Restvärmeåteranvändning från absorptionsvärmepumpar -

ES07007 Examensarbete 20 p Juli 2007 Restvärmeåteranvändning från absorptionsvärmepumpar - en kartläggning av möjligheter och begränsningar vid Vattenfall Värme Uppsala Block 5 David B. O. C. Nord

Abstract Restvärmeåteranvändning från absorptionsvärmepumpar - en kartläggning av möjligheter och begränsningar Waste heat recovery from absorption chillers - a survey of the possibilites and limitations Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 471 30 03 Telefax: 018 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student David Nord Vattenfall district Heating power plant in Uppsala produces district cooling with absorption heat pumps which leads to a large amount of waste heat that has to be cooled with evaporative cooling towers. The Environmental Court has ordered Vattenfall to survey the possibilities to recover the heat, which is the focus of this thesis. The study begins with an overview of the system, and conditions and limitations for waste heat recovery is examined. In the next step alternatives to recycle the heat is evaluated, either by direct recovering or by upgrading. First, the technical possibility of each alternative is discussed, and then the operation time and the amount of recovered heat is calculated. Those alternatives which are possible are brought further to an economic analysis. The cost of investment for each alternative constitutes the basis for a present value analysis. The results are put together in a table where the total amount of recovered heat is compared with the present value for the different alternatives. Finally, a sensitivity analysis to examine the present values sensitivity for changes in the conditions is achieved. There are several ways heat recovery is possible but it results in high costs. Vattenfall Uppsala has not the ability to absorb large amounts of waste heat and this fact restricts heat recovery considerably. The alternative to let one of the absorption heat pumps recover heat from the flue gas condensation in May and September would save 1.5Mkr/år. Handledare: Anna Karlsson Ämnesgranskare: Kjell Pernestål Examinator: Ulla Tengblad ISSN: 1650-8300, ES07007 Sponsor: Vattenfall AB

1

2 Sammanfattning Vattenfall Värme Uppsala producerar fjärrkyla med hjälp av absorptionsvärmepumpar vilket leder till att restvärme måste kylas bort i evaporativa kyltorn. Miljödomstolen har ålagt Vattenfall att se över vilka möjligheter det finns att tillvarata värmen, vilket är denna rapports uppgift. Studien börjar med en inblick i Vattenfall Värmes system, och förutsättningar och begränsningar för värmeåtervinning klargörs. Därefter utvärderas sätt att tillvarata spillvärmen, antingen genom direkt återanvändning eller med uppgradering. Varje alternativ bedöms efter dess tekniska genomförbarhet genom att utvärdera den möjliga drifttiden och mängd återvunnen energi. Flera alternativ begränsas i nuläget av fjärrvärmereturens låga flöde sommartid vilket innebär att ju mer värme som tillförs returen desto svårare blir det att upprätthålla nödvändig drift av AVP 1-4 (rökgaskondensering block 1-4). Dessutom saknas avsättning sommartid för att återvinna hela restvärmemängden på 60GWh/år. Däremot är det möjligt att en del av denna värmemängd kan återvinnas i systemet. De alternativ som är tekniskt genomförbara togs vidare till en ekonomisk bedömning. Följande alternativ studerades: Alternativ för direkt användning av spillvärmen: Förvärmning av dejonat möjliga vätskeflöden för förvärmning kartlades där det mest lämpade visade sig vara dejonatvattnet. Temperaturen på vattenflödet höjs från 16 C till 40ºC vilket återanvänder en effekt av 1% av kyltornskretsens totala effekt. Förvärmning av förbränningsluften möjliga luftflöden för förvärmning kartlades där primärluften utgjorde det största flödet och därför var mest lämpat. Med hjälp av en värmeväxlare kan primärluftens temperatur höjas från rådande utomhustemperatur till 40ºC innan primärluftsförvärmaren. Värmeväxlingen återvinner 2% av kyltornskretsens totala effekt. Återvinning i turbin SWHR (system for waste heat recovery), studerades tillämpat på spillvärmekretsen. Alternativet ökar dock spillvärmemängden med 30MW och är därför inte intressant för vidare diskussioner. Användning av uppgraderad spillvärme: Uppgradering med befintlig AVP möjligheten att kaskadkoppla AVP:arna undersöktes. Maskinernas designeffekt begränsar effektupptaget vilket skulle ge en mindre energimängd att kaskadkoppla än att ligga kvar mot RKG block 5. Uppgradering med ny AVP genom att installera nyinköpta AVP:ar är det möjligt att koppla dessa i kaskad och uppgradera restvärmen. Kostnaden skulle dock bli orimligt hög. Uppgradering med befintlig eldriven mekanisk värmepump dessa finns vid Stallängsverket nere vid reningsverket ca 1.5 km från Vattenfall Värme Uppsala. Det är möjligt att uppgradera restvärmen men en valsituation uppstår. Antingen används värmepumparnas nuvarande funktion och restvärmen uppgraderas för att läggas på returen efter AVP 1-4, eller så byggs pumparna om för att kunna uppgradera värmen till framledningstemperatur. I det senare fallet krävs ombyggnation av pumparna och dessa kan då inte längre användas för nuvarande vinterdrift. Eftersom vinterdriften är av högre

3 prioritet är uppgradering med befintliga värmepumpar inte möjlig. Dessutom minskar då fjärrvärmereturens flöde vilket ger problem med driften av AVP1-4. Uppgraderig med ny eldriven mekanisk värmepump med hjälp av en nyinförskaffad värmepump som ställs i anknytning till AVP:arna kan restvärmen uppgraderas för att läggas ut på framledningen. Samtidig värme och kylaproduktion: Samtidig värme och kylaproduktion med samma AVP möjligheten att höja kondenseringstemperaturen undersöktes. Grundläggande begränsningar hos AVP:n gör det praktiskt omöjligt att anpassa den till dessa driftförhållanden. Maskinens omgivning måste i hög grad vara anpassad för designförutsättningarna. En AVP för värme- och en för kylaproduktion i och med att maskinerna byggs isär kan samtidig värme- och kylaproduktion ske. Genom att nyttja detta driftsätt under maj och september kan besparingar på 1.5Mkr/år göras. Detta alternativ är något som borde studeras vidare och genomföras. Investeringskostnaden för respektive alternativ utgör grunden i en slutlig nuvärdeskalkyl. Resultatet sammanställs i en tabell där total mängd återanvänd energi jämförs med nuvärdet för de olika alternativen. Slutligen genomförs en känslighetsanalys för att bedöma nuvärdets känslighet vid ändrade förutsättningar.

4 Förord Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Vattenfall Värme Uppsala. Arbetet har gett en god insyn i energibranschen och driften av anläggningarna. Bemötandet har genomgående varit vänligt och hjälpsamt och jag vill därför tacka personalen på anläggningen. I synnerhet vill jag tacka min handledare Anna Karlsson som har varit en utmärkt handledare, ständigt positiv och mycket systematisk i sin handledning. Jag vill även tacka min ämnesgranskare Kjell Pernestål vid Fysiska institutionen Uppsala Tekniska högskola för stor hjälpsamhet och nya infallsvinklar. För uppslaget och allmän hjälp längs vägen vill jag tacka Jan Zetterberg. Bland övrig personal vill jag tacka Andreas Larsson, Fredrik Wettervik, Kjell Karlsson, och Christer Eklund som har varit mycket hjälpsamma. Sist vill jag sända ett tack till Åke Johansson vid Entrans AB för att ha bidragit stort till ökad förståelse.

5 Sammanfattning... 2 1. Inledning... 7 1.1 Bakgrund... 7 1.2 Syfte... 7 1.3 Metod... 8 1.4 Avgränsningar... 9 1.5 Rapportindelning... 9 2. Anläggningsbeskrivning... 10 2.1 Kort om Fjärrvärme och Fjärrkylanätet... 10 2.2 Värme Uppsalas produktions- och distributionssystem... 11 3. Funktion: AVP och kyltorn... 12 3.1 Värmepumpen och absorptionsvärmepumpen... 12 3.2 Kyltorn... 13 4. Förutsättningar och begränsningar i studerat system... 14 4.1 Omställning kyla-värmeproduktion... 14 4.2 AVP:arnas förutsättningar... 15 4.3 Data för anläggningen... 18 4.4 AVP:arnas koppling i systemet... 19 4.5 Studerad period... 21 5. Alternativ för direkt användning av restvärmen... 22 5.1 Förvärmning av dejonat... 22 5.2 Förvärmning av förbränningsluften... 23 5.3 Återvinning med turbin... 24 5.4 Exempel på potentiell kund: Plantagen... 25 6. Användning av uppgraderad restvärme... 26 6.1 Uppgradering med befintlig AVP... 26 6.2 Uppgradering i ny AVP... 28 6.3 Uppgradering med befintlig eldriven värmepump... 29 6.4 Uppgradering med ny VP... 30 7. Samtidig värme och kylaproduktion... 31 7.1 Samtidig värme- och kylaproduktion med samma AVP... 31 7.2 En AVP för värme- och en för kylaproduktion... 34 8. Utvärdering -ekonomisk bedömning... 36

6 8.1 Ekonomisk kalkyl... 36 8.2 Utvärderingsmetod... 37 9. Resultat... 37 9.1 Nuvärde... 37 9.2 Känslighetsanalys... 38 10. Diskussion och slutsats... 39 Referenser... 40 Appendix... 41 A1. Termodynamisk process... 41 A2. Värmepumpen/kylmaskinen... 42 A3. Absorptionsprocessen... 43 A4. Absorptionskylmaskin... 45 A5. Omställning mellan kyla och värmedrift... 47 A6. Potentiell period för förändrad drift... 48 A7. Teoretisk modell... 50 B1. Förvärmning av dejonat... 55 B2. Förvärmning förbränningsluft... 58 B3. Turbin... 59 B4. En AVP för värme- och en för kylaproduktion... 62 C1 Ritning AVP... 63 C2 Flöde kyltronskrets... 64 C3 Värmeväxlare... 65 C4 Mekanisk värmepump... 66 C5 Kalkylblad... 67

7 1. Inledning 1.1 Bakgrund I Vattenfall Värme Uppsalas anläggningar (VVU) uppgraderas spillvärme vintertid från rökgaskondenseringen vid avfallsförbränningsanläggningen (Block5) med hjälp av absorptionsvärmepumpar för att läggas ut på fjärrvärmenätet. Med mindre justeringar kan dessa pumpar sommartid användas för att producera kyla genom att frikoppla pumparna från rökgaskondenseringen (RGK) och istället koppla den värmeupptagande sidan till fjärrkylaledningen. För att kretsprocessen skall fungera måste den lågtempererade värmen kylas bort, vilket tills vidare görs i evaporativa kyltorn. I den vänstra bilden nedan beskrivs en absorptionsvärmepump (AVP) för värmeproduktion. För varje energienhet drivånga uppgraderas 0.67 enheter kondenseringsvärme vilket i fallet utan förluster ger 1.67 enheter värme att lägga ut på fjärrvärmenätet.i effekttermer återvinns 6 MW kondenseringsvärme med hjälp av 9MW drivånga (6/0.67) och ger en fjärrvärrvärmeeffekt på ca 15 MW. I kopplingen till kondenseringssteget uppgraderas värmen från 35 C till ca 65 C dvs. ett temperaturlyft på 30 grader. I den högra figuren visas kopplingen för kylaproduktion. För varje energienhet drivånga tas 0.67 enheter värme från fjärrkylanätet och ger 1.67 enheter restvärme. I effekt kyls 5.5 MW bort från fjärrkylanätet med 8MW ånga. Under perioden maj till september som fjärrkylaproduktion sker fläktas totalt 60GWh restvärme bort med hjälp av kyltornen. 35 C 16 C Drivånga (E=1) Absorptionsmaskiner 25 C Rökgaskondensering (E=0,67) Drivånga (E=1) 26 C Absorptionsmaskiner 40 C 6 C Fjärrkyla (E=0,67) Ca 45-55 C Ca 55-65 C Fjärrvärme (E=1,67) Restvärme, Kyltorn (E=1,67) Figur 1.1.1 AVP:ns alternativa kopplingar. I vänstra bilden uppgraderas 0.67 enheter värme från rökgaskondenseringen med en enhet ånga för att ge 1.67 enheter värme att lägga ut på fjärrvärmenätet. I högra figuren bortförs 0.67 enheter värme från fjärrkylanätet med 1 enhet drivånga och restprodukten blir 1.67 enheter restvärme. Bild: Vattenfall 1.2 Syfte Syftet är indelat i tre delsyften som till stor del är beroende av varandra: Utreda möjligheterna att tillvarata eller minska restvärmemängden Göra en kostnadsbedömning för de olika återanvändningssätten Bedöma rimligheten för genomförande

8 1.3 Metod 1.3.1 Förstudie Arbetet inleds med en litteraturstudie i form av en teknikstudie av AVP:arna. Uppsalas anläggning studeras genom inläsning och diskussion med berörda. 1.3.2 Kartläggning Möjliga alternativ för minskning eller återvinning av restvärmen är att: 1. Påverka flödet eller temperaturen ut från AVP:arna genom att göra värmetekniska eller systemtekniska förändringar. 2. Studera sätt att återvinna restvärmen direkt eller efter uppgradering, inom eller utanför systemet. 16 C Drivånga (E=1) Absorptionsmaskiner Fjärrkyla (E=0,67) 6 C 26 C 40 C Restvärme, Kyltorn (E=1,67) Figur 1.3.1 Angreppssätt för studie. Restvärmemängden kan antingen återanvändas (1) eller minskas genom att göra värmetekniska förändringar i AVP:erna (2). Bild: Vattenfall 1.3.3 Utvärdering Möjliga alternativ utvärderas med avseende på de två faktorerna: Mängd återvunnen energi Kostnad Mängd återvunnen energi beror av drifttid och effekt. Därför är det intressant att se vilken drifttid olika alternativ har och vilken energimängd som kan återvinnas. Återvunnen energimängd vägs mot investeringskostnaden.

9 1.4 Avgränsningar Eftersom studien berör kylmaskinsdrift under sommarhalvåret studerades bara anläggningarna för förbränning av avfall då resterande produktionsenheter normalt inte är i drift under denna period annat än under begränsad omfattning. AVP:arna i gamla avfallsförbränningen (Block 1-4) behövs året om för att upprätthålla tillräcklig kyleffekt i rökgasreningen och kan därför inte användas för uppgradering av restvärmen från Block 5 och är därför inte intressanta. Temperaturen på restvärmevattnet ut till kyltornen är i nuläget runt 32 grader, men denna studie förutsätter framtida optimerad drift av AVP:arna där temperaturen på restvärmen är 40 grader. Båda maskinerna antas även kunna drivas för kylaproduktion.. 1.5 Rapportindelning Kapitel 1: Inledning. Redogörelse för metod och avgränsningar Kapitel 2: Kort anläggningsbeskrivning för att beskriva helheten och hur olika enheter samverkar. Kapitel 3: Översiktlig beskrivning av Absorptionssvärmepumpen, värmepumpen och kyltorn. Kapitel 4: Förutsättningar och begränsningar i studerat system. AVP:arna och dess inkoppling i det aktuella fallet. Hur är systemet begränsat och i vilken grad kan det varieras? Vilka driftförutsättningar gäller för AVP:arna? Vilka faktorer utgör variabler och vilka är låsta? Detta kapitel utgör en grund för bedömning av rimliga alternativ. Kapitel 5: Alternativ för direkt användning av restvärmen undersöks genom att studera potentiella flöden i processen som är lämpliga för förvärmning. Kapitel 6: Användning av uppgraderad restvärme. Kapitel 7: Samtidig värme och kylaproduktion. Med kapitel 3 och 4 som grund undersöks sätt att ändra AVP:arnas driftsvillkor och deras koppling i systemet. Kapitel 8: Ekonomisk bedömning av tekniskt möjliga alternativ utifrån två kostnadsförhållanden utförs. Kapitel 9: Resultat från den ekonomiska kalkylen. Kapitel 10: Slutsats Referenser Appendix A1-A7: Grundläggande om absorptionsprocessen B1-B4: Fördjupning av alternativen C1-C5:Ritningar och investeringsuppskattningar

10 2. Anläggningsbeskrivning 2.1 Kort om Fjärrvärme och Fjärrkylanätet Fjärrvärme är ett effektivt sätt att med ett gemensamt ledningssystem förse konsumenter med värme. Genom att värma vatten centralt vid en produktionsanläggning kan man uppnå skalfördelar som har visat sig fördelaktiga. En större anläggning kan ha en mer välutvecklad reningsprocess och en mer avancerad teknik vilket gör att spektrumet av möjliga bränslen blir större. Det finns även möjlighet att tillvarata restvärme från rökgaserna. Fjärrvärmevattnet värms på flera håll inom VVU:s anläggningar. Värmepumpanläggningen producerar fjärrvärme genom att uppgradera spillvärmen i stadens avloppsvatten. På Bolandsverket finns en torveldad hetvattenpanna (HVC) och fyra oljepannor som reserv för att vid behov värma vattnet. På Kraftvärmeverket värms fjärrvärmevattnet genom att det fungerar som kylmedie vid kondensation av ångcykeln och inom avfallsförbränningen värms det både genom direkt värmning och genom rökgaskondensering via absorptionsvärmepumpar. Tillsammans bidrar dessa processer till att värma vattnet till 75-120 grader beroende på vilken period på året det är. Fjärrkyla bygger på samma idé som fjärrvärmen, att via ett distributionsnät låta en central anläggning utföra hela arbetet. Med ånga från förbränningen drivs AVP:arna vilka kyler fjärrkylanätet. Fjärrkylan produceras vintertid med elektriska värmepumpar och direkt med kyltornen.

11 2.2 VVU:s produktions- och distributionssystem Principschema över produktionsanläggningar i Uppsala AFA Ångpannor Avfall Efterbrännkammare Economiser B1 B3 B4 EBK ECO14 B5 ECO5 Generator VK Rökgaskondensering RGK14 RGK5 AVP14 Återkylare Absorptionsvärmepumpar AVP56 Elp Ångpannor El ELP 50 ELP 10 Kyltorn VVX Värmeväxlare VVX KM Kylmaskiner El KM Egenförbrukning Ånga Fjärrkyla VP Värmepumpar El VP1 VP2 VP3 Ack Husbyborg Hetvattenpannor Olja P1 P2 P3 Fjärrvärme Ack Boland Hetvattenpannor Olja H3 H4 H5 H6 Återkylare HVC Hetvattenpanna Pulver, olja HVC KVV Kraftvärmeverk Pulver, olja VK 1+2 Generator VK 3 ECO El Bränsleberedning Kol, torv, övr bio 1 2 Egenförbrukning Figur 2.2.1. Principchema Uppsalas anläggningar. AVP:arnas koppling till kyltornen syns längs den gula slingan efter AVP5 och 6. De olika enheterna och dess bränsle beskrivs i texten till vänster Streckade linjer visar planerade tillbyggnader vilka är under utredning. Bild: Vattenfall Bilden ovan är en översiktsbild över Värme Uppsalas produktionssystem. Högst upp i bild ses avfallsförbränningen (block 1-5) med produkterna ånga och fjärrvärme som levereras ut på nätet. Ångan går även till drift av AVP:arna. Fjärrvärme kan även produceras med elektriska värmepumpar, oljepannor och genom kraftvärmeverkets samtidiga el och värmegenerering. Fjärrkyla produceras sommartid med hjälp AVP:arnas alternativa koppling (koppling mot fjärrkylanätet) och med elektriska värmepumpar inställda för kyldrift. För att säkerställa kylningen av AVP:arna vid block 1-4 är en återkylare kopplad parallellt med dessa där kylkretsen till kondenseringen kyls mot luften.

12 3. Funktion: AVP och kyltorn Läsaren som inte är så väl insatt i värmepumps- och absorptionsvärmepumpstekniken hänvisas till Appendix A1-A4. Nedanstående beskrivning är bara en ytlig genomgång. 3.1 Värmepumpen och absorptionsvärmepumpen En AVP kan beskrivas som att den elektriska kompressorn i en mekanisk värmepump ersätts med en kretsprocess med saltlösning och där ånga är den drivande kraften istället för el. Den vänstra bilden visar en värmepump för kylaproduktion. I förångaren förångas mediet genom tillförsel av lågtempererad värme vid lågt tryck och komprimeras i en eldriven kompressor. Kompressionen höjer temperaturen på mediet. I kondensorn kyls ångan ner under inverkan av en kylkrets som avlägsnar värmen. Det kondenserade mediet återgår efter kondensorn via en expansionsventil till förångaren. Figur 3.1.1 Principiell funktion AVP och VP. Istället för el används i absorptionsvärmepumpens fall en extra krets som utnyttjar absorptionsförmågan mellan vatten och litiumbromid. Processen kräver en kylkrets som avlägsnar absorbatorns värme och en värmekälla för uppvärmning av vattenlitiumbromidlösningen.. Bild: kylprocessser-fjv FoU 2005_128 I AVP:n (högra figuren) går mediet till absorbatorn där det absorberas av en koncentrerad saltlösning (litiumbromid). Den utspädda saltlösningen pumpas till generatorn där vattnet drivs av från saltlösningen med värme. Färskångan från lösningen går till kondensorn som kyls och det kondenserade vattnet pumpas sedan tillbaka till förångaren. Ref: [1]

13 3.2 Kyltorn Kyltorn är evaporativa kylare som används för att kyla vatten eller andra medier ner till daggpunkten. På så sätt kan ett vått kyltorn kyla ner det varma vattnet till en temperatur under utomhustemperaturen. Figur 3.2.1 Kyltonets funktion. Vatten sprinklas på ett fyllningsmaterial som ökar luftens angreppsyta mot vattnet. Luft tas in underifrån och fläktas ut i tornets topp. Bild: Wikipedia Vid VVU används öppna motströmskyltorn. Luft tas in underifrån och dras med fläktar ut i toppen. För att få en bättre kyleffekt sprayas vattnet (som ska kylas) på ett plåtsystem som påminner om bikakor vilka skapar en stor kontaktyta mellan vattnet och luften (fill material). Vattnet rinner längs dessa och kyls under tiden av evaporationsprocessen. Det nerkylda vattnet samlas upp i botten på kyltornet för att pumpas tillbaka till värmeväxlaren vid AVP:arna. Eftersom en viss mängd vatten hela tiden förångas måste vatten tillföras slingan kontinuerligt. Med kyltornen kan även frikyla produceras på vinterhalvåret. Tornen kopplas då direkt till fjärrkylakretsen via värmeväxlare. Ref: [2]

14 4. Förutsättningar och begränsningar i det studerade systemet För att kunna tillgodogöra sig informationen i stycke 4.2 i högre grad hänvisas till Appendix A3-A4 och A7. 4.1 Omställning kyla-värmeproduktion AVP:arna vid uppsalaanläggningen arbetar under vintern som värmepumpar och utvinner energi från rökgaskondenseringen för att förse fjärrvärmenätet med energi. På sommaren används samma maskiner istället för kylmaskindrift och kyler fjärrkylanätet ned till 6 C. Skillnaden mellan dessa driftsätt är maskinens inkoppling. I omkoppling mellan sommar- och vinterdrift kopplas kretsen om genom att anslutningen till rökgaskondenseringen istället kopplas till fjärrkylanätet och fjärrvärmeanslutningen kopplas till kyltornskretsen. (för att se hur detta går till rent tekniskt se Appendix A5) Fjärrkyla Värme pump Kyl maskin Kyl.t (fri) Avp1-4 Kyl.t Avp5-6 Kyl.t Fjärrvärme Åter kylar Avp1-4 AFA 1- Avp5-6 AFA Åter kylar Värme växl Ång turb E l Ånga Figur 4.1.1 Principskiss över omställning mellan värme-kylaproduktion. Nedre delen av bilden visar AVP:arnas koppling mot rökgaskondenseringen. I övre delen av bilden visas kopplingen mot fjärrkylanätet.. I nuläget är bara AVP 5 och 6 kopplade på detta sätt sommartid. AFA är en förkortning för avfallsförbränning Bild: Vattenfall

15 4.2 AVP:arnas förutsättningar Figur 4.2.1 AVP:arnas kretsprocess inritad i ett Düringdiagram. Bild: Absorptionskyla i fjvsystem SvFjv FoU 2004_119 Vatten förångas vid låg temperatur och tryck dvs. värme tillförs processen. Ångan breder ut sig och kommer i kontakt med absorbenten i absorbatorn. Saltlösningen absorberar vattenångan i absorbatorn vid en högre temperatur än evaporatorns temperatur, varvid absorptionsvärme frigörs. Denna värme måste kylas bort i kyltorn. Absorptionsprocessen genererar det låga tryck som är i AVP:ns nedre del. Den vattenrika lösningen pumpas till generatorn där den värms upp och vattenångan drivs ut och leds till kondensorn. I kondensorn kyls ångan och kondenserar till vätskefas under inverkan av en kylkrets (kyltorn). Det kondenserade vattnet går tillbaka till evaporatorn [3]. (för ingående beskrivning se bilaga A3-4) Kylmaskinsdrift AVP:arna vid VVU:s anläggning är begränsade till vissa arbetsområden. En begränsning är temperaturskillnaden mellan förångaren och absorbatorn. Skall denna temperaturskillnad ökas måste även koncentrationen på litiumbromiden ökas. Temperaturskillnaden mellan förångaren och absorbatorn får inte vara större än 35-45 grader. Med en större temperaturdifferens uppkommer problem med kristallisation av kylmediet eftersom vatten strax över 0 grader (evaporatortemperatur) är i jämvikt med 62% litiumbromid vid 45 grader (se Appendix A3). Procentkvoten beskriver förhållandet mellan mängden litiumbromid och vatten i lösningen. Vid kyldrift ska koncentrationen därför inte överstiga 62%.

16 Kondensationstemp. vid lösningens ångtryck ( C) 120 100 80 60 Dürings diagram för LiBr - vatten linjer för 0, 46, 50, 54, 58, 62, 66 och 70 % LiBr Qc 2,00 1,50 1,00 0,70 0,50 0,30 0,20 0,15 0,10 40 0,07 0,05 Kristallisationsgräns 0,03 20 för LiBr. H 2 O 0,02 0,015 0,01 0 A 0,007 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Qe Qa Lösningstemperatur ( C) Qd B Lösningens ångtryk i Bara Figur 4.2.2 Kretsprocess AVP för kylaproduktion. Maskinen arbetar här mellan 3-4 C och 45-50 C Eftersom maskinen lyder under reglerna för en termodynamisk kretsprocess finns ett antal begränsningar. I figur 4.2.2 beskrivs AVP:ns termokemiska funktion. Om absorbatorn skall arbeta vid en högre temperatur måste den nedre kortsidan i den romb processen bildar vara längre och passerar då kristallisationsgränsen (punkt A Figur 4.2.2). Punkten A är alltså fix och kan inte ändras under förutsättningen att kyleffekten i evaporatorn skall hållas. En annan begränsande förutsättning är att absorbator och kondensor bör verka i samma temperaturområde. Detta gör att det maximala temperaturlyftet är av samma storlek som temperaturskillnaden mellan evaporator och absorbator. Lösningens temperatur i generatorn ligger runt 100 grader vid kyladrift. Där 62%- linjen träffar 100 graders lösningstemperatur(b) läses aktuell kondernsortemperatur på y-axeln vilken uppgår till ca 50 grader. Detta är ett teoretiskt värde utan förluster vilket betyder att verklig kondensortemperatur är lägre. I praktiken bör generatortemperaturen (inte att likställas med lösningens temperatur) vara 62-67 grader högre än kondensortemperaturen för att vattnet ska förångas i generatorn vid maximal koncentration. Om temperaturskillnaden är lägre kommer en mindre mängd vatten förångas och verkningsgraden går ner. (För djupare förståelse för av AVP:ns förutsättningar se Appendix A7). Ref: [4] [5]

17 Värmepumpsdrift Kondensationstemp. vid lösningens ångtryck ( C) 120 100 80 Dürings diagram för LiBr - vatten linjer för 0, 46, 50, 54, 58, 62, 66 och 70 % LiBr 60 0,20 0,15 0,10 40 0,07 0,05 Kristallisationsgräns 0,03 20 för LiBr. H 2 O 0,02 0,015 0,01 0 0,007 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Lösningstemperatur ( C) 2,00 1,50 1,00 0,70 0,50 0,30 Lösningens ångtryk i Bara Figur 4.2.3 Kretsprocess AVP för värmeproduktion. Processen är förskjuten uppåt och arbetar då mellan temperaturerna 25 C och 65-70 C. För detta driftsätt måste koncentrationen på lösningen ändras (se bilaga A5). Processens utformning är densamma. Däremot kan den tillåtas glida längs linjen för rent vatten (0% litiumbromid). Maskinens olika delar arbetar då vid en högre temperatur men dess inbördes förhållande är inte förändrat från kylmaskinsfallet. Värme tillförs vid 25 C i evaporatorn och avges i kondensorn och absorbatorn vid ca 70 C. Tillförd generatoreffekt måste ske vid en högre temperatur, ca 130-140 C.

18 4.3 Data för anläggningen Tabell 4.3.1 Koppling för värmepumpsdrift Mellankylkrets (2) Kyleffekt 6,0 MW Inkommande temperatur 29,2 C Utgående temperatur 20 C Flöde 560 m 3 /h Fjärrvärme (3) Fjärrvärmeeffekt 14,6 MW Inkommande temperatur 45 C Utgående temperatur 61,4 C Flöde 750 m 3 /h Drivenergi (1) Effekt ånga 8,6 MW Ångtryck (mättad) 4 bar(a) Lösningsmedel Mängd LiBr (torr mängd) 5.544 kg Köldmedia Mängd vatten (totalt) 6.436 kg Tabell 4.3.2 Koppling för kylmaskinsdrift Köldbärare (5) Kyleffekt 5,5 MW (fjärrkyla) Inkommande temperatur 12 C Utgående temperatur 6 C Flöde 787 m 3 /h Kylmedel (6) Kylmedelseffekt 13,5 MW (kyltorn) Inkommande temperatur 26 C Utgående temperatur 40 C Flöde 769 m 3 /h Drivenergi (1) Effekt ånga 8 MW Ångtryck (mättad) 4 bar(a) Lösningsmedel Mängd LiBr (torr mängd) 5.544 kg Köldmedia Mängd vatten (totalt) 7.031 kg Tabellerna visar en AVP för kyla- respektive värmedrift. Mellankylkretsen utgör AVP:ns koppling mot rökgaskondenseringen. Numreringen syns i ritningen i nästa avsnitt.

19 4.4 AVP:arnas koppling i systemet Figur 4.4.1. AVP:arnas koppling i systemet. Röd färg: ångtillförsel, brun: kopplingen mot rökgaskondenseringen, gul: fjärrvärme, lila: frikyla vintertid, mörkblå: koppling till fjärrkylanätet, ljusblå: koppling mot kyltonen. Fjärrvärmedrift: 1. Färskångan tillförs AVP:arnas generatorer där den kondenserar och leds tillbaka som kondensat. 2. Från värmeväxlaren vid rökgaskondenseringen (RGK) leds det uppvärmda vattnet in i evaporatorn på AVP:arna där det avger sitt värme. Denna krets kallas mellankylkretsen. 3. Fjärrvärmevatten pumpas genom absorbatorn och kondensorn för att kyla ner LiBr-lösningen och för att kondensera vattenångan i kondensorn. Efter AVP:arna har temperaturen på fjärrvärmevattnet höjts.

20 4. Under tiden maskinerna är kopplade till RGK kan frikyla produceras med kyltornen kopplade via värmeväxlare till fjärrkylanätet. Till vänster om värmeväxlaren (längs t.h i bild) sitter två pumpar som förser nätet med drivenergi. Fjärrkyladrift: 5. Istället för RGK kopplas AVP:arna mot fjärrkylanätet (FJK). Detta sker genom att stänga ventilerna till rökgaskondenseringen och öppna de till fjärrkylanätet. 6. Där tidigare fjärrvärmevatten letts in kopplas nu kyltornskretsen som värmesänka.

21 4.5 Studerad period Behov (MW) 600 Varaktighet värmeproduktion (fjärrvärme och ånga) Oljepannor 500 Hetvattenpanna (pulver, olja) 400 Värmepumpar 300 200 Kraftvärmeverk (pulver, olja) Oljepannor 100 Avfallsförbränning 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Tid (h) Figur 4.5.1 Varaktighet värmeproduktion. Kallaste vinterdagen är till vänster och varmaste sommardagen till höger. Vid streckade linjen kopplas AVP 5 och 6 mot rökgaskondenseringen, därefter kopplas värmepumpar, oljepannor och hetvattenpannan in när temperaturen sjunker. När det är tillräckligt kallt ute tar sedan kraftvärmeverket över. Vid de kallaste vinterdagarna används värmepumpar och oljepannor som topplastproduktion. Bild: Vattenfall Figuren ovan visar övergången mellan värme och kylaproduktion hos AVP:arna. Det röda området visar AVP:arna kopplade mot återvinning av värmen från rökgaserna (RGK). I diagrammet blir temperaturen ute varmare ju längre åt höger man kommer. Den varmaste sommardagen är såvida längst till höger och den kallaste vinterdagen längst till vänster. Bilden är något förenklad och utgör en illustration. Vid den streckade linjen är det så varmt ute att avfallsförbränningen täcker värmebehovet (gult fält). Under sommarperioden omöjliggör de låga flödena i fjärrvärmenätet drift med AVP 5 och 6 kopplade till RGK eftersom AVP 1-4 behöver allt tillgängligt flöde. Även om flödet inte skulle vara begränsande finns det inte någon avsättning för den återvunna värmen från RGK under sommarperioden. I denna tidsperiod används AVP 5 och 6 istället för produktion av fjärrkyla. Kyltornen används för bortkylning av den restvärme som då uppstår. (För mer ingående beskrivning av begränsningar och tidsperiod för systemtekniska ändringar se Appendix A6)

22 5. Alternativ för direkt användning av restvärmen Först lokaliseras olika sätt att återanvända värmen inom anläggningen. Detta kommer att kräva en värmeväxling mot något medium som har lägre temperatur än restvärmekretsen. Eftersom endast avfallsförbränningen är i drift under sommarperioden är bara flöden på block 1-4 och 5 intressanta. De alternativ som studeras är: 1. Förvärmning av dejonat 2. Förvärmning av förbränningsluften 3. Återanvändning i turbin 5.1 Förvärmning av dejonat Genom att med en värmeväxlare förvärma dejonatet innan dess inträde i matarvattentanken på block 5 kan en effekt på ca 260 kw återanvändas från restvärmekretsen. Eftersom dejonatflödet är så mycket mindre än restvärmeflödet från AVP:arna kan bara ett delflöde från dessa tas ut. Den återvunna effekten är i detta alternativ 1% av restvärmekretsens totala (se Appendix B1 för ingående beskrivning). Ref: [6] Figur 5.1.1 Schematisk bild förvärmning. Ett delflöde från restvärmekretsen tas ut och värmeväxlas mot dejonatet innan inträdet i matarvattentanken. I växlingen höjs dejonatets temperatur från 14 C till 36 C. Tabell 5.1.1 Uppskattad kostnad för genomförandet Enhet Kostnad(kr) anmärkning rörledningar 750 000 Värmeväxlare 60 000 780 kw, se bilaga C3 Pump 20 000 eventuellt Summa 890 000 Total återvunnen restvärmeenergi/år: 0.5 GWh Drifttid: maj-sept

23 5.2 Förvärmning av förbränningsluften Spillvärme kan fungera som ett första steg i förvärmning av förbränningsluften till pannorna. Primärluften från avfallsförbränningen värms från rådande utomhustemperatur till 37 C innan den går in i förvärmaren och vidare till pannan. Energimängden från restvärmevattnet som behövs för att värma luften är ca 570kW vilket är 2% av restvärmekretsens totala. (se Appendix B2 för ingående beskrivning). Ref: [6] [7] Figur 5.2.1 Schematisk bild förvärmning förbränningsluft. Ett delflöde från AVP:arna används för att värmeväxlas mot primärluften innan inträdet i primärluftsförvörmaren. Temperaturen på primärluften höjs från rådande utomhustemperatur till 37 C. Tabell 5.2.1 Uppskattad kostnad för genomförande Enhet Kostnad(kr) anmärkning Värmeväxlare 500 000 1 MW Rörledningar 800 000 Inget underlag, uppskattning Fläkt 50 000 eventuellt Summa 1 350 000 Total återvunnen restvärmeenergi/år: 1.2 GWh Drifttid:maj-september

24 5.3 Återvinning med turbin SWHR (system for waste heat recovery) utvecklat av Entrans AB, är ett system för restvärmeåtervinnig. Systemet är i aktuell tillämpning tänkt att användas som ett mellansteg mellan den producerade restvärmen av AVP:arna och kyltornen. Restvärmen från AVP:arna leds till en förvärmare där den kyls från 40 till 26 grader genom värmeväxling med mediet i SWHR-kretsen. Efter förvärmningen värms mediet ytterligare genom värmeväxling med fjärrvärmevattnet och därefter med ånga för att förångas. Den ånga som bildats expanderar i en turbin och el kan härmed utvinnas. Under expansionen är temperatursänkningen några grader. Efter turbinen måste medium/ångblandningen kylas för att all ånga ska kondensera, vilket sker med kyltornen. För att kunna garantera 26 grader tillbaka till AVP:arna måste temperaturen på mediet vara under 26 grader efter kondensorn, helst 24-25 (vid en effektiv värmeväxling). Figur 5.3.1 Schematisk bild turbin. Restvärmen från AVP:arna förvärmer mediet i turbinkretsen. Fjärrvärme och ånga tillförs för att förångning ska ske. Ångan expanderar i en turbin och el utvinns. Efter turbinen kondenseras kvarvarande ånga och kondensatet kyls i en kondensor kopplad till kyltornen. Mediet pumpas tillbaka till förvärmaren. Kyltornens kapacitet begränsar temperaturen innan turbinen till maximalt 55 C (se Appendix B3). Om temperaturen är högre klarar tornen inte att kyla kretsen till 25 C efter kondensorn och då kan inte värmeväxling med restvärmen från AVP:erna ske. På grund av det låga temperaturdifferensen är systemets elverkningsgrad vid tillämpning på restvärmekretsen mycket låg (under 5%). Vid bättre tillämpningar kan en elverkningsgrad upp mot 12% nås. Systemet kommer mer till sin rätt parallellkopplat med eldrivna värmepumpar för utnyttjande av spillånga vid tryckreducering (se slutet Appendix B3).

25 Tabell 5.3.1 Uppskattad kostnad för genomförande Enhet Kostnad(kr) anmärkning SWHR 30 000 000 minmikostnad Kyltorn 20 000 000 Dubblering av kylkapacitet Omkostnader 10 000 000 Rördragning, anslutningar, styr och regler Summa 60 000 000 Eftersom restvärmemängden ökar från 25 till 53 MW i och med den tillsatta fjärrvärme- och ångeffekten utgör SWHR-systemet inte ett intressant alternativ. Däremot är den intressant i andra tillämpningar (se sista stycket Appendix B3) ref: [8] [9] 5.4 Exempel på potentiell kund: Plantagen[10] För att visa på ett alternativ för extern användning av restvärmen har trädgårdsaffären Plantagen valts som har ett relativt stort uppvärmningsbehov. Dessutom ligger det nära Vattenfall Värmes anläggningar, ca 400m. Figur 5.4 visar Plantagen:s behov av uppvärmning. Under perioden maj till september skulle det vara intressant att leda bort restvärmen till denna byggnad och täcka värmebehovet med restvärmen från AVP:arna istället för att använda fjärrvärme. I diagrammet nedan är den största fordrade energin 25 MWh i maj månad (i effekttermer är detta 35kW). I alternativet att förvärma dejonatet överfördes en värmeeffekt på 260 kw, alltså en faktor tio gånger större. Plantagen är uppenbarligen en för liten värmekonsument för att det skall finnas någon anledning att diskutera restvärmeanvändning. Dessutom är de flesta anläggningar av denna typ redan försedda med fjärrvärme. Förbrukning fjärrvärme MWh 160 140 120 100 80 60 40 20 0 januari april juli oktober Figur 5.4.1 Plantagens förbrukning av fjärrvärmeenergi. Bild: Plantagen:s huvudkontor

26 6. Användning av uppgraderad restvärme Fyra olika alternativ studeras: 1. Återvinning med befintlig AVP 2. Återvinning med ny AVP 3. Återvinning med befintlig VP 4. Återvinning med ny VP Alternativen 1-3 är begränsade av fjärrvärmereturens flöde vilket bestämmer maximal möjlig avgiven värmemängd från Värmepumparna. Utvärderingen är tänkt som en kartläggning av möjliga alternativ vid framtida förändringar i systemet där, om möjligt, fjärrvärmereturen inte är lika begränsande och det finns avsättning för värmen. 6.1 Uppgradering med befintlig AVP Om ombyggnation sker så att en AVP kan värmeåtervinna och en kan producera kyla (se 7.2) kan alternativet att koppla AVP:arna i serie för restvärmeåtervinning studeras. AVP5 är då kopplad för kylaproduktion och AVP6 kopplas på uppgradering av restvärmeflödet från AVP 5 för att lägga ut det på fjärrvärmereturen 1. Om AVP6 återvinner restvärmen från AVP5 förloras den värmeåtervinnande funktionen från RGK (se Appendix B4). Alltså är den alternativa kopplingen för restvärmeåtervinning endast intressant om den återvunna energimängden överstiger den från RGK 2. Återvinningen av värmen från RGK är designad för att driva båda AVP:arna för kondenseringsdrift, dvs. 12 MW, och varierar inte särskilt mycket. En AVP tar således upp 6MW värme från RGK. Kyltornskretsen avger ca 12.5 MW när ena AVP:n är i drift vilket också är ett relativt låst värde (se Appendix C2 för att se flödets jämnhet). AVP:arna på block 5 är begränsade till ett effektupptag på upp mot max 7-8 MW. För att en större effekt än den från RGK skall kunna uppgraderas behöver de värmeöverförande ytorna dimensioneras upp. Detta är det samma som en ny AVP med högre effekt. Ref: [11] 1 Eftersom temperaturlyftet i de befintliga AVP:arna är begränsat är det inte möjligt att lägga ut värmen på fjärrvärmens framledning 2 Vid nuvarande temperatur i kyltornskretsen är effekten från RGK större än kyltornskretsens effekt.

27 Figur 6.1.1 Schematisk bild av uppgradering i befintlig AVP. När AVP 5 är kopplad mot fjärrkylanätet skulle AVP 6 kunna användas för att uppgradera restvärmen. Existerande AVP:er vid VVU har för låg kapacitet vilket begränsar effektupptaget till maximalt 7-8 MW

28 6.2 Uppgradering i ny AVP Det är tekniskt möjligt att uppgradera hela restvärmemängden (60 GWh/år) i AVP:ar och lägga ut värmen på fjärrvärmereturen 1, vilket kan ske på samma sätt som uppgraderingen av restvärmen från rökgaserna. Skillnaden är att värmeffekten är femfaldigt större. Det finns olika sätt detta kan genomföras på. Antingen utnyttjas AVP:er av samma storlek som AVP 5 och 6. Då kommer fyra nya maskiner behövas där varje maskin klarar att ta upp en effekt på max 7-8 MW från restvärmekretsen. Figur 6.2.1 Restvärmen från en AVP uppgraderas i två nyinförskaffade AVP:er av samma effekt som dom gamla. Dessa uppgraderar en restvärmeeffekt av 6 MW vardera med en tillförsel av 9MW ånga till 15MW att lägga ut på fjärrvärmenätet. Ett annat alternativ är att använda sig av större maskiner. Franska företaget Entropie specialdesignar maskiner efter effektbehov. Kostnaden per MW blir dock större när maskinerna är av större effekt. Om fyra små maskiner kostar 40 miljoner så skulle en stor kosta 50, Ref: [11]. Utifrån kostnader från inköpet av AVP 5 och 6 år 2002 kan följande enkla kalkyl utföras: Tabell 6.2.1Uppskattad kostnad för genomförande Enhet Kostnad(kr) anmärkning AVP 40 000 000 AVP/st*4 Övriga kostnader 30 000 000 ny byggnad, installation, övriga omkostnader Summa 70 000 000 minimikostnad Kostnaderna för AVP:arna är givna men omkostnaderna är svåra att bedöma. 30 miljoner för kostnad för pumphus, installation med mera ska ses som ett minimum. En kostnad upp mot 80-100 miljoner är inte omöjlig. Total teoretisk återvunnen restvärmeenergi/år: 60 GWh (hela restvärmeflödet) Drifttid: maj-september 1 under förutsättningen att returen kan ta upp effekten, vilket den inte kan i nuläget. Även om fjärrvärmenätet skulle kunna ta upp denna energimängd så finns det ingen avsättning för värmen i nuläget.

29 6.3 Uppgradering med befintlig eldriven värmepump Ett annat alternativ är att kaskadkoppla AVP:arna vid fjärrkyladrift med en värmepump som drivs med el. För att detta skall vara möjligt krävs det att det finns någon eldriven värmepump tillgänglig. Dessa finns inte i närheten av AVP:arna utan ett par kilometer bort vid Stallängsverket. Nyinköpta finns vid block fem men dessa är för kylning mot luft och inte gjorda för vätskeströmmar. Figur 6.3.1.Restvärmen från AVP 5 och 6 leds till värmepumparna vid Stallängsverket där värmen uppgraderas. På vägen tillbaka används österledningen som kopplad till fjärrvärmens framledning med en ny ledning. Streckade linjer visar tänkt dragning. Värmepumparna vid Uppsala kommuns reningsverk (Stallängen) har begränsad kapacitet och tillgänglighet för att uppgradera restvärmen under maj-september. Med stigande framtida kylabehov kommer även beläggningen för kyldrift öka och reducera potentiell värmeuppgradering med hjälp av verket. Eftersom kapaciteten hos AVP1-4 är beroende av fjärrvärmens kylförmåga kan inte temperaturen på fjärrvärmereturen höjas utan att AVP1-4 förlorar effekt. Den uppgraderade restvärmen måste därför ledas tillbaka i en separat ledning och anslutas till fjärrvärmenätet efter AVP1-4. Fjärrvärmereturens österledning har just denna sökta dragning och är obrukad under sommarmånaderna, dimensionen begränsar emellertid effektflödet till 20 MW. Dragningen enligt bilden är möjlig men kräver ombyggnation av värmepumparna vid Stallängsverket. Dessa kan då inte användas vintertid för värmning av returen utan man måste välja driftsätt, antingen för att lägga ut värmen på returen eller för att uppgradera värmen till 80-85 C och därmed kunna använda den på framledningen. Totalkostnad för rördragning (15 000kr/m*1.5km) ner till värmepumparna vid stallängen och en ny dragning mellan österledningen och framledningen kommer att bli i storleksordningen 20-30 miljoner. Detta projekt är dock inte möjligt att genomföra så länge som värmepumparna vid Stallängsverket behövs för nuvarande vinterdrift. Dessutom minskar flödet till AVP1-4 vilket påverkar dess drift negativt. Ref: [12]

30 6.4 Uppgradering med ny VP Ett annat, tekniskt genomförbart, alternativ är att med hjälp av en nyinförskaffad eldriven värmepump som ställs i anslutning till AVP:arna lägga ut den uppgraderade restvärmen på framledningen och därmed undvika problem med begränsningar på fjärrvärmereturen. Framledningens temperatur ligger runt 75 C under studerad period. Värmepumpen skulle då lyfta temperaturen från 40 C till ca 75 C för att kunna värmeväxlas mot fjärrvärmens framledning. Ref: [8] Figur 6.4.1. Schematisk bild uppgradering i VP. 13.5MW restvärme uppgraderas till 16.5MW att lägga ut på fjärrvärmenätet med hjälp av en eleffekt på 3MW. Tabell 6.4.1 Uppskattad kostnad för genomförande Enhet Kostnad(kr) anmärkning VP 68 000 000 2*34 000 000 Omkostnader 20 000 000 Ny byggnad, installation, övr.omk Summa 88 000 000 Total teoretisk återvunnen restvärmeenergi/år: 60 GWh (hela restvärmeflödet) 1 Drifttid: maj-september Till detta tillkommer elkostnader för drift av värmepumpen på 0.7Mkr/GWh vilket ger en elkostnad på 7.5Mkr/år. 1 Ingen avsättning finns för värmen i dagsläget.

31 7. Samtidig värme och kylaproduktion Två olika sätt för samtidig värme- och kylaproduktion undersöks: Samtidig värme- och kylaproduktion med samma AVP En AVP för värme- och en för kylaproduktion Även i dessa alternativ finns begränsningar pga. fjärrvärmereturens flöde vilket bestämmer maximal möjlig avgiven värmemängd från AVP:arna. 7.1 Samtidig värme- och kylaproduktion med samma AVP Detta koncept grundar sig på en idé från KTH kemiteknik [24] men finns inte i skarp drift. Vid kontakt med experter har det inte kunnat verifieras om detta koncept är praktiskt genomförbart för befintliga maskiner. Genom att studera AVP:ns funktion och förutsättningar utreds möjligheten för samtidig värme och kylaproduktion. För att detta skall vara möjligt krävs det att kondensortemperaturen höjs till en nivå som är i nivå med fjärrvärmenätets temperatur. Figur 7.1.1 Möjligheten för samtidig värme- och kylaproduktion med samma AVP. Går det att höja restvärmens temperatur från 40 till 55-60 grader och hur påverkar detta drift och kyleffekt? När en kylmaskin arbetar avger den en värmemängd som energimässigt är lika stor som kyllasten plus värmeenergin från drivångan. Vanligtvis är värmeåtervinning vid högre kondenseringstemperaturer problemfri som när AVP:arna är kopplade mot rökgaskondenseringen, men när temperaturen skall behållas låg i evaporator och absorbator medför det grundläggande begränsningar. Förvärmning av fjärrvärmereturen är den mest vanliga tillämpningen. Andra applikationer är ovanliga och brukar vara designade för specifika industrier. [13] Om restvärmen skall kunna nyttjas på fjärrvärmenätet skulle kondenseringstemperaturen behöva höjas åtminstone 15-20 grader 1 (se figur 7.1.2). För att få kylning av kondensorn och för att värmen skall kunna övergå till det bestämda fjärrvärmeflödet måste kondenseringstemperaturen vara högre än fjärrvärmereturens. Eftersom AVP:n är en kretsprocess går det inte att variera kretsens flöden utan att påverka kylförmågan i evaporatorn. Förutsatt att kyleffekten skall hållas intakt måste det då vara oförändrat flöde och temperatur i evaporatorn men kondenseringen skall ske vid en högre temperatur 1 även här är man begränsad till fjärrvärmereturen på grund av AVP:ns begränsade temperaturlyft.

32 vilket inte är möjligt (se A7 variation i evaporatortemperatur ). Höjning av kondenseringstemperaturen kräver att större effekt avges i kondensorn och en större effekt i drivångan. Figur 7.1.2 Konsekvens av ökad ångeffekt. Enligt energibalansen för processen måste ingående värmemängd vara lika stor som utgående. Eftersom värmeflödena i den nedre delen redan är de optimala måste en ökad ångeffekt avlägsnas via kondensorn i maskinens övre del. Eftersom den upptagna och avgivna värmemängden i evaporatorn och absorbatorn redan är den maximala ger A7 ekvation 1 att ΔQkondensor = ΔQ generator. Värmetillskottet från drivångan måste alltså vara av lika stort som det ökade värmeuttaget i kondensorn (1). Den extratillsatta värmemängden från ångan skulle då lika gärna kunna värmeväxlas direkt mot restvärmen från kondensorn (2) för att uppgradera denna, utan att ta omvägen in i AVP:n där den rubbar jämviktsläget för optimal drift. En annan negativ följd är att högre generatortemperatur 1 ökar avkokningen i generatorn dvs. mer ånga flödar. Om inte ökade mängden vattenånga även kondenseras i kondensorn ökar ångtrycket i kondensorn och generatorn. Ett högre ångtryck i generatorn leder till att en mindre mängd vattenånga kokas av från lösningen i generatorn. När en mindre mängd vatten transporteras runt i kretsen minskar även evaporatorns, kondensorns, och absorbatorns effektupptag/avgivande. Resonemanget kan enkelt förstås med hjälp av figur 4 i Appendix A4, där mängden vattenånga bestämmer ångtrycket i de övre kärlen. Högre värmeflöden i evaporator, absorbator, kondensor och generator kräver högre massflöden i AVP:n vilket straffar COP (se figur 7.1.3). AVP:arna är dimensionerade för ett visst flöde och effekter 1 Driftingenjörerna vid anläggningen har testat höja temperaturen i generatorn men kristallisation har då skett efter bara några sekunder. Absorbatorn och kondensorns bortkylda effekt och temperaturer styr ångtrycket i generatorn. Det som till en början händer när temperaturen i generatorn ökar för snabbt är att mer vatten kokas bort från litumbromiden, koncentrationen går då över den tillåtna ( förbi B) och kristallproppar bildas i värmeväxlaren

33 vilket helst inte skall ändras i någon högre grad, (Figuren visar en AVP med mycket mindre dimension men detta påverkar inte förhållandet mellan COP, Flödeshastighet och värmeöverföring). Figur 7.1.3. Lösningsmedlets flödeshastighets påverkan på COP. Den negativa lutningen på COP visar på att en större transporterad vattenmängd än maskinens designflöden gör att COP minskar. Även Evaporatorns kyleffekt påverkas mycket lite av ökat flöde. Bild: [5] Förutsättningarna för att driva AVP:arna för samtidig värme och kylaproduktion vid förhöjd kondensortemperatur kan sammafattas enligt följande: För större temperaturlyft krävs att större värmeflöden kan tas upp och avges i maskinens alla värmeöverförande delar. AVP:arna kan inte ta upp och avge större värmemängder än vad den är utlagda för. Maskinens dimensionering begränsar således driften till AVP:ns designförutsättningar. Yttre förhållanden måste därför anpassas efter AVP:erna och inte tvärt om. Den ökade värmemängden från ångan tar en omväg genom maskinen, vilket stör kretsprocessens jämvikt för optimal drift, istället för att användas direkt för uppgradering av restvärmen från kondensorn. Ref: [4] [5] [11] [24]

34 7.2 En AVP för värme- och en för kylaproduktion Detta driftsätt är intressant under en övergångsperiod vår och höst. (Se Appendix A6 för vidare information) Figur 7.2.1 Genom att separera AVP:arnas kretsar kan en maskin drivas för kylaproduktion samtidigt som den andra återanvänder värmen från RGK. Som AVP 5 och 6 är kopplade nu går det inte att driva den ena för fjärrkyla- och den andra för fjärrvärmeproduktion. Genom ombyggnationen enligt figur 7.2.2 separeras kretsarna så att detta blir möjligt (se Appendix B4 för ingående beskrivning). Inkopplingen till värmeväxlaren i kondensationsteget sker längst till höger i båda kretsarna. Anslutningen till fjärrkylanätet sker längst ner i bild. Ref: [6][12][14] Figur 7.2.2 Realiserad bild av genomförandet. Med de fyra ventilerna och nya ledningar i högra bilden kommer AVP:arnas kretsar att vara separerade. Tabell 7.2.1 Uppskattad kostnad för genomförande Enhet kostnad anmärkning Rörledningar 300 000 15 000kr/m*20m Ventiler 100 000 (4*20 000+ flänsar) Lägesindikering 200 000 Summa 600 000

35. Återvunnen värme från RKG : 6.5 GWh Drifttid: maj och september I nuläget är båda AVP:arna kopplade till kylaproduktion i maj och september. Med ombyggnad av systemet enlig 7.2 är det intressant att studera vad alternativet att ha en av AVP:arna liggandes kvar på RKG under dessa månader kan ge (Appendix A6 figur 2). VVU:s beräkningsmodell för produktionskostnader visar att de rörliga kostnaderna kan sänkas med ca 1.5 Mkr/år. Denna summa är vad som per år kan sparas genom att använda sig av detta alternativa produktionssätt och betyder att investeringen (tabell 7.2.1) är lönsam. Förbättringen är ett resultat av att värmen från RKG utnyttjas och att AVP:arna utnyttjas i högre grad än vid koppling mot fjärrkylanätet under samma period. Tidvis är värmeunderlaget på sommarhalvåret högre än vad avfallsförbränningen klarar och då tar VVU in dyrare produktion. Med en AVP frigjord för värmeproduktion kan denna utnyttjas istället för att spetsa med dyrare produktion. Under maj och september är det summerade framtida kalkylerade kylbehovet 9.3 GWh. Två AVP:er kopplade på kyla har kapacitet att producera 16 GWh vilket bara ger ett 60%-igt kapacitetsutnyttjande. När en AVP ligger kvar på kondenseringen är kapacitetsutnyttjandet hundraprocentigt. Ref: [15]