Fjärrkyla i USA. Johan Andersson Erik Tornberg

Transkript

1 Fjärrkyla i USA Johan Andersson Erik Tornberg

2 Sammanfattning Behovet av kyla är idag större än någonsin. För att skapa kylan används i stor utsträckning traditionella eldrivna kylaggregat. Elektriciteten som används för att driva dessa kylanläggningar är en stor del av den totala förbrukningen i vissa länder. Med stigande elpriser och en elproduktion som genererar stora mängder koldioxid finns det både ekonomiska och klimatmässa skäl till att fundera över alternativ för kylning. Detta arbete handlar tekniken bakom fjärrkyla. Olika sätt att skapa kyla samt hur kylan transporteras. Det ges även en beskrivning av vad som krävs för att konvertera ett traditionellt kylsystem till fjärrkyla. Arbetet omfattar också en kort analys av vilka tekniker som kan vara lämpliga att använda i USA. 2

3 Innehållsförteckning Sammanfattning...2 Vad är fjärrkyla?...4 Fjärrkyla ur snö...5 Värmepumpar...6 Frikyla...7 Absorptionskyl...8 Fjärrkylans potential i USA...9 Snökyla...9 Värmepumpar Absorptionskylar Fördelar och nackdelar gentemot andra kylsystem Kunder Kommuner Samhället Projektet på Hawaii Behovet av kyla Distribution av fjärrkyla Konvertering till fjärrkyla Frågor till tentamen Refferenser Figurer

4 Vad är fjärrkyla? Fjärrkyla bygger på att kallt vatten produceras i en centralt belägen anläggning. Detta kalla vatten pumpas ut i ett rörnät för att leverera kyla till anslutna kunder. Vattnet pumpas sedan tillbaka till kylanläggningen där det kyls på nytt. Principen är densamma som fjärrvärme fast syftet är att leverera kyla istället för värme. Det finns många olika tekniker för att tillverka fjärrkyla. Den stora fördelen med fjärrkyla är att det är mindre energikrävande jämfört med loka kylsystem. Behovet av kyla växer ständigt och är ofta något vi tar förgivet. De viktigaste områdena är bland annat förvaring av livsmedel, industriella processer och kylning för att skapa bra inomhusklimat. De tekniker som idag används för framställning av kyla är ofta väldigt elintensiva. Med dagens elproduktion som i många fall genererar stora utsläpp av växthusgaser är det nödvändigt att undersöka möjliga alternativ för att generera kyla. Figur 1 Principskiss över fjärrkyla De olika tekniker för skapandet av fjärrkyla som tas upp i detta arbete är: Frikyla innebär att man utnyttjar kyla från hav, sjöar och andra vattendrag. Absorbtionskyla vilket utnyttjar den värmeenergi som uppstår i samband med produktion av fjärrvärme. Värmepumpar kan framställa kyla och värme på samma gång. Fjärrkyla ur snö utnyttjar kylan i snö. 4

5 Fjärrkyla ur snö Ett möjligt alternativ att skapa fjärrkyla är att utvinna kyla ur snö. I områden som under vinterhalvåret har mycket nederbörd i form av snö kan man förvara snön och utvinna kylan under sommarhalvåret. Denna teknik är relativt oanvänd idag men är på väg att etableras främst på grund av att snön är gratis och finns i stora mängder. En annan fördel med tekniken är att den kan anses som miljövänlig då den inte använder miljöfarliga ämnen som köldmedium och är helt förnyelsebar. Behovet av kyla är stort och dagens konventionella teknik för framställning av kyla kräver stora mängder elektricitet. Användning av snökyla är ett sätt att minska elberoendet och därmed också användningen av fossila bränslen. En anläggning med snökyla består av ett förvaringsutrymme för snön, filter, pumpar och värmeväxlare. Det är viktigt att förvaringsutrymmet är isolerat för att minska värmetillförsel från dess omgivning. Detta kan åstadkommas genom ett isolerande lager av exempelvis träflis som läggs ovanpå snön. En fördel med att använda träflis som isoleringsmaterial är träflisens förmåga att absorbera miljöfarliga ämnen som kan finnas i snön. För att förhindra smältvatten att rinna ner i marken bör snölagret ligga på en vattentät grund. Ett alternativ kan vara att placera förvaringsutrymmet under marknivå för att minimera förluster i form av värmeinstrålning från solen. Placeringen av snölagret, oavsett om det är ovan eller under marknivå, bör vara nära stadens centrum för att minimera transporterna av snön. Innan smältvattnet passerar värmeväxlaren måste det filtreras för att avskilja eventuella smutspartiklar och föroreningar. Efter filtreringen pumpas smältvattnet vidare till värmeväxlaren. Här kyler smältvattnet fjärrkylanätet och förs sedan vidare till snölagret med en förhöjd temperatur och skapar på detta vis nytt smältvatten. Värmeväxlaren måste tillverkas i ett material som tål de föroreningar som filtreringen inte tar upp. [1] Figur 2 Principskiss över snökyla 5

6 Värmepumpar Enligt termodynamikens lagar krävs det arbete för att överföra energi från ett kallt medium till ett varmt. En värmepump består i sin enklaste utformning av fyra komponenter, kompressor, kondensor, strypventil och en förångare. Dessa komponenter arbetar med ett medium, ofta freoner, propan eller ammoniak, i ett slutet system för att överföra energi från ett system till ett annat. Dessa medium har en kokpunkt runt -30 grader Celsius vid atmosfäriskt tryck för att få en cykel som avger temperaturer som är användbara i dagliga situationer (dusch, varmvatten osv.). In i kompressorn kommer mediet i gasform vid låg temperatur och lågt tryck för att efter kompressorn ha en hög temperatur och ett högt tryck. I kondensorn avger mediet mycket av sin värme samtidigt som trycket består. Då temperaturen sänks så mycket att mediets temperatur går under kokpunkten vid det givna trycket övergår mediet till vätskefas. Efter kondensorn sänks trycket genom en strypventil och mediet har nu ett lågt tryck och en låg temperatur. I förångaren tillsätts energi så att mediet vid det låga trycket förångas och cykeln sluts. Energin som tillsätts i förångaren för att förånga mediet får en väldigt låg temperatur ut och det är denna låga temperatur som sedan kan användas för att ta upp energi från en varm kontorslokal, serverhall eller annan process som behöver kylas. Figur 3 Värmepump illustration Fördelen med en värmepump är att den kan placeras var som helst så länge det finns elenergi som kan driva kompressorn. Detta gör det till en väldigt flexibel maskin som kan användas på de flesta håll i världen. Det är dock fördelaktigt om den används i en region som har efterfrågan på både värme och kyla. Det är hela tiden viktigt att värmen i kondensorn kyls bort samt att det tillsätts 6

7 tillräckligt mycket energi i förångaren för att förånga mediet. Annars måste maskinen gå på dellast och får på så sätt sämre verkningsgrad. Så länge dessa pumpar går på fullast har de ett högt värde på COP (Coefficient Of Performance), upp emot 5, vilket betyder att för varje kwh el som sätts in i processen fås 5 kwh värme. En hög COP innebär också att en värmepump är ett bra alternativ till andra kommersiellt tillgängliga kylanläggningar, ett högt elpris är det som kan göra andra alternativ intressanta. Med en reverseringsventil kan man få kondensorn att agera som förångare och vice versa, detta betyder att i området med kalla vintrar och varma somrar kan man få både komfortkyla och komfortvärme från en och samma maskin (annars hade det behövts två olika). [2] Frikyla Det är möjligt att leverera kyla genom att använda djupa sjöar eller hav som kylare. Detta är möjligt för att vatten har sin högsta densitet vid 3.98 grader Celsius. Blir vattnet kallare så minskar densiteten och lika så om temperaturer ökar. Detta leder till att temperaturen på havsbotten eller sjöbotten alltid är 3.98 grader Celsius. Genom att använda botten som en kylare är det alltså direkt möjligt att flytta energi från en varm lokal till det kalla havet. Man får samma effekt som en värmepump utan att behöva tillsätta energi i form av elektricitet. Nedan visas ett exempel från Cornell University i USA. Det är synligt att man valt att ha två separata system och sedan överföra värmen via en värmeväxlare. Detta är det vanligaste sättet att använda dessa system då man slipper eventuella problem med smuts som smiter förbi filtrena och fastnar inne skolans system. Att installera ett system baserat på denna teknik är dyrt men driftskostnaderna är väldigt låga. Figur 4 Cornell University djupsjökylning Detta system kan även användas i samband med upptagning av dricksvatten antingen från djupa sjöar alternativt borrhål. Vattnet som pumpas upp är ofta för kallt för att vara bekvämt att dricka och då kan man höja temperaturen på dricksvattnet genom att överföra värme från bostäder, och på så vis skapa komfortkyla. [3] 7

8 Absorptionskyl En absorptionskyl är ett kylaggregat som fungerar helt utan mekanisk eller elektrisk energi. Genom att tillföra värme i en speciell del av processen kan man flytta energi från ett varmt utrymme till ett varmare. Första idén att bygga en absorptionskylare kom från fransmannen Ferdinand Carré år Idén utvecklades vidare år 1922 av två studenter vid Stockholms universitet för att efter detta även förbättras av Einstein och hans student Leó Szilárd år En absorptionskylare har många fördelar gentemot en kompressordriven kylare. Då den saknar rörliga delar kan den monteras på platser som kräver låg ljudnivå eller lite vibrationer. Sättet kylaren drivs på gör även att den kan monteras på platser som har tillgång till spillvärme (exempelvis avgaser från en bil alternativt spillvärme från en industriprocess). Avsaknaden av en kompressor gör att den elektriska kostnaden är väldigt liten. Sättet maskinen arbetar och de medier den arbetar med gör att läckage inte är lika skadliga som ett köldmediumläckage från en konventionell kompressordriven värmepump. COP för en absorptionskylare ligger i området beroende på typ och vilken lösning som används i processen. Detta betyder att kyleffekten är ungefär proportionell mot värmeeffekten in i processen. Idag är det två olika typer av absorptionskylare som dominerar på marknaden. Det är litium bromid vatten eller ammoniak vattenlösningar som används mest. Vilken typ av kylare man väljer beror på vilken temperatur man önskar på den kalla sidan. Litium bromid vattenlösningar klarar att leverera en vätska kyld ner till ca 4 grader Celsius. En kylare baserad på ammoniak vattenlösningar kan leverera ett kylt medium under 0 grader Celsius. Vilken temperatur kylaren klarar av att leverera är starkt beroende på vilken värme som är tillgänglig för att driva processen. [4] Figur 5 - Absorptionskyla principskiss 8

9 Fjärrkylans potential i USA Snökyla Fjärrkyla från snö är givetvis inte en teknik som passar överallt. Tillgång till snö är en självklar förutsättning. En annan viktig parameter för hur pass konkurrenskraftigt tekniken kan bli är elpriset. Områden med tillgång till snö och högt elpris är de mest lämpliga områdena för att konkurrera med konventionell elkyla. Figur 6 nedan visar medeltemperatur i USA för januari månad. De man kan se är att framförallt de norra delarna har en låg medeltemperatur och därav en större nederbörd av snö. Figur 6 Temperaturkarta över USA 9

10 Figur 7 Elpriskarta över USA visar elpriser i olika delstater i USA. Det är framförallt de nordöstra delarna av USA som har höga elpriser. Figur 7 Elpriskarta över USA Med utgångspunkt från Figur 6 och Figur 7 kan man dra slutsatsen att fjärrkyla från snö är mest lämpligt i de nordöstra delarna av landet. Där finns både låga medeltemperaturer och höga elpriser vilket är två viktiga kriterier för införande av fjärrkyla från snö. Det finns med största säkerhet en mängd andra faktorer att ta hänsyn till men det faller utanför ramarna för detta arbete. 10

11 Värmepumpar Värmepumpar är väldigt flexibla och kan placeras i princip var som helst. Det som begränsar är kundernas behov utav värme och kyla och detta är dels beroende på den geografiska placeringen samt hur vida det finns industriella processer som kräver kyla eller värme. Hushåll använder som regel värme på vintern och kyla på sommaren (i områden med kraftiga temperaturvariationer mellan sommar och vinter) medan industrier kan ha behov av kyla eller värme året runt. För att driva en kompressordriven värmepump behöver man kunna kyla bort värme från kondensorn (fjärrvärme) samt förånga mediet i förångaren (fjärrkyla). Är behovet av kyla lågt kan man behöva tillföra värme till förångaren från omgivningen istället och intäkter från potentiellt såld fjärrkyla försvinner. Det samma gäller i varma områden där behovet av värme är lågt och istället behovet av kyla högt, då får man istället kyla bort potentiell fjärrvärme till omgivningen. Optimalt placeras värmepumpar där behovet av både kyla och värme är högt samtidigt och året runt. Generellt är detta i kalla områden med hög industrialisering där hushållskunder är i behov av mycket värme för uppvärmning och industrier är i behov av kyla till sina processer. I USA gäller detta i de norra områdena av landet, i huvudsak nordöstra och nordvästra delarna, se figur 8 och 6. Det går givetvis att placera värmepumpar där det enbart finns behov av värme eller kyla men värmepumpens verkningsgrad minskar vilket leder till högre förluster. Figur 8 Populationskoncentration i USA 11

12 Absorptionskylar Absorptionskylars användningsområde beror på var det finns tillgänglig spillvärme. De är väldigt populära i fordonsvärlden där de kan användas i kombination med varma avgaser för att driva kylar. Speciellt i USA är det väldigt populärt att ha absorptionskylar i husbilar. Där används avgaserna när husbilen körs för att driva kylen medan den vid stillastående förlitar sig på en propanlåga.[4] Det har varit tal om att kombinera absorptionskylar tillsammans med kraftverk och andra industriella processer där det finns tillgång till spillvärme. Exempelvis skulle en absorptionskyl kunna placeras efter en turbinavtappning, i kombination med fjärrvärmeproduktion eller en kondensor. Denna idé kallas CCHP (Combined Cooling Heat and Power) där man producerar både elektricitet, värme samt kyla. Det finns idag inga kommersiella verk i drift i USA som använder sig av denna teknik. Det har utförts test där man provat absorptionskylar på redan existerande processer men det har visat sig olönsamt om det inte finns tillräckligt med spillvärme eller om applikationen i sig inte kräver användning av en absorptionskyl av andra tekniska anledningar (buller, ljud mm). I dagsläget används alltså inte absorptionskylar i någon större utsträckning för att producera fjärrkyla i USA. Fördelar och nackdelar gentemot andra kylsystem. Kunder Som byggnadsägare eller markägare kan en uppkoppling mot fjärrkyla innebära frigjort kapital då det inte längre finns något behov av att investera i egna kylmaskiner. Detta gör att det inte längre finns behov av underhåll, drift och utbyte av gamla maskiner. Att koppla upp sig eliminerar också risken för att få vibrationer eller oljud som eventuellt skulle uppstå vid egen produktion. Säkerheten av leveranser i fjärrkyla är idag väldigt hög och det finns alltid reservmaskiner och lager som kan ta över vid eventuella avbrott i huvudproduktionen. Producenter av fjärrkyla har ofta tillgång till billig spillvärme (exempelvis avloppsvatten) för att förånga köldmediet. Vid konstruktion av nya byggnader kan det vid tillgång till fjärrkyla designas bort utrymme avsatt för individuell produktion av kyla. Detta utrymme kan istället användas för att generera vinst i kommersiella byggnader. Det är som regel i områden med hög energitäthet som det lönar sig att bygga ut fjärrkyla. Vid för låg energitäthet så blir det för stora kostnader att gräva ner rör. Att pumpa vatten långa sträckor resulterar även i stora tryckförluster vilket måste kompenseras med fler pumpar vilket kostar pengar. [4] 12

13 Kommuner Kommuner med fjärrkyla ger företag med behov av process eller komfortkyla anledning att placera sin verksamhet i området. [4] Samhället Produktion av kyla genom ett centraliserat system gynnar samhället som helhet. Detta för att produktionen är väldigt kontrollerad. Om produktionen exempelvis görs med värmepumpar så är det stränga regler och krav på protokoll över läckage av ozonskadande gaser, vilket bidrar till en förbättrad luftkvalitet. Ett centralt kylsystem minskar även den totala energianvändningen på grund av maskinernas höga verkningsgrad samt att man kan använda spillvärme från andra processer (exempelvis kan en absorptionskyl användas i kombination med ett kraftvärmeverk). [4] Projektet på Hawaii Just nu pågår en stor installation av fjärrkyla på Hawaii. Hawaii har ett tropiskt klimat året runt samtidigt som invånarna ställer allt högre krav på komfortkyla. Detta har gjort att elförbrukningen för komfortkyla hos företag och andra offentliga byggnader har blivit extremt stor. I dagsläget kommer 90 % av den producerade energin som används på Hawaii från importerad olja. Av den producerade energin används mellan 35 och 45 % till komfortkyla. Projektet som drivs av Honolulu Seawater Air Conditioning har en budget som uppgår till 1,25 miljarder kronor. I detta projekt är det svenska företaget Capital Cooling inblandat som en av investerarna och står också för ledning och support. Projektet går ut på att använda havsvatten på 500 meters djup. Temperaturen på vatten är mellan 6 och 7 grader. Det kalla havsvattnet leds vidare till en växelstation där kylan växlas mot kylvattnet för husen. Det uppvärmda havsvattnet kommer därefter ledas tillbaka till havet och pumpas ut på ett djup som har samma temperatur som det vattnet som finns i ledningen. På detta sätt hävdar man att man inte kommer rubba miljön i havet. Det kommer att byggas 2 km fjärrkyla-ledningar och anläggningen kommer att ha en total effekt på 100MW. Anläggningen beräknas minska den totala elanvändningen för komfortkyla med 75 %. Anslutna kunder kommer bland annat vara finansföretag, sjukhus, advokatkontor och offentliga byggnader. [5] 13

14 Behovet av kyla Att ha en behaglig inomhustemperatur är en viktig del i skapandet av ett bra inomhusklimat. Av denna anledning är det lika viktigt att ha ett bra fungerande kylsystem som att ha ett bra värmesystem. I dagsläget används cirka 10 % av världens elproduktion för att skapa process- och komfortkyla. I USA och Japan har ungefär 80 % av alla kommersiella byggnader komfortkyla. I Europa är siffran något lägre, runt 40 %, men växer snabbt. Nästan 90 % av dagens bilar är utrustade med luftkonditionering jämfört med 10 % Detta visar på det snabbt växande behovet av kyla. På kontor och i vissa industriella byggnader är den interna värmegenereringen påtaglig. Denna värmegenerering kan till exempel komma från människor, datorer och annan teknisk utrustning. Allteftersom byggnader isoleras bättre blir denna interna värmegenerering ett större problem under den varma delen av året. Kylsystemets storlek bestäms av hur mycket värmeöverskott som måste kylas ner. Ju mer överskott på värme desto större kapacitet måste kylsystemet ha. [6] Distribution av fjärrkyla Effekten som överförs i ett fjärrkylasystem bestämmas av vattnets massflöde och temperaturdifferensen ) före och efter levererad kyla. En stor temperaturdifferens innebär att man kan använda rör med liten diameter vilket minskar kostnaden för systemet. En stor temperatur differens gör även att pumpeffekten minskar vilket ökar systemets verkningsgrad. Typiska värden på temperaturdifferensen i ett fjärrkylasystem brukar ligga mellan 11 medans hastigheten på vattnes ligger mellan 2,5 3. Rören i fjärrkylanät är oftast tillverkade i stål eller polyetylen. Båda materialen hanterar normala tryck och hastigheter bra. Rören har oftast ingen isolering eftersom temperaturen under marken är betydligt lägre jämfört med lufttemperaturen. I geografiska områden med väldigt varmt klimat kan det vara värt att undersöka om isolering är nödvändig. Problem som kan uppstå i samband med uppstart av ett nytt fjärrkylasystem är att antalet kunder är lägre än vad systemet är designat för. Detta resulterar i en lägre hastighet på vattnet vilket kan medföra större förluster till omgivningen. Ett sätt att lösa detta problem kan vara att isolera vissa delar av rörsystemet. [4] 14

15 Konvertering till fjärrkyla För att införa fjärrkyla i en byggnad som redan har ett kylsystem är det viktigt att ta reda på vilket typ av kylsystem som redan används. Vissa byggnader lämpar sig bättre än andra för införandet av fjärrkyla. Generellt sätt kan man säga att det finns två olika typer av kylsystem som används i stora byggnader. Det ena är byggnader som använder internt kallvatten för kyla. Det andra är byggnader som använder el för att skapa kyla. Införande av fjärrkyla i en byggnad som redan använder sig av kallvatten för komfortkyla är relativt enkelt medans införande av fjärrkyla i byggnader som använder el är betydligt mer komplicerat och kostsamt. [4] När en byggnad skall konverteras från sitt nuvarande kylsystem till fjärrkyla är det en mängd olika punkter som bör studeras. Nedan följer en beskrivning av några av de viktigaste punkterna. Byggnadens maximala kyluttag Fjärrkylasystemet måste designas efter den maxeffekt som samtliga byggnader kräver under de varmaste sommardagarna. Om systemet inte kan leverera tillräcklig effekt kommer byggnaderna inte kylans ned tillräckligt mycket. Om systemet överdimensioneras blir projektet onödigt dyrt. Maxeffekten behövs även för att dimensionera värmeväxlare och andra viktiga komponenter. Kompabilitet hos existerande komponenter För att avgöra vilka komponenter som behöver bytas eller går att ha kvar görs en bedömning av varje enskild komponent för att inte ersätta i onödan. Konverteringskoncept och kostnad Konverteringen skalla vara så kostnadseffektiv som möjligt samtidigt som kraven för prestandan måste tillgodoses. En kostnadsjämförelse mellan det befintliga kylsystemet och införandet av fjärrkyla bör presenteras. Test och driftsättning Tester och optimeringar av utrustningen bör genomföras för att uppnå bästa effektivitet. Organisationen som genomför testerna bör vara oberoende av installatören för att få en så objektiv bedömning som möjligt. 15

16 Frågor till tentamen 1. Nämn en fördel med fjärrkyla jämfört med konventionell eldriven luftkonditionering. 2. I arbetet beskrivs 4 olika tekniker för framställning av kyla. Beskriv kortfattat 3 av dessa tekniker/metoder Refferenser [1 ] [2 ] [3] [4]IEA District heating and cooling- book.pdf [5]Honolulu Sewater Airconditioning- [6] Capital cooling- Figurer Figur 2 Figur 3 Figur 4 Figur 5 Figur 6 Figur 7 Figur