Kraftvärme

I ett kraftvärmeverk, KVV, produceras både värme och el samtidigt. Många olika bränslen kan användas så som olja, flis, torv, kol och avfall. Eftersom el produceras samtidigt som värmen är KVV ett bättre sätt att utnyttja naturresurserna jämfört med ett kolkraftverk, se Figur 9. Verkningsgraden på ett kraftvärmeverk är ca 90 % till skillnad mot ett kolkraftverk som endast har ca 40 % [Svensk Fjärrvärme, 2008b] men i vissa fall så lågt som 30 % [Karlsson B, 2001]. Idag står fjärrvärmen för ca 50 % av Sveriges uppvärmningsbehov, andelen fjärrvärme som producerats med kraftvärmeverk är endast 30 %. Jämfört med andra länder i Europa med liknande klimat, så har exempelvis Danmark 80 % och Finland 70 % av sin totala mängd fjärrvärme som produceras av kraftvärmeverk. Detta är en indikation på att Sverige har potential att utöka kraftvärmeproduktionen [Danestig M, Gebremedhin A et al., 2007].

26

Principen i ett kraftvärmeverk bygger på att man producerar ånga av högt tryck och temperatur i en panna, denna ånga driver sedan en turbin. Turbinen är kopplad till en generator som i sin tur alstrar elektricitet. Ångan värmeväxlas i en kondensor som värmer upp vatten till fjärrvärmenätet samtidigt som ångan kondenserar. Den kondenserade ångan går tillbaka till pannan och det varma vattnet pumpas därefter ut i fjärrvärmenätet för att försörja bostäder med värme.

5.2 Fjärrkyla

En av de största lasterna i världens elsystem idag är behovet av komfortkyla i form av kyla från klimatanläggningar. Dessa lokala klimatanläggningar drar stora mängder el vilket uppgår till mellan 10 och 20 % av världens totala elförbrukning [Trygg L & Amiri S, 2008] och har en låg verkningsgrad vilket leder till stora utsläpp av växthusgaser. De äldre varianterna av mindre klimatanläggningar innehåller även freoner som köldmedium vilket om det släpps ut i atmosfären bryter ner ozonlagret som skyddar mot skadlig strålning från solen. Större kylmaskiner innehåller ofta ammoniak som köldmedel vilket inte är lika farligt men är ett giftigt ämne som om det släpps ut irriterar ögon, hud, luftvägar och är i höga koncentrationer dödligt.

För att minska miljöpåverkan från klimatanläggningar kan man installera fjärrkyla i större lokaler som kontor, affärer m.m. Storskalig framställning av kyla ger bara den en stor besparing i minskad energianvändning jämfört med lokala kylmaskiner. Kylan leds vanligtvis fram till lokalen på samma sätt som fjärrvärme men med ett kallt medium som sedan värmeväxlas och kyler luften i ventilationsanläggningarna[Svensk Fjärrvärme, 2008c].

Vid jämförelse av olika metoder att producera kyla är energiverkningsgraden, COP (Coefficient of Performance), ett viktigt tal. COP är förhållandet mellan det drivande mediets effekt och det producerade mediets effekt. För kylmaskiner kallas COP för köldfaktorn och bör vara så hög som möjligt.

27

in u t Q Q

COP Qu t = Producerad effekt [W]

in

Q = Drivande effekt [W]

Kyla produceras på främst fyra sätt i dagens fjärrkylanät:

Kompressorkyla Spillkyla

Absorptionskyla Frikyla

5.2.1 Kompressorkyla

Den vanliga varianten av kylmaskin är kompressorkylmaskinen som fungerar enligt samma princip som ett kylskåp eller vanliga klimatanläggningar, se Figur 10. Värme tas från ett kallt utrymme där det under lågt tryck förångar ett köldmedium i en förångare. Köldmediet drivs vidare av en kompressor som höjer trycket och temperaturen via mekaniskt arbete som kräver energi oftast från en elmotor. Mediet går vidare till kondensorn där temperaturen sänks och värme avges till omgivningen när mediet kondenserar. Under högt tryck leds nu mediet vidare i flytandeform till expansionskärlet där trycket sänks och processen kan börja om på nytt[Svensk Fjärrvärme, 2008c].

En riktigt bra och modern kompressorkylmaskin i ett fjärrkylanät kan ha ett COP på upp emot 7 men mer vanligt är att det ligger runt 5 eller lägre beroende på hur spillvärmen från kondensorn kyls bort. Används sjövatten för att kyla bort värmen går det att komma upp i de högre COP-värdena men används kyltorn sjunker COP särskilt då kylan behövs som mest [Ingvarsson P, 2008] vilket ger att många KKM har ett COP på 3 [Trygg L, 2008].

28 För en KKM beräknas COP efter formeln nedan

ko mp resso r fö rå n g a re W

Q

COP Qfö rå n g a re= Bortförd värmeeffekt [W] kompressor

W = Eleffekt till kompressor [W]

5.2.2 Spillkyla

En variant av kompressorkyla är spillkyla från värmepumpar. En värmepump fungerar som en kompressorkylmaskin men där det är värmen som avges av kondensorn som är efterfrågad. Detta ger att det även finns en sida där värmen tas ifrån som blir kall vilket kan utnyttjas i fjärrvärme- och fjärrkylasystem för samtidig produktion av värme och kyla. Ofta behövs värmen från värmepumpen i fjärrvärmesystemet vilket gör att kylan som produceras blir en biprodukt och därmed blir väldigt billig.

En tumregel för hur effektiv en värmepump är brukar vara att de för varje enhet förbrukad el producerar tre enheter värme och två enheter kyla. [Hill A, 2008]

5.2.3 Absorptionskyla

29

Absorptionskyla är en kylprocess som använder värme som huvudsaklig energikälla istället för el som kompressorkylmaskinerna använder. Den fungerar på samma sätt som kompressorkyla men istället för kompressorn som kräver stora mängder el återfinns en absorbator, pump och generator. Köldmediet som har förångats i förångaren leds in i absorbatorn där det blandas med ett sorptionsmedel, vanligtvis litiumbromid som är en saltlösning. Sorptionsmedlet absorberar det förångade köldmediet vilket leder till att trycket höjs och värme avges som kyls bort. Blandningen av köldmedium och sorptionsmedel är nu i vätskefas och kan pumpas med en vanlig pump till generatorn. Där värms blandningen av tillförd värme från t ex fjärrvärme, så att köldmediet förångas och kan gå vidare till kondensorn medan sorptionsmedlet återgår till absorbatorn. Köldmediet kondenserar i kondensatorn och avger värme som kyls bort varpå det under högt tryck i vätskefas fortsätter till expansionskärlet där trycket sänks. Efter detta börjar processen om på nytt. En schematisk figur av hur detta fungerar hittas i Figur 11.

Med ammoniak/vatten, där ammoniak är köldmediet och vatten sorptionsmedlet, som arbetspar klarar en absorptionskylmaskin att komma ner till temperaturer på -60°C men då krävs en drivtemperatur på 150-200°C [Svensk Fjärrvärme, 2004a]. För fjärrkylaapplikationer är det vanligt att använda runt 120°C som drivtemperatur vilket är en högre temperatur än den som distribueras i fjärrvärmernätet. Det medför att de anläggningarna måste placeras i direkt anslutning med kraftvärmeverket för att producera kyla som sedan levereras i ett fjärrkylanät. Med vatten/litiumbromid som arbetspar är det möjligt att driva absorptionskylmaskiner vid lägre drivtemperaturer på runt 80°C. Fördelen blir att kylmaskinen kan placeras ute längs med fjärrvärmenätet och därmed minska mängden rördragningar i marken. Nackdelen är att köldfaktorn försämras, storleken på värmeväxlarna ökar vilket ger högre investeringkostnad och att problem med bortförsel av spillvärme från absorbatorn och kondensorn kan uppstå. Det sistnämnda går att lösa med antingen kallt kylvatten eller ett större kyltorn som även det kräver stor värmeväxlararea.

För AKM beräknas COP på ungefär samma sätt som KKM med undantaget att eleffekten till kompressorn har ersatts med den värmeeffekt som tillförs generatorn och lite eleffekt till att driva pumpen som driver runt köldmediet och sorptionsmedlet.

generator förångare pump generator förångare Q Q W Q Q

COP Qfö rå n g a re= Bortförd värmeeffekt [W] generator

Q = Tillförd värmeeffekt [W]

pump

W = Eleffekt till pump[W]

Då pumpeffekten som krävs för att driva en AKM är väldigt liten försummas den ofta men bör i princip vara med. [Svensk Fjärrvärme, 2004b]

Absorptionskyla kan framställas genom flera metoder som har sina respektive egenskaper och påverkan på övriga värmesystemet:

30

Är den enklaste typen av absorptionskylmaskin och fungerar enligt Figur 12. Dock värmeväxlas det mellan flödena mellan absorbatorn och generatorn för att sänka temperaturen på sorptionsmedlet som ska tillbaka till absorbatorn. För att få bra effektivitet på en enstegs AKM behöver värmeväxlaren klara att växla värme mellan strömmar med små temperaturdifferenser. Ett problem med denna typ av AKM är att temperaturen på returflödet till fjärrvärmenätet blir för högt, bara ungefär 10°C lägre än det inkommande, vilket kan skapa problem för det övriga fjärrvärmenätet då det finns processer som är beroende av att returvattnet håller en lägre temperatur. Ytterligare ett problem med SE-AKM processen är att värmen som genereras i absorbatorn och kondensatorn måste kylas bort med kylvatten då den har för låg temperatur för att det ska vara möjligt att luftkyla sommartid.

Köldfaktorn (COP) för enstegs absorptionskylmaskiner ligger mellan 0,7 till 0,8.[Svensk Fjärrvärme, 2004b]

Ensteg (SE-AKM)

31

Dubbellyft med intern värmeväxlare (DL-IVVX)

Genom att låta processen arbeta på tre olika trycknivåer går det att sänka temperaturen på returvattnet som går tillbaka i fjärrvärmenätet till ca 50°C vilket är en betydligt bättre temperatur på returvattnet, se Figur 13. Processen fungerar ungefär som en SE- AKM förutom att en del av det kondenserade köldmediet förångas på mellantrycknivå (F1) med hjälp av spillvärme från absorbatorn A0. Denna ånga absorberas sedan på mellantrycknivå i absorbatorn A1. Detta ger att processen får två olika koncentrationer av sorptionsmedlet och en högre grad av internt värmeutnyttjande.

Problem som finns med denna typ av AKM är att den innehåller fler komponenter än en SE-AKM och blir därmed väsentligt dyrare men även köldfaktorn (COP) försämras och blir ungefär hälften så stor som för en SE-AKM. En fördel gentemot SE-AKM är att värmen som måste kylas bort i absorbatorn A1 har en högre temperatur än vad den har i en SE-AKM vilket göra att värmen går att kyla med luft i ett kyltorn även sommartid. [Svensk Fjärrvärme, 2004b]

Dubbellyft utan intern värmeväxlare (DL)

Figur 13: Schema över en dubbellyft AKM med intern värmeväxlare. [Svensk Fjärrvärme, 2004b]

32

Denna process har liksom DL-IVVX värmning på två punkter i cykeln för att öka utnyttjandet av fjärrvärmen och därmed sänka temperaturen på returflödet. DL-AKM använder sig av två separata lösningsmedelkretsar med olika koncentrationer för att höja trycket på köldmediet i två steg genom att utnyttja samma värmekälla se Figur 14. Detta sker då köldmediet absorberats av ett sorptionsmedel i A0 för att sedan förångas och separeras från sorptionsmedlet i generatorn G1. Därefter absorberas köldmediet igen i en ny sorptionsmedelkrets i resorbatorn R1, som fungerar som en absorbator. Därpå förångas återigen köldmediet i desorbatorn D2, som fungerar som en generator, innan processen går vidare som vanligt med kondensator, expansionskärl och förångare. Värme tillförs processen från fjärrkyla i förångaren F0 och från fjärrvärme i generatorn G1 samt desorbatorn D2. Värmen till generatorn och desorbatorn tillförs vid olika temperaturer varpå den stora avkylningen av fjärrvärmen är möjlig. Fördelen med denna typ av process är att det är färre komponenter än en DL-IVVX och klarar att sänka temperaturen på returflödet tillräckligt men samtidigt har den ett COP som bara ligger på 0,4. [Svensk Fjärrvärme, 2004b]

Ensteg – dubbellyft (Singel-Effect – Double-Lift) med stor fjärrvärmeavkylning

Genom att slå ihop SE och DL processerna fås SE-DL processen som kombinerar de båda andra processerna och de fördelarna de medför, se Figur 15. Med SE-DL processen är det möjligt att ta ut värme från fjärrvärme vid tre olika temperaturer, detta sker i generatorerna och desorbatorn, att sänka temperaturen på returvattnet till under 60°C. Med denna process går det ha ett högre COP på upp mot 0,8, inte mer då COP blir en blandning av SE och DL processen som har COP på 0,8 respektive 0,4. Denna variant av AKM är den som är intressant att installera i ett fjärrvärmenät för produktion av fjärrkyla. Nackdelen med denna process är att det blir många komponenter vilket medför en högre investeringkostnad. [Svensk Fjärrvärme, 2004b]

33

5.2.4 Frikyla

Genom att hämta kyla från en kallreservoar som t ex en sjöbotten går det att kyla vattnet i fjärrkylsystemet. Skapandet av denna kyla är gratis och den enda tillförda energin som behövs för att driva systemet är el till pumparna som driver runt vattnet. COP på denna typ av framställning av fjärrkyla är upp emot 50 vilket betyder att det produceras mycket kyla per tillförd enhet energi vilket i detta fall är el. Köldfaktorn för frikyla varierar i vissa fall över året beroende på vilken vattentemperatur som råder. Här har djupet som vattnet hämtas ifrån stor betydelse då vatten har som högst densitet vid 4°C. Detta ger att sjöar som är tillräckligt djupa har en bottentemperatur som konstant ligger på 4°C. Är platsen där kylvattnet hämtas ifrån inte lika djup kan temperaturen under främst sommaren och hösten stiga. Det medför att ytterligare kylning av en kylmaskin måste ske för att nå ner till den önskade temperaturen på vattnet. [Hill A, 2008]

Andra former av frikyla som finns är snölager, där snö samlas in under vintern lagras i ett isolerat utrymme för att det sedan ska vara möjligt att hämta kyla under varmare perioder.