Energioptimering Seminarrække – specielt for fjernvarmeværker

Præsentationer af emnet: "Energioptimering Seminarrække – specielt for fjernvarmeværker"— Præsentationens transcript:

1 Energioptimering Seminarrække – specielt for fjernvarmeværker - 2009
Indlæg ved Kent Nielsen salgsdirektør Danfoss Redan A/S 1

2 Agenda Varmeplan Danmark
Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser Tekniske løsninger og opbygninger Økonomi – for fjernvarmeværk og forbruger – Case story 2

3 Varmeplan Danmark Danmarks opvarmningssektor skal være CO2 neutral i 2030! Varmeplan Danmark er en undersøgelse af fjernvarmens potentiale på vejen mod et fremtidigt dansk samfund opvarmet af 100% vedvarende energi. Varmeplan Danmark er en analyse, et værktøj, der baseret på et gennemdokumenteret fundament, som kan sætte danske politikere i stand til på bedst muligt måde - at realisere fremtidens danske energipolitik. 3

4 Varmeplan Danmark Opvarmningssektorens rolle de seneste 30 år
Opvarmningssektoren er en væsentlig årsag til, at det samlede danske CO2 udslip har været faldende siden 1980. Årsagerne hertil er forbrugerbesparelser på ca. 25% udbygning af fjernvarmenettet, således at 60% af landets boliger i dag er tilsluttet fjernvarme omlægning af varmeproduktion til kraftvarme og vedvarende energi gennemførelse af naturgasprojekt til dækning af ca. 20% af opvarmningsbehovet for rum. 4

5 Varmeplan Danmark Opvarmningssektorens rolle i fremtiden
Beregninger i Varmeplan Danmark viser at opvarmningssektoren allerede i 2030 stort set kan blive CO2 neutral, og at der er store samfundsøkonomiske fordele/gevinster at hente, hvis energipriserne fastholder det nuværende niveau. Fokusområder yderligere udbygning af fjernvarmen – eksisterende byggeri og nybyggeri yderligere forbrugerbesparelser – især med fokus på returtemperaturen en udvidelse af fjernvarmeproduktionen med flere varmelagre, mere vedvarende energi og overskudsvarme, herunder affaldsvarme, kraft-varme, industrioverskudsvarme, biogaskraftvarme, storskalasolvarme, biomasse kraftvarme, geotermi, biomassekedler varmepumper samt elkedler til opsamling af overskydende vindenergi. 5

6 Varmeplan Danmark Fjernvarmen, kommunerne og forbrugernes største udfordring i fremtiden For fjernvarmesektoren bliver det en udfordring at effektivisere forsyningen yderligere og særligt i områder med lav varmetæthed, hvor der tages hensyn til forbrugernes muligheder for at spare på varme og temperatur. For kommunerne bliver det en udfordring at finde en fornuftig afgrænsning mellem fjernvarme og individuelle varmepumper, hvor fjernvarmens fordele med effektivitet og forsyningssikkerhed afstemmes i forhold til de relativt store investeringer i ledningsnet. For bygningsejerne bliver det en udfordring at reducere elforbruget, varmeforbruget, køleforbruget og returtemperaturen, hvor det er økonomisk fordelagtigt under hensyntagen til den aktuelle forsyning. 6

7 Varmeplan Danmark Udvidelse af fjernvarmen og individuelle varmepumper er løsningen. Analyserne viser, at den hensigtsmæssige kombination ligger et sted imellem at udvide den nuværende fjernvarmeandel fra 46 % til et sted imellem 53 % og 70 %. En udvidelse af fjernvarmen kombineret med temperatursænkninger gør det muligt at udnytte affaldsressourcer bedre. Dels øges afsætningen om sommeren, og dels øges effektiviteten ved røggaskondensering. Samlet peger analyserne på, at den fornuftige løsning er at kombinere en gradvis udvidelse af fjernvarmeområderne med individuelle varmepumper i de resterende boliger. 7

8 Varmeplan Danmark Fjernvarmen og solvarme hånd i hånd
Storskala solvarme er en fordel i alle fjernvarmeområder, hvor der ikke i forvejen er overskud af CO2 neutral varme, som ellers går til spilde om sommeren Solvarme kan være en fordel til individuelle bygninger uden for fjernvarmeområder, eksempelvis i kombination med træpillekedler På den baggrund anbefaler Varmeplan Danmark, at der på længere sigt udbygges med 6 mio. m2 solvarme, hvoraf 4 mio. m2 er storskalaanlæg til fjernvarme og 2 mio. m2 er individuelle anlæg 8

9 Varmeplan Danmark Individuel varmeforsyning
Der bygges lavenergihuse med individuel forsyning med solvarme, biomasse, varmepumper mv. i de resterende 30 % af nybyggeriet, som ikke kan forsynes fra fælles og mere effektive anlæg. Uden for fjernvarmeområderne udbygges med 1 mio. m2 solvarme på individuelle bygninger for en investering på 4 mia. kr., og solvarmen kobles som standard på en akkumuleringstank. I fjernvarmeområder udnyttes solenergien i individuelle anlæg primært ved, at solceller indbygges i tagflader og facader i takt med, at det bliver gunstigt. Udbygning med varmepumper, primært v/v uden for fjernvarmeområderne. Tilslutning til naturgasnettet øges i områder, der ikke forventes konverteret til fjernvarme eller varmepumper de førstkommende år. Der spares mindst 25 % på varmebehovet, og returtemperaturen i alle varmeanlæg sænkes til ca. 35 grader for at effektivisere såvel individuelle som kollektive anlæg. 9

10 Lavenergi er fremtidens energi Stor fokus på området
“Googler” man ordet “lavenergi” får man ikke færre end hits! 10

11 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
I Danmark er lavenergibyggeri undtaget fra tilslutningspligten til fjernvarme. For at forbedre fjernvarmes vilkår i områder med lavenergibyggeri skal der i fremtiden fokus på: at nedbringe investeringen i fjernvarmenettet at nedbringe omkostninger til driften, herunder varmetabet Omkostningerne til driften, herunder varmetabet, kan reduceres ved at sænke temperaturen, benytte twinrør samt mindre dimensioner. 11

12 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Definitioner: Lavenergibebyggelse er i henhold til nye regler fra 2006 Bygningsreglement: Lavenergibygninger kl. 1 og 2 Energiforbrug på 50% og 75% af energirammen på 70 (+2200/A) [kWh/m2] Lavtemperaturfjernvarme er et vidt begreb, men vi definerer det som 50°C hos forbrugerne. Den lave fremløbstemperatur betyder, at varmtvandsproduktionen skal ske gennem en veksler af hensyn til legionella. 12

13 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Fremtidige indsatsområder / Lavenergihuse og lavenergi fjernvarme: Nye huse som lavenergibygninger Renovering af huse til lavenerginiveau Nye bebyggelser med lavenergifjernvarme Renovering af fjernvarmenet til lavenergi Vedvarende energi til fjernvarme: affaldsforbrænding med lager solvarmecentraler med sæsonlager solvarme / fjernvarme ved decentrale lejlighedsunits geotermisk anlæg ikke biomasse og el (transport og elbehov) 13

14 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Lavenergihuse: Definition af et lavenergihus klasse 1 = referencehus i det kommende 35 + (1100 / A) kWh/m2 pr. år A er brutto opvarmet gulvareal i m2 Energiramme for et 145 m2 hus: 42.6 kWh/m2 pr år Definitionen inkluderer energi til rumopvarmning, varmt brugsvand, køling og elektricitet til installationer (pumper og ventilation). Med vedvarende energikilder som solenergi er det tilladt at forbruge mere energi end energirammen definerer. 14

15 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Lavenergihus, klasse 1 – Energibehov sammenlignet med et standardhus: 15

16 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Referencehuset: Det maksimale energiforbrug for lavenergiklasse 1 huset er teoretisk (jf. energirammen, BR08) 50% lavere end et nyt standardhus, som det er foreskrevet i dag. Referencehusets dynamiske energiforbrug til rumopvarmning er beregnet med bygningsimuleringsprogrammet "Bsim" på basis af typiske vejrdata (DRY-referenceåret). Referencehusets totale varmebehov: Gennemsnitsvarmebehov i referencehuset kWh/år Varmt brugsvand 2.300 Rumopvarmning 4.450 Totalt 6.750 16

17 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Lavtemperatur fjernvarme – udfordringer & tekniske løsninger (husinstallationer) Udfordringer: Lave fremløbstemperaturer Lavt konstant fjernvarmeflow, døgnudjævning Tekniske løsninger (brugsvandsopvarmning): Varmtvandsbeholder (VVB) – lagring af brugsvand Gennemstrømning (GVV) – intet lager Fjernvarmebeholder (FVB) – lagring af fjernvarmevand NYT SYSTEM 17

18 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Husinstallationer for lavenergifjernvarme: Tung gulvvarme som døgnlager for rumvarmeforbrug Lagertank som døgnlager for varmt brugsvandsforbrug FVB Intelligent styring af døgnudjævning Fordele: Lav effekt og lavt flow => små rørdimensioner Lav frem- og returtemperatur => lille varmetab 18

19 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Husinstallationer for lavenergifjernvarme – Hvilke behov skal opfyldes: Fokus/udgangspunkt på/i Lavenergiklasse 1 huse Udligning af døgnbelastning for at sikre optimalt* fjernvarmenet gælder især for brugsvandet men også relevant for varmebehovet Høj sikkerheds- og komfortniveau trods lave forsyningsbetingelser anvendelse af passende primær beholder (FVB) anvendelse af gennemstrømningsvandvarmer (GVV) for varmt brugsvand *)optimum af totaløkonomisk betragtning af net og brugerunit design 19

20 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Husinstallationer for lavenergifjernvarme – Egenskaber for FVB: Lav returtemperatur for at sikre optimal fjernvarme drift efterkøling af primær beholder retur ladevand højeffektiv gennemstrømningsvarmeveksler, tryk- og termostatstyret Varmetabet fra unitten skal reduceres ifht. nuværende units højere isoleringsgrad tryk- og temperaturstyret ”kold veksler” 20

21 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Udvikling og demonstration af lavenergiunits i område med lavenergibyggeri og lavtemperaturfjernvarme. Område med 92 lavenergihuse 21

22 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Filosofien bag en fjernvarmebeholderunit (FVB): Filosofien med en fjernvarmebeholderunit er, at lavere fjernvarme-temperaturer er tilstrækkeligt. Princippet er, at der oplagres fjernvarme-vand, og med en separat veksler opvarmes brugsvandet ved at tage fjernvarmevand fra beholderen. Dermed oplagres der ikke brugsvand, som normalt, og det er ikke nødvendigt med mindst 60°C af hensyn legionellarisiko. Derudover er filosofien, at forsyningen af fjernvarmevand kan reduceres til lave konstante fjernvarmeflow - døgnudjævning. 22

23 Fjernvarmebeholderunit FVB
Fjernvarmevand i akkumulator Brugsvandsveksler Tryk / Temp. styret automatik Fordelerarrangement Flow begrænset ventiler Blandesløjfe, varme 23

24 Fjernvarmebeholderunit FVB
Opbygning af brugerunit: Primær beholder, 120/175 liter volumen Elektronisk vejrkompensator og beholder laderegulering Gennemstrømningsvandvarmer og blandesløjfe for varmekreds (gulvvarme eller radiator) Gulvvarme zoneregulering 24

25 Fjernvarmebeholderunit FVB
Funktionstilstande for brugerunit Returbegrænser for radiatorvarme Brugsvandsprioritet Ladning af beholder Tapning af varmt brugsvand Forsyning af varme Ladning + varme Tapning + ladning + varme 25

26 Mulighed for efter køling
Fjernvarmebeholderunit FVB Returtemperatur fra buffertank – DS439, Simulering Mulighed for efter køling i varmekredsen 26

27 Fjernvarmebeholderunit FVB
Effekter af forskellige tankstørrelser Tankstørrelse liter 60 140 200 Flow i fjernvarmenettet (max.) kg/h 680 120 58 14 Tank varmetab kWh - 104 181 93 Separat system Middel returtemperatur oC 22.4 23.3 18.2 Kombi- system Energi fra tank til gulvvarme 553 660 136 19.9 20.6 17.0 Tfrem = 50°C 27

28 Fjernvarmebeholderunit FVB
Max flow og returtemperatur som funktion af tankstørrelse 28

29 Fjernvarmebeholderunit FVB
Funktionstilstande for brugerunit (2) Calculated temperatures in a day with standard domestic hot water consumption Mulighed for efter køling i varmekredsen 29

30 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Følgende scenarier er inkluderet i analysen: Scenarie 0 - Reference (VVB-ref): Dette scenarie udføres så vidt muligt med "traditionel" fjernvarme design, både hvad angår valg af ledningstype, dvs. enkeltrør og dimensionering og temperatursæt 80/40°C. Scenarie 1 - Fjernvarmebeholder (FVB): Illustration af ledningsdimensioner, investeringer, varmetabet og lignende, hvis FVB installeres i husene. Scenarie 2 - Gennemstrømsvarmeveksler (GVV): Illustration af ledningsdimensioner, investeringer, varmetabet og lignende, hvis GVV installeres i husene set. Scenarie 3 - Varmtvandsbeholder (VVB) Illustration af ledningsdimensioner, investeringer, varmetabet og lignende, hvis VVB installeres i husene. 30

31 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Energiforbrug – Energi i ledningsnet Energi i ledningsnet Scenarie 0 Reference* Scenarie 1 FVB-Unit Scenarie 2 GVV-Unit Scenarie 3 VVB-Unit Elforbrug, pumper, totalt ledningsnet [MWhel/år] 1,1 6,0 3,7 4,8 Leveret varme til ledningsnet [MWh/år] 966 706,5 730,7 743,5 Varmeforbrug, 92 huse (á 6750 kWh/år) [MWh/år] 621 Varmetab, totalt ledningsnet [MWh/år] 345 86 110 123 Varmetab, totalt ledningsnet [%] 36 12 15 16 *Varmtvandsbeholderunit og traditionelt fjernvarmedesign med enkeltrør 31

32 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Investering – Fjernvarme anlægsomkostninger Anlægsomkostninger [Mill. DKK] Scenarie 0 Reference* Scenarie 1 FVB-Unit Scenarie 2 GVV-Unit Scenarie 3 VVB-Unit Ledningsnet 4,86 4,25 4,39 4,33 Hovedpumper 0,11 Stikledninger 0,39 Brugerinstallationer, incl. installering 2,34 3,00 2,25 Total 7,69 7,75 7,14 7,17 Total pr. hus 0,0836 0,0842 0,0776 0,0779 *Varmtvandsbeholderunit og traditionelt fjernvarmedesign med enkeltrør 32

33 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Investering – Anlægsomkostninger over tid Anlægsomkostninger pr. 30 år [Mill. DKK] Scenarie 0 Reference* Scenarie 1 FVB-Unit Scenarie 2 GVV-Unit Scenarie 3 VVB-Unit Investering og re-investering 9,0 9,1 8,4 8,5 Drift- og vedligeholdelse 0,2 Brændsel, afgifter, emissioner m.v. 4,7 3,5 3,6 Total 13,9 12,8 12,2 12,3 Total pr. hus 0,151 0,139 0,132 0,134 *Varmtvandsbeholderunit og traditionelt fjernvarmedesign 33

34 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Anlægsøkonomi – Konklusion Samlet set er der marginal forskel pr. bolig for alle de analyserede scenarier Reducerede ledningsdimensioner har ikke den helt store betydning for anlægsøkonomien Unitprisen afgør forskellen i de samlede anlægsinvesteringer Største udgift til anlægget er ledningsomkostningerne, som næsten er ens i alle scenarier. 34

35 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Anlægsøkonomi – Konklusion (Scenarierne) Scenarie 1 er lidt dyrere end de øvrige scenarier, men er fordelagtigt i områder med lavt differenstryk, dvs. i yderområderne af fjernvarmenettet, da denne løsning kun behøver lave effekter Scenarie 2 med GVV er billigst, men kræver et forholdsvis højt differenstryk og er derfor fordelagtigt "tæt" på pumpstationer og værk Scenarie 3 er afhængig af højere temperatur (min. ca. 60 °C), hvilket gør det mindre fordelagtigt end de øvrige løsninger Som alternativ kunne laves en FVB med en mindre beholder (fx 40 l), som kan være et mellemled til GVV og den analyserede FVB. På denne måde kan man få gode installationstyper til lavtemperaturfjernvarme i hele nettet 35

36 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Projekt Ullerødbyen i Hillerød – Andre elementer – Helhedsbetragtninger Lave temperaturer og twinrør kan bruges i alle systemer Højere varmetæthed f.eks. rækkehuse/tætlav byggeri eller større huse vil give endnu lavere varmetab Net vil kunne optimeres mere med hensyn til kortere rørlængder og mindre dimensioner, hvis værk var placeret mere centralt, eller hvis ledninger ikke i så høj grad fulgte vejtracé. 36

37 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Lavenergifjernvarme vs. Varmepumper – Forbrugerøkonomi, overslag Forbrugerøkonomi Lavenergi fjernvarme Varme-pumpe Jordvarme Luft til vand Varmeforbrug [kWh/år] 6.750 Årsvirkningsgrad, Season Performance Factor - 3,1 2,5 Elforbrug [kWh] 2.177 2.700 Årlig variabel udgift ved fjv.pris på 0,5 kr./kWh 3.400,- Årlig variabel udgift ved elpris på 2 kr./kWh 4.350,- 5.400,- 37

38 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Lavenergifjernvarme vs. Varmepumper – Forbrugerøkonomi, levetid og reinvestering Levetiden for varmepumperne er sat til 30 år med en reinvestering hvert tiende år på DKK. For fjernvarmeunits er der normalt ikke behov for mange reparationer eller udskiftninger af komponenter, mens varmepumpeunitten må forventes at skulle have udskiftet kompressoren ca. hvert 10. år. Dette er baseret på, at varmepumpeleverandører i Sverige stiller 10 års garanti. Dette betyder højere udgifter i beregningsperioden for varmepumpen end for fjernvarmeunitten. Der er ikke tale om favorisering af fjernvarmen, men om antagelser bl.a. baseret på input fra varmepumpeleverandører. 38

39 Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser
Konklusion Resultaterne viser, at lavtemperatur fjernvarme er fuldt konkurrencedygtig (baseret på de opstillede forudsætninger)med varmepumpeteknologien, der i højere grad er afhængig af elforsyning Varmetætheden for fjernvarmen har stor betydning for det endelige resultat. Det vil sige, at hvis husene f.eks. lå tættere på hinanden eller havde et højere varmeforbrug, så ville sceneriet for lavtemperaturfjernvarme være endnu mere fordelagtigt og omvendt Afregningen af fjernvarme indeholder ofte en fast afgift baseret på husets størrelse. I mange tilfælde udgør denne udgift en væsentlig del af den samlede fjernvarmeregning. Et lavenergihus med på 145 m2 med et meget lavt energiforbrug kan derfor ende med at få dårlig brugerøkonomi på trods af, at det er den samfundsøkonomiske bedste løsning. Kunne løses ved at benytte en 100 % energiforbrugbaseret afregning i områder med lavenergibyggeri, evt. med et afkølingsincitament. 39

40 Lavtemperatur fjernvarme Varmeplan Århus
Fjernvarmeværker tilknyttet Varmeplan Århus AffaldVarme Århus Vejlby Fjernvarmecentral a.m.b.a. Holme-Lundshøj Fjernvarme a.m.b.a. Hornslet Fjernvarmeselskab a.m.b.a. Hørning Fjernvarme a.m.b.a. Lystrup Fjernvarme a.m.b.a. Løgten-Skødstrup Fjernvarmeværk a.m.b.a. Malling Varmeværk a.m.b.a. Odder Varmeværk a.m.b.a. Rundhøj Fjernvarme a.m.b.a. Skanderborg Fjernvarme a.m.b.a. Tranbjerg Varmeværk a.m.b.a. 40

41 Lavtemperatur fjernvarme Varmeplan Århus
Fremtiden planlægges nu I planlægger forbrugerejede varmeværker og AffaldVarme Århus en ny fælles fremtid, hvor Varmeplan Århus er en regional formidler af fjernvarme til gavn for forbrugere og samfund Der sigtes mod et overordnet mål: CO2 neutral fjernvarme senest i 2030 Planen er, at fjernvarmen fornyes og effektiviseres i produktionen, ledningsnettet, ved forbrugerinstallationen og i husenes varmeforbrug Muligheden for en effektivisering nu er i samme størrelsesorden som dengang Varmeplan Århus blev startet i 1980. 41

42 Lavtemperatur fjernvarme Varmeplan Århus
Ny kanaler – Fjernvarmen leverer og distribuerer fjernvarmeunits Hvilke fordele opnås ved denne metode: sikrer tilstrækkelig afkøling minimere varmetab i husinstallationen sikrer ensartethed i installationerne muligt at tilbyde slutbrugerne serviceabonnementer lavere faste takster faste lave priser på nye installationer => flere opgraderinger 42

43 Lavtemperatur fjernvarme Varmeplan Århus
VPAA Lavenergiunits baseret på GVV-princippet 43

44 Beholder, 100 l pur-isoleret
Varmetab for GVV og VVB Bruttotab – 100 boliger – kun beholder og veksler, alene unit. Beholder, 100 l pur-isoleret GVV termostatstyrede GVV Redan løsninger Varmetab pr bolig kWh årlig 569 307 131 Varmetab pr. år 100 boliger 57 MWh/år 31 MWh/år 13 MWh/år Omkostning pr. år v.600 kr./MWh kr./år kr./år 7.800 kr./år Omkostning efter 30 år (100 huse) kr. kr. kr. Omkostning varmetab pr. hus om året. 342 kr./år 186 kr./år 78 kr./år 44

45 Årligt varmetab i kWh 45

46 Energioptimering Kilder:
Varmeplan Danmark, udarbejdet af Rambøll A/S og Aalborg Universitet Udvikling og demonstration af lavtemperaturfjernvarme til lavenergibyggeri, Analyse og designkoncept, fjernvarmeforsyning - Energistyrelsen, Cowi A/S Lavtemperatur fjernvarme til lavenergibebyggelser, Svend Svendsen DTU Jan Eric Thorsen, Danfoss A/S 46