Egenproduktion, kraftvarme
Fra energiwiki.dk
Ved kraftvarme forstås en kombineret produktion af el og varme. I forhold til separat produktion vil kraftvarmeproduktion næsten altid være en miljø- og energimæssig fordel, og såfremt de rette betingelser er til stede, er det også en økonomisk gunstig disposition.
Kraftvarmeproduktionen er dominerende i Danmark, idet 44 % af elproduktionen i 2009 skete som kraftvarmeproduktion, mens 36 % skete som separat elproduktion på kraftværker og 20 % produceredes af vindmøller.
Hovedparten af kraftvarmeproduktionen sker på elselskabernes centrale værker og på decentrale værker, ejet af elselskaber og fjernvarmeselskaber mv., mens 13 % (6 % af den samlede elproduktion i 2009) sker som egenproduktion på affaldsforbrændingsanlæg, i industrivirksomheder og gartnerier. Egenproduktionen i industrivirksomheder og gartnerier er faldet betydeligt siden år 2000, dels som følge af en vis nedgang i de meget varmeforbrugende erhvervssektorer og dels fordi forholdet mellem elprisen og brændselsprisen i perioder har været til ugunst for elproduktionen.
Indholdsfortegnelse |
Kraftvarmedefinitioner
Mange betegnelser anvendes. Her skal det præciseres, hvad betegnelserne normalt omfatter i Danmark:
- Central kraftvarme: Store centrale anlæg til varmeforsyning af større byer og elforsyning til det offentlige net. Typisk anlægsstørrelse fra 200-500 MWe.
- Decentral kraftvarme: Mellemstore enheder til forsyning af mindre og mellemstore byer med varme- og elforsyning til det offentlige net. Typisk anlægsstørrelse 1-100 MWe.
- Lokal kraftvarme: Mindre kraftvarmeanlæg til varmeforsyning af større boligblokke eller kontorhuse og elforsyning til det offentlige net. Typisk anlægsstørrelse 0,15 MWe-1 MWe.
- Minikraftvarme: Mindre kraftvarmeanlæg til varmeforsyning og elforsyning af typisk institutioner og skoler mv. Over-/underskudselproduktion udveksles med det offentlige net.
- Mikrokraftvarme: Små kraftvarmeenheder til dækning af en husstands varme- og elbehov. Over-/underskudselproduktion af el udveksles med det offentlige net. Anlægsstørrelse 0,5-5 kWe svarende til 0,0005-0,005 MWe.
- Industriel kraftvarme: Kraftvarmeanlæg til dækning af en industrivirksomheds behov for varme og el. Over-/underskudselproduktion af el udveksles med det offentlige net. Anlægsstørrelser omfatter området fra cirka 0,03 MWe og opefter. I Danmark er typiske anlægsstørrelser 5-30 MWe.
Varmeydelsen ligger normalt fra 100 til 200 % af elydelsen, afhængig af teknologi og størrelse, se i det følgende.
Typer/teknologier og anvendelser
Følgende typer er installeret i Danmark:
- Motoranlæg
- Gasturbineanlæg
- Dampturbineanlæg
- ”Combined-Cycle” anlæg
- Brændselscelleanlæg (især forsøgsanlæg)
Valg af anlægstype
Valget afhænger af en række faktorer:
- Varmebehovets type (vand, damp), størrelse og variation
- Temperaturniveau for varmebehov
- Økonomiske forudsætninger
Normalt forsynes kraftvarmeanlæg med en varmeakkumulator for at muliggøre koncentration af elproduktion på de tidspunkter af døgnet, hvor elprisen er højest. En typisk størrelse indeholder omkring 8 timers fuldlastvarmeproduktion.
I det følgende beskrives de forskellige anlægstyper med særlig vægt på effektivitet. Af pladsmæssige årsager udelades dampturbineanlæg og Combined Cycle anlæg. Oplysninger om disse anlægstyper kan f.eks. findes i Kraftvarmeproduktion i industrien, dk-TEKNIK, september 1988.
Motoranlæg
Motoranlæg er langt den mest udbredte anlægstype til decentral, mini- og mikrokraftvarme. Motoranlæg findes i anlægsstørrelser fra 2 kWe til ca. 50 MWe. Især egnet til vandbaseret varmeproduktion med temperaturer op til 100°C. Elvirkningsgraden ligger på omkring 20-40 %. Jo større anlæg, desto højere virkningsgrader opnås. Totalvirkningsgraden ligger typisk på 80-90 %. Anlægsprisen går fra omkring 20.000 kr./kWe for de mindste anlæg og ned til 6-7000 kr./kWe for større anlæg. Brændslet er som oftest naturgas, men olie, LPG og biogas kan også anvendes.
Bemærk, at der i modsætning til kedeldrift kan være et ikke ubetydeligt tab i form af uforbrændt gas, hvilket er både miljømæssigt og økonomisk uheldigt. Da der i dag findes motorer på markedet, der kun udsender omkring 1 % uforbrændt gas, er det et vigtigt punkt at stille krav til ved nyanlæg eller motorudskiftning. Miljølovgivningen kræver i øvrigt, at nye gasfyrede motorer med over 120 kW indfyret effekt ikke udsender over ca. 3,5 % uforbrændt gas.
Et fortsat effektivt anlæg sikres ved:
- Løbende driftsoptimering.
- Effektivt vedligehold, herunder rensning af varmevekslere. Servicekontrakt anbefales.
- Optimal røggasudnyttelse ved design.
- Optimal isolering af hele anlægget.
Gasturbineanlæg
Gasturbineanlæg anvendes primært i industrien til dækning af damp- og elbehov. Der udbydes anlægsstørrelser fra ca. 30 kW og opefter. De mindste størrelser på omkring 30-150 kWe kaldes mikrogasturbineanlæg. Anlægspris omkring 5-15.000 kr./kWe. Elvirkningsgraden er normalt typisk lavere end for motoranlæg af samme størrelse og ligger på 25-40 % og totalvirkningsgraden fra 75% til 90%. Mikrogasturbineanlæg er ofte udstyret med rekuperator (varmeveksler, der udnytter en del af energien i røgafkast til forvarmning af forbrændingsluften) for at øge elvirkningsgraden fra omkring 20% til 25-30%. Det medfører ofte, at totalvirkningsgraden bliver omkring 75%.
For at opnå en høj årsmiddelvirkningsgrad kræves stabile driftsbetingelser i langt højere grad end for motoranlæg. Elvirkningsgraden falder normalt ved dellast, og et gasturbineanlæg ”ældes” materialemæssigt 5-10 timer for hver start/stop.
Til forskel fra gasmotorer vil gasturbineanlæg normalt kræve et gastryk på omkring 5-30 bar afhængigt af valgt anlægskoncept og ønsket elvirkningsgrad. Dette betyder, at anlægget skal udstyres med en gaskompressor, såfremt anlægget ikke placeres i nærheden af transmissionsnettet.
For ikke termisk at overbelaste de ukølede centrale dele i gasturbinen arbejdes normalt med stort luftoverskud for at holde forbrændingstemperaturen passende ”lav” (900-1100 °C). Dette betyder, at der kan være 10-15% ilt tilbage i røggasen fra turbinen. Såfremt behovet for en større varmeydelse er til stede, kan der derfor ofte med fordel installeres en efterbrænder.
Effektivisering
For gasturbineanlæg haves principielt samme tabstyper som for motoranlæg. Der er dog to væsentlige forskelle: Da der anvendes relativt større forbrændingsluftmængder, fås større røggasmængder, og røggastabet kan derfor være stort, såfremt der ikke sikres en effektiv udnyttelse af røggassen. Derimod sikrer den kontinuerte forbrændingsproces, at tab af uforbrændt gas er nær 0, bortset fra tab ved udluftning i forbindelse med starter.
Et effektivt anlæg sikres ved:
- Løbende driftsoptimering.
- Effektivt vedligehold, herunder rensning af varmevekslere.
- Optimal røggasudnyttelse ved design.
- Optimal isolering af hele anlægget.
På grund af de store luftmængder og anlæggets følsomhed for øget modstand i friskluftforsyning er det særligt vigtigt at renholde indsugningsfiltre.
Bemærk endvidere, at det for at minimere udetiden er vigtigt at sikre sig hurtig leverance af vitale komponenter, som f.eks. en rotor. Serviceaftaler indeholder normalt en sikring heraf.
Brændselscelleanlæg
Brændselsceller regnes for en af fremtidens vigtigste teknologier til el- og varmeproduktion, da forureningsfri energiomsætning er mulig. Brændstoffet er oftest brint, og en eventuel forurening afhænger af, hvordan brinten tilvejebringes. I dag sker det ved elektrolyse af el eller reformering af f.eks. naturgas. Kun når der anvendes brint udvundet fra vedvarende energi som vind eller biomasse, er der tale om omtrent forureningsfri drift. Fra en brændselscelle udsendes kun vanddamp.
Der findes en række typer brændselsceller:
- Alkaliske celler (AFC). Driftstemperatur 70-100°C
- Membran celler (PEMFC). Lavtemperatur 50-100°C, højtemperatur 120-200°C
- Fosforsyre celler (PAFC). Driftstemperatur 160-210°C
- Smeltet karbonat celler (MCFC) Driftstemperatur 650°C
- Fastoxid celler (SOFC) Driftstemperatur 650-1000°C
Brændselsceller af typen PEMFC, MCFC og især PAFC er kommercielt tilgængelige og er i drift i mindre omfang til energiforsyning af bl. a. virksomheder, boliger (mikrokraftvarme), busser og biler foruden som nødstrømsanlæg. Den specifikke pris er høj sammenlignet med traditionel kraftvarmeteknologi.
I Danmark er forskningsindsatsen fokuseret på PEMFC og SOFC. Risø DTU og Topsøe Fuel Cell arbejder med udvikling af SOFC teknologien, mens firmaer som SerEnergy og IRD Fuel Cell Technology arbejder med løsninger til bl. a. transportsektoren og Dantherm Power med bl. a. nødstrømsanlæg.
Brændselscellernes elvirkningsgrad anhænger af, hvilket brændsel der anvendes. Med brint opnås en virkningsgrad omkring 40%, og ved andre brændsler kræves reformering af brændslet (en ny type brændselsceller – DMFC, hvor DM står for direkte metanol – udskiller dog selv brint fra brændslet), hvilket bringer det samlede systems virkningsgrad ned på ca. 35 %. I fremtiden forventes brændselscelleanlæg med en elvirkningsgrad op mod 60% og i kombination med turbinedrift over 70%.
Gode råd om kraftvarme
- Gennemgå og overvej liste over gode råd for kedelanlæg.
- Ved nyanlæg bør foretages valg mellem flere forsyningsalternativer.
- Gennemfør før nyanlæg økonomiske følsomhedsanalyser for at afdække anlæggets økonomiske robusthed.
- Fuld backup forsyning bør etableres.
- Dimensionering bør foretages under hensyn til el- og varmebehov 5-10 år frem.
- Vælg en anlægsleverandør med gode referencer for den relevante anvendelse.
- Få overblik over serviceomkostningerne før investeringsbeslutning. De er typisk af samme størrelse som kapitalomkostningerne. Indhent tilbud på en langsigtet servicekontrakt.
- Optimal dimensionering, herunder også størrelse af varmeakkumuleringstank, er grundlag for høj årsmiddelvirkningsgrad.
- Minimer frem- og returløbstemperatur for at opnå god virkningsgrad.
- Ved biomassebaseret kraftvarme (eller kedeldrift) skal brændslet være veldefineret (vandindhold, bindemidler), idet korrosions-, indfyrings- eller lagerproblemer kan opstå.
