Jämförelse mellan fjärrkyla med och utan lagring

UMEÅ UNIVERSITET Projektarbete Institutionen för Tillämpad Fysik och Elektronik 2008-03-24 Jämförelse mellan fjärrkyla med och utan lagring Anna Persson Camilla Svensson Sammanfattning Då användningen av kyla ökar i dagens samhälle, i takt med det ökande hotet av global uppvärmning, och den energi som kylmaskiner och värmepumpar förbrukar uppgår till 10-20 % av världens totala energiförbrukning, finns det belägg för att effektivisera produktionen. Syftet med det här arbetet är att jämföra värmedriven fjärrkyla med lagringsmöjlighet, med kylanläggningar utan lagringsmöjlighet. Närmare har det valts att jämföra en fjärrvärmedriven absorptionskylanläggning med ackumulatortank och en kompressionskylanläggning utan lagring. Valet av köldmedium kan också vara av stor vikt ur miljöhänsyn, tack vare förbudet mot freoner 1999 har nu en mängd mindre miljöskadliga ämnen tagits fram. Vid jämförelsen mellan de två ovan nämnda produktionsmetoderna visades det att värmedriven fjärrkyla på lång sikt lönade sig för producenten. Med tanke på det troligen ökande el- och kylbehov som stundar är det alltså mest lönsamt att i kraftvärmeverk kunna bibehålla en högre produktion även under sommarhalvåret. Detta genom att producera och lagra kyla i en ackumulatortank. Projektarbete i kursen Energilagringsteknik 7,5 hp Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik, Umeå universitet Handledare: Lars Bäckström och Åke Fransson

Innehållsförteckning Inledning... 3 Syfte... 3 Metod... 4 Absorptionskyla... 4 Kompressionskyla... 6 Lagring av kyla... 6 Produktionskostnad... 7 Miljöpåverkan... 7 Litiumbromid... 7 Ammoniak... 7 R314a... 8 Köldmedium med freon... 8 Teori... 8 Resultat... 10 Diskussion... 10 Referenser... 11 2

Inledning Användningen av kyla för komfortabelt inomhusklimat ökar i dagens samhälle. Värden över sker framställningen av kyla i huvudsak av eldrivna kylmaskiner med hjälp av ångkompressionsteknik. Den energi som går åt att köra alla slag av kylmaskiner, inklusive klimatanläggningar och värmepumpar, utgör mellan 10 och 20 procent av världens totala energiförbrukning [1]. De senaste 30 åren har världens energiförbrukning tredubblats. Kolkondens används idag vid spetslast i Europa året om. Kolkondenskraften bidrar kraftigt till CO 2 -utsläpp, varför det är viktig att minimera användningen av detta. Den hotande globala uppvärmningen är ett av skälen till att kyla måste produceras på ett mer effektivt sätt. Vid ett befintligt fjärrvärmesystem börjar det bli allt vanligare att även producera fjärrkyla, detta eftersom kapaciteten inte utnyttjas fullt ut under sommaren. Med värmedriven kyla används fjärrvärmevatten även på sommaren i större utsträckning och kraftvärmeverket kan producera mer el. Centralt producerad kyla kan ge bättre möjlighet till lagring vilket medför att produktionen kan ske under off-peak perioder. Ett alternativ till absorptionsvärmepump är kompressionskylare som har en bättre verkningsgrad men drivs av el Fjärrkyla är ett storskaligt system som distribueras på samma sätt som fjärrvärme. Genom att använda ett centralt aggregat minskas även underhåll och buller i den enskilda lokalen. Flertalet studier har gjorts inom området på senare tid då intresset för samproduktion av elkraft, värme och kyla har ökat. Kombinerad produktion av el, värme och kyla sker med bättre bränsleutnyttjande än vid separat framställning [2] Syfte Syftet med projektet är att jämföra värmedriven fjärrkyla som har lagringsmöjligheter med kylanläggningar utan lagringsmöjligheter för att få en uppfattning hur stor skillnaden är mellan metoderna. 3

Metod Absorptionskyla Absorptionstekniken har en lång historia. Redan 1859 uppfann en fransman vid namn Ferdinand Carre absorptionskylaren. Inom några år byggdes maskiner baserade på denna princip i USA, framförallt för att göra is och förvara mat. Tillverkningen av absorptionskylmaskiner i Europa har varit begränsad, men intresset för tekniken har ökat på senare år [2]. En absorptionskylare drivs av värme och tekniken bygger på traditionell termodynamik. Värme förflyttas med värmeväxlare och fasövergångar från den plats där man vill kyla. En absorptionskylare kan använda enbart värme för att driva processen, men i vissa system kan processen behöva kompletteras med en eldriven pump. Denna pump används för att cirkulera köldmediet, trycksätta mediet och höja verkningsgraden. För att driva absorptionsprocessen krävs ett arbetsmedium, en absorbent och ett köldmedium. De vanligaste arbetsmedierna är vatten/libr och ammoniak/vatten. Principen för absorptionskylteknik baserad på litiumbromid beskrivs i figur 1. Figur 1. Principskiss för absorptionskylteknik, bilden är hämtad från Göteborg Energis hemsida. 1. I förångaren produceras kylan genom att köldmediet, vattnet, tar upp värme från fastighetens köldbärarsystem och på så sätt förångas. Köldmediet förångas vid låga temperaturer eftersom det råder ett undertryck i förångaren. 2. I absorbatorn skapas undertrycket genom att litiumbromid (LiBr) absorberar vattenångan. Vatten + LiBr-lösningen pumpas - varvid trycket höjs - till generatorn. 3. I generatorn tillsätts fjärrvärme för att koka vattnet. Vattenångan leds till kondensorn. LiBr (stark lösning) förs tillbaka till absorbatorn för att på nytt binda vattenånga. 4. I kondensorn avges värme genom kondensering. Efter att vattenångan kondenserat återförs den till förångaren. Köldmediets kretslopp är fullbordat. 4

Absorptionskylaren kan ge kyltemperaturer mellan 10 och -60 C, vilken temperatur man erhåller beror på val av köldmedium, drivvärmetemperatur samt vilket system man använder. Absorptionsprocesser med ammoniak/vatten används ofta inte i storskaliga fjärrkylasystem eftersom COP för en ammoniak-vattenkylmaskin är låg och konstruktionen är komplicerad. Det låga värdet på COP beror på flera faktorer. Ammoniak är köldmediet i processen och det har lägre ångbildningsvärme än vatten och vattnet som fungerar som absorbent har ett ångtryck som skiljer sig från noll och ångparet måste därför separeras. Tack vare den interna värmeväxlingen i kylmaskinen mellan generatorn och absorbatorn är COP för en ammoniakvatten absorptionskylmaskin normalt 0,5 [2]. Förutsättningen för ett ammoniak/vattensystem är att drivvärmekällan har en temperatur mellan 100 och 200 C och en temperatur som är tillräckligt för att under tryck få ammoniaken att lämna vattnet. Processen med Li/Br skiljer sig något jämfört med en absorptionskylare som använder ammoniak/vattensystemet. Principen bygger på att saltet har högre kokpunkt än vatten vid samma tryck. I denna process är det vatten som fungerar som köldmedium och litiumbromid som absorbent. Det finns i huvudsak två typer av absorptionskylare då vatten/libr processen med lyft används, enstegslyft och dubbeleffektlyft. Ett trestegssystem är under utveckling. En enstegs LiBr-absorptionsvärmepump har två trycknivåer, en låg trycknivå i förångaren och absorbatorn och en högre trycknivå i generatorn och kondensorn. Värden på COP kring 0,7 är enligt litteraturen [2] vanliga för eneffekts litiumbromid-absorptionskylmaskiner Den viktigaste skillnaden mellan en process med enstegs- och tvåstegslyft är att ytterligare en trycknivå tillkommer med en högtrycksgenerator och en högtryckskondensor hos en process med tvåstegslyft. Den värme som avges från högtryckskondensorn kan då återanvändas i en lågtrycksgenerator. Detta medför att mer värme kan absorberas vid den låga temperaturen i förångaren vid samma ingående värmemängd. En tvåstegskylmaskin kräver en högre temperatur hos drivvärmen jämfört med en enstegskylmaskin men ger högre värde på COP [2]. Absorptionsprocesser med litiumbromid begränsas av saltets egenskaper. Litiumbromid sönderfaller vid 160 C vilket sätter en gräns för hur varm drivvärmen får vara, vid högre temperatur kan problem i form av korrosion uppstå. Koncentrationen av litiumbromid då saltlösningen når absorbatorn avgör hur stort temperaturlyftet blir. Saltet får inte kristalliseras samtidigt som koncentrationen av saltet i lösningen ska maximeras. Kristallisationsgränsen påverkas av trycket och ju lägre tryck desto lägre kristallisationsgräns. Önskar man att få ett större temperaturlyft krävs fler lyftsteg i processen. Det finns möjlighet att driva absorptionskylmaskiner med lågtemperaturvärme på 70 90 C om man har tillgång till kylvatten med tillräckligt låg temperatur. Arbetsprincipen för en så kallad halvstegskylmaskin är densamma som för en dubbellyftkylmaskin utan intern värmeväxling. Kylmaskinen har två generatorer och två absorbatorer, en kondensor och en förångare. Ett COP på 0,6 har rapporterats för 80 C drivtemperatur och 60 C returtemperatur, vilket ger 300 kw producerad kyla [2]. 5

Kompressionskyla En kompressionskylmaskin fungerar enligt samma princip som ett kylskåp. De delar som ingår i en kylmaskin är förångare, kompressor, kondensor och expansionsventil samt ett köldmedium, se figur 2. Varm omgivning 3 4 2 1 Kall omgivning Figur 2. Principskiss över kompressorkylmaskinen där, 1 är förångaren, 2 kompressorn, 3 kondensorn, och 4 expansionsventilen. Beroende på om kylmaskinen är vatten eller luftkyld kan COP ligga mellan 2 och 4,5 för storskalig framställning av kyla [2]. Lagring av kyla Genom att ha möjlighet att lagra kyla kan energi utnyttjas under off-peak perioder. Detta medför även att en kylmaskin kan köras med optimal effekt och driften blir säkrare eftersom en back-up finns vid kortare driftstopp. Sensibel CTES i en ackumulatortank är en relativt billig och beprövad teknik. Storlek på tank beräknas utifrån medel- och maxeffekter för dagsläget och framtida prognoser. Som räkneexempel för hur mycket som kan sparas genom att använda lagring av kyla används Umeå Energi [3]. Enligt Leif Säfsten på Umeå Energi är årsmedeleffekten för kyla för Umeå Energis kunder 1,2 MW, men det största kylbehovet finns under sommaren. Maxeffekten på nätet är 7 MW. Och absorbtionskylmaskinen är på 5 MW. Verkningsgraden på kylmaskinen är 0,72. 6

Temperaturen på kylvattnet ut till kunden är 6 C och det vatten som kommer tillbaka är 16 C. Fjärrvärmevattnet, dvs. drivvärmen för absorptionskylmaskinen, varierar mellan 120 C och 75 C över året. För att kunna svara på efterfrågan under peak-perioderna behövs en ytterligare kyleffekt på 2 MW utifrån absorptionskylmaskinen. Ett alternativ är att lagra kyla under perioder med lägre efterfrågan. Utan lagringsmöjligheter kan ett alternativ vara att vid behov tillverka kyla med kompressordriven värmepump. Produktionskostnad Följande antaganden görs: Ackumulatortanken laddas under off-peak perioder när den fjärrvärme som används som drivvärme inte behövs till något annat. Om absorptionspumpen använder fjärrvärmevattnet, så får kraftverket en värmesänka och mer el kan produceras. Den kyla som lagras skulle annars behöva produceras momentant och absorptionskylmaskinen räcker inte till för detta. Kylan kan istället produceras med en eldriven kompressorkylmaskin. All kyla säljs för samma pris, och elpriset beräknas vara konstant 42,8 öre/kwh. För absorptionsvärmepump har ett COP = 0,6 rapporterats för 80 C drivtemperatur [2] COP = 4 används för en kompressordriven värmepump Dåva kraftvärmevärk har en effekt på 65 MW: fjärrvärme 55 MW + el 10 MW [3] Miljöpåverkan Litiumbromid Litiumbromid är en saltlösning som inte behöver bytas ut [4]. Det är giftigt om det sväljs i större kvantiteter och kan ha en frätande effekt vid hudkontakt. Utsätts man kroniskt för litiumbromid kan det påverka centrala nervsystemet och leda till depression varför god ventilation vid absorptionskylaren är önskvärd. Litiumbromid anses inte ha någon växthuspåverkan och det är bara farligt för människor vid direktkontakt. Processen för absorptionskylaren är sluten, varför ingen förlust av vare sig vatten eller köldmedium beräknas uppstå. Ammoniak Ammoniak är en färglös gas med en stark och irriterande doft [5]. Den är även frätande på hud och andningsorgan. Det bör därför vidtas försiktighetsåtgärder vid hantering av ämnet. Ammoniak anses inte ha någon växthuspåverkan och det är bara farligt för människor vid direktkontakt. Ämnet innehåller kväve och bidrar därför starkt till övergödning då den släpps ut i vattenmiljöer. 7

R314a Umeå Energi [3] använder köldmediumet R314a i sina adsorptionsvärmepumpar. Det påverkar inte nedbrytningen av ozon, som många andra köldmedier gör. Däremot bidrar det till växthuseffekten. Köldmedium med freon Sedan andra världskriget har de vanligaste köldmedierna bestått av CFC-föreningar, så kallade freoner [6]. Freonerna verkade som en katalysator vid nedbrytning av ozon i stratosfären vilket gjorde att en avvecklingsplan för användningen av CFC utformades genom det internationella Montrealprotokollet. Freoner har varit förbjudna sedan 1999, varpå man utvecklat andra alternativ. Detta fick användningen av freoner att minska och ozonhålet att sakta återhämta sig. Ozonskiktet absorberar ultraviolett ljus, UV-B-strålning, från solen. Om strålningen inte absorberades av ozonskiktet skulle den orsaka stora skador på växter, djur och människor eftersom UV-B-strålningen kan sönderdela molekyler. Som ersättare till freoner användes HFC medium som köldmedium. De innehåller mindre klor och de anses inte ha en negativ inverkan på ozonlagret, men är däremot en stark växthusgas och är därför inte heller önskvärd att använda som köldmedium. Teori Effektiviteten hos en kylmaskin anges med Coefficient of Performance, COP. För en kylmaskin beräknas COP med ekvation 1. Q W L COP = = net, in Q Q L gen (1) Q L är värmeflöde från kylnät och Q gen = Q H - Q L där Q H är värmeflöde från värmekällan. Pumpens arbete kan försummas för en absorptionskylmaskin, då den energitillförseln är mycket mindre än energin hos drivvärmen [7]. 8

För en absorptionskylmaskin är temperaturen ofta densamma i absorbator och kondensor och då kan COP förenklas till ekvation 2 [8]. T = O TL COPadsorption 1 (2) TS TO TL Där de olika temperaturerna åskådliggörs i figur 3. T S Varma sidan T O Q gen Värmemaskin W = Qgen Kylmaskin Q L = COP W T O Kalla Sidan T L Figur 3.Principskiss över en absorbtionskylmaskin. T S är vämrekällans temperatur, T O är omgivningens temperatur och T L är den kylda omgivningens temperatur. Volymen på en ackumulatortank bestäms utifrån hur mycket energi som ska lagras. Energimängden, Q, i ackumulatortanken fås ur ekvation 3 Q = V ρ C p T (3) Där V är volymen, är densiteten, C p är specifika värmekapaciteten för vatten och T är temperaturskillnaden. 9

Produktionskostnaden för kyla producerad med absorptionskylmaskin som drivs av fjärrvärme beräknas ur uttryck 4. Produktionskostnad absorptionskylmaskin = kostnad fjärrvärme inkomst el (4) Produktionskostnaden för kyla producerad med kompressorkylmaskin som drivs av el beräknas ur uttryck 5. Produktionskostnad kompressorkylmaskin = kostnad el (5) Resultat För att svara mot en framtida ökning av efterfrågad kyleffekt och för att öka leveranssäkerheten räknades det på en effekt på 4 MW som räcker i 8 timmar, det vill säga en lagring av 32 MWh kyla. En ackumulatortank på 2746 m 3 beräknas behövas om man bortser från värmeförluster och pumparbete. 1 MWh kyla med kompressordriven kylmaskin kostar 237 kr mer att producera än 1 MWh lagrad kyla. Umeå Energis tank på 4000 m 3 har en investeringskostnad på 14 Mkr. Kostnaden för den mindre tanken på 2746 m 3 uppskattas till 10 Mkr, om priset är proportionellt mot volymen. För att tjäna in dessa investeringskostnader måste tanken laddas 1300 ggr. Diskussion Den uträknade storleken på 2746 m 3 kan jämföras med den ackumulatortank som Umeå Energi har byggt för kyllagring som är på 4000 m 3. Skillnaden i storlek beror antagligen på att de har förväntningar om att kunna bygga ut fjärrkylan i området inom en kort framtid och att det inte har tagits hänsyn till några förluster i beräkningarna i detta projekt. Under sommaren är efterfrågan på fjärrvärme låg, men då bibehållen elproduktion önskas är värmedriven kyla ett bra sätt att utnyttja fjärrvärmevattnet. För en ackumulatortank är det stora investeringskostnader som det tar lång tid att ekonomiskt tjäna in. Men med tanke på den ökade efterfrågan på elkraft så är det troligt att elpriset kommer att höjas framöver. Miljön har mycket att vinna på lagring av energi, detta för att kunna ta tillvara på lågvärdig energi och minska användningen av energi under peak-perioder. Marginalelen beräknas idag att komma från kolkondens. Kylbehovet varierar kraftigt över säsong och under dygnet. Lagringsmöjligheter i form av t.ex. en ackumulatortank har fördelen att dimensionering av kylmaskiner kan göras för en lägre effekt och kan köras med jämnare produktion. Systemet är också mindre känsligt för kortare driftstopp. 10

Referenser [1]Lucas. L, 1998: IIR news: International Journal of Refrigeration, vol. 21 nr 2 sida 87-88.r [2]Rydstrand M., Martin V., Westermark M., 2004: Värmedriven kyla. Energiprocesser, KTH Rapport på svenska utgiven av Svensk Fjärrvärme, FOU 2004:112. ISSN 1401-9264 [3] Umeå Energi: www.umeaenergi.se [4] Miljörapport: Värmepumparna och kylmaskinen i Västerås 2003. och Utveckling [5] Kemikalieinspektionen: http://www.kemi.se/default.aspx?id=3 [6] Naturvårdsverket:http://www.naturvardsverket.se/sv/Tillstandet-i miljon/ozonskiktet/utslappen-minskar/ [7] Cengel. Y, Boles. M, 2002: Termodynamics: an Engineering approach. 4th ed. New York, McGraw-Hill, ISBN 0-07-112177-3 [8] M. Sc. Mohamed Morsy Abdel Meguid Salama El Gohary, 2004: Diesel Engines and Solar Energy for Electric and Cooling Application, Doktorsavhandling, der Universität Hannover 2004:112 11