Energioptimering af solvarmeanlæg - FMS Moodle
Bachelorprojekt ved Gråsten Varme A/S - Energioptimering af solvarmeanlæg Karsten Wieck G20102009 Fredericia Maskinmesterskole | 27.05.2015 Energioptimering af solvarmeanlæg Titelblad Titel: Optimering af solvarmeanlæg Navn: Karsten Wieck Studie nr.: G20102009 Klasse: 6B Dato: 27.5.2015 Vejledere: Stig Libori, Rikke Andreasen Praktiksted: Gråsten Varme A/S Kontaktperson: Dan C. Appel driftslederassistent Grasten Varme A/S Projekttype: Bachelorprojekt Tegn: 76.508 med mellemrum Normalsider: 31,8 _______________________________ Karsten Wieck, Maskinmesterstuderende; Fredericia Maskinmesterskole Karsten Wieck G20102009 1 Energioptimering af solvarmeanlæg Forord Uddannelsen som maskinmester på Fredericia Maskinmesterskole, afsluttes med et bachelorprojekt samt et bachelor-praktikforløb af mindst 10 uger varighed. Bachelorpraktikken er gennemført ved Gråsten Fjernvarme A/S, Sønderborg Landevej 3, 6300 Gråsten. Praktikken har omfattet arbejdsopgaver som driftsassistent og driftslederassistent, i samarbejde med de ansatte ved Gråsten Fjernvarme A/S. Efter afsluttet praktikperiode, skal der udarbejdes en rapport, som danner grundlag for den mundtlige eksamination i midten af juni 2015. Selve Praktikperiodens observationer danner empirisk grundlag for rapporten. Emnet for denne rapport tager udgangspunkt i et forslag fra Gråsten Fjernvarme om, at ændre solfangeranlæggets layout i henhold til solfangeranlæggets vinkling. Ved en ændring af solfangeranlæggets vinkling ønskes, at overproduktionen af solvarme om sommeren reduceres og anlægget bliver mere produktivt om vinteren. Desvidere er det forfatterens ønske, at undersøge, hvorvidt det er muligt at udskifte den nuværende vand/glykol blanding i solvarmeanlæggets rørnet. Ønskes baserer på, at finde ud af om væskens blandingsforhold har indflydelse på varmeledningstabet af vand/glykol blandingen i solvarmeanlæggets rørnet. Rapporten henvender sig primært til læsere med teknisk baggrundsviden og faglig interesse, inden for solvarmeanlæg og fjernvarmeproduktion samt energioptimering. Ydermere er rapporten skrevet til læsere med et fagligt niveau der svarer til 6. semester på maskinmesteruddannelsen. Under udarbejdelsen har der været involveret flere parter. De involverede personer har været behjælpelige med, at fremskaffe data og give deres viden videre. Disse data og den tilegnede viden har gjort det muligt at udarbejde rapporten. I den forbindelse skal der siges tak til følgende: Dan C. Appel, driftslederassistent Gråsten Varme A/S De ansatte hos Fjernvarme A/S. Stig Libori, lektor på Fredericia Maskinmesterskole Rikke Andreassen, Lektor på Fredericia Maskinmesterskole Karsten Wieck G20102009 2 Energioptimering af solvarmeanlæg Abstract This report is part of the final semester at “Fredericia Maskinmesterskole” that educates in marine and technical engineering. This project written in connection with an internship at Gråsten Fjernvarme A/S. The project bases on a desire from Gråsten Fjernvarme A/S to investigate the possibility to change the angle from the sun collector park to get a better production of solar heat. The change of the sun collector angle can lead to a better production of solar heating. If the angle from the sun collector park will be changed to 45° or 60° in relation to insolation, there could be produced more solar heating. The change of the angle could help to have an equal solar heating production spread over a production year and to be more productive in winter. After the answer of angle matters, the next step in the project is to find out how much more solar heat the sun collector park can produce. To find out how much more solar heat the sun collector park can produce, there will be used a calculation program called Scenocalc. That program calculates how much more or less energy the sun collector park can produce with the changed angle of the sun collectors. After the calculation is finished, the program gives an answer about how much more solar heat the sun collector park can produce. After the calculation, the overproduction of solar heat will be analysed and compared with the results from the calculation. After that analysis, there can be a possible more production of solar heat causing the angle change of the sun collector park. A second desire, which bases on a wish by the author of this project, is to investigate what influence the water/glycol concentration has in relation to the solar heating production. In theory, a high glycol concentration in the water of the solar fluid courses a loss of heat change. In this project there will be analysed, what possibility there is to change to solar fluid in the summer and winter period. In the summer period the solar fluid do not have to be frost protected (antifreeze). Because of this, the concentration of glycol can be reduced in the summer period. The reduction of the glycol concentration in the summer period will course a better heat transfer rate. The higher heat transfer rate will lead to better production of solar heating. Karsten Wieck G20102009 3 Energioptimering af solvarmeanlæg Indholdsfortegnelse Titelblad ................................................................................................................................... 1 Forord...................................................................................................................................... 2 Abstract ................................................................................................................................... 3 Projektskabelon......................................................................................................................... 6 Problemstilling ................................................................................................................... 6 Problemformulering ............................................................................................................ 6 Hypotese........................................................................................................................... 6 Metodeafsnit (empiri) ......................................................................................................... 7 Projektets delopgaver ......................................................................................................... 7 Udarbejdelsen af rapporten ........................................................................................................ 9 Afgrænsning ........................................................................................................................... 12 Solindstrålingen og dens energi ................................................................................................ 13 Årlig solindstråling ............................................................................................................... 13 Gråsten Varme A/S .................................................................................................................. 14 Værkets historie .................................................................................................................. 14 Værkets overordnede produktion........................................................................................... 15 Solvarme produktion ............................................................................................................ 16 Viden om solfangeranlæg......................................................................................................... 20 Solfangeren ..................................................................................................................... 20 Solfangeranlæg ved Gråsten Varme A/S ................................................................................. 21 Solvarmeproduktionen 2014 .............................................................................................. 21 Den nuværende opstilling af solfangerparken ved Gråsten Varme A/S .................................... 23 Beskrivelse af solfangertyperne .......................................................................................... 24 Positionering i solfangerfeltet............................................................................................. 25 Ændring af layout på solfangeranlægget ................................................................................ 26 Solfangerne ..................................................................................................................... 26 Ændring af solfangernes vinkling ....................................................................................... 28 Hældning 38°C ................................................................................................................ 28 Hældning 45° .................................................................................................................. 28 Hældning 60° .................................................................................................................. 30 Produktion ved ændring fra 38° til 45° hældning ................................................................. 31 Produktion ved ændring fra 38° til 60° hældning ................................................................. 32 Overproduktion og natkøling ................................................................................................. 33 Hyppighed af overproduktion og natkøling .......................................................................... 33 Produktionsændring kontra overproduktion ved 45° hældning ............................................... 34 Produktionsændring kontra overproduktion ved 60° hældning ............................................... 35 Ændringen af solfangeranlæggets spidseffekt ved 45° og 60° ............................................... 36 Karsten Wieck G20102009 4 Energioptimering af solvarmeanlæg Vand/glykol-blandingen i solvarmeanlæg ................................................................................... 37 Vand/glykol-blandingen ved Gråsten Varme A/S ...................................................................... 38 Frostsikring ..................................................................................................................... 38 Buffertanken.................................................................................................................... 38 Merproduktion af varme ved skift af blandingsforhold. ............................................................. 39 Beregning af anlæggets merproduktion .............................................................................. 39 Diskussion .............................................................................................................................. 42 Perspektivering ....................................................................................................................... 43 Konklusion.............................................................................................................................. 45 Figurliste ................................................................................................................................ 46 Figur referencer ................................................................................................................... 47 Litteraturliste .......................................................................................................................... 48 Karsten Wieck G20102009 5 Energioptimering af solvarmeanlæg Projektskabelon Emne Energioptimering af solfangeranlæg Skribenter Karsten Wieck: G20102009 Vejledere Fagvejleder: Stig Libori- Lektor FMS [email protected] Metodevejleder: Rikke Andreassen- Lektor FMS [email protected] Gråsten Varme A/S, producerer på nuværende tidspunkt 28 % af den årlige varmeproduktion fra sit 19.024 m2 solfangeranlæg. Den resterende del produceres ved supplement af en halmkedel og en træpillekedel. Problemstilling Solvarmeanlægget ved Gråsten varme A/S er vinklet 38 grader i forhold til vandret plan. Dette er i forhold til Danmarks geografiske placering den bedst mulige vinkel til solvarmeproduktion, hvor anlægget kan udfolde sin maksimale ydelse. Dette medfører en overproduktion af solvarme om sommeren og mindre effektivitet om vinteren. Problemet ved vand/glykol-blandingen er, at den høje koncentration af glykol nedsætter varmefylden og varmeledningsevnen af solvarmevæsken. Den høje koncentration skyldes frostsikring og korrosionsbeskyttelse af solfangeranlægget om vinteren. Problemformulering Hypotese Hvor stor en merproduktion af solvarme kan solfangeranlægget producere ved at ændre solfangeranlæggets layout i henhold til vinklingen af solpanelerne og ved et skift af vand/glykol-blandingen til et andet blandingsforhold. Ved at ændre solfangeranlæggets layoutet i henhold til hældningen, vil overproduktionen af solvarme om sommeren reduceres og dermed vil der opnås en større produktivitet af solvarmeanlægget i vinterperioden. Ved at ændre den nuværende vand/glykol-koncentration på 60/40 i vand/glykol-blandingen til en 80/20 blanding fra april til og med oktober forventes der en merproduktion af solvarme på op til 10 %. Karsten Wieck G20102009 6 Energioptimering af solvarmeanlæg Metodeafsnit (empiri) Projektets delopgaver Karsten Wieck G20102009 Redesign af solfangeranlæg: Tilegne mig viden om solvarmeanlægget og solvarmeproduktionen ved Gråsten Varme A/S Interview med driftslederassistenten på Gråsten Fjernvarme A/S Dan C. Appel Indsamle data omkring solvarmeproduktionen og overproduktionen af solvarme i 2014 Beregne solvarmeproduktionen ved de forskellige indstrålingsvinkler vha. Scenocalc Sammenligne en eventuel merproduktion med solfangeranlæggets overproduktion Ændring af blandingsforhold af vand/glykol-blandingen Indhente informationer om den cirkulerede vand/glykolvæskemængde i anlægget. Tage målinger på vand/glykol-blandingens frysepunkt/koncentration. (Refraktometer) Indhente informationer glykolens varmeledningsegenskaber via datakataloger. Udarbejdelse af et skema, der indeholder glykols kemiske egenskaber (frysepunkt, koncentration, varmefylde, og varmeledningsevne). Skemaet bruges som beregningsgrundlag til at finde en mulig merproduktion af solvarme Indhente priser for glykol og vand. Beregninger på en mulig økonomisk besparelse. Redesign af solfangeranlæg: Der gives en kort introduktion om, hvad solvarme er. Der vil redegøres for den nuværende produktion af fjern og solvarme, solfangeranlæggets opbygning samt solfangertyperne og deres opstilling. Der vil på baggrund af det sidste produktionsår 2014 undersøges muligheden for ændring af solfangeranlæggets design. (Vinkling af paneler) Der vil beregnes på solvarme udbyttet ved 45°og 60° hældning af solpanelerne En Analyse af, hvor meget merproduktion der kan opnås ved at ændre solpanelernes hældning til 45° og 60° grader i forhold til vandret. Der vil indhentes information om solfangeranlæggets overproduktion i nuværende driftssituation Beregning af solfangeranlæggets spidseffekt ved de ændrede hældninger 7 Energioptimering af solvarmeanlæg Karsten Wieck G20102009 Ændring af blandingsforhold af vand/glykol-blandingen Udarbejde en beskrivelse af glykolens formål i solfangeranlægget Udarbejde en beskrivelse af vand/glykol-koncentration i det nuværende anlæg. En beskrivelse af solfangeranlæggets frostsikring En beskrivelse af buffertankens formål i solvarmeanlægget Der vil beregnes på en eventuel merproduktion af solvarme, ved et skift af vand/glykol-koncentration i solfangeranlæggets rørnet. Der vil beregnes på en eventuel økonomisk besparelse ved skift af koncentrationen af vand/glykol- blandingen. 8 Energioptimering af solvarmeanlæg Udarbejdelsen af rapporten Der vil i rapporten gøres brug af den viden, der er tilegnet igennem studiet på Fredericia Maskinmester skole. Desvidere tilegnes den nødvendige viden til udarbejdelsen af rapporten gennem et 10 ugers praktikforløb ved Gråsten Fjernvarme A/S. Praktikken har muliggjort observationer og undersøgelser samt deltagelse af værkets daglige drift og produktion af fjernvarme. Såsom varmeproduktion fra solfanger, pillekedel+ absorptionsvarmepumpe, halmkedel. Desvidere gennemgang og forklaring af værkets SRO-system samt forståelse af de forskellige processer med hjælp fra personalet ved Gråsten Fjernvarme A/S. Derudover vil der igennem projektet blive tilegnet viden omkring; solfangeranlæg og deres opbygning samt viden om fjervarmeproduktion generelt. Denne viden vil danne grundlag for besvarelsen af de problemer, som er formuleret i problemformuleringen. For at forstå solfangernes virkemåde og hvordan vinklingen vil påvirke ændringen af solvarmeproduktion, er der gjort research på nettet. Desvidere er der fremskaffet informationer om Solfangeranlæggets opbygning og virkemåde igennem personalet ved Gråsten Varme A/S. Der henvises til en af ARCONSUNMARK udarbejdet manual til idriftsættelse, ibrugtagning og vedligehold af solfangeranlægget. I denne Manual er de vigtigste ting om solfangeranlægget ved Gråsten Varme A/S nøjagtigt beskrevet. Til beregning af solvarmeudbyttet ved en ændring af solfangeranlæggets vinkling samt en eventuel merproduktion af solfangeranlægget henviser Dan C. Appel til et program der hedder ScenoCalc, som er udarbejdet af det svenske SP1. Til beregning, af spidseffekten for solfangeranlægget efter en ændring af solfangeranlæggets layout, bruges solfangerligningen2. Ligningen er udarbejdet i forbindelse med udviklingen af solfangere. Ligningen er konstrueret til beregning af den del of solens energi, som vil overgå til varmeproduktion ved indstråling af solen. Ligningen viser, hvad den eventuelle nyttevirkningen af en eventuel ændring af solfangerlayoutet vil være. 𝜶𝟏 ∗ (𝑻𝒎 − 𝑻𝜶) 𝜶𝟐 ∗ (𝑻𝒎 − 𝑻𝒂)𝟐 𝜼 = 𝜼𝟎 − − 𝑮 𝑮 1 2 Statens Provningsanstalt Datablad fa ARCONSUNMARK solfangermodel HT 28.10 & 35.10 (bilag 2+3) Karsten Wieck G20102009 9 Energioptimering af solvarmeanlæg Hvor: η: Solfangerrens nyttevirkning Ta: er omgivelsestemperaturen malt i °C Tm: er middelvæsketemperaturen målt i °C, forskellen på fremløbstemperaturen og afgangs temperaturen fra solfangerpanelet G: Er sols indstråling målt i W/m2. (Maks. værdien i Danmark ligger på (1000 W/m2) a1 & a2: Er konstanter, som udtrykker solfangernes evne til varmeledning fra absorberen til væsken i kobberrørene og varmetabet i omgivelserne. η0: Er en konstant, der bestemmes for hver type solfangerpanel. Da solfangerligningen ikke tager hensyn til infaldsvinkelkorrektionen skal der påregnes en faktor for indfaldsvinkelkorrektionen dette gøres ved formlen: Hvor: 𝜽 𝑲𝜽 = 𝟏 − 𝒕𝒂𝒏𝒂 ( ) 𝟐 Θ: Indfaldsvinkel [°] a: eksponent for den det givne solpanel (4,51) Når nyttevirkningen η og indfaldsvinkelkorrektionen K Θ er fundet for den givne tilstand for solfangeranlægget, kan der beregnes, hvor meget varme der bliver udvundet fra solens indstråling til vandet. Der skal tilføjes, at den beregnede effekt er en peakværdi. 𝑬𝒇𝒇𝒆𝒌𝒕 = 𝑲𝜽 ∗ 𝜼 ∗ 𝑮 Til beregning af merproduktionen af solvarme igennem en udskiftning af vand/glykolblandingen bruges tekniske skemaer / datakataloger over glykolens kemiske egenskaber. Ud fra informationerne fra skemaerne udarbejdes et nyt skema hvor de kemiske forhold for glykolen indsættes. Dette skema danner beregningsgrundlag til udregningerne for merproduktionen af fjernvarme og en mulig økonomisk besparelse ved Gråsten Varme A/S. Karsten Wieck G20102009 10 Energioptimering af solvarmeanlæg Til gennemførelsen af beregninger i rapporten gøres brug af de metoder som er tilegnet gennem maskinmesterstudiet på Fredericia Maskinmesterskole. Empirien i rapporten til de oplysninger der bruges, er beskrevet herunder. De oplysninger og data der anvendes til beregningerne omkring ændring af solfangerparkens layout (ændring af solpanelernes hældning) og ændringen af vand/glykol blandingsforholdet med de tilhørende data anses for at være korrekte, da disse er indhentet fra værkets egen database vedrørende produktionen af solvarme. Information og oplysninger fra personalet ved Grasten Varme A/S, anses for at være korrekte, da disse personer har den professionelle ekspertise i den daglige drift af værket. Karsten Wieck G20102009 11 Energioptimering af solvarmeanlæg Afgrænsning Rapporten vil kun tage udgangspunkt i den nuværende driftsituation. Med hensyn til de fysiske dimensioner, hvad enden det er rørføringen eller diverse pumper og ventiler vil dette ikke blive beskrevet. Der vil ikke være noget om CO2 besparelser eller anden form for miljø faktorer. Med hensyn til solfangerne, vil der kun tages udgangspunkt i de modeller som aktuelt er monteret ved Gråsten Fjernvarme A/S. Der vil ikke blive beskrevet, hvad mulighederne er for en eventuel udvidelse af solvarmeanlægget ved Gråsten Varme A/S kunne være. Karsten Wieck G20102009 12 Energioptimering af solvarmeanlæg Solindstrålingen og dens energi I Danmark kan der regnes med en gennemsnitlig årlig solindstråling på ca. 1800 3 soltimer. Dermed kan der konstateres at der er potentiale i brugen af solenergi i Danmark. Ved at se på nedstående skema over den årlige solindstråling, kan man se at energien der findes i solens stråler, i gennemsnit har cirka 1.000 kWh/m2 pr. år med en solindstråling på 0° i forhold til solfangerne. Ved at ændre hældningen til eksempelvis 40° mod syd, får vi i Danmark i gennemsnit 1.150 kWh/m 2 pr. år. I Sydspanien og Sahara er det en helt anden sag. For eksempel har Sahara over dobbelt så meget solenergi som i Danmark. Årlig solindstråling4 Hældning 0° kWh/m2/år Faktor ift. DK Hældning: (eksempel) Hældning kWh/m2/år Danmark 1000 1 40° 1150 Sydspanien 1800 1,8 30° 2000 Sahara 2600 2,6 20° 2700 Figur 1: Skema over solvarmeproduktion (Danmark, Sydspanien, Sahara) På trods af at der ikke så meget solindstråling i Danmark sammenlignet med Sahara eller Sydspanien, er der stadig meget energi at gøre brug af. En grund til, at der i Danmark Figur 2: Solindstrålingskort Danmark ikke er så meget solenergi som for eksempel i Sahara skal begrundes i Danmarks geografiske placering på Jordkloden. Solindstrålingen er meget ujævnt fordelt over hele landet, som der også vil kunne ses på solindstrålingskortet figur 25. Enheden er i kWh/m2 pr. år. 3 4 5 http://www.eusolceller.dk/solceller-indstraaling-placering.asp?nodeid=43 25.03.2015 7:49 http://www.klimakaravanen.dk/files/varme_fra_solen_elev.pdf 25.03.2015 7:50 http://www.eusolceller.dk/images/solensindstraalning-danmark.png 25.03.2015 7:52 Karsten Wieck G20102009 13 Energioptimering af solvarmeanlæg Gråsten Varme A/S I dette afsnit vil der beskrives, hvordan Gråsten Varme A/S producerer deres varme til forbrugerne i Gråsten og hvordan anlægget ved Gråsten Varme A/S er opbygget. Ydermere vil der beskrives om Gråsten Varme A/S grundlægningshistorie. Værkets historie Gråsten Fjernvarme blev grundlagt i år 19566, dengang var det kendt under navnet ”Gråsten vand-og varmeforsyning”. ”Gråsten vand- og varmeforsyning” stod både for forsyningen af vand og fjernvarme ud til byen. Fjernvarme blev dengang produceret via oliekedler, hvilket var måden, som blev brugt indtil d. 17 februar 1984 7, hvor værket officielt skiftede over til naturgas. I 19948 forøgede Gråsten Fjernvarme deres produktion af fjernvarme med en kraftvarme del bestående af to Rolls Royce gasmotorer, som udover at producere varme også producerer el til markedet. Den 31. december 2006, overdrog Gråsten kommune virksomheden ”Gråsten kommunale varmeforsyning” til Gråsten Fjernvarme A.m.b.a. og vandforsyningens afdeling blev overdraget til ”Sønderborg vandforsyning”. I dag består Gråsten Fjernvarme af to selskaber9. Gråsten Fjernvarme A.M.B.A, som er selskabet, der er ejet af forbrugerne, og datterselskabet Gråsten Varme A/S. Gråsten Varme A/S står for den daglige drift og for alle aktiviteter, som forgår i dette selvskab. Alle aktier i Gråsten Varme A/S er ejet af Gråsten Fjernvarme A.M.B.A og begge selskaber har samme bestyrelse. I 2010 besluttede Gråsten Varme A/S, at satse på mere grøn og miljøvenlig energi ved, at fjernvarmen til deres forbrugere skulle være CO 2 neutral, og indledte derfor en undersøgelse om, hvilke muligheder der var. Valget blev, at bygge et nyt værk med adresse ved Sønderborg Landevej nr. 3 i Gråsten. Værket skal producere fjernvarme ud fra et solfangeranlæg på ca. 17.000m2, inklusiv absorptionsvarmepumpen og pillekedel samt en 12 MW Halmkedel. I 2011 påbegyndte byggeriet af det nye værk. I sommeren 2012 stod det nye solfangeranlæg klar til brug og idriftsættelse. Resten af anlægget, som inkluderer halm og pillekedel samt absorptionsvarmepumpen blev færdiggjort til årsskifte 2013/2014. Under selve byggeriet af solfangerparken blev der tilbudt fra leverandørens side om at udvide solvarmeanlægget fra 17.000m 2 til 19.024m2 10, hvilket http://www.graasten-fjernvarme.dk/Historie http://www.graasten-fjernvarme.dk/Historie 8 http://www.graasten-fjernvarme.dk/Historie 9 http://www.graasten-fjernvarme.dk/om-os 10 http://www.graasten-fjernvarme.dk/solvarme-2 6 7 Karsten Wieck G20102009 14 Energioptimering af solvarmeanlæg blev modtaget af Gråsten Varme A/S så solfangeranlægget fik en maksimal ydelse (effekt) på 13 MW. Den nye grønne profil har medført at Gråsten Varme A/S nu kan levere miljøvenlig of CO2 neutralt fjernvarme til deres kunder, og stadig til en fornuftigt og konstant stabil pris11. Opførelsen af det nye værk medførte at Gråsten Varme A/S nu er blandet de 30 billigste fjernvarmeselskaber, ud fra landets 452, til trods for den store investering i det nye værk. Værkets overordnede produktion 12 Gråsten Varme A/S er i dag beliggende på Sønderborg Landevej nr. 3 i 6300 Gråsten. På adressen har de deres produktion af varme ud til byen. Værket er forholdsvis nyt og blev opført i 2012. Varmen bliver produceret via værkets ca. 19.024m2 solfangeranlæg, til anlægget er der tilkoblet en absorptionspumpe på 1,7 MW, som bliver drevet af en 950 kW pillekedel. Solfangeranlægget er dimensioneret til at kunne yde en maksimal varmeproduktion på 13 MW på en solrig sommerdag. Ligeledes er der en 12 MW halmkedel og en akkumuleringstank, som kan rumme 350 MWh varme. Tanken har en kapacitet på 5630m3 til opbevaring af varmen. Gråsten Varme A/S produktion af fjernvarme er 100% CO2 neutral. 13 På værkets skrå facader er der installeret et photovoltaik-anlæg der producerer el og bidrager til Gråsten Varme A/S strømforbrug. Photovoltaik-anlægget består i alt af 502 stk. paneler som tilsammen dækker et areal på 627 m2, og har en maksimal produktion på ca. 75 kW. Den årlige produktion fra photovoltaik-anlægget udgør ca., 70.000 KWh Produktionen fra solcellerne i 2014 var 68624 KWh. Før det nye værk på Sønderborg Landevej nr. 3 blev bygget og taget i brug, lå produktionen på adressen Bocks bjerg 5A i centrummet af Gråsten by. Stadig idag huser det gamle værk, bestående af to Rolls Royce gas motorer, som tilsammen har en varmeeffekt på 7,2 MW og en el produktion på 5,4 MW. Gas motorerne bliver indsat på det frie el marked og bliver sat i drift, hvis prisen er den rette. I år 2014 kørte gas motorerne ca. 47- timer til produktion af el. Desvidere råder det gamle værk over 3 gaskedler med kombinationsbrændere. Dette betyder, at kedlerne har mulighed for at køre på olie eller gas. Det er kun gassen der bliver brugt som fyringsmiddel i dag. Effekten på de tre kedler er tilsammen på 14,5 MW. Til værket hører der også en http://www.graasten-fjernvarme.dk/Visioner Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 13 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 11 12 Karsten Wieck G20102009 15 Energioptimering af solvarmeanlæg akkumuleringstank på 90 MWh, hele det gamle værk på Bocks bjerg 5A fungerer i dag som backup for det nye på Sønderborg Landevej nr.3 Solvarme produktion Solfangeranlægget, der er installeret ved Gråsten Varme A/S består af 1519 stk. solfangere af modellerne HT-A 35/10 og HT-28/10 fra ARCONSUNMARK, som vil blive beskrevet i rapporten senere, ved hjælp af fabrikantens datablade, som er vedlagt som bilag (bilag 2+3). Tilsammen udgør de 1519 solfangere et areal på 19.024 m2, solfangeranlægget kan på en ideel sommerdag producere op til 13 MW under optimale forhold. I anlægget løber der glykol rundt, der optager varmen fra solen. 14 Glykol er en divalent alkohol. Dette betyder at de to bundne kulstofatomer i molekylet har to hydroxid-grupper (OH-) bundet. Disse hydroxidgrupper betyder, at glykol let kan blandes op med vand. Glykols indre molekylære bindinger gør desuden at dets frysepunkt i høj grad sænkes, på trods af en relativt høj varmefylde. Glykolen pumpes ud igennem solfangeranlæggets rørnet ved hjælp af en fødepumpe. Volumenstrømmen af glykol igennem anlægget reguleres med en VLT (frekvensomformer fra Danfoss). Frekvensomformeren styres af fremløbstemperaturen fra solfangeranlægget samt to fotoceller (pyranometer), som er monteret på toppen af akkumuleringstanken (Fig.:3). Pyranometerne skal installeres med samme hældning som solpanelerne. Figur 3: Et monteret Pyranometer De monterede Pyranometer måler solinstrålingen på anlægget i W/m 2. Ud fra dette er det muligt, at bestemme, hvor meget glykol der skal strømme igennem solfangeranlæggets rørnet. Glykolen bliver varmet op til 98°C sommeren og 60°C om 14 http://www.eof.dk/Viden/Ordforklaringer?letter=%7BA61AAE30-7724-4782-888AE99B1920FA65%7D 25.03.2015 12:02 Karsten Wieck G20102009 16 Energioptimering af solvarmeanlæg vinteren, ud over dette regulerer værkets personale fremløbstemperaturen fra solparken efter vejrforholdene15. Efter opvarmningen ved gennemløb af solfangerparken, løber glykolen igennem værkets varmeveksler og afleverer varmen til fjernvarmevandet. Varmeveksleren er konstrueret som en modstrømsvarmeveksler (fig.:4). Figur 4: Modstrømsvarmeveksler Fjernvarmevandet, der cirkuleres i varmeveksleren fra akkumuleringstanken, har en temperatur på mellem 60°C og 98°C. Temperaturen er afhængig af årstiden. Det opvarmede fjernvarmevand kan nu sendes til opbevaring i akkumuleringstanken indtil der er behov for varmen, eller det distribueres direkte ud til forbrugerne. Glykolen, der har afleveret sin varme igennem varmeveksleren pumpes retur ud i solfangerparken for igen, at gennemløbe samme proces. Jo koldere vand der kan sendes retur til solfangerparken jo mere energi fra solen kan dette vand optage. Der siges, at for hver grad vandet er koldere når det pumpes ud i solfangerparken, bliver solfangerne 1% mere effektivt.16 Akkumuleringstanken har fire dyser, hvor fjernvarmevandet kan ledes ind og ud af. Valget af de enkelte dyser, afhænger af, hvilken temperatur fjernvarmevandet har efter varmeveksleren. Dermed kan temperaturniveauerne, som er inddelt i lag med forskellige temperaturer, holdes stabile. Af fysiske årsager ligger det varmeste vand i toppen og det koldeste vand lægger sig i bunden af akkumuleringstanken. Det er grundet massefyldeforskellen ved forskellige temperaturer. Vandets temperatur i toppen vil ligge på ca. 96°C mens vandet i bunden vil ligge på ca. 20-30°C. Pga. temperaturforskellen vil distributionen ud til forbrugerne ske fra den øverste del af tanken, hvor temperaturen 15 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 16 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview Karsten Wieck G20102009 17 Energioptimering af solvarmeanlæg ligger omkring de 75°C. Ud over dette kan kunderne ved passende temperatur direkte distribueres fra solgangeranlægget. Om sommeren kan tanken rumme varme nok til 810 døgn, hvorimod tanken om vinteren kun kan rumme varme til ca. 1,5 døgn. Ved distribution ud til forbrugerne skal fjernvarmevandet have en fremløbstemperatur på 75°C. Da temperaturen fra solfangerne og akkumuleringstanken ofte er over de ønskede 75°C, by-passes noget af returvandet fra byen som ca. er 40°C, for at opnå en fremløbstemperatur på 75°C. Når fjernvarmevandet sendes ud til forbrugerne er det 75°C varmt, det vil sige, at alt vand der har en temperatur på under 75°C i akkumuleringstanken, ikke kan bruges af forbrugerne. Derfor er der opstillet en absorptionsvarmepumpe på 1,7 MW, der drives af den tilkoblede pillekedel, som har en effekt på 950 kW. 17 Absorptionspumpen består af en generator, fordamper og den kondenser (fig.:5)18 som hver for sig udgør et trin i Figur 5: Absorptionsvarmepumpe principskitse processen. Absorptionsvarmepumpen indeholder to medier, vand der bruges som kølemiddel og litiumbromid der benyttes som absorbator. I generatoren pumpes en blanding af litiumbromid og vand, hvor varmen fra pillekedlen benyttes som drivmiddel til at fordampe vandet. Vandet, som nu befinder sig på dampform, ledes over 17 http://homes.et.aau.dk/mbb/fjernkulde/seminar130312/absorption-lange.pdf | 30.03.2015 08:05 Fundamental Principle absorption heat pump: https://www.youtube.com/watch?v=QpYjEdhWXVA |30.03.2015 08:29 18 Karsten Wieck G20102009 18 Energioptimering af solvarmeanlæg kondensatoren, hvor den kondenserer og overfører varmen til fjernvarmevandet. Vandet som kondenseres i kondensatoren og litiumbromidet som er opvarmet i generatoren Figur 6: Akkumuleringstank SRO- anlæg ledes nu ind i fordamperen, hvor der hersker et undertryk. Vandet ledes ned over en koldtvandsstreng fra akkumuleringstanken og litiumbromidet ledes ned over en fjernvarmestreng med returvandet fra forbrugerne. Da vandet ved undertryk vil koge ved laver temperaturer, benyttes her det kolde vand i akkumuleringstanken som drivmiddel til at bringe vandet på dampform igen. Dampen absorberes nu af litiumbromidet der afgiver varmen til fjernvarmestrengen og igen ledes i generatoren. Fjernvarmevandet fra kondensatoren kan nu ledes i akkumuleringstanken (fig.:6) til opbevaring eller distribueres direkte ud til forbrugerne. Vandet fra fordamperen der er blevet koldere sendes enten til akkumuleringstanken eller til varmeveksleren for at optage varmen fra solfangerne. Karsten Wieck G20102009 19 Energioptimering af solvarmeanlæg Viden om solfangeranlæg Grundlæggende virker et solvarmeanlæg ved at omdanne solens strålingsenergi til varmtvand. På større solvarmeanlæg anvendes fjernvarmevand til at afkøle vandet fra Figur: 7 Skitse af solfangeren monteret på Gråsten Varme A/S. solfangerne, dette foregår typisk gennem en varmeveksler. Man ønsker ikke fjernvarmevand i solfangerne af to grunde, både fordi det skal være frostsikret og det skal være behandlet på den rigtige måde. På (fig.:7) 19 kan der ses en skitse af et solfangerpanel, som det er stillet op ved Gråsten Varme A/S. På figuren kan der ses, at solfangeren er monteret på betonbjælker med en fast indstillet vinkel til solen. 20 Ifølge ArconSunmark kan solfangerpaneler installeres med hældningsvinkler fra 20°-60° grader fra vandret plan. Ydermere kan solfangeren monteres med en sideværts hældning på op til 10°. Hvis ikke andet er opgivet er opstillingsvinklen 38° fra vandret plan. Solfangeren Grundlæggende består solfangeren af en absorber (en sort/blank plade), som skal optage solens stråler. Pladen skal have en høj absorptionsværdi dvs. den optager meget af solens energi. Absorberen er den vigtigste komponent i et solvarmeanlæg, da det er Figur: 8 Skitse af solfangerens opbygning 19 20 ARCON solfanger - type HT-A 28/10 datablad side 1 Gråsten Varme A/S database: Dokumentation vedr. solvarmeanlæg udarbejdet af ARCONSOLAR Karsten Wieck G20102009 20 Energioptimering af solvarmeanlæg i denne alt solens energi bliver optaget. Absorberen bliver opvarmet af solens strålingsenergi og skal derfor køles. Dette gøres med kølevæske, som optager varmen gennem varmeoverførsel og leder den over til en væske. Denne væske leder energien væk ved hjælp af vandet. På (fig.:8) 21 forrige side ses opbygningen af en solfanger. Solfangeren er pakket ind i en aluminiumskasse primært for at beskytte absorberen, men også for at holde luften over absorberen så varm som muligt. Bagerst er isoleringen som skal holde varmen inde og mindske varmestrålingen til omgivelserne. Oven på isoleringen ligger absorberen. Absorberen opfanger solens energi og leder over til kølevandet. Kølevandet bliver løbende cirkuleret efterhånden som solens stråler varmer det op.22 Solfangeranlæg ved Gråsten Varme A/S I dette afsnit vil der foretages en analyse af den nuværende opstilling af solfangeranlægget med henblik på solfangeranlæggets produktion og hvilke komponenter der er brugt for driften af solfangeranlægget. Solvarmeproduktionen 2014 Ud fra gældende data. 23 Der er optaget fra produktionsåret 2014 (01.01-31.12) (bilag 4) af Gråsten Varme A/S, kan der konstateres at den samlede solvarmeproduktion i perioden har været 8.932,41 MWh og den samlede solindstråling i perioden har været 200000 Varmeproduktion Gråsten Varme A/S 2014 150000 100000 50000 0 Varmeproduktion (MWh) Varmeproduktion (Wh/m2) Solindstråling (Wh/m2) Figur 9: Solvarmeproduktionen 2014 21 ARCON Solar solfanger - type HT-A 28/10 datablad side 2 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 23 www.solvarmedata.dk 22 Karsten Wieck G20102009 21 Energioptimering af solvarmeanlæg 1.115.349 Wh/m2 solfanger. Disse data vil senere i rapporten være med til at vurdere hvorvidt hældningen/layoutet af solfangerparken ved Gråsten Varme A/S kan ændres. På (fig.: 9) kan der ses hvordan varmeproduktionen har været fordelt over året 2014. Der kan tydelig ses, at udbyttet er tydelig højere om sommeren end den er om vinteren. Karsten Wieck G20102009 22 Energioptimering af solvarmeanlæg Den nuværende opstilling af solfangerparken ved Gråsten Varme A/S Solfangerne er placeret med op til 22 stk. forbundet i serie af hinanden. Rækker hvor der er placeret mere end 15 paneler i serie bruges HT-A 35/10. I Rækker, hvor der er placeret mindre en 15 paneler bruges HT-A 28/10 modellen. Grunden til den valgte opstilling af panelerne er at holde et konstant flow og tryk i rækkerne, hvor panelerne er stillet op. En Tegning over opstillingen kan ses på (bilag 5). Solfangerne i solfangeranlægget er forbundet til hinanden ved hjælp af fleksible slanger (fig.:10). Slangen er isoleret så der ikke opstår et unødvendigt varmetab mellem solpanelerne og derved sikres en høj virkningsgrad. Fig.: 10 Samling af solpaneler. For at optimere virkningsgraden yderligere skal der sikres en jævn udgangstemperatur over hver solfangerrække. Dette kan gøres ved anvendelse af 24 Tichelmann Systemet Fig.: 11 Tichelmann-Systemet (fig.: 11) eller ved at installere reguleringsventiler. Tichelmann- Systemet er brugbart for solfangeranlæg med i et mindre antal rækker og med regulært layout. Systemet sikrer, at hver række har den samme fordelingsrørlængde og dermed det samme trykfald. 24 Tichelmann Systemet er en speciel teknik, der bruges til at lægge rør. Den kan også bruges ved radiator installation. Karsten Wieck G20102009 23 Energioptimering af solvarmeanlæg Reguleringsventilsystemet er især brugbart i store systemer, hvor layoutet er vanskeligt. En reguleringsventil er monteret ved enden eller ved starten af hver række i anlægget. Ventilerne indstilles for at sikre at trykfaldet over hver række er ensartet. Generelt kan denne løsning anbefales pga. dets fleksibilitet. Ved Gråsten Varme A/S er reguleringsventil- systemet (figur:12) valgt. Da dette er et større anlæg og layoutet er noget vanskeligt.25 fig.:12 Reguleringsventil Setup ARCONSUNMARK har leveret de 1519 stk. solfangere der er i nuværende anlæg, som tidligere beskrevet består af modellerne HT-A 28/10 & HT-A35/10 (bilag 2+3). Ud over de beskrevne modeller producerer ARCONSUNMARK en yderligere model, HT-Heat Boost 35/10. Beskrivelse af solfangertyperne Som nævnt før gør Gråsten Varme A/S sig brug af solfangerne fra ARCONSUNMARK, i form af modellerne HT-Heatstore. Modellerne findes i forskellige udformninger angående indvendige rørdiameter, som ses ved modellerne HTA 35/10 & HT-A 28/10. Den væsentlige forskel ved de to modeller er mængden af væskeindholdet det maksimale flow samt tilslutningen, hvor den ene model har en tilslutning på 2x35mm og den anden på 2x28 mm. Ifølge producentens datablad er effekten (ydelsen) på begge modeller den samme (bilag 2+3). Ifølge ARCONSUNMARK har typen HT-HEATstore verdens højeste ydeevne inden for modeller af plade-solfangere, modellen er velegnet til anlæg hvor der ønskes en så høj fremløbstemperatur af fjernvarmevandet som muligt. Dette princip kan med fordel bruges i industrien eller ved varmelagring, som tilfældet er 25 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview Karsten Wieck G20102009 24 Energioptimering af solvarmeanlæg ved Gråsten Varme A/S i form af akkumuleringstanken. ARCONSUNMARC har en model mere i deres produktprogram. Modellen kaldes HT-HEATBoost. Denne model er udviklet til hurtigt og effektivt at forvarme vandet i solfangerne. Den er ideel hvor der er behov for lave temperaturer, f.eks. under 85°C, derved kan den forvarme vandet til HT-HEATstore modellerne, eller vandet kan bruges i processer, hvor der ikke er behov for så høje temperaturer. Forvarmningen vil kunne finde sted hvor der ikke vil være mulighed eller plads nok til at placere HT-HEATstore panelerne i rækker af 22 stk. i serie. Her vil HT-HeatBoost panelet forvarme vandet, som derefter vil kunne ledes hen til HT-HEATstore panelerne, som så vil kunne varme vandet op fra de 85°C til 98°C. Positionering i solfangerfeltet Solfangerne leveret fra ARCONSUNMARK kan installeres ved hældningsvinkel på 20°-60° målt fra vandret plan. Den typiske opstillingsvinkel for solpanelerne er på 38° fra vandret plan. ARCONSUNMARK HT solfangeren kan monteres med en sideværts hældning på op til 10° uden, at stabiliteten bliver forringet. Solfangerne kan være installeret med små afvigelser fra syd uden at det alvorligt berører præstationen af solfangere, men ideelt set bør solfangeren placeres direkte mod syd. Ved placering af solfangeren er det vigtigt at skygger fra træer, bygninger og lign. undgås for optimalt udnyttelse af solindstrålingen. Desuden skal der sikres at solfangerne ikke placeres så tæt på hinanden, at panelerne skygger for hinanden. Karsten Wieck G20102009 25 Energioptimering af solvarmeanlæg Ændring af layout på solfangeranlægget I det her afsnit vil der blive analyseret, hvordan Gråsten Varme A/S kan optimere deres vinterproduktion af solvarme samtidig med, at overproduktionen om sommeren bliver reduceret. Til beregningerne af solvarmeproduktion for det optimerede anlæg lægges årsproduktionen af solvarme for 2014 til grunde. Solfangerne Solfangernes hældning er vigtigt og afgørende for den mængde af solvarme der er ønsket. Den oftest brugte hældning på solfanger anlæg i Danmark er 38°, denne hældning er den bedste for at sikre en god udnyttelse af solens indstråling hele året rundt til solvarmeproduktion. For at opnå en mere ligelig fordelt produktion hele året rundt, vil der i denne rapport undersøges hvorvidt det er mugligt, at ændre solfangeranlæggets hældning i forhold til solindstrålingen. Dette kan opnås ved, at ændre hældningen af solfangerenes vinkling fra de 38° til eventuelt 45° eller 60°. Dette vil medføre en bedre indfaldsvinkel fra solen og derved en længere solvarmeproduktionssæson på solfangerne i henhold til solens højde på himlen. Ikke kun, at solvarmeproduktionssæsonen bliver længere, men en eventuel overproduktion af solvarme om sommeren vil kunne reduceres. Efter research på nettet og en samtale med Dan C. Appel 26, for assistance til udregningen af solfangernes effektivitet ved ændring af deres vinkel/hældning, må der konstateres, at dette er en større udregningsproces. Der henvises derfor fra Dan C. Appels side til et program, som er udarbejdet af det Svenske SP27. Programmet hedder Scenocalc og baserer på et Excel-ark, som kan bruges til beregning af ydelserne ved de ønskede hældninger på solfangerne. 28 Resultaterne fra programmet skal vurderes meget kritisk, da der kun er anvendt data fra udvalgte byer i Europa. Ligeledes tager Scenocalc ikke højde for skygger på solpanelerne. I programmet kan der vælges mellem fire byer. Til udregningerne bruges data fra byerne Stockholm og Würzburg, da disse geografisk er placeret tættest på Gråsten. Ud fra de valgte byer Stockholm & Würzburg er der i programmet udarbejdet 26 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 27 Statens Provningsanstalt 28 http://www.sp.se/en/index/services/solar/ScenoCalc/Sidor/default.aspx Karsten Wieck G20102009 26 Energioptimering af solvarmeanlæg beregninger for solfangerne i henholdsvis 45° og 60° hældnings med en fremløbstemperatur på 75°C. Ud fra disse resultater (bilag 7), er der taget et gennemsnit til at give en vurdering af, hvad resultatet muligvis vil være i gråsten (bilag 8). Derefter vil der på baggrund af beregninger analyseres på hvor stor en ændring der vil være i procent ved at gå fra 38 til 45 og fra 38 til 60 hældning (fig.:13) (bilag6). Disse procenttal vil senere være med til at give en vurdering af, hvad udbyttet af solvarme fra solfangerne vil være. Produktion ved forskellige vinklinger 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 38° vinkling 45° vinkling 60° vinkling 2 Periode gleit. Mittelw. (38° vinkling) 2 Periode gleit. Mittelw. (45° vinkling) 2 Periode gleit. Mittelw. (60° vinkling) Figur 13: Diagram over solvarmeproduktionen ved ændrede hældninger Dataene fra produktionsåret 2014 vil være med til at give en vurdering af hvor meget solvarmeproduktionen vil forøges eller forringes. Der skal lægges mest fokus på vintermånederne da disse vil opleve en forøgelse af produktionen. Hvorimod der om sommeren vil produceres mindre solvarme. Dette vil muligvis medføre en reduktion af overproduktion af solvarme. Karsten Wieck G20102009 27 Energioptimering af solvarmeanlæg Ændring af solfangernes vinkling På de efterfølgende sidder kan der ses, hvilken indflydelse ændringen af solfangernes vinkling/hældning har for solvarmeproduktionen. Hældning 38°C Da solfangeranlægget er vinklet til 38° i forvejen vil til beregningerne gøres brug af årsproduktionen fra 2014, som kan ses på (fig.:14). Produktion ved 38° 2014 Produktion i MWh Januar 29,89 MWh Februar 319,48 MWh Marts 863,78 MWh April 1.226,80 MWh Mai 1.231,83 MWh Juni 1.352,95 MWh Juli 1.435,89 MWh August 1.062,04 MWh September 964,16 MWh Oktober 334,93 MWh November 100,09 MWh December 10,57 MWh Total 8932,41 MWh Figur 14: Solvarmeproduktion 2014 Karsten Wieck G20102009 28 Energioptimering af solvarmeanlæg Hældning 45° Når vinklingen på solfangeranlægget ændres til 45°, vil den enkelte solfanger være mere effektiv i vinterhalvdelen af året og mindre effektivt i sommerhalvdelen af året. Ændringen til 45° hældning vil i vinterhalvåret forøge produktionen på omkring 2,26%7,99%, (Fig.:15) hvad svarer til en merproduktion af solvarme om vinteren på op til 80,18 MWh i vinterhalvåret. (Fig.:17) Derimod om sommeren vil anlægget ikke være så effektivt og have et tab i produktionen på 2,1205%-5,2475%. Dette svarer til et tab på 250,32 MWh (Fig.:17). Disses tal svarer til et samlet tab i produktionen på ca. 1,9045% om året. Det store tab om sommeren skyldes bl.a. hældningen på solpanelerne men også, at solvarmeanlægget ikke kan omsætte mængden af den indstrålede energi til nyttenergi. (For beregninger bilag 10) Produktion ved 45° 2014 Produktion i MWh %-ændring Ny produktion Januar 29,89 MWh 7,99595 % 32,28 MWh Februar 319,48 MWh 5,68145 % 337,63 MWh Marts 863,78 MWh 2,2633 % 883,33 MWh April 1.226,80 MWh -3,3775 % 1185,36 MWh Mai 1.231,83 MWh -3,8809 % 1184,02 MWh Juni 1.352,95 MWh -5,2475 % 1281,95 MWh Juli 1.435,89 MWh -4,70435 % 1368,34 MWh August 1.062,04 MWh -2,1205 % 1039,52 MWh September 964,16 MWh 1,70765 % 980,62 MWh Oktober 334,93 MWh 4,7698 % 350,91 MWh November 100,09 MWh 6,737 % 106,83 MWh December 10,57 MWh 8,62 % 11,48 MWh Total 8932,41 MWh -1,9045 % 8762,29 MWh Figur 15: Procentændring ved 45° vinkling/hældning Karsten Wieck G20102009 29 Energioptimering af solvarmeanlæg Hældning 60° Når vinklingen på solfangeranlægget ændres til 60°, vil det medføre samme effekt som ved 45° hældning, den enkelte solfanger er mere effektiv i vinterhalvdelen af året og mindre effektivt i sommerhalvdelen af året. Ændringen til 60° hældning vil i vinterhalvåret forøge produktionen på omkring 1,47%-15,01% (Fig.:16) hvad vil svare til en merproduktion af solvarme om vinteren på op til 80,35MWh. (Fig.:18) Derimod om sommeren vil anlægget ikke være effektivt nok og have et tab i produktionen på 6,7%-18,5 Dette svarer til et tab på 870,28 MWh (Fig.:18). Disses tal svarer til et samlet tab i produktionen på ca. 9,7%. Det store tab om sommeren skyldes bl.a. hældningen på solpanelerne men også, at solvarmeanlægget ikke kan omsætte mængden af den indstrålede energi til nyttenergi. Ydermere kan der ses i tabellen at måneden september også viser et negativt resultat. Ved et vælge 45° grader hældning undgås dette. (For beregninger bilag 11) Produktion ved 60° 2014 Produktion i MWh %-ændring Ny produktion Januar 29,89 MWh 15,01065 % 34,38 MWh Februar 319,48 MWh 9,37985 % 349,45 MWh Marts 863,78 MWh 1,47735 % 876,54 MWh April 1.226,80 MWh -6,6748 % 1144,91 MWh Mai 1.231,83 MWh -14,9869 % 1047,22 MWh Juni 1.352,95 MWh -18,45005 % 1103,33 MWh Juli 1.435,89 MWh -16,9148 % 1193,01 MWh August 1.062,04 MWh -10,11065 % 954,66 MWh September 964,16 MWh -0,40495 % 960,26 MWh Oktober 334,93 MWh 6,4518 % 356,54 MWh November 100,09 MWh 10,95465 % 111,05 MWh December 10,57 MWh 14,8061 % 12,14 MWh Total 8932,41 MWh -9,7 % 8143,48 MWh Figur 16: Procentændring ved 60° vinkling/hældning Karsten Wieck G20102009 30 Energioptimering af solvarmeanlæg Produktion ved ændring fra 38° til 45° hældning Som det er beskrevet på i forrige afsnit vil en ændring af vinklingen til 45° medføre en procentvis ændring af solvarmeproduktionen. I det her afsnit vil der på baggrund af den procentvise ændring analyseres, hvad indflydelse %-ændringen har for produktionstallene for en eventuel ændring af solfangeranlæggets vinkel i forhold til årsproduktionen 2014. På fig.: 17 er det udarbejdet et skema der viser hvilke følger en eventuel ændring af solfangeranlægget vinkling til 45° har for produktionen af solvarme. ”Ændring” i tal står for ændringen af produktionen i forhold til årsproduktionen 2014. Nederst i skemaet er forøgelsen og forringelsen af solvarmeproduktionen regnet sammen og hold op mod hinanden. Fra januar til marts og fra september til december vil en ændring af solfangeranlæggets vinkling til 45° medføre en merproduktion på 80,12 MWh. Hvis der så analyseres fra april til august måned kan der ses, at en ændring af solfangeranlæggets vinkling til 45° vil medføre et tab på 250,32 MWh. Det svarer til et samlet tab i solvarmeproduktion ved en 45° vinkling af solvarmeanlægget på 170,14 MWh. For beregninger (bilag 12) Produktion ved ændring 38° til 45° 2014 Produktion 2014 i MWh Ny produktion Ændring i tal Januar December 29,89 319,48 863,78 1.226,80 1.231,83 1.352,95 1.435,89 1.062,04 964,16 334,93 100,09 10,57 32,28 337,63 883,33 1185,36 1184,02 1281,95 1368,34 1039,52 980,62 350,91 106,83 11,48 MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh 2,39 18,15 19,55 -41,44 -47,81 -71,00 -67,55 -22,52 16,46 15,98 6,74 0,91 Total 8932,41 8762,27 MWh Februar Marts April Mai Juni Juli August September Oktober November MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh MWh Forøgelse 80,18 MWh Forringelse -250,32 MWh Samlet tab -170,14 MWh Fig.: 17 Produktion ved ændring 38° til 45° Karsten Wieck G20102009 31 Energioptimering af solvarmeanlæg Produktion ved ændring fra 38° til 60° hældning Som beskrevet før, vil en ændring af vinklingen til 45° medføre en procentvis ændring af solvarmeproduktionen. I det her afsnit vil der på baggrund af den procentvise ændring analyseres, hvad indflydelse %-ændringen har for produktionstallene for en eventuel ændring af solfangeranlæggets vinkel til 60° i forhold til årsproduktionen 2014. På (fig.: 17) er det udarbejdet et skema der viser hvilke følger en eventuel ændring af solfangeranlægget vinkling til 60° har for produktionen af solvarme. ”Ændring” i tal står for ændringen af produktionen i forhold til årsproduktionen 2014. Nederst i skemaet er forøgelsen og forringelsen af solvarmeproduktionen regnet sammen og hold op mod hinanden. Fra januar til marts og fra oktober til december vil en ændring af solfangeranlæggets vinkling til 60° medføre en merproduktion på 81,35 MWh. Hvis der så analyseres fra april til oktober måned kan der ses, at en ændring af solfangeranlæggets vinkling til 60° vil medføre et tab på 870,28 MWh. Det svarer til et samlet tab i solvarmeproduktion ved en 60° vinkling af solvarmeanlægget på 788,93 MWh. For beregninger (bilag. 13) Produktion ved ændring 38° til 60° 2014 Produktion i MWh Ny produktion Ændring i tal Januar 29,89 34,38 MWh 4,49 MWh Februar 319,48 349,45 MWh 29,97 MWh Marts 863,78 876,54 MWh 12,76 MWh April 1.226,80 1144,91 MWh -81,89 MWh Mai 1.231,83 1047,22 MWh -184,61 MWh Juni 1.352,95 1103,33 MWh -249,62 MWh Juli 1.435,89 1193,01 MWh -242,88 MWh August 1.062,04 954,66 MWh -107,38 MWh September 964,16 960,26 MWh -3,90 MWh Oktober 334,93 356,54 MWh 21,61 MWh November 100,09 111,05 MWh 10,96 MWh December 10,57 12,14 MWh 1,57 MWh Total 8932,41 8143,48 MWh MWh Forøgelse 81,35 MWh Forringelse -870,28 MWh Samlet tab -788,93 MWh Fig.: 18 Produktion ved ændring 38° til 60° Karsten Wieck G20102009 32 Energioptimering af solvarmeanlæg Overproduktion og natkøling Om sommeren når det rigtig er varmt og solen skinner fra en sky fri himmel i flere uger i træk, produceres der mere solvarmeenergi end bynettet og forbrugerne har behov for. Når denne situation opstår, vil mængden af den producere solvarme overstige akkumuleringstankens kapacitet. Derfor er man, som anlægget køre nu, nød til at natkøle. Det vil sige at man vender processen om. Man tager det varme fjernvarmevand fra akkumuleringstanken, køler det gennem varmeveksleren og tilbage i tanken. I varmeveksleren bliver glykolen nu opvarmet, glykolen afkøles ved at løbe gennem solfangerne. Den mængde der skal afkøles, skal svare til næste dags produktion gerne med en sikkerheds margen på + 5 %. Natkølingen kan betegnes som overproduktion. Hyppighed af overproduktion og natkøling 29 For at bestemme omfanget af problemet med overproduktion af solvarme er der blevet snakket med Dan C. Appel om problemet. Dan C. Appel har undersøgt dette problem før. Han fortæller, at der blandt andet var et svar fra Flemming Sørensen fra Strandby varmeværk, som sagde: ”Vi har benyttet natkøling én gang i den tid vi har haft solvarme, siden 2008, årsag var at vi IKKE var gode nok til at vurdere akk. kapaciteten i begyndelsen, "griskhed" med el-produktion samtidig. ” 30 Endvidere fortæller han om e-mails, som han i sin tid fik fra Vojens fjernvarme, Sæby varmeværk, Ringkøbing fjernvarmeværk og Gram fjernvarme. Dan C. Appel fik det indtryk at overproduktion af solvarme ikke er et stort problem hos solvarmeværker omkring i Danmark. Grunden til at der ved Gråsten Fjernvarme dog alligevel er interessant at kigge på denne problematik er, at solvarmeanlægget i 2014 har haft en samlet overproduktion af solvarme på i alt 328,8 MWh. Overproduktionen beskrives, som natkøling. Man natkøler for at, få plads i akkumuleringstanken til produktionen dagen efter. Overproduktionen er fundet ved hjælp af SRO- anlægget. Dette råder over en log med samtlige driftsdata på solvarmeanlægget. Data for overproduktion/natkøling er vedlagt som bilag (bilag 18). 29 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 30 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview Karsten Wieck G20102009 33 Energioptimering af solvarmeanlæg Produktionsændring kontra overproduktion ved 45° hældning Som beskrevet i forrige afsnit er der en overproduktion af fjernvarme. Denne overproduktion beskrives som natkøling. Denne natkøling betragtes som tab. Overproduktionen er fundet vha. Gråsten Varmes A/S SRO-anlæg. I det forrige afsnit er tabet for 45° og 60° vinkling for solfangeranlægget beregnet. På nedstående skema (fig.:19) er disse tal taget som udgangspunkt for at beregne en mulig merproduktion. Ved at sammenregne tallene for produktionsændringen med det tab der opstår igennem natkølingen, fås ved en vinkling på 45° en merproduktion på 158,66MWh. På skemaet kan der ses, at solfangeranlægget vil blive mere effektivt på et produktionsår. I april og maj måned vil der stadig opstå et tab i produktionen. Dette tab skyldes det tab, som der er igennem ændringen af solfangeranlæggets hældning men også pga. at overproduktionen i disse måneder ikke er højt nok. (For beregninger bilag 14) Produktion ved 45° Natkøling 2014 Produktion ændring Januar 2,39 0,00 MWh 2,39 MWh Februar 18,15 0,00 MWh 18,15 MWh Marts 19,55 0,00 MWh 19,55 MWh April -41,44 21,80 MWh -19,64 MWh Maj -47,81 0,00 MWh -47,81 MWh Juni -71,00 85,50 MWh 14,50 MWh Juli -67,55 181,50 MWh 113,95 MWh August -22,52 40,00 MWh 17,48 MWh September 16,46 0,00 MWh 16,46 MWh Oktober 15,98 0,00 MWh 15,98 MWh November 6,74 0,00 MWh 6,74 MWh December 0,91 0,00 MWh 0,91 MWh 328,80 MWh 158,66 MWh Total Natkøling Merproduktion ved 45° Ændring i tal 158,66 MWh Fig.: 19 Produktion ved 45° natkøling Karsten Wieck G20102009 34 Energioptimering af solvarmeanlæg Produktionsændring kontra overproduktion ved 60° hældning Ved en vinkling af 60° er fremgangmåden den samme som ved 45°. I det forrige afsnit er tabet for 45° og 60° vinkling for solfangeranlægget beregnet. På nedstående skema (fig.:20) er disse tal taget som udgangspunkt for, at beregne en mulig merproduktion. Ved at sammenregne tallene for produktionsændringen med det tab der opstår igennem natkølingen, fås ved en hældning af solfangeranlægget til 60°, et tab på 460,13 MWh. På skemaet kan der ses, at en vinkling af solfangeranlægget til 60° medfører et meget stort tab. Tabet resulterer i at solfangeranlægget vil producere mindre fjernvarme fra april til september måned. Det store tab skyldes vinklingen til 60°. Tabet der opstår igennem vinkelændringen kan ikke opfanges af det tab, som er forårsaget igennem anlæggets overproduktion. (For beregninger bilag 15) Produktion ved 60° Natkøling 2014 Produktion ændring Januar 4,49 0,00 MWh 4,49 MWh Februar 29,97 0,00 MWh 29,97 MWh Marts 12,76 0,00 MWh 12,76 MWh April -81,89 21,80 MWh -60,09 MWh Maj -184,61 0,00 MWh -184,61 MWh Juni -249,62 85,50 MWh -164,12 MWh Juli -242,88 181,50 MWh -61,38 MWh August -107,38 40,00 MWh -67,38 MWh September -3,90 0,00 MWh -3,90 MWh Oktober 21,61 0,00 MWh 21,61 MWh November 10,96 0,00 MWh 10,96 MWh December 1,57 0,00 MWh 1,57 MWh 328,80 MWh Total Natkøling Tab i produktionen ved 60 ° Ændring i tal MWh -460,13 MWh Fig.: 20 Produktion ved 60° natkøling Karsten Wieck G20102009 35 Energioptimering af solvarmeanlæg Ændringen af solfangeranlæggets spidseffekt ved 45° og 60° Til beregning af solfangerparkens maksimale udbytte efter en eventuel, ændring af solfangerparkens vinkling bruges den tidligere nævnte solfangerligning. Da den oprindelige solfangerlogning ikke tager hensyn til indfaldsvinkelkorrektionen, skal denne beregnes yderligere. Beregningerne fortages ved en opstilling af solfangeranlægget ved 45° og 60° hældning. Der anvendes data fra datablad over HT -28/10 og HT-35/10 solfangere. (Bilag 2+3), solindstrålingen på 1000 W/m2, som er den maksimale indstråling, der vil kunne forekomme i Danmark på grund af den geografiske placering31. For beregningerne (bilag 16 & 17) anvendes en fremløbstemperatur i solfangerne på 98°C, da dette er den højeste temperatur, som medarbejderne ved Gråsten Varme A/S tillader i solfangerne. Hvis temperatuen over stiger de 98°C, vil vandet begynde at koge og beskadige solfangerne. Returtemperaturen sættes til 40°C da dette er den temperatur fjernvarmevandet har, når det kommer retur fra forbrugerne og da absorptionsvarmepumpen ikke anvendes om sommeren, vil det ikke være muligt, at få en lavere temperatur. En Fremløbstemperatur på 98°C og en retur på 40°C som medfører en temperatur middeldifferens32 på 69°C. Udetemperaturen er fastsat til 25°C. Disse værdier medfører en 𝜂 virkningsgrad på solfangerne på 0,672. Da solfangerligningen ikke tager hensyn for indfaldsvinkelkorrektionen af solpanelerne, skal denne beregnes via formlen: Når indfaldsvinkelkorrektionen er medregnet fås ydelsen pr. m2 for begge hældning til: Ydelsen pr. m2 med en hældning på 45° bliver: 616,9 W/m2 Ydelsen pr. m2 med en hældning på 60° bliver: 486,6 W/m2 For at finde spidseffekten for anlægget skal der også tages hensyn til solfangernes overfladeareal, dette er for det nuværende anlæg sat til 19.024m 2. Ved at tage hensyn til de nævnte faktorer, fås for solfangeranlægget med en vinkling på 45° en ny spidseffekt på 11,71 MW. Ved en hældning på 60° fås en ny spidseffekt på 9,26 MW. Disse resultater forudsætter at der vil være solindstråling på 1000 W/m 2 over hele solfangeranlægget. Resultatet skal anses som en peakværdi, ved en optimal drift situation af solfangeranlægget. Det kræver at frem- og returløbstemperaturen til solfageranlægget, solindstrålingen og udetemperaturen har de før beskrevne værdier. 31 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 32 Formelsamling for Maskinmesteruddannelsen 17 udgave. 33 Datablad ARCONSUNMARK- HT Karsten Wieck G20102009 36 Energioptimering af solvarmeanlæg Vand/glykol-blandingen i solvarmeanlæg Til at transportere den termiske energi i form af varme fra solfangeranlægget på Gråsten Varme A/S, bruges en cirkulerende væske bestående af vand og glykol (1.2 Propylenglykol). 33 Glykol er en divalent alkohol. Dette betyder at de to bundne kulstofatomer i molekylet har to hydroxid-grupper (OH-) bundet. Disse hydroxidgrupper betyder, at glykol let kan blandes op med vand. Glykols indre molekylære bindinger gør desuden at dets frysepunkt i høj grad sænkes, på trods af en relativt høj varmefylde. Grunden til, at denne blanding bruges som varmetransportør frem f.eks. vand, er at den sikrer mod at vandet ikke fryser til is. Dette ville medføre voldsomme skader på solfangeranlægget. Ydermere sørger glykolindholdet i vandet for korrosionsbeskyttelse i anlægget. Skemaet forneden er udarbejdet efter PEKASOL L Kälte- und Wärmeträgerflüssigkeit auf Basis 1.2 Propylenglykol datakatalog. Dette datakatalog indeholder informationer om glykolens egenskaber med henblik på varmefylden og varmeledningstallet. Værdier for Vand/glykol blandinger ved forskellige forhold Procent Frysepunkt Varmefylde Faktor (%-vis Varmelednin Faktor (%-vis glykol (%) (°C) (kJ/kg*K) forringelse) gstal forringelse) Varmefylde (W/m2*K) Varmeledningstal 0 0 4,19 0,00% 0,5962 0,00 % 20 -7 4,07 2,83 % 0,499 16,30 % 30 -14 3,82 8,83 % 0,450 24,52 % 40 -20,64 3,62 13,19 % 0,410 31,23 % Fig.:21 diagram over glykols kemiske egenskaber Ud fra kurverne i dette datakatalog er værdierne for glykolen blevet aflæst og udarbejdet. Som reference for aflæsningerne tages udgangspunkt i de målinger, der er foretaget med et refraktometer, som måler glykolindholdet i vand/glykol-blandingen. Målingerne er vedlagt som (bilag 19). Databladende fra datakataloget er vedlagt som (bilag20.1-20.4). Ud fra tabellen for oven, ses det at både varmefylden og varmeledningstallet bliver mindre desto mere koncentreret vand /glykol blandingen bliver. Derfor er det en fordel, at have så lidt glykol i vandet som muligt, men samtidig skal vandet være tilstrækkeligt frostsikret til vinterperioden. 33 http://www.eof.dk/Viden/Ordforklaringer?letter=%7BA61AAE30-7724-4782-888AE99B1920FA65%7D 25.03.2015 12:02 Karsten Wieck G20102009 37 Energioptimering af solvarmeanlæg Vand/glykol-blandingen ved Gråsten Varme A/S Ved Gråsten Varme A/S kører solvarmeanlægget med en glykol % på mellem 30-40%34. Det betyder at blandingen består at 30-40% glykol og ca. 60% vand. Gråsten Varme A/S gør dette for at beskytte anlægget mod korrosion og primært mod frost om vinteren. Med denne blanding er solfangerparken beskyttet mod frost helt ned til ca. -25°C se skemaet (Fig.:21). Hvis solfangeranlægget om foråret, fra april måned til efteråret oktober måned kunne køre med en vand/glykol-blanding på 20% så er anlægget i sommerhalvåret kun sikret mod 8 grader frost. Dette anses for at kunne gennemføres da anlægget i sommerhalvåret ikke skal frostsikres ned til – 25 grader. Frostsikring35 For at sikre mod frostsprængning anvendes som nænt en vand/glykol-blanding på typisk 30-40%. Det anbefales fra ARCONSUNMARK minimum at anvende en blanding med 35% glykolindhold, som sikrer at anlægge ikke fryser, men at kun grødis kan dannes i systemet36, hvilket ikke kan forårsage frostsprængning. For at opnå en højere systemvirkningsgrad er det dog muligt at nøjes med 30% blanding, som frostsikrer ned til -12 grader ude i solfangeranlægget. Dette kræver dog at styringen på anlægget er sat op til at cirkulere vand/glykol- blandingen i solfangeranlægget, hvis blandingen nærmer sig de -12 grader da der eller kan opstå frostsprængninger i anlægget. Denne metode er meget sårbar over for strømsvigt og svigt på cirkulationspumpen. Buffertanken 37 I solfangeranlægget er der som sikkerhed installeret en buffertank. Buffertanken bruges som sikkerhedsorgan ved eventuelle lækager i solfangeranlægget. Ved en eventuel lækage i solfangeranlægget tømmes solfangeranlægget for den cirkulerede vand/glykol-blanding. Vand/glykol- blandingen vil så blive opbevaret i buffertanken. Ydermere bruges tanken som ekspansionsbeholder, hvis vand/glykol-blandingen ved en for høj temperatur skulle begynde at koge. Ud fra buffertankens størrelse er den cirkulerede væskemængde sikkerhedsmæssige grunde i solfangeranlægget kunne rumme 38 bestemt. 1,5 gange Tanken skal pga. solfangeranlæggets væskeindhold. Buffertanken kan rumme 40m 3 af vand/glykol blandingen. Ud fra de to Gråsten Varme A/S database: Dokumentation vedr. solvarmeanlæg udarbejdet af ARCONSOLAR Gråsten Varme A/S database: Dokumentation vedr. solvarmeanlæg udarbejdet af ARCONSOLAR. 36 Skema over glykols frostegenskaber bilag 37 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 38 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 34 35 Karsten Wieck G20102009 38 Energioptimering af solvarmeanlæg tal antages den cirkulerede væskemængde i solfangeranlægget til 26,60 m 3. En tegning over buffertanken er vedlagt som (bilag 21). Merproduktion af varme ved skift af blandingsforhold. Som udgangspunkt til beregningerne bruges skemaet på (fig.:21). Skemaet baserer på målinger af vand/glykol-koncentrationen i blandingen, som er foretaget ved Gråsten Fjernvarme A/S og vedlagt som (bilag 19). Ydermere er skemaet udarbejdet efter databladende for PEKASOL L Kälte- und Wärmeträgerflüssigkeit auf Basis 1.2 Propylenglykol (20.1-20.4). Ud fra skemaet for glykols egenskaber på (fig.:21), kan der ses, at vand/glykolblandingen mister 31.32% i varmeledningsevne ved en 60/40 procents blanding, som Gråsten Varme A/S kører med. Med en 20/80 procents bladning er der kun et tab på 16,30 %. Det betyder, at der med en 20/80 procents blanding kontra 60/40 procents blanding vil kunne produceres: 31,32 %-16,30 %=14,93% mere. Beregning af solvarmeanlæggets merproduktion På (bilag 22), kan der ses et regneark, som er udarbejdet i Excel, regnearket viser solvarmeproduktionen, antal soltimer og mængden af solindstrålingen for produktionsåret 2014. Produktionen i 2014 er grundlag for at kunne finde ud af, hvor mange procent af de forventede 9700 MWh 39 værket har produceret. De 9700 MWh er den forventede årsproduktion 2015. Ved at opsummere månedsproduktionen fra oktober til og med marts, hvor solfangeranlægget kører med en 60/40 vand/glykolblanding, findes produktionen for denne periode. Derefter findes månedsproduktionen fra april til og med oktober. For at opnå en mulig merproduktion af solvarme i denne periode, er vand/glykol- blandingen skiftet til en 80/20 vand/glykol-blanding. I regnearket er der henvist til skiftet af blandingen ved at markere månederne med blå og gul for henholdsvis vinter og sommerblanding. Den procentuelle reduktion af varmeledningsevnen, som ligger på 14,93 %, for vand/glykol-blandingen fra en 60/40 til en 80/20 blanding er medtaget i beregningerne, som faktor. Beregningerne i regnearket viser at Gråsten varme A/S vil kunne producere 103,80% af de forventede 9700 MWh, som baserer på det seneste produktionsår. Det er en merproduktion på 12,72 % ifølge regnearket i forhold til årsproduktion fra 2014 39 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview Karsten Wieck G20102009 39 Energioptimering af solvarmeanlæg som lå på 8932,41MWh. I rene tal betyder det for Gråsten Fjernvarme A/S, at der med et skift af vand/glykol blandingen kan produceres 1045 MWh mere om året. Når der beregnes på, hvad det vil koste om året at drifte solfangeranlægget med en 20/80 vand/glykol- blanding fra april til oktober, plus en 40/60 blanding kontra kun en 40/60 blanding fås: 40 Pris pr. m3 vand 41 Pris pr. m3 glykol Der kan konstateres en merudgift på 130.375,272 kr. Hvis denne udgift sammenlignes med udgiften for produktion af 1 MWh med værkets halm og kedler, hvor 1 MWh ca. 40 41 Bilag 23 Regning fra ArconSolar over glykol levering | 14.04.2015 8:46| http://www.vandcenter.dk/priser | 14.04.2015 8:46| Karsten Wieck G20102009 40 Energioptimering af solvarmeanlæg koster ca. 400 kr. kan det godt betale sig at skifte vand/glykol-blandingen i for og efteråret. Ved skift af blandingen kan er opnås en besparelse på 324.008,73kr. Der kan altså spares et stort beløb ved at skifte vand/glykol-bladingen i sommer og vinterperioden. Det betyder at anlægget fremover vil kunne køre med en vand/glykolblanding med et blandingsforhold på 80/20 fra april til oktober måned, som er sommer blandingen. Fra november til og med marts måned skiftes sommer blandingen med vinterblandingen, som vil have et vand/glykol- blandingsforhold på 60/40. En god grund til at skifte vand/glykol blandingen er, at solfangeranlægget om sommeren ikke skal frostsikres ned til –25 grader. Hovedgrunden til at skifte bladingen er varmefylden og varmeledningsevnen på vand/glykol- blandingen. Som beskrevet før, kan der i skemaet (fig.:21) om glykols egen skaber ses, at varmefylden og varmledningsevnen bliver nedsat, hvis glykolkoncentration forhøjes. Dette er grunden til at solfangeranlægget om sommeren vil kunne producere mere da det lavere glykol indhold øger varmeledningsevnen af vand/glykol-blandingen. Karsten Wieck G20102009 41 Energioptimering af solvarmeanlæg Diskussion I dette afsnit vil der diskuteres, hvorvidt de valgte fremgangsmetoder til beregning af en mulig merproduktion ved ændring af solfangeranlæggets vinkling til 45° og 60°. Ydermere vil en eventuel merproduktion ved ændring af blandingsforholdet på vand/glykol blandingen i solfangeranlæggets rørnet diskuteres. Metoden Scenocalc og egne beregninger ved det forskellige hældninger ved henholdsvis 45° ,60°, har været benyttet til at give en vurdering af, hvad en mulig merproduktion af solvarme kunne være. Sådan som solfangeranlægget ved Gråsten Varme A/S er opstillet nu, nemlig med en hældning på 38°, vil solvarmeproduktionen give det lang størreste udbytte. Problemet ved en vinkling på 38° er, at man har en stor overproduktion af solvarme om sommeren. Ved denne overproduktion kræves der fra solfangeranlægget, at natkøle den producerede solvarme. Dette er ren spild af energi. Med hældningerne på 45° og 60° vil solvarmeproduktionen være mindre om sommeren og større om vinteren. Med disse hældninger kunne overproduktionen af solvarme om sommeren reduceres. En reduktion af overproduktion vil medføre mindre driftstid af anlægget ved Gråsten Varme A/S, da der ikke består nødvendighed i at natkøle døgnproduktionen fra en varm solrig sommerdag. Merproduktionen om vinteren vil dog ikke have den store betydning, da Gråsten Varme A/S der vil gøre brug af halmkedel & pillekedel- anlægget, til varmeproduktionen. Hvor der yderligere kan opnås en merproduktion af solvarme er, ved at drifte solfangeranlægget med en 80/20% vand/glykol-blanding i sommerhalvåret (apriloktober) og en 60/40 vand/glykol-blanding i vinterhalvåret (november-marts). Fordelen ved dette er, at der kan produceres op til 12,72% mer solvarme på et produktionsår. Men ved denne løsning spiller driften af kedlerne om vinteren ind igen. I vinterhalvåret vil hele varmeproduktionen til Gråstens bynet blive produceret af halm og pillekedlen. Afsluttende kan der siges at, ved benyttelse af uddannet fagpersonale eller firmaer til udregning af solvarmeproduktionen ved de forskellige hældninger og en eventuel udskiftning af vand/glykol blandingsforhold, vil der være sandsynlighed for andet resultat end det igennem rapporten opnåede. Karsten Wieck G20102009 42 Energioptimering af solvarmeanlæg Perspektivering I dette afsnit vil der forklares, hvad eventuelle muligheder kunne være for at reducere overproduktionen af solvarme ved Gråsten Varme A/S. Nye metoder til at lagre og opbevare solvarme energi damvarmelager Rundt i verdenen arbejdes der med projekter 42, hvor man vil prøve at lagre solenergien i jorden. Dette er aktuelt fordi varmebehovet i Danmark er lavt om sommeren, når der haves mest solenergi til rådighed. Projekterne drejer sig blandt andet om, en stor underjordisk beholder, hvor varmen bliver pumpet ned om sommeren. Om vinteren er det så planlagt, at varmen skal kunne hentes op igen. Er reservoiret tilstrækkeligt isoleret vil man faktisk kunne hente op til 50 % af den nedpumpede energi op igen om vinteren. På grund af at det kun er muligt at hente op til 50 % af energien op igen, vil det selvfølgelig være bedst at bruge energien med det samme. Ved overproduktion er det selvfølgelig klart, at det at kunne hente 50 % af energien op igen vil være bedre end bare at smide den væk. 43 For tiden arbejdes på et projekt i Vojens, hvor Vojens Fjernvarme råder over en solfanger park med et areal på ca. 70.000m2. Dette anlæg er verdens størreste solfangeranlæg. Selve solfanger anlægget er ikke interessant at kigge på i dette sammenhæng. Det interessante ved anlægget ved Vojens Fjernvarme er det 203.000 m3 store damvarmelager. Anlægget blev taget i brug i år og skal kunne dække 45% af Vojens varmeforbrug på et produktionsår. Varmelageret har en overflade på 23.500 m2 og en omkreds på 610m samt en diameter på 200m. I september er lageret helt varmet op til 80-90°C næsten helt i toppen og 40-60°C i bunden. Sideløbende med opladningen af lageret dækker solvarmeanlægget også det løbende varmebehov til fjernvarmenettet. Fra midt september starter afladning af lageret ved at veksle vand fra toppen af lageret med returvand fra fjernvarmenettet, så vandet i damvarmelageret nedkøles til 40-45°C grader. Returvandet pumpes ind i bunden af lageret og trykker dermed det varme vand op. De første måneder kan vandet fra damvarmelageret pumpes direkte ud til forbrugerne. Efter et par måneders afladning er det tid til at supplere med værkets kedler og motor på naturgas. I november-januar produceres der højere temperatur med naturgasenhederne, end der er behov for på fjernvarmenettet, og den lavere temperatur fra damvarmelageret blandes i. I løbet af 42 http://ing.dk/blog/saesonlagring-af-ubegraenset-solvarme-er-mulig-hvem-griber-chancen-104139 | 18.05.2014. 17:00 43 http://ing.dk/artikel/her-er-verdens-stoerste-varmelager-og-solfanger-171124 | 18.05.2014 17:29 Karsten Wieck G20102009 43 Energioptimering af solvarmeanlæg januar er damvarmelageret så helt afkølet til 40-45 grader og processen begyndes på ny. Udvidelse af fjernvarmenettet i Gråsten og flere forbrugere 44 Igennem de sidste år har Gråsten Varme A/S gennemført en udvidelse af deres forsyningsområde. Efter udvidelsen af fjernvarmenettet har Gråsten Varme A/S en forventning om, at kunne koble flere husstande på fjernvarmenettet i Gråsten. Ligeledes er større industrivirksomheder i gang med at overveje at skifte til fjernvarme pga. af, at fjernvarme er billigere i forhold til andre fyringsmetoder til fremstilling af varme. 45 På længere sigt har Gråsten Fjernvarme et ønske om at kunne udvide der fjernvarmenet yderligere. 46Udvidelsen til Egernsund er netop startet. Det vil medføre en potentielt forbruger forøgelse på ca. 600 forbrugere. Ved at tilkoble flere forbrugere til fjernvarmenettet vil det være muligt at reducere overproduktionen af solvarme om sommeren, da flere husstande bliver forsørget med fjernvarme. Det betyder at fjernvarmeanlægget ikke skal være i drift for at natkøle den producere solvarme. Udvidelse af solfangeranlægget Hvis Gråsten Fjernvarme A/S fortsætter med at opkoble flere områder, hvilket er ensbetydende med flere forbrugere, på fjernvarmenettet, skulle der overvejes om det er nødvendigt at udvide solfanger anlægget. Gråsten Varme A/S råder over et ca. 19.024m2 solfangerfelt. Hvis en udvidelse af dette ville tages i betragtning, ville det være mest hensigtsmæssigt at designe anlægget til at være mere effektivt i vinterperioden. Hvis man bibeholder det nuværende solfangeranlæg og fortsat drifter dette solfangeranlægget med en hældning på 38°, vil man kunne opføre yderligere solpaneler. Disse solpaneler, som skulle opføres, kunne så driftes med en hældning på 45° henholdsvis 60°. Denne ændring af solfangeranlæggets layout, vil medføre en forøget årsproduktion da solfangeranlægget igennem udvidelsen kunne producere mere solvarme på årsbasis. Ydermere kan ændringen af solfangeranlægget være med til fortsat at kunne producere de 28% af Gråsten Varme A/S fjernvarmeproduktion ved en samtidig stigning af forbrugere. Ydermere vil solfangeranlægget pga. de forskellige hældninger blive mere produktivt om vinteren. Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 45 Dan Christof Appel driftslederassistent Gråsten Varme A/S Tlf.: 24277795 Mai!:. [email protected] Bilag 1 Interview 46 http://www.danskfjernvarme.dk/nyheder/presseklip/arkiv/2015/150319fjernvarme-paa-vej-tilegernsund | 20.05.2015 16:02 44 Karsten Wieck G20102009 44 Energioptimering af solvarmeanlæg Konklusion Ud fra beregninger og de valgte metoder i rapporten angående en ændring af solfangeranlæggets hældning/layout samt en udskiftning af vand/glykol-blandingen ved Gråsten Varme A/S, kan der konstateres og anbefales følgende: Det er muligt at opnå en merproduktion af solvarme på et produktionsår, ved at ændre hældingen på solfangeranlægget, dog skal der siges, at en merproduktion kun kan opnås ved en hældning på 45°. Ligeledes vil solfangeranlægget blive mere produktivt i vinterperioden både ved 45° og 60° hældning, hvor solindstrålingen i forhold til sommerperioden ikke er særlig stort. Ved en hældning af solpanelerne på 60°, vil tabet i sommerperioden være så stor, at dette tab ikke kan opfanges af solfangeranlæggets overproduktion. Desuden skal der siges at anlægget med en hældning på 38° er designet til, at kunne udvides på et given tidspunkt, da Gråsten Fjernvarme ønsker, at etablere fjernvarmen i forsyningsområdet rundt om Gråsten. Ydermere kan der siges at den opnåede merproduktion ved en hældning på 45° er så lille, at det ikke vil kunne svare sig at ændre solfangeranlæggets vinkling fra 38° til 45. I dette tilfælde kan hypotesen verificeres dog vil en omsætning af denne løsning ikke kunne svare sig på længere sigt. Ligeledes kan der opnås en merproduktion af solvarme ved at ændre blandingsforholdet af den solvarmevæske er cirkuleres rund i solfangeranlægget. Ifølge beregningerne kan der opnås en merproduktion på op til 12,72%, hvilket svarer til en samlet merproduktion af solvarme på 1045 MWh. Denne merproduktion opnås ved, at drifte anlægget med en sommer og vinterblanding af vandglykolblandingen. Ligeledes er en økonomisk besparelse muligt. Den udregnede økonomiske besparelse vil ligge på ca. 324.008,73 kr. I dette tilfælde kan hypotesen også verificeres. For at kunne omsætte dette løsningsforslag, skal der gøres nogen overvejelser med hensyn til den cirkulerede væskemængde i solfangeranlægget. Det vil kræve yderligere resurser at skifte blandingen 2 gange om året. Problemet ved, at skulle skifte vand/glykol-blandingen ligger i, at man ikke råder over de nødvendige lagerkapaciteter til at skifte blandingen 2 gange om året. For at imødekomme dette problem, kunne man installere en yderligere buffertank, som hovedsagelig bruges til skift af den cirkulerede vand/glykol-blanding. Så fra dette synspunkt, vil det nok være det bedste at anlægget fortsat driftes den nuværende vand/glykol-blanding med en koncentration på 40%. Karsten Wieck G20102009 45 Energioptimering af solvarmeanlæg Figurliste Logo Fredericia Maskinmesterskole ................................................................... forside Logo Gråsten Fjernvarme A/S ........................................................................... forside Forside illustration .......................................................................................... forside Figur 1: Skema over solvarmeproduktion (Danmark, Sydspanien, Sahara) ........... 7 Figur 2: Solindstrålingskort over Danmarks solindstråling .................................... 7 Figur 3: Et monteret pyranometer ..................................................................... 10 Figur 4: Modstrømsvarmeveksler ...................................................................... 11 Figur 5: Absorptionsvarmepumpe principskitse................................................... 12 Figur 6: Akkumuleringstank SRO-anlæg ............................................................ 13 Figur 7: Skitse af en monteret solfanger ved Gråsten Varme A/S ......................... 16 Figur 8: Skitse af solfangerens opbygning.......................................................... 16 Figur 9: Oversigt over solvarmeproduktionen 2014 ............................................. 17 Figur 10: Samling af solpaneler ........................................................................ 19 Figur 11: Tichelmann-systemet ......................................................................... 19 Figur 12: Reguleringsventil-setup...................................................................... 20 Figur 13: Diagram over solvarmeproduktionen med ændrede hældninger ............ 23 Figur 14: Solvarmeproduktion 2014 .................................................................. 24 Figur 15: Procentændring ved 45° vinkling/hældning ......................................... 25 Figur 16: Procentændring ved 60° vinkling/hældning ......................................... 26 Figur 17: Produktion ved ændring 38° til 45° ..................................................... 27 Figur 18: Produktion ved ændring 38° til 60° ..................................................... 28 Figur 19: Produktion ved 45° natkøling ............................................................. 30 Figur 20: Produktion ved 60° natkøling ............................................................. 31 Figur 21: Figur over glykols kemiske egenskaber ................................................ 34 Karsten Wieck G20102009 46 Energioptimering af solvarmeanlæg Figur referencer Logo Fredericia Maskinmeterskole: www.fms.dk Logo Gråsten Fjernvarme A/S: http://www.graasten-fjernvarme.dk/ Forside illustration: Egen produktion Figur 1: Skema over solvarmeproduktion (Danmark, Sydspanien, Sahara): http://www.klimakaravanen.dk/files/varme_fra_solen_elev.pdf Figur 2: Solindstrålingskort over Danmarks solindstråling: http://www.eusolceller.dk/images/solensindstraalning-danmark.png Figur 3: Installation, ibrugtagning og vedligeholdsmanual: ARCONSOLAR Værkets databaase. Figur 4: Egen produktion (Microsoft Publisher) Figur 5: Absorptionsvarmepumpe principskitse: https://www.youtube.com/watch?v=QpYjEdhWXVA Figur 6: Akkumuleringstank SRO-anlæg Figur 7: Bilag 2+3 datablad over HT 28.10 & HT 35.10 Figur 8: Bilag 2+3 datablad over HT 28.10 & HT 35.10 Figur 9: Egen produktion Figur 10: Gråsten Varme A/S database: Dokumentation vedr. solvarmeanlæg udarbejdet af ARCONSOLAR Figur 11: Gråsten Varme A/S database: Dokumentation vedr. solvarmeanlæg udarbejdet af ARCONSOLAR Figur 12: Gråsten Varme A/S database: Dokumentation vedr. solvarmeanlæg udarbejdet af ARCONSOLAR Figur 12: Egen produktion Figur 13: Egen produktion Figur 14: Egen produktion Figur 15: Egen produktion Figur 16: Egen produktion Figur 17: Egen produktion Figur 18: Egen produktion Figur 19: Egen produktion Figur 20: Egen produktion Figur 21: Egen produktion Karsten Wieck G20102009 47 Energioptimering af solvarmeanlæg Litteraturliste Internet: http://www.eusolceller.dk/solceller-indstraaling-placering.asp?nodeid=43 http://www.klimakaravanen.dk/files/varme_fra_solen_elev.pdf http://www.eusolceller.dk/images/solensindstraalning-danmark.png http://www.graasten-fjernvarme.dk/Historie http://www.graasten-fjernvarme.dk/Historie http://www.graasten-fjernvarme.dk/Historie http://www.graasten-fjernvarme.dk/om-os http://www.graasten-fjernvarme.dk/solvarme-2 http://www.graasten-fjernvarme.dk/Visioner http://www.eof.dk/Viden/Ordforklaringer?letter=%7BA61AAE30-7724-4782-888A-E99B1920FA65%7D https://www.youtube.com/watch?v=QpYjEdhWXVA www.solvarmedata.dk http://www.sp.se/en/index/services/solar/ScenoCalc/Sidor/default.aspx http://www.eof.dk/Viden/Ordforklaringer?letter=%7BA61AAE30-7724-4782-888A-E99B1920FA65%7D http://www.vandcenter.dk/priser http://ing.dk/blog/saesonlagring-af-ubegraenset-solvarme-er-mulig-hvem-griber-chancen-104139 http://ing.dk/artikel/her-er-verdens-stoerste-varmelager-og-solfanger-171124 http://www.danskfjernvarme.dk/nyheder/presseklip/arkiv/2015/150319fjernvarme-paa-vej-til-egernsund http://www.prokuehlsole.de/de/products/download Bøger: Formelsamling for maskinmesteruddannelsen 17. udgave- Bogfondens Forlag A/S Håndbog for maskinmestre 9. udgave- Maskinmestrenes forening Larsen, K. F.: Dampkedler. 1. udg. K.F. Bogteknik ApS, 2001. (Bog) Installation, ibrugtagning og vedligeholdsmanual- HT/HTSA solfanger serie- ARCONSUMARK Damptabeller. 3.udgave 2007- Dennis Hansen. Kontakter: Dan C. Appel- Driftslederassistent Gråsten Varme A/S Stig Libori- Lektor, Fredericia Maskinmesterskole Rikke Andreasen- Lektor, Fredericia Maskinmesterskole De ansatte hos Gråsten Varme A/S Karsten Wieck G20102009 48
© Copyright 2025