34www.danskfjernvarme.dk

FJERNVARMEN | 6 2011

Store varmepumper i fjernvarmesystemer

Af teknisk konsulent John Tang, Dansk Fjernvarme

Der tales meget om, at varmepum-per er en fremtidig løsning på pro-blemet med den fluktuerende elpro-duktion pga. mange vindmøller, der kun kører, når vinden blæser. I diskus-sionerne glemmes det ofte, at var-mepumper er interessante af andre grunde end deres evne til at balancere vindmøller. Varmepumper har et stort miljø- og effektiviseringspotentiale. Varmepumper er en teknologi, som i fjernvarmesystemer kan bidrage til mindre spild og større udnyttelse af brændslerne.

Hvorfor store varmepumper?Hvorfor skal vi have varmepumper i fjernvarmesystemer? De producerer ikke mere energi, end der er i forvejen, og samtidig forbruger de elektricitet. De gør ikke andet end at samle energi op på lave temperaturer og transfor-mere denne energi op til højere tempe-raturer. Umiddelbart syner det ikke af noget særligt, men det er netop denne egenskab, som kan være væsentlig for varmepumpers betydning i fjernvar-mesystemer. Fjernvarmesystemer har masser af lunkent vand på 35 – 45 ºC, som egentlig ikke udnyttes i de syste-mer, som kører i dag. Kunne denne temperatur bare sænkes med 10 ºC, vil det koldere vand give anledning til bedre udnyttelse af varmeproduk-tionsanlægget via bedre køling samt til mindre tab i fjernvarmesystemet, hvis varmepumpen er placeret i led-ningsnettet.

Varmepumper kan komme til at spille en stor rolle sammen med sol-

varmesystemer og geotermianlæg. For solvarmesystemer øges produk-tionen fra solpanelerne, såfremt det vand, der både går ind og ud af pane-lerne, er lidt koldere. For geotermi-anlæg kommer effektiviseringen via bedre udnyttelse ved at sende det oppumpede vand koldere retur til undergrunden. For røggasvekslere på såvel gaskedler som gasmotorer forbedres udnyttelsen ved at køle røg-gassen bedre.

I industrivirksomheder hvor der opvarmes, tørres, køles og anvendes vand, opstår der spildvarme, som tabes ud enten via luftafkast eller via vandsystemer. Denne spildvarme er ofte for kold til direkte fremstilling af fjernvarme. Ved anvendelse af var-mepumper kan spildvarmen fra indu-strielle processer blive til fjernvarme,

hvilket har værdi for både industrivirk-somheden og for fjernvarmeforbru-gerne. Tilsvarende kan lunkent vand fra rensningsanlæg udnyttes, inden det sendes retur til vore vandløb.

VarmepumpeløsningerJo mere man arbejder med varmepum-per, des flere mulige måder for anven-delse dukker der op. Løsningerne skal ses i sammenhæng med temperatu-ren på varmekilden i forhold til den ønskede temperatur på den fremstil-lede fjernvarme. Mængden af energi, der kan hæves i temperatur, hænger sammen med temperaturforholdene. Det er således muligt at opnå en COP på 5, såfremt kilden er 40 ºC, og den ønskede fjernvarmetemperatur f.eks. er 80 ºC. COP, udtrykker hvor meget varme der kan produceres pr. for-

Varmepumpe i ledningsnettet

Fremløb

Returløb

Varmepumpe

Fordamper

Kondensator

75 °C 80 °C

40 °C 20 °C

Kompressor

Figur 1: Varmepumpe placeret i fjernvarmenettet.

Varmepumper

Varmepumper har et stort miljø- og effektiviseringspotentiale. I fjernvarmesystemer kan varmepumper bidrage til mindre spild og større udnyttelse af brændslerne.

Varmepumpe i ledningsnettet

35 www.danskfjernvarme.dk

FJERNVARMEN | 6 2011

trale fjernvarmeværk og indeholder et solfangeranlæg, en ekstra akku-muleringstank, som er koldere end den almindelige akkumuleringstank, samt en varmepumpe. Hertil knyttes røggaskondenseringen og veksleren mellem fjernvarmesystemet og kon-densatsystemet. Ventilerne mellem varmepumpens varme side og kolde side medfører, at værket afhængig af elpriserne og varmebehovet kan vælge at lade solfanger og røggas-kondensering producere direkte til den varme tank eller forbrugerne, uden at varmepumpen er i drift.

Løsningen medfører, at såvel motoranlægget, via røggaskonden-seringen, som solfangeren producerer ca. 40 - 60 ºC varmt vand til den kolde tank i dagtid, hvor solen skinner og elpriserne er høje. Når så elprisen bliver lave og motoren ikke længere kører, startes varmepumpen, som producerer varme fra den kolde tank, dvs. flytter energien fra den kolde tank til den varme tank. I bunden af den kolde tank vil temperaturen måske kun være 10 – 20 ºC. Det betyder, at både solfangeren og/

belastning af fjernvarmesystemet. Spidslast på varmesystemet er ofte sammenfaldende med perioder med høje elpriser, og derfor kan en sådan løsning ikke nødvendigvis give den fleksibilitet, der måtte være ønskelig. Løsningen er dog så interessant, at den bør afprøves i praksis. Den kan især være interessant i de hjørner af fjernvarmesystemet, som er bestemmende for fremløbs tempe-raturen, eller hvor der er store led-ningstab.

For decentrale kraftvarmeanlæg på naturgas med et ønske om at indbygge solfangeranlæg og røggaskonden se-ring på både motorerne og på den primære kedel, kan der etableres en mere kompliceret løsning, som skit-seret på figur 2. Løsningen anvender samme røggaskondenseringsenhed til både motor og kedel, idet det antages, at disse ikke kører samtidig. Hvorvidt dette vil kunne lade sig gøre i praksis beror på det enkelte værks konfiguration, men her antages det at kunne lade sig gøre.

Det, der befinder sig på venstre side af den stiplede linje i figur 2, er nyt i forhold det traditionelle decen-

brugt elektricitet. Hvis kilden f.eks. er 20 ºC, vil COP være lavere, såfremt den ønskede fjernvarmetemperatur fortsat er 80 ºC.

En meget simpel varmepumpeløs-ning vil være at udnytte energien fra fjernvarmens returledning til opvarm-ning af fjernvarme fremløbet. Figur 1 skitserer dette princip.

Løsningen er meget enkel og med-fører dels mindre ledningstab på både frem- og returløb såvel som mulig hed for større effektivitet på varme pro duk tions anlæg get. Løs nin- gen er så vidt vides ikke praktiseret i Danmark, idet den giver nogle praktiske og økonomiske problemer. Varmepumpen skal placeres ude i ledningsnettet, hvor det kan være vanskeligt at finde plads til varme pumpen. Hertil skal der skaffes elforsyning, og alene eltil-slutningen samt tarifferne i de lavere liggende elnet kan gøre det vanskeligt at fremstille varmen til en pris, der er konkurrencedygtig med varmeproduktionsprisen på fjernvarmen. Endelig vil varmepum-pen ikke nødvendigvis spille godt sammen med elsystemet, idet den som minimum vil køre, når der er stor

Figur 2: Varmepumpe placeret på decentralt kraftvarmeanlæg.

Moderne kraftvarme – solfanger og varmepumpe

Solfangeranlæg

Eksisterende anlæg

Varmepumpe

Akkumu- lering 2

Motor

Akkumu- lering 1

Nyt anlæg

Kedel

Fremløb

Returløb

Røggas

Fordam- per

Konden- sator

Røggas- kondens

(Fortsættes næste side)

36www.danskfjernvarme.dk

FJERNVARMEN | 6 2011

drivvarmen er helt gratis. Hvis der f.eks. er behov for mere gasforbrug for at udnytte varmen fra røggaskonden-satoren, holder beregningerne ikke. Dette er årsagen til, at varmepumper ikke er økonomisk interessante i rela-tion til overskudsvarme og anden lav-temperatur varme, som koster noget.

Den relativt set flade hældning på kur-ven for varmepumperne, og den store følsomhed over for gasprisen vil med-føre, at varmepumpen i praksis spil-ler dårligt sammen med elsystemet. Enten vil varmepumpen køre hele tiden, når gasprisen er høj, eller også vil varmepumpen køre meget lidt, når gasprisen er lav, da elpriserne erfa-ringsmæssigt ikke falder tilsvarende relativt set.

Investerer man i en varmepumpe med de nuværende vilkår, må man belave sig på, at den i perioder kører meget og i perioder ikke så meget. Dette giver en usikkerhed for investeringen og er en barriere for udbredelsen af store varmepumper. Prisen på store varmepumper er dog faldet på det seneste, og det gør investeringskalku-lerne mere robuste. Disse varmepum-

gaskedel, en fliskedel samt en varme-pumpe med en COP på 3 og 5. Der er indlagt typiske priser for naturgas og flis, som er gældende i øjeblikket, samt de afgifter på el og naturgas, som gælder for første halvår af 2011. Den anvendte gaspris er relativt høj på 3,5 kr/Nm3, hvilket i større grad gør varmepumpen konkurrencedyg-tig i sammenligning med situationer med lav gaspris.

Som det ses af figur 3, er varmepum-pen med COP 5 konkurrencedygtig med både gaskedel og gasmotor helt op til en elpris på omkring 380 kr./MWh. For varmepumpen med COP 3, er den konkurrencedygtig til en elpris på ca. 120 kr./MWh. Ændres gasprisen f.eks. til 1,5 kr./MWh, er varmepumpen med COP 3 ikke konkurrencedygtig overhovedet, hvorimod varmepum-pen med COP 5 er konkurencedygtig til en pris på ca. 200 kr/MWh el. Der er i ovenstående beregninger indregnet investering.

I forhold til et alternativt flisfyret kraftvarmeværk er varmepumpen ikke konkurrencedygtig overhovedet.I beregningerne er det forudsat, at

eller røggaskondenseringen tilføres forholdsvis koldt vand, som øger effektiviteten på disse anlæg.

Samlet set vil varmepumpen øge effektiviteten på kraftvarmeanlæg-get betydeligt, samtidig med at både motor og varmepumpe spiller med på elmarkedet, hvor varmepumpen forbruger el, når det er billigt, og motoren producerer el, når det er dyrt. Systemet kan i praksis etableres uden en ekstra akkumuleringstank, men det kræver flere udtag og indløb på den eksisterende tank samt en vel-fungerende lagdeling.

Løsningen medfører, at motoren og varmepumpen integreres i elsystemet på en intelligent og effektiv måde, samtidig med at effektiviteten på anlæggene øges betragteligt.

ØkonomiVed vurderingen af økonomien for en varmepumpe, ses normalt på den variable varmeproduktionspris i for-hold til elprisen for de produktions-anlæg, der er på fjernvarmeværket.

I nedenstående figur 3 er der ind-lagt en motor på naturgas, en natur-

(Fortsættes næste side)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 200 400 600 800

Kr/M

Wh-

varm

e

Kr/MWh-el

Varmeproduktionspriser Varmeproduktionspris varmepumpe COP 3: Varmeproduktionspris kedelproduktion:

Varmeproduktionspris varmepumpe COP 5: Varmeproduktionspris flisanlæg

Varmeproduktionspris kraftvarme:

Figur 3: Varmeproduktionspriser 2011 decentralt fjernvarmeværk.

37 www.danskfjernvarme.dk

per er tillige velafprøvede, og derfor kommer der ikke store uforudsete vedligeholdelsesomkostninger.

Der er to ting, som kan afhjælpe denne usikkerhed. Den ene er en højere korrelation mellem el og gas-pris. Dette styres af mange faktorer i både el- og gasmarkederne, og der-for er det ikke et realistisk scenarie. Et andet aspekt, som kan hjælpe, er dynamiske tariffer og afgifter, som vil gøre kurven mere stejl ved lave elpriser, idet eltariffer og afgifter bliver lavere, når elprisen er lav, og højere, når elprisen er høj. Alternativt kan elafgifterne nedsættes for el, der anvendes til varmefremstilling. Skal dette spille optimalt sammen med elmarkedet, må der samtidig sættes et loft på, hvor mange timer varme-pumpen må køre årligt.

KonklusionDer er et stort potentiale for effekti-visering af gasforsynede kraftvarme-anlæg ved etablering af store varme-pumper. Det medfører, at fjernvarme på sigt bevarer sin konkurrenceevne over for andre opvarmningsformer.

Investering i store varmepumper er forbundet med økonomiske risici, idet der kan være perioder med lave gaspriser, som kan medføre få drifts-timer. I kombination med motorer og kedler giver de en fleksibilitet, som holder den generelle varmepris nede. Kan der laves et projekt med COP på 4-5 eller derover med mange drifts-timer, kan det anbefales at gennem-føre investeringen.

Den endelige dom over eksakte pro-jekter kræver detaljerede beregnin-ger og simulering af værkets løsning i forhold til effektivitetsforbedrin-ger og brændselspriser. Bjerringbro Varmeværk, Brande Fjernvarme og Frederikshavn Forsyning har gennem-ført projekter, som hænger sammen, og der kan indhentes erfaring ved at kontakte disse værker.

Indførelse af dynamiske tariffer og afgifter vil fremme anvendelsen af store varmepumper og vil øge inte-grationen af el- og varmemarkederne (Smart Grid).

jt@danskfjernvarme.dk

Det skerKurser, møder og temadage fra Dansk Fjernvarme

6. juniKøb og salg af kollektiv varmeforsyning – temadag

Kolding

7. juniBestyrelsens opgaver og ansvar – gå-hjem-møde (Modul A.0.7)

Silkeborg

7. juniKvalitetssikring og intern audit af energi-besparelser (Modul A.3.11)

Kolding

16. juniNeed to know for revisorer om prisefter-visning (modul B.0.11)

Kolding

21. juniUdbud og indkøb af entrepriser og leverancer, trin I (Modul B.1.4)

Kolding

10. - 12.august

Kontrol af fjernvarmeanlæg (Modul A.3.2-1) Aalborg

17. augustKvalitetssikring og intern audit af energi-besparelser (Modul A.3.11)

Kolding

23. augustKvalitetssikring og intern audit af energi-besparelser (Modul A.3.11)

Roskilde

25. augustVeje til lavere priser og stærkere struktur (Modul A.0.7)

Kolding

31. august Seminar om lavenergi (Modul B.1.6) Kolding

1. septemberPraktisk regnskabsmæssig håndtering – af varmeforsyningslovens regler (Modul A.4.2)

Kolding

5. septemberArbejdsmiljø, trin I – Ulykker og psykisk arbejdsmiljø (Modul A.0.13)

Kolding

5. septemberEnergispareaktiviteter, kvalitetssikring og intern audit samt indberetning – primært for administrative medarbejdere (Modul A.4.8)

Kolding

6. september Det frie elmarked (Modul B.0.13) Kolding

6. - 7. september

Værktøjskassen for nye administrative medarbejdere (Modul A.4.1)

Kolding

8. september Solenergi (Modul A.2.21) Tørring

8. septemberKvalitetssikring og intern audit af energi-besparelser (Modul A.3.11)

Aalborg

8. septemberStrategi for bestyrelsen – eftermiddagskursus (Modul A.0.6)

Kolding

12. september Temadag om indkøb Kolding

12. - 16. september

Gasteknik/gasmotor (Modul A.2.3) Slagelse

20. september Solenergi (Modul A.2.21) Jægerpris

Se også Dansk Fjernvarmes uddannelseskatalog for efteråret 2011 og foråret 2012,der er udsendt sammen med dette nummer af FJERNVARMEN.

Se flere tilbud, beskrivelser og programmer på www.danskfjernvarme.dk, hvor du også kan tilmelde dig. Alle er velkomne!