Alternativa kylmetoder i kontorslokaler
ur ett systemperspektiv
En studie av Stockholms energisystem
Sara Larsson & Mårten Nilsson
Avdelningen för Energisystem
Examensarbete 2008/2009
Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling LIU-IEI-TEK-A--09/00532--SE
Då Sverige historiskt sett har haft låga priser på el har ett system som använder mycket el byggts upp. Efter avregleringen av den europeiska elmarknaden har priserna på el ökat och beräknas stiga till samma nivåer som på kontinenten. Behovet att minska energianvändningen och då främst el har blivit en viktig fråga varpå Energimyndigheten valt att inom projektet STIL2, STatistik I Lokaler, inventera energianvändningen i svenska lokaler.
Rapportens syfte är att undersöka hur kontorslokalers energianvändning i Stockholmsregionen påverkar energisystemet med fokus på användningen av komfortkyla. Genom att utnyttja fjärrvärmedrivna kylmaskiner, absorptionskylmaskiner, höjs värmelasten sommartid när värmelasten är låg vilket medför ett ökat underlag för produktion av värme och el i kraftvärmeverk.
Med data från STIL 2 uppskattades kylbehovet i kontorslokaler till 30 kWh kyla per m2 och år. Denna last användes sedan vid undersökningen av kontorslokalernas påverkan på energisystemet och vid inkopplingen av en absorptionskylmaskin i Farsta företagsområde. Undersökningen visade att det i vissa delar av Stockholms södra och centrala fjärrvärmenät finns en viss möjlighet att använda absorptionskylmaskiner för produktion av kyla. Lönsamheten för dessa ökar med ett höjt elpris och ökat underlag av billig värme från kraftvärmeverk. Undersökning av kylproduktion i Farsta företagsområde visade att bäst lönsamhet gav en kombination av absorptionskylmaskin och eldriven kompressorkylmaskin. Maskinerna används ungefär hälften av årets timmar vardera och gav en vinst på 2,9 MSEK i nuläget och 3,7 i framtidsscenariot över 10 år. Utsläppen av koldioxid minskade med 130 ton i nutidsscenariot och 180 ton i framtidsscenariot per år på grund av den ökade elproduktionen som absorptionskylmaskinen gav underlag för i kraftvärmeverken ibland annat Högdalen.
Att installera absorptionskylmaskiner i de befintliga fjärrkylanäten är i dagens system inte lönsamt då tillgången på billig värme är för liten och maskinerna skulle producera under för få av årets timmar. Konkurrensen från frikylaproduktionen gör att värmen måste vara väldigt billig för att absorptionskylmaskinerna ska producera.
Due to the historically low electricity price in Sweden a system with high electricity usage has been built up. The electricity price has increased after the deregulation of the European electricity market and the same level as on the continent is expected in the future. The need for decreasing the energy usage mainly of electricity has become an important question whereupon the Swedish Energy Agency developed the project STIL2, Statistics on premises to make an inventory of the energy use in Swedish premises.
The aim of this thesis is to study how the energy use in offices in the region of Stockholm influences the energy system with a focus on comfort refrigeration in buildings. By using heat driven refrigeration machines, absorption chillers, the low heat demand during the summer can be increased which in turn can give base to increased production of heat and electricity in combined heat and power plants.
With data from STIL 2 the annually cooling demand in office premises was estimated to be 30 kWh per m2. This demand was used in the investigation of office premises influence on the energy system and installation of an absorption chiller in Farsta business area.
The study shows that there are some possibilities to use absorption chillers for cooling production in some parts of Stockholm’s south and central district heat network. The asset for cheap heat from a combined heat and power plant and a higher electricity price increase the profit. The study of the production of refrigeration for the business area in Farsta shows that the best profitability is when an absorption chiller is installed combined with a compression chiller driven by electricity which produce a half year each. The profit was in present time 2.9 MSEK and in the future scenario 3.7 MSEK in a 10 year time period. The global emissions of carbondioxid was annually reduced by 130 tonnes in present time and 180 tonnes in the future scenario. This is due to the increased electricity production in Högdalen combined heat and power plant.
Installing absorption chillers in the existing district cooling network shows not to be profitable due to the asset for cheap heat is too small and thereby the hours of production too few. The competition from deep lake water cooling is too high, in order to make a profit by producing with the absorption chillers the price for heat needs to be extremely low.
Vi skulle vilja börja med att tacka våra handledare Louise Trygg, Linköpings Universitet och Monica Gullberg, ÅF för ert engagemang och stöd i arbetet. Många givande diskussioner som inspirerat och gett nya utmaningar på vägen.
På ÅF i Stockholm finns en mängd personer som gett oss råd i arbetet och expertis i detaljfrågor. Främst Paul Ingvarsson och Agne Gustafsson men även många andra som inte minst förgyllt våra dagar och gjort oss sällskap vid fikabordet.
Ett stort tack till Fortum som hjälpt oss mycket i denna studie där bland finns Mikael Sandberg, Anders Hill, Erik Dotzauer och Eva Katrin Lindman.
Vi vill avsluta med att tacka Alemayehu Gebremedhin som hjälpt oss vid modellering i MODEST samt vår opponent Henrik Olsén som gjort ett stort jobb med att ge oss feedback i arbetet.
COP Köldfaktor (Coefficient Of Performance)
DL Dubbellyft
DL-IVVX Dubbellyft med intern värmeväxlare
EEX European Energy Exchange
KKM Kompressorkylmaskin
KVV Kraftvärmeverk
MFA Mixed Fatty Acids
MODEST Modell för Optimering av Dynamiska EnergiSystem med tidsberoende variabler och randvilkor
SE Ensteg
SE-DL Ensteg – dubbellyft
1 Inledning ... 1 1.1 Bakgrund ... 1 1.2 Syfte ... 2 1.3 Frågeställningar ... 2 1.4 Avgränsningar ... 2 1.5 Disposition ... 3 2 ÅF – Ångpanneföreningen ... 5 2.1 Historik ... 5 2.2 Affärsområden ... 5
2.3 STIL 2 – STatistisk studie I Lokaler ... 6
3 Stockholms energisystem ... 9 3.1 Fjärrvärmenätet ... 9 3.2 Fjärrkylanätet ... 11 4 Metod ... 13 4.1 Genomförande ... 13 4.2 Faktainsamling ... 14 4.3 Datainsamling ... 14 4.4 Systemgränser ... 15 4.5 MODEST ... 15 4.6 Antaganden ... 17 4.7 Källkritik ... 22 4.8 Felkällor ... 23 5 Teorikapitel ... 25 5.1 Fjärrvärme ... 25 5.2 Fjärrkyla ... 26 5.3 Energimarknaden ... 36 6 Undersökta scenarion ... 41 7 Resultat ... 47 7.1 Scenarion ... 47 8 Analys ... 53 8.1 Analys av scenarion ... 53 8.2 Känslighetsanalys ... 58 9 Diskussion ... 61 9.1 Undersökning av energisystemet ... 61 9.2 Känslighetsanalys ... 62 10 Slutsatser ... 63 11 Referenslista ... 65 11.1 Litteratur ... 65 11.2 Elektroniska källor ... 67 11.3 Personlig kommunikation ... 72
Bilaga 1- Om Bränslen
Bilaga 2 –Anpassninga av tidssteg Bilaga 3 – Bränslepriser Bilaga 4 – Elpriser Bilaga 5 – Tidssteg Bilaga 6 – Nodschema Bilaga 7 – Noder Bilaga 8 – Elcerifikatkvoter Bilaga 9 – Farsta Företagsområde Bilaga 10 – Drift i scenario 0 och 0.1 Bilaga 11 – Kylproduktion
Figur 1: Det södra och centrala fjärrvärmenätet ... 9
Figur 2: Fortums och Norrenergis fjärrkylanät, modifierad ... 11
Figur 3: Principiell översikt av en modell ... 17
Figur 4: Utbudskurva (Merit order curve) för den nordiska elproduktionsmarknaden ... 18
Figur 5: Förändring globala koldioxidutsläpp mellan olika värmeproduktionsmetoder ... 19
Figur 6: Typisk värmelastkurva över ett år ... 20
Figur 7: Typisk kyllastkurva över ett år ... 21
Figur 8: Generell last ... 22
Figur 9: Modell av eropeiska elmarknaden. ... 26
Figur 10: Schematisk bild av kompressorkylmaskinen. ... 27
Figur 11: Schematisk bild över en absorptionskylmaskin. ... 28
Figur 12: Schema för ensteg absorptionskylmaskin ... 30
Figur 13: Schema över en dubbellyft AKM med intern värmeväxlare. ... 31
Figur 14: Schema över en dubbellyft AKM utan intern värmeväxlare. ... 31
Figur 15: Schema över en ensteg – dubbellyft AKM med stor avkylning ... 32
Figur 16: Frikyla ... 33
Figur 17: Kompressorkylmaskin ... 33
Figur 18: Värmepump ... 34
Figur 19: Absorptionskyla modifierad ... 34
Figur 20: Jämförelse av produktionsmetoder för att producera 1 MWh kyla ... 35
Figur 21: Överföringskapaciteter ... 36
Figur 22: Handel med utsläppsrätter ... 38
Figur 23: Hur de olika scenariona är sammankopplade. ... 41
Figur 24: Total kylaproduktion i Scenario 0 ... 48
Figur 25: Total kylaproduktion Scenario 0.1 ... 48
Figur 26: Mängder producerad kyla i olika scenarion. ... 48
Figur 27: Produktionsmetoder Scenario 1 ... 49
Figur 28: Produktionsmetoder Scenario 1.1 ... 49
Figur 29: Produktionsmetoder i Scenario 2 ... 49
Figur 30: Produktionsmetoder i Scenario 2.1 ... 49
Figur 31: Värmeflöde i kulverten mellan Högdalen och Hammarby ... 50
Figur 32: Kylproduktionsmetod Farsta Scenario 3 och 3.1... 50
Figur 33: Förändring av systemkostnaden vid ändrat COP ... 58
Figur 34: Förändring av systemkostnaden vid ändrat elpris. ... 59
Figur 35: Förändring av systemkostnaden vid förändrad kyllast. ... 60
Figur 36: Tidssteg i MODEST jämfört med verklig lastkurva ... 75
Figur 37: Anpassade tidssteg i MODEST jämfört med verklig lastkurva ... 75
Tabell 1: Drivmedel och biprodukter av de olika kylproduktionsmetoderna. ... 35
Tabell 2: Kraftvärmeverk som planeras i framtiden samt deras effekter och eldningsbränsle. 43 Tabell 3: Farsta företagsområde som modellen har utökats med i scenario 3. ... 44
Tabell 4: Resultat från Scenario 0 och 0.1 ... 47
Tabell 5: Resultat från Scenario 1 och 1.1 ... 48
Tabell 6: Resultat från Scenario 2 och 2.1 ... 49
Tabell 7: Resultat från Scenario 3 och 3.1 ... 50
Tabell 8: Resultat från Scenario Farsta och Farsta.1 ... 51
Tabell 9: Skillnader mellan scenario 0 och 1 i nutid/framtid ... 55
Tabell 10: Skillnader mellan scenario 1 och 2 i nutid/framtid ... 55
Tabell 11: Skillnader mellan scenario 2 och 3 i nutid/framtid ... 56
1
1 Inledning
I detta kapitel presenteras de bakomliggande fakta som gör att projektet är av intresse att genomföra och vilka frågeställningar som ska besvaras. Kapitlet beskriver även rapportens upplägg.
1.1 Bakgrund
Sverige har historiskt sett haft ett väldigt lågt pris på el som i och med avregleringen av den europeiska elmarknaden har ökat markant. Liknande har även hänt för priserna på andra råvaror som kol och olja vilket bidragit med höjda priser för både el och uppvärmning av lokaler. I och med att Kyotoprotokollet slöts innebar det att handel med utsläppsrätter infördes vars kostnader lagts till på elpriset för olika energislag [Naturvårdsverket, 2008]. Detta har tillsammans med att konsumenten idag har allt större krav på inomhusmiljön som ger upphov till större energianvändning gjort att vi nått en situation med höga energikostnader och onödigt hög energianvändning.
Alla dessa faktorer gör att Sverige bör tänka om gällande energiförsörjningen då vi är på väg att gå över från att haft ett energidimensionerat elsystem, vilket innebär att elpriset varierat över årstiderna, till att få ett effektdimensionerat elsystem, där elpriset varierar över dygnet, likt det som återfinns på kontinenten. De låga elpriserna har gjort att Sverige tidigare har förlitat sig på elförbrukande processer då el varit billigt. Ett exempel är uppvärmning av hus med direktverkande el vilket är helt otänkbart på kontinenten där elpriset historiskt sett varit dyrare.
För att förbättra underlaget om energianvändning och innemiljö i lokaler har ÅF på uppdrag av Energimyndigheten utfört ett uppdrag, STIL2 (Statistik i lokaler), som är en årlig återkommande statistisk insamling av energianvändning i lokaler runt om i Sverige. Syftet med STIL2 har varit att bestämma elanvändningens fördelning på olika ändamål i kWh per areaenhet och år [Energimyndigheten, 2008d]. Det finns sedan tidigare statistik över total energianvändning men ingen mer specifik per areaenhet och användningsområde.
Stockholmsregionen har i dagsläget liten andel kraftvärme och produktionen har främst skett för att tillgodose ett värmebehov och inte för att producera el. Höjda elpriser leder nu till att lönsamheten att investera i kraftvärmeanläggningar ökar. Kraftvärmeproduktion med avfall som bränsle har idag god vinstmarginal och tillgången på avfall är stor. Sedan år 2002 råder deponiförbud av avfall vilket gör att behovet att förbränna året om ökat. Värmen som skapas som biprodukt i elproduktionen och distribueras i fjärrvärmenätet behöver förbrukas även sommartid då värmebehovet i fjärrvärmenätet är lågt. Det finns därav ett behov att kunna öka värmelasten sommartid i fjärrvärmenätet för att ge underlag för avfallseldad kraftvärme.
2
1.2 Syfte
Syftet är att med hjälp av statistiken från STIL2 undersöka hur energisystemet i Stockholm påverkas av förändringar i kylanvändningen i kontorslokaler. Rapporten ska spegla hur energianvändningen, kostnaderna och utsläppen av koldioxid ser ut ur ett systemperspektiv. Att utreda potentialen för produktion av fjärrkyla med värmedriven kyla i Stockholmsregionen är även ett mål med rapporten.
1.3 Frågeställningar
Hur påverkas fjärrvärme- och fjärrkylasystemen av förändrade laster?
Är det lönsamt att producera med värmedrivna kylmaskiner i Stockholm? Hur påverkas de globala utsläppen av koldioxid av detta?
1.4 Avgränsningar
Begränsning har gjorts till att undersöka Stockholms centrala/södra fjärrvärmenät, vilket har gjorts för att få möjlighet att undersöka detta område mer grundligt. Fjärrkylan kommer att innefattas av Norrenergis nät i Solna samt Fortums nät i centrala Stockholm pga. att de är de största näten och att de har samma geografiska placering som det undersökta fjärrvärmenätet. Avgränsning har gjorts från att titta närmare på bränslen, därmed ett antagande om att det finns obegränsad tillgång på bränslen. I verkligheten kan tillgången på vissa bränslen vara begränsad samt av varierande kvalitet över året som för t.ex. flis.
Fortum använder sig av ett bränsle som består av en blandning av flera oljor, MFA (Mixed Fatty Acids). På grund av denna egna beteckning har det varit svårt att ta fram prisuppgifter och därför har MFA räknats som tallbecksolja då priserna, enligt Fortum, ligger nära varandra. Se mer om detta i Bilaga 1.
Ingen känslighetsanalys kommer att göras på ändrade bränslepriser (förutom el) då de förväntas öka proportionellt. Att förutse och undersöka effekten av förändrade priser på alla bränslen skulle vara svårt och för tidskrävande för denna rapport.
De bränslen som används i Stockholms centrala/södra fjärrvärmenät finns presenterade med en kort beskrivning i Bilaga 1.
Denna studie har inte tagit någon hänsyn till att titta på revision i anläggningarna. För att säkerställa denna avgränsning gjordes en delstudie då kraftvärmeverken sattes på minskad effekt under sommaren. Denna studie gav intentioner på att detta inte skulle ge förändringar som påverkar studien märkvärt.
3
Ackumulatorer i fjärrvärme- och fjärrkylanätet används som lager för att jämna ut produktionen av värme/kyla då effekttopparna i systemen kan vara stora. Då modellen har relativt långa tidssteg under sommarmånaderna sker en avrundning av effekttopparna i och med indelningen i tidssteg. Om en ackumulator tas med i modellen sker ännu en avrundning och detta innebär att lastkurvan blir ännu mer utjämnad och representerar den verkliga lasten dåligt. För att undvika detta används inte ackumulatorer i modellen. Ackumulatorernas inverkan på systemet kommer istället representeras av tidsstegen som utjämnar effekttopparna, se Bilaga 2.
1.5 Disposition
I kapitel 1 ges bakgrunden och syftet med examensarbetet för att ge läsaren förståelse för varför arbetet är av intresse att genomföra. Även vilka frågeställningar som ska besvaras och avgränsningar som är gjorda beskrivs.
Kapitel 2 ger information om teknikkonsultföretaget ÅF samt en beskrivning av STIL 2
rapporterna och inventeringen av kontor i synnerhet.
Kapitel 3 beskriver Stockholms fjärrvärme- och fjärrkylasystem för att ge förståelse för hur
det är uppbyggt och vad den uppbyggda modellen avbildar.
Kapitel 4 är metodkapitlet som är till för att ge läsaren insikt i hur arbetet har gått tillväga och
vilka antaganden som tagits. Felkällor som finns i arbetet som kan vara viktiga för läsaren att vara medveten om redovisas i kapitlet.
I kapitel 5 beskrivs den bakomliggande teorin som kopplar samman metoddelen med resultatet. Viktiga begrepp inom, fjärrvärme och fjärrkyla samt energimarknaden beskrivs. I kapitel 6 förklaras vilka scenarion som modellerats och vilken indata som ändrats för att undersöka hur systemet påverkas.
Kapitel 7 är resultatkapitlet som presenterar vilka resultat som erhållits från optimeringar i
MODEST.
I kapitel 8 analyseras resultaten från kapitel 7 med resonemang om varför utfallet blir som det blir. En känslighetsanalys av modellen presenteras även i detta kapitel.
I kapitel 9 sker en diskussion där även personliga reflektioner av resultaten beskrivs för att ge en djupare analys av resultaten.
Kapitel 10 sammanfattar de slutsatser som dragits under arbetets gång och svar på
5
2 ÅF – Ångpanneföreningen
I detta kapitel presenteras ÅF:s affärsområden och deras historia. Projektet STIL 2 kommer även att beskrivas.
2.1 Historik
ÅF bildades år 1895 under namnet Södra Sveriges Ångpanneförening då ett antal ägare av ångpannor och andra tryckkärl beslutade att bilda en förening där man skulle samla expertis. Föreningen skulle utföra återkommande besiktningar för att minska antalet olyckor. Två år senare år 1897 bildas Mellersta och Norra Sveriges Ångpanneförening. Dessa två föreningar slås sedan samman till Ångpanneföreningen år 1965 vilken övergår från föreningsform till aktiebolag 1981. 1986 introduceras Ångpanneföreningen AB på Stockholmsbörsen och år 2008 byter Ångpanneföreningen AB namn till ÅF AB [ÅF, 2008].
2.2 Affärsområden
ÅF AB är uppdelat i fyra divisioner:
Engineering
ÅF Engineering erbjuder konsulttjänster inom industriell IT, el och automation, mekanik, massa- och papper och rörkonstruktion.
Infrastruktur
Erbjuder tjänster inom branschområdena kommunikation och försvar, installation, samhällsbyggnad, ljud och vibrationer, elkraft, produktutveckling och högteknologisk IT.
Kontroll
ÅF-Kontroll AB är ett självständigt dotterbolag och arbetar med att säkerställa driftsäkerhet och arbetsmiljö på diverse anläggningar som bland annat hissar och rulltrappor. Deras huvudinriktningar är besiktning, provning och certifiering.
Energi
Arbetar till största delen med tjänster inom områdena energi och miljö, vilket omfattar allt från idé till färdigt projekt.
Dessa divisioner jobbar väldigt självständigt och har stora befogenheter över sin egen verksamhet. Styrningen av divisionerna sker genom interna avrapporteringar[ÅF, 2008].
6
2.3 STIL 2 – STatistisk studie I Lokaler
Under åren 1990 och 1991 utförde Vattenfall ett uppdrag under projektet Uppdrag 2000 för lokalsektorn, ”Från krog till kontor”, med namnet STIL (STatistisk studie I Lokaler). Över 900 lokaler undersöktes inom 14 olika lokalkategorier. Man kom fram till att det var möjligt för lokalsektorn att spara 2,3 TWh el per år inom främst områdena belysning, ventilation och kyla. Detta motsvarar 9 % av användningen i de aktuella lokalkategorierna [Vattenfall, 1992]. År 2004 påbörjade ÅF på uppdrag av Energimyndigheten arbetet med en ny kartläggning av energianvändningen i svenska lokaler, STIL2. Denna gång delades arbetet upp i olika lokalkategorier och vilka undersökts en i taget. Kontorslokaler inleddes år 2005, år 2006 undersöktes skolor och förskolor, år 2007 vårdlokaler såsom sjukhus och äldreboenden samt år 2008 undersöktes idrottsanläggningar. Totalt kommer över 1000 statistiskt utvalda lokaler spridda över hela Sverige att besiktigas över en 7 årsperiod. Av de hittills undersökta lokalerna har man kommit fram till att man med enkla förändringar i belysning och ventilation kan sänka elförbrukningen med 30 % eller mer än 2 TWh [Energimyndigheten, 2008a]. Denna kartläggning utförs för att uppdatera den tidigare insamlade statistiken då mycket hänt sedan början av 90-talet. Bland annat har den europeiska elmarknaden avreglerats vilket medverkat till att elpriset stigit, priserna på olja har stigit vilket gjort att många bytt ut sin oljepanna samtidigt som fjärrvärmenäten har byggts ut och blivit ett väldigt intressant uppvärmningsalternativ. Diskussionen om globaluppvärmning och växthusgasernas effekter har tagit ordentlig fart vilket förändrat energisituationen i Sverige. Alla dessa exempel har bidragit till att energianvändningen ser annorlunda ut idag jämfört med början av 90-talet och en uppdatering av det statistiska underlaget över energianvändningen har blivit aktuell.
2.3.1 STIL2 -Kontor
Till statistikinsamlingen av kontorslokalers energianvändning vände sig ÅF till Statistiska Central Byrån, SCB, och bad dem ta fram ett urval av kontor att kontakta angående deltagande i statistikinsamlingen. SCB bidrog med 62 lokaler till inventeringen och totalt kontaktades ytterligare 159.
Kriterierna som gällde för att lokalen skulle vara aktuell för inventeringen var: Totalarean borde vara mellan 200 m2 och 30 000 m2.
Minst 80 % av byggnaden borde vara uthyrd kontorsarea.
Byggnader som ingick i projektet borde inte ha vidareleverans av värme eller el till andra byggnader.
Ett års mediastatistik med befintlig installationer och hyresgäster skulle finnas, inklusive hyresgästers elanvändning.
Byggnader borde inte ha alltför många hyresgäster med egen avläsning av el, inte fler än 12-15 st.
Att fastighetsägarna, fastighetsförvaltarna och fastighetsskötarna var intresserade av att hjälpa till med visning och framtagande av statistik.
7
Ett antal av de från början tilltänkta lokalerna föll bort tidigt då de inte uppfyllde kriterierna och inventering utfördes och fullföljdes med kvalitetssäkra resultat i 123 av lokalerna. Målet från början var att få in kvalitetssäkrad data från 140 lokaler men det visade sig att det ursprungliga urvalet varit för litet.
Mer än hälften av lokalerna i inventeringen kommer från Stockholmslän vilket var ett medvetet val då projektets kostnad skulle hållas nere.
För att säkra kvalitén på inventeringen använde ÅF interntanställda besiktningsmän samt utbildade själva övriga besiktningsmän som behövdes för att genomföra inventeringarna av lokalerna. [Energimyndigheten, 2007b]
Statistiken som togs fram är offentlig och finns att hämta från Energimyndigheten. Data som inhämtats från de olika kontoren finns representerade byggnadsvis uppdelat på Byggnadsbeskrivning, Energi & Uppvärmning, Ventilation, Varm- & Kallvatten, Belysning, Kyla och Övrig el. Inom varje område finns detaljerad information om hur stor energibehov varje enskild apparatur har, t.ex. lampor eller datorer. Även andra energirelaterade data finns att tillgå i statistiken exempelvis luftflöden i ventilationssystem. Statistiken innefattar främst elanvändning men även andra energiflöden finns angivna.
9
3 Stockholms energisystem
Detta kapitel kommer för läsaren i korta drag introducera uppbyggnaden av Stockholmsregionens fjärrvärme- och fjärrkylasystem samt vilka aktörer och anläggningar som är verksamma där.
3.1 Fjärrvärmenätet
Stockholms fjärrvärmesystem består av flera olika separata nät med ett flertal leverantörer anslutna. Idag täcker fjärrvärmen 72 % av nettoenergibehovet för uppvärmning i Stockholm [Stockholm Stad, 2008]. Stockholm lämpar sig väl för fjärrvärme då det är tätbebyggelse i staden vilket minskar ner antalet meter rör som måste läggas. Detta medför även att förlusterna i rörnätet minskas.
I Stockholmsregionen finns det tre större fjärrvärmenät, södra och centrala nätet, västra nätet och Drefviken nätet. Alla tre näten består i sin tur av mindre nät som är sammankopplade av kulvertar. Detta avsnitt förklarar kortfattat hur de olika näten är utformade samt vilka värmeproducenter som är aktiva i näten.
3.1.1 Södra och centrala nätet
År 2007 byggde Fortum en kulvert i Riddarfjärden mellan det södra och det centrala fjärrvärmenätet för att förbättra utnyttjandegraden på pannorna i respektive nät. Genom att tillföra värme till det nätet som för stunden behövde tillskott gick det att minska de tillfällen då pannor med dyra bränslen behövde gå in och täcka upp spetslasterna. Detta medförde att oljepannor och elpannor som enbart producerar värme och har en stor miljöpåverkan utnyttjas mindre. Figur 1 visar hur de sammankopplade näten ligger geografiskt.
10
I det södra nätet, som sträcker sig från Södertälje till Hammarby, återfinns värmeverk i Igelsta, Fittja, Huddinge, Skogås, Högdalen och Hammarby. Detta nät delas av fjärrvärmeleverantörerna Fortum, Söderenergi, Södertörns Fjärrvärme och Telge energi [Karlsson B, 2006]. Dessa anläggningar består främst av varmvattenpannor som producerar värme av diverse bränslen som industriavfall, torv, flis, el, olja m.fl. Det enda kraftvärmeverket som finns är Högdalen där det produceras el och värme av främst hushållsavfall. Till årsskiftet 2009/2010 är det planerat att Söderenergis nya fliseldade kraftvärmeverk i Igelsta ska stå klart med kapacitet att producera 200 MW värme och 85 MW el [Söderenergi, 2008].
Centrala nätet har värmeverk i Solna, Sundbyberg, Värtan och på Lidingö där Norrenergi och Fortum är verksamma. Bränslena som används är främst beckolja, träpulver, kol, el och olja. Enbart Värtanverket har kraftvärme som produceras av kol och olja samt en mindre del olivkärnor. Projektering av ett nytt kraftvärmeverk i Värtan med flis som bränsle är genomförd men i skrivande stund har bygget ej påbörjats då Fortum fortfarande väntar på att prövningsprocessen är helt avslutad [Fortum, 2008a]. Även Norrenergi planerar bygga ett kraftvärmeverk med flis som bränsle men beslut om placering av detta är inte taget. Att bygga ett kraftvärmeverk i Norrenergis nät kan förväntas ge god ekonomisk vinning då de är en av de största fjärrvärmeproducenterna i Sverige som saknar kraftvärmeproduktion i fjärrvärmenätet [Norrenergi, 2008a].
3.1.2 Västra nätet
Det västra nätet som sträcker sig från Sigtuna i norr till Hässelby i söder består av flera olika nät som sammankopplats för att utnyttja fjärrvärmen effektivare. De aktörer som återfinns är EON och Fortum. Det västra nätet har produktionsanläggningar i Järfälla, Brista, Upplands Väsby, Hässelby, Akalla och Rotebro. Av dessa är det Hässelbyverket och Bristaverket som har elproduktion i sina pannor. Kraftvärmeverkens pannor eldas med biobränsle medan övriga hetvattenpannor använder olika bränslen som olja, el och biobränsle. Ingen av pannorna i det västra nätet använder avfall som bränsle värmeproduktionen dock planeras ett kraftvärmeverk i Brista med avfall som bränsle. Enligt planerna ska kraftvärmeverket producera ungefär 57 MW värme och 20 MW el när det står färdigt år 2012 [Fortum, 2008b].
3.1.3 Drefviken nätet
Drefviken nätet ägs och drivs enbart av Vattenfall som har sina produktionsanläggningar i Bollmora och Jordbro. Drefvikens nät består av fjärrvärmenäten i Tyresö och Haninge som kopplats samman till ett nät [Vattenfall, 2008b].
Ingen av produktionsanläggningarna i Drefviksnätet har någon kraftvärmeproduktion, de producerar enbart värme av främst biobränsle men även bioolja, olja och el [Vattenfall, 2008c].
11
3.2 Fjärrkylanätet
3.2.1 Fjärrkyla i Stockholm
Stockholm har idag världens största system för fjärrkyla [Fortum, 2008c] och efterfrågan ökar i takt med att elpriset stiger. Behovet av kyla ökar även av nybyggnationer som har en tätare konstruktion än äldre hus vilket ger ett större behov av nedkylning av lokalerna. Då de centrala delarna av Stockholm inte har många industrier används inte så mycket av kylan som processkyla, den används främst till komfortkyla men även att kyla ner serverrum. Komfortkylan varierar över året med en kraftig topp på sommaren medan kyla till serverrum ligger på en konstant nivå året om och ger en baslast för fjärrkylanätet. [Ingvarsson P, 2008] Av aktörerna i Stockholms fjärrvärmenät är det idag Norrenergi, Fortum, Södertörns Fjärrvärme och Telge energi som även har fjärrkylanät. Norrenergi och Fortum har byggt ut sina fjärrkylanät i tätbebyggda områden medan Telge energi främst förser Astra och Scania med processkyla till produktionen och komfortkyla till kontor [Telge Nät, 2008].
Figur 2: Fortums och Norrenergis fjärrkylanät, modifierad [Fortum, 2008d] [Norrenergi, 2008b]
Fortums fjärrkylanät i centrala Stockholm täcker idag stora delar av innerstaden och Kungsholmen, se Figur 2. Utbyggnad av nätet sker på Södermalm, Hammarby Sjöstad och i Liljeholmen för att svara mot efterfrågan av fjärrkyla. Produktionen av fjärrkylan sker i Värtaverket, Hammarbyverket och en anläggning i Ropsten. Värtaverket producerar kyla främst genom frikyla från kallt sjövatten men även spillkyla från värmepumpar i fjärrvärmeproduktionen. När kylbehovet ökar används även kompressorkylmaskiner för att klara lasten. Hammarbyverket utnyttjar spillkyla från värmepumpar i produktionen av kyla. I Hornsberg på Kungsholmen byggs ett 50 000 m3 kyllager som ska kunna lagra 0,5 GWh kyla och bidra med 60 MW kyleffekt när så behövs. Lagret jämnar ut produktionstakten och gör det möjligt för Fortum att minska ner användningen av dyra produktionsprocesser eller expandera nätet. Om bygget följer planen ska hela lagret stå färdigt år 2009.
12
Utöver det centrala nätet har Fortum flera mindre nät bland annat i Kista där Akallaverket producerar kyla med hjälp av värmepumpar.[Hill A, 2008]
Södertörns Fjärrvärme har fjärrkylanät som levererar kyla till bland annat Kungens Kurva, Huddinge Sjukhus och Södertörns Högskola. Södertörns Fjärrvärme använder sig av kompressorkylmaskiner för att producera kylan som lagras i en ackumulatortank innan det går ut i systemet vilket sänker effektbehovet på kylmaskinen. [Södertörns fjärrvärme, 2008] I Solnaverket och Sundbybergsverket producerar Norrenergi fjärrkyla med kompressorkylmaskiner och värmepumpar. Till denna produktion kommer även frikyla där bottenvatten från Lilla Värtan pumpas till Frösunda och värmeväxlas med fjärrkylanätet. För att jämna ut produktionstakten och sänka effekttopparna har även Norrenergi en ackumulatortank. Kalltvatten fylls i tanken under timmarna med låg kyleffekt för att sedan tömmas när kylbehovet i nätet är som störst. [Norrenergi, 2008b]
13
4 Metod
Detta kapitel är tänkt att förklara hur rapporten växer fram från syfte och frågeställningar till resultat och analys av de samma. Även hur insamlandet av material till rapporten har genomförts samt bakgrund till viktiga antaganden som gjorts finns tillgängligt i detta kapitel.
4.1 Genomförande
Från den detaljerade informationen om energianvändningen i svenska lokaler som Energimyndigheten fått insamlad i STIL 2 projektet arbetades ett syfte fram vilket presenteras i avsnitt 1.2. En övervägande del av kontoren i STIL 2 är belägna i Stockholmsregionen vilket ledde till att Stockholmsregionens fjärrvärme- och fjärrkylasystem undersöktes. Avsaknaden av större industrier och det stora kontorsbeståndet som har en signifikant inverkan på energisystemet gjorde att fokus lades på kontorslokaler.
Tyngdpunkten i arbetet lades på att undersöka potentialen för absorptionskylmaskiner som producerar kyla genom att utnyttja värme från en värmekälla som t ex fjärrvärme. För att få tillräcklig bakgrundsfakta utfördes en litteraturstudie på området vilket gav insikt om vad som var av intresse att undersöka.
Värden för kylanvändningen har tagits fram för att skatta kyllaster som kontor bidrar med till de befintliga fjärrkylalasterna. Med utgångspunkt från denna information arbetades ett antal scenarion fram. Scenariona modellerades sedan i en modell av Stockholms fjärrvärme- och fjärrkylasystem som byggdes upp i energioptimeringsprogrammet MODEST, se avsnitt 4.5. Resultatet från optimeringarna i MODEST analyserades och intressanta iakttagelser noterades. En känslighetsanalys utfördes för att undersöka hur känslig modellen var för förändringar i indata i de olika scenariona, varpå slutsatser kunde dras.
4.1.1 Verifiering
För att ge studien trovärdighet behövde modellens resultat verifieras. Detta utfördes genom att representanter från Fortum granskade resultaten i nulägesscenariot och bedömde dessa utefter deras egen produktion. Först efter godkännande på nulägesscenariot byggdes modellen på med indata för påföljande scenarions olika förutsättningar. Då modellen bygger på många antaganden är det viktigt att den granskas av personer som är insatta i den verkliga produktionen för att den ska vara ett användbart verktyg.
14
4.2 Faktainsamling
En utförlig litteraturstudie är viktig att genomföra då det ger bred kunskap inom det undersökta området. Fler källor ger även ökad tillförlitlighet till fakta som används i rapporten. Flertalet doktorsavhandlingar, vetenskapliga artiklar och andra tryckta källor har lästs och muntliga kontakter har tagits med kunniga personer inom området. Av stor vikt har genom hela rapportarbetet varit att verifiera källornas trovärdighet och fakta från källor som inte ansetts tillförlitliga har därför sållats bort.
4.3 Datainsamling
För att modellen ska spegla verkligheten är det av stor vikt att scenariona som modelleras har korrekt indata. Fel i indata kan lätt fortplanta sig och ge stora avvikelser från verkligheten och det är därför viktigt att vara noggrann vid insamlandet av data. Är det fel i indata blir resultatet dåligt vilket i värsta fall kan leda till att felaktiga beslut fattas.
Data över energianvändningen i kontorslokalerna till denna rapport hämtades från STIL 2 projektet. Energianvändningen i byggnaderna beräknades och generaliserades för alla kontor i undersökningen och skalades därefter upp för att få volymer som motsvarar det antal kvadratmeter kontorslokaler som finns i de aktuella områdena.
Data om fjärrvärmenäten inhämtades med rapporten Optimal nät- och kraftvärmeinvestering i
Stockholms fjärrvärmesystem, Levinson, Freiman (2005) som grund. Till dessa data infördes
uppdateringar till 2008 års fjärrvärmenäts utformning. Nya anläggningar och förändrade effekter på tidigare befintliga anläggningar infördes i modellen. Uppdaterad effektdata inhämtades från personer hos de aktuella värmeproducenterna samt från kunniga i ämnet på ÅF som varit behjälpliga med information om nät och anläggningar.
Information om utformningen på de aktuella fjärrkylanäten har inhämtats direkt från energibolagen Fortum och Norrenergi. De har även hjälpt till med tekniskdata på produktionsanläggningar som värmepumpar och frikylaanläggningar.
För att få stor noggrannhet på bränslepriserna har aktörerna i området kontaktats direkt, däribland Ragnsells som bland annat levererar avfall till förbränningsanläggningar, priserna hittas i Bilaga 3. Elpriser har inhämtats från Nordpool och EEX där elspotpriset per timme under ett år granskats, övriga prisuppgifter kommer från Energimyndigheten, se Bilaga 4.
15
4.4 Systemgränser
Rapporten behandlar Stockholms centrala/södra fjärrvärmesystem samt fjärrkylanäten i Solna och centrala Stockholm. Denna avgränsning är naturlig då de fysiska begränsningarna i nätens utbyggnad ger att systemgränsen är begränsad till Stockholmsregionen.
Sambandet mellan värmeproduktion och elproduktion är tydligt men produkterna verkar på olika marknader. Producerad el säljs på en marknad som prissätts efter marginalproduktionen, se avsnitt 4.6.1, och levereras till hela Europa. Systemgränsen för elproduktionen omfattar därför hela Europa.
Rapporten har alltså två systemgränser, en för fjärrvärme och fjärrkyla samt en för elproduktion, vilket motiveras med de olika energislagens inverkan på det egna systemet.
4.5 MODEST
En modell av Stockholms energisystem byggdes upp i energioptimeringsprogrammet MODEST, hur detta går till kan läsas mer om i avsnitt 4.5.3. I denna undersökning har 28 tidssteg, se Bilaga 5, använts vilket är en tillräcklig indelning för den här typen av undersökningar [Gebremedhin A, 2008]. Det verkliga systemet har använts för att återskapa en modell som är en representativ bild av verkligheten. Uppbyggnaden av modellen sker med noder, se Bilaga 6. Data över anläggningar, kulvertar och även andra indata som behövts i modelleringen finns i Bilaga 7. Med modellens hjälp har ett antal scenarion undersökts, för scenarionas utformning se kapitel 6.
4.5.1 Optimeringsprogrammet MODEST
MODEST (Modell för Optimering av Dynamiska EnergiSystem med Tidsberoende komponenter och randvillkor) är en optimeringsmodell som har utvecklats på Linköpings Universitet. Det är en modell som kan optimera el- och fjärrvärmeproduktionen i dels regionala men också nationella system. MODEST används främst till att ta fram den mest lönsamma investeringen men beräknar även den bästa driften av anläggningarna. Programmet använder sig av linjärprogrammering dvs. en målfunktion minimeras för att hitta den billigaste metoden att tillfredställa energibehovet. Målfunktionen består utav kostnader för t.ex. bränslen, underhåll m.m. som räknas om till nuvärden och minimeras för att ge den mest lönsamma lösningen på det uppbyggda scenariot. Resultatet blir en systemkostnad för driften av systemet under en given tidsperiod, 10 år är grundinställningen, och beräknas med en kalkylränta på 6 %. MODEST använder sig av flera andra program dels optimeringsprogrammet Cplex där programmet exekveras men också av Excel där resultatfilen går att utvärdera. [Gebremedhin A, 2003; Henning D, 1999]
16
MODEST har en kvasidynamisk tidsindelning som betyder att den analyserade perioden är indelad i ett antal tidsteg där varje tidsteg har konstanta förhållanden. Modellen kan behandla ett eller ett stort antal tidssteg för att på så sätt både kunna representera korta och långa tidsstudier. Tidsstegen kan variera i både längd och antal vilket medför att MODEST kan spegla variationer i effekt över dygn, årstider och över flera år. Tidsindelningen definieras i början av modelleringen, där delas den analyserade perioden in i flera delperioder som kan innehålla en godtycklig mängd år. Varje år delas in i säsonger som i sin tur delas i dygnstemperaturperioder. Korta och långa variationer av exempelvis behov, kostnader och kapaciteter kan speglas. Investeringar kan göras i början av varje delperiod. MODEST kan användas som ett beslutshjälpmedel för att bestämma vilken investering man skall göra eller t.ex. vilken storlek av anläggning som är lämplig [Gebremedhin A, 2003].
4.5.2 Några begränsningar i MODEST
Logiska funktioner dvs. villkor av typen ”antingen eller” kan inte representeras i MODEST t.ex. uppstartkostnader som beror av driftuppehållets längd kan inte visas i modellen.
Investeringskostnader är skrivna i kostnad per enhet uteffekt. Detta stämmer inte med verkligenheten då investeringskostnaden ofta är högre för mindre enheter.
I verkligheten beror förhållandet mellan el- och värmeuteffekten samt utsläpp ofta av belastningen på anläggningen. Detta kan inte MODEST ta hänsyn till.
MODEST kan inte använda stokastiska variabler och därför kan man t.ex. inte definiera att en komponent är otillgänglig 500 timmar under ett slumpmässigt tillfälle varje år.
MODEST minimerar endast kostnaden och minimering av t.ex. CO2 eller andra indata som också kan vara intressant är inte möjlig.
[Henning D, 1999]
4.5.3 Modellering i MODEST
Vid uppstart av programmet initieras först ett antal globala parametrar. Dessa parametrar består av enheter för konstanter, tidsindelning och val av vilka utsläpp som skall räknas med exempelvis CO2, NOX, SOX. Dessa globala parametrar kommer att gälla i hela modelleringen. Energinätverket byggs upp med hjälp av noder som skapas i programmet. Varje nod representerar t.ex. ett bränsle, en panna, ett behov mm. Efter skapandet av noden börjar man med att välja rätt typ av nod: startnod, omvandlingsnod, lager, behovsnod eller restnod. Dessa visar vad noden är för något, t.ex. startnod för bränsle och omvandlingsnod för panna.
Varje nod kan också ges ett pris, verkningsgrad och utsläpp förutsatt att den har sådana. En grafisk presentation över hur ett energinätverk kan presenteras i MODEST ses i Figur 3.
17
Figur 3: Principiell översikt av en modell
Förhållanden, överföringskapaciteter, begränsningar mm skapas mellan noderna och visar vilka noder som beror av varandra. Alla kostnader, priser på bränslen, verkningsgrader behov etc. kan anges som konstanta eller variera efter den globala tidsindelningen.
Modelleringen exekveras sedan för att tillfredställa det behov man upprättat, i denna rapport kommer det att vara fjärrvärme- samt fjärrkylabehovet. Elen kommer endast ses som en vinstkostnad dvs. att all el som tillverkas säljs och denna nod kommer därför betraktas som en restnod som ger intäkter. Modellen optimeras för att ge lägsta möjliga kostnad och att uppfylla de angivna behoven i systemet. Resultatet redovisas i form av driftdata för de olika anläggningarna i de olika tidsstegen som kan analyseras i Excel [Henning D, 1999].
4.6 Antaganden
För att det inom en rimlig tidsram ska vara möjligt att hinna undersöka kontorslokalers kylalternativ ur ett systemperspektiv har vissa antaganden gjorts vilka presenteras i kommande stycken.
18
4.6.1 El på marginalen
Figur 4: Utbudskurva (Merit order curve) för den nordiska elproduktionsmarknaden
I denna rapport har vi antagit att all elanvändning sker på marginalen. Detta betyder att den el som förbrukas kommer från det elproducerande kraftverk som har den högsta produktionskostnaden per producerad kWh el. Elmarknaden fungerar så att det är det dyraste elproducerande kraftverket som sätter priset för vad hela marknaden säljer sin el för, s.k. marginalprissättning [Karlsson B, 2006]. Detta är möjligt då de olika producenterna inte har någon skillnad i form av kvalitet på sina produkter och de som kan producera billigt säljer sin el för det pris marknaden är beredd att betala för el och inte mindre. I praktiken innebär det att även om den största delen el kommer från billig vattenkraft så styr dyrare energislag som kol och olja priset man betalar för sin el. I Figur 4 illustreras den rörliga kostnaden samt mängden producerad energi från olika sorters elproduktion i norden.
Resonemanget med el på marginalen betyder då att för varje minskad kWh el som förbrukas minskar effekten på det kraftverk som har den dyraste produktionen. I en avreglerad elmarknad där alla kan köpa el av alla betyder det att marginalelen i dagsläget kommer från kolkraftverk på kontinenten pga. att produktionskostnaderna där är mycket högre samt det stora antalet koleldade kraftverk som finns på kontinenten. 50 % av elen som produceras på kontinenten är fossilbaserad varav hälften kommer från kol i kraftverk som endast klarar att omvandla mellan 30 till 40 % av bränslet till el. Kolkraften kommer därmed stå för marginalproduktionen av el under en överskådlig framtid [Karlsson B, 2001].
I och med att de svenska elpriserna mer och mer liknar de på kontinenten börjar resonemanget kring el på marginalen bli mycket vanligt. Detta synsätt lämpar sig då man vill utreda miljökonsekvenser av ändrad användning eller produktion av värme och el.
19
Andra beräkningsmodeller som används för att beräkna utsläpp av el är nordisk mix som bygger på ett genomsnitt av all elproduktion i Norden. Denna syn på utsläpp orsakade av elförbrukning är inte systemtekniskt korrekt då den antar att vid en effekthöjning i elnätet höjs effekten på alla producerande anläggningar lika mycket oavsett hur stora driftskostnader de har. Detta motsäger ekonomiska teorier och det är inte heller något som sker i praktiken.
Vid beräkningar på hur koldioxidutsläppen påverkas när elanvändningen förändras ger det en mer rättvis bild att räkna med el på marginalen. [Energirådgivningen, 2008]
4.6.2 Koldioxidutsläpp
El ger inte upphov till några koldioxidutsläpp lokalt där den används, däremot kan det uppkomma vid produktion av el. I och med den avreglerade europeiska elmarknaden kan man se på utsläpp ur en ny synvinkel.
Om vi här i Sverige minskar elanvändningen betyder det att vi kan exportera det överskottet av el. Det ger att effekten i de kraftverk som producerar el på marginalen sjunker vilket minskar utsläppen från de anläggningarna. Då de anläggningar som producerar el på marginalen ligger på kontinenten blir de minskade utsläppen, orsakad av den minskade effekten, globala och inte lokala. Dessa kraftverk tillhör de smutsigaste och har en verkningsgrad på runt 40 % och släpper ut ungefär 950 g CO2 per producerad kWh el. Med resonemanget om el på marginalen innebär det att för varje kWh minskad elförbrukning i Stockholm minskas de globala utsläppen med 950 g CO2. Problemen med global uppvärmning inte är ett lokalt problem vilket betyder att man måste se till de storskaliga vinsterna [Karlsson B, 2001].
20
Figur 5 visar hur stor förändring globala utsläpp av koldioxid olika metoder att producera värme ger upphov till. Negativa värden orsakas av samtida produktion av el och värme vilket minskar elproduktionen i kolkondenskraftverk och utsläppen från dessa. Om den egna el- och värmeproduktionen orsakar mindre mängd utsläpp än den från kolkondenskraftverk ger det att utsläppen minskar globalt.
Med nordisk mix ger elproduktionen i genomsnitt 100 g utsläppt koldioxidekvivalenter (CO2, metan och lustgas) per producerad kWh vilket är väsentligt lägre än de 950 g som elproduktion beräknad med marginalförbrukning ger upphov till [Energirådgivningen, 2008].
4.6.3 Fjärrvärmebolagens strategier
De fjärrvärmebolag som har kraftvärme i sina nät antas vilja öka sin sommarlast för att kunna utnyttja sina kraftvärmeverk på fullast även under varmare tidsperioder. Detta beror på att de vill producera el och sälja denna samtidigt som planeringen av produktionen blir lättare då de har en jämn efterfrågan. För fjärrvärmebolag likt andra industrier kostar överkapacitet pengar i form av onödigt höga investeringskostnader. Dessa kostnader är extra stora för kraftvärmeverk jämfört med hetvattenpannor som inte producerar el. Ett kraftvärmeverk ska nyttjas många drifttimmar varje år och dimensioners för att uppfylla den värmelast som finns året om, baslasten. Med en höjning av värmelasten sommartid höjs fjärrvärmenätets baslast vilket ger ett ökat underlag för kraftvärmeproduktion. Skillnaden mellan topplasten och minimilasten i nätet minskar även vilket ger en jämnare produktion över året.
Figur 6: Typisk värmelastkurva över ett år
MW
Tid
21
Figur 7: Typisk kyllastkurva över ett år
Kraftvärmeverk har ofta en minimieffekt för hur mycket som minst måste produceras och kan därför inte användas på samma sätt som andra värmeproduktionsanläggningar. T ex elpannor har inte denna minimilast varför denna typ av pannor ibland startar upp för att uppfylla värmebehovet trots att det finns andra produktionsmetoder som är billigare som inte används. På grund av denna minimieffekt kan det bli så att kraftvärmeverken inte kan producera sommartid för att värmelasten i fjärrvärmenätet är för liten.
Figur 6 och Figur 7 visar hur fjärrvärme- och fjärrkylalasten varierar över året, noterbart är att fjärrvärmelasten är låg där fjärrkylalasten är hög. För att höja värmelasten sommartid och samtidigt tillfredställa kylbehovet finns möjligheten att producera fjärrkyla av fjärrvärme, med en absorptionskylmaskin, vilken tvärtemot fjärrvärme har sin största last på sommaren då värmebehovet är som lägst. Detta höjer baslasten och ökar möjligheten att producera el i kraftvärmeverk.
4.6.4 Laster i MODEST
Fjärrvärmelasterna har insamlats från respektive fjärrvärmebolag. De laster som har använts är det verkliga fjärrvärmebehovet från år 2007. Vidare har det utvärderats om det skulle vara mer lämpligt att använda indata från ett normaliserat år. Dock har detta förkastats då det skulle ge stora felkällor i hur elpriserna varierar. Elpriserna har de senaste åren varierat kraftigt vilket gör det svårt att skatta priset på el för ett normaliserat år. De elpriser som använts i denna studie finns redovisade i Bilaga 4.
Fortums värme- och kyllaster erhölls i timvärden under ett år för respektive delnät. Timvärdena anpassades efter 28 tidssteg som används i MODEST, se Bilaga 5, för att skapa värme- och kyllaster för respektive nät, se Figur 8. Från de övriga bolagen erhölls endast årlig energimängd som levererats till kund. Ett antagande om att formen på lastkurvorna i Stockholm ser lika ut för alla delnät gjordes. Detta kan göras eftersom formen styrs av klimatet och delnäten ligger inom ett begränsat geografisk område. Därefter anpassades lasten i den generella kurvan för att stämma överens med övriga bolags årliga energibehov.
MW
Tid
22
Figur 8: Generell last
4.6.5 Kylbehov i kontorslokaler
Efter att ha studerat data från STIL 2 var det möjligt att uppskatta det genomsnittliga kylbehovet i de undersökta kontorslokalerna. Kylbehovet skattades till 30 kWh kyla per m2 och år. Detta är det värde som används i rapporten vid skattning av mängden kyla som används i kontorslokaler.
4.7 Källkritik
Som grund för uppbyggnaden av modellen låg rapporten Optimal nät- och
kraftvärmeinvestering i Stockholms fjärrvärmesystem, Levinson, Freiman (2005). Då
tidsåtgången varit för stor att verifiera all data ingående med respektive bolag kan den blivit något inaktuell då rapporten skrevs år 2005.
Svensk Fjärrvärmes FoU rapport Värmedriven kyla har använts vid skrivandet av teoridelen av fjärrkylan. Denna rapport anses vara trovärdig men då den använts som huvudkälla kan detta ge en synvinkel som är något riktad. De värden som hämtats från denna rapport kan vara några år gamla men rapportens fakta är fortfarande aktuell.
Energimyndighetens rapport Förbättrad energistatistik för lokaler – Inventeringar av kontor
och förvaltningsbyggnader har använts som grund till denna tekniska rapport och studier av
kyla i kontorslokaler. Många av de undersökta kontoren i Stockholm ligger nära centrum vilket gör att närheten till fjärrvärme och fjärrkylanätet bland dessa är stor. Eventuellt kan påkopplingsgraden vara något högre än generellt för hela Stockholm. Dock gör detta endast att behovet av fjärrkyla är större än det som används i studien vilket betyder att lönsamheten för absorptionskyla eventuellt kan vara större. Det finns även risk för att kylbehovet i kontorslokaler har applicerats på en för stor mängd data och beräkningarna har gjorts på litet
23
utfall av data samt att enskilda kontors kylbehov kan få för stor genomslagskraft. Statistiken för STIL-kontor samlades in 2005 medan att denna studie utförs på resterande data från 2007, vilket kan göra att statistiken kan bli något snedvriden. Detta kan bortses från då mängden kyla och kylbehovet endast ökat från denna tidpunkt [Hill A, 2008].
En betydande del av källorna härstammar från personlig kommunikation då närheten till experter i området har varit stor. Dessa källor kan ha misstolkats och använts i ett sammanhang som inte var menat.
4.8 Felkällor
En modell av verkligheten har ofta begränsningar så även denna modell av Stockholms energisystem, hänvisar därför till avsnitt 4.5.2.
Lasterna som använts är timvärden och erhölls från Fortum, de är från 2007 och mätta i olika mätpunkter i näten. Dessa mätpunkter visar inte alltid rätt beroende på olika parametrar, t.ex. fel i mätutrustningen. I och med detta kan det uppstå fel i lasterna och därmed finns det risk för att mätvärdena visar en något lägre last än den verkliga under den aktuella perioden. I 80 % av fallen uppskattas dock indata vara korrekt. Övrig data kan ha marginellt mindre fel. [Sandberg M,2008]
Modellen omfattar ett antal nät som drivs av olika värmeproducenter. Detta är något modellen inte tar hänsyn till vilket kan påverka då de olika producenterna måste betala för den värme som går mellan deras olika nät i kulvertar.
25
5 Teorikapitel
I detta kapitel presenteras de bakomliggande teorierna till denna tekniska rapport. Även nödvändig fakta beskrivs och förklaras.
5.1 Fjärrvärme
På slutet av 1940-talet byggdes Sveriges första fjärrvärmenät i Karlstad och sedan dess har utbyggnaderna fortsatt till att idag finnas i 270 av 290 kommuner i Sverige [Svensk Fjärrvärme, 2008a]. Istället för att få sin värme till tappvarmvatten och uppvärmning från en lokalt installerad värmekälla som t ex en elpanna, oljepanna m.m., kan man värma sin byggnad med fjärrvärme. Fjärrvärme är beteckningen på ett rörsystem som distribuerar värme i form av uppvärmt vatten från en central produktionsanläggning ut till konsumenterna i andra änden av nätet. När vattnet kommer till kunden värmeväxlas det med byggnadens vattenburna system och tappvarmvatten. Fastigheten blir uppvärmd samt får det tappvarmvatten den behöver.
På värmeverket kan vattnet värmas med olika sorters produktionsanläggningar som hetvattenpannor, värmepumpar och kraftvärmeverk, kraftvärmeverk beskrivs mer i kapitel 5.1.1. Att producera värmen på ett värmeverk samt distribuera i ett fjärrvärmenät medför skalfördelar med t.ex. pannor med bättre verkningsgrad, bättre reningsutrustning men också kompetent personal som ser till att verken drivs så lönsamt som möjligt jämfört med att värma lokaler med lokala värmekällor. I och med detta tjänar både kunden i form av bättre pris och miljön i form av mindre utsläpp på att producera och använda fjärrvärme.
5.1.1 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]
