Teknisk/økonomisk og miljømessig analyse ved bygging av akkumulatortank(er) i et eksisterende fjernvarmesystem

Abstract

I et fjernvarmesystem kan lagring av varmeenergi fra en periode til en annen gi store fordeler, både økonomisk, teknisk og miljømessig. Denne masteroppgaven ser på indirekte installering av en akkumulatortank i et eksisterende fjernvarmenett. Det er presentert forslag på hvordan en slik tank kan kostnadsoptimaliseres, design av systemløsning og hvilke klimamessige gevinster som er mulig å oppnå. Installasjon av en akkumulatortank i et fjernvarmenett har flere fordeler. De største fordelene er at fjernvarmesystemet kan driftes mer optimalt ved at tanken kan brukes til å utnytte overskuddsvarme fra blant annet avfallsforbrenning, og jevne ut effekttopper som oppstår på grunn av variasjoner i energibehovet. Ved å benytte rimelig avfallsenergi til ladning av tanken, for så å erstatte energikilder som olje, gass eller elektrisitet ved utladning av tanken, vil dette gi store økonomiske og miljømessige fordeler. Ved optimalisering av en akkumulatortank er det mange faktorer å ta hensyn til. Design av tanken er en kompleks oppgave og består av mange usikkerheter. Elementer som blant annet energilagringspotensial, kostnader og virkningsgrad må flettes sammen for å oppnå en god optimalisering. I tillegg bør det tas hensyn til strømningshastighet inn og ut av tanken, effektbegrensinger i fjernvarmenettet, forholdet mellom høyde og diameter og ekstra rom for ekspansjon og dyser i tanken. Optimaliseringsmodellen beskrevet i denne rapporten er basert på en rekke antagelser og usikkerhetsmomenter. Usikkerheter knyttet til blant annet fremtidig vekst og energipriser fører til at optimaliseringsmodellen, som her er blitt basert på historiske data, ikke tar hensyn til lagringsbehov for fremtiden. Det er i tillegg sett bort ifra virkningsgrad og varmetap i modelleringen. Optimal tankstørrelse blir simulert i Excel ved å finne det energilagringspotensialet som maksimerer total inntjening per år. Trondheim Energi Fjernvarme (TREF) er brukt til demonstrasjon av optimaliseringsmodellen. Lastprofiler for et gjennomsnittsdøgn per måned er benyttet i modellen for å finne optimal tankstørrelse for installering i TREFs fjernvarmesystem. Resultatet av simuleringene ble med de gitte antagelsene en akkumulatortankstørrelse på ca 2200 m3 og en inntjeningstid på 3 år. Det er sett på en indirekte installering av en akkumulatortank. Flere varmevekslere i parallell er benyttet for å skille akkumulatortanken hydraulisk fra fjernvarmenettet. Ved en overført varmeeffekt på 30 MW fordelt på 6 varmevekslere blir nødvendig varmevekslerareal per varmeveksler 445 m2. Dette tilsvarer 290 varmeoverførende plater på 1,5 m2 per varmeveklser. Det er en fordel med motstrøms varmeveksling for å oppnå best mulig virkningsgrad. Et systemskjema er blitt designet med tanke på dette og strømningen blir regulert av temperaturfølere ved hjelp av ventiler og pumper. Klimamessig gevinst ved installering av en akkumulatortank oppnås gjennom redusert bruk av spisslast og dermed redusert CO2-utslipp. I TREFs fjernvarmesystem ble CO2-utslippet redusert med 1600 kg per år med antagelsene lagt til grunne. Dette tilsvarer en årlig økonomisk gevinst på ca 246 400 kr når en klimakvote koster ca 154 kr.