AKADEMIN FÖR TEKNIK OCH MILJÖ
Avdelningen för byggnadsteknik, energisystem och miljövetenskap
Lämplighetsundersökning av olika system för
att producera kyla
Fallstudie för en fastighet med bageri, restaurang och kontor
Robert Östlin
2020
Examensarbete, Grundnivå (kandidatexamen), 15 hp Huvudområde
Utbildningsprogram
Handledare: Hans Wigö Bitr. handledare: Roland Forsberg
i Sammanfattning
Kyla produceras med ett antal helt skilda metoder. Denna rapport och fallstudie tar hänsyn till fyra metoder för kylning, kompressordriven-, absorptions-, fri-, och fjärrkyla. En del i
problematiken är att systemen har mycket olika tekniska utformningar och krav på fastigheten, så som geografi och närhet till stora tekniska system som fjärrvärme och fjärrkyla. Kylsystemen jämfördes för att finna vilket kylsystem som var lämpligast samt vilket som hade den mest gynnsamma taxeringen för fastigheten. Kylsystemens lämplighet bedömdes framförallt efter underhållsbehov, men även storlek och ljudnivå. Fastigheten som utgör examensarbetets studieobjekt har ett kylbehov på 150 kW, vilket attribueras ett bageri, restaurang, kontor samt kylbänkar m.fl. Dessa har ett kylbehov under framförallt fyra sommarmånader, där kylbänkar m.fl även har ett kylbehov under resterande året. Flera studier har gjorts och pekar på att kylbehovet i framtiden kommer att öka, även om en exakt prognos inte kan ges. Det är även tydligt att alla de ovan nämnda kylsystemslösningarna har en roll att spela framöver.
Examensarbetet har framförallt använt sig av en litteraturstudie för att besvara
frågeställningarna. För litteraturstudien användes hemsidor som Discovery och ScienceDirect. För att beräkna energiförbrukning, drifttider och total kostnad så har Microsoft Excel använts. Framförallt för kylproduktion med kompressor, där det givna referensaggregatet har fyra olika driftfall beroende på kylbehov, varav ett är kylproduktion med frikyla. För att vikta frikylans andel har klimatdata från SMHI (2020) använts. Programmet har även använts för att
sammanställa de tabeller och figurer som presenteras i resultatet. Prisförslag har givits efter personliga kommunikation per e-mail och telefonintervjuer med energiproducenter och tillverkare av kylaggregat.
Resultatet visade att fjärrkyla var det för studieobjektet mest lönsamma alternativet, det står även för det system som är lämpligast då det är helt underhållsfritt för kunden. Anledningen till dess lönsamhet tillskrevs framförallt dess låga investeringskostnad. Att använda Gavleån för ren frikyla visade sig inte vara möjligt då temperaturen i ån är för hög sommartid. Även
absorptionskyla visade sig vara olämpligt för studieobjektet då temperaturen i det lokala fjärrvärmenätet är för låg samtidigt som investeringskostnaden blivit hög. För absorptionskyla hade ett extra system behövts installeras, vilket rapporten inte kunnat prissätta.
Rapporten visar däremot att metoden att producera kyla med absorptionsaggregat har potential att under rätt förutsättningar ersätta kompressorkyla. Detta för att minska dels belastningen på elnätet samt som ett sätt att minska CO2-utsläpp globalt, genom export av elektricitet till
Europa. Detta arbete visar att dagens teknik är begränsad men att framtida teknik visar sig ha potential. Rapporten fann även att vidare arbete med vinning kunnat utföras för att identifiera absorptionskylas expansionspotential.
ii Nyckelord:
Kompressorkyla, Frikyla, Fjärrkyla, Absorptionskyla, Hållbart samhälle, Restaurang, Bageri, Kontor.
iii Abstract
Cooling is produced with several completely differentiated methods. This report and case study considers four different methods of cooling, vapor-compression-, absorption-, free- and district cooling. A part of the problem is that the systems have vastly different technical configuration and requirement of a facility, such as geography and vicinity to other big technical system such as district cooling and district heating. The cooling systems are compared to find the method that is most suitable and has the most beneficial assessment. The different methods suitablitiy was graded based on, noise level, size and required maintenance. The facility that constitutes this thesis study has a cooling demand of 150kW, which is attributed to a bakery, a restaurant, an office and cooling benches etc. These have a cooling demand during four summer months, where cooling benches etc also have a demand during the rest of the year. Multiple studies showcase and point out that the cooling demand will grow in the future, even if a precise prognosis is not made. It is also clear that these above-mentioned cooling systems have a continuing role to play going forward.
This thesis has foremostly used a literature review to answer the research questions. For the review webpages such as Discovery and ScienceDirect was used. To calculate the energy consumption, running hours and total yearly cost Microsoft Excel was used. Especially when cool produced with the compressor unit. The reference unit has four different operating modes depending on the cooling demand, one of the modes is production with free cooling. To value the share and impact that free cooling has, Microsoft Excel is used in combination with statistical data from SMHI (2020). Microsoft Excel is also used to compile the tables and figures in the “results” section. The pricing published in this report is based on personal communications per e-mail and phone interviews with energy producers and manufacturers of different cooling units.
The result of the thesis show that district cooling is the most beneficial solution for cooling the facility. As well as the most suitable system since it is completely maintenance free for a customer. The reason for its profitability is attributed to its low investment cost. Using the nearby river for free cooling was deemed impossible because of its high temperature during the summers. Using absorption cooling was also considered unsuitable for the case object because of the low temperature in the local district heating network during summer times, as well as the high investment cost required because of it. To make absorption cooling suitable an additional system for cooling the processes would have to be installed, which this report has not been able to price.
iv
The report highlights the potential to, under the right circumstances replace vapor-compressor cooling with absorption cooling. And therefore, limit the load on the power grid as well as lower the emissions of CO2 globally, through export of electricity to Europe. This work also
show that the technology is limited, but future improvements shows potential. The report also showcases that future work could be done to identify absorption cooling potential for expansion.
Keywords:
Vapor-Compressor cooling, Free cooling, District Cooling, Absorption cooling, Sustainable society, Restaurant, Bakery, Office.
v Förord
Detta examensarbete hade inte varit möjligt utan stor hjälp från flera individer. Framförallt vill jag rikta ett stort personligt tack till Lars Åhlén på Yazaki-Nordic, Mikael Baggesen på Swegon AB samt Mikael Sandanger och Niclas Wiklund m.fl på Gävle Energi AB. Deras insikt i branschen har varit mycket lärorik och oumbärlig, utan deras bidrag och dedikerade arbete hade denna rapport aldrig varit möjlig.
Samtidigt så vill jag passa på att tacka Högskolan i Gävle, all lärdom, kunskap och erfarenhet från mina fyra år har bidragit till detta arbete. Slutligen vill jag även tacka mina handledare Peter Hansson, Roland Forsberg och Hans Wigö för deras stora stöd under arbetets gång.
Tack!
Robert Östlin 2020-05-25
vi Beteckningar
QTillförd Tillförd energi
QBortförd Bortförd energi
QKok Energi tillförd för att koka köldmedium
QAbs Energi bortkyld i absorbator
GWP (Global warming potential) Mått på hur stor påverkan på växthuseffekten en gas har i förhållande till koldioxid.
COP – faktor Coefficient of performance (se även εk)
CO2 Ekv Koldioxid ekvivalent
εk Kylmaskins köldfaktor (se även COP- faktor)
vii Innehåll 1 Inledning ...1 1.1 Bakgrund ...1 1.2 Syfte ...1 1.3 Förfarande...1 1.4 Studieobjektet ...2 1.5 Litteraturstudie ...4 1.5.1 Fjärrkyla ...4 1.5.2 Kompressorkyla ... 11 1.5.3 Absorptionskyla ... 15
1.5.4 Frikyla och kombinerade kylmetoder ... 20
1.5.5 Kylsystem och miljö ... 21
2 Metod ... 24
3 Resultat... 26
4 Diskussion ... 29
4.1 Produktionsmetodernas lämplighet ... 29
4.2 Resonemang om studieobjektets lämplighet ... 31
5 Slutsats ... 34
5.1 Resultat av studien ... 34
5.2 Utveckling ... 34
5.3 Hållbarhet och perspektiv ... 35
6 Referenser ... 36
7 Bilagor ... 38
7.1 Bilaga A – Drifttid för kompressorkyla, 2 sidor ... 38
7.2 Bilaga B – Produktdatablad Swegon, Tetris 2A + FC, 10 sidor ... 40
7.3 Bilaga C – Produktdatablad R410A, Honeywell, 4 sidor ... 50
1 1 Inledning
1.1 Bakgrund
Kyla produceras med ett antal helt skilda metoder. Denna rapport är en fallstudie och kommer att ta hänsyn till fyra metoder för produktion av kyla, kompressordriven-, absorptions-, fjärr-, och frikyla. Problemet med att hitta en bra kylsystemslösning ligger inte enbart i frågan om att jämföra effekter och verkningsgrader med investerings- och driftskostnader. En stor del i problematiken är skillnaden i de olika systemens tekniska utformning. Marknaden är mycket bred och det finns många alternativ till kyla. Där olika system är mer eller mindre lämpliga beroende på bland annat tillgängliga ytor, geografi och budget. Rapporten kommer att ta hänsyn till sådana begränsningar när den analyserar lämpligheten för olika kylsystem. En del av
rapportens syfte är att binda och tydliggöra tidigare forskning inom kylproduktion, för att på så sätt visa upp en tydligare helhet.
1.2 Syfte
Rapporten baseras på en fallstudie vars syfte är att finna det bästa kylsystemet för en byggnad på Alderholmen i Gävle. Byggnaden har förutom ett kontor även andra kommersiella lokaler, där framförallt ett bageri utmärker sig med ett stort kylbehov. Studieobjektet har ett stort behov av komfortkyla under sommarhalvåret för att motverka den värmeproduktion som orsakas av fastighetens olika processer i form av ugnar, datorer och annan utrustning. Men även ett mindre behov av processkyla över hela året. Syftet med rapporten är att finna en kylsystemslösning till fastigheten och besvarar följande frågeställningar:
❖ Vad är de olika systemens drift-, investering- och underhållskostnad?
❖ Vad är bäst lämpat för kunden utifrån deras behov och förutsättningar. (Resurser, tid, kompetens,
ekonomi, kostnad över tid m m)
❖ Vilket system är bäst ur en miljö/klimat synvinkel?
❖ Hur påverkar staden och närområdet lämpligheten i de olika metoderna? ❖ Hur kan framtida teknik påverka hållbarheten i vårt resultat?
❖ Hur ser prognosen och möjligheten ut för att öka fjärrkyla i framtiden? (Hur se det ut för de andra
metoderna/systemen?)
1.3 Förfarande
Fallstudien baseras framförallt på en litteraturstudie, där sökmotorer för vetenskapliga texter som Discovery och ScienceDirect användes. För att finna mer information och uppgifter om drift och investeringskostnader användes personliga kommunikationer per e-mail och telefon med aktörer i branschen, framförallt från energiproducenter och tillverkare av kylanläggningar.
2
Excel användes för att sammanställa resultatet samt för att ta fram kompressorkylas energianvändning över ett år.
1.4 Studieobjektet
Fastigheten som utgör arbetets studieobjekt är belägen på Alderholmen i Gävle tätort. I
dagsläget består byggnaden av ett bageri, men i beräkningarna tillkommer även ett kontor samt en planerad restaurang med kylbehov. På grund av dess kylbehov och unika geografiska läge så väcktes frågan vilken typ av kylsystemslösning som är mest lönsam. Studieobjektet har närhet till både fri- och fjärrkyla samt fjärrvärme. Figur 1 visar byggnadens geografiska position.
Fastighetsägaren installerar i dagsläget fjärrkyla till byggnaden.
Figur 1. Studieobjektets geografiska position.
För studieobjektet krävs kyla under framförallt fyra sommarmånader. Tiden som avses är mitten på maj till mitten på september. Det beräknade kylbehovet på 150 kW fördelas över fastighetens verksamheter enligt Tabell 1.
Tabell 1. Årliga fördelningen av fastighetens kylbehov och drifttid.
Effekt [kW] Drift [h/år] Energi [kWh/år]
Kylbaffel Kontor 30 800 h 24 000 Luftbeh. Kontor 50 800 h 40 000 Luftbeh. Bageri 25 1 440 h 36 000 Luftbeh. Restaurang 25 1 440 h 36 000 Kylbänk etc. 20 8 760 h 175 200 Totalt: 150 311 200
3
Studieobjektet har ett intermittent kylbehov som varierar över såväl år som veckor och dagar. De största variationerna i kylbehovet är kända och beror på fastighetens användning och varierar på ett schemalagt sätt. Kylbehoven för de olika avdelningarna förväntas alltid vara konstanta.
Tabell 2. Drifttiderna för de olika kylbehoven.
Kylbaffel Kontor 10 h * 5 d * 4 v * 4 m = 800 h/år Luftbeh. Kontor 10 h * 5 d * 4 v * 4 m = 800 h/år Luftbeh. Bageri 12 h * 30 d * 4 m = 1 440 h/år Luftbeh. Restaurang 12 h * 30 d * 4 m = 1 440 h/år
Kylbänk etc. 24 h * 365 d = 8 760 h/år
Kylbehovet för kontoret är satt till 10 timmar, dagtid under vardagar, medan bageriet och restaurangen har ett kylbehov även på helger. Samtidigt som kylbänkar etc. har ett konstant kylbehov året runt i enlighet med Tabell 2. I beräkningen har antagandet gjorts att kylbehovet sker under en fyra månader lång kylsäsong. Alla beräkningar utgår från det arbete som gjordes vid dimensionering av kyla för fastigheten, av Peter Hansson1. Hanssons dimensioneringsarbete
har använts som mall och inspiration för detta arbete.
Examensarbetet tar inte hänsyn till inverkan på byggnadens temperaturbalans orsakat av intermittenta och oförutsägbara förändringarna i utomhusklimatet. Den tar enbart hänsyn till den påverkan som utomhusklimatet har sett över årstiderna, samt den schemalagda variation som beror på fastighetens användning. I den mån som utomhustemperaturen krävs för att bestämma driftfall så har klimatdata över 2019 använts.
4
1.5 Litteraturstudie
1.5.1 Fjärrkyla
1.5.1.1 Fjärrkyla och Fjärrvärme
Sven Werner skriver i sin rapport ”District heating and cooling” (2017) att fjärrvärme på många sätt banat väg för introduceringen och uppbyggnaden av fjärrkylan. Werner skriver att den första tillämpningen av fjärrkylsystem grundlades i Västerås, 1992. Drivkraften bakom detta beskrivs vara beslutet att förbjuda CFC-gaser som köldmedium. Vilket gjorde att nya metoder för
kylproduktion fick en chans när gamla kylmaskiner byttes ut. Werner (2017) skriver att trots att nätet haft en årlig expansion på 13 % sedan år 2000 så är fjärrkyla fortfarande mycket litet i förhållande till fjärrvärme. Motsvarande siffra för årlig expansion av fjärrkyleleveransen är 8 % sedan 2000. Totalt levererades det ungefär 3,6 PJ (1 TWh) fjärrkyla år 2014, för fjärrvärme är siffran 175 PJ (48,6 TWh). Fjärrvärme är alltså en många gånger större aktör. I ett kallt land som Sverige är däremot kylbehovet naturligt mycket mindre än värmebehovet. Fjärrkyla är likt fjärrvärme ett regionalt system bestående av en centraliserad produktionsanläggning kombinerat med ett distributionsnätverk vilket transporterar ett kylt medium. Fjärrkyla produceras för att täcka ett kylbehov och kan likt fjärrvärme använda sig av värmelagring för att säkerställa leveransen.
Att fjärrkyla med fördel kan använda sig av TES (Thermal energy storage), både separat och kombinerat med fjärrvärmeproduktion, skriver Elisa Guelpa och Vittorio Verda i sin rapport ”Thermal energy storage in district heating and cooling systems: A review” (2019).
Rapporten listar elva fördelar. Varav några av de mest framstående fördelarna som nämns i förhållande till fjärrkylsystem är:
- Att TES fungerar som en buffert då kylbehovet varierar kraftigt och snabbt över en dag. Den fungerar som ett kylbehov då produktionen är högre än efterfrågan, och att den fungerar som en källa (producent) när behovet är större än produktionen.
- Sommartid infaller ofta kylbehovet samtidigt som förfrågan på el är som störst. Vilket leder till höga elpriser, med TES kan produktionen förflyttas i tid.
- Smidigare för kunden som inte behöver ha en egen produktionsanläggning för att täcka variationer eller produktionsbortfall.
Rapporten nämner även ett par nackdelar:
- De termiska förlusterna som sker vid lagring är inte försumbara. Framförallt inte vid långvarig lagring.
- Investeringskostnaden är inte försumbar, och varierar mycket beroende på vilken typ av lagring som tas i beaktande.
5
Förutom att beskriva för- och nackdelar med termisk energilagring så tar rapporten även upp exempel på hur termisk lagring kan utformas. Lagringstekniker som rapporten tar upp är sensibel, latent och kemisk lagring. Guelpa och Verda (2019) ger även förslag på de vanligaste lagringsmetoderna i form av lagring av värme i borrhål, cisterner och akvifer
(grundvattenmagasin). För mer information om hur termisk lagring fungerar i ett fjärrkyla/värmesystem så rekommenderas deras rapport.
1.5.1.2 Fjärrkyla i framtiden
Att förutspå fjärrkylas roll i framtiden är svårt. Flera rapporter påvisar att behovet av kyla kommer att öka. Klimat och sårbarhetsutredningen (2007) resonerar i SOU 2007:60 om hur klimatförändringar kommer att påverka Sverige, däribland nämns hur stigande temperaturer kommer att leda till ett ökat kylbehov. Utredningens prognos är att Sveriges kylbehov kan öka upp till fem gånger mot slutet av seklet. Konsultföretaget Devcco har med hjälp av
Energiföretagen gjort en prognos för expansionen av fjärrkyla i rapporten ”Fjärrkyla i Sverige, nuläget och prognos för expansion till 2030” (2019).
Figur 2. Sammanställd prognos över expansionen för fjärrkyla fram till 2030, Devcco (2019).
Trots att dagens kurva i Figur 2 ser ut att ha planat ut så menar Devcco (2019) att drivkraften för expansion i branschen påminner om de förhållanden som föranledde expansionsfasen under 1990-talet. Då var en av drivkrafterna utfasningen av CFC- köldmedium, vilket även nämns i Werner (2019). En annan faktor var avlastning av elnätet. Devcco (2019) nämner vidare ett antal faktorer som efterliknar den situation som fanns då. När CFC- gaser fasades ut ersattes dessa av HFC-gaser som köldmedium. CFC-köldmedium är ämnen baserade på klor och fluor medan HFC-gaser byggs upp av fluor och väte. Enligt EU:s ”F-gas direktiv 2015” och ett tillägg i Montreal protokollet 2016, så är det nu dags att fasa ut HFC-gaserna på grund av dess inverkan
6
på växthuseffekten. Devcco (2019) visar vidare på förändringar på elnätet. Där fjärrkyla kan avlasta effekttoppar orsakat av förändrade uttagsmönster och laster på elnätet samt förtätningar av städer. Prognosen baseras på en enkät utskickad till Energiföretagens medlemmar. Enkäten bad företagen resonera kring bolagens expansionsplaner för fjärrkyla. Deras svar sammanfördes och ligger till grund för det stapeldiagram som avbildas i Figur 2. Även Sköldberg, Unger och Göransson (2013) försöker sig på en prognos i rapporten
”Potentialen för kraftvärme, fjärrvärme och fjärrkyla”. Prognosen baseras på den grovt uppskattade siffran att leveransen av fjärrkyla kommer att uppgå till 3 TWh år 2030, vilket motsvarar en ökning på 2 TWh jämfört med 2010. Siffran baserar dem på en rapport om svensk energiförsörjning av ÅF från 2011. Sköldberg et.al (2013) har tagit hänsyn till tre huvudtekniker för fjärrkyla-produktion, kompressor-, absorptions- och frikyla. Figur 3 visar Sköldberg et.al (2013) prognos hur den ökade produktionen fördelas mellan de olika kylsystemen fram till 2030.
Figur 3. Ökningen av fjärrkyla, fördelat på produktionsmetod, Sköldberg et.al (2013).
Med dessa rapporter som underlag är det tydligt att kylbehovet i framtiden kommer att öka, även om en exakt prognos inte kan ges. Det är tydligt att det framtida behovet kommer att delvis täckas med hjälp av fjärrkyla, utan att helt ta över marknaden. Huruvida detta beror på symbios mellan centraliserad produktion (fjärrkyla) och fristående (satellit-) anläggningar eller en inbyggd tröghet (lock-in effekt) i olika kylsystemslösningar resoneras kring i
7
1.5.1.3 Möjligheter och hinder för expansion av fjärrkyla
Om dagens expansionstakt av fjärrkyla som ges av Devcco (2019) jämförs med det framtida kylbehovet som framkommer i SOU 2007:60, så är det tydligt att de inte avser att matcha. Fjärrkyla är ett regionalt distributionssystem i konkurrens med lokala metoder för
kylproduktion. Kyla kan produceras med kompressor-, absorptions- och frikyla både för
fjärrkyla och lokala produktionsmetoder. Sköldberg et.al (2013) prognos anser att fjärrkyla såväl som de lokala produktionsmetoderna kommer att fortsätta expandera och vara en del av mixen till minst 2030. Vad är det då som påverkar fjärrkylas expansion och konkurrenskraft? Detta resonerar Jenny Palm och Sara Gustavsson om i sin rapport ”Barriers to and enablers of district cooling expansion in Sweden” (2018).
Palm och Gustavsson (2018) baserar sin rapport och sina påståenden på dels innan kända allmänna barriärer för olika typer av stora tekniska system, dels på intervjuer och en enkät med olika aktörer i branschen. Det är framförallt rapportens slutsats och resultat som är av relevans för detta arbete.
Första steget de tog var att skicka ut enkäter till 931 olika respondenter representerade i olika energibolag och fastighetsägare över större delen av mellersta och norra Sverige. De viktigaste frågorna som enkäten bad respondenterna besvara var:
- Orsak till att använda/inte använda fjärrkyla som kylmetod. - Erfarenhet av att använda fjärrkyla.
- Reflektion kring vad som skulle göra fjärrkyla mer attraktivt.
Där de fick en svarsfrekvens på 20 %, motsvarande 176 svar. Anledningen till den låga svarsfrekvensen tillskrevs att fjärrkyla var ett okänt ämne för många respondenter som därför inte ansåg att enkäten berörde dem. Av de som besvarat enkäten var det enbart 15 som hade fjärrkyla installerat. Det som framkom var att den största anledningen till att installera fjärrkyla var för att täcka ett kylbehov samt vinsten i ett underhållsfritt system. Samtidigt som hälften av respondenterna uppgav att deras kylbehov kunde komma att öka i framtiden. På frågan om varför inte fjärrkyla installerats så svarade de flesta att frånvaron av ett fjärrkylnät var den största anledningen. Respondenterna gav även som anledning lock-in effekt, där de inte ville vara beroende av en källa för sitt kylbehov. Men även bristen på kunskap uppgavs som en anledning att inte investera i fjärrkyla.
I enkäten fick respondenterna även besvara om de ville delta i den efterföljande intervjun. Dessa fastighetsägare och energibolag utgjorde tillsammans med hyresgäster, paraplyorganisationer och kommunal förvaltning den basgrupp som intervjuades. Totalt intervjuades 41 respondenter. I intervjuerna fick respondenterna möjlighet att presentera ett mer utförligt resonemang än vad som varit möjligt i enkäterna. Framförallt betonades aktörernas synpunkter och förhållningssätt
8
till marknaden, teknik och efterfrågan på fjärrkyla. Lärdomarna från enkäten och intervjuerna användes för att sammanställa resultatet.
Palm och Gustavsson (2018) tar upp några punkter som är stora hinder för expansionen av fjärrkyla:
- Att priserna inte är offentliga, ofta är rörliga och skiljer sig mellan olika kunder. - Hög investeringskostnad
- Ett lågt elpris gör att fjärrkyla konkurrerar ekonomiskt med eldriven kompressorkyla. - Att geografi och närheten till fjärrkylanätet är en påverkande faktor. Om det inte finns
ett nät nära till hands blir det ofta dyrt för en kund att ansluta. Medan det för
energiföretagen inte går att expandera utan några kunder. Palm (2018) drar paralleller till expansionen av fjärrvärme som till stor del berodde på samarbete mellan offentliga och privata aktörer, medan expansionen av fjärrkyla domineras av privata aktörer. - Framförallt upplyser de att bristen på information är stor, och den information som finns
att tillgå är teknisk av naturen och lämpar sig till företag och andra aktörer mer än potentiella kunder.
Slutsatsen de drar från sin undersökning är att bristande information är en faktor som har stor påverkan. Undersökningen kom fram till att krav från hyresvärdar var en av de faktorer som påverkade för en investering i fjärrkyla. Palm (2018) skriver vidare att mer information och marknadsföring direkt till kunder (hyresvärdar) därför borde bidra till en expansion av fjärrkyla. Samtidigt som information om kostnader är viktigt för konsumenten, i undersökningen användes priset både för att beskriva en anledning för att inte investera, såväl som en anledning för att investera i fjärrkyla.
1.5.1.4 Fjärrkyla i Gävle, nutid och prognos
Grundläggande information kring hur fjärrkylan är utformad i Gävle går att läsa i
Kommunledningskontorets rapport ”Energiplan för Gävle kommun 2016-2020” (2015). I rapporten skrivs att stadens fjärrkylanät etablerades under åren fram till 2015. Där produktionen i huvudsak baseras på frikyla från Gavleån. När temperaturen i ån är för hög övergår
produktionen till kylmaskiner, där åvattnet istället används för att kyla processerna. Rapporten nämner vidare några fördelar med fjärrkyla för en kund. Där kunden får fördelen att slippa buller från kylaggregat, slipper kemikaliehantering samt en kompaktare kylsystemslösning. Vidare skrivs att centralt producerad fjärrkyla inte bara är fördelaktigt för en kund utan bidrar även positivt till samhället i stort då en central anläggning minskar den totala elanvändningen jämfört med produktion av kyla i flera små satellitanläggningar.
9
Vidare information utgår från en mailkonversation med Mikael Sandanger2 som arbetar som
produktansvarig för fjärrkyla och fjärrvärme på Gävle Energi AB.
Sandanger skriver att Gävle Energi producerar fjärrkyla med hjälp av ån på tre olika sätt
beroende på vattentemperatur. Temperaturen på bottenvattnet i Gavleån varierar mellan 3 och 25 ⁰C. När det är tillräckligt kallt i ån används åvattnet som en källa på kyla. Han berättar att det vintertid räcker med att cirkulera fjärrkylan i distributionsnätet för att hålla önskad temperatur i nätet. Medan det svalare åvattnet aktivt pumpas genom en värmeväxlare för att transportera värme från kölbärarvattnet (fjärrkyla) i distributionsnätet till Gavleån under vår och höst. Sommartid är åvattnet för varmt för att kyla nätet, då används istället två
kompressorkylmaskiner för att producera kylan. Åvattnet används då för att kyla processen. Sandanger nämner vidare att Gävle Energi har miljötillstånd för att värma ån med 10 MW, vilket i princip är den effekt som dimensionerar åns potential som frikyla i Gävle. Han nämner vidare att Gävle Energi har långt kvar innan den kvoten är fylld. Så potentialen för expansion av fjärrkyla är fortsatt god. Att Gävle har potential för en framtida expansion av fjärrkyla håller Devcco (2019) med om, och beskriver det med orden ”betydande expansionmöjlighet”.
Sandanger nämner att flera alternativa källor till frikyla har undersökts och att frikyla från havet varit ett förslag. Mätningar utfördes därefter på botten i havet utanför Ängeltofta (ca: 6 km från Gävle centrum) på cirka 14 meters djup och att temperaturen då var konstant 20 ⁰C. Vilket inte gjort det lämpligt som källa för frikyla. Sandanger svarar att tekniken kombinerat med de stora avstånden till kylbehoven som finns centralt i Gävle gör att fjärrkyla producerat med
absorptionsmaskiner på Johannes kraftvärmeverk ännu inte är lönsamt. Han utvecklar
resonemanget och nämner att prövningen av absorptionskylas lämplighet är en konstant process. Distributionsnätet för fjärrkyla håller 6 respektive 16 ⁰C, motsvarande fram- och
returledningstemperaturen, vilket även nämns i kommunledningskontoret (2015). Vidare nämns att vattenmiljön genom pumpning från ån har orsakat problem för driften, där vattnet varit korrosivt på utrustning och instrument för fjärrkylanläggningen. I ett uppföljande e-mail nämner Sandanger att fjärrkyla i princip har en obegränsad livslängd för en kund, då det är Gävle Energi som äger och underhåller värmeväxlaren i fastigheterna.
10
1.5.1.5 Prisförslag för fjärrkyla
Då priset på Gävle Energis fjärrkyla varierar mellan sommar och vintertid så varierar
driftkostnaden över året. Energiförbrukningen är därför uppdelat i sommartid (3 månader) och vintertid (9 månader). Beräkningarna har utgått från de drifttider och effekter som återfinns för studieobjektet och presenterades i Tabell 1 och 2. Förbrukningen under sommarpris beräknats genom att använda ¾-delar av drifttiden för kylbehoven under hela kylsäsongen. Detta eftersom kylbehovet är dimensionerat efter en kylsäsong på 4 månader, medan sommarpris gäller för 3 månader. Förbrukningen över resterande del av året attribueras vinterpriser. Sommartid har anläggningen ett kylbehov på 145 800 kWh medan den under resterande år har behovet 165 400 kWh enligt Tabell 3:
Tabell 3. Drifttiden och energianvändning av fjärrkyla fördelat över sommar och vintertid.
Effekt [kW] Drifttid sommar [h/år] Drifttid Vinter [h/år] Energiförbrukning sommar [kWh/år] Energiförbrukning vinter [kWh/år] Kylbaffel Kontor 30 600 200 18 000 6 000 Luftbeh. Kontor 50 600 200 30 000 10 000 Luftbeh. Bageri 25 1 080 360 27 000 9 000 Luftbeh. Restaurang 25 1 080 360 27 000 9 000 Kylbänk 20 2 190 6 570 43 800 131 400 Kylbehov 145 800 165 400 Totalt: 311 200 Kostnad 32 367,6 28 945 Totalt: 61 312,6
Kostnaden för fjärrkyla består dels i investeringskostnaden 100 000 kr för att få fastigheten ansluten samt en årlig fast avgift på 75 000 kr. Kostnaden för energin (kyla) utgår från
fastighetens kylbehov samt vilket säsongspris som appliceras. Den rörliga kostnaden utgår från sommarpriset på 0,222 kr/kWh och vinterpriset 0,175 kr/kWh/år. Detta resulterar i en årlig kostnad på 61 300 kronor för energi enligt Tabell 3.
Anslutningskostnad, fast och rörlig kostnad utgår från data givet över e-mail av Peter Hansson i november 2018. Även dimensionering av effekt och kylbehovet på 4 månader är beräknat av honom.
11
1.5.2 Kompressorkyla
1.5.2.1 Introduktion till kompressorkyla
Henrik Alvarez beskriver i kurslitteraturen ”Energiteknik del 2” (2006) grundläggande funktionen för en kompressorkylmaskin. Beskrivningen utgår från Figur 4.
Figur 4. Förenklad skiss över komponenterna som bygger upp en kylmaskin, Alvarez (2006).
Systemet består av ett antal viktiga komponenter som förångare, kompressor, kondensor och strypventil. För en kylmaskin är förångaren på den kalla sidan (kylrum) och kondensorn på den varma (värme bortleds). I förångaren kokar köldmediet när den upptar värme från omgivningen (kyleffekt), ångan sugs in och komprimeras till ett högre tryck i kompressorn. Kompressorn balanserar massflödet mellan förångaren och kondensorn, samtidigt som den arbetar för att höja trycket i kondensorn. Detta för att möjliggöra att kondensering sker vid en högre temperatur än den temperatur som krävs för förångning. Mediet kondenserar i kondensorn och återgår till det lägre trycket i förångaren via en strypventil. Alvarez (2006) nämner vidare att kompressorer kan ha olika utformning, där de vanligaste utgörs av kolv-, skruv-, lamell-, och turbokompressorer. Den huvudsakliga skillnaden är vilken metod dessa använder för att komprimera gaser.
Kylmaskiners funktionalitet värdesätts enligt dess köldfaktor, eller COP- faktor (Coefficient of performance) som definieras enligt Alvarez (2006) som:
εk =
𝑄𝑡𝑖𝑙𝑙𝑓
𝑄𝑏𝑜𝑟𝑡𝑓−𝑄𝑡𝑖𝑙𝑙𝑓 (1)
Arbetet utförs i kompressorn och förbrukar elektrisk energi. Vanligen ligger en kompressorkylmaskin på ett COP-värde mellan 2 och 6.
12
1.5.2.2 Prisförslag för kompressorkyla
Prisuppgifter samt driftlägen har insamlats genom kontakt med Swegons säljare Mikael
Baggesen3. Kompressorkylaggregat som denna rapport kommer att använda som jämförelse är av
modell Tetris 2A+FC LN Basic, och kostar 535 000 kr i investeringskostnad. I priserna ingår 2-års garanti och ett uppskattat entreprenörspåslag på 20 % för återförsäljning. Det valda
aggregatet har tre stycken kompressorer med On/Off reglering samt ett driftläge för att producera upp till 40 kW frikyla när temperaturen är under 6 ⁰C. I full kompressordrift drar anläggningen 34,6 kW, varav 29,2 kW för kompressorerna. Dvs 29,2/3 = 9,73 kW per kompressor plus 5,4 kW för stödsystem. Varje kompressor har kapacitet att leverera 50 kW kylning. Kylbehovet på 70 kW motsvaras därför av två kompressorer i drift.
Figur 5. Kompressorkylaggregat Tetris 2A + FC LN Basic, Bilaga B – Produktdatablad Swegon, Tetris 2A + FC.
Beräkningen av energianvändningen sett över ett år använder sig av temperaturdata från Gävle 2019 hämtat från SMHI (2020), samt information om aggregatets driftlägen och
energiförbrukning givet ur datablad presenterat i Bilaga B - Produktdatablad Swegon, Tetris 2A+FC. Beräkningarna presenteras i Bilaga A – Drifttid för kompressorkyla.
Energiförbrukningen motsvarar 65 476 kWh sommartid (kylsäsong) samt 43 607 kWh vintertid (resterande år). Energikalkylen utgår från konceptet att ett normalår innehåller kylsäsongen på 4 månader, 120 dagar (dvs 30*4 = 120). Elpriset har antagits till 1kr/ kWh och driftkostnaden för ett år blir således 109 083 kr. Driftkostnaden är en liten felkälla då elpriset varierar över tid och kylbehovet är ojämnt fördelat över året. Till denna kostnad ingår en årlig service på 3000–5000 kr. Livslängden för ett kompressoraggregat antas ligga mellan 15-20 år. Även om det nämns att komponenter kan bytas ut vart eftersom de går sönder.
Installationskostnaden uppskattas genom förenklingen att kostnaden består av tre steg, materialkostnad för rör, lyftkostnad samt installation av rör och aggregat. Kostnaden för att bygga en plattform på taket tas inte i beaktande i denna rapport. AB Wallén mobilkranar4 är en
lokal aktör och i telefonkontakt uppgavs kostnaden bli 4350kr och prissättningen utgick från timpriset 1450kr/h och tre timmar arbete för lyft av aggregat. Materialkostnaden för rör uppges för 2” – kopparrör till 274kr/m av Rinkaby rör. Priset ges ut i egenskap av privatperson, och i 3 Mikael Baggesen, Säljare på Swegon, e-mail samt telefonintervju mellan 8 Maj och 12 Maj 2020
13
priset ingår inte böjar, avluftningar, kopplingar mm. Då detta aggregat inte installeras i en undercentral eller dylikt så väljs knytpunkten för fastighetens kylsystem till bottenplan. Detta antas motsvara ungefär 50m rör, plus lite extra, uppskattningsvis 65m. Priset blir då inklusive frakt och moms 18 310kr. Kostnaden för installering av aggregat och rördragning är inte känt, utan beror på exakt ledningsdragning och antal genomgångar genom tak mm. Ingen källa hittades som ville besvara detta. Uppskattningsvis motsvarar rördragningen och inkoppling stå för halva totalkostnaden. Under dessa förhållanden uppgår den totala installationskostnaden till: (18 310 + 4350) * 2 = 22 660 * 2 = 45 320 kr
1.5.2.3 Priser i framtiden
Kompressorkylaggregat har två stora kostnader, investerings- och driftskostnad. Lönsamheten beror därför nästan uteslutande på elpriset. Det är därför viktig att ta hänsyn till historik och utveckling över tid när en prognos om framtiden görs. Elskling AB (u.å) sammanför
historiskdata givet av Statistiska centralbyrån (SCB) och visar elpriset för lägenhetskunder, i Elområde 3. Studieobjektet ligger i Gävle och hör till Elområde 3. Figur 6 påvisar ett stabilt elpris över tid, trots att stora variationer mellan åren finns. Priserna är exklusive moms (+25%).
Figur 6. Elpris för lägenhetskunder, Elskling AB (u.å).
Då läckage kan förekomma så kan kylaggregatet behöva fyllas med köldmedium över tid. Studieobjektets aggregat Tetris 2A+FC använder sig av köldmedium R410A. R410A är ett syntetiskt köldmedium bestående av Diflourmetan och Pentaflouretan vilket framgår ur dess produktdatablad presenterat i Bilaga C – Produktdatablad R410A, Honeywell. R410A är ett av de köldmedium som innefattas av EU:s F-gas direktiv. Försäljningen av dessa kommer därför stegvis att begränsas, vilket har lett till en dramatisk prisökning. Denna prisökning benämns bland annat av Devcco (2019), som skriver att priset på R134A ökade trefaldigt under 2017. En
14
dramatisk prisökning beskrivs även av Svenska kyl- och värmepumpsföreningen (2017) på sin hemsida, där de ger exempel på prisökningen för ett antal vanliga köldmedium.
De skriver att prisökningen från 1 april 2017 till 20 juni samma år för R404A och R507A uppgick till 225%. Motsvarande för R410A och R134A är en 100% ökning av pris. Svensk kyl- och värmepumpföreningen skriver fortsatt på sin hemsida att alla kylanläggningar som drivs av ett köldmedium som ligger över 2500 GWP borde göra beredskapsplaner för att säkra
produktionen, då tillgången i framtiden kan bli begränsad och dyr.
Enligt Yourex (2020) så kostar 10kg av köldmedium R410A 7988 kr, till priset tillkommer pant för cylindern (behållare) på 350 kr.
Alltomfgas (u.å) berättar på sin hemsida mer om GWP. De förklarar att GWP eller ”Global
Warming Potential” ger en siffra på hur stor växthuseffekt ett köldmedium har i förhållande till
koldioxid. Där ett högt GWP värde har större påverkan på växthuseffekten än ett köldmedium med lågt GWP värde. De skriver vidare att en del i F-gas direktivet förhindrar installationer av anläggningar med vissa volymer och typer av köldmedium, samt utökar läckagekontrollen m m, för att minska kylmaskiners inverkan på klimatet. Mer information går att läsa på deras hemsida, både om olika köldmedium och F-gas direktivet.
Alltomfgas (u.å) presenterar även en interaktiv tabell över de vanligaste köldmedium, dess påverkan som CO2ekv och dess GWP. Från tabellen framgår att R410A har ett GWP på 2088. I
15
1.5.3 Absorptionskyla
1.5.3.1 Introduktion till absorptionskyla
Alvarez (2006) beskriver även principen bakom absorptionskylmaskinen. Beskrivningen utgår från Figur 7. Principen bakom absorptionskylmaskinen beskrivs vara mycket lik den för en värmepump (kompressorkylmaskin). Där komponenterna i det streckade området ersätts av en kompressor.
Figur 7. En skiss över flöden och de olika komponenterna i en absorptionskylmaskin, Alvarez (2006).
Processen påbörjas i förångaren där värme upptas från omgivningen. Dvs. där kyleffekten erhålls. Den upptagna värmen förångar ett köldmedium, vanligen ammoniak. Gasen löser sig i absorptionsvätskan och skapar ett undertryck i absorbatorn vilket suger det förångade
köldmediet från förångaren. När köldmediet kondenserar frigörs värme, absorbatorn kyls därför aktivt då absorptionsprocessen gynnas av en lägre temperatur. Lösningen pumpas därefter till en generator/kokare för att regenerera absorptionsvätskan och återbörda köldmediet.
Förångningen av köldmediet i kokaren gynnas av högre temperaturer, det är därför viktigt med en värmekälla med hög temperatur. Cykeln sluts med att köldmediet förångas i kondensorn och återgår till det lägre trycket i förångaren. Alvarez beskriver funktionen av en värmeväxlare mellan de olika pumpade flödena i absorbatorn och kokaren som mycket viktig för anläggningens verkningsgrad. Dess funktion är att minska behovet av värmetillförsel i kokaren.
Alvarez skriver vidare att den vanligaste kombinationen av medium är ammoniak / vatten, där ammoniak är köldmedium och vatten absorptionsvätskan. Där ammoniaks giftighet är en nackdel kan istället kombinationen vatten / litiumbromid användas, där vatten används som köldmedium och litiumbromid som absorptionsvätskan. När ammoniak används hamnar köldfaktorn (COP- faktor) mellan 0,4 och 0,7. Energiåtgången för pumpningen är mycket liten och den stora majoriteten av energiåtgången kan attribueras till kokaren.
16
Nikbakhti et.al ”Absorption cooling systems – Review of various techniques for energy performance enhancement” (2020) tar upp och ger exempel på flera olika fördelar med att använda absorptionskylmaskiner:
- Absorptions-kylmaskiner är hållbara och har en förväntad livslängd mellan 20 och 30 år. - De arbetar tyst då de inte har många rörliga komponenter, vilket även gör underhållet
enkelt.
- Absorptions-kylmaskiner kan arbeta med lågvärdiga värmekällor och kan därför återvinna värme från ett brett spektrum av källor.
- Systemet kan använda sig av olika medier, däribland vatten. Vilket inte orsakar några utsläpp av växthusgaser som påverkar klimat eller ozonlager.
- De producerar inte stora värmeförluster vid on/off reglering, till skillnad från konventionella kompressor-kylmaskiner.
Nikbakhti et.al (2020) nämner slutligen fyra områden som kommer att utvecklas i framtiden för att förbättra prestandan hos absorptionskylmaskiner.
- Förbättra parning av fluider (köldmedium/absorptionsvätskan) - Introducera avancerad värmeåterföring
- Designa nya varianter av absorptionskylmaskiner samt förbättrade absorbatorer och förångare.
- Utöka det termiska område som går att använda, till att inkludera fler lågkvalitativa värmekällor som sol och geotermiska.
I en telefonintervju med Lars Åhlén från Yazaki-nordic5 framgick det att absorptionskylmaskiner
står i konkurrens med de värmepumpar som klarar både kyl- och värmeproduktion. Dessa värmepumpar omnämns bara klara av att leverera värme ner till ungefär +5 ⁰C
utomhustemperatur. Detta skapar ett problem för fjärrvärmebolagen som då enbart får leverera fjärrvärme under topp-last, vintertid. Vilket leder till större förluster jämfört med sommartid. Det har då framkommit att det istället är mer lönsamt att sälja absorptionskylmaskiner och samtidigt höja framledningstemperaturen i nätet och på så sätt behålla kunder och vara konkurrenskraftiga över hela året. Någonting som gjorts bland annat i Hedemora, där fjärrvärmetemperaturen höjdes till 90 ⁰C även under sommaren. Intervjun tar upp många aspekter som andra rapporter i arbetet behandlar. Det nämns att absorptionskylmaskiner har en lång livslängd, få rörliga delar samt den ogiftiga parningen Vatten / Litium Bromid, fördelar som även Nikbakhti et.al (2020) tar upp. Även en köldfaktor på 0,7 nämns vilket beskrivs i Alvarez (2006). Slutligen nämns även krav på köldmedium och energiförbrukning kontra
energiproduktion för kompressorkylmaskiner, viktiga delar i Devcco (2019)
17
1.5.3.2 Absorptionskyla och värmekällor
Som Nikbakhti et.al (2020) skriver så kan absorptionskyla använda lågvärdiga värmekällor för att driva processen. I rapporten ”Evaluation of a solar-powered absorption cooling system to a data center” av Adenilson Belizário & José Roberto Simies-Moreura (2020) beskrivs hur solfångare kan användas som värmekälla för att driva en absorptionsprocess. Elsa Fahlén, Louise Trygg & Erik O.Ahlgren beskriver hur absorptionskylmaskiner kan användas i kombination med kraftvärme i rapporten ”Assesment of absorption cooling as a district heating system strategy” (2012). Medan Louise Trygg och Shahnaz Amiri förklarar att absorptionskylmaskiner även kan drivas med spillvärme från industrin i rapporten ” European perspective on absorption cooling in a combined heat and power system – A case study of energy utility and industries in Sweden” (2007).
Wei Wu et.al (2020) undersöker i sin rapport ”Comparative analysis of conventional and low-GWP refrigerants with ionic liquid used for compression-assisted absorption cooling cycles”, möjligheten att använda köldmedium med låga GWP-värden i en kompressor assisterad absorptionsprocess. Detta för att kunna möjliggöra nyttjandet av lågvärdiga värmekällor från förnyelsebar energi eller spillvärmflöden. Deras metod gick ut på att jämföra två olika absorptionscykler. Antingen installerades en kompressor efter generatorn för att på så sätt underlätta regenerationen av köldmediet. Eller så installerades en kompressor för att höja trycket i absorbatorn och därigenom binda mer av köldmediet och göra lösningen svagare. I förhållande till en vanlig ångcykel så använder sig kompressor-assisterad absorptionscykeln framförallt av lågvärdig värme för att driva processen. En liten andel el används i förhållande till en renodlad kompressorkylmaskin. Rapporten undersöker inverkan av olika
generatortemperaturer, drifttryck och köldmedie-parningar.
De lyckades med denna process sänka generatortemperaturen till 45 ⁰C, där de även lyckades höja COP-faktorn för processen. Det är Wu et.al (2020) slutsats att kompressor-assisterade absorptionscykler har praktisk tillämpning i de fall där COP-faktorn inte är av högsta prioritet. Mycket omfattande rapport som presenterat mycket av sina resultat, i förhoppning att vara till nytta som teoretisk referens och inspiration.
I denna rapport är det fjärrvärmenätet som antas vara värmekälla till absorptionsaggregatet. På e-mail skriver Niclas Wiklund6 att Gävle Energis fjärrvärmenät håller kring 70 ⁰C ut från
produktionen medan temperaturen längst ut på nätet är 65 ⁰C en varm sommardag. Han skriver vidare att en stor del av värmen sommartid består av spillvärme och att möjligheten att höja temperaturen till 76–77 ⁰C finns, efter det behövs ytterligare produktionsanläggningar kopplas in.
18
1.5.3.3 Absorptionskyla för studieobjektet
Genom telefonintervjun med Lars Åhlén på Yazaki- Nordic framgår det väldigt tydligt att absorptionskyla inte är en praktiskt möjlig metod för studieobjektet på Alderholmen, då temperaturen på fjärrvärmen är mycket låg sommartid. Som nämns ovan så har Gävle Energi den teoretiska möjligheten att höja temperaturen i fjärrvärmenätet till 76–77 ⁰C. I detta spekulativa fall har framledningstemperaturen till fastigheten höjs till 70–75 ⁰C. Det behövs även med denna temperatur ett mycket överdimensionerat aggregat för att producera tillräckligt med kyla för att täcka fastighetens behov. I samråd med Åhlén kom det fram till att ett aggregat som är dimensionerat efter en kyleffekt på 360 kW vid 90 ⁰C framledningstemperatur behöver installeras, då den låga temperaturen på fjärrvärmenätet gör verkningsgraden mycket låg. De kylmaskiner som Yazaki-Nordic erbjuder har ett verkningsområde mellan 70–95 ⁰C och optimal drift runt 90 ⁰C, där temperaturer har en kraftig påverkan på kylmaskinens verkningsgrad. Modellen som tas i beaktning (Yazaki- Nordic WFC-M100) är drygt 2,2m hög, 1,5m bred och 3,7m lång i kombination med en vikt på 4,87 ton gör det svårt att installera aggregatet i byggnadens undercentral utan att göra stora ingrepp i fastigheten. Detta kylaggregat hade även behövt en kylmedelskylare för att kyla dess absorptions- och kondenseringssteg, vilket omnämns i Alvarez (2006). Exakt hur stort kylbehovet skulle vara är inte känt, men behov kan täckas av en källa med relativt hög temperatur på 25–30 ⁰C, och antas täckas in av en kyleffekt på 250kW. Mikael Baggesen på Swegon meddeler att det inte finns några rena frikylanläggningar som klarar av att leverera 250 kW sommartid, med de temperaturkraven. Detta skapar en potential i att använda frikyla från Gavleån. Vid ett sådant system skulle investeringar i cirkulationspump, värmeväxlare, filter samt rörgrävning behövas. Det skulle även behövas miljötillstånd för att bygga pumpning i kaj och Gavleån.
Listan på varför Absorptionskyla inte är lämpligt för fastigheten kan göras lång: - Oanvändbar temperatur i fjärrvärmenätet (65 - 70 ⁰C).
- Stora ingrepp i fastigheten.
- Underhåll av pump-system med frikyla från Gavleån har visat sig vara betydande enligt Gävle Energi.
- Miljötillstånd för att bygga och använda frikyla från Gavleån.
19
1.5.3.4 Prisförslag för absorptionskyla
Detta prisförslag är enbart relevant om framledningstemperaturen till fastigheten höjs till 70–75 ⁰C. Prisförslaget utgår helt från telefonintervjun med Lars Åhlén, där det framgick att priset för modellen WFC-M100 skulle kosta 1,1 miljon kronor, detta utan kylare till maskinens
komponenter. Då driften av aggregatets cirkulationspump kräver ett par hundra watt i drift står den för en försumbar kostnad, som tillsammans med en årlig service beräknas uppgå till omkring 3000 kr/år. Aggregatet har en livslängd på 25–30 år.
Till detta inkluderas därför en kylmedelskylare med en effekt på ca: 250 kW. Detta innebär en ytterligare kostnad genom att installera ett pumpsystem i ån, med tillhörande filter, VVX, ledning och cirkulationspump. En stor okänd utgift hade varit att bygga ledningen genom kaj och bilväg. Gävle Energi har för sin pumpning av åvatten använt gamla avloppsrör. Det är okänt om samma metod fungerat för studieobjektet. Då denna kyllösning hade inneburit ett unikt fall för studieobjektet så går priset inte att uppskatta utan vidare projekteringsarbete.
Detta innebär att de kostnader som kommer att tas i beaktande är investeringskostnaden på 1,1M kronor samt energipriset för fjärrvärme. Det verkliga priset hade därför varit betydligt högre i investeringskostnaden, men även för driftkostnaden.
Fjärrvärme finns redan installerat i fastigheten för varmvatten och har därför ingen ytterligare investeringskostnad. Förbrukningen av fjärrvärme utgår från kyleffekten multiplicerat med 1,3 (COP- faktor = 0,7). Fjärrvärmeeffekten beräknas till 195 kW, vilket härstammar från
kyleffekten på 150 kW. Då kylbehovet till fastigheten på ett år uppgår till 311 200 kWh så antas fjärrvärmeförbrukningen därmed 311 200 kWh * 1,3 = 404 560 kWh. Ungefär 400 MWh/år.
Tabell 4. Drifttiden och energiförbrukning av fjärrvärme fördelat över sommar och vintertid.
Effekt [kW] Drifttid sommar [h/år] Drifttid Vinter [h/år] Energiförbrukning sommarpris [kWh/år] Energiförbrukning vinterpris [kWh/år] Kylbaffel Kontor 30 600 200 18000 6000 Luftbeh. Kontor 50 600 200 30000 10000 Luftbeh. Bageri 25 1080 360 27000 9000 Luftbeh. Restaurang 25 1080 360 27000 9000 Kylbänk 20 2190 6570 43800 131400 Kylbehov 145800 165400 Totalt: 311200 Energiförbrukning Fjärrvärme x1,3 189540 215020 Totalt: 404560 Kostnad 18556 74053 Totalt: 92609
20
Fjärrvärmepriserna varierar mellan sommar och vintertid på samma sätt som för fjärrkyla. För att beräkna kostnaden av energi samt energiförbrukningen så används samma indata som presenteras i Tabell 3. Priset för fjärrvärme ges även dem av Mikael Sandanger7 till 0,1529
kr/kWh sommartid (3 månader) samt 0,399 kr/kWh resterande tid på året. Sandanger skriver vidare i e-mail att priset reduceras beroende på vilken energiförbrukning som efterfrågas. Kostnaden reduceras med 35 kr/MWh om årsförbrukningen går över 100 MWh och 55 kr/MWh om förbrukningen går över 250 MWh. Då studieobjektet i fråga har ett årligt
fjärrvärmebehov på drygt 400 MWh så används avdraget om 55 kr/MWh. Kostnaderna blir då 97,9 kr/MWh sommartid och 344,4 kr/MWh vintertid. Sommartid förbrukar anläggningen för studien 189 540 kWh fjärrvärme, medan den under resterande år förbrukar 215 020 kWh värme enligt Tabell 4. Kostnaden för energi blir då 92 600 kr/år.
Det är viktigt att anmärka att sommartid här refererar till den kostanden på fjärrvärme som Gävle Energi fakturerar under 3 månader, och inte de 4 månader som fastigheten beräknar ha kylsäsong. Sandanger skriver att fjärrvärmen inte har en fast avgift på samma sätt som fjärrkylan har, utan fjärrvärme har istället en kapacitetskostnad på 34,34 kr/kWh om uttag görs vid en utomhustemperatur under -10 ⁰C. Avgiften bestäms utifrån det uttagsvärdet under topp-last säsongen föregående år. Det är en engångssumma. Studieobjektet har minimumlasten 20 kW under november till mars. Kapacitetsavgiften blir då 24 h*20 kW*34,34 kr/kWh = 16 482 kr/år. Den totala avgiften per år för energi blir då 109,1 kkr.
1.5.4 Frikyla och kombinerade kylmetoder
Att använda omgivande natur som en källa på gratis kyla är smart ur ett energieffektivt perspektiv. Men även ekonomiskt. Frikyla står inte själv för någon energikostnad mer än den kostnad som driften av styrsystem står inför. Frikyla används på olika sätt för alla ovanstående kylproduktionsmetoder. Gävle Energi använder frikyla från Gavleån vintertid för att producera fjärrkyla, samt som processkylning sommartid. Absorptionskyla behöver använda ån för att kyla processtegen kondensation och absorption. Kompressorkyla använder frikyla från luften genom forcerad konvektion när temperaturen är under 6 ⁰C.
Informationen om vattentemperaturen i Gavleån som ges av Mikael Sandanger gör det tydligt att frikyla från ån inte är möjligt att använda som enda källa. Detta då vattnet håller en för hög temperatur under sommaren, när kylbehovet är som störst. Kylbafflar för fastighetens ventilationskyla är dimensionerat efter temperaturintervallet 6/16 ⁰C. Även om det högre värdet om 16 ⁰C skulle användas med mycket högre flöden så är det långt från de temperatur som ån kan erbjuda. Då temperaturen varierar mellan 3 och 25 ⁰C så utgör ån ändå en möjlig
21
källa för frikyla vintertid. Vidare arbeta hade behövts för att mäta temperaturen i ån över en längre period för att bedöma dess lämplighet.
För att värdesätta rollen som frikyla har för de olika systemen så används kylproduktion med kompressoraggregatet Tetris 2A FC som exempel. I Bilaga B – Produktdatablad Swecon, Tetris 2A FC, går det att läsa att kompressoraggregatet drar 29,2 kW i full drift, med tre
kompressorer. Vintertid behövs enbart drift med en kompressor för att täcka in kylbehovet på 20 kW. Dvs 29,2/3 = 9,73 kW eleffekt för att producera kylan. Till detta tillkommer 5,4 kW för fläktar och styrsystem för totala 15,13 kW el. Med klimatdata från SMHI (2020), Excel och kommandot Antal.Om så framkommer det att 2019 var utomhustemperaturen lägre än 6-grader under 4710 h. Under denna tid kan alltså kylan produceras med enbart frikyla. För detta
används enbart fläktar och styrsystemen, dvs 5,4 kW. För totala energikonsumtionen på 4710*5,4 = 25 434 kWh el, till kostnaden 25 434 kr. Om kylan istället produceras med en kompressor så uppgår energikonsumtionen till 4710*15,13 = 71 278 kWh el, till kostnaden 71 278 kr. Om kylan produceras med frikyla så besparas således energi och ekonomi, till en total besparing på 45 488 kr/år.
1.5.5 Kylsystem och miljö
Louise Trygg och Shahnaz Amiri beskriver fortsatt i sin rapport (2007) vad en ökad inblandning av kyla producerad med absorptionsaggregat skulle få för påverkan i ett svenskt kylsystem, de beskriver både systemkostnad och CO2 - utsläpp. Rapporten börjar med att introducera
marginal-el. I dagsläget består den av kolkraft men det kan i framtiden komma att ändras till produktion med hjälp av naturgas.
Marginal-el är den elproduktion som ligger på marginalen i ett system. Det vill säga den elen som är dyrast att producera. Andelen marginal-el som används beror på tillgång och efterfrågan i ett visst område och hänger mycket ihop med import och export i Europa. Vid hög efterfrågan på elektricitet i Sverige behövs extra anläggningar dras igång, dessa är dyrare i drift, alternativt att öka importen av elektricitet från Europa.
Trygg och Amiri (2007) beskriver även lägesbilden för avregleringen av elmarknaden för Europa. Sveriges elpriser beskrivs som mycket lägre än de priser som råder på den europeiska marknaden. Det är på denna basis som Sveriges elproduktion och således el-export påverkar produktionen med hjälp av kolkraft utomlands.
De nämner även att läckage av köldmedium är ett problem för kompressorkyla. Då detta har en negativ påverkan på ozonlagret samt bidrar till den globala uppvärmningen. Någonting som även Nikbakhti et.al (2020) och Devcco (2019) tar upp i sina rapporter.
22
Rapporten utforskar möjligheten att använda absorptionskylmaskiner i kombination med fjärrvärmenät genom simulering med programmet MODEST. Både för att producera lokal och regional kyla. Deras fallstudien utgår från Norrköping, en stad med mycket industrier som producerar värme med hjälp av olja, biobränslen och avfall m.fl. Staden producerar fjärrkyla, fjärrvärme, ånga och el. Trygg och Amiri (2007) rapport jämför olika scenarion: existerande produktion, introducerande av absorptionskyla, absorptionskyla och europeiska elpriser och slutligen absorptionskyla- europeiska energipriser och naturgasproduktion. MODEST tar fram den produktionsmetod som leder till den lägsta systemkostnaden för produktion av kyla i dessa scenarion. Kylan produceras både för industrin och fjärrkylnätet, med hjälp av absorptions- eller kompressorkyla med varierande inblandning. Det är deras resultat som är intressant för vår rapport.
Konceptet utgår från tanken att absorptionskyla som använder fjärr- eller spillvärme i längden skapar ett värmebehov, som parat med kraftvärme skapar en elproduktion. Detta kan jämföras med kompressorkyla som enbart står för ett elbehov. Trygg och Amiri (2007) resultat utgick från ett systemperspektiv och beräknade den inblandning av absorptionskyla (%) som var lönsam. Det framgick att absorptionskyla nästan alltid var mer lönsam att installera vid ersättning av kompressorkyla för produktion av fjärrkyla. Detta var fallet även för att kyla industrierna, framförallt i scenario 2 och 3. För de fyra scenarion jämförs även minskningen av CO2-utsläpp lokalt och globalt. Det framgick att vinsterna görs genom försäljningen av el, samt
utsläppsminskningar grundat på den europeiska el-handeln. Där svensk kraftvärmeproduktion ersatte marginal-el. De nämner även att en lägre COP-faktor för absorptionskyla inte innebar någonting negativt utan snarare bidrog till att öka systemets vinster med elförsäljning och större reduktioner i CO2-utsläpp. Bland annat nämner de att kostnaden för att producera kyla med
absorptionsmaskiner i scenario 4 var -95 SEK/MWh, en minskning med 170 % och beror på elförsäljningen. Samt reduktioner i CO2-utsläpp enligt Tabell 5. Vid fördjupat intresse så
rekommenderas deras rapport.
23
Elsa Fahlén, Louise Trygg och Erik O.Ahlgren (2012) har använt sig av en liknande metod när de gjorde en fallstudie i Göteborg. Deras rapport ”Assessment of absorption cooling as a district
heating system strategy – a case study”, behandlar samma resonemang som i Trygg och Amiri (2007)
och beräknar ett negativt CO2-avtryck genom att installera absorptionskyla. Baserat på en
reducerad elproduktion från kol och naturgas. De nämner även i likhet med Trygg och Amiri (2007) att absorptionskyla lämpar sig för att minska säsongsvariationen i fjärrvärmebehovet, genom att införa ett värmebehov sommartid. Rapporten utgår från förändring i
kylproduktionen. Där andelen absorptionskyla varieras, 0, 20, 40 och 60 %. Där resterande del utgörs av kompressorkyla. Fahlén et.al (2012) rapport visar att den höga andelen spillvärme i fjärrvärmenätet gör värmen billig. Vilket bidrar till absorptionskylas lönsamhet och därigenom bidrar till ett lägre CO2-avtryck globalt.
Fahlén et.al (2012) slutsats var att absorptionskyla var ett kostnadseffektivt sätt att reducera CO2-utsläpp. De gjorde även en känslighetsanalys och visade att kompressorkylans COP- faktor
i hög grad påverkade lönsamheten för absorptionskylan. Fahlén et.al (2012) och Trygg och Amiri (2007) styrker annars varandra och visar på absorptionskylas möjlighet att bidra för att minskat kylproduktionens globala CO2-avtryck. Men de påvisar även att systemets lönsamhet är
känslighet. Vilket stämmer överens med några punkter som även Nikbakhti et.al (2020) tar upp. Det är viktigt att förklara Fahlen et.al (2012) och Trygg och Amiri (2007) koncept inte innebär en reducering av CO2. Utan de pekar på reduktionen av den årliga mängd CO2 som släpps ut på
grund av kylproduktion i Europa. Vilket visas bäst i Tabell 5.
Det framgår även tydligt att Sverige står inför en utmaning när det gäller distribution av el. Henrik Bergström (2019), chef på elnätsägarna Ellevio förklarar begreppen effektbrist och kapacitetsbrist på företagets hemsida. Han skriver att effektbrist är när utbudet på el inte motsvarar efterfrågan, och det skapas ett underskott på nätet. Vidare skriver han att detta är ovanligt men kan förekomma, framförallt lokalt. Risken finns i första hand i växande städer där begränsningen sätts av kapacitetsbrist, där tillräckligt med el inte kan levereras för att tillgodose behovet. Mälardalen och städer som Uppsala och Stockholm ges som exempel. I likhet med Devcco (2019) nämner Bergström (2019) att växande storstäder, nya uttag på elnätet och elintensiva företag som bakomliggande faktorer till kapacitetsbristen. De nämner slutligen att öka kapaciteten och bygga ut stamnätet tar lång tid, upp mot 10 år. Svenska kraftnät (2019) håller med Devcco (2019) och Bergström (2019) i deras beskrivning om kapacitetsbristen i Sveriges kraftnät, och de nya uttagsmönster som bakomliggande faktorer.
24 2 Metod
Examensarbetet baseras framförallt på en litteraturstudie för att undersöka kylmetodernas relevans och lämplighet för studieobjektet. Sökmotorer och databaser för vetenskapliga texter så som Discovery och ScienceDirect användes för att finna relevant litteratur. Litteraturstudien användes även för att undersöka de olika metodernas miljöpåverkan och dess roll i framtiden. Fraser som cooling systems, decentralized cooling och district cooling användes för att finna lämplig information.
För att finna de kostnaderna som associeras med de olika kylsystemslösningarna så togs kontakt med relevanta aktörer i branschen. Dessa utgjordes framförallt av tillverkare och
energiproducenter för att utforska investerings- och energikostnaderna. Personliga
kommunikationer i form av telefonintervjuer och e-mail korrespondens användes uteslutande. Microsoft Excel användes för att beräkna fram energiförbrukningen av fjärrkyla genom att multiplicera de av Peter Hansson givna drifttimmarna och kyleffektbehov. Programmet
användes även för att multiplicera in och finna kostnaden över sommar och vinterpriser, för att ge en total årlig kostnad. Där energiförbrukningen fördelades över sommar och vinterpriser. Kostnaderna för energi gavs i personlig kommunikation med representanter från det lokala energibolaget Gävle Energi AB. Drifttider, effekter och det uträknade kylbehovet ges i Tabell 1 och Tabell 2, medan energiförbrukningen av fjärrkyla och dess kostnad ges i Tabell 3.
Samma metod användes för att ta fram kostnaden och energiförbrukningen av absorptionskyla. Där energiförbrukningen är densamma som för fjärrkyla men multiplicerad med en faktor på 1,3, vilket härrör från kylaggregatets verkningsgrad. Även här användes personliga
kommunikationer för att ta fram Gävle Energi ABs energipriser. Resultatet presenteras i Tabell 4.
Energiåtgången och driftkostnaden för kompressorkyla är lite mer invecklad. Där har Microsoft Excel använts för att beräkna ut de olika driftfallen som ett kompressoraggregat av typen Tetris 2A FC står inför över ett år. Där 2019 använts som referens. För att finna detta så användes de el-effekter som presenteras i Bilaga B – Produktdatablad, Swegon Tetris 2A FC. Energi motsvaras av effekt * tid. Den givna el-effekten beror på vilken kyleffekt som efterfrågas. Kyleffekten varierar enligt ett schema, vilket presenteras i avsnittet ”studieobjekt” och
framförallt i Tabell 2. Med denna information ges vilket driftfall (antal kompressorer) som krävs under en viss drifttid, således ges energi i form av effekt och tid för kylsäsongen. Utanför
kylsäsongen har kompressor aggregatet två driftfall, frikyla med effekten 5,4 kW för fläktar och styrsystem eller kylproduktion med en kompressor (15,13 kW). Frikyla produceras när
utomhustemperaturen är under 6 ⁰C. För att finna hur många timmar som kylan kan produceras med frikyla så användes klimatdata från SMHI (2019) och kommandot Antal.Om i Microsoft Excel. Det framgick med hjälp av kommandot att frikyla kan produceras under 4710 h utanför kylsäsongen. För övrig tid används en kompressor, dvs. 8760h (ett år) – 2880h (kylsäsong) –
25
4710h (frikyleproduktion) = 1170 h. De olika el-effekterna multipliceras med drifttiderna för att beräkna energiförbrukningen. Kostnaden ges till 1 kr/kWh. Beräkningarna presenteras i Bilaga A – Drifttid för kompressorkyla.
För att finna installationskostnader och uppskatta priser så användes telefonkommunikationer med lokala företag. Investerings-, fast- och driftkostnad sammanställs i Tabell 8 och redovisas under avsnittet ”Resultat”. För att få fram hur kostnaderna för de olika systemen såg ut över tid, så presenterades detta i två grafer, Figur 9 och Figur 10. Där investeringskostnaden och totala årliga kostnaden plottas över 30 år. Hänsyn tas till de olika aggregatens förväntade livslängd, där kompressoraggregatet förväntas ha en livslängd på 15-20 år, absorptionsaggregatet 20-30 år och fjärrkyla oändlig livslängd. Figur 9 representerar kostnaden över tid om lång livstid tas i
beaktning, dvs 20 år för kompressoraggregat respektive 30 år för absorptionsaggregat.
Motsvarande antagande görs för kort livslängd i Figur 10. Alla tabeller och figurer i ”Resultat” har producerats med hjälp av Microsoft Excel.
Metoden anses ha varit lämplig för att binda information om dagens marknad för kyl och energi med relevant forskning, samt ge en bra översikt för studieobjektets möjligheter. Rapporten är även utformad på så sätt att resultatet blir tillämpbar på fler fastigheter under liknande
26 3 Resultat
Resultatet sammanställs som ett antal tabeller och figurer för att visa på de olika kostnaderna som kylsystemen står för, dels årligen dels över tid. Den totala årskostnaden utgår framförallt för kostnaden av energi, vilket presenteras som driftkostnad i Tabell 8. Energiförbrukningen i Tabell 6 och Tabell 7 utgår från de parametrarna som presenters i kapitlet ”Studieobjektet”. Kostnaderna i dessa tabeller baseras på de energipriser som presenteras i sin helhet i kapitlen ”Prisförslag för…”, för absorptionskyla och fjärrkyla. Kostnaden för kompressorkyla utgår från driftfall givet ur datablad presenterat i Bilaga B – Produktdatablad Swegon, Tetris 2A FC, samt klimatdata från SMHI (2020). Elpriset antas vara 1 kr/kWh. Beräkning av drifttiden för
kompressoraggregatet presenteras i Bilaga A – Drifttid för kompressorkyla. Närmare beskrivning av kompressorkylas kostnader står att läsa i avsnittet ”Prisförslag för
kompressorkyla”. Prisförslagen utgår från kontakt med tillverkare, energiproducenter och andra aktörer i branschen.
För fjärrkyla finns en extra fast kostnad på 75 000 kr/år, medan det för absorptions- och kompressorkyla krävs en årlig service som kostar 3 000 respektive 3 000 - 5 000 kr/år. Investeringskostnaden för absorptionskyla är egentligen betydligt högre, men en exakt siffra på detta kan inte presenteras utan vidare arbete. Till kostnaden på 92 609 kr som presenteras i Tabell 7 för inköp av energi (fjärrvärme) så tillkommer en kapacitetsavgift på 16 482 kr, för att summeras till den årliga driftkostnaden på 109 091 kr.
Resultatet i Figur 9 och Figur 10 tar även hänsyn till de olika aggregatens förväntade livslängd. Där fjärrkyla förväntas ha en oändlig livslängd från konsumentens perspektiv. Kompressorkyla förväntas ha en livslängd mellan 15 och 20 år samt absorptionskyla mellan 25 och 30 år. För att värdesätta frikylas roll användes kylproduktion med kompressoraggregat Tetris 2A FC som exempel. Resultatet visar att aggregatets frikylsektion minskar energikonsumtionen över ett år och minskar kostnaden med 48 844 kr/år. Vilket är fallet när kyla produceras med fläktar istället för en kompressor.
