9789144085296 by Smakprov Media AB

32 mm

Svend Frederiksen Sven Werner

Svend Frederiksen är professor i termisk energiteknik vid institutionen för Energivetenskaper vid Lunds universitet. Sven Werner är professor i energiteknik vid sektionen för ekonomi och teknik vid Högskolan i Halmstad.

Fjärrvärme och fjärrkyla

| Fjärrvärme och fjärrkyla

Effektiv förflyttning av värme och kyla i stadsområden är det huvudsakliga syftet med fjärrvärme- och fjärrkylesystem. Genom att koppla samman kundernas värme- och kylbehov med olika tillgängliga värme- och kylkällor kan man tillgodose behoven med ett totalt lägre resursutnyttjande än med konventionella värmepannor och luftkonditioneringsaggregat. Denna lärobok innehåller avsnitt om den grundläggande affärsidén, energimarknader, kundbehov, lastvariationer, värmetillförsel, miljöpåverkan, distribution, fjärrvärmecentraler, systemfunktion, ekonomi, planering, historisk utveckling, nutida och framtida användning, organisation och informationskällor avseende flöden av värme och kyla i fjärrvärme- och fjärrkylesystem. Fjärrvärme och fjärrkyla är en tvärvetenskaplig teknik med element från många allmänna tekniker och metoder som förbränning, värmeöverföring, rörströmning, marknadsföring, fakturering etc. Vår uppgift har varit att ge grundläggande inledande kunskaper om typiska aspekter på fjärrvärme och fjärrkyla, vilka vi har bedömt vara viktiga för den grundläggande förståelsen eller mycket unika för denna nischteknik.

Fjärrvärme och fjärrkyla Svend Frederiksen Sven Werner

Vi har haft ett brett spektrum av läsare i åtanke. Vår huvudsakliga målgrupp är fjärrvärmeingenjörer, universitetsstudenter, och anställda på fjärrvärmeföretag. Vi skulle också uppskatta om stadsplanerare, ekonomer, politiker och andra som är intresserade av ämnet kommer att tycka att den här boken ger konkret och användbar information om fjärrvärme och fjärrkyla.

Art.nr 36419

www.studentlitteratur.se

978-91-44-08529-6_01_cover.indd 1

2014-07-01 11:24

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Denna trycksak är miljöanpassad, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 36419 ISBN 978-91-44-08529-6 Upplaga 1:1 © Författarna, Svensk Fjärrvärme och Studentlitteratur 2014 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Marina Koven/shutterstock.com Printed by Graficas Cems S.L., Spain 2014

978-91-44-08529-6_01_book.indd 2

2014-09-08 12:17

INNEHÅLL

Förord 9 K apitel 1

Inledning 13

1.1 1.2

Kapitelindelning 15 Terminologi och nomenklatur 18

K apitel 2

Grundläggande affärsidé 21 Instuderingsfrågor till kapitel 2 27

K apitel 3

Energi-, värme- och kylmarknader 29

3.1 3.2 3.3

Energimarknader 29 Värmemarknader 33 Kylmarknader 36 Instuderingsfrågor till kapitel 3 41

K apitel 4

Värme- och kylbehov 43

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Byggnadsuppvärmning 43 Varmvattenberedning 54 Specifik värmeanvändning i byggnader 58 Industriella värmebehov 61 Övriga värmebehov 62 Kylbehov 64 Instuderingsfrågor till kapitel 4 66

K apitel 5

Värme- och kyllaster 69

5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2

Definition av värmelast 69 Aggregerade värmelaster före fjärrvärmecentraler 70 Förluster från värmedistribution 78 Beräkning av värmeförluster 78 Temperaturförlust i strömningsriktningar 83

978-91-44-08529-6_01_book.indd 3

2014-09-08 12:17

Innehåll

5.3.3 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7

Årliga värmeförluster 84 Värme- och kyllaster i distributionsnät 87 Aggregerade värmelaster efter värmetillförsel 89 Värmelastens säsongsvariationer 89 Värmelastens väderberoende 92 Värmelastens dygnsvariationer 94 Värmelastens sammansättning 96 Kortsiktiga värmelastprognoser 97 Värmelastparametrar 98 Sammanlagring 98 Kapacitetsutnyttjande 99 Dimensionerande värmelast 107 Kyllaster 108 Instuderingsfrågor och övningsexempel till kapitel 5 113

K apitel 6

Tillförsel av värme och kyla 115

6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8 6.4.9 6.4.10 6.4.11 6.4.12 6.5 6.6 6.7 6.8 6.8.1

Ett brett spektrum av möjliga energikällor 115 Pannor och teknik för fastbränsleeldning 123 Rökgasrening och rökgaskondensering 138 Rökgasrening 138 Pannverkningsgrad och rökgaskondensering 140 Kombinerad rökgasrening och rökgaskondensering 146 Kraftvärme 147 Begreppet kraftvärme 148 Gasturbin-kraftvärmeverk som illustration av principen 150 Godhetstal 153 Mottrycks-kraftvärmeverk baserade på ånga 156 Ångkraftvärmeverk med hög elverkningsgrad 163 Blandkondens-ångkraftvärmeverk 165 Teoretiskt kraftvärmeverk baserat på en Carnotcykel 169 Kraftvärmeverk baserade på kombicykler 171 Småskalig kraftvärme 173 Normaliserat el-värme-effekt-diagram med godhetstal 182 Kraftvärme och värmepumpar 183 Avskiljning och lagring av koldioxid 186 Avfallsförbränning 190 Industriellt spillvärme 194 Energikombinat 201 Geotermisk fjärrvärme och kraftvärme 202 Överblick 202

978-91-44-08529-6_01_book.indd 4

2014-09-08 12:17

Innehåll

6.8.2 6.8.3 6.8.4 6.8.5 6.8.6 6.9 6.10 6.10.1 6.10.2 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.15.1 6.15.2 6.15.3

Den geotermiska resursens storlek 203 Berg- och ytjordvärmepumpar – en definitionsfråga 204 Geografisk temperaturfördelning av geotermisk energi 205 Geotermisk fjärrvärmeteknik 207 Geotermisk kraftvärme 208 Storskaligt utnyttjande av omgivningskyla 212 Stora värmepumpar och kylmaskiner 214 Kompressionsvärmepumpar och -kylmaskiner 214 Absorptionsvärmepumpar och -kylmaskiner 224 Soldriven fjärrvärme och fjärrkyla 231 Nukleär fjärrvärme 235 Stora elpannor 238 Spetslast och back-up 238 Lagring av värme och kyla 243 Lastutjämning och tidsförskjutning av lasten 244 Teknik för korttidslagring av värme 247 Teknik för korttidslagring av kyla 250 Frågor till kapitel 6 253

K apitel 7

Miljö: problem och möjligheter 255

7.1 7.2 7.3 7.4

Lokal och regional luftkvalitet 255 Miljöeffekter av fjärrkyla 258 Växthusproblemet 258 Uppsummering av miljövinster 261 Frågor till kapitel 7 263

K apitel 8

Teknik för distribution av fjärrvärme och fjärrkyla 265

8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.2 8.3 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4

en historiska utvecklingen av värmedistributionsteknik 265 D Första generationen: ångdistribution 266 Andra generation: Hetvattendistribution i kulvertar 271 På vägen mot tredje generationens värmedistributionsteknik 275 Tredje generationens värmedistributionsteknik 277 Muffar 282 Ventiler 285 Hållfasthet och förläggning av styva fjärrvärmeledningar 289 Spänningsbaserad dimensionering av mediarör 289 Mekaniskt beteende till följd av motverkad termisk expansion 293 Förläggningsmetoder 297 Utmattnings- och deformationsbaserad dimensionering av mediarör 302

978-91-44-08529-6_01_book.indd 5

2014-09-08 12:17

Innehåll

8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12

Isolerskum och mantelrör 309 Dimensionering av rörisolering 315 Förläggningsteknik 321 Flexibla ledningar 327 Ovanjordsledningar och ledningar i tunnlar eller inomhus 333 Antal parallella ledningar 335 Distribution av kyla 337 Vattenkemi 344 Frågor till kapitel 8 350

K apitel 9

Fjärrvärme- och fjärrkylecentraler 351

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.7 9.7.1 9.7.2 9.7.3 9.7.4 9.8 9.8.1 9.8.2 9.8.3 9.8.4

Begreppet fjärrvärme- och fjärrkylecentraler 351 Krav på temperaturprestanda 355 Hydraulisk separation 357 Exempel på detaljerade kopplingsscheman 361 Kaskadkoppling 367 Val av utrustning 371 Värmeväxlare 371 Ventiler och reglering 374 Förrådsberedare 377 Testning och certifiering av fjärrvärmecentraler 380 Dimensionering 381 Generellt 381 Värmeväxlare 384 Varmvattenförråd 388 Styrventiler 389 Anpassning av radiatorsystem till fjärrvärmeanslutning 392 Energisparande 392 Borttagande av skadlig recirkulation och trevägsventiler 393 Problematisk nattsänkning 394 Optimerade flöden och framledningstemperaturer i radiatorsystem 396 Ettrörs radiatorsystem 398 Fjärrkylecentraler 399 Debiteringsmätning i fjärrvärme- och fjärrkylecentraler 406 Frågor till kapitel 9 419

9.8.5 9.9 9.10

978-91-44-08529-6_01_book.indd 6

2014-09-08 12:17

Innehåll K apitel 10

Systemfunktion 421

10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.1.5 10.2 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.4 10.5 10.6 10.6.1 10.6.2 10.6.3 10.6.4 10.6.5 10.6.6 10.6.7 10.7 10.8 10.8.1 10.8.2 10.8.3 10.9 10.9.1 10.9.2 10.9.3 10.10

Nätstrukturer och kartor 421 Värmetäthet 421 Typiska utbyggnader av distributionsnät 423 Typiska nätstrukturer 424 Utvecklade nätstrukturer 427 Regionala fjärrvärmesystem 428 Värme- och kyldistribution 430 Flödesdistribution 430 Tryckfall 431 Pumpeffekt 435 Tryckhöjdsgradienter och tryckhållning 436 Tryckslag 444 Dimensionering av rördiameter och val av flödeshastighet 445 Temperaturnivåer 451 Reglering av värmebehov och värmelaster 457 Nätreglering och fyra driftfall 460 Central reglering av maximal framtemperatur 462 Lokal reglering av minimal framtemperatur i nätets periferi 463 Central och lokal reglering av högsta tryck 463 Central och lokal reglering av lägsta tryck 463 Fyra olika driftfall 464 Systemsvar vid ändrade värmebehov 465 Dynamiska systemsvar 467 Multipel värmetillförsel 469 Systemövervakning 471 Korttidsplanering 472 Systemövervakning 473 Dokumentation och analyser 474 Tillförlitlighet och tillgänglighet 475 Tillförlitlighet 475 Driftproblem 477 Underhåll 479 Utveckling av systemfunktion 481 Instuderingsfrågor och övningsexempel till kapitel 10 484

K apitel 11

Ekonomi och planering 487

11.1 11.1.1

Kassaflödesbaserad lönsamhetsanalys 489 Nuvärde och nettonuvärde som beslutskriterium för lönsamhet 490

978-91-44-08529-6_01_book.indd 7

2014-09-08 12:17

Innehåll

11.1.2 11.1.3 11.1.4 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9

alkylhorisont och kalkylräntor i fjärrvärmeinvesteringar 493 K Lönsamhet i en existerande fjärrvärmeverksamhet 493 Värdering av ytterligare investeringar i en existerande verksamhet 494 Allokering av synergieffekter 495 Optimering av värmetillförsel 501 Distributionskostnader 507 Utbyggnadsplanering 513 Prismodeller 517 Avvägning mellan värmetillförsel och värmeanvändning 521 Storleksekonomi 524 Fjärrkyla 525 Instuderingsfrågor och övningsexempel till kapitel 11 526

K apitel 12

Utvecklingen av fjärrvärme och fjärrkyla 529

12.1 12.2 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3

Fjärrvärme 529 Fjärrkyla 535 Fjärrvärme och fjärrkyla i framtiden 540 Struktur 541 Identifiering 546 Anpassning 547 Instuderingsfrågor till kapitel 12 548

K apitel 13

Organisation 549

13.1 13.2 13.3

Lagstiftning 549 Marknadsregler 550 Ägarskap 554 Instuderingsfrågor till kapitel 13 556

K apitel 14

Informationskällor 557

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7

Läroböcker 557 Handböcker 558 Tidskrifter 559 Konferenser 560 Statistik 561 Branschföreningar 564 Forskningsprogram 564

Sakregister 567

978-91-44-08529-6_01_book.indd 8

2014-09-08 12:17

FÖRORD

Fjärrvärme och fjärrkyla är fortfarande en liten nischteknik i ett globalt sammanhang trots sina många värdefulla fördelar. Tekniken har dock varit känd och använts i mer än ett sekel. Den låga användningen internationellt sett har bidragit till att litteraturen i ämnet inte är särskilt omfattande jämfört med vad som skrivits om andra energitekniker. Läroböcker och handböcker har endast skrivit på nationella språk som ryska, polska, finska, tyska, danska och svenska, då fjärrvärmen har höga marknadsandelar inom dessa språkområden. Mycket få böcker har publicerats på engelska eftersom fjärrvärme och fjärrkyla är en smal teknik i både USA och Storbritannien. Såvitt vi vet finns det ingen bok, särskilt inte på det engelska språket, som behandlar ämnet i den omfattning och på det internationella och uppdaterade sätt vi nu har försökt att åstadkomma. Denna svenska version är i stort sett en direkt översättning av den engelska versionen. Denna bok har skrivits utifrån de erfarenheter vi har erhållit under vårt arbete med utbildning, forskning, utveckling, ledning och rådgivning i mer än 30 år. Vår första svenska lärobok om fjärrvärme publicerades 1993. När vi nu har skriver denna andra upplaga på både engelska och svenska, har vi försökt ta hänsyn till mycket värdefulla kommentarer genom åren från studenter, ingenjörer, chefer och forskare. Vi har också fått värdefull återföring från vår egen användning av den första upplagan i undervisning på universitet och externa föreläsningar. Vi har haft ett brett spektrum av läsare i åtanke. Vår huvudsakliga målgrupp är fjärrvärmeingenjörer, universitetsstudenter, och anställda på fjärrvärmeföretag. Vi skulle också uppskatta om stadsplanerare, ekonomer, politiker och andra som är intresserade av ämnet kommer att tycka att den här boken ger konkret och användbar information om fjärrvärme och fjärrkyla. Speciellt de inledande kapitlen 1–3 och de avslutande kapitlen 11–13 kräver inga ingående förkunskaper av teknisk natur. Läsare som är intresserade av hela texten bör dock ha vissa förkunskaper från grundläggande tekniska ämnen, speciellt termodynamik.

978-91-44-08529-6_01_book.indd 9

2014-09-08 12:17

Förord

De läsare som redan är specialister inom fjärrvärme och fjärrkyla kommer säkert att finna delar av texten elementära. Men det är vår erfarenhet att det även bland dessa specialister ofta finns en brist på full förståelse av alla aspekter av ämnet. När fjärrvärme och fjärrkyla tidigare har behandlats vid universitet, har det varit fråga om sammanhang som handlat om vvs-teknik eller kraftverksteknologi. Sällan har fjärrvärme och fjärrkyla behandlats på ett övergripande sätt i sitt eget sammanhang. Fjärrvärme och fjärrkyla är en tvärvetenskaplig teknik med element från många allmänna tekniker och metoder som förbränning, värmeöverföring, rörströmning, marknadsföring, fakturering etc. Vårt uppgift har varit att ge grundläggande inledande kunskaper om typiska aspekter på fjärrvärme och fjärrkyla, vilka vi har bedömt vara viktiga för den grundläggande förståelsen eller mycket unika för denna nischteknik. Genom att ge främst grundläggande kunskaper har vi valt bort djupa detaljerade och specialiserade kunskaper, då vi har ett begränsat antal sidor till vårt förfogande. För att tillfredsställa de mest intresserade och avancerade läsarna har vi avslutat varje avsnitt med en kombinerad referens- och litteraturlista innehållande artiklar, rapporter och böcker om det specifika ämnet i avsnittet. Härigenom blir boken också en strukturerad ämnesorienterad guide för befintlig fjärrvärme- och fjärrkylelitteratur. Våra egna fjärrvärme- och fjärrkylekunskaper är främst baserade på skandinaviska metoder och erfarenheter som vi själva har arbetat med. För den första upplagan hade vi en ambition att bredda sammanhanget till även andra nationella erfarenheter utanför Skandinavien. Vi följer även denna ambition i denna andra upplaga genom att försöka nå ett europeiskt perspektiv och ibland ett globalt perspektiv. Men många exempel i boken bygger fortfarande på våra skandinaviska erfarenheter. Vi hoppas att ickeskandinaviska läsare, som arbetar i andra nationella sammanhang, kommer att acceptera och uppskatta dessa exempel. När olika nationell branschpraxis finns, och där professionella ingenjörer har olika åsikter om ett förfarande, har vi försökt att vara noga med att presentera olika åsikter på ett balanserat och rättvist sätt. Ibland kan dessa skillnader hjälpa till att belysa viktiga frågeställningar. Fjärrkyla nämndes mycket kortfattat i den första upplagan. Nu har vi utökat bokens innehåll med väsentlig information om fjärrkyla, men vi har inte inkluderat en separat del om enbart fjärrkyla. I stället har vi integrerat in fjärrkyla i varje kapitel på grund av de stora likheterna mellan fjärrkyla och fjärrvärme, eftersom de flesta ekvationer och metoder är lika. Ibland är temperaturen på vattnet som cirkulerar i rören den enda skillnaden. I denna bok har vi anslutit sig till en tradition av hur man skriver en 10

978-91-44-08529-6_01_book.indd 10

2014-09-08 12:17

Förord

akademisk lärobok snarare än en praktisk handbok eller manual. Den praktiskt inriktade ingenjören kan bli besviken på att vi inte alltid levererar praktiska råd om vilka lösningar man ska välja i olika situationer, men vi hoppas att alla läsare kommer att uppnå en högre insikt om fjärrvärme och fjärrkyla. Praktiska råd och lösningar kan till exempel hittas i nationella standarder och riktlinjer utfärdade av olika nationella fjärrvärme- och fjärrkyleorganisationer. En övergripande ambition för boken har varit att den ska bidra till att göra fjärrvärmens och fjärrkylans fördelar och potentialer mer allmänt kända, så att denna teknik i större utsträckning kan användas för att lösa akuta miljöproblem och för att främja en trygg energiförsörjning i en värld som inte alltid är stabil. Svend Frederiksen har varit huvudförfattare till kapitel 6–9 och vi har delat ansvaret för kapitel 10, medan Sven Werner har haft huvudansvaret för övriga kapitel. Slutligen vill vi i detta förord tacka för allt stöd vi fått under skrivandet av denna lärobok. För det första vill vi tacka för det ekonomiska stöd vi har erhållit från Svensk Fjärrvärme, med Erik Larsson som projektkoordinator. Utan detta värdefulla bidrag hade denna andra upplaga av läroboken varken skrivits eller tryckts. För det andra: vi uppskattar insatserna från Anders Sandoff vid Göteborgs universitet som bidragit med hela avsnitt 11.1, från Janusz Wollerstrand vid Lunds universitet för bidrag till kapitel 9 och avsnitt 10.8, från Daniel Nilsson (numera på SP) med europeiska konturkartor i kapitel 4 och 5, från Urban Persson på Högskolan i Halmstad med kartor som visar placeringen av de europeiska fjärrvärme- och fjärrkylesystem i kapitel 12 och från Henrik Gadd och Mei Gong på Högskolan i Halmstad för många instuderingsfrågor och exempel. För det tredje: värdefull återkoppling kom från en internationell referensgrupp (Robin Wiltshire, Chris Snoek, Lars Gullev, Kari Sipilä, och Martin Achmus), från en svensk referensgrupp (Pekka Kuljunlahti, Patrik Holmström, Thomas Lummi, och Conny Håkansson) och från ett antal personer som vi speciellt vill nämna: Tord Torisson och Marcus Thern (kapitel 6), Sture Andersson, Jan Eriksson, Tommy Gudmundson, Peter Randløv och Ingo Weidlich (kapitel 8) samt Bo Frank och Robert Eklund (kapitel 9). För det fjärde: vi tackar Anders Östlund och Lars-Inge Persson på Öresundskraft för möjligheten att använda lastprofiler från Öresundskrafts fjärrvärme- och fjärrkylesystem. För det femte: vi tackar följande personer för tillstånd att använda deras diagram i boken: Sabine Froning på Euroheat & Power för användning av diagram från Ecoheatcool och Ecoheat4EU (två IEE-projekt), Gunnar Peters vid Borås Energi & Miljö för användning av några tidsserier för deras systemindikatorer, Leif Breitholtz

978-91-44-08529-6_01_book.indd 11

2014-09-08 12:17

Förord

på FVB Sverige för att de har förmedlat några av sina sammanfattande insikter från många olika konsulttjänster, och Dick Magnusson vid Linköpings universitet för användning av hans fina nätkarta som visar tillväxten av fjärrvärme i Stockholmsområdet. För det sjätte: vi vill även tacka Lennart Thörnqvist, Patrick Lauenburg, Johan Winberg, Christopher Paitazoglou, och Janusz Wollerstrand för allmän återkoppling och utförd korrekturläsning. Detta gäller även deltagarna i den internationella doktorandkursen om fjärrvärme och fjärrkyla i augusti 2012 för att de hittade många korrekturfel i den använda provupplagan. Slutligen uppskattar vi värdefulla råd från Jens Fredholm och annan personal på Studentlitteratur. Ett antal ytterligare personer gav har också lämnat återkoppling och råd. Bland dem finns representanter för fjärrvärmeföretag och tillverkare vars produkter vi hänvisar till i texten. Vi tar givetvis det fulla ansvaret för eventuella fel och brister i boken. Däremot åtar vi oss inte något juridiskt ansvar för eventuella konsekvenser av fel, utelämnande eller liknande. Holte (Danmark) och Steninge (Sverige) i maj 2014. Svend Frederiksen Professor vid Lunds universitet

978-91-44-08529-6_01_book.indd 12

Sven Werner Professor vid Högskolan i Halmstad

2014-09-08 12:17

K AP I T E L 3

Energi-, värme- och kylmarknader

3.1 Energimarknader Energisystemets grundstruktur har förenklas till fyra huvuddelar i figur 3.1. Primär energitillförsel betecknar all energiråvara som tillförs energisystemet. En del av primärenergin går direkt till energisektorn där bränslen förädlas och sekundära energiformer som el, värme och kyla genereras. El tillförs till elnät, värme till fjärrvärmesystem och kyla till fjärrkylenät. Stora värme förluster uppstår i den centrala omvandlingen, främst från bränslen som används för elproduktion i värmekraftverk. Förädlade bränslen, el, värme, kyla och resten av primärenergin levereras sedan till slutanvändarna, antingen för lokal omvandling eller för direkt slutlig användning. Köpt energi betecknar alla energiprodukter som används av slutanvändarna, och motsvarande energimängder redovisas i nationell och internationell energistatistik. Lokal omvandling omfattar alla motorer för transporter och alla pannor för värmeleveranser till byggnader och industriella processer. Stora värmeförluster uppstår även i den lokala omvandlingen, främst från motorer inom transportsektorn. All slutanvändning av energi blir även slutligen värme, och denna värme avges också till omgivningen genom värmeförluster. På detta sätt blir all primärenergitillförsel värme i slutändan, antingen genom värmeförlusterna i central eller lokal omvandling eller genom slutanvändningen. Värmeförluster återfinns således i tre av energisystemets huvuddelar: central omvandling, lokal omvandling och slutlig användning. Alla dessa värmeförluster kan minskas genom åtgärder för högre energieffektivitet i central omvandling, lokal omvandling eller slutanvändning. Enligt föregående kapitel är fjärrvärmens grundläggande idé att minska primärenergitillförseln genom återvinning av värmeförluster och styra om dessa till nyttiggjord värme i fjärrvärmesystem. Värmeförluster från central omvandling fångas upp från termisk elproduktion genom användning av kraftvärmeverk, från avfallsförbränning och från raffinaderier. Slutanvändningens värme förluster minskas genom värmeåtervinning av industriell spillvärme, främst från högtemperaturprocesser. Samtidigt elimineras lokala omvandlingsförluster i byggnader då fjärrvärme ersätter lokala pannor. Men vissa nya © F ö r fatta r na , S vensk F jä r rvä r me och S tudentlitte r atu r

978-91-44-08529-6_01_book.indd 29

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader Energisystemets grundstruktur

A. Primärenergitillförsel

Energisektorn: Central omvandling

Värmeförluster

Distribution av el, värme och förädlade bränslen B. Köpt energi

Värmeförluster

Lokal omvandling i anslutning till slutlig användning

C. Slutlig användning i • Industrisektorn • Transportsektorn • Övrigsektorn (bostäder, lokaler och jordbruk)

Värmeförluster

FIGUR 3.1 Energisystemets grundstruktur indelad i sina fyra huvuddelar: primärenergitillförsel, central omvandling, lokal omvandling och slutlig energianvändning. Bokstäverna A, B och C refererar till tre olika gränssnitt i energisystemet som kvantifieras i figur 3.2. Energiråvaror som används för icke-energiändamål (plaster, färger, smörjmedel etc.) inkluderas ej i figuren, då denna del av användningen inte omvandlas till värmeförluster inom energisystemet. Detta energiflöde kommer delvis in senare som avfall.

värmeförluster skapas i fjärrvärmesystemen, då det läcker ut en del värme från dess varma rörledningar. För kvantifiering av denna övergripande struktur i energisystemet visas energibalansen för Europeiska unionen under 2007 i figur 3.2. Olika aspekter av energiförsörjningen presenteras i fyra olika adderade staplar: A – Total primärenergitillförsel, B – Totalt köpt energi, C – Skattad total slutanvändning och D – Skattad total effektiv slutanvändning. Den första stapeln visar sammansättningen på den totala primärenergitillförseln på 73,6 EJ, som motsvarar energiinnehållet av alla bränslen och andra energikällor som levererades inom unionen för att uppfylla efterfrågan på energi. Den andra stapeln innehåller alla energiprodukter som köptes av alla användare inom unionen. Skillnaden mellan de två första staplarna speglar vad som hände i energiomvandlingssektorn inklusive elproduktion, raffinaderier, central värmeåtervinning och värmeproduktion för fjärr värmesystem samt distributionsförluster för el- och värmedistribution. Figuren visar att alla vatten- och kärnkraftsresurser och de mesta av kolet användes för att generera elektricitet, medan de mesta av oljeprodukterna, naturgasen och de förnybara bränslena överfördes direkt till de slutliga energiförbrukarna i de olika sektorer. De totala värmeförlusterna från 30

978-91-44-08529-6_01_book.indd 30

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader

energiomvandlingssektorn var mycket stora (22,4 EJ), motsvarande 30 % av all primärenergitillförsel. En stor andel av dessa värmeförluster hänför sig till låga verkningsgrader i dagens värmekraftverk. Därför kommer bättre och färre värmekraftverk i framtiden att ge såväl lägre primärenergitillförsel som lägre koldioxidutsläpp. För slutlig användning levererades 10,2 EJ el och 2,4 EJ värme (främst fjärrvärme). Dessa energimängder motsvarar respektive 20 % och 5 % av den totala slutliga energianvändningen på 51,2 EJ. Den tredje stapeln i figuren innehåller den skattade slutanvändningen av värme för olika ändamål, av el för kraft och belysning, och av mekanisk energi som krävdes för att övervinna friktion, luftmotstånd, höjder och hastighetsökningar i transportsektorn. Värme från bränslen och fjärrvärme uppgick till cirka 17 EJ, medan elanvändningen var 10,0 EJ eftersom viss el användes för transportändamål. El för värmeändamål har dock inte överförts till värme användning, då tillförlitlig statistik saknas. Men enligt (Bertoldi 2007), kan den totala elanvändningen för värmeändamål inom EU uppskattas till omkring 1,4 EJ i enbart byggnader. Även i denna tredje stapel var värmeförlusterna stora (17,1 EJ), främst från högtemperaturprocesser inom industrin, värmeproduktion i lokala pannor och energiomvandling i alla fordonsmotorer. Det fjärde stapeln visar en tänkbar situation om all slutanvändning reduceras lika med 30 % genom olika energieffektiviseringsåtgärder. Den nya tredje värmeförlusten i toppen av den fjärde stapeln representerar alla värmeförluster som är förknippade med denna minskning. Den nya värmeförlusten är betydligt större än den faktiska minskningen av slutanvändningen själv, eftersom minskningen även medför eliminering av de tillhörande centrala och lokala omvandlingsförlusterna. Den totala mängden köpt energi från den andra stapeln i figur 3.2 är uppdelad i fyra huvudsektorer (industri, transport, övrigt och icke-energi) i figur 3.3. Övrigsektorn inkluderar jordbruk, bostäder samt offentliga och kommersiella byggnader. Icke-energi avser alla leveranser av smörjmedel och hela tillförseln till den petrokemiska industrin för olika plaster, färger m.m. Energibehoven inom transportsektorn ligger utanför ramen för denna lärobok om fjärrvärme och fjärrkyla, men stora värme- och kylbehov finns även i denna sektor. Man kan uppfylla värmebehovet för uppvärmning av fordonskupéer i kalla länder genom att återvinna värmeförluster från fordonsmotorerna (egentligen en form av kraftvärmeprocess). Vissa mindre värmebehov uppfylls direkt med el- eller bränsledrivna kupévärmare. Kyl behoven uppfylls normalt av små motordrivna mekaniska kylmaskiner. I teorin skulle det vara möjligt att även alstra kyla i små absorptionskylmaskiner med drivvärme från motorns värmeförluster.

978-91-44-08529-6_01_book.indd 31

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader EJ 80 70

Heat losses, central conversion (energy sector)

60 50 40

Heat losses, central conversion (energy sector)

Heat losses, end use inefficiency

Heat losses, local conversion (consumers)

Heat losses, central conversion (energy sector) Heat losses, local conversion (consumers)

Combustible renewables and waste Solar/wind/other Geothermal Hydro Nuclear Natural gas Petroleum products Coal and coal products Non-Energy Use

Transportation

Electricity Heat

0 A. Total Primary Energy Supply (IEA statistics)

B. Total Final Consumption (IEA statistics)

C. Total End Use (estimated)

D. Total Efficient End Use (estimated with 30% inefficiency)

FIGUR 3.2 Energibalansen i fyra olika steg för EU under 2007. Datakälla: (IEA 2009) kompletterat med egna skattningar. (Den engelska texten har inte översatts, för bibehållande av kompatibiliteten med datakällan.)

EJ 25 Combustible renewables and waste

Solar/wind/other Geothermal

Natural gas 10

Petroleum products Coal and coal products

Electricity 0

Heat Total Industry Sector

Total Transport Sector

Total Other Sectors

Non-Energy Use

FIGUR 3.3 Köpt energi inom EU under 2008, fördelat på fyra olika användargrupper. Datakälla: (IEA 2009) kompletterat med egna skattningar. (Den engelska texten har inte översatts, för bibehållande av kompatibiliteten med figur 3.2.)

978-91-44-08529-6_01_book.indd 32

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader

Den övergripande slutsatsen från denna enkla analys av EU:s energibalans är att de totala värmeförlusterna motsvarar mer än hälften av den totala primärenergitillförseln. Ett framtida europeiskt energisystem måste minska dessa värmeförluster för att öka den totala energieffektiviteten, minska koldioxidutsläppen och öka försörjningstryggheten. Värmesektorn i allmänhet och fjärrvärmesystemen i synnerhet kan bidra till att uppnå dessa samhällsmål genom att använda befintliga värmeförluster i energisystemet för att tillgodose lokala värmebehov på den europeiska värmemarknaden. LIT TERATUR Werner S, The European Heat Market. Ecoheatcool project, WP1 report. Bryssel 2005. Tillgänglig på www.Euroheat.org/ecoheatcool. Bertoldi P, Atanasiu B, Electricity Consumption and Efficiency Trends in the Enlarged European Union. European Commission – Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability. Report EUR 22752. Ispra 2007. IEA, Energy Balances for OECD and Non-OECD Countries. International Energy Agency, Paris 2009.

3.2 Värmemarknader Värmebehov förekommer främst inom industri, bostäder, lokaler och jordbruk. Dessa värmebehov har olika orsaker i varje sektor. Inom industri sektorn är värme en viktig komponent i många tillverkningsprocesser. Värme gör det möjligt att producera glas, stål, papper, etc. Men denna värme måste ha en hög temperatur för att uppfylla sitt syfte i de industriella processerna. Industrin kräver också värme för att torka produkter och för att hålla en önskvärd innetemperatur i sina lokaler. Dessa exempel visar att industrin också har värmebehov med låga och medelhöga temperaturer. I bostäder och lokaler används värme för att upprätthålla en behaglig innetemperatur under kalla årstider (uppvärmning). Värme behövs också i bostäder för beredning av tappvarmvatten, som huvudsakligen används för sanitära ändamål. Inom jordbrukssektorn krävs värme för torkning av jordbruksgrödor och för viss uppvärmning av djurstallar. Normalt tillgodoses dessa värmebehov med användning av bränslen i närliggande pannor. Därför är värmemarknaden nära besläktad med de olika bränslemarknaderna. Om fjärrvärme används, levereras denna i konkurrens med bränslen för förbränning i egna pannor. Det är möjligt att kvantifiera omfattningen av värmemarknaderna i olika länder genom att addera de värmemängder som erhållits från förbränning av bränslen med de värmemängder som erhålls från fjärrvärme och elvärme. Men vi har inte fullt

978-91-44-08529-6_01_book.indd 33

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader

utvecklade värmemarknader med etablerade aktörer som tillhandahåller prisinformation, värmekontrakt och finansiella instrument som är fallet på de internationella bränsle- och elmarknaderna. Därför används termen ”värmemarknad” här som en etikett för att beskriva omfattningen av alla de värmebehov som finns inom olika samhällssektorer. Det är på denna marknad som fjärrvärmeleverantörerna måste söka sina kunder. Alla villkor på denna värmemarknad måste uppfyllas av fjärrvärmeleverantörerna om de vill utveckla sin verksamhet. Sammansättningen av värmemarknaden inom EU-27 under 2008 för bostäder och lokaler har skattats i figur 3.4 genom att utelämna alla omvandlingsförluster i pannor och el för icke-värmeändamål. Denna värmemarknad domineras för närvarande till två tredjedelar med användning av fossila bränslen som producerar värme i lokala pannor. Exempel på utveckling av marknadsandelarna för olika värmelösningar på nationella värmemarknader för värmeleveranser till byggnader ges i figur 3.5 för Sverige, i figur 3.6 för Finland, och i figur 3.7 för Danmark. De värmelösningar som presenteras är något olika i de tre länderna beroende på tillgången av statistiska indata. Dessa tre exempel visar hur marknadsandelarna för fjärrvärme har ökat kraftigt under de senaste decennierna. Denna tillväxt har i huvudsak ersatt användningen av fossila bränslen i lokala pannor för uppvärmning. De tre figurerna visar också att dessa länder har lyckats få nationella marknadsandelar för fjärrvärme som ligger högt över den genomsnittliga marknadsandelen på 12 % inom EU27 och som visas i figur 3.4. EU27: Värmekällor för värmebehov i bostäder och lokaler under 2008 Total värmetillförsel var 11,5 EJ, exklusive indirekt värmeförsörjning från inomhus elanvändning Kolprodukter 3 %

Värme 12 %

Oljeprodukter 19 %

El 12 % Förnyelsebara bränslen 9% Sol/Vind/Övrigt 0 % Geotermi 0 %

978-91-44-08529-6_01_book.indd 34

Naturgas 45 %

FIGUR 3.4 Sammansättning av värmeförsörjningen inom EU27 till värmebehov i bostäder och lokaler under 2008 baserat på netto värmebehov efter energiomvandling. Värme avser främst värmeleveranser från fjärrvärmesystem. Datakälla: IEA:s energibalanser för 2008, kompletterat med några ytterligare skattningar.

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader Marknadsandel (%), Sverige 90 Oljepannor

80 70

Fjärrvärme 60 50 40

Övrigt som ved- och naturgaspannor

Elvärme inklusive el till värmepumpar

30 20 10 0 1955

1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

FIGUR 3.5 Marknadsandelar enligt netto värmebehov i finska byggnader (bostäder och lokaler) för olika ursprungliga värmekällor (utom för lokala värmepumpar) sedan 1960. Datakälla: Statistiska centralbyrån och några äldre datakällor.

Marknadsandel (%), Finland 90 80

Biomasseeldade pannor

Fossileldade pannor

60 Fjärrvärme

50 40 30 20 10 0 1955

Elvärme 1960

1965

1970

1975

Värmepumpar 1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

FIGUR 3.6 Marknadsandelar enligt netto värmebehov i finska byggnader (bostäder och lokaler) för olika ursprungliga värmekällor sedan 1960. Datakälla: Statistikcentralen i Finland.

978-91-44-08529-6_01_book.indd 35

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader Marknadsandel (%), Danmark 90 80 70 60 Fjärrvärme

50 40 30

Fossileldade pannor 20

Förnyelsebart

10 0 1955

Elvärme 1960

1965

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

FIGUR 3.7 Marknadsandelar enligt netto värmebehov i danska byggnader (bostäder och lokaler) för olika ursprungliga värmekällor sedan 1960. Datakälla: Danska energibalanser från Energistyrelsen på www.ens.dk.

Fjärrvärmesystem finns i stadsområden för att främst att täcka värmebehov i byggnader med låga temperaturkrav. Det är viktigt att förstå karaktären på dessa värmebehov när man planerar och driver fjärrvärmesystem. Därför kommer detta att vara huvudämnet i nästa kapitel. 3.3 Kylmarknader Kyla kan definieras som en värmemängd som ska avlägsnas för att skapa en temperatur som är lägre än omgivningstemperaturen. Följaktligen produceras och levereras kyla för olika behov genom att värme avlägsnas för att erhålla en temperatur som är lägre än omginingstemperaturen. Den globala kylmarknaden innehåller flera olika applikationer som kräver en kylleverans: • Komfortkyla: för att skapa ett behagligt inomhusklimat för

människor i byggnader, bilar, bussar, tåg, flygplan, gruvor m.m. (benämns ofta som luftkonditionering). • Livsmedelsförsörjning: för att bevara kvalitet på livsmedel från leverans till konsumtion, används kylrum, kylda transporter, kylskåp och frysar. 36

978-91-44-08529-6_01_book.indd 36

2014-09-08 12:17

3 Energi-, värme- och kylmarknader

• Industriella processer: för att säkra produktkvaliteter i datorhallar,

bryggerier, mejerier, vingårdar etc.

• Andra speciella tillämpningar: markfrysning inom väg- och vatten-

byggnad, frysning av isbanor, flytande metan för LNG-transporter, kryogena applikationer under 120K etc.

Fjärrkyla används normalt för att möta behov av komfortkyla i byggnader. Därför kommer detta avsnitt ägnas åt främst olika villkor för komfortkyla. Motsvarande kylbehov för byggnader finns med i avsnitt 4.6, medan övriga kylbehov som är förknippade med fjärrkyla kommer att beröras i avsnitt 5.7. Syftet med komfortkyla är att avlägsna värme för att upprätthålla en behaglig innetemperatur under varma säsonger. Detta syfte kan uppfyllas i varje rum av individuella luftkonditioneringsaggregat (eng. RAC – room air conditioner), genom centralkyla (eng. CAC – central air conditioning) i en hel byggnad, eller fjärrkyla. Individuell enheter innebär att kylan genereras lokalt i varje rum, medan centralkyla betecknar ett system där kylan produceras på en eller några platser inom en byggnad. När fjärrkyla används, produceras kylan centralt för många byggnader tillsammans och kylan distribueras till kundernas byggnader genom ett rörnät. Individuella luftkonditioneringsaggregat kan normalt köpas till en ganska låg kostnad, men de har höga driftskostnader, eftersom deras energi effektivitet är låg. Centralkyla omfattar också ett internt distributionssystem i byggnaden, vilket ger något högre initial investeringskostnad. Men driftskostnaden för centralkyla är något lägre än för lokal kyla, eftersom dess energieffektivitet är något högre. Vid en viss kylbehovsnivå blir den totala kostnaden för centralkyla lägre än för lokal kyla. Samma förhållande gäller när central- och fjärrkyla jämförs, där fjärrkyla har högre investerings kostnader och lägre driftskostnader. Om en liten del av byggnadsytan kräver kyla, kan därför lokal kyla rekommenderas. Men om hela byggnaden kräver kyla, och byggnaden är belägen i ett område med stora kylbehov, kan fjärrkyla vara en hållbar lösning. Den lägre energieffektiviteten för lokal- och centralkyla har ett betydande inflytande på den nuvarande primärenergitillförslen och tillhörande koldioxidutsläpp (Grignon-Massé 2011) och den framtida lönsamheten för fjärrkyla (Thornton mfl 2008). Såväl primärenergitillförsel som koldioxid utsläpp kan reduceras om lokal- och centralkyla blir mer energieffektiva eller om de ersätts av fjärrkyla. Internationellt är USA och Japan exempel på länder med mycket hög användning av komfortkyla. Deras utveckling visas i figur 3.8. Kylans marknadsandel närmar sig 90 % för närvarande. Figuren visar också att

978-91-44-08529-6_01_book.indd 37

2014-09-08 12:17

32 mm

Svend Frederiksen Sven Werner

Fjärrvärme och fjärrkyla

| Fjärrvärme och fjärrkyla

Fjärrvärme och fjärrkyla Svend Frederiksen Sven Werner

Art.nr 36419

www.studentlitteratur.se

978-91-44-08529-6_01_cover.indd 1

2014-07-01 11:24