Både i større og mindre fjernvarmesystemer er det et potensiale for å optimalisere driften. Da oppnår man både økonomiske, driftsmessige og miljømessige fordeler.

Denne fagartikkelen er basert på et foredrag av Anders Meeg på Norsk Energis årsmøte den 28. mai 2015.

I foredraget ble det sett på to muligheter for å optimalisere drift av fjernvarmeanlegg og som kan realiseres uten store investeringer; Kjelvelgersystemer som skal sikre optimal utnyttelse av rimeligste energikilder, og akkumulering av energi i nett.

Fjernvarmesystemet må alltid gi samtlige kunder den «varen» de betaler for, det vil si tilstrekkelig differansetrykk og temperatur. Uten å gå på akkord med dette kan man optimalisere driften ved å ha automatiske systemer som sørger for å:

  1. I størst mulig grad benytte ønsket energikilde(r), normalt de rimeligste.
  2. Lagre (billig) energi i perioder med lavt behov slik at denne kan benyttes senere når behovet øker.
  3. Sørge for at det blir lite behov for manuelle inngrep fra personell og utrykninger fra hjemmevakt utenfor arbeidstid.
  4. Sikre driftsforhold for kjeler og annet utstyr som gir god virkningsgrad og stabil drift.
  5. Minimalisere slitasje på utstyr.
  6. Minimalisere tap.

Effektvariasjoner i nettet
Det er alltid effektvariasjoner over døgnet. Typisk over 50 % høyere behov om morgenen og på dagtid, enn om natten. I tillegg kommer variasjoner som følge av utetemperatur, vind sol nedbør etc. Eksempeler på dette er vist under for fjernvarmenettet i Drammen i figur 1 og 2. Figur 1 viser variasjon på timesbasis for 6 døgn, mens figur 2 viser variasjon i midlere effektbehov pr. døgn avhengig av utetemperatur.

Fig.1, Effektvariasjon 6 døgn, Drammen
Fig.1, Effektvariasjon 6 døgn, Drammen

 

Fig.1, Midlere effektbehov per døgn som funksjon av utetemperatur (2014 Drammen)Fig.2, Midlere effektbehov per døgn som funksjon av utetemperatur (2014 Drammen)

Resultatet av disse effektvariasjonene er at ledig kapasitet på grunnlastkilder som for eksempel spillvarme, avfallsenergi, varmepumper og deponigass ikke blir fullt utnyttet om natten. Og at en samtidig må drifte dyrere spisslastkilder (el, olje, gass) om dagen for å dekke varmebehovet. Spisslaskildene blir også i noen tilfeller startet kvelden før for å slippe å måtte rykke ut om morgenen, og får derfor unødvendig driftstid hele natten.

Videre er effektvariasjonene ofte for store til å dekkes av én kjel alene. Svingningene gir mye start/stopp med dårlig virkningsgrad og stor slitasje på utstyr. Bio-kjeler klarer ofte ikke regulere raskt nok eller har heller ikke tilstrekkelig reguleringområde og mulighet for automatisk start og stopp. Effekten fra grunnlastkilder kan derfor i perioder måtte reduseres for å «gi plass for» reguleringskjeler.

Kjelvelgersystemer 
Med kjelvelgersystemer menes systemer som automatisk skal sørge for å starte/stopp kjeler avhengig av effektbehov, og samtidig minimalisere driftstid og energiproduksjon med de dyrere energikildene. Man kan ha et automatiske kjelvelgersystem for én enkelt varmesentral eller, i større fjernvarmesystemer, for flere sentraler i samme nett. Et kjelvelgersystem kan med fordel også omfatte akkumulatortanker og/eller energilagring i fjernvarmenettet.

I store anlegg er det ofte ønskelig å kunne regulere med flere kjeler samtidig selv om disse står i forskjellige sentraler i nettet. Dette gir både større reguleringsområde og raskere respons enn om en regulerer med bare en kjel/energikilde. En må da ha et automatiske systemer som styrer «regulerings-energikildene», og ikke tenke i form av reguleringssentral, reguleringskjel eller reguleringspumper slik man tradisjonelt har bygd disse systemene.

Et godt kjelvelgersystem må kunne:

  • Sørge for å starte/stopp kjeler automatisk avhengig av effektbehov.
  • Minimalisere driftstid og energiproduksjon med de dyrere energikildene
  • Må være fleksibelt for enkelt å kunne tilpasses:
    - varierende energipriser, hva som er rimeligste energikilde vil variere
    - varierende årstider og effektbehov
    - fremtidige utvidelser ved utbygging av nett og sentraler
    -akkumulering av energi, i nett eller akkumulatortank
  • Bør automatisk ivareta fjernvarmeleveranse også ved feil og utfall, for eksempel nattestid og i helger når anlegget går ubemannet.

 

Tradisjonelle løsninger for regulering av kjeler i fjernvarmenett

Seriekoblede kjeler
En tradisjonell løsning for varmesentraler har vært at kjelene har blitt satt i serie, gjerne grunnlast og el/oljekjel som spisslastkjel. Fordelene med seriekoblede kjeler er at start av en kjel ikke medfører flowforstyrrelser, og at automatisk innkobling ved lav temperatur kan ivaretas av lokalt av kjelens styresystem. Ulempene ved seriekobling er stort trykkfall og at turtemperaturen gjerne faller ved økt effekt mens en normalt ønsker det motsatte. Sentraler med seriekoblede kjeler møter ofte begrensninger ved senere utbygninger, og gir vanskeligheter om det er store forskjeller i kjelstørrelse.

Tradisjonell løsning serieTradisjonell løsning serie

Parallellkoblede kjeler 
Paralellkoblede kjeler i en varmesentral er en enkel løsning for å redusere trykktap i sentralene, men har ofte svakheter i forbindelse med automatisk innkobling og utkobling. Vanlige problemer er:

  • Start av en ny kjel medfører lett flowforstyrrelser på øvrige kjeler som er i drift.
  • Styring av riktig stopptidspunkt kan være vanskelig. Automatisk utkobling ikke mulig basert på temperatur.
  • Det kan være vanskelig å fordele vannstrømmen til kjeler med forskjellig behov for differansetrykk slik at en rimeligste kjel utnyttes maksimalt.

Tradisjonell løsning parallell

 

Nye løsninger for kjelvelgersystemer
Norsk Energi har de senere årene utviklet et reguleringsprinsipp for fjernvarmenett med en eller flere varmesentraler med parallellkoblede av kjeler og hvor inn/ut-kobling gjøres basert på differansetrykket i nettet. Løsningen er i drift i en rekke norske anlegg, og erfaringene er gode.

Ett eksempel er Skagerak sitt fjernvarmenett i Porsgrunn hvor varmen normalt hentes fra tre forskjellige spillvarmekilder på Yaras fabrikkanlegg på Herøya. Spillvarmekildene har forskjellig energipris og er fordelt på to varmesentraler. De forskjellige varmekildene kan ofte falle ut i perioder opp til flere ganger i døgnet ved driftsforstyrrelser ved Yaras anlegg. I et slikt anlegg er det en nærmest umulig oppgave for en operatør å manuelt styre varmeproduksjonen slik at varmen til enhver tid leveres fra rimeligste tilgjengelige varmekilde. Etter at kjelvelgersystemet ble satt i drift i 2014 ivaretas dette automatisk.

Løsningen er basert på at differansetrykket i nettet reguleres av én felles «kjelvelger-regulator», hvor pådraget fordeles til de forskjellige energiproduserende enhetene. Prinsippet gir en rekke fordeler i forhold til tradisjonelle løsninger:

  • Systemet er generelt og kan, i tillegg til vanlige el og olje/gasskjeler benyttes på alle typer energikilder som bioenergi, spillvarme, avfallsenergi, varmepumper, deponigass etc.
  • Prioritet kan enkelt endres ved varierende energipriser og utvides dersom det kommer nye kjeler eller sentraler i nettet.
  • Løsningen sikrer 100% utnyttelse av de rimeligste energikildene før andre energikilder kobles inn. Samtidig kan hyppig start og stopp begrenses ved enkel justering av systemet.
  • Akkumulering i nett eller akkumulatortank kan styres fra samme system.
  • Systemet kan benyttes til regulering og samkjøring av flere varmesentraler på samme nett. Dette inkluderer også start/stopp av varmeleveranse sentraler som ikke er i kontinuerlig drift.
  • Enkelt å tilpasse slik at en regulerer flere kilder samtidig, også om kildene står i forskjellige sentraler. Mulighet for å regulere med flere kilder samtidig gir både større reguleringsområde og raskere respons. Om en for eksempel har to elkjeler, hver på 10 MW kan disse reguleres slik at de gir samlet reguleringsområde på 20 MW på en slik måte at tiden det tar for å endre effekten med 10 MW halveres i forhold til om en regulerer med bare en kjel alene.

 Prinsippskisse kjelvelgersystem en sentralPrinsippskisse kjelvelgersystem en sentral

 

Varmeakkumulering i fjernvarmenettet  
Vannet i fjernvarmenettet har en stor evne til å akkumulere varme/energi. Som et eksempel på energilagringskapasitet i fjernvarmenett kan vi nevne Hafslund Varmes nett i Oslo. Nettet i Oslo har 35000 m3 vann, og 10 oC temperaturøkning tilsvarer hele 373 MWh. Varmeakkumulering i nettet er imidlertid like gunstig i små fjernvarmesystemer der både vannmengde og varmebehov er relativt sett mindre. Norsk energi har erfaring fra flere anlegg hvor en benytter akkumulering i fjernvarmenettet, bl. a. i Bergen og Drammen.

På samme måte som en akkumulatortank kan fjernvarmenettet benyttes til å lagre energi når den er tilgjengelig, for så å benytte denne senere i perioder med høyere behov. Varmeakkumulering gir derfor en rekke fordeler:

  • Rimelig energi fra grunnlaskilder kan lagres og benyttes når effektbehovet normalt tilsier at dyrere spisslastkilder må startes.
  • Svingninger i effektbehov kan dempes slik at det blir lettere å håndtere disse med trege biokjeler.
  • I mange anlegg blir spisslastkjeler startet om kvelden og er i drift gjennom natten. Dette for å unngå å måtte rykke ut for å starte disse i forbindelse med «morgentoppen». Med varmeakkumulering kan også utsette behov for start av spisslastkjeler til f. eks etter arbeidstidens start når det driftspersonell uansett er tilstede.
  • Energilagring kan med fordel benyttes til optimalisering av COP og redusere antall start/stopp ved drift av varmepumper.

Akkumulering i nett gjøres ved å øke temperaturen på vannet i nettet. Temperaturøkning i både tur og/eller returledning kan benyttes. Beregninger viser at selv om akkumulering medfører noe økte kostnader knyttet til pumpedrift og varmetap er dette som regel minimalt i forhold til gevinsten som det fremgår av regneeksempelet under:

  • 250 m3nett og 10/20 °C akkumulering i tur/retur
  • Differanse i energipris på 30 øre mellom grunnlast og spisslast
  • Besparelse kr. 1200 pr. døgn i energikostnad ved fullt utnyttet akkumulering
  • Økt kostnad varmetap ca kr 24,- per døgn
  • Økt kostnad pumpeeffekt ca kr 4,- per døgn (kun ved lagring i returledning)

Beste start-tidspunkt for akkumulering er slik at nettet er fullt akkumulert når morgentoppen kommer. En ønsker normalt ikke å akkumulere når det ikke er et forventet behov pga. varmetapet i nettet. Akkumulering må derfor styres innenfor definerte grenser. For eksempel tid, effekt, turtemperatur og returtemperatur. Figur 5 illustrerer temperaturforløpet i tur- og returledning under akkumulering:

Fig 5, Temperaturforløp akkumuleirng i fjernvarmenettFig 5, Temperaturforløp akkumulering i fjernvarmenett

 

Ved valg av akkumuleringsløsning er det en rekke forhold som bør vurderes. Vi nevner noen av de viktigste:

Akkumulering i turledning:

  • Akkumulerer i turledning vil også utnytte volum i grenrør
  • En oppnår full temperaturøkning i hele rørstrekket
  • Gir redusert pumpeeffekt (etter en stund)
  • Hvordan påvirkes kunder (redusert ventilåpning)
  • Ikke alltid at grunnlastkilde kan øke turtemperatur
  • Høyere turtemperatur gir dårligere COP i varmepumper

Akkumulering i returledning:

  • Hva er beste plassering av shuntventiler
  • Som regel mulig med større temperaturøkning enn i turledning, men får ikke akkumulering i grenrør
  • Økt returtemperatur kan gi noe redusert kapasitet på kondensasjonsturbiner og varmepumper (men COP avhenger normalt bare av turtemperatur)
  • Økt varmetap i nett (ikke relevant om alternativet er å dumpe energien).
  • Noe økt varmetap og pumpeeffekt under akkumulering.
  • God «timing» er en fordel

Energilagring og rørnettet 
En problemstilling som ofte kommer opp i forbindelse med energilagring i fjernvarmenettet er om temperatursvingningene kan være skadelig for rørnettet. Erfaringsmessig er temperaturvariasjoner under 50 °C er helt uproblematisk. Videre vil temperaturøkning gi trykkspenninger som normalt ikke medfører risiko for sprekkdannelser. Med 1-2 min gangtid på shuntventil vil gi langsom og glidende temperaturforandringer i rørnettet. Krymp-spenninger som kan gi sprekkdannelse kommer gjerne etter (ti)tusenvis av store og raske temperaturfall. Vår konklusjon er derfor at energilagring ikke er skadelig for rørnettet.

Kontakt: Anders Meeg