punktkilde spres i atmosfæren, benytter man spredningsmodeller. Spredningsmodellering er et svært omfattende fagområdet. Det vil være for omfattende å gå i dybden på det teoretiske, meteorologiske og helsemessige grunnlaget i denne rapporten, men en kort introduksjon er gitt. For en innføring i fagfeltet Atmospheric dispersion modeling, henvises det bl.a. til referansene [1, 12 og 13]. En mer omfattende innføring av det teoretiske grunnlaget er å finne i [1] og [4, 5]. Det er viktig å forstå hvilke atmosfæriske forhold som kan opptre og hvordan disse forholdene påvirker spredningen fra en utslippskilde. Foruten egenskapene til selve utslippet (temperatur, utslippshastighet og mengde av forurensningskomponenter i utslippet, heretter kalt "komponenter"), er det de atmosfæriske og topografiske forholdene som avgjør hvor godt eller dårlig utslippet spres og tynnes ut. Frank Pasquill utarbeidet i 1961 et klassifiseringssystem bestående av seks stabilitetsklasser, A til F, der A-C er ustabile klasse med A som mest ustabil, D er nøytral stabilitet og E-F er stabile klasser. Hver klasse definerer stabiliteten, eller egentlig mengden turbulens i det nederste laget av atmosfæren, også kalt atmospheric boundary layer eller ABL. Stabilitetsklassene kategoriseres ut i fra de meteorologiske forholdene normalt observert og er sterkt avhengig av temperaturprofilen og -gradienten i det nederste sjiktet av ABL, se Figur 4.1 og Tabell 4.1. Tabell 4.1 Sammenheng mellom vertikal temperaturgradient og stabilitetsklasser Stabilitet Ustabilt Nøytralt Lett stabilt Stabilt Temp. gradient ( C/100m) < -1-1 - 0 0-1 > 1 NILU: dt 25 og 10 m [1] < -0.5-0.5-0 0-0.5 > 0.5 Pasquill A, B, C D E F Under stabile forhold er spredningen av røykfanen dårlig. Temperaturgradienten er positiv (temperaturen øker med høyden), noe som gjør luftlaget stabilt (liten oppdrift). Ved lave vindhastigheter, undertrykkes dermed i stor grad den mekaniske blandingen pga vind, og røykfanens spredning blir liten. Bakkeinversjon er et typisk tilfelle av stabil luftmasse, og medfører at konsentrasjonen i røykfanen er høy og fraktes langt bort, noe som kan medfører svært høye bakkekonsentrasjoner langt unna kilden og/eller ved forhøyninger i terrenget. Stabile forhold er typiske for stille klare netter og om vinteren der de nederste luftlagene kjøles ned av den kalde bakken. Ramboll
12 (43) VARMESENTRAL Figur 4.1 Prinsippskisse av røykfanens spredning under ulike stabilitetsforhold. Figuren er hentet fra [1]. Nøytrale stabilitetsforhold opptrer normalt i overskyet vær der man har begrenset varmeutveksling ved bakken og/eller moderat til sterk vind. Spredningen er alltid relativt god, dvs. man har god horisontal og vertikal fortynning av utslipp fra skorstein. Under ustabile forhold får vi den beste spredningen av røykfanen vertikalt, men for skorsteiner kan dette medføre de høyeste konsentrasjonene i nærheten av utslippet på grunn av røyknedslag. Ustabil sjiktning oppstår bl.a. når bakken varmes opp av solen og det nederste luftlaget blir varmt og får høy oppdrift. Det er viktig å merke seg at luftlagets stabilitet normalt endrer seg i løpet av et døgn, og at endringene kan skje relativt raskt (timer). Spredningsberegninger omfatter bl.a. bestemmelse av røykløftet og røykfanens spredning vertikalt og horisontalt i spredningsretningen ved de ulike atmosfæriske forholdene (stabilitetsforholdene). Den effektive skorsteinshøyde er definert som summen av den fysiske skorsteinshøyden og røykløftet. Røykløftet er avhengig av røykens temperatur og hastighet ut av skorsteinsmunningen, og varierer med vindstyrken. Omkring 1970 gjennomførte G. A. Briggs en omfattende litteraturstudie av gjeldende røykfanemodeller, og sammenstilte kunnskapen i Briggs-modellen, som er en av de mest implementert modellene (se bl.a. [11]). Rambøll
VARMESENTRAL 13 (43) Det finnes en god del dataprogrammer som beregner (estimerer) spredning fra ulike utslippskilder. De fleste programmene benytter i dag empiriske modeller. De mest avanserte modellene (bl.a. AERMOD) kan ta hensyn til utslipp fra flere og ulike kilder, topografi (terreng), detaljerte meteorologiske data, infrastruktur (bygninger) i nærheten av utslippskilden, samt har modeller som korrigerer for tørr- og våtavsetning. Enklere modeller forutsetter flatt terreng eller en forenkling av topografien og infrastruktur, ingen avsetning og full refleksjon av forurensningen (dvs komponentene reflekteres bl.a. av bakken). Screeningmodeller er av den enklere typen og er designet slik at man kan utføre initielle beregninger som ikke krever så mye inndata. Resultatene fra slike modeller er forventede maksimalverdier (som regel timesverdier) som funksjon av avstand til utslippet. På grunn av den voldsomme utviklingen i tilgangen på billig datakraft og dataminne, vil man i fremtiden sannsynligvis se mer bruk av CFD 1 -baserte programmer for å beregne røykfanens spredning, der man modellerer topografi og infrastruktur med stor nøyaktighet. Utfordringen ligger i å definere de atmosfæriske forholdene (stabiliteten) samt og få ned beregningstiden. Spredningsprogramvaren som er benyttet i dette oppdraget, Screen View 3 (et grafisk overbygg av SCREEN3/ICS3 fra EPA i USA), benytter en Gaussisk spredningsmodell. Programmet er en screening programvare. Ulike empiriske modeller er implementert for å beregne spredningsparameterene som inngår i den Gaussisk modellen (se [4, 5]), bl.a. Briggs røykløftmodell og Pasquills stabilitetsklassifisering. Den Gaussiske modellen baserer seg på at konsentrasjonen av de ulike komponentene har en normalfordeling vertikalt og horisontalt langs røykfanens transportretning og at røykfanen reflekteres av bakken (noe som normalt er konservativt). Se Figur 4.2. CFD-programmet ANSYS CFX er også benyttet i dette oppdraget for simulering/vurdering av synlig vanntåke i utslippet. Resultatene er vurdert sammene med resultater fra Screen View 3. Figur 4.2 Skisse av en Gaussisk spredningsmodell. Figuren er hentet fra [12]. 1 Computational Fluid Dynamics (se Wikipedia for en innføring). Ramboll
14 (43) VARMESENTRAL 5 ANLEGGETS LOKALISERING De topografiske forholdene spiller en avgjørende rolle for beregningene, og er svært viktig å kartlegge (se [1] for en oversikt over ulike forhold som bør vurderes). Varmesentralen skal plasseres på Lillemoen og blir liggende ca 1 km nord-øst for Trondheim Lufthavn Værnes flyplass og ca 1,5 km fra kystlinjen. Området rundt varmesentralen består av kommunale bygg (skoler, barnehager og idrettsanlegg) og næringsbygg, bolighus, jordbruksareal og flyplass. Tomten som anlegget skal bygges på ligger på kote 8 moh. Takhøyden på eksisterende nærliggende bygningsmasse er beskjeden med hangar beliggende ca 200 m øst for varmesentralen som høyeste bygning. Denne skal rives og erstattes antakeligvis av boliger [18]. Det er planlagt et bygg på nabotomten rett nord for varmesentralen. Reguleringsplanen tilsier en maksimal bygningshøyde på 10 meter [18]. Figur 5.1 Blde av området sett fra SØ (hentet fra Finn.no). Pilen markerer anleggsplasseringen. Terrenget rundt den planlagte varmesentralen betrakets generelt som flatt. Mot øst er terrenget preget av flatt åkerlandskap i ca 1,5 2 km før terrenget stiger relativt bratt opp mot Koksåsen med høyeste punkt på 235 moh. Koksåsen har svært liten grad av bebyggelse. I nordøstlig retning er terrenget flatt i ca 1 km med stigende terreng mot Husbymarka bestående hovedsakelig av boliger beliggende på ca 150 moh. Mot nord er terrenget flatt gjennom Stjørdal sentrumsområde etterfulgt av svak stigning mot Fosslia boligområde. Terrenget mot sør og vest er i stor grad preget av flyplassen, Trondheim Lufthavn Værnes, og er flatt mot Stjørdalselva og mot fjorden. Rambøll
VARMESENTRAL 15 (43) Figur 5.2 Markering av utsatte punkter (GISLine, Stjørdal kommune). Vindrose for Stjørdal (vinterhalvår siste 30 år, eklima.no) er montert inn i kartet. Ramboll
16 (43) VARMESENTRAL Andre forurensningskilder som befinner seg i nærområdet til anlegget er: - Trondheim Lufthavn Værnes (1500 2000 meter fra anlegget) - E14 (200 300 meter rett nord fra anlegget) - Glava (2300 meter) Kotehøyde for skorstein, varmesentral og utsatte områder er oppsummert i tabellen under. Tabell 5.1 Kotehøyder og høyder på bygg o.l. innenfor en radius på 2000 m fra utslippskilden. Se Figur 5.2 for plassering av de nærmeste punktene. Bygg/nedslagsfelt Skorsteinsmunning (fundament 8 moh) Ref. Figur 5.2 Retning Sør =180 Øst = 90 Kote (moh) Bygningshøyde (m) Kvadrat - 38-0 Kjelhus Kvadrat - 8 15 15 Boligfelt (Fosslia) A 20 150-2000 Horisontal avstand (m) Boligfelt (Husbymarka) B 0 50-1000 - 1300 Skoleområde C 330 10-800 - 1000 Trondheim Lufthavn D 220 10-500 -1500 Siden terrenget er høyere enn skorsteinsmunningen innenfor en radius på et par km, benyttes "Complex Terrain" i Screen View 3 for å simulere punktene A og B (ref. tabellen over). Spredning i retninger der terrenget er flatt (mot nord) eller har liten stigning, benyttes såkalt "Simple Terrain". Avhengig av hva som gir ugunstigste verdier, benyttes hhv forutsetning om ru (urban) eller glatt (rural) overflate. Terreng og bebyggelse i nærområdet tilsier at forutsetningen om ru overflate skal benyttes for nærliggende områder. Rambøll
VARMESENTRAL 17 (43) 6 LUFTKVALITETSKRITERIER For å forbedre den lokale luftkvaliteten er det viktig er å redusere utslipp av uønskede komponenter til luft. Dette kan oppnås gjennom redusert behov for utslipp, bruk av ny/bedre teknologi, bytte av brensel og/eller bedre rensing av utslippene. En oppdatert oversikt over de helsemessige aspektene ved utslipp av ulike komponenter på lokal luftkvalitet, kan man bl.a. finne på www.luftkvalitet.info og Folkehelseinstituttets (FHI) hjemmesider www.fhi.no/eway (velg Luftforurensning og Helseeffekter). En oversikt over de gjeldende anbefalte luftkvalitetskriteriene er tilgjengelig på FHI's nettside og er gjengitt i Tabell 1. Luftkvalitetskriteriene er satt så lavt at man ut fra tilgjengelig kunnskap antar at de aller fleste kan utsettes for disse nivåene uten at alvorlige skadevirkninger oppstår. Tabell 6.1 Gjeldende nasjonale luftkvalitetskriterier (kilde FHI) Midlingstid Komponent Enhet 15 min 1 t 8 t 24 t 6 mnd NO 2 µg/m 3 500 100-75 50 Ozon µg/m 3-100 80 - - Svevestøv, PM10 µg/m 3 - - - 35 - Svevestøv, PM2,5 µg/m 3 - - - 20 - SO 2 µg/m 3 400 - - 90 40 CO mg/m 3 80 25 10 - - Fluorid µg/m 3 - - - 25 10 Ved forbrenning av rene brensler 2 er det normalt utslipp av NOx og svevestøv (PM10 og PM2.5) som er dimensjonerende for spredningsberegningene. Svevestøv er i dag ansett for å være en av de største utfordringene for den lokale luftkvaliteten, spesielt i de største byene, og grenseverdiene er justert ned av KLIF/FHI de siste årene. Senest i år 2000 ønsket ikke EU/WHO å definere noen grenseverdier for svevestøv, men i 2005 ble det likevel innført retningslinjer for midlere døgn- og halvårskonsentrasjoner [2, 14]. Det gjøres oppmerksom på at verdiene for svevestøv er under revisjon av KLIF/FHI. Utslipp av NOx fra et anlegg vil normalt være oppgitt som mengde NOx beregnet som NO 2, til tross for at NOx-utslipp fra et forbrenningsanlegg hovedsakelig opptrer som NO ved utslippskilden. Under påvirkning av sollys og bakkenær ozon, vil NO oksideres til NO 2. Andelen som omdannes varierer geografisk og over året, men normalt vil mindre enn 50% omdannes. Det er likevel normal prosedyre/praksis at man definerer all NOx som NO 2 i fm spredningsberegninger. Dette gir konservative resultater. Forurensningsforskriften definerer grenseverdier som ikke skal overstiges, enten absolutt eller der man tillater et visst antall overskridelser i løpet av en periode. Grenseverdiene er generelt sett høyere enn de nasjonale luftkvalitetskriteriene gjengitt i tabell 6.1. 2 Se kap 27 i forurensningsforskriften for definisjon av rene brensler. Ramboll
18 (43) VARMESENTRAL Tabell 6.2 Gjeldende grenseverdier i forskriften (bakkekonsentrasjoner) for aktuelle komponenter [8]. Midlingstid Komponent Enhet 1 t Døgn (fast) Kalenderår NO 2 µg/m 3 200-40 Svevestøv, PM10 µg/m 3 50 1 40 Svevestøv, PM2,5 µg/m 3 - - - CO mg/m3 10 2 1 Grenseverdien må ikke overskrides mer enn 35 ganger per år. 2. Maks daglig 8-timers gjennomsnitt. Med utgangspunkt i forskriftens 27-5 avsnitt c, der man for nye anlegg krever at bidraget fra forbrenningsanlegget/fyringsenheten normalt ikke skal overskride 50% av differansen mellom bakgrunnsverdiene og maksimalt tillatte grenser for luftkvalitet, jf. forurensningsforskriftens kapittel 7, kan vi sette opp vurderingskriterier for NOx og PM10 for spredningsberegningene. Det har ikke vært mulig å oppdrive lokale registrerte bakgrunnsverdier for Stjørdal. NILU har imidlertid i fm andre tilsvarende oppdrag opplyst at dersom man ikke har data tilgjengelig, kan man benytte følgende bakgrunnsbelastning for bynære boligområder: NO 2 = 25 µg/m 3 (timeverdi). PM 10 = 20 µg/m 3 (døgnmiddel). Vi får dermed følgende lovpålagte akseptkriterier for spredningsberegningene (bakkeverdier) basert på forutsatte bakgrunnsverdier og grenseverdiene i forskriften: NO 2 = 0,5 x (200-25) = 87,5 µg/m 3 (timesverdi). PM 10 = 0,5 x (50-20) = 15 µg/m 3 (døgnmiddel). Disse verdiene ligger til grunn ved bestemmelse av skorsteinshøyden. Tar vi utgangspunkt i KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier, blir akseptkriterier for spredningsberegningene reduserte til: NO 2 = 0,5 x (100-25) = 37,5 µg/m 3 (timesverdi). PM 10 = 0,5 x (35-20) = 7,5 µg/m 3 (døgnmiddel). Disse verdiene representerer myndighetenes målsetninger, men er ikke per dato lovpålagte. Rambøll
VARMESENTRAL 19 (43) 7 METEOROLOGISKE DATA FOR STJØRDAL Ved å studere vindstatistikk og evt. tilgjengelige data for stabilitet for utslippsområdet, kan man vurdere resultatene opp mot sannsynlige spredningsscenarioer. Resultatene fra Screen View 3 gir oss maksimale timesmidlede verdier. Ved å benytte Tabell 9.1 og vindrose/-statistikk for området, kan vi estimere overslagsverdier for døgn- og årsmiddelverdier. Det foreligger ikke målinger som gir oss oversikt over hvor ofte ulike stabilitetsforhold opptrer for Stjørdalsområdet. Det finnes en aktiv meteorologisk målestasjon, 69100 Værnes, som ligger nærme den planlagt plassering av varmesentralen. Vindrose for fyringssesongen (jan-april + sepdes) er gjengitt under. Vindstatistikken som danner grunnlag for vindrosene er gjengitt i vedlegg til rapporten. Det er i tillegg tatt ut data for kombinasjonen lufttemperatur (TA) og luftens relative fuktighet (UU) i fm vurdering av synlig vanntåke i røykfanen (også gjengitt i vedlegg). Ut i fra vindstatistikken (se vedlegg og vindrose) kan man lese at vindstyrken ligger under 5,0 m/s 79% av tiden i fyringssensongen. Middelhastingheten er 3,7 m/s, noe som er relativt høyt. Høy hastighet medfører normalt god spredning, noe som generelt sett er gunstig. Dominerende vindretning er øst-sør-øst (28%), dvs vindretning fra varmesentralen mot Stjørdal sentrum. Middelhastigheten for denne sektoren er på 3 m/s med et standardavvik på 1,5 m/s. Vind fra sektor 75-165 og 225-315 utgjør hhv 55% og 25% (totalt 80%). Merk at vind fra sektor 165 225 opptrer relativt sjeldent (< 6% av tiden i fyringssesongen). Dette gjelder også vind fra sektor 345-45 (< 2%), dvs. mot flyplassen. Dette er gunstig med hensyn på transport av forurensninger mot Husbymarka, Fosslia og Værnes, noe som tilsier at årsverdiene for utslipp mot disse områdene vil være relativt sett lave. Figur 7.1 Vindroser for vinterhalvåret for Værnes i Stjørdal. Kilde eklima, DNMI. Ramboll
20 (43) VARMESENTRAL 8 UTSLIPPSDATA Varmesentralen er planlagt oppført med en samlet ytelse på 21,6 MW fordelt på to biokjeler á 4,8 MW (inkl. kondenseringsvarme) og to spisslastkjeler á 6 MW (olje). Grunnlasten dekkes av biokjelene som fyres med flis (råflis). Spredningsberegningene er utført ved antatt dimensjonerende driftsalternativ, dvs. to biokjeler + to oljekjeler. Biokjeler fyres med skogsflis med inntil 55% fuktinnhold. Resulterende konsentrasjoner ved bakkenivå og utsatte punkt for NO x, støv og CO er beregnet. Utslippsdata for røykgassen som er benyttet i disse grunnleggende beregningene er identisk med verdiene i Forurensningsforskriften [8] for kjelstørrelse 5-20 MW: Tabell 8.1 Utslippsgrenser til luft i hht 27-5 i forurensningsforskriften Lettolje (3 vol % O 2 ) Fast biobrensel (6 vol % O 2 ) NO X 250 mg/nm 3 300 mg/nm 3 Støv (PM10) 20 mg/nm 3 75 mg/nm 3 CO 80 mg/nm 3 200 mg/nm 3 Ved normal drift vil det reelle utslippene sannsynligvis være lavere, men maksimalverdier i hht. forskriften er benyttet (konservative beregninger). Det gjøres oppmerksom på at hvis ikke annet er angitt, så er alle utslippsverdier normalisert til tørr gass, 273 K, 101,3 kpa og O2-innhold 6% og 3% for hhv fast biobrensel og lettolje (se kap. 27 i forurensningsforskriften [8]). Følgende tabell oppsummerer utslippsverdiene for NOx, PM10 og CO som er benyttet som inndata for spredningsberegningene. Underlaget for tabellen er gjengitt i kapittel 16. Tabell 8.2 Utslippsdata. Inndata til spredningsberegningene. NOx-verdier er regnet som NO2. A - Full drift 21,6 MW B -En biokjel 4,8 MW C - To biokjeler 9,6 MW D - To oljekjeler 12 MW Ekv. innv. pipeløp diam. [m] Kjelarrangement Utløpshast. [m/s] Røykm. reell [m 3 /s] Temp. røykg. [ C] Utetemp. [ C] Utslipp NOx [g/s] Utslipp PM10 [g/s] Utslipp CO [g/s] 1,15 13,3 13,79 60-19 1 2,07 0,360 1,13 0,550 13,3 3,15 60 9 2 0,574 0,143 0,382 0,778 13,3 6,30 60 1 1,15 0,286 0,765 0,848 13,3 7,48 220-3 0,922 0,074 0,368 1 DUT for Værnes er -19 C. 2 Det er tatt utgangspunkt i at man har start varmebehov ved utetemperatur 17 C (ref. DNMIs modell for ber. av graddagstall). Det henvises til vedlegg (kap 16) for oversikt over mottatte utslippsdata for anlegget som ligger til grunn for utslippsberegningene. Rambøll
VARMESENTRAL 21 (43) Det er viktig å være klar over at de oppgitte utslippsverdiene er maksimalt tillatte utslippsverdier i hht. forskriften. I praksis vil en virkelig kjel ofte ha lavere utslipp under normal drift. NO x -utslipp oppgis som NO 2, det vil si at man regner med all NO blir oksidert til NO 2 (før eller siden). Ut av skorsteinen vil NO x primært foreligge som NO. Oksidasjonen til NO 2 skjer i all hovedsak ved at bakkenær ozon (O 3 ) oksiderer NO til NO 2 : NO + O 3 NO 2 + O 2 I praksis vil ikke all NO oksideres til NO 2 siden det normalt ikke foreligger tilstrekkelig mengde bakkenær ozon, samt at prosessen tar tid. Mengden bakkenær ozon varier over året. Generelt sett er konsentrasjonen av bakkenær ozon størst i sommerhalvåret. I Sverige har Naturvårdsverket utgitt en veileder til beregning av nødvendig skorsteinshøyde (se [17]). I denne veilederen er det en tabell for korrigering av andel NO som reelt oksideres som funksjon av anleggsstørrelse. Tabellen er utarbeidet av det Svenske "DNMI", dvs Sverige Meteorologiske og Hydrologiske Institutt (SMHI) og angir følgende korrigeringsfaktorer for utslipp av NO 2 (ref. Tabell 5, side 16 i [17]): Tabell 8.3 Korreksjonsfaktor for NOx-utslipp, Kilde [17]. Anleggsstørrelse (MW) Sommersesong (mai-sept.) 1 0,40 0,25 10 0,35 0,25 100 0,30 0,15 300 0,25 0,10 Vintersesong (okt.-april) Korreksjonsfaktoren kompenserer også i følge [17] for det faktum at den relative mengde NO x som oksideres øker med økende avstand fra utslippet. Dvs. at NO 2 andelen av NO x - utslippet normalt er relativt sett mindre jo nærmer man er utslippet. Det er ikke benyttet korrigering av NOx i resultatene. Dette vil være konservativt. Ramboll
22 (43) VARMESENTRAL 9 RESULTATER - SPREDNINGSBEREGNING Programmet Screen View 3 beregner i utgangspunktet kun maksimale timesverdier for kombinasjoner av stabilitet og vindstyrker (se tabell i vedlegg). Unntaket er ved simulering med såkalt Complex Terrain hvor programmet beregner døgnmiddelverider. Ved å benytte erfaringsfaktorer kan man på bakgrunn av timesverdiene bl.a. estimere døgn- og årsmiddelverdier [16]. Tabell 9.1 Faktorer for estimering av tidsmidlede konsentrasjonsverdier. Tidsmidling 3 timer 0.9 (±0.1) 8 timer 0.7 (±0.2) 24 timer 0.4 (±0.2) Faktor (mult. med timesverdier) Årsmiddel 0.08 (±0.02) Resultatene for utsatte punkt som vises er beregnet med full meteorologi (se vedlegg), og spredningskoeffesienter basert på ru overflate (tettbebyggelse). Dette gav de høyeste konsentrasjonene, og ble derfor dimensjonerende. Det er kjørt beregninger for alle utslippskomponentene (NOx, PM10 og CO), men det er primært resultatene for NOx er vist, siden dette ble den dimensjonerende komponenten. Alle resultatene som presenteres i følgende grafer er maksimale times- eller døgnmiddelverdier for NOx og PM10 som funksjon av radiell avstand fra utslippspunktet (skorsteinen). For PM10 er det døgnmiddelkonsentrasjonen som skal sammenlignes med aksept- og vurderingskriteriene gitt i kapittel 5. Maksimalverdiene i grafene kan i størrelsesorden halveres (multipliseres med 0,4 ±0,2) i hht. tabellen over for å få et estimat av døgnverdiene. I motsatt fall, for grafene hvor døgnmiddelverdier er oppgitt, kan maksimal timesverdi finnes ved å dividere med 0,4 ±0,2. En nærmere analyse av vinddata (døgnvariasjonsdata) vil gi en mer nøyaktig begrunnelse for valg av korreksjonsfaktor. Det er her valgt å benytte standardverdien 0,4 som korrigeringsfaktor (dvs. gjennomsnittlig stabil vindretning over døgnet). 9.1 Vurdering av pipehøyde for å unngå downwash" Det er fra oppdragsgivers side oppgitt en maksimal bygningshøyde på 15 meter (kjelhus). En tommelfingerregel tilsier (litt forenklet) at skorsteinshøyden bør være minimum 1,5 x høyest bygningshøyde innenfor en radius på 5 x bygningshøyden. Selve tomten som anlegget skal bygges på, ligger på kote 8 moh. Tomten ligger litt lavere enn bebygget terreng mot vest, som ligger på ca 10 moh. Korrigerer vi for terrenget og forutsetter at det ikke bygges bygninger som er høyere enn 15 m over terreng i nærheten av anlegget, vil en minimums pipehøyde være ca 25 meter. Rambøll
VARMESENTRAL 23 (43) 9.2 Resultater uten hensyn til topografi (flatt terreng) Resultatene gjelder bakkekonsentrasjoner for utslipp ved dimensjonerende last, og tar utgangspunkt i full drift av bio- og oljekjeler. Resultatene gjelder for pipehøyde 30 m. Disse resultatene viser oss hvilke konsentrasjoner vi får i de områdene som kan anses å ligge på tilsvarende kotehøyde som pipefundamentet (terrenghøyde = 0 m). Dette vil være gjeldende for hele området rundt varmesentralen i en radius på ca 1000 meter. Dette inkluderer også de utsatte områdene C og D presentert i Tabell 5.1. Resultater for CO er ikke vist siden disse er svært lave sammenlignet med luftkvalitetskravet for CO gitt i forskriften. Merk at grafene under viser maksimal timesverdi (y-aksen). Merk også at y-aksen har litt ulik skala fra graf til graf. 9.2.1 Resultat ved full drift (driftssituasjon A) Resultatene gjelder bakkekonsentrasjoner for utslipp ved dimensjonerende last, og tar utgangspunkt i full drift av bio- og oljekjeler (driftssituasjon A i tabell 8.2). 35 30 25 Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. (ug/m**3) 20 15 10 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. 20 (ug/m**3) 15 10 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Figur 9.1 Bakkekonsentrasjon NO2 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon A- Full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural). Ramboll
24 (43) VARMESENTRAL Under forutsetning av flatt terreng, vil en 30 m høy pipe tilfredsstille luftkvalitetskriterier i forurensningsforskriften for NOx, dvs. maksimalt 87,5 µg/m 3 (timesverdi), og KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier for NOx, dvs. maksimalt 37,5 µg/m 3 (timesverdi). 6 Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. 5 (ug/m**3) 4 3 2 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) 4 3,5 3 Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. (ug/m**3) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Figur 9.2 Bakkekonsentrasjon PM10 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon A- Full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural). NB! Maksimale timesverdier er angitt i grafene over. Med en korrigeringsfaktor på 0,4 for korrigering fra times til døgnverdier, viser grafene over at vi får maksimalverdier for PM10 på under 3 µg/m 3 (døgnmiddelverdi). Konklusjon: Under forutsetning av flatt terreng, vil en 30 m høy pipe tilfredsstille luftkvalitetskriterier i forurensningsforskriften for PM10, dvs. maksimalt 15 µg/m 3 (døgnmiddelverdi), og KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier for PM10, dvs. maksimalt 7,5 µg/m 3 (døgnmiddelverdi). Rambøll
VARMESENTRAL 25 (43) 9.2.2 Resultat ved drift av to biokjeler (driftssituasjon C) Følgende resultater gjelder en driftssituasjon med kun biokjeler i full drift (driftssituasjon C i tabell 8.2). Dette tilsvarer en dellast på ca 45%. 40 35 30 Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. (ug/m**3) 25 20 15 10 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. 25 20 (ug/m**3) 15 10 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Figur 9.3 Bakkekonsentrasjon NO2 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon B- Kun biokjeler i full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural). Under forutsetning av flatt terreng, vil en 30 m høy pipe tilfredsstille luftkvalitetskriterier i forurensningsforskriften for NOx, dvs. maksimalt 87,5 µg/m 3 (timesverdi). Utslippet er på grensen til å tilfredsstille KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier for NOx, dvs. maksimalt 37,5 µg/m 3 (timesverdi). Ramboll
26 (43) VARMESENTRAL 10 Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. (ug/m**3) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Automated Distance Vs. Concentration Terrain Height = 0,00 m. 7 6 5 (ug/m**3) 4 3 2 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Distance (m) Figur 9.4 Bakkekonsentrasjon PM10 ved pipehøyde 30m (flat terrain). Driftssituasjon B- Kun biokjeler i full drift. Øverst ved ru-overflate (urban) og nederst glatt overflate (rural). NB! Maksimale timesverdier er angitt i grafene over. Med en korrigeringsfaktor på 0,4 for korrigering fra times til døgnverdier, viser grafene over at vi får maksimalverdier for PM10 på under 4 µg/m 3 (døgnmiddelverdi). Konklusjon: Under forutsetning av flatt terreng, vil en 30 m høy pipe tilfredsstille luftkvalitetskriterier i forurensningsforskriften for PM10, dvs. maksimalt 15 µg/m 3 (døgnmiddelverdi), og KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier for PM10, dvs. maksimalt 7,5 µg/m 3 (døgnmiddelverdi). Rambøll
VARMESENTRAL 27 (43) 9.3 Resultater med hensyn til topografi (terrengprofil) For å vurdere utsatte punkter beliggende høyere enn utslippspunktet er det gjort simuleringer med såkalt complex terrain, hvor terrengprofiler er lagt inn i programmet. 9.3.1 Terrengprofil Følgende profiler er tatt ut fra kart og representerer retning fra pipen mot Fosslia og Husbymarka: Terrengprofil fra varmesentralen mot Fosslia 80 70 60 Height (m) 50 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Distance (m) Figur 9.5 Terrengprofil fra varmesentralen mot Fosslia (kompleks terrengmodell). Pipefundamentet er plassert i 0,0. Fosslia ligger 1200-1600 meter fra utslippspunktet. Terrengprofil fra varmesentral mot Husbymarka 250 200 Height (m) 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Distance (m) Figur 9.6 Terrengprofil fra varmesentralen mot Husbymarka (kompleks terrengmodell). Pipefundamentet er plassert i 0,0. Fosslia ligger 1600-1800 meter fra utslippspunktet. Ramboll
28 (43) VARMESENTRAL 9.3.2 Resultater ved full drift (A) Grafene under viser bakkekonstentrasjonen av NO x ved pipehøyde 30 meter ved bruk av terrengprofilene presentert i forrige underkapittel. Det er kun punktresultater som beregnes for punkter som ligger høyere enn utslippshøyden i hht den definerte terrengprofilen (kombinasjon høyde og avstand). Kun NOx-resultater er vist (dimensjonerende). Merk at grafene under viser maksimal døgnmiddelverdi (y-aksen) Fosslia 21 Complex Terrain Distance Vs. Concentration (ug/m**3) 20,5 20 19,5 19 18,5 18 17,5 17 1250 1300 1350 1400 1450 1500 Distance (m) Husbymarka 25 Complex Terrain Distance Vs. Concentration 20 (ug/m**3) 15 10 5 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Distance (m) Figur 9.7 Bakkekonsentrasjon NOx (døgnmiddel) ved pipehøyde 30 m og kompleks terreng. Full drift (A). Vi ser at med en døgnkorrigeringsfaktor på 0.4, får Husbymarka maksimale timesverdier for NOx på ca 60 µg/m 3 i en avstand på 1100 m fra utslippspunktet. Konklusjon: For de utsatte områdene vil en 30 meter høy pipe tilfredsstille kravene i forurensningsforskriften for NOx, dvs. maksimalt 87,5 µg/m 3 (timesverdi). Forutsatt at Fylkesmannen aksepterer korrigeringsfaktorene oppgitt i Tabell 9.1, vil også KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier for NOx på 37,5 µg/m 3 (timesverdi) kunne tilfredsstilles. Rambøll
VARMESENTRAL 29 (43) 9.3.3 Resultat ved drift av to biokjeler (B) Tilsvarende resultater som i avsnittet over, men her er hhv NOx og PM10-resultater vist for Fosslia og Husbymarka (dimensjonerende resultater). Fosslia Complex Terrain Distance Vs. Concentration 26,8 26,7 26,6 (ug/m**3) 26,5 26,4 26,3 26,2 1250 1300 1350 1400 1450 1500 Distance (m) Figur 9.8 Bakkekonsentrasjon NOx (døgnmiddel) ved pipehøyde 30 m. Fosslia og kun biokjeldrift (B). Husbymarka 7 Complex Terrain Distance Vs. Concentration 6 5 (ug/m**3) 4 3 2 1 Figur 9.9 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Distance (m) Bakkekonsentrasjon PM10 (døgnmiddel) ved pipehøyde 30 m. Husbymarka og kun biokjeldrift (B). Vi ser at med en døgnkorrigeringsfaktor på 0.4, får Fosslia maksimale timesverdier for NOx på ca 68 µg/m 3 i en avstand på 1100 m fra utslippspunktet. Konklusjon: For de utsatte områdene vil en 30 meter høy pipe tilfredsstille kravene i forurensningsforskriften for NOx, dvs. maksimalt 87,5 µg/m 3 (timesverdi). Forutsatt at Fylkesmannen aksepterer korrigeringsfaktorene oppgitt i Tabell 9.1, vil også KLIF/FHI's luftkvalitetskriterier for NOx på 37,5 µg/m 3 (timesverdi) kunne tilfredsstilles. PM10-verdiene tilfredsstiller både forskrifskravet og KLIF/FHI's kvalitetskrav. Ramboll
30 (43) VARMESENTRAL 10 RESULTATER - SYNLIG RØYK (VANNTÅKE) Det er gjort en vurdering av utbredelsen av synlig røyk (vanntåke). Dimensjonerende driftssituasjon er fliskjeler i full drift (9,6MW) fyrt med 55% fuktig flis. Avhengig av lufttemperatur og relativ fuktighet (RH) i uteluften, vil fuktbidraget fra utslippet medføre en viss økning av RH i luften. Tabellen under viser sammensatte verdier av lufttemperatur og RH, samt hvor mye damptilskudd som skal til før luften blir mettet. Tabell 10.1 Data for fuktinnhold i uteluften. Kolonnen helt til høyre viser hvor mye fukt som må tilføres luften pr m 3 før den blir mettet. Temp [ C] RH [%] x [g/kg] x sat [g/kg] x [g/kg] δ tørr luft [kg/m 3 ] x [g/m 3 ] 10 85 6,47 7,63 1,16 1,24 1,44 5 85 4,87 5,40 0,53 1,27 0,67 0 95 3,58 3,77 0,19 1,29 0,24-5 85 2,10 2,48 0,38 1,31 0,50-10 85 1,36 1,60 0,24 1,34 0,32-10 95 1,52 1,60 0,08 1,34 0,11 På bakgrunn av statistikk for kombinasjon lufttemperatur og relativ fuktighet for målestasjon Trondheim Voll, har vi funnet frem til de værsituasjoner som gir størst sannsynlighet for mye synlig røyk. Det er ved lufttemperatur i området 0 til 5 C og en RH på 90-95% (typisk kald regnværsdag) samt ved kalde, fine vintersdager, dvs. ca -10 C og en RH på over 85%, at små mengder tilført fuktighet, dvs. 0,1-0,3 g/m 3, vil medføre metting av uteluften og synlig vanntåke fra utslippet vil "nå lengst". Beregning med Screen View 3 viser følgende resultater: (ug/m**3) 4,5E5 4E5 3,5E5 3E5 2,5E5 2E5 1,5E5 1E5 50000 Tilskudd vanndamp langs senterlinje for røyksky Terrain Height = 57 m. 100 200 300 400 500 600 700 800 Distance (m) Figur 10.1 Tilført fukt til uteluften som funksjon av avstand fra utslippet (beregnet med Screen View 3) langs senterlinjen for røykskyen 57 m over bakken. Rambøll
VARMESENTRAL 31 (43) Som det fremgår av figuren over vil vi først etter ca 150 meter komme under 0,2 g/m 3 vanndamp tilført fra utslippet. Etter 250 m er tilskuddet under 0,1 g/m 3. En CFD-modell for simulering av utslippet er utarbeidet, slik at man kan vurdere temperaturen i røykfanen og dampkonsentrasjonen i en viss avstand fra utslippet. Denne modellen er noe forenklet i det den kun omhandler temperatur og røykkonsentrasjon (dvs. effekter av kondensering- og fordampningsvarmen som utveksles i røykfanen med omgivende luft er ikke medtatt). Figur 10.2 Resultater fra CFD-simulering av utslipp full belastning på biokjelene (9,6MW) ved utetemperatur 0 C (273,15 K). Øverst vises estimert synlig røyksky (vanntåke) med en tilskuddsgrense på 0,2 g/m3. Nederst med en grense på 0,1 g/m3. Det er benyttet en "nøytral" temperatursjiktning på - 0,5 C/100 m stigning. Sammenstiller vi resultatene fra begge beregningsverktøyene, er vår konklusjon at man maksimalt vil få en synlig røyksky på mellom 150-400 meter under ugunstige forhold. Av vedlagt statistikk kan vi lese at vi kan forvente "ugunstige forhold" ca 12% av tiden i fyringssesongen, dvs når RH er over 85% og lufttemperaturen er under 4 C. Ramboll
32 (43) VARMESENTRAL 11 RESULTATER - TEMPERATUR I RØYKSKYEN Det er gjennomført en CFD-simulering for å beregne temperaturprofilen i røykskyen fra anlegget. Dimensjonerende driftssituasjon er oljekjeler i full drift (12MW) ved 0 C utetemperatur. Dette scenarioet kan forekomme ved driftsstans av biokjeler og full belastning på anlegget for øvrig. Simuleringen er utført ved en vindhastighet på hhv 2 og 3 m/s i 10 meters høyde over bakken. Det er benyttet en "nøytral" temperatursjiktning på -0,5 C/100 m stigning. Figur 11.1 Temperatur i røykskyen. Resultater fra CFD-simulering av utslipp full belastning på oljekjeler (12MW) ved utetemperatur 0 C (273,15 K) og utslippstemperatur på 220 C. Øverst: Vindhastighet 3 m/s. Nederst: Vindhastighet 2 m/s. Rambøll
VARMESENTRAL 33 (43) Hvis vi forutsetter et sikkerhetskrav på maksimal overtemperatur, dt < 3 C (ref Norsok), ser vi av resultatene at vi får en minimum sikkerhetssone rundt utslippspunktet på ca 50 meter. Ved en dt < 1 C øker denne sonen til ca 100 meter. Det er ikke kjent hvilke temperaturkrav (maksimal dt) Avinor setter til denne typen utslipp i nærheten av norske lufthavner. Dette må evt. avklares med Avinor. Ramboll
34 (43) VARMESENTRAL 12 REFERANSER [1] NILU F32/93. Referanse Q-303. Spredning av luftforurensning. Meteorologi og modeller. [2] FHI 2008. Folkehelseinstituttet - B.2.05 Svevestøv (kunnskapsbasen på FHI's nettsider). [3] KLIF TA-1225-1995 (SFT 95:13 ). Forbrenningsanlegg. Veiledning for saksbehandlere. [4] SCREEN3. User Guide SCREEN3 (Screen View 3). [5] EPA-454/B-95-003b. Model User Guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume II - Description of model algorithms. [6] KLIF TA-1718-2000. Helseeffekter og samfunnsøkonomiske kostnader av luftforurensning. Luftforurensninger effekter og verdier (LEVE) [7] STF TA-1940-2003. Veiledning til forskrift om lokal luftkvalitet. [8] FOR-2004-06-01-931 - Forskrift om begrensning av forurensning (forurensningsforskriften). Kapittel 7 og 27. [9] eklima.no - Meteorologiske data fra DNMI's åpne klimadatabase. [10] STF66A 99043 (1999) - Lukt og luktproblemer fra biologiske behandlingsanlegg (Kap 6 s73-79 - Figurer hentet fra [11]) [11] Bøhler 1986. Atmosfærisk spredning av utslipp ved avfallsforbrenning. Forelesning om avfallsforbrenning. NIF-seminar: Teknisk vinteruke 1986. [12] Wikipediaartiklene Atmospheric dispersion modeling og Air pollution dispersion terminology- www.wikipedia.org [13] Introduction to Atmospheric Dispersion Modeling - EPA (funnet på nettet, ukjent årstall). [14 ] Air Quality Guidelines for Europe 2nd Ed. WHO Regional Publications, European Series, No. 91, 2000, ISBN 1358 3, ISSN 0378-2255. [16] EPA-454/R-92-019, Screening Procedures for Estimating the Air Quality Impact of Stationary Sources, Revised, U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY October 1992. [17] ALLMÄNNA RÅD 90:3, SKORSTENSHÖJD BERÄKNINGSMETOD, Naturvårdsverket, 1990, ISBN 91-620-0041-01. [18] E-post mottatt fra Tormod Gevelt (22.02.2011), 20110222-SFV-RAM-Vedr. Spredningsberegn og CFD-analyse varmesentral Stjørdal [20] COST Action 732, Best practice guideline for the CFD-simulation of flows in the urban environment, ISBN: 3-00-018312-4 Rambøll
VARMESENTRAL 35 (43) 13 VEDLEGG A - CFD-MODELL OG TEKNISKE FORUTSETNINGER 13.1 CFD-analyser Computational Fluid Dynamics (CFD) en fellesbetegnelse for programvare som simulerer gass- og væsketransport (fluider). Transport ved strømning beskrives matematisk ved Navier-Stokes ligningene (NS). NS-ligningene er ikkelineære partielle differensialligninger (PDE) som generelt ikke lar seg løse analytisk. For å løse NS-ligningene benytter man i dag programvare med avanserte numeriske løsningsalgoritmer (CFD-programvare). Det benyttes kraftige datamaskiner og beregningene kan ta svært lang tid å gjennomføre (fra noen timer til flere uker per simulering). Navier-Stokes ligningene kan i de fleste tilfeller ikke løses direkte (såkalt DNS), siden dette i praksis krever en datamaskinkraft som enda ikke er tilgjengelig. Ligningene blir derfor omformet. I dette oppdraget er det benyttet RANS-simuleringer (Reynolds Average Navier-Stokes). RANSligningene må suppleres med turbulensmodeller for å lukke lingningssettet. Man skiller mellom steady-state (ikke tidsavhengig) og transiente beregninger (tidsavhengige). Vindstudier gjennomføres som steady state, dvs. vi får et simuleringsresultat som viser et "øyeblikksbilde" av bl.a. vindhastighet og turbulens for et gitt sett med randbetingelser og en gitt geometri. Det henvises til ANSYS CFX dokumentasjon for nærmere opplysninger [5]. 13.2 CFD-modell (geometri) Geometrien som ligger til grunn for simuleringene, er modellert ut fra mottatte tegninger, kartgrunnlag (dwg-fil) og bilder fra området. Figuren under viser CFD-modellen med nytt varmeanlegg forenklet modellert (se neste avsnitt). Følgende begrensninger og forenklinger ligger til grunn for modelleringen: Modellområdet omfatter ca 2000 x 1500 x 2000 meter (BxLxH). Høyeste bygning er 15 meter høy. Terrenget er forenklet modellert (flatt terreng). Kun de nærmeste bygningene, kjelhus m.m., er medtatt i CFD-modellen. Vegetasjon er ikke medtatt. Lokalt kan tett vegetasjon dempe vindforsterkningen betydelig. 13.3 Grid CFD-teknologien krever at den fysiske modellen/geometrien løses opp i et stort antall små beregningsdomener (et nett av celler/noder omtalt som et grid), for så å beregne ligningene i hver av cellene. For hver grid-celle løses alle variablene (hastighet, temperatur, turbulens m.m.) som samlet gir en tre-dimensjonal løsning av problemstillingen. Cellestørrelsen blir redusert langs overflater og i områder med store gradienter for å få realistiske resultater. Det er benyttet ANSYS Meshing for å generere griddet. Griddet i dette tilfellet bygd opp av to gridtyper; et grensesjikt-grid som ligger langs overflaten av terreng og bygninger, og et tetrahedrisk grid (ustrukturert) som fyller resten av (luft) volumet. Antall celler i modellen ligger Ramboll
36 (43) VARMESENTRAL på ca 1,5 mill, hvor de minste cellene er i områder som har gradienter eller geometri som krever detaljering. Figur 13.1 Bildet viser CFD-modellen med et snitt av griddet som er benyttet. Rambøll