absorptionsmaskiner för kyloch värmeproduktion i energisystem med avfallsförbränning

Transkript

1 absorptionsmaskiner för kyloch värmeproduktion i energisystem med avfallsförbränning Examensarbete utfört vid KTH Kemiteknik institutionen för Energiprocesser av Maria Brorsson Forskning och Utveckling 2005:129

2

3 ABSORPTIONSMASKINER FÖR KYL- OCH VÄRMEPRODUKTION I ENERGISYSTEM MED AVFALLSFÖRBRÄNNING Forskning och Utveckling 2005:129 Examensarbete utfört vid KTH Kemiteknik institutionen för Energiprocesser av Maria Brorsson ISSN Svensk Fjärrvärme AB Art nr FOU 2005:129

4 I rapportserien publicerar projektledaren resultaten från sitt projekt. Publiceringen innebär inte att Svensk Fjärrvärme AB tagit ställning till slutsatserna och resultaten.

5 Förord Denna studie har utförts i form av ett examensarbete på institutionen för Kemiteknik, avdelning Energiprocesser vid KTH. Jag vill rikta ett stort tack till min examinator Mats Westermark samt mina handledare Viktoria Martin och Susanne Lindmark för deras hjälp under arbetets gång. Tack till Jan Zetterberg, Kenth Arvidsson och Fredrik Wettervik på Vattenfall Värme Uppsala AB för hjälp med information om Uppsalas energisystem. Tack till Alemayehu Gebremedhin på Linköpings Tekniska Högskola för all hjälp med modelleringsprogrammet MODEST. Dessutom vill jag tacka samtliga på avdelningen för Energiprocesser på KTH för den roliga tid jag har haft under perioden för mitt exjobb! Stockholm februari 2005 Maria Brorsson 3

6 4

7 Sammanfattning FOU 2005:129 Absorptionsmaskiner för kyl- och värmeproduktion i energisystem med avfallsförbränning Detta examensarbete har utförts på Institutionen för Kemiteknik på KTH i Stockholm Uppdragsgivare för projektet var Svensk Fjärrvärme AB. Behovet av kyla i Sverige har ökat kraftigt de senaste åren och förutspås öka ytterligare. Anledningen är bland annat ökad datorisering och ökade krav på inomhusklimat. Ökningen är av naturliga skäl störst på sommaren. Sommartid finns dessutom ett stort överskott av spillvärme. Deponiförbud av avfall som trädde i kraft 2002 kommer att leda till att ännu mer avfall kommer att brännas året om. Detta värmeöverskott gör att värmedriven kyla är ett mycket intressant alternativ för att tillgodose det ökade kylbehovet under sommarperioden då avsättningen av spillvärme annars är låg. Många energisystem har idag absorptionsmaskiner som under den kalla säsongen används som värmepumpar för uppgradering av spillvärme för fjärrvärmeproduktion. Att använda absorptionsmaskinerna som kylmaskiner har inte varit lika aktuellt på grund av att kapitalkostnaden per enhet kyleffekt är något högre än för kompressionskyla. Det stora värmeöverskottet sommartid gör dock att det finns tillgång till gratis drivvärme vilket skulle innebära att fjärrkyla kan produceras på ett mycket lönsamt och ur miljösynpunkt bra sätt. Syftet med studien var därför att undersöka möjligheterna till att använda absorptionsmaskiner för såväl värme- som kylproduktion beroende på säsong. Faktorer som hur en sådan omställning går till, samt när den bör genomföras undersöktes. Dessutom jämfördes kylproduktion med absorptionsmaskiner med ett urval av övriga tänkbara scenarier för att tillgodose ett ökat kylbehov. Studien utfördes som en fallstudie på Vattenfall Värme Uppsala AB:s energisystem. Där har nyligen investerats i två nya absorptionsmaskiner som är tänkta att användas växelvis för värme- och kylproduktion. För modellering av systemet användes MODEST, som är en optimerande energisystemmodell utvecklad på Linköpings Tekniska Högskola. Studiens slutsatser är: Omställning av absorptionsmaskiner från värmeproduktion till kylproduktion sker relativt enkelt genom att kylsidan kopplas mot fjärrkylenätet i stället för mot kondenseringen i avfallsförbränningen. Dessutom måste litiumbromiden (absorbenten) spädas ut för att undvika kristallisation. Att använda absorptionsmaskiner för kylproduktion under sommaren ger en positiv inverkan på energisystemet i stort. Kylproduktionen ökar värmeunderlaget vilket möjliggör en ökad avfallsförbränning och därmed, tack vare mottagningsavgifter på avfall, ökade inkomster. För optimalt utnyttjande av energisystemet bör absorptionsmaskinerna användas som kylmaskiner under perioden april till oktober. Maj till september kyls kondensorvärmet bort i kyltorn medan det i april och oktober tas tillvara för fjärrvärmeproduktion. Detta för att värmebehovet då är så högt att värmet ej bör kylas bort. Drift av absorptionsmaskinerna på detta sätt ger såväl förbättrad ekonomi som miljöprestanda. 5

8 Jämfört med övriga tekniker för kylproduktion (kompressionskyla och sorptiv kyla) visade sig absorptionskyla vara det bästa alternativet sett till såväl kylkostnad som miljöpåverkan i form av koldioxidutsläpp. 6

9 Summery FOU 2005:129 Dual purpose absorption machines in an energy system based on waste incineration This thesis has been performed at the Department of Chemical Engineering at KTH in Stockholm, Sweden. The project was commissioned by the Swedish District Heating Association. The demand for district cooling in Sweden has been increasing during the recent years and is expected to increase even more. The reason for this is for example more frequent use of computers and higher demand for indoor climate control via air conditioning. The increase is highest during the summer. During the summer there is also a surplus of heat, especially in energy systems that includes waste incineration. This surplus makes it interesting to consider heat-driven cooling as an alternative to satisfy the increasing demand of district cooling. Today many energy systems in Sweden use absorption heat pumps, for production of district heating using waste heat from the combustion units. To this point the absorption heat pumps have not been considered as chillers due to their relatively high investment cost in combination with the short cooling season. However, the surplus of heat during the summer season means that there is access to free driving heat for the absorption chillers. This would be a cheap and environmentally friendly way to produce district cooling. The aim of this study was to examine the opportunities for using absorption machines for production of district heating during wintertime and district cooling during summertime. Factors to be considered were how this change would be made technically and during which months the absorption heat pumps should be used for cold and heat production, respectively. In addition a comparison between absorption cooling and other cooling techniques was made. The study was based on Vattenfall Värme Uppsala AB s (VVU) energy system in Uppsala. VVU has recently invested in two new absorption heat pumps that, together with four old ones, are planned to produce district heating as well as district cooling depending on the season. The results of the study are: The technical change between heat and cold production with absorption heat pumps is relatively simple. When used as a chiller the evaporator heat is taken from the district cooling return water, which thereby is cooled. Heat from the waste combustion unit is used as driving heat. The absorbent (lithium bromide) also has to be diluted to avoid crystallization. Using absorption heat pumps for cold production during summertime gives a positive impact on the overall energy system. The cold production makes use for an increased waste incineration, which in turn (thanks to waste treatment fees) gives increased income to the system. For an optimal use of the energy system the absorption machines should be used for cooling production during the period of April through October. May through September the condenser heat is cooled by cooling towers while it in April and October is used for production of district heating. The reason for this is a higher demand of heating in April and October than in May through September. 7

10 Compared to other examined cooling techniques absorption cooling turned out to be the best alternative considering economy as well as emissions of carbon dioxide. 8

11 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Mål Utförande Fjärrkyla Funktion och miljö Fjärrkylenät Kyltekniker Frikyla Kompressionskyla Absorptionskyla Omställning av absorptionsmaskin vid övergång från värme- till kylproduktion Studerat system Produktionsanläggningar Avfallsförbränningen Kraftvärmeverket Kungsängsverket Övriga anläggningar Driftsförutsättningar och produktion Produkter Ånga Fjärrvärme El Fjärrkyla Planerade förändringar Tänkbar framtida produktion och leverans av fjärrvärme och fjärrkyla Modelleringsverktyg Uppbyggnad Tidsindelning Indata Tekniska anläggningsdata Bränsledata Avfall Kol

12 Olja Torv El Driftskostnader Upplägg av studie Allmänna förutsättningar Beskrivning av studerade fall Grundläggande studie av dagsläget Studie av vilka månader absorptionsmaskinerna bör producera värme respektive kyla Studie av hur absorptionsmaskiner står sig i jämförelse med andra alternativ vid kylproduktion Studie av hur avfallspriset inverkar på kylkostnaden Studie av kylproduktion under vår- och höst med absorptionsmaskiner Resultat och diskussion Grundläggande studie av dagsläget Studie av vilka månader absorptionsmaskinerna bör producera värme respektive kyla Studie av absorptionsmaskiner i jämförelse med andra alternativ vid kylproduktion Studie av hur avfallspriset inverkar på kylkostnaden Studie av kylproduktion med absorptionsmaskiner under vår- och höst Avslutande diskussion Slutsatser Beteckningslista Referenser...47 BILAGOR Bilaga A Bilaga B Nodschema Elpriser 10

13 1. Inledning Denna studie är gjord på uppdrag av Svensk Fjärrvärme och har utförts som ett examensarbete på Institutionen för Kemiteknik på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Examinator är professor Mats Westermark och arbetet har handletts av Dr. Viktoria Martin och doktorand Susanne Lindmark. Studien syftar till att undersöka förutsättningarna för att använda absorptionsmaskiner med dubbla funktioner, det vill säga för värmeproduktion vintertid och kylproduktion sommartid Bakgrund Behovet av kyla, för komfort såväl som för processer av olika slag, har ökat drastiskt under den senaste tioårsperioden. Enligt Svensk Fjärrvärme [1] är nya byggnadsstandarder, ökad datorisering och större krav på behagliga inomhusklimat några av orsakerna. Med tanke på Sveriges klimat är det lätt att tro att kyla endast behövs under ett fåtal veckor om året. Svenska byggnader är mycket välisolerade för att minska värmebehovet vintertid. Samtidigt har den interna värmeutstrålningen ökat i och med ökad belysning tillsammans med allt fler datorer och övriga kontorsmaskiner. Detta gör att behovet av kyla i många byggnader har ökat. Ökningen är givetvis störst sommartid men mer och mer kyla krävs även under vår och höst, inte minst då många företag lägger allt mer fokus på att skapa behagliga arbetsklimat och därför investerar i klimatanläggningar [1]. Efter förbudet på deponi av avfall som trädde i kraft 2002 har avfallsförbränningen ökat markant. Enligt Svenska Renhållningsverksföreningen [2] förbrändes år 2003 totalt (både hushålls- och industriavfall inräknat) drygt 3 miljoner ton avfall. Detta är en ökning med nästan 30 % jämfört med samma siffra Denna ökade förbränning innebär att det framför allt sommartid, då fjärrvärmebehovet är lågt, finns ett stort överskott av värme. Samtidigt ökar alltså behovet av kyla under sommaren, ett behov som idag främst tillgodoses med lokala eldrivna kompressionskylmaskiner alternativt med fjärrkyla som i stor utsträckning utnyttjar frikyla. En bra sätt att tillgodose detta ökade kylbehov och samtidigt utnyttja den spillvärme som finns är enligt tidigare studier [3] att använda absorptionsmaskiner för produktion av kyla. Dessa drivs i huvudsak av värme, endast lite el krävs för drift av pumpar. Verkningsgraden för en absorptionsmaskin är cirka 0,6-0,8 jämfört med kompressionsmaskinen som har en köldfaktor på omkring 4-5 [4]. Detta innebär i praktiken att där en naturlig värmesänka saknas så att kyltorn krävs för process, där krävs större kyltornskapacitet för absorptionskyla. Detta är en anledning till att kapitalkostnaden för absorptionssystemet blir högre än då kompressionsteknik används. Ytterligare några anledningar är att det krävs större rör (på grund av högre flöden), ett bättre väderskydd samt ett mer komplicerat styr- och reglersystem. Det har i och med dessa högre kapitalkostnader hittills varit svårt att motivera användning av absorptionsmaskiner istället för kompressionsmaskiner vid kylproduktion, inte minst eftersom Sverige dessutom har en relativt kort kylsäsong. Idag kan man dock peka på flera faktorer som talar för absorptionsmaskiner. Den stora tillgången på spillvärme under kylsäsongen gör att absorptionskylmaskinerna i många system kan drivas med mer eller mindre gratis bränsle. Samtidig kan man minska kylproduktion med kompressionsmaskiner, vilket ger en minskad elanvändning. Svensk elproduktion ger 11

14 relativt låga koldioxidutsläpp eftersom den till stor del består av kärnkraft och vattenkraft. Eftersom den svenska elmarknaden är en del av den större europeiska elmarknaden kan dock elen som konsumeras i Sverige anses ge upphov till koldioxidutsläpp motsvarande el på marginalen. Idag är marginalel producerad genom förbränning av kol vilket ger stora utsläpp av koldioxid. På längre sikt kommer eventuellt kol att fasas ut som bränsle vid elproduktion vilket kan leda till att el på marginalen då i stället produceras med till exempel naturgas [18]. Detta skulle ge mindre koldioxidutsläpp. Idag används absorptionsmaskiner i Sverige antingen som värmepumpar eller som kylmaskiner. Ovanstående resonemang gör det dock intressant att se vilka möjligheter det finns att använda dem med dubbla funktioner, alltså som värmepumpar vintertid och som kylmaskiner sommartid. Hur påverkas energisystemet i stort av en sådan dubbelanvändning och under vilka förutsättningar kan det vara fördelaktigt att gå över från värme- till kylproduktion? Som underlag till studien har valts energisystemet i Uppsala där Vattenfall Värme Uppsala AB har en av Sveriges största och modernaste avfallsförbränningsanläggningar. Dessutom har de, i samband med utbyggnad av anläggningen, köpt in två nya absorptionsmaskiner som ska tas i drift i början av De har sedan tidigare fyra absorptionsmaskiner som hittills har används för uppgradering av spillvärme från rökgaskondensering för produktion av fjärrvärme. Tanken är enligt Vattenfall att absorptionsmaskinerna (såväl nya som gamla) nu ska kunna användas både som värmepumpar och kylmaskiner beroende på säsong Mål Syftet med examensarbetet är att studera en multifunktionell användning av absorptionsmaskiner i ett fjärrvärmesystem. Vilka förutsättningar finns för att växla mellan värme- och kylproduktion, och när är det gynnsamt att producera vad? Hur påverkas energisystemet i stort av en sådan dubbelfunktion? Vilka faktorer har inverkan på driftsvalet och hur står sig kylproduktion med absorptionsmaskiner i jämförelse med övriga tänkbara alternativ? 1.3. Utförande Studien bygger på en modell av Uppsalas energisystem som byggdes upp i simuleringsprogrammet MODEST (utvecklat på Linköpings Tekniska Högskola, beskrivning finns i kapitel 5). Utifrån denna modell skapades sedan ett antal fall med varierande förutsättningar och indata. Dessa kördes i MODEST och resultaten jämfördes och analyserades. 12

15 2. Fjärrkyla Trots Sveriges relativt kalla klimat ökar efterfrågan på fjärrkyla. Enligt energibolaget Vattenfall [5] finns det ett stort intresse från såväl industriområden, köpcentrum som innerstadsområden. Fjärrkyla används i huvudsak till att skapa ett behagligt inomhusklimat, på kontor och arbetsplatser, i varuhus och butiker och i offentliga lokaler. Fjärrkylan kan också användas till att ge kyla till vissa processer som kräver kylning. Detta avsnitt belyser fjärrkyla ur olika aspekter, hur det fungerar och befintliga fjärrkylenät i Sverige Funktion och miljö Fjärrkyla innebär att byggnader kyls med kallt vatten, som håller en temperatur på cirka sex grader och som levereras via ett rörnät från en central kylanläggning. Det hela fungerar precis som fjärrvärme fast med kyla istället för värme. Enligt Svensk Fjärrvärme [1] är de vanligaste produktionsteknikerna för fjärrkyla att använda sig av kyla från värmepumpar, olika typer av kylmaskiner eller, i de fall där det är möjligt, frikyla. Ofta kombinerar man de olika teknikerna i ett fjärrkylenät för att få en anläggning att så bra som möjligt utnyttja de lokala förhållandena. Vid övergång till fjärrkyla kan ett stort antal lokala kylanläggningar fasas ut. Detta ger flera positiva effekter, dels minskar elförbrukningen och dels minskar riskerna för utsläpp till naturen. Många av de äldre kylanläggningarna använde den numera förbjudna köldmediestypen CFC, som har en negativ inverkan på ozonskiktet. En annan positiv effekt med fjärrkylan är att man slipper bullret från lokala kylanläggningar [6]. Efterfrågan på fjärrkyla ökar hela tiden. Detta beror inte bara på att fjärrkyla är ekonomiskt och miljömässigt bättre än lokala anläggningar utan också på att den är enkel och driftsäker, precis som fjärrvärmen [1] Fjärrkylenät Inget fjärrkylenät är det andra likt. Till exempel varierar antalet kunder, kundernas behov och hur produktionen av fjärrvärme ser ut (vilket påverkar produktionen av fjärrkyla). Det första fjärrkylenätet i Sverige togs i bruk i Västerås 1992 och det hade då en ansluten effekt på 2,2 MW [7]. I slutet av år 2002 fanns det sammanlagt 28 leverantörer av fjärrkyla i Sverige, och antalet förväntas öka de närmaste åren, liksom mängden kyla som levereras i de nät som redan finns. År 2003 levererades drygt 640 GWh fjärrkyla i Sverige och enligt Svensk Fjärrvärme [1] förutspås fjärrkylebehovet år 2010 att uppgå till 1000 GWh per år. 13

16 3. Kyltekniker Detta avsnitt beskriver olika tekniker som kan används för att producera av kyla Frikyla Ett av de resurssnålaste sätten att producera fjärrkyla är att använda kallt bottenvatten från en sjö eller från havet. När en naturlig värmesänka utnyttjas direkt för kylproduktion kan det kallas för frikyla. Frikyla produceras på flera orter i Sverige där det är möjligt. Ett exempel är fjärrkylenätet i Stockholm. Där tas kallt bottenvatten (4 C) från Saltsjön och Värtan och förs genom en ledning in till centrala Stockholm där det kyler ner vattnet i fjärrkylenätet [8]. I Sundsvall har man dessutom provat att lagra snö som faller under vintern för att använda den som kylning under sommaren. I de fall då frikyla är möjligt är det ur energi- och miljösynpunkt det överlägset bästa sättet att producera kyla på Kompressionskyla Ett vanligt sätt att producera kyla på är med hjälp av kompressionskylmaskiner. Bild 1 visar schematiskt hur en kompressionskylmaskin är uppbyggd. Produktionen bygger på en termodynamisk cykel där man låter ett köldmedie komprimeras, kondenseras och förångas i ett slutet system. Processen drivs av el. Bild 1 Kompressionskylmaskin Schematisk skiss av en kompressionskylmaskin Schematic of a vapor compression refrigeration cycle where a liquid (refrigerant) is compressed, condensed and evaporated in a closed system. The process is driven by electricity. Förångaren där ködmediet övergår från vätskefas till gasfas håller en lägre temperatur än det som behöver kylas. Detta gör att kylt vatten kan generaras då värme övergår från vattnet som ska kylas till förångaren. Vatten i ett fjärrkylenät håller temperaturen 6-16 ºC och det krävs därmed att temperaturen i förångaren är lägre än så vid fjärrkyleproduktion För att förångning ska kunna ske arbetar förångaren under ett lågt tryck [9]. 14

17 Kompressionskylmaskiner har normalt ett COP 1 runt 4-5 [4] beroende på vilket köldmedium som används och vilket temperaturlyft som krävs. Tidigare var CFC- och HCFC-föreningar vanliga som köldmedium men på grund av deras ozonförstörande egenskaper råder sedan januari 2002 påfyllningsförbud för HCFC och användningsförbud för anläggningar med CFC [10]. Nyare anläggningar använder ofta HFCföreningen R134a som inte påverkar ozonskiktet [11]. Dock är denna en stark växthusgas och dess användning är därför ifrågasatt. Forskning pågår för att hitta bra ersättare till tidigare köldmedier. Det finns naturliga köldmedier som till exempel propan och ammoniak, dessa har dock en del egenskaper som gör dem olämpliga att använda i närhet av människor Absorptionskyla En absorptionskylmaskin har stora likheter med en kompressionskylmaskin, men till skillnad från en sådan drivs absorptionskylmaskinen med värmeenergi, till exempel ånga eller hetvatten. Båda typerna av kylmaskiner har en kondensor och en förångare, men istället för kompressor har absorptionskylmaskinen en absorbator, cirkulationspump och en generator. Bild 2 visar en schematisk bild av en absorptionskylmaskin, där den högra delen ersätter kompressorn i en kompressionskylmaskin. Bild 2 Absorptionskylmaskin Schematisk skiss av en absorptionskylmaskin. Delen till höger om den streckade linjen ersätter kompressorn i en kompressionskylmaskin Schematic of an absorption refrigeration cycle. The part on the right hand side of the dashed line replaces the compressor in a vapor compression refrigeration cycle. Det vanligaste för absorptionsmaskiner är att man använder sig av vatten som köldmedium samt en litiumbromidlösning som absorbent. Absorptionscykeln bygger på principen att kokpunkten för litiumbromidlösningen är högre än kokpunkten för det rena köldmediet, vatten, vid samma tryck [9]. Kylningen av det vatten som används som fjärrkyla sker i förångaren, där vatten förångas vid låg temperatur och mycket lågt tryck. Värmeenergin för förångningen tas från det vatten som ska kylas. Vattenångan som bildats i förångaren går vidare till absorbatorn, där den absorberas av litiumbromidlösningen. Lösningen pumpas sedan 1 COP, Coefficient of Performance (eller köldfaktorn som den kallas på svenska), definieras som kvoten mellan uttagen kyleffekt och tillförd drivenergi (i det här fallet el). 15

18 kontinuerligt till generatorn med hjälp av en eldriven pump. I generatorn tillförs drivvärme och litiumbromidlösningen värms upp till en temperatur av cirka ºC. Vattnet i lösningen förångas och går vidare till kondensorn, medan den rena litiumbromidlösningen förs tillbaka till absorbatorn. Uppvärmningen i generatorn kan ske med hjälp av till exempel fjärrvärme eller ånga. Ofta placeras en värmeväxlare mellan absorbatorn och generatorn för att minska värmeåtgången i generatorn. Ju högre koncentration av litiumbromid det är i absorbatorn, desto effektivare absorption. Koncentrationen begränsas dock av kristallisationskurvan för en vattenlitiumbromid-lösning. Vid låg temperatur i förångare och absorbator, som är fallet då man tillför energi från fjärrkylenätet till förångaren, måste därför litiumbromiden spädas ut för att undvika kristallisation. Det finns enkel- respektive dubbeleffektsgeneratorer. De senare indunstar litiumbromiden i två steg och ger högre köldfaktor. Nackdelen är att de kräver högre drivtemperatur, och ånga som drivvärme [9]. Då absorptionsmaskinen används som kylmaskin har den en köldfaktor på 0,6-0,8 [4]. För att det ska bli energimässigt lönsamt att använda den som kylmaskin krävs alltså tillgång till billig (helst gratis ) värme. Sommartid passar det alltså utmärkt då det i ett system med avfallsförbränning finns mycket spillvärme att tillgå. Absorptionskylmaskiner finns idag installerade i fjärrkylenät i Göteborg, Linköping, Umeå samt Västerås. Från och med våren 2005 planeras även Uppsalas två nya absorptionsmaskiner tas i drift, med syfte att delvis producera kyla.[5] Omställning av absorptionsmaskin vid övergång från värme- till kylproduktion Absorptionsmaskiner kan användas som både värmepumpar och kylmaskiner. I Sverige är det idag vanligast att de används som värmepumpar för att uppgradera spillvärme av olika slag. I avfallsförbränningsanläggningar tar man till exempel ofta vara på spillvärme från rökgaskondensering och uppgraderar den så att värmet kan användas till fjärrvärmeproduktion. Internationellt sett är dock kylproduktion det vanligaste användningsområdet för absorptionsmaskiner. Detta eftersom många länder har mycket större behov av kyla än av värme. Då man köper in en absorptionsmaskin är det därför oftast som en kylmaskin även om vi i Sverige alltså oftast använder dem som värmepumpar. Ur teknisk synvinkel är det inga stora skillnader mellan de olika applikationerna. Den största skillnaden är att maskinen arbetar inom olika temperaturintervall beroende på om den ska producera värme eller kyla. Vid kylproduktion kopplas kylsidan mot fjärrkylenätets returledning som har en temperatur på C. Efter att ha givit sitt värme till förångaren får kylvattnet en temperatur på 6 C. Då absorptionsmaskinen går som värmepump sker förångningen med hjälp av spillvärme från rökgaskondenseringen som då har en temperatur på cirka 35 C. Detta värme uppgraderas och avges i kondensorn där det då förvärmer fjärrvärmereturen från 45 C till drygt 60 C [5]. Omställning mellan värme- och kylproduktion medför alltså helt skilda arbetstemperaturer vilket ställer krav på framför allt absorbatorn. Olika temperaturer i förångaren gör att man måste ändra på koncentrationen på litiumbromiden, detta för att undvika kristallisation. Sommartid (då absorptionsmaskinerna producerar kyla) späds därför litiumbromiden ut. I Vattenfalls nya anläggning i Uppsala tillsätts 600 liter vatten till de två absorptionsmaskinerna (vardera med effekt på 5,5 MW) som 16

19 pumpas in i systemet från en lagringstank. Då man återigen övergår till värmeproduktion under vintersäsongen pumpas vattnet tillbaka till lagringstanken. Det är alltså ett helt slutet system. Då man väljer att låta absorptionsmaskinen arbeta som kylmaskin kyls värme bort i såväl generator som kondensor. Ett bättre energiutnyttjande skulle kunna fås om man samtidigt som man producerade kyla tog tillvara så stor del av detta värme som möjligt, till exempel utnyttjade kondensorvärmet för fjärrvärmeproduktion. Kravet för att detta ska vara möjligt är att temperaturen på drivvärmen är hög. 17

20 4. Studerat system För denna studie har Vattenfall Värme Uppsala AB (nedan kallat för VVU) använts. De driver ett antal olika anläggningar för produktion av fjärrvärme, fjärrkyla, ånga och elkraft. En del av dem är alltid i drift medan vissa anläggningar endast används för spetslastproduktion. Fjärrvärmen försörjer 95 procent av Uppsalas tätort och flera närliggande småorter. Ånga och fjärrkyla används av olika industrier vid tillverkningsprocesser. Fjärrkylan används även för att kyla lokaler. I bild 3 beskrivs anläggningen schematiskt. Anledningen till att samtliga anläggningar beskrivs är att kylproduktionen till stor del är integrerad med produktionen av värme. Detta gäller inte minst då det är multifunktionell användning av absorptionsmaskiner som ska undersökas. Bild 3 Principschema över Vattenfall Värme AB: s produktionsanläggningar i Uppsala Schematisk beskrivning av Vattenfalls energisystem i Uppsala för produktion av ånga, fjärrvärme, fjärrkyla och el [15]. Schematic of Vattenfall s production units for production of vapour, district heating, district cooling and electricity [15]. 18

21 4.1. Produktionsanläggningar Avfallsförbränningen 1961 byggdes de två första blocken för avfallsförbränning med värmeutvinning vid den nuvarande platsen i Boländerna. Den ånga som framställdes såldes till dåvarande Pharmacias intilliggande anläggningar. Innan dess hade förbränning av avfall skett på platsen under lång tid utan att värmeenergin togs tillvara. Idag, drygt 30 år efter starten, är VVU: s anläggning en av Sveriges största och mest avancerade anläggningar för utvinning av energi ur sorterat avfall. Den består av tre förbränningslinjer, block 1, 3 och 4, (block 2 är avställt sedan 1998) och under våren 2005 tas dessutom en helt ny avfallspanna, block 5, i drift [12]. Avfallsförbränningen producerar idag värme som motsvarar en dryg tredjedel av årsbehovet av värme i Uppsala. Block 5 kommer enligt Vattenfall [13] att öka anläggningens kapacitet väsentligt och det finns flera olika anledningar till att Vattenfall har satsat på en utbyggnad. Deponiförbudet av brännbart avfall gör att det krävs större kapacitet för att ta hand om allt hushålls- och industriavfall. Dessutom ser Vattenfall en ökad efterfrågan av såväl värme som kyla och med en större förbränningskapacitet är det även lättare att säkerställa leveranserna. Då Block 5 tas i drift kommer man dessutom att kunna minska användandet av olja och kol vilket bidrar till en bättre miljö. Den befintliga anläggningen (block 1, 3 och 4) har en förbränningskapacitet på ton sorterat avfall per år. Block 5 kommer att kunna förbränna ytterligare ton/år, vilket alltså ger en total kapacitet på ton avfall/år. Tittar man på effekten för produktion av ånga och värme ligger den idag på 98 MW och beräknas i och med den nya anläggningen att stiga till 173 MW [12]. Ångan som produceras används för att via värmeväxlare värma upp fjärrvärmevattnet. En del av ångan levereras direkt till användare, exempelvis Uppsala Akademiska sjukhus och läkemedelsindustrier.[13]. Samtliga förbränningslinjer innefattar en rökgaskondensering för att maximalt utnyttja energin i avgaserna från avfallsförbränningen. Med hjälp av absorptionsmaskiner uppgraderas värmet från rökgaserna och används till uppvärming av fjärrvärmevattnet. Förhoppningen är nu att dessa absorptionsmaskiner även ska kunna användas för kylproduktion. Då används ånga från förbränningen som drivvärme och värmen från absorbatorn och eventuellt kondensorn kyls bort med hjälp av kyltorn Kraftvärmeverket 1970 inledde Uppsala Kraftvärme (numera Vattenfall Värme Uppsala) och Statens Vattenfallsverk ett samarbete, ur vilket ett till lika delar ägt bolag, Fyriskraft, bildades. Det nya bolagets uppgift var att uppföra, äga och driva kraftvärmeverket i Uppsala köpte Vattenfall AB Uppsala Energi och Fyriskraft [12]. Kraftvärmeverket togs i drift Nettoeffekten då var 230 MW el och 330 MW värme och som bränsle användes tjockolja Eo5. Flera oljekriser under 70-talet gjorde dock att oljepriset sköt i höjden och för att minimera oljeberoendet konverterades kraftvärmeverket 1985 så att även fasta bränslen skulle kunna användas. Sedan 1988 har pannan i huvudsak eldats med torv. Under senare år har även träspån blandats i torven och utgör idag 35 procent av bränslet. Kol och olja används begränsat. [14]. 19