Implementering av fjärde generationens fjärrvärme i svenska fjärrvärmenät : En fallstudie på Borlänges fjärrvärmenät

Linköpings universitet | Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling Masteruppsats, 30 hp | Civilingenjör energi-miljö-management – Energi- och miljöteknik Vårterminen 2021 | LIU-IEI-TEK-A--21/03990—SE

Implementering av fjärde

generationens fjärrvärme i

svenska fjärrvärmenät

– En fallstudie på Borlänges fjärrvärmenät

Implementation of fourth generation district heating in

Swedish district heating networks – A case study on

Borlänge´s district heating network

Henrik Nordström Klara Smeds

Handledare: Danica Djuric Ilic Examinator: Shahnaz Amiri

Linköpings universitet SE-581 83 Linköping, Sverige 013-28 10 00, www.liu.se

Förord

Först och främst vill vi rikta ett stort tack till vår fantastiska handledare Danica Djuric Ilic som med sitt stöd och sina goda råd har hjälpt oss genomföra detta examensarbete på ett smärtfritt vis. Ett tack riktas även till vår examinator Shahnaz Amiri som har funnits med under hela processen. Ett stort tack ska riktas till anställda på WSP som har bidragit med stor kunskap under arbetets gång, speciellt till Claes Nylén och Anders Månsson som dels har administrerat examensarbetet och involverat personer som hjälpt oss när problem uppstått men även bidragit stort med sin egen kunskap. Ett tack riktas även till anställda på Borlänge Energi som med sin hjälpsamhet och öppenhet har bidragit till att ge examensarbetet en grund baserad i verkligheten, framförallt ska Emil Nyhlén, Mathias Bjurman och Robert Källman tackas som funnits där under hela examensarbetets gång och bidragit med information, lärdomar och idéer. Slutligen vill vi tacka våra opponenter Nathalie Martin och Olivia Gewert som har bidragit med bra och intressanta synpunkter vilka har förhöjt nivån på det här examensarbetet.

Det har varit en fröjd att skriva detta examensarbete tillsammans och vi har fått en stor mängd nya lärdomar om både fjärrvärme och annat. All erfarenhet från examensarbetet tar vi vidare med oss ut i arbetslivet och examensarbetet har med all sannolikhet gjort oss till bättre civilingenjörer. Vi hoppas att examensarbetet kan väcka intresse hos dig som anställd på WSP eller Borlänge Energi, som forskare, som student eller bara som en som är nyfiken på fjärrvärmesektorns framtid. Vi önskar dig således en fin stund med trevlig läsning!

Henrik Nordström & Klara Smeds Linköping, 31/5 2021

Sammanfattning

För att möta problem med ökande klimatförändringar kan fjärrvärmen ha en betydande roll ur både en svensk och en internationell kontext. Samtidigt står svenska fjärrvärmebolag inför betydande utmaningar då värmepumpar blir ett allt vanligare val för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet, tillgången till avfall och biomassa som bränsle förutspås bli mer begränsad och byggnaders uppvärmningsbehov blir allt lägre. För att fjärrvärme ska fortsätta vara ett konkurrenskraftigt och hållbart alternativ för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet har konceptet fjärde generationens fjärrvärme (4GDH) tagits fram. 4GDH karaktäriseras av lägre nättemperaturer, fler förnybara energikällor för fjärrvärmeproduktion samt ökad integrering med andra delar av energisystemet. I detta examensarbete har dels möjligheter med att arbeta mot 4GDH i Borlänge Energis fjärrvärmenät undersökts och dels har potentialen med att uppnå ett hållbart energisystem genom att konvertera existerande svenska fjärrvärmenät till 4GDH undersökts. Examensarbetets fokus har primärt legat på den aspekt av 4GDH som innebär lägre nättemperaturer.

Beräkningar på Borlänges fjärrvärmenät visar att det finns fördelar med att sänka nättemperaturen i form av (1) ökad elproduktion i kraftvärmeverk (KVV), (2) effektivare rökgaskondensering samt (3) mindre

värmeförluster. Störst kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp erhålls genom effektivare

rökgaskondensering följt av minskade värmeförluster. Den ökade elproduktionen i KVV medförde små kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp i förhållande till tidigare nämnda faktorer. Simulering av

Borlänges fjärrvärmenät i dagsläget och med 4GDH visade på att 4GDH skulle kunna leda till att en stor mängd drifttimmar undviks i Borlänge Energis avfallseldade hetvattenpanna samtidigt som fjärrvärmesystemet blir oberoende av fossila bränslen. Detta innebär stora undvikta CO2-utsläpp men grundat i att avfallsförbränning

är en tjänst som fjärrvärmebolag får betalt för i dagsläget leder det totalt sett till en ökade bränslekostnader för Borlänge Energi.

Vid analys av kunder i Borlänges fjärrvärmenät valdes fem fastigheter ut som till stor del uppfyllde framtagna kriterier för att en fastighet skulle lämpa sig väl för 4GDH. Av dessa var tre fastigheter planerade byggnationer och två befintliga fastigheter. Av de presenterade tekniska lösningarna fanns endast tydlig ekonomisk lönsamhet, miljönytta och teknisk möjlighet i ett av fallen, där majoriteten av fastighetens fjärrvärmebehov kunde täckas av returvärme tack vare låga temperaturkrav. I två andra fall kunde ekonomisk lönsamhet och miljönytta konstateras men dessa krävde investeringar av externa aktörer för att tekniskt möjliggöras. I de övriga två fallen begränsades den ekonomiska lönsamheten och tekniska möjligheten av ett begränsat flöde i närliggande returledningar som föreslogs användas som framledning för lösningarna.

De långsiktiga fördelarna med 4GDH indikerade att det är ett angreppssätt man på sikt bör jobba vidare med i Borlänge eftersom det kan bidra till att uppfylla kommunala miljömål. Samtidigt visade de studerade kundfallen att det finns tydliga hinder för implementering av 4GDH trots att fastigheter bedöms väl lämpade för att nyttja lågtempererad fjärrvärme. Således drogs slutsatsen att 4GDH främst bör implementeras i form av större sekundärnät vilket kräver samordning av ett flertal aktörer och långsiktig planering. För att stödja Borlänge Energis arbete mot 4GDH togs en handlingsplan fram med rekommenderade åtgärder i dagsläget, på fem till tio års sikt och på längre än tio års sikt.

För att avgöra potentialen med 4GDH i svenska fjärrvärmenät generellt nyttjades resultat från beräkningar och simuleringar av Borlänges fjärrvärmenät för att simulera fyra typiska svenska fjärrvärmenät med olika produktionsmixar. Simuleringarna visade på att 4GDH i samtliga fall ledde till kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp samtidigt som tillförseltryggheten ökade. Simuleringarna indikerade på att fjärrvärmenät

där restvärme eller biomassa är de primära energikällorna främst drar fördel med 4GDH i form av minskade bränslekostnader medan fjärrvärmenät där avfall eller fossila bränslen är primära energikällor drar större fördel i form av undvikta CO2-utsläpp.

Resultaten från detta examensarbete visade att potentialen för att uppnå ett hållbart energisystem genom att konvertera svenska fjärrvärmenät till 4GDH är god. Beroende på vilken typ av svenskt fjärrvärmenät det är bör policys och styrmedel anpassas för att gynna en utveckling mot 4GDH, extra betydande är detta i fjärrvärmenät där avfallsförbränning står för en betydande del av fjärrvärmetillförsel. Generellt kan arbete mot 4GDH påbörjas på ett förhållandevis likvärdigt vis i svenska fjärrvärmenät, därför presenteras en generell metodik för hur svenska fjärrvärmebolag kan initiera en omställning mot 4GDH.

Abstract

To face the emerging climate crisis, district heating could play an important role both in Sweden and internationally. Meanwhile, Swedish district heating companies are facing major challenges as heat pumps become more common to meet the heating and domestic hot water demand in buildings, the availability of waste and biomass as fuel is predicted to be limited and the heating demand of buildings is reducing. In order for district heating to maintain a competitive and sustainable alternative to meet the heating and domestic hot water demand in buildings, the concept of the fourth generation of district heating (4GDH) has been created. 4GDH is characterized by lower temperatures in the district heating network, more renewable energy sources used for heat production and increased integration with other parts of the energy system. In this master thesis, the possibilities with working towards 4GDH in Borlänge Energi’s district heating network has been evaluated. Also, the potential of achieving a sustainable energy system by converting existing Swedish district heating networks to 4GDH has been examined. The focus of the master thesis has primarily been on the aspect of 4GDH considering lower network temperatures.

Calculations show benefits with lower temperatures in Borlänge Energi’s district heating network such as (1) increasing electricity production in the combined heat and power plant (CHP), (2) more efficient flue gas condensation and (3) decreased heat losses. The largest reductions of costs and CO2 emissions are obtained

from more efficient flue gas condensation followed by decreased heat losses. The increased electricity production in the CHP plant resulted in smaller reductions of costs and CO2 emissions compared to the

above-mentioned factors. Simulations of a scenario where 4GDH is fully implemented in Borlänge, shows that 4GDH could lead to a lot of operating hours being avoided in the waste-fuelled hot water boiler and the district heating network being independent of fossil fuels. This means significant reductions of CO2 emissions but due to that

waste incineration is a service that district heating companies gets paid for the total costs of fuel are increased. When analysing customers in Borlänge Energi’s district heating network, five buildings were selected that largely fulfilled presented criterions for a building to suit well in a 4GDH system. Of these five buildings, three were planned buildings and two were existing. Of the presented technical solutions, there were only economic and environmental benefits with few technical barriers in one case. In this case, the heating and domestic hot water demand could mainly be covered by return heat owing to low temperature requirements. In two other cases, the economic and environmental benefits depended heavily on investments by external actors to be technically feasible. In the remaining two cases, the economic benefits and the technical feasibility was limited due to a limited flow in nearby return pipes which were proposed to be used as supply pipe to the buildings. The long-term benefits with 4GDH indicated that it is an approach that should be continued with in Borlänge in the long term as it can contribute to reaching municipal environmental targets. However, the studied customer cases showed significant barriers to implementing 4GDH, although the buildings were assessed to be suited well for using low-tempered district heating. Thus, it was concluded that 4GDH should mainly be implemented by building larger low-tempered secondary networks. This requires coordination of multiple actors and long-term planning. To support Borlänge Energi’s work towards 4GDH, an action plan was presented with recommended measures today, in five to ten years’ time and in more than ten years’ time. To generalize the results from Borlänge on a national level, the results from calculations and simulations of Borlänge Energi’s district heating network were used to simulate four typical Swedish district heating networks with different production mixes. The simulations showed that 4GDH in all cases led to reductions of costs and CO2 emissions and increased security of supply. The simulations indicated that district heating networks where

residual heat or biomass is predominantly used mainly benefits from 4GDH through cost reductions, while district heating networks where waste or fossil fuels are predominantly used mainly benefits from 4GDH through reduced CO2 emissions.

The results of this thesis shows that the potential of achieving sustainable energy systems by converting Swedish district heating networks to 4GDH is high. Depending on the characteristics of the district heating network, policies and instruments should be adjusted to support a development towards 4GDH. This is especially important in district heating networks where waste incineration is a major source of the district heating supply. However, work towards 4GDH could generally be initiated in a relatively similar way in Swedish district heating networks. Therefore, a general method for initiating a transition towards 4GDH was presented.

Förkortningar

3GDH Tredje generationens fjärrvärme (3rd Generation District Heating) 4GDH Fjärde generationens fjärrvärme (4th Generation District Heating)

BBR Boverkets byggregler

CCS Koldioxidinfångning (Carbon Capture and Storage)

CHP Combined heat and power

CO2 Koldioxid

CO2-eq Koldioxidekvivalenter

COP Coefficient of preformance

DVUT Dimensionerande vinterutetemperatur

IR Internränta KVV Kraftvärmeverk NNV Nettonuvärde PB Återbetalningstid (Payback-tid) VVC Varmvattencirkulering

Nomenklatur

C Årlig nettointäkt [SEK]

C0 Investeringskostnad [SEK] Cp Specifik värmekapacitet [kJ/(kg*°C)] 𝒉 Entalpi [kJ/kg] 𝒍 Längd [m] 𝒎̇ Massflöde [kg/s] 𝑸̇ Effekt [W] r Diskonteringsränta [%] 𝑻 Temperatur [°C] t Tid [år] U Värmegenomgångskoefficient [W/(m2_*°C)]

𝑽

̇

Ordlista

I detta arbete syftar det till fjärrvärme med tillförseltemperatur under 65 °C och returtemperatur under 35 °C.

Rankinecyklen En termodynamisk cykel som omvandlar värme till arbete i ett slutet kretssystem. Smarta energisystem I den här studien definieras begreppet smarta energisystem enligt Connolly et al.

(2013) vilket enligt dem syftar till energisystem med större flexibilitet mellan olika sektorer för att kompensera avsaknad av flexibilitet hos förnyelsebara energikällor.

Smarta fjärrvärme- och fjärrkylesystem

I den här studien avser begreppet fjärrvärme- och fjärrkylesystem som är en integrerad del av smarta energisystem och således har tätare koppling till andra sektorer i energisystemet.

Innehållsförteckning

2.2.1 Hetvattenpannor & kraftvärmeverk ... 4

2.2.2 Rökgaskondensering ... 5

2.3 Komponenter i distributionssystemet... 5

2.3.1 Rör ... 5

2.3.2 Fjärrvärmecentraler ... 6

2.3.3 Uppvärmningssystem ... 6

2.4 Tidigare generationer av fjärrvärme ... 7

2.5 Svensk fjärrvärme historiskt ... 7

2.6 Svensk fjärrvärme idag ... 9

3 Bakgrund om 4GDH ... 12

3.1 Tekniska hinder och lösningar med 4GDH ... 13

3.1.1 Legionella ... 14

3.1.2 Flaskhalsar ... 14

3.1.3 Tredje rör ... 14

3.1.4 Sammankopplingar mellan primär- och sekundärnät... 15

3.2 Tekniker integrerade med ett 4GDH-system ... 17

3.2.1 Resurs- och energieffektiv fjärrvärme för alla byggnader, inkluderat lågenergibyggnader ... 17

3.2.2 Mätutrustning och användning av data ... 18

3.2.3 Intermittent förnybar elproduktion ... 19

3.2.4 Centraliserade värmepumpar... 20

3.2.5 Värmelagring ... 20

3.2.6 Effektivt nyttjande av biomassa ... 20

3.2.7 Restvärme ... 21

3.2.8 KVV ... 21

3.2.9 Fjärrkyla ... 22

3.2.10 Geotermisk värme ... 22

3.2.11 Solvärme ... 22

3.3 Ekonomiska och politiska aspekter med 4GDH ... 23

3.4 Studerade fall av omställning mot 4GDH ... 24

3.4.1 Kirsehir, Turkiet ... 25

3.4.2 Lystrup, Danmark... 25

3.4.3 Tåstrup, Danmark ... 26

3.4.4 Norra Djurgårdsstaden, Stockholm ... 26

3.4.5 Ranagård, Halmstad ... 26

3.4.6 Brunnshög, Lund ... 27

3.4.7 Västerås ... 27

3.4.8 Ectogrid i Medicon Village, Lund... 27

4 Metod ... 29

4.1 Övergripande metod ... 29

4.3 Fallstudie ... 29

4.3.1 Utformning och användning av fallstudie ... 29

4.3.2 Arbetsgång för fallstudie på Borlänge Energi ... 31

4.3.3 Kriterier för urval av kunder i Borlänge... 31

4.4 Beräkningar ... 33

4.4.1 Ökad elproduktion i KVV vid lägre tillförseltemperatur ... 33

4.4.2 Effektivare rökgaskondensering vid lägre returtemperatur ... 33

4.4.3 Minskade värmeförluster från fjärrvärmenätet vid lägre nättemperaturer ... 34

4.4.4 Beräkning av dimensionerande uppvärmnings- och tappvarmvattenbehov i byggnader ... 34

4.5 Hållbarhetsbedömning ... 35

4.6 Bedömning av ekonomisk lönsamhet ... 35

4.7 Simulering av 4GDH i olika typer av fjärrvärmenät ... 36

5 Borlänges fjärrvärmenät ... 38

5.1 Utvalda kundfall i Borlänge ... 40

5.1.1 Allfarvägen 65 ... 40

5.1.2 Maserfrakt, Gjutargatan 18 ... 40

5.1.3 Bilhall, Singelgatan 5 ... 41

5.1.4 Bältartäppan 7, Siljansvägen/Vintervägen ... 41

5.1.5 Vattumannen 1, Röda vägen/Läroverksgatan/Thenstedsgatan ... 42

6 Resultat ... 43

6.1 Omställning till 4GDH i Borlänge ... 43

6.1.1 Potentiella effekter av en temperatursänkning i hela Borlänge Energis fjärrvärmenät ... 43

6.1.2 Undersökta kundfall ... 46

6.2 Simulering av 4GDH i olika typnät ... 58

6.2.1 Typnät 1... 58

6.2.2 Typnät 2... 59

6.2.3 Typnät 3... 60

6.2.4 Typnät 4... 61

6.2.5 Jämförelse mellan typnät ... 62

7 Diskussion... 64

7.1 Metoddiskussion ... 64

7.2 Långsiktiga fördelar i Borlänge ... 64

7.3 Studerade kundfall ... 66

7.4 Omställning till 4GDH i olika typer av nät ... 68

8 Slutsatser ... 70

8.1 Rekommendationer till Borlänge Energi ... 72

8.2 Vidare arbete ... 73

9 Referenser ... 74

10 Appendix ... 81

10.1 Kostnads- och utsläppsdata för el- och fjärrvärmeproduktion ... 81

10.2 Specifika data för Borlänge Energis fjärrvärmenät ... 81

10.3 Rörkostnader ... 82

10.4 Övriga kostnader ... 82

1 Inledning

I följande avsnitt presenteras bakgrunden till examensarbetet, dess syfte, mål, frågeställningar och avgränsningar.

I dagens samhälle har begreppet hållbar utveckling blivit centralt. Begreppet introducerades 1987 i Brundtlandkomissionen och definierades som ”en utveckling som tillgodoser dagens behov utan att äventyra kommande generationers möjlighet att tillgodose sina” (Burton, 1987). Klimatförändringar och en ökande befolkningstillväxt har lett till att ämnet har fått allt mer uppmärksamhet. FN har tagit fram en handlingsplan kallad Agenda 2030 med 17 globala mål för att uppnå hållbar utveckling (Regeringskansliet, 2021). Det sjunde målet av dessa syftar till att säkerställa tillgång till ekonomiskt försvarbar, tillförlitlig, hållbar och modern energi för alla och kräver bland annat att dagens energisystem ses över för att kunna framtidssäkras. Det finns en mängd utmaningar med att uppnå målet och energisektorn står idag för cirka 44 % av de globala CO2

-utsläppen (IEA, 2020). För att uppnå målet krävs en omställning av världens energisystem under den kommande tiden för att energisystemen ska bli hållbara.

Förnybar energi tillsammans med energilagring, kraftvärmeverk och fjärrvärme är något som anses vara viktigt för att uppnå hållbara energisystem i såväl Europa som andra regioner runt om i världen (t.ex. Askeland et al., 2020; O. Eriksson et al., 2007; Gustavsson & Karlsson, 2003; Kelly & Pollitt, 2010). Fjärrvärme står i dagsläget för 90 % av uppvärmningen i svenska flerbostadshus och att effektivisera fjärrvärmeanvändningen är därför en viktig del i omställningen till ett hållbart energisystem (Sveriges regering, 2017). Framtidens fjärrvärmenät brukar benämnas fjärde generationens fjärrvärme (4GDH) och karakteriseras bland annat av låga nättemperaturer och små värmeförluster (H. Lund et al., 2018). En omställning till 4GDH med lägre nättemperaturer möjliggörs av att nya byggnader generellt har ett mindre värmebehov, därför är det inte längre nödvändigt med höga temperaturer i fjärrvärmenäten (Schweiger et al., 2019). Vidare leder 4GDH på sikt till ekonomiska fördelar som lägre kostnader för konsumenter samt möjliggör att värmeproduktionen kan bli mer kostnadseffektiv, då uppvärmningen blir mer energieffektiv och bränslesnål (Schweiger et al., 2019).

I dagsläget skulle de flesta svenska fjärrvärmenäten kategoriseras som tredje generationens fjärrvärme (3GDH) med tillförseltemperaturer kring 80 °C och returtemperaturer kring 45 °C (H. Lund et al., 2017). 3GDH introducerades under 1970-talet och refereras ibland till som ”Skandinavisk fjärrvärmeteknik” där kraftvärmeverk (KVV) i stor utsträckning används för produktion av värme (Di Lucia & Ericsson, 2014; H. Lund et al., 2014). Jämfört med 3GDH kännetecknas 4GDH av tillförseltemperaturer omkring 50 °C och returtemperaturer omkring 20 °C samt högre nyttjandegrad av förnybara energikällor och restvärme (H. Lund et al., 2018). Även integration av KVV med säsongslagring av värme och storskaliga värmepumpar nämns som aspekter som möjliggör mer effektivt resursnyttjande (Volkova et al., 2018). 4GDH möjliggör således att svenska fjärrvärmesystemen kan bli oberoende av fossila bränslen och på sikt även minska beroendet av avfall och biomassa (Avfall Sverige, 2016; Werner, 2017a). Ett minskat beroende av biomassa är viktigt eftersom konkurrensen om biomassa ökar i takt med att nya användningsområden för biomassa utvecklas (Börjesson et al., 2017). Mängden avfall som finns tillgängligt för förbränning förutspås minska grundat i ökad materialåtervinningsgrad (Börjesson et al., 2017; Persson & Münster, 2016).

Tidigare studier kring 4GDH redogör för begreppet smarta energisystem som handlar om att genom ett systemöverskridande angreppssätt integrera sektorer som el-, värme-, industri-, byggnads- och transportsektorn för att identifiera så resurseffektiva lösningar som möjligt och erhålla ett mer hållbart energisystem (H. Lund, 2014; H. Lund et al., 2017; Sorknæs et al., 2020). Smarta energisystem överskrider gränser för tekniska system och kräver även integrerad samordning och koordinering mellan myndigheter, energibolag och konsumenter (Hvelplund & Djørup, 2017). För att uppnå smarta energisystem krävs smarta fjärrkyle- och fjärrvärmesystem vilka möjliggör att el- och värmesektorn kan integreras (H. Lund et al., 2017), där 4GDH är en viktig del i lösningen.

Generellt bedöms svensk fjärrvärme vara starkt hängiven till 3GDH, vilket i kombination med att fjärrvärme redan är en mycket utbredd teknik, gör att en storskalig omställning av svenska fjärrvärmenät till 4GDH medför många utmaningar (Werner, 2017a). I dagsläget finns det inga fall av fjärrvärmenät som faktiskt visar på att det är möjligt att uppnå nättemperaturerna som är målet för 4GDH och arbetet med en omställning har främst skett i form av mindre pilotprojekt med lågtempererade fjärrvärmenät, både i Sverige och i andra länder. En

nyckel i arbetet mot storskaliga 4GDH-system är att finna en balans där värmetillförseln utvecklas i samspel med värmebehovet (H. Lund et al., 2014). I dagsläget finns tydliga handlingsplaner och mål kring byggandet av lågenergihus som lämpar sig för uppvärmning med 4GDH men det råder en avsaknad av handlingsplaner för hur svenska fjärrvärmenät ska utvecklas för att på ett hållbart och energieffektivt vis kunna möta värmebehovet i dessa lågenergihus. Genom att undersöka potentialen för att uppnå hållbara energisystem med hjälp av 4GDH, samt att utveckla ett ramverk för hur arbetet mot 4GDH i svenska fjärrvärmenät kan påbörjas, kan en balans mellan utvecklingen av värmetillförseln och värmebehovet erhållas och svenska fjärrvärmenät kan successivt ställa om till 4GDH.

Diskussion och forskning kring 4GDH har främst förekommit inom akademiska sammanhang men börjar nu attrahera marknaden allt mer. WSP, ett analys- och teknikföretag som erbjuder tjänster för hållbar samhällsutveckling, har uttryckt ett intresse kring ämnet och dess möjligheter i en svensk kontext vilket ligger till grund för detta examensarbete. WSP efterfrågar även kunskap kring hur en omställning av befintliga fjärrvärmenät ska kunna ske samt hur kunskap kring hur 4GDH ska kunna appliceras på ett faktiskt fall, därför involveras även deras kund Borlänge Energi AB (hädanefter benämnt Borlänge Energi) som äger fjärrvärmenätet i Borlänge och har uttryckt ett intresse kring arbete mot 4GDH.

1.1 Syfte

Syftet med examensarbetet är att öka förståelsen kring 4GDH samt att utreda dess framtida potential för att bidra till hållbara energisystem i Sverige. Examensarbetet ska ligga till grund för slutsatser både kring vilka möjligheter som finns med 4GDH i Borlänge och för hur en potentiell omställning till 4GDH kan påbörjas och fortgå i svenska fjärrvärmenät generellt. Genom att uppfylla sitt syfte bidrar examensarbetet med ny kunskap kring hur en framtida utveckling av svenska fjärrvärmenät kan komma att se ut, samt klargör för uppdragsgivaren WSP och dess kund Borlänge Energi vilka möjligheter och hinder som finns med 4GDH. Baserat på examensarbetet kan slutsatser dras kring om 4GDH är något man bör arbeta vidare med i Borlänge, samt hur ett sådant arbete skulle kunna se ut.

1.1.1 Mål

Målet med examensarbetet är att dra slutsatser om, och i vilka fall, en omställning till 4GDH i svenska fjärrvärmenät är ekonomiskt, socialt och miljömässigt hållbart. Slutsatser baseras på identifierade hinder och möjligheter med en omställning samt kvantifierad nytta med en omställning vid fallstudie i Borlänge Energis fjärrvärmenät. Baserat på dragna slutsatser presenteras ett tydligt ramverk gällande hur en omställning till 4GDH i svenska fjärrvärmenät kan påbörjas och fortgå om 4GDH bedöms vara en teknik att arbeta vidare med i Sverige.

1.1.2 Frågeställningar

1. Vilka tekniska förutsättningar krävs för att en kund ska kunna vara ansluten till 4GDH? Vilka kunder är tekniskt lämpade för 4GDH i Borlänge?

2. Vilka tekniska hinder finns för en omställning till 4GDH i Borlänges fjärrvärmenät? Hur kan dessa överbryggas på ett hållbart vis?

3. Vilka ekonomiska, sociala och miljömässiga fördelar kan 4GDH leda till i Borlänge? Hur stora bränslekostnader och CO2-utsläpp kan undvikas?

4. Finns det generellt förutsättningar att uppnå mer hållbara energisystem med 4GDH i svenska fjärrvärmenät? Om så är fallet, hur kan en generell arbetsmetodik för att påbörja ett arbete mot 4GDH se ut?

1.2 Avgränsningar

Fallstudien begränsades till att undersöka Borlänge Energis fjärrvärmenät och endast kunder som i dagsläget skulle vara aktuella för lågtempererad fjärrvärme, exempelvis uteslöts villaområden med dåligt isolerade hus ur studien efter samråd med de inblandade företagen. Vid beräkningar togs endast Borlänge Energis elproduktion hänsyn till, därmed uteslöts elproduktion från det andra kraftvärmeverket i fjärrvärmenätet. Vid kvantifiering av nytta med 4GDH låg fokus på minskade kostnader och CO2-utsläpp men ansatser till att

undersöka socioekonomiska fördelar som en ökad försörjningstrygghet och att fler har råd med fjärrvärme gjordes även. Dessutom begränsades fallstudien till att endast studera den aspekt av 4GDH som innebär lägre temperaturer i fjärrvärmenätet. Den 20/4 2021 gick Stora Enso ut med att Kvarnsvedens pappersbruk kommer att stängas ned (SvD, 2021), något som kommer att påverka energitillförseln till Borlänge Energis

fjärrvärmenät. Grundat i att nyheten publicerades så pass sent sett till examensarbetets tidsram är det inte något som kommer att tas hänsyn till vid beräkningar och simuleringar.

2 Bakgrund om fjärrvärme

I följande kapitel presenteras bakgrund kring fjärrvärmesystem och om dess tekniska komponenter. Det redogörs även för hur utvecklingen av svenska fjärrvärmenät har sett ut och hur de ser ut i dagsläget.

2.1 Fjärrvärmesystemetet

Fjärrvärme är en teknik som används för att tillgodose tätbebyggda områden med värme genom att lämpliga kunder kopplas ihop med tillgängliga värmekällor via nät med distributionsrör. Ett rör transporterar varmt vatten till kunderna, vilket benämns framledning, och ett annat rör transporterar det kalla returvattnet tillbaka till producenten, vilket benämns returledning, se Figur 1 (Frederiksen & Werner, 2013). Fjärrvärme möjliggör att värmebehovet kan tillgodoses mer resurseffektivt än om konventionella värmekällor som individuella pannor användas.

Figur 1. Visualisering av hur ett fjärrvärmenät är uppbyggt. Den röda linjen representerar framledningen och den blåa returledningen. Under varje enskilt hus finns en fjärrvärmecentral där vattnet från fjärrvärmenätet värmeväxlas mot vatten i vattensystem i respektive hus.

2.2 Värmeproduktion

För att producera fjärrvärme i Sverige idag nyttjas främst hetvattenpannor eller kraftvärmeverk (KVV), även industriell restvärme är vanligt förekommande. Detta avsnitt redogör kort för de vanligaste teknikerna kopplade till värmeproduktion i fjärrvärmenät i dagsläget.

2.2.1 Hetvattenpannor & kraftvärmeverk

I Sverige produceras fjärrvärme primärt i ång- eller hetvattenpannor, dessa har i många fall utrustats med en turbin som genererar el för att bli ett KVV (Frederiksen & Werner, 2013). Grundprincipen för pannorna är att man genom förbränning av fast bränsle värmer vatten som antingen leds direkt till fjärrvärmenätet eller indirekt via en ångturbin i ett KVV. Frederiksen & Werner (2013) redogör för att olika pannors egenskaper främst beror på vilken typ av bränsle som används i pannan. Fukthalten kan variera mycket mellan olika typer av fasta bränslen och således anpassas pannan efter bränslet för att möjliggöra effektiv förbränning.

I svenska fjärrvärmenät är KVV vanligt förekommande för samproduktion av värme och el, en schematisk beskrivning av ett KVV finns i Figur 2. KVV stod 2019 för 9,5 % av eltillförseln och 66,4 % av fjärrvärmetillförseln i Sverige (SCB, 2019). I den mest klassiska typen av KVV används en ångturbin som kan nyttja en mängd olika bränslen, som exempelvis kommunalt avfall eller biomassa (Frederiksen & Werner, 2013). Den termodynamiska Rankinecykeln nyttjas och en panna värmer upp trycksatt vatten som förångas, ångan expanderar och förlorar tryck samtidigt som den avger mekaniskt arbete som roterar en turbin vilken är kopplad till en generator som producerar elektricitet. I vissa fall kan det finnas två turbiner, där ångan först passerar genom en högtrycksturbin och sedan en lågtrycksturbin där ångan fortsätter sin expansion. Efter ångan har expanderat leds den till en intilliggande kondensor där den kyls och kondenseras. Värmen som frigörs tas tillvara på genom att den värmeväxlas till ett fjärrvärmenät. Därefter används en matarvattenpump för att åter höja trycket på vätskan och processen börjar om. Med lägre tillförseltemperaturer i fjärrvärmenätet visar en studie på att turbinkapaciteten ökar, studeras endast en lågtrycksturbin kan den leverera upp till 45 % mer el om tillförseltemperaturen sänks med omkring 10 C (Bolonina et al., 2014).

Figur 2. Schematisk bild för ett kraftvärmeverk och dess ingående komponenter, där tillförd och genererad energi visas.

2.2.2 Rökgaskondensering

För att öka effektiviteten hos KVV och hetvattenpannor kan rökgaskondensering användas, vilket är vanligt förkommande i Sverige (Frederiksen & Werner, 2013). Tekniken är särskilt effektiv när fuktiga bränslen som biobränslen och avfall förbränns då en stor andel vattenånga finns i rökgaserna. Rökgaskondensering grundas i att energin från rökgaserna tas tillvara på genom att det förångande vattnet i rökgaserna kondenseras vid värmeväxling mot returvattnet från fjärrvärmenätet. På så vis kan fjärrvärmevattnet förvärmas och mindre värme behöver tillföras för att fjärrvärmevattnet ska nå önskad temperatur. Lägre returtemperatur i fjärrvärmenätet möjliggör att mer av rökgasernas energiinnehåll kan nyttjas för att producera fjärrvärme. En studie visar att för en viss rökgaskondensor ökar nettonuvärdet av investeringen med 50 % om den genomsnittliga returtemperaturen sänks med 5 C vid förbränning av ett bränsle med 40 % fukthalt (Coppieters & Blondeau, 2019).

2.3 Komponenter i distributionssystemet

För att värmen ska distribueras från producent till konsument i fjärrvärmesystemet krävs olika tekniska komponenter som ledningar, fjärrvärmecentraler, sammankopplingar och värmepumpar. Dessa beskrivs i följande avsnitt.

2.3.1 Rör

Mängden värmeförluster från ett fjärrvärmenät är starkt beroende av värmeöverföringskoefficienten i näten (Volkova et al., 2018). Denna påverkas av egenskaper som temperatur i nätet men är även starkt beroende av rörens egenskaper som rörisoleringens värmeledningsförmåga samt rörens diameter och längd. Av rören i de svenska fjärrvärmesystemen idag är majoriteten inom ramen för den tredje generationens fjärrvärmeteknik. Rören är prefabricerade och består av ett medierör där fjärrvärmevattnet transporteras, omgivet av isolering som sedan omsluts av ett mantelrör bestående av plast (Frederiksen & Werner, 2013). Rören är vanligtvis av stål och har ofta en isolering bestående av polyuretanskum som har god isoleringsförmåga samt är lätt och stabilt (Lauenburg, 2018).

Plaströr används ofta i mindre fjärrvärmesystem eller i lokala sekundärsystem där lägre tryck och temperaturer förekommer (Frederiksen & Werner, 2013). Den typiska plasten som används är PEX för vilken den maximala dimensionerande temperaturen är omkring 95 °C och vid kontinuerlig användning bör inte temperaturen överskrida 85 °C. Trycket ledningarna klarar av är även det begränsat till sex eller tio bar. Plaströr tenderar att vara billiga, lätta och flexibla vilket är till stor nytta både vid anläggning och transport av rören (Lauenburg, 2018). Således är även plaströr fördelaktiga med avseende på anläggningskostnader. Ytterligare en fördel med plaströr är att mindre friktion uppstår i ledningarna och därmed mindre tryckfall (Frederiksen & Werner, 2013). Det blir även mer vanligt att kompositrör som delvis består av plast nyttjas, den mest förekommande varianten enligt Frederiksen & Werner (2013) kallas AluPEX-rör.

Fjärrvärme framledning Fjärrvärme returledning Turbin Rökgaser Kondensor Ångpanna Matarvattenpump Värme El El Bränsle Värme

Fram- och returledning kan placeras på olika sätt i schaktet, vilket påverkar mängden värmeförluster från nätet (Frederiksen & Werner, 2013). Det vanligaste är att använda så kallade singelrörsystem där fram- och returledningen är förlagda bredvid varandra, se Figur 3. Ett alternativ för att minska värmeförluster från rören är att använda så kallade twinrör. Twinrör är utformade på ett sådant sätt att både fram- och returledning är placerade i samma plasthölje, där framledningen ligger ovanför returledningen, se Figur 3. Detta halverar värmeöverförningskoefficienten (Lauenburg, 2018; H. Lund et al., 2014).

Figur 3. Skillnad mellan utformning av en schaktsektion med singel- respektive twinrör.

Flödet i fjärrvärmenätet påverkas främst av tryckförluster som uppstår genom inverkan av inre friktion men även rördimensionerna är en avgörande faktor (Frederiksen & Werner, 2013). Att dimensionera ledningar i fjärrvärmenät, framför allt huvudledningar, och därmed avgöra flödeshastigheten är ytterst komplext enligt Frederiksen & Werner (2013) och kräver att flertalet faktorer beaktas. Bland annat är dimensioneringen beroende av efterfrågan hos konsumenterna, vars skiftningar kan vara svåra att förutspå (Volkova et al.2018). Även rörkostnader är en faktor som måste tas i beaktande vid val av rör och rördimensioner.

2.3.2 Fjärrvärmecentraler

Fjärrvärmecentralen är en enhet som används för att tillgodose fjärrvärmenätets kunder med värme (Frederiksen & Werner, 2013). Fjärrvärmecentraler skiljer sekundärsidan från primärsidan av nätet, genom att värmeväxling sker mellan dem. Med sekundärsidan avses det vattensystem som finns i byggnaderna, medan primärsidan avser fjärrvärmenätet. Värmeväxlingen möjliggör lägre tryck och temperatur på vattnet i sekundärsidan, vilket i sin tur möjliggör användande av billigare utrustning i byggnader utan att riskera att fel eller olyckor uppstår. I Sverige är det vanligast att varje villa har en egen fjärrvärmecentral medan ett lägenhetshus har en gemensam fjärrvärmecentral för hela huset. I Tyskland har det blivit allt vanligare med lägenhetsfjärrvärmecentraler för att möjliggöra att avgifter kan debiteras med avseende på varje lägenhets specifika värmeanvändning, samtidigt minskas risken för utveckling av legionella med mindre vattenmängder i systemet. I Skandinavien ses upplägget med individuella lägenhetscentraler enligt Frederiksen & Werner (2013) som kostsamt och är därför inte vanligt förekommande.

Frederiksen & Werner (2013) redogör för hur fjärrvärmecentraler kan utformas på olika sätt med avseende på värmeväxling mellan byggnaders vattensystem och fjärrvärmenätet. I ytterst ovanliga fall sker ingen värmeväxling alls, vattnet i systemet levereras då direkt till byggnadens radiatorer och varmvattenkranar, något som är ytterst ineffektivt ur energisynpunkt. I Sverige är det vanligast att man använder sig av så kallade indirekt kopplade fjärrvärmecentraler, vilket innebär att två olika värmeväxlare används för att värmeväxla fjärrvärmevatten mellan radiatorsystemet och tappvarmvattensystemet. En värmeväxlares förmåga att överföra värme brukar uttryckas med dess termiska längd, vilken beror på temperaturskillnaden på mellan värmeväxlarens primära och sekundära sidor (Averfalk & Werner, 2017). Ju längre termisk längd desto mindre blir temperaturskillnaden mellan sidorna. Större temperaturskillnader mellan primär- och sekundärsida i värmeväxlaren innebär ökade temperaturnivåer i distributionsnäten. Att öka den termiska längden i värmeväxlare är således ett viktigt verktyg för att möjliggöra lägre temperaturer i fjärrvärmesystemet (Averfalk & Werner, 2017).

2.3.3 Uppvärmningssystem

Internt i byggnader kan olika system användas för att värma upp inomhusluften. System med radiatorer och golvvärme är två av de vanligaste uppvärmningssystemen i Sverige. Ett radiatorsystems värmeöverföringskapacitet är bland annat beroende av värmeavgivande area och temperaturen på vattnet i

radiatorerna (Boverket, 2012). Större värmeavgivande area möjliggör lägre tillförseltemperaturer och det genererar även lägre returtemperaturer då mer värme kan avges från radiatorerna. Historiskt sett har höga temperaturer använts i mindre radiatorer för att täcka höga värmebehov (Averfalk & Werner, 2017). Före 1980-talet var temperaturerna i sekundära radiatorsystem 80/60/20 °C (tillförsel-/retur-/rumstemperatur). Under senare tid har radiatorer varit dimensionerade för 60/40/20 °C. Med lägre värmebehov från nya byggnader skulle radiatorer av dagens storlek kunna ha temperaturerna 45/25/20 °C, vilket skulle ge en mer än dubbelt så stor termisk längd på dagens radiatorer. Ju större temperaturskillnad som kan erhållas mellan tillförsel- och returtemperatur i uppvärmningssystemet, desto lägre flöde krävs det för att täcka byggnadens uppvärmningsbehov. Vid ett stort flöde krävs en större värmeavgivande area.

Golvvärme har större värmeavgivande yta än radiatorsystem och kräver därför generellt sätt lägre systemtemperaturer (Selinder & Walletun, 2018). En stor värmeavgivande yta medför även goda förutsättningar för systemet att generera låga returtemperaturer. För att uppnå en godtagbar komfort i ett bostadsrum krävs det att golvtemperaturen är som lägst 16 °C, med undantag för badrum där gränsen är 18 °C (Boverket, 2012). En nackdel med golvvärme är att det kan uppstå svårigheter vid implementering av golvvärme i ett flerbostadshus eftersom värme kan spridas på ett oönskat sätt mellan våningsplanen.

2.4 Tidigare generationer av fjärrvärme

De första fjärrvärmesystemen introducerades i städerna Lockport och New York under 1870- respektive 1880-talet och använde ånga som värmebärare (Collins Jr, 1959). Tekniken dominerade fjärrvärmesektorn fram till och med 1930-talet, men kan idag ses som utdaterad trots att den fortfarande nyttjas i t.ex. New York (H. Lund et al., 2014). Komponenter som var typiska för den första generationen var rör för distribution av ångan i betongkanaler, ångfällor och kompensatorer. Den andra generationens fjärrvärme introducerades under 1930-talet och dominerade marknaden fram till och med 1970-1930-talet (H. Lund et al., 2014). För att överkomma höga värmeförluster och problem relaterat till kondensat ersattes ångan med trycksatt vatten med en framledningstemperatur på omkring 100 °C (Frederiksen & Werner, 2013). Typiska komponenter i denna generation var vattenrör i betongkanaler, stora rörvärmeväxlare samt materialintensiva, stora och tunga ventiler (Haoran Li & Nord, 2018). H. Lund et al. (2014) redogör för att drivkrafter bakom implementeringen av tekniken var att spara bränsle samt för att uppnå en bättre komfort i byggnader genom att använda kraftvärme. Under 1970-talet utvecklade svenska, danska och norska ingenjörer 3GDH genom att introducera en mer standardiserad och effektiv teknik tillsammans med prefabricerade och isolerade rör, samt fjärrvärmecentraler (Werner, 2017b). Detta för att de två oljekriserna gav incitament till att förbättra försörjningstryggheten genom att effektivisera kraftvärmen och ersätta oljan med mer lokala och billigare bränslen som kol, biomassa och avfall (H. Lund et al., 2014). Fortfarande användes trycksatt vatten som energibärare men med tillförseltemperaturer vanligtvis mellan 100 °C och 80 °C (H. Lund et al., 2014; Sorknæs et al., 2020). Denna teknik är den som används i majoriteten av fjärrvärmesystemen idag i bland annat Europa, Kina, Kanada och USA (H. Lund et al., 2014). En tillförseltemperatur på över 80 °C leder fortfarande till relativt höga värmeförluster (omkring 20 %) och samtidigt begränsar det även möjligheter till att nyttja mer lågtempererade energikällor som restvärme (Sorknæs et al., 2020), därför har utvecklingen mot en fjärde generations fjärrvärme tagit fart.

2.5 Svensk fjärrvärme historiskt

Det första svenska fjärrvärmesystemet upprättades år 1948 i Karlstad när man omvandlade ett värmekraftverk till ett KVV (Kaiserfeld, 1999). Sedan dess har fjärrvärme blivit allt mer vanligt förekommande och det finns idag över 500 fjärrvärmenät i Sverige där alla större städer och tätorter har egna fjärrvärmenät (Werner, 2017a). Det finns ett antal drivkrafter till att fjärrvärme har växt fram till att bli en central del i svensk uppvärmning och det är viktigt att undersöka dessa för att förstå hur det svenska fjärrvärmenätet har utvecklats till det fjärrvärmenät det är idag.

Den initiala drivkraften för att bygga ut fjärrvärmenät var att man ville använda KVV som ett alternativ till elförsörjningen (Di Lucia & Ericsson, 2014). Detta följdes av att byggandet av miljonprogramsområden med stora flerfamiljshus gav vidare drivkrafter att bygga fjärrvärmesystem. En ytterligare drivkraft till utvecklingen av fjärrvärme var oljekrisen som fick samhället att utveckla nya alternativ till olja för att möjliggöra energitillförsel med god försörjningstrygghet. Den senaste drivkraften för ökad användning av fjärrvärme är att möta klimatförändringar.

I Figur 4 tydliggörs hur svensk fjärrvärme har gått från att vara kraftigt beroende av fossila energikällor till att istället ha en kombination av biomassa, avfall och restvärme. I Sverige finns en stor och energiintensiv industri med vilken det uppstått många synergier med fjärrvärmenät. En stor andel av både den restvärme och den biomassa som används för att producera fjärrvärme kommer från massa- och pappersindustrin (Ericsson & Werner, 2016). De starka incitamenten för att använda biomassa har lett till att Sverige idag importerar biomassa (Ericsson & Nilsson, 2004). Mängden avfall tillgänglig för förbränning har ökat i och med införandet av förbud mot deponi (Furtenback, 2009). Från 2020 infördes dock en skatt på avfallsförbränning som planeras öka succesivt fram till år 2022 (Dotzauer, 2020).

Figur 4. Tillförda energikällor i svenska fjärrvärmenät år 1969–2018. Figuren har reproducerats med tillåtelse av Sven Werner som även har tillhandahållit materialet som ligger till grund för figurerna. Ursprungsdata är hämtad från (SCB, 2018) och motsvarande föregående rapporter.

I Figur 5 är ses en tydlig trend att fjärrvärmen har blivit mer koldioxidsnål vilket kan förklaras av att den svenska CO2-skatten är hög jämfört med till exempel EU:s prissättning på CO2-utsläpp (Werner, 2017a). Att

allokera CO2-utsläpp till fjärrvärme är dock komplext då svensk fjärrvärme är byggd på en grundidé att den

ska skapa synergier med andra aktiviteter i samhället (Grönkvist et al., 2003). Ett exempel på detta är att alla CO2-utsläpp från avfallsförbränning räknas på fjärrvärmesystemen eftersom avfallet betraktas som ett vanligt

bränsle. Fjärrvärmebolag ser dock avfallsförbränningen som en tjänst där överskottsvärme nyttjas och att CO2

-utsläpp inte bör tillräknas fjärrvärmesystemen (Djuric Ilic & Ödlund, 2018). Den plötsliga uppgången av kolanvändning för att producera fjärrvärme på 1980-talet i Figur 5 förklaras av att oljekrisen ledde till att man ville göra sig mindre beroende av olja för att säkra en god försörjningstrygghet (Werner, 2017a).

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 T W h/ år

Energikällor i svensk fjärrvärme 1969-2018

Figur 5. Specifika CO2-utsläpp fördelat per energikälla från svenska fjärrvärmenät år 1969–2018. Återvunnen värme från rökgaser,

avfallsförbränning och industriella processer har inga CO2-utsläpp baserat på principen att förorenaren betalar. Figuren har

reproducerats med tillåtelse av Sven Werner som även har tillhandahållit materialet som ligger till grund för figurerna. Ursprungsdata är hämtad från (SCB, 2018) och motsvarande föregående rapporter.

Det tog lång tid att utforma en specifik fjärrvärmepolicy och fjärrvärme användes länge som ett verktyg för att uppnå andra samhälleliga mål som minskad oljeanvändning under oljekrisen, att möjliggöra etablerande av miljonprogramsområdet och att möta klimatförändringarna (Werner, 2017a). Ett historiskt hinder för att ansluta nybyggnationer till fjärrvärmenätet har varit att inköpt energi har legat till grund för beräkning av byggnaders specifika energianvändning (Boverket, 2018). Det har funnits en avsaknad av primärenergifaktorer i plan- och byggförordningen för att omvandla inköpt energi till primärenergi vilket inneburit att värmeåtervinning i fjärrvärmesystemet inte har premierats (Riksdagen, 2011). Dock kom det år 2016 en förändring i plan- och byggförordningen som introducerade begreppet ”nära-nollenergi” och därmed användning av primärenergifaktorer för att beräkna specifik energianvändning i byggnader (Riksdagen, 2020).

2.6 Svensk fjärrvärme idag

År 2017 stod fjärrvärme för totalt 57 % av värmetillförseln i Sverige. Fjärrvärme stod för 90 % av uppvärmningen i flerfamiljshus och 74 % av uppvärmningen i lokaler (Energimyndigheten, 2019a). Av totalt 56,7 TWh producerad fjärrvärme användes 46,3 TWh i bostads- och servicesektorn, vilket motsvarar 82 % av all producerad fjärrvärme. Fjärrvärme står för omkring en tredjedel av den totala energianvändningen i bostads- och servicesektorn. Av den återstående fjärrvärmen går 6 % till industrin och drygt 12 % försvinner som distributionsförluster. Över 93 % av alla flerfamiljshus var år 2010 anslutna till fjärrvärmenät men den lägre marknadsandelen förklaras av att vissa flerfamiljshus även har konkurrerande värmepumpar installerade (Borgström & Werner, 2010). Tabell 1 redogör mer detaljerat för fjärrvärmeanvändning i den svenska bostads- och servicesektorn.

Tabell 1. Redogör för svensk fjärrvärmeanvändning, baserat på siffror från (Energimyndigheten, 2019a).

Byggnadstyp Enfamiljshus Flerfamiljshus Lokaler Totalt

Fjärrvärme (TWh) 5,5 24,0 16,7 46,3 Totalt (TWh) 31,9 26,6 22,6 81,1 Andel fjärrvärme (%) 17,2 90,2 73,9 57,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 g C O 2/ M J vä rme

Koldioxidutsläpp från svensk fjärrvärme 1969-2018

Mindre värmepumpar har ökat kraftigt i Sverige under 2000-talet och år 2013 nyttjades värmepumpar som uppvärmningssystem i över en miljon svenska villor, mer än hälften av det totala antal villor som då fanns i Sverige (Energimyndigheten, 2015). Villor är det centrala användningsområdet för värmepumpar och jämförs detta med fjärrvärme är värmepumpar avsevärt mer vanligt förekommande än fjärrvärme. Det lokala fjärrvärmepriset pekas ut som den faktor som generellt är avgörande för konkurrenskraften mellan värmepumpar och fjärrvärme. Konkurrenssituationen mellan fjärrvärme och värmepumpar ses som stegrande där fler typer av byggnader börjar se över värmepumpar som uppvärmningsalternativ, fjärrvärme är generellt det billigare uppvärmningsalternativet för flerbostadshus medan värmepumpar är billigare för småhus. Allt fler kunder anslutna till fjärrvärmenätet ser även över alternativ som att nyttja värmepumpar för uppvärmning under vår, sommar och höst för att sedan nyttja fjärrvärme som topplast under vintern. Detta ställer krav på fjärrvärmebolagen att justera sina affärsmodeller genom att till exempel nyttja säsongsbaserad prissättning eller att ta ut ett effektpris för att kompensera för intäktsbortfall under varmare månader.

Generellt sett är fjärrvärmesystemet i Sverige baserat på en flexibel energimix med stor andel förnybara energikällor där nya bränslen och energikällor integreras allt eftersom behovet ökar (Amiri, 2013). Biomassa utgör grunden för energitillförseln i fjärrvärmenätet där 38 TWh fjärrvärme producerades med biomassa av totalt 61,2 TWh år 2017 (Energimyndigheten, 2019a). Studeras Figur 6 kan det ses att övriga bränslen, restvärme och värmepumpar även står för betydande andelar av fjärrvärmeproduktionen med 15,1 %, 8,8 % och 7,1 % respektive.

Figur 6. Redogör för hur stor andel av olika energikällor som stod för fjärrvärmeproduktionen år 2017. Baserat på siffror från (Energimyndigheten, 2019a).

Kategorin övriga bränslen utgörs till stor del av avfall som förbränns i KVV där 40 % utgjordes av hushållsavfall, 37 % av avfall från industrin och 23 % av importerat avfall år 2015 (Avfall Sverige, 2016). Likt biomassa importerar Sverige således en betydande andel avfall för driften av KVV. Det ökade elbehovet har gjort KVV mer konkurrenskraftigt och bidragit till en minskad användning av storskaliga värmepumpar (M. Eriksson & Vamling, 2007). Rökgaskondensering nyttjas idag i de flesta förbränningsanläggningarna i Sverige och totalt återvanns cirka 5,5 TWh värme ur rökgaser år 2015 enligt Werner (2017a). Svenska mål kring fjärrvärme var att inte använda fossila bränslen för att värma byggnader från år 2020 (Davidson, 2009). Dock användes år 2017 fortfarande fossileldade pannor för att möta toppbelastning och som backup.

Uppvärmningsbehovet i Sverige är direkt proportionerligt mot utomhustemperaturen vilket innebär att säsongsvariationer måste tas hänsyn till (Werner, 1984). Svenska fjärrvärmenät har en genomsnittlig dimensionerad temperatur på 50 °C skillnad mellan tillförsel- och returtemperatur, år 2017 låg den genomsnittliga tillförseltemperaturen i Sverige på 86 °C och den genomsnittliga returtemperaturen på 47 °C

62.1% 3.5% 1.3% 1.6% 15.1% 0.5% 7.1% 8.8%

Tillförd energi i svensk fjärrvärme 2017

Biomassa

Kol inklusive kolugnar och masugnsgaser Petroleumprodukter Naturgas Övriga bränslen Elektriska värmepannor Värmepumpar Restvärme

(Averfalk & Werner, 2017). Enligt Werner (2017a) är svensk fjärrvärme idag kraftigt bunden till 3GDH. De svenska temperaturerna är högre än vad de förväntas vara vilket till stor del förklaras av dåligt fungerande fjärrvärmecentraler och uppvärmningssystem i byggnader (Werner & Winberg, 1987). För att sänka temperaturen i fjärrvärmesystem är sådana fel viktiga att identifiera (Gadd & Werner, 2014). Idag går två tredjedelar av all exergi i fjärrvärmesystem förlorad innan den når slutanvändare (Gong & Werner, 2015) och 75 % av alla svenska fjärrvärmekunder uppges ha temperaturfel i fjärrvärmecentraler vilket ger onödigt höga returtemperaturer (Gadd & Werner, 2015).

3 Bakgrund om 4GDH

Fjärrvärmesystem har ständigt rört sig mot sänkta nättemperaturer och minskad storlek på komponenter vilket även är två viktiga faktorer för en omställning till nästa generations fjärrvärme, 4GDH (H. Lund et al., 2014). 4GDH nämns som en viktig del i samhällets omställning till smarta energisystem i vilka framtidens fjärrvärmesystem kommer att ha låga nätförluster och på ett effektivt vis kan producera lågtempererad värme. H. Lund et al. (2014) presenterar fem kriterier, vilka visualiseras i Figur 7, som behöver uppfyllas för att fjärrvärmesystemet ska kunna spela en viktig roll i framtidens smarta energisystem samt kategoriseras som 4GDH:

1. Fjärrvärmesystemet ska möjliggöra lågtempererad fjärrvärme med målet om tillförseltemperaturer på 50 C och returtemperaturer närmare 20 C, för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet i gamla byggnader, energirenoverade byggnader och lågenergibyggnader. Genom att nyttja digitalisering på ett optimalt vis i driften av fjärrvärmecentraler samtidigt som byggnader blir mer energieffektiva kommer tillförsel- och returtemperaturer kunna sänkas jämfört med dagsläget (Werner, 2017a). Samtliga kunder förväntas ha intelligent mätutrustning för att möjliggöra låga tillförsel- och returtemperaturer i 4GDH (Volkova et al., 2018).

2. Fjärrvärmesystemet ska distribuera fjärrvärme med låga nätförluster. Ett målvärde för 4GDH som satts upp för Tallinns fjärrvärmenät är att ha en genomsnittlig värmeöverföringskoefficient på 0,4 W/(m2_{*°C) (Volkova et al., 2018).}

3. Fjärrvärmesystemet ska möjliggöra värmeåtervinning från lågtempererade värmekällor samt integration med förnybara värmekällor som solvärme och geotermisk värme. Att ta till vara på mer restvärme genom att integrera fler värmekällor i fjärrvärmesystemet, bland annat i form av ”prosumenter” som både konsumerar och producerar fjärrvärme, nämns i flertalet rapporter som en viktig del av 4GDH (t.ex. Brand et al., 2014; Davies et al., 2016; Sorknæs et al., 2020; Wahlroos et al., 2018). I vilken mån det är möjligt att nyttja förnybara värmekällor beror till stor del på geografiska förutsättningar (Volkova et al., 2018).

4. Fjärrvärmesystemet ska kunna vara en integrerad del av smarta energisystem, inkluderat att vara integrerat med fjärde generations fjärrkylesystem (t.ex. Lund et al., 2014; Werner, 2017a). Integration med smarta elsystem nämns även som en viktig del av 4GDH (t.ex. Askeland et al., 2020; Averfalk et al., 2014; Lund et al., 2012). Genom att nyttja KVV på ett optimalt vis för hela energisystemet kan synergier uppstå mellan fjärrvärmesystemet och andra system. En förutsättning för detta är att det finns tillgång till storskalig värmelagring (t.ex. Lund et al., 2014; Ridjan et al., 2013).

5. Fjärrvärmesystemet ska säkerställa att planering, kostnader och drivkrafter för både drift av energisystemet och investeringar i omställning till framtidens hållbara energisystem lämpar sig väl i förhållande till fjärrvärmesystemet. Bland annat kräver 4GDH att byggnader anslutna till nätet har god energiprestanda, därför bör framväxten av 4GDH ske i samspel med byggandet av lågenergihus vilket innebär att 4GDH-nät måste samexistera med befintliga nät och en omställning tillåts ske successivt (Lauenburg, 2018).

Figur 7. Visualisering av de olika kriterierna av framtidens fjärrvärmesystem enligt H. Lund et al. (2014).

Baserat på H. Lund et al. (2014) fem kriterier för 4GDH har sex nyckeltal tagits fram för att följa upp omställningen till 4GDH (Volkova et al., 2018), se Tabell 2. Nyckeltalen är delvis direkt baserade på det material H. Lund et al. (2014) presenterade men även på beräkningar och simuleringar. I samma rapport presenteras även mål för respektive nyckeltal inom ramen för 4GDH. Volkova et al. (2018) belyser dock att nyckeltalen inte fullständigt återspeglar alla de utmaningar som har identifierats gällande 4GDH utan har sitt fokus på 3GDH-system som behöver upprustas för en omställning till 4GDH. Nyckeltalen som presenteras skulle ha en direkt eller indirekt påverkan på antingen mängden bränslebaserad primärenergi per levererad mängd värme eller mängden CO2-utsläpp per levererad mängd värme.

Tabell 2. De sex nyckeltal som kan användas för att mäta i vilken takt en omställning till 4GDH fortgår som tagits fram av Volkova et al. (2018).

Nyckeltal Enhet Mål för 4GDH

Genomsnittlig tillförsel- och returtemperatur °C 50°C tillförseltemperatur

20°C returtemperatur

Genomsnittlig värmeöverföringskoefficient W/m2_{K Baseras på simulering av aktuellt}

fjärrvärmenät i t.ex. NetSim

Andel kunder med smart mätutrustning % 100 %

Total årlig värmegenerering från förnybara energikällor (ej bränsle)

MWh Beror på geografiska förutsättningar och

baseras på beräkningar

Installerad värmekapacitet i KVV MW Baseras på lokala förutsättningar

Andel installerad värmelagring i förhållande till installerad värmekapacitet i KVV

% Baseras på simulering i t.ex. EnergyPro

3.1 Tekniska hinder och lösningar med 4GDH

I följande kapitel lyfts tekniska hinder kopplade till 4GDH och lågtemperad fjärrvärme generellt, vilka sammanställts i Tabell 3. Lösningar för att överkomma identifierade hinder presenteras även. Tabell 3. Hinder för en omställning till 4GDH och lösningar för att överbrygga dessa.

Hinder Lösningar

Legionella Minskad volym i VVC, temperaturer över 50°C

Flaskhalsar Ökat flöde, ökad rörarea, twinrör

Återcirkulering av vatten Ett tredje rör

3.1.1 Legionella

Legionella är en bakterie som kan återfinnas i vattensystem och orsaka en typ av lunginflammation som i vissa fall kan vara dödlig men som även kan orsaka en mildare typ av infektion kallad Pontiacfeber (Frederiksen & Werner, 2013). Tillväxten av legionella varierar med vattentemperaturen och avtar vid en temperatur kring 45-46 °C för att sedan kraftigt avta vid högre temperaturer (Averfalk & Werner, 2017; Frederiksen & Werner, 2013). Vid temperaturer mellan 20 C och 45 C förökar bakterierna sig och tillväxten är som kraftigast vid en temperatur runt 40 C (Boverket, 2017a). Tillväxt av legionella gynnas av en långsam beredning av tappvarmvatten med lång uppehållstid i varmvattencirkulation (VVC) och tankar (Averfalk & Werner, 2017). Enligt BBR ska tappvarmvatten inte ha en temperatur under 60 C i installationer där det står stilla, exempelvis i ackumulatortankar. Installationer för tappvarmvatten ska enligt BBR utformas så att temperaturen på det cirkulerande tappvarmvatten inte understiger 50 °C i någon del av installationen för att undvika tillväxt av legionella (Boverket, 2017a).

Kravet gällande en temperatur på minst 50 °C för varmvatteninstallationer i Sverige utgör således en barriär för att implementera 4GDH. I andra europeiska länder som Tyskland och Danmark skiljer sig reglerna kring tappvarmvatten. Det finns inte några egentliga säkerhetskrav relaterat till legionella så länge den totala volymen i systemet inte överskrider tre liter exkluderat värmeväxlare (Gerhardy, 2012). Det finns endast riktlinjer för att en temperatur över 60 °C rekommenderas och att temperaturer under 50 °C bör undvikas om möjligt. Individuella fjärrvärmecentraler för lägenheter är något som i andra länder möjliggör nyttjande av lägre temperaturer i näten, då större volymer av cirkulerande varmvatten undviks i flerfamiljshus (Averfalk & Werner, 2017).

3.1.2 Flaskhalsar

Rören i fjärrvärmenät är dimensionerade för ett specifikt flöde, om flödet ökar så ökar även strömningshastigheten och därmed tryckförlusterna i rören (Brange et al., 2017). Om tryckförlusterna blir för stora finns det risk att fjärrvärmenätet inte klarar av att leverera värme till kunder i det berörda området och en flaskhals uppstår i systemet. En anledning till att flaskhalsar uppstår är att tillförseltemperaturen i fjärrvärmenätet sänks utan att returtemperaturen sänks eller att värmebehovet ökar vilket innebär att flödet i systemet måste öka med hjälp av ett större pumparbete (L. Brand et al., 2014). Detta nämner författarna som ett problem som kan komma att uppstå vid en omställning till lågtempererad fjärrvärme där minskningen i tillförseltemperatur förväntas vara större än motsvarande minskning i returtemperatur och därmed kräva högre flöden i fjärrvärmesystemet. Flaskhalsar kan även uppstå när värmebehovet i fjärrvärmenät ökar genom att till exempel fjärrvärmenätet expanderar eller förtätas.

I svenska fjärrvärmenät är ökad rörarea den vanligaste åtgärden för att undvika flaskhalsar följt av att höja tillförseltemperaturen och öka pumpkraften (Brange et al., 2017). Vid en omställning till 4GDH menar författarna att det finns en risk att de positiva effekterna med åtgärder för att undvika flaskhalsar uteblir om flödet i fjärrvärmenätet ökar till följd av att tillförseltemperaturen minskar mer än vad returtemperaturen minskar. Då kan istället nya flaskhalsar uppstå och problem med befintliga flaskhalsar bli större. Att höja tillförseltemperaturen är dessutom en åtgärd som går direkt emot definitionen av 4GDH där lägre tillförseltemperaturer eftersträvas. Brange et al. (2017) drar slutsatsen att det är viktigt att ta hänsyn till framtida utveckling av fjärrvärmenät redan i planeringsfasen för att undvika flaskhalsar. Nyttjande av lokal värmetillförsel från till exempel kylmaskiner, solfångare eller småskaliga decentraliserade KVV kan minska värmebehovet lokalt i periferin av fjärrvärmenätet bakom flaskhalsar och därmed eliminera flaskhalsar (L. Brand et al., 2014; Brange et al., 2016; Markides, 2013). Ytterligare åtgärder som nämns för att undvika flaskhalsar är effektivt nyttjande av värmelagring (Cabeza & Oró, 2016), extern kontroll av kunders värmeanvändning för att minska toppbelastningen och jämna ut behovskurvan (Hongwei Li & Wang, 2015) samt att identifiera och åtgärda fel i kunders fjärrvärmecentraler (Gadd & Werner, 2015).

3.1.3 Tredje rör

I dagsläget används vanligen rörsystem med ett rör för framledning och ett för returledning i fjärrvärmenäten. Inom 3GDH finns en systemkonstruktion där vatten från returledningen förs tillbaka till framledningen för att motverka en sjunkande tillförseltemperatur (Averfalk & Werner, 2017). I villor görs återcirkulering vanligtvis med en bypass-ventil medan det i lägenhetshus görs genom att varmvatten återcirkuleras i systemet för tappvarmvatten hos kunden, se Figur 8.

Averfalk & Werner (2018) menar att dagens fjärrvärmesystem medför så kallade temperaturfel i nätet, vilket leder till sänkning av temperaturen i framledningen och även påverkar returflödet. En sänkning av temperaturen i framledningen sker när värmebehovet är lågt och flödet stagnerar, vilket i sin tur leder till att temperaturen sjunker då värmeförlusterna ökar. Detta påverkar även returflödet då man för att motverka en sjunkande tillförseltemperatur skickar vatten från framledningen direkt till returledningen via återcirkuleringen, således ökar även temperaturen i returledningen.

För att kunna eliminera tidigare beskrivna temperaturfel och öka systemets effektivitet i samband med implementering av 4GDH presenterar Averfalk & Werner (2018) ett trerörssystem, se Figur 8. Systemet består av ett framledningsrör och två returledningsrör, där det ena returröret används när det finns ett värmebehov och det andra används då det saknas och istället återcirkulerar vattnet direkt till värmekällan. Systemet möjliggör således att tillförseltemperaturen inte sänks och att temperaturen på returvatten inte påverkas av by-pass strömmar (Averfalk & Werner, 2017).

Figur 8. En överblick över flöden i 3GDH-system i villor respektive flerfamiljshus samt hur ett tredjerrörsystem kan se ut i 4GDH. Röda linjer representerar framledning, blåa linjer returledning, de gröna linjerna tappvarmvatten och den gråa linjen informations- och konnunikationsteknik som möjliggör ett effektivt nyttjande av det tredje röret.

3.1.4 Sammankopplingar mellan primär- och sekundärnät

Genom att fjärrvärmenät delas upp i primär- och sekundärnät kan lägre tryck och temperaturer nyttjas i olika delar av nätet och således kan en gradvis omställning av fjärrvärmenät till 4GDH ske. Detta möjliggör även att värme från returledningen i ett befintligt fjärrvärmenät kan nyttjas som framledning för att tillgodose värmebehovet i en annan del av nätet med lägre temperaturkrav (Volkova et al., 2020). För att det ska vara möjligt krävs dock ett tillräckligt stort flöde i ledningen samt att det finns möjlighet att tillgodose det lågtempererade nätet med extra energi då temperaturen på returvattnet kan variera, vilket kan tillföras från det primära nätets framledning. För detta finns fyra olika lösningar: koppling med hjälp en mixing-shunt, en trevägs-shunt, tre separata rör utan mixing-shunt alternativt att centrala fjärrvärmecentraler med värmeväxlare nyttjas (Averfalk & Werner, 2017; Volkova et al., 2020).

När lösningen där en mixing-shunt används är den primära energikällan den högtemperade framledningen och vatten från returledningen i det lågtemperade nätet tillsätts för att nå önskvärd temperatur. Returvatten leds sedan vidare till det primära nätets returledning, se Figur 9 (Volkova et al., 2020). Alternativet med en trevägs-shunt kräver att tre rör är inkopplade i mixing-stationen, se Figur 9. Ett rör med vatten från returledningen i det primära nätverket, ett med det primära nätverkets framledning och ett med returvatten från det lågtemperade nätet som kopplas till returledningen hos det primära nätet. I båda fallen krävs det ytterligare pumparbete grundat i lägre tryck i sekundärnätet. Volkova et al. (2020) redogör för att pumparbetet som krävs

3GDH Villa 3GDH Flerfamiljshus 4GDH Trerörsystem Värmekälla Värmekälla Värmekälla Undercentral Undercentral Undercentral < 100°C < 100°C 50-60°C < 45°C < 45°C ~25°C Hus

Information- & kommunikations teknik

Byggnad