Värmepumpens inverkan på elnätet

Värmepumpens inverkan på elnätet Linus Grönvall & Jonas Nyman Författare B o.s.v. Högskolan på Åland serienummer 03/2014 Program Maskinteknik Mariehamn 2014 ISSN 1458-1531 Mariehamn 2009

Examensarbete Högskolan på Åland Utbildningsprogram: Författare: Arbetets namn: Handledare: Uppdragsgivare: Maskinteknik Linus Grönvall & Jonas Nyman Värmepumpens inverkan på elnätet Göran Henriksson Kraftnät Åland Abstrakt: Detta arbete är utfört åt Kraftnät Åland AB med syftet att undersöka hur olika värmepumpar påverkar elnätet. Eftersom effekttopparna bara har stigit de senaste åren och mängden värmepumpar ökar så har detta arbete utförts för att undersöka om det finns något samband mellan dessa saker. Arbetet har utförts genom att undersöka elförbrukningsdata från olika användare med värmepumpar både före och efter installation av värmepumpen. Grafer över förbrukningen som funktion av temperaturen har gjorts över enskilda förbrukare med olika värmepumpar, det totala ålandska elnätet och enskilda områden med endast värmepumpar som uppvärmningskälla. Dessa grafer har jämförts med varandra och med teoretiska grafer för att se om uppvärmningsbehovet har ändrats. Som resultat har vi fått att elbehovet för uppvärmning har ändrats samt att beroende på vilken sorts värmepump man har så påverkas elnätet på olika sätt. Nyckelord (sökord): Värmepump, funktion, elnät, inverkan, COP, luft/luft värmepump, luft/vatten värmepump, bergvärme, jordvärme Högskolans serienummer: ISSN: Språk: Sidantal: 03/2014 1458-1531 Svenska 39 Inlämningsdatum: Presentationsdatum: Datum för godkännande: 24.01.2014 05.12.2013 04.02.2014

Degree Thesis Högskolan på Åland / Åland University of Applied Sciences Study program: Author: Title: Academic Supervisor: Technical Supervisor: Marine engineering Linus Grönvall & Jonas Nyman The Effect of the Heat Pump on the Power Grid Göran Henriksson Kraftnät Åland Abstract: This work is carried out for Kraftnät Åland AB with the purpose to investigate how different heat pumps affect the power grid. Since the power peaks are getting bigger every year and the amount of heat pumps is increasing this work has been conducted to examine whether there is any connection between these things. The work has been carried out by examining electricity consumption data from different users with heat pumps, both before and after installation of the heat pump. Graphs of consumption as a function of temperature have been made from consumers with various pumps, the total power grid and single areas with only heat pumps as heating source. These graphs have been compared with each other and with theoretical graphs to see if the heating demand has changed. As a result, we concluded that the electricity demand for heating has changed, and that depending on the type of heat pump you have the effect on the grid will be different. Key words: Heat pump, function, power grids, affect, COP, air / air heat pump, air / water heat pump, geothermal heat Serial number: ISSN: Language: Number of pages: 03/2014 1458-1531 Swedish 39 Handed in: Date of presentation: Approved on: 24.01.2014 05.12.2013 04.02.2014

INNEHÅLL 1. INLEDNING... 3 1.1. Uppdragsgivare... 3 1.2. Syfte... 3 1.3. Metoder... 3 1.3.1. Jämförande av mätdata... 3 1.3.2. Intervjuande av branchfolk... 4 1.3.3. Material från tillverkare... 4 1.3.4. Andra arbeten inom samma område... 4 1.4. Begränsningar... 4 2. VÄRMEPUMPEN... 5 2.1. Uppbyggnad och funktion... 5 2.1.1. Förångaren... 5 2.1.2. Kompressorn... 5 2.1.3. Kondensorn... 6 2.1.4. Strypanordningen... 6 2.1.5. Köldmedium eller arbetsmedium... 6 2.1.6. Kompressorprocessen... 6 2.2. Värmekällor... 7 2.2.1. Luft... 8 2.2.2. Jord... 8 2.2.3. Berg... 9 2.3. Värmefaktorn (COP)... 9 3. EFFEKTIVITETEN HOS DE OLIKA VÄRMEPUMPARNA... 10 3.1. Luft... 10 3.2. Jord... 11 3.3. Berg... 12 4. ELFÖRBRUKNINGEN PÅ ÅLAND... 14

5. FÖRÄNDRING AV UPPVÄRMNINGSBEHOVETS ELBEROENDE... 17 5.1.1. Direkt el teoretisk... 18 5.1.2. Luft/luftvärmepump teoretisk... 18 5.1.3. Bergvärme teoretisk... 19 5.1.1. Oljeeldning/biobränsle... 20 5.1.2. Sammanställning av de teoretiska graferna... 20 5.1.3. Den verkliga förändringen på det totala nätet... 21 6. VÄRMEPUMPARNAS INVERKAN PÅ ELNÄTET... 23 6.1. Luft/luft... 23 6.2. Luft/vatten... 27 6.3. Jord/berg... 29 6.3.1. Jämförelse med teorin... 30 6.3.2. Jämförelse med hela elnätet... 30 6.3.3. Jämförelse med luftvärmepump... 31 6.4. Byte från icke elbaserad uppvärmning till värmepump... 31 6.4.1. Byte från icke elbaserad uppvärmning till bergvärmepump... 32 6.4.2. Komplement med luft/luftpump till icke elbaserad uppvärmning... 32 7. ANVÄNDNING AV DE OLIKA PUMPTYPERNA PÅ ÅLAND... 33 7.1. Luft... 33 7.2. Berg... 34 8. SLUTSATSER... 35 8.1. Inverkan på elnätet i nuläget... 35 8.1.1. Den totala förbrukningen på Åland... 35 8.1.2. Luftvärmepumpar... 35 8.1.3. Berg/jordvärmepumpar... 36 8.2. Inverkan på elnätet i framtiden... 36 8.2.1. Ökande mängd luftvärmepumar... 36 8.2.2. Ökande mängd berg/jordvärme... 37

KÄLLOR... 38

1. INLEDNING 1.1. Uppdragsgivare Vår uppdragsgivare för detta arbete är Kraftnät Åland Ab. Kraftnät Åland Ab äger och driver stamnätet för elkraften på Åland vilket motsvarar ca 300 km långa 110 kv och 45 kv ledningar med stationer, utlandsförbindelser och IT-system. Eftersom Kraftnät Åland Ab är ansvariga för el på Åland så har de ansvaret att se till att balans råder mellan produktion/införsel och elförbrukningen samt att det finns reservkraft i stamnätet då elförbrukningen blir högre än normalt. 1.2. Syfte Kraftnät Åland har gjort mätningar på att den totala elenergiförbrukningen har ökat varje år samt att de uppmätta effekttopparna bara blir högre. De höga effekttopparna kan orsaka problem på elnätet eftersom den tillgängliga elen snart inte räcker till. Syftet med detta arbete är att undersöka om effekttopparna beror på en ökad användning av olika sorters värmepumpar som uppvärmningskälla. Eftersom det är svårt för Kraftnät Åland att göra någonting åt de höga effekttopparna så kommer vårt arbete mest att gå ut på att undersöka hur det ser ut med användningen av diverse värmepumpar, hur effektiva dessa är i olika förhållanden samt hur de påverkar elnätet. Våra undersökningar skall förhoppningsvis ge Kraftnät Åland en fingervisning på hur elförbrukningen och effekttopparna kommer att bli de närmaste åren när man vet hur mycket värmepumparna påverkar. 1.3. Metoder 1.3.1. Jämförande av mätdata Vi har från Kraftnät Åland fått förbrukningsdata för hela det åländska elnätet. Från Elandelslaget och Mariehamns stad har vi fått förbrukningsdata från enskilda användare med olika kända uppvärmningskällor. Förbrukningsdatan från enskilda förbrukare har vi samlat in genom att knacka dörr i de områden där digital avläsning funnits längst tid och frågat om lov att se på deras elanvändning. En fullmakt gjordes med de användare som var med på projektet och dessa lämnades in till Mariehamns stads elverk innan vi fick mätdatan. Från dessa mätdata har vi sedan skapat diagram och tabeller för att kunna jämföra bl.a. elförbrukningen och effekttoppar för olika typer av värmepumpar. 3

1.3.2. Intervjuande av branchfolk Vi har intervjuat installatörer av värmepumpar från flera olika firmor på Åland för att få deras uppfattningar om hur värmepumpar påverkar elnätet, för att få mer kunskap om värmepumpar, försöka få reda på hur många värmepumpar som installerats samt även fakta om hur de dimensionerar pumpar vid installation. 1.3.3. Material från tillverkare Vi har använt oss av flera olika tillverkares material för att studera olika pumptyper, hur dessa fungerar samt hur effektiva de är vid olika förhållanden. 1.3.4. Andra arbeten inom samma område På internet hittade vi några rapporter över studier som delvis berörde vårt ämne som hade utförts i Sverige. Dessa rapporter lästes igenom för att se vilka metoder som hade använts och vilka resultat som erhållits. 1.4. Begränsningar Vi har i detta arbete valt att inte undersöka inverkan från vattenvärmepumpar. Detta beror på att vi från ÅMHM har fått fakta på att det sedan år 2001 och framåt endast har gjorts 19 st ansökningar om att få dra slingor i hav/sjöar, största delen för egnahemshus. Efter lite studier om vattenvärmepumpar anser vi att denna mängd inte har nån inverkan på de stora effekttopparna. Till detta arbete behövde vi ha timbaserda förbrukningsdata vilket ledde till att vi fick begränsa oss till Mariehamn och Elverkets kunder eftersom att de är enda som har installerat timbaserad mätning. Timbaserad avläsning är ganska nytt så för att få mätdata för några år tillbaka behövde vi även begränsa oss till området Västernäs- Östernäs eftersom att där installerades timbaserad avläsning år 2009. 4

2. VÄRMEPUMPEN För dem som inte har så stor kunskap om värmepumpar kommer i detta kapitel en grundläggande beskrivning om hur en värmepump är uppbyggd och fungerar, en sammanfattning om vilka olika värmepumpstyper det finns samt lite hur man bestämmer deras effektivitet. 2.1. Uppbyggnad och funktion En värmepump är en teknisk annordning som överför värme från en kall plats till en varmare. För att denna process skall vara möjlig måste en viss mängd energi tillföras, oftast är det elenergi. Principiellt kan man säga att tekniken i en värmepump är densamma som i en kylanläggning men med den stora skillnaden att en värmepump används för att värma istället för att kyla. Den teknik som man oftast använder sig av i värmepumpar kallas för kompressorprocessen. Kompressorprocessen är uppbyggd av fyra huvudkomponenter: förångare, kompressor, kondensor och strypanordning. Dessa delar är förbundna med ett slutet rörsystem. I systemet cirkulerar även ett köldmedium/arbetsmedium som i vissa delar av kretsen är i vätskeform och i andra delar i gas/ångform. 2.1.1. Förångaren För att få en vätska att börja koka eller förångas behövs värmeenergi och tillräckligt lågt tryck så vätskan kan börja koka eller förångas vid rätt temperatur. Detta är just vad som erhålls i anläggningens förångare. Förångaren är den del som upptar värmeenergin från den värmekälla som man har (t.ex. luft eller jord) och överför den energin till köldmediet. Det låga tryck som behövs erhålls genom att köldmediet har passerat strypanordningen. När värmeenergin överförs till köldmediet börjar det koka vilket leder till att det går från vätskeform till gasform. (Nydal, Roald, 2010) 2.1.2. Kompressorn För att kunna erhålla en förångning av vätskan i förångaren måste den gas som bildas bortföras för att bibehålla den låga tryck som behövs. Kompressorn i anläggningen sköter om detta eftersom att den suger ut gasen som bildas i förångaren. Stoppar kompressorn ökar trycket över vätskeytan tills det råder jämnvikt mellan gas och vätska, därmed avstannar även värmeupptagningen. Gasen som kommer in på kompressorns 5

sugsida går in i kompressorn och komprimeras. Vid kompressionen får gasen ett högre tryck och högre temperatur. Från kompressorns trycksida fortsätter den varma gasen vidare till anläggningens kondensor där kondenseringen sker vid högre tempertur än förångningen p.g.a tryckskillnaden. (Nydal, Roald, 2010) 2.1.3. Kondensorn Kondensorns uppgift i anläggningen är att avge den värmeenergi som finns i gasen. När gasen passerar kondensorn kyls den ner och återgår till vätskeform, det är i detta skede som den värme som används för uppvärmning avges. Kylmedlet som upptar denna värmeenergi är oftast luft eller vatten. När köldmediet har passerat kondensorn och är på väg till strypanordningen så har det fortfarande ett högt tryck. (Nydal, Roald, 2010) 2.1.4. Strypanordningen Strypanordningens uppgift i processen är att släppa in tillräckligt med köldmedie till förångaren och samtidigt se till så att en tillräckligt stor trycksänkning görs så att köldmediet får rätta trycket för att kunna förångas vid tillräkligt låg temperatur. Vid trycksänkningen sänks även köldmediets temperatur. Strypanordningen är oftast en expansionsventil men i mindre anläggningar kan det även vara ett kapillärrör. Efter att köldmediet har passerat strypanordningen så fortsätter det till förångaren och processen upprepas. (Nydal, Roald, 2010) 2.1.5. Köldmedium eller arbetsmedium Ett köldmedie är den värmebärande vätskan som cirkulerar i kretsen.som tidigare känt så varierar en vätskas kokpunkt med trycket, har man högre tryck får man en högre kokpunkt. Om vi tar vatten som ett exempel så kokar det vid 100 C vid atmosfärstryck, om vi höjer trycket till det dubbla så ökar kokpunkten till 120 C medans om vi halverar trycket så sjunker kokpunkten till 80 C. Likandant gäller för ett köldmedie, dess kokpunkt ändras också med trycket. Köldmedier har dock den unika egensakpen att de börjar koka redan vid mycket låga temperaturer. Det kan vara så lågt som -40 C vid atmosfärstryck vilket gör att de kan användas även vid låga temperturer hos värmekällan. (Nydal, Roald, 2010) 2.1.6. Kompressorprocessen I figur 1 nedan finns illustrerat hur kompressorprocessen är uppbyggd. 6

Figur 1, i här ses var i kretsen de olika komponenterna finns och hur köldmediet går från gas till vätska. (Compricer, 2013) Det som är viktigt för att få kompressorprocessen att fungera är att köldmediet når en tillräckligt hög temeperatur vid komprimeringen för att kunna avge värme i kondensorn. Likaså måste vätskan nå en tillräckligt låg temperatur när den expanderar annars kan den inte uppta värme från omgivningen när den kommer in i förångaren. Men även tryckskillnaden måste vara tillräckligt stor för att köldmediet skall kunna kondensera på den varma sidan men fortfarande kunna förångas på den kalla sidan. Större temperaturskillnader mellan kalla och varma sidan leder till att det krävs en större tryckskillnad vilket gör att det behövs mera tillförd energi för att kompressorn skall kunna komprimera köldmediet. Detta leder till att en värmepumps verkningsgrad minskar med ökande temperturskilland. (Wikipedia, 2013 b) 2.2. Värmekällor När man pratar om olika typer av värmepumpar så delas de in i olika grupper beroende på varifrån de upptar värmen som används vid förångningen av köldmediet. Det finns fyra olika typer av värmepumpar: 7

Luftvärmepumpar Jordvärmepumpar Bergvärmepumpar Vattenvärmepumpar Eftersom att vi i detta arbete valt att inte undersöka inverkan från vattenvärmepumpen nämner vi endast att det finns en sådan värmepumpsmodell och går inte in något grundligare på den. 2.2.1. Luft Det finns två modeller av luftvärmepumpar, luft/luftvärmepumpar och luft/vattenvärmepumpar. En luft/luftvärmepump består av två delar, en utedel och en innedel. Luft/luftvärmepumpen utnyttjar som namnet säger uteluften som värmekälla. En eller flera fläktar blåser stora mängder luft genom förångaren där köldmediet förångas och överförs till innedelen. I innedelen kondenseras köldmediet genom att en fläkt blåser luft genom kondensorn och på så sätt avges värme till omgivningen. (SVEP, 2012 b) En luft/vattenvärmepump fungerar i stort sett på samma sätt som en luft/luft värmepump. Den upptar värme från uteluften. Köldmediet förångas och överförs till innedelens kondensor. Den största skillnaden är att värmen som avges i kondensorn överförs till ett vattenburet värmesystem, oftast radiatorer eller vattenburen golvvärme. (SVEP, 2012 b) 2.2.2. Jord Jordvärmepumpar utnyttjar värmen som finns lagrad i marken. Störst energi utvinns ur jord med hög vattenhalt. Värmen utvinns ur jorden genom att man gräver ner slangar med en frostskyddad vätska som cirkulerar och sedan avges den uppsamlade värmen i värmepumpens förångare. För att man effektivast skall kunna utvinna värme ur jorden bör man kunna lägga ut slangar på ett område av 400-600 m² och på ett djup mellan 0,6-1,5 m. (SVEP, 2012 a) 8

2.2.3. Berg En bergsvärmepump utnyttjar den värme som finns nere i berggrunden. Detta sker genom att man först borrar ett hål ner i marken oftast mellan 80-200 m beroende på hur nära berget man är och hur stor effekt värmepumpen har. Sedan läggs en kollektorslang som är fylld med en frosttålig vätska ner i borrålet och vätskan börjar cirkulera mellan borrhålet och värmepumpen och på så sätt får man värmeutvinning. (SVEP, 2012 c) 2.3. Värmefaktorn (COP) Hur bra en värmepump fungerar anges i värmefaktor, kallad COP (Coefficient Of Performance). Värmefaktorn anger hur mycket värmeenergi som produceras per tillförd elenergi. COP beräknas enligt följande formel: där Q är producerad värmeenergi och W är tillförd elenergi. Till exempel en värmepump med värmefaktor 3,5 och 2 kw tillförd elenergi får man följande producerade värmeenergi: kw värmeenergi. (Wikipedia, 2012) (Wikipedia, 2013 b) 9

3. EFFEKTIVITETEN HOS DE OLIKA VÄRMEPUMPARNA 3.1. Luft När det gäller luftvärmepumpar kan man säga att de är effektivare ju varmare uteluftstemperaturen är. COP-värdet för dessa pumpar anges av tillverkaren vid +7 o C utetemperatur och + 20 o C och är enligt tillverkarna ofta mellan 5 och 7 men detta är egentligen inget man kan se på då de utelämnar fläktar, pumpar och avfrostning och tillverkarna kan på så sätt ange ett betydligt högre COP-värde än det verkliga. Tabell 1 visar det verkliga COP-värdet och hur den inmatade och avgivna effekten förändras med ute temperaturen enligt tillverkaren. Tabell 1 Tabellen visar hur COP värdet ändrar med utetemperaturen för en luft/luftvärmepump, TV är avgiven värme och E är energibehovet. (VVS-kylcenter AB, 2012) Även om det i huvudsak är utetemperaturen som styr effektiviteten på pumpen så kan den ändå under vissa förhållanden vara effektivare vid en lägre temperatur då en låg utetemperatur innebär att luften blir torr och behovet av avfrostning minskar. Eftersom luftvärmepumparna ger mindre uppvärmningseffekt vid en lägre temperatur då det egentligen skulle behövas en större effekt leder detta till att det måste finnas en annan uppvärmningskälla som kan ta över en större del av uppvärmningen vid en lägre temperatur. Denna uppvärmningskälla är ofta direktel, då luftvärmepumpen ofta har installerats som komplement till detta. (SVEP, 2012 b) När det gäller luft/vattenvärmepumpar så kan sägas att de får ett högre COP ju lägre temperatur som kan hållas på vattnet då det är temperaturskillnaden på kondensatet och ångan som styr kompressorarbetet. Det är alltså fördelaktigare att använda en 10

luft/vattenvärmepump om man har ett lågtemperatursystem där radiatorerna inte behöver en högre vattentemperatur än ca 30-40 0 C för att hålla inomhustemperaturen på önskad nivå. Om en luft/vattenvärmepump används för att värma tappvatten så sjunker COP-värdet på pumpen eftersom att tappvattnet måste värmas till ca 60 o C för att undvika legionella bakterier och en större temperaturskillnad kräver ett större kompressorarbete. (SVEP, 2012 b) (Värmekällor, 2010) 3.2. Jord En jordvärmeanläggning är ett alternativ till bergvärme och har i regel en något lägre installationskostnad, men för att kunna utvinna energin ur marken krävs en relativt stor outnyttjad markyta där kollektorslangen kan grävas ner. För att en jordvärmeanläggning skall fungera under den kalla delen av året måste kollektorslangen vara nergrävd till frostfritt djup, i Norden är detta ca 90-150 cm. För att det inte skall uppstå tjälskott mellan kollektorledningarna skall dessa ligga med ett minsta avstånd till varandra på en och en halv meter. För ett genomsnittligt hushåll krävs 300-600 m kollektorslang och med ett avstånd på 1 och en halv meter skulle det behövas för 500 m kollektorslang en yta på ca 750 m 2 (27*27 m). (Byggahus, 2013) Man skall även undvika att lägga kollektorslangen i närheten av vatten eller avloppsledningar då kollektorslangen upptar värme från marken och kan bidra till att tjälen kryper längre ned i marken vilket kan resultera i att avlopps- och vattenledningar fryser. (Energimyndigheten, 2012 b) För att en jordvärmeanläggning skall fungera så bra som möjligt är det viktigt att marken lämpar sig för denna typ av anläggning. Lätt eller mellanlerig jord är den marktyp som bäst lämpar sig för jordvärme då den är relativt fuktig året runt och på det sättet leder värme bra. En alltför torr jord kan leda till att det blir dåligt energiutbytte med kollektorslangen och en alltför blöt jord kan i sin tur leda till att det bildas frost runt kollektorslangen. (Energimyndigheten, 2012 b) Vad gäller dimensionering av en jordvärmeanläggning kan sägas att det är detta som kommer att avgöra hur effektiv anläggningen kommer att vara. Man kan räkna med att en jordvärmeanläggning kommer att ha ett COP-värde på 3. Detta värde kommer inte att 11

variera så mycket under året då temperaturen i marken kommer att hållas någorlunda konstant året runt. Vid dimensionering av en jordvärmepump kan den inte dimensioneras för att klara av 100% av uppvärmningen då detta skulle leda till att pumpen vid normaldrift skulle bli att starta och stoppa väldigt ofta, med stort slitage som följd. Istället dimensioneras de till ca 85 % av det maximala uppvärmningsbehovet och resterande spetseffekt utgörs av en elpatron. Genom att dimensionera för 85 % av toppeffekten täcks nästan hela årets värmeeffektbehov och elpatronen behöver sällan slå in mer än några enstaka timmar de allra kallaste dagarna. Detta skulle kunna leda till toppar på elnätet men enligt de användare vi pratat med så är det sällan elpatronen slår in och de flesta har den helt bortkopplad. (Byggahus, 2013) 3.3. Berg Grundvattnet i Norden håller en någorlunda jämn temperatur på 6-8 grader året runt, och detta leder till att man kan räkna med att få en jämn effektivitet på värmepumpen, COP-värdet hålls någorlunda konstant oberoende av utetemperaturen. Effektiviteten beror till största delen på grundvattnets omsättning i borrhålet och längden på den vattenförande delen av borrhålet, då värme endast kan utvinnas ur den vattenförande delen. Det kan därför vara effektivare att borra ett snett hål och på så sätt få den vattenbärande delen att bli längre i ett och samma hål istället för att borra två hål rakt ner. (Energimyndigheten, 2012 a) Om den vattenförande delen i borrhålet är för kort eller att det är liten omsättning på grundvattnet kan det leda till att grundvattnets temperatur i och runt borrhållet sänks så mycket att permafrost bildas som inte tinar upp under årets varma tid. Det är dock normalt att temperaturen i botten på borrhålet sänks så pass mycket under vintern att det bildas ett litet islager där. Detta har dock ingen större inverkan på effektiviteten så länge islagret inte blir alltför stort då det är temperaturskillnaden som styr energi mängden som tas ut. Man får alltså ut lika mycket värmeenergi genom att sänka grundvattentemperaturen från -1 till -3 som från +8 till +6 grader. Det kan tvärtemot ha en liten positiv effekt då kontaktytan mot grundvattnet ökar. (Energimyndigheten, 2012 a) (Energimyndigheten, 2012 b) 12

Med ett normalt grundvattenflöde kan man räkna med 30-50 W effektuttag per meter vattenförande borrhål. Ett borrhål med 200 meter vattenförande del ger alltså en maximal effekt på: och detta räcker till ett normalt hushåll. (Wikipedia, 2013 a) Bergvärme är speciellt populärt där det av olika anledningar inte är möjligt att gräva ner jordvärme t.ex. i bostadsområden. Detta har dock visat sig vara problematiskt i vissa områden då en kombination av många borrhåll nära varandra och dålig grundvattenomsättning har lett till att grundvattnets temperatur har sänkts så pass mycket i området att permafrost bildats. En bergvärmepump har ett COP-värde på ca 3 vid en temperatur i kollektorslangen på 0-5 grader och det gör att uppvärmningskostnaderna kan sänkas med en tredjedel jämfört med direktel. Till skillnad mot en luftvärmepump kommer COP värdet inte att ändras vid en lägre ute temperatur. Detta leder till att en bergvärmepump som hela tiden jobbar med ett någorlunda konstant COP inte kommer att ge upphov till en lika stor toppeffekt. Vid dimensionering av en bergvärmepump så gäller samma saker som för dimensíoneringen för en jordvärmepump (se kapitel 3.2). När de första bergvärmepumparna började installeras hade de ett sämre COP-värde och de dimensionerades för 50-70% av effektbehovet. Detta leder till att äldre anläggningar kräver en betydligt större del spetslast och de bidra på så sätt till ökade effekttoppar på ett annat sätt än de som installeras idag. (Energimyndigheten, 2012 a) 13

4. ELFÖRBRUKNINGEN PÅ ÅLAND Vår uppdragsgivare ville att vi i detta arbete skulle presentera hur den totala elförbrukningen har sett ut på Åland de senaste åren. Vi har sammanställt den totala elförbrukningen för hela Åland mellan åren 2002-2012 eftersom att det är dessa år som vi har använt oss av för vårt fortsatta arbete (se figur 2). 310,000 300,000 290,000 280,000 GWh/år 270,000 260,000 250,000 240,000 230,000 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 År Figur 2 Den totala elförbrukningen på Åland mellan åren 2002-2012. År 2002 var den totala elförbrukningen på Åland 257 GWh och år 2012 har den siffran ökat till 296 GWh. Detta är en procentuell ökning på 13,2 %. Det år som den totala elförbrukningen var som högst var år 2010 med en förbrukning som låg på 300,273 GWh. Den enskilt största effekttoppen under åren 2002-2012 skedde den 15.02.2011 mellan kl. 09:00-10:00. Då var effekten uppe i 66,3 MW. I tabell 1 nedanför finns sammanställt de enskilt högsta topparna varje år för åren 2009-2013, vilken tidpunkt på dygnet de inträffade samt vad det var för temperatur vid tidpunkten. 14

Effekt MW Tabell 2 Sammanställning av de enskillt högsta effekttopparna för åren 2009-2013. År Högsta effekttoppen (MW) Datum Tidpunkt Veckodag Tempertur ( C) 2009 58,1 18.12 08-09 Fredag -8,1 2010 64,7 24.12 16-17 Fredag -16,5 2011 66,3 15.02 09-10 Tisdag -14 2012 65,6 03.02 08-09 Fredag -13,7 2013 63,47 18.01 08-09 Fredag -13 Som man kan se i tabell 2 har alla de högsta topparna inträffat mellan klockan 8 och 10 på fredagsmorgonen bortsett från år 2011 då det var på en tisdag samt 2010 då den inträffade på julafton mellan 16-17. Om man ser på temperaturen som rått under dessa tidpunkter så har det varit kallt men det finns ändå sådana tidspunkter då temperaturen har varit lägre än dessa utan att någon toppeffekt har noterats. Om man studerar den totala utmatade effekten på elnätet från Kraftnät så ser man att de högsta effekttopparna alltid inträffar samma tid varje dygn, på morgonen vid klocka 8-9 och på kvällen klockan 17-18. (se figur 3 och 4). 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0,000 14.2.2011 15.2.2011 16.2.2011 17.2.2011 18.2.2011 19.2.2011 20.2.2011 21.2.2011 Datum Figur 3 Utmatad effekt under en vecka i februari 2011 där man ser att topparna inträffar ungefär samma tid varje dygn. 15

Effekt MW 50,000 45,000 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 20.2.2012 21.2.2012 22.2.2012 23.2.2012 24.2.2012 25.2.2012 26.2.2012 27.2.2012 Figur 4 Utmatad effekt under en vecka i februari 2012 och även här ser man de två topparna som inträffar varje dygn. Dessa effekttoppar inträffar dagligen oberoende av tid på året men är förstås temperaturberoende. Detta skulle tyda på att det enbart inte är uppvärmningen som spelar in på toppeffekterna utan även att människornas dygnsrytm kan ha inverkan. Klockan 08-09 på morgonen är en sådan tid då människor gör sig klara att åka till jobb, affärer öppnar och industrier startar igång för dagen. Klockan 17-18 börjar människor komma hem från jobb och startar spisar för att laga middag, ser på tv och möjligen badar bastu. 16

5. FÖRÄNDRING AV UPPVÄRMNINGSBEHOVETS ELBEROENDE För att undersöka om uppvärmningsbehovets elberoende har ändrats på Åland de senaste åren och om det kan bero på värmepumpar har vi gjort grafer över hur förbrukningen förhåller sig till temperaturen för flera olika år och sedan jämfört dessa grafer med varandra. I Finland börjar fastigheternas uppvärmningssäsong vid ungefär 12-15 C utomhustemperatur. Förbrukningen i våra teoretiska grafer börjar därför stiga vid denna temperatur för att få det så likt verkligheten som möjligt. Förbrukningen från 15 C och uppåt är under årets varma perioder då ingen uppvärmning krävs så det är endast förbrukarens grundlast medan förbrukningen från 15 C och neråt är uppvärmningsberoende. Graferna slutar vid en dygnsmedeltemperatur på -15 C eftersom att vi har konstaterat att det sällan har varit kallare än så på Åland under åren som vi har undersökt. (Scanoffice, 2012) För att kunna undersöka om olika värmepumpar påverkar elnätet och om de gör det så på vilket sätt, har vi börjat utgående från fakta från teoridelen om värmepumpen och dess effektivitet att teoretiskt se på hur olika värmepumpars kurvor för förbukning i förhållande till temperaturen skall se ut. Utgående från dessa grafer har vi sedan sett på det totala elnätets kurvor för att se om det finns några liknande tendenser som i de teoretiska. Från graferna går det att avläsa hur mycket av förbrukningen som är grundlast och vad som är temperaturberoende last. Grundlasten är den mängd el som förbrukas varje dygn oberoende av utetemperturen. Den temperaturberoende lasten är den el som förbrukas till uppvärmning så denna elförbrukning är beroende av utetemperaturen och uppvärmningssystem. I den teoretiska grafen nedan visas hur uppvärmningsbehovet förändras med utetemperaturen. Det rödfärgade är grundlast och det blåfärgade visar hur uppvärmningsbehovslasten skulle se ut med direktel (se figur 5). 17

Figur 5 Graf för att visa hur fördelningen mellan grundlast och värmeberoendelast kan se ut. 5.1.1. Direkt el teoretisk Med direkt eluppvärmning får man ut lika mycket värmeenergi som den mängd elenergi man matar in, dvs. COP är konstant 1. Eftersom att COP är konstant 1 får man teoretiskt om man sätter utetemperaturen i jämförelse med förbrukningen en kurva där förbrukningen stiger linjärt med sjunkande utetemperatur (se figur 6). 140 120 100 Förbrukning 80 60 40 20 0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Dygnsmedeltemperatur Figur 6 Graf över teoretisk elförbrukningen i jämförelse med utetemperaturen för direkt eluppvärmning. 5.1.2. Luft/luftvärmepump teoretisk En luftvärmepump har som tidigare nämts ett COP som är beroende av utetemperaturen. När utetemperaturen är tillräkligt hög har en värmepumpen ett någorlunda konstant COP men med sjunkande utetemperaturer sjunker även dess COP (se tabell 1). 18