Kraftvärme. Energitransporter MVKN10. Elias Forsman Mikael Olsson

Transkript

1 Kraftvärme Energitransporter MVKN

2 Sammanfattning Kraftvärme är ett mycket effektivt sätt att utnyttja energi i bränslen. Upp till 89% av energin i bränslet kan i dagsläget utnyttjas men utvecklingen går konstant framåt. I framtiden kan man förhoppningsvis utnyttja över 90% utav bränslets energi. MVKN10 Problem kan uppstå för kraftvärme i framtiden pga. det nya tredjepartsavtalet, som är under utredning, som kan tvinga dem att minska på värmeproduktionen vilket effektivt leder till sämre verkningsgrader men även skatteändringar kan, i framtiden, utgöra ett problem. 1

3 Innehåll Sammanfattning... 1 Inledning... 3 Historia... 4 Statistik... 5 Kraftvärme... 6 Olika typer av kraftvärmeverk... 7 Ångpanna Gaskombi verk... 8 Industri... 9 Skillnader Skatter Framtid Tredjepartsavtal Skatter Utveckling Kärnkraften = kraftvärme Källförteckning Q & A

4 Inledning Med ökande energibehov i världen behövs det ständiga förbättringar i energibranschen ett bra exempel på förbättring är kraftvärmeverk där man producerar el samt fjärrvärme. Detta kommer att medföra att konsumenterna som har tillgång till fjärrvärmenätet kommer både få el till sina behov samt värme till sina bostäder. Denna rapport visar översiktligt vad kraftvärme är och hur det fungerar. Rapporten avslutas med vad vi tänker om framtiden. 3

5 Historia I slutet av 1940-talet föddes iden om fjärrvärme då Sveriges kommuner ville prova på något nytt, att producera både värme och elektricitet samtidigt. Detta blev början på kraftvärme som möttes med stort motstånd då oljebolag, sotare och VVS bolag skulle bli drabbade av detta eftersom bostäderna inte då skulle behöva egna uppvärmningskällor. Utvecklingen gick väldigt långsamt i början men under den första oljekrisen 1973 fick den ett genombrott då fjärrvärmen fördubblades. Utvecklingen har stadigt gått framåt och under de senaste 25 åren har fjärrvärmen minskat koldioxid utsläppen med 11 miljoner ton, mycket av det tack vare kraftvärme. 4

6 Statistik 7 % av Sveriges totala elproduktion kommer från kraftvärmeverk Fjärrvärme står för runt hälften av Sveriges uppvärmningsbehov av bostäder och lokaler. Totala värmeleveranserna uppgick år 2009 till 71,9 TWh varav 43,5 TWh kom från förbränning. Utav dessa 43,5 TWh kom 67 % från kraftvärmeverk vilket ger att 40 % av den totala värmetillförseln kom från kraftvärme. Till största del är det flerbostadshus och lokaler som använder fjärrvärme för uppvärmning. Kraftvärmeverk eldas oftast med biobränslen och avfall men även naturgas är vanligt i södra delen av Sverige. 5

7 Kraftvärme Kraftvärme innebär att det produceras el och värme i samma verk. Elen produceras, oftast, med en ångcykel där man efter/under expansion i turbinen tappar ut ångan och använder den överblivna ångan till att värma upp fjärrvärmevatten som sedan pumpas ut på i fjärrvärmenätet med en temperatur av o C beroende på värmebehovet. Detta leder till att man använder cirka 80-90% utav bränslets energiinnehåll. Skulle man använda ett kondenskraftverk som bara producerar el kommer man använda endast upp till maximalt 50 % av bränsleinnehållet. Se figur 1 för kraftvärmens kretslopp. Figur 1: Kraftvärmens kretslopp 6

8 Olika typer av kraftvärmeverk Ångpanna. När man tänker på kraftvärme brukar man oftast tänka på den klassiska ångcykeln med vanlig ångpanna, se nedan Figur 2: Typiskt kraftvärmeverk. Källa: Principen är den samma som i ett kondenskraftverk, vatten hettas upp i pannan tills man får överhettad ånga som man låter expandera i en turbin och som sedan kondenseras vid lågt tryck i kondensatorn. Alternativt har man avtappning från turbinen till en förvärmarkedja innan pannan för att på detta sätt öka verkningsgraden. När man även ska producera fjärrvärme så tar man helt enkelt värmen man måste kondensera bort i kondensorn samt avtappning från turbinen (innan ångan expanderat färdigt) och värmer upp fjärrvärmevattnet. Denna typ av kraftvärmeverk kan man i princip använda vilket bränsle som helst, t.ex. biobränslen, olja, kol, gas, biologiska restprodukter, sopor osv. Den totalverkningsgraden i denna typ av verk ligger teoretiskt på upp till 90 % men i praktiken är denna siffra lägre. 7

9 Utan fjärrvärme (endast el produktion) ligger el verkningsgraden på % beroende på ålder, bränsle, förvärmarkedja osv. Värt att notera är att den nya koldioxidseparering, CCS (Carbon Capture Storage), försämrar verkningsgraden väsentligt, man reducerar verkningsgraden med ca 10 % (alltså ett 90% verk får 80% verkningsgrad med CCS) samt att verket blir dubbelt så dyrt och dubbelt så stort (DD regeln). Gaskombi verk Figur3: Öresundsverket. Källa: Eon Bilden som ses ovan är en processbeskrivning av Öresundsverket i Malmö, som är en naturgaseldad gaskombi. Denna princip går ut på att man har en gasturbin som endast genererar el. Gasturbinen har i sig en ganska dålig verkningsgrad (30-40%)för elproduktion vilket pga. hög eldningstemperatur resulterar i höga avgastemperaturer. Det man gör då är att man låter rökgaserna gå genom en HRSG (Heat Recovery Steam Generator), avgaspanna, där man med de heta avgaserna generar ånga och kör en vanlig ångcykel med fjärrvärme som beskrivet i ångpannan. I denna typ av kraftverk är det begränsat med vilka bränslen det går att använda pga. av att gasturbinen är ganska känslig för föroreningar som kan belägga turbinbladen och på så sätt skada maskinen (observera att ett turbinblad kostar tkr, och det finns mellan 30 till 90 blad i en turbin ). För turbiner i denna applikation kan i princip endast naturgas användas, alternativt i nödfall eldningsolja 1, vilket gör att bränslekostnaden blir hög och eftersom det är fossila bränslen som används kan det diskuteras hur bra detta egentligen är. Det man kan tillägga är denna typ av anläggning når väldigt höga verkningsgrader, i Öresundskraftverkets fall så uppnår man 89 % total verkningsgrad (uppmätt, faktiska siffror) när man eldar med naturgas. 8

10 En viktig sak som bör nämnas är att det är skillnad på elektrisk verkningsgrad och termisk verkningsgrad. Matematiskt är de densamma men ej i verkligheten. Definition el verkningsgrad: MVKN10 Definition totalverkningsgrad: Industri Sverige har en stor industri som har processer som genererar mycket värme vilket kan utnyttjas i fjärrvärmen och kan räknas till kraftvärme. Skogsindustrin och kemiindustrin har ofta egna värmekraftanläggningar pga. sin stora förbrukning av el och värme men är också i behov utav ånga för sina processer (mottrycksanläggningar). Dessa industrier har därför mycket spillvärme som de måste bli av med vilket ger dem två alternativ, att antingen dumpa värmen (kyla bort den till ingen nytta) eller sälja den som fjärrvärme. Problemet ligger i att om det redan finns ett befintligt fjärrvärmenät måste man sälja värmen till de som äger nätet, dvs. de som har monopol på det. Ett exempel på detta är Kemira i Helsingborg vars processer i princip generar tillräckligt med värme för att försörja hela Helsingborg under den varmare delen av året men är tvungna att sälja värmen till Öresundskraft eftersom det är de som äger nätet. Inom en snar framtid kan det komma en ny lag om tredjeparts avtal för fjärrvärme vilket gör att tredjepart har rätt att sälja fjärrvärme direkt på nätet utan att först behöva sälja det till ägaren av fjärrvärmenätet. Detta kan bli ett problem för ägarna av kraftvärmen då de kanske inte kan sälja sin överskottsvärme vilket gör att fördelarna med kraftvärme försvinner eftersom de blir tvungna att dumpa värmen. Detta i sin tur resulterar i att verket effektivt blir ett vanligt kondenskraftverk som inte kan utnyttja bränslet till den grad det går. Ytterligare ett problem som kan uppstå med tredjepartavtalet är att Svenska Kraftnät baserar sina prognoser över elbehov utifrån det värmebehov som finns. Om antalet aktörer då helt plötsligt ökar kan det uppstå problem med deras prognoser, framförallt på vintern vilket kan resultera i effektbrist på nätet som i sin tur kan resultera i att man tvingas koppla bort kunder under perioder med hög effektbelastning. Ur miljösynpunkt kan man också diskutera tredjepartavtalet, för inte bara kommer kraftverket att utnyttja bränslet sämre, andra aktörer måste i sin tur förbränna för att ha värme att sälja (industrier ej inräknade här) vilket betyder att utsläpp samt total bränsleförbrukning ökar eftersom elen fortfarande måste produceras. 9

11 Skillnader Största skillnaden, som nämnts flera gånger tidigare, mellan kondens- och värmekraftverk är att man tar tillvara på överskottsvärmen i ett värmekraftverk och gör fjärrvärme av det, medans i ett kondenskraftverk producerar man endast el och gör sig av med överskottsvärmen. Exempel på kondenskraftverk är kärnkraft där man inte tar tillvara på överskottsvärmen utan man släpper ut den rakt ut i havsvattnet och det medför stora förluster i energisektorn cirka 100 TWh (se figur nedan). Figur 4 På 70-talet när oljekrisen inträffade gjorde man experiment på att ge städerna runt Barsebäck fjärrvärme från kärnkraftverket, men oljan var fortfarande för billig så det lönade sig inte att inleda några fullskaliga försök. Något som även satte stopp för det hela var att man var rädd för att kontaminera vattnet om det skulle bli en kärnkraftsolycka. Förbudet mot all form av forskning och utveckling inom kärnkraft blev också en orsak eftersom man inte fick gå vidare, alternativt hitta lösningar på fjärrvärme från kärnkraften. 10

12 Skatter Figur 5: 2010 års skatter på bränsle I Sverige lönar det sig att ha kombinerad el och värmeproduktion jämfört med bara värmeproduktion. På elproduktionen i ett kraftvärmeverk betalar man ingen koldioxidskatt eller energiskatt medan man på värmen beskattas som industrins värmeöverskott, i praktiken ingenting. Det enda man därför behöver skatta för är då svavel samt kväveoxider. Om man eldar biobränslen/torv betalar man i praktiken ingen skatt alls. Detta gör att man kan hålla nere kostnaderna och ökar därför lönsamheten. För värmeverk däremot betalar man energiskatt, koldioxidskatt samt de övriga svavel och kväveoxid skatterna. I figur 5 kan man se hur mycket ett värmeverk behöver skatta för olika bränslen. 11

13 Fördelar och nackdelar Fördelar: Med ett kraftvärmeverk är att man får ut mycket mer energi utav bränslet än vanliga kondenskraftverk. Termisk verkningsgraden kommer att stiga betydligt, exempel på detta är Öresundsverket som har 89 %. Utsläpp per producerad energienhet är mycket lägre för ett kraftvärmeverk än för ett vanligt kondensverk. Beskattningen på samtidig värme och el produktion är lägre än för endast el produktion Nackdelar: Med ett kraftvärmeverk är att man behöver ha tillgång till vatten för att kyla ner verket och det medför att man måste uppföra verket nära vatten exempel hav, sjö eller vattendrag. Detta leder till att man endast kan uppföra verken i städer som ligger nära dessa källor eller att man bygger ett stort kyltorn, vilket inte kommer att uppskattas av boende i närheten då dessa är väldigt stora. Man kan inte transportera fjärrvärmen för långa sträckor eftersom värmeförlusterna från rören blir för stora. Krävs fler pumpar vilket medför mer service samt fler delar som kan gå sönder. 12

14 Framtid Tredjepartsavtal Om förslaget av tredjepartsavtal för fjärrvärme skulle gå igenom kan kraftvärmen förvänta sig stora problem med ekonomin. Deras kostnader kommer vara desamma som innan men intäkterna kommer att minska vilket kan göra det mindre attraktivt att bygga effektiva kraftvärmeverk. Vanliga värmeverk kan i princip elda vad som helst eftersom temperaturen de vill uppnå är ganska låg, fjärrvärmevatten ska maximalt ha en temperatur på 120 o C vilket betyder att eldningstemperaturen behöver ligga mellan o C. Effektiva kraftvärmeverk har högre bränslekrav eftersom de måste producera ånga med en temperatur på o C för att ha en bra elproduktion. Detta gör att kraftvärmen kan ha mycket högre bränslekostnader än för ett vanligt värmeverk och ett borfall på värmeintäkten kan bli ett hårt slag. Skatter Om man i framtiden skulle ändra beskattningen på kraftvärme, t.ex. att de måste betala energiskatt och koldioxidskatt, skulle kostnaderna öka väldigt mycket, vilket skulle resultera i höga priser för konsumenten eftersom de idag kan sälja till lägre pris pga. skattereduktion. Om skatter skulle tillkomma blir det troligtvis mer lönsamt för värmeverken att sälja sin fjärrvärme vilket, i kombination av ett tredjepartsavtal, skulle innebära liten försäljning av värme från kraftvärmen pga. priserna antagligen blir högre än vad ett värmeverk kan erbjuda. Utveckling Utvecklingen går konstant framåt, dock väldigt långsamt och med små steg. Man utvecklar ständigt nya turbiner, effektivare värmeväxlare och nya material som tillåter högre eldningstemperaturer som ökar ångtemperaturen vilket leder till bättre effekt samt verkningsgrad. Högre eldningstemperatur leder till högre utsläpp av NOx vilket kräver bättre rening. Koldioxidreningen kommer förhoppningsvis att förbättras utan att sänka verkningsgraden på anläggningen. 13

15 Kärnkraften = kraftvärme Om kärnkraften får en fortsatt stor roll i den Svenska el produktionen borde en ny utredning genomföras om att använda spillvärmen till fjärrvärme. Med en elproduktion på TWh och en verkningsgrad runt 30 % så blir det enorma mängder spillvärme som bara kastas bort. Även om man kommer få stora överföringsförluster (måste transporteras långa sträckor) och energiåtgång för pumpar så kommer det troligtvis ändå bli ett vinnande koncept. Eftersom det handlar om långa sträckor kommer ledningarna passera mindre orter som man kan grena av fjärrvärme till för att på så sätt ge boende på mindre orter andra alternativ till uppvärmning än småpannor och värmepumpar, förutsatt att majoriteten utav de boende i ett område är intresserade av detta eftersom det är höga investeringskostnader. 14

16 Källförteckning Energiläget 2010, Energimyndigheten 15

17 Q & A 1. Ge en fördel och en nackdel med kraftvärme Svar fördel (välj en av dessa): 1. Med ett kraftvärmeverk är att man får ut mycket mer energi utav bränslet än vanliga kondenskraftverk. 2. Termisk verkningsgraden kommer att stiga betydligt, exempel på detta är Öresundsverket som har 89 %. 3. Utsläpp per producerad energienhet är mycket lägre för ett kraftvärmeverk än för ett vanligt kondensverk. 4. Beskattningen på samtidig värme och el produktion är lägre än för endast el produktion Svar nackdel (välj en av dessa): 1. Med ett kraftvärmeverk är att man behöver ha tillgång till vatten för att kyla ner verket och det medför att man måste uppföra verket nära vatten exempel hav, sjö eller vattendrag. Detta leder till att man endast kan uppföra verken i städer som ligger nära dessa källor eller att man bygger ett stort kyltorn, vilket inte kommer att uppskattas av boende i närheten då dessa är väldigt stora. 2. Man kan inte transportera fjärrvärmen i för långa sträckor då skulle värmeförlusterna från rören bli förstora. 3. Krävs fler pumpar vilket medför mer service samt fler delar som kan gå sönder. 2. Hur många procent av Sveriges totala elproduktion står kraftvärmeverken för? Svar: 7 % 16