Derfor er havvandsvarmepumperne i Esbjerg så fascinerende
I 2023 bliver to havvandsvarmepumper hjertet i en ny, grøn energiforsyning. Pumperne kan med deres ”Formel 1”-muskler bidrage med at reparere el-balancen og være med til at sikre fremtidens energi.
Added Values har været rådgiver hele vejen og har anvendt komplekse beregninger og nye teknologier. I denne artikel fokuserer vi på havvandsvarmepumperne, og hvad der gør dem til nogle rigtige ”kraftkarle”.
(ARTICLE IN ENGLISH)
Venstre foto er fra FAT Test juni 2022 og højre foto er byggesite på Esbjerg Havn.
Begge fotos er udlånt af DIN Forsyning juni 2022
Nye teknologier i spil
For fem år siden indgik forsyningsselskabet DIN Forsyning i Esbjerg en aftale med blandt andre Added Values om at arbejde på det detaljerede, tekniske design af en ny fjernvarmeforsyning til erstatning for Esbjergværket, som efter planen lukker i foråret 2023 efter 32 års drift. I dag producerer Esbjergværket ca. 460 MW fjernvarme. Affaldsanlægget i Esbjerg, Energnist, fortsætter dog med at producere varme til byen.
Vores første opgave i 2017 var at udvikle en optimeringsmodel til at beregne, hvilke teknologier, der skal i spil og den optimale størrelse på de forskellige nye produktionskapaciteter. Disse skulle så efterfølgende designes i detaljer – helt ned på skrue-/bolt-niveau. Beregninger ud fra priser og forsyningssikkerhed viste, at den nye fjernvarmeforsyning burde sammensættes af en række mindre og meget forskellige anlægstyper som for eksempel primært varmepumper (der drives på havvand), fliskedler og elkedler. Derudover viste beregningerne, at DIN Forsynings eksisterende gaskedler og biooliekedler i fremtiden primært skal fungere som spids- og reservelast til ekstra kolde vintre og ved havarier.
En faseopdelt udbygning af disse produktionskapaciteter havde desuden til hensigt at bibeholde muligheden for at inddrage overskudsvarme, efter at Esbjergværket er lukket; for eksempel fra Power-to-X.
Sådan fungerer havvandsvarmepumpen i hovedtræk. Kilde: DIN Forsyning
I dag skriver vi juni 2022, og set i lyset af udviklingen på den globale scene var valget af havvandsbaserede varmepumper og fliskedler – og mindst mulig brug af gaskedler – velvalgt.
To voldsomt store varmepumper
Vi zoomer lige ind på de store havvandsbaserede varmepumper. Fra foråret 2023 vil de forventeligt producere omkring 60 MW varme i ca. 6000 timer om året. Det svarer til det årlige varmebehov i op mod ca. 16.000 husstande i Esbjerg. Så de ér store!
Lige nu står varmepumpebygningen på Esbjerg Havn stort set færdig. Og inden længe skal de to voldsomt store varmepumper fra MAN Energy Solutions i Zürich idriftsættes. Samtidig med, at installationen af al udstyr er påbegyndt, er idriftsættelsen af selve det havvandssystem, der leverer ”gratisenergien” til varmepumpen, i gang. Dette system er altså en pendant til den ”gratis” energi, som kommer fra luften i en normal husstandsvarmepumpe, som de fleste kender.
Den havvandsbaserede varmepumpe er baseret på det naturlige kølemiddel CO2, som cirkuleres i et lukket kredsløb i varmepumpen. Med dette kølemiddel sikres for eksempel, at der ikke kan lække uønskede kølemiddelstoffer ud i det meget følsomme ”Natura 2000”-område, som grænser op til Esbjerg.
Havvandsvarmepumpen består af to ens linjer på hver ca. 30 MW. Så de kan godt imponere selv rutinerede fjernvarmefolk, der er vant til store tal i MEGAWATT-klassen.
Varmepumpe. Kilde: MAN Energy Solutions
Om muskler og motorer
En almindelig, lille husstandsvarmepumpe lever på afkøling af en luftstrøm, der sendes gennem et udemodul. På samme måde lever varmepumpen i Esbjerg på tilførsel af 14000 m3 havvand. I timen! Havvandet suges ind gennem specialdesignede filtre, som frasorterer fisk, uden at de beskadiges.
Fra disse filtre pumpes vandet 600 meter over til selve varmepumpene, hvor der ”suges” varme ud af havvandet. Herefter returneres vandet til havet; nu et par grader koldere. Dette sker igennem de ca. 2 x 1500 meter rør, der har en diameter på ca. 1,2 meter.
Nu skal der spilles med musklerne. For dette lille temperaturfald på ca. 2 °C på havvandet omsætter varmepumpen til fjernvarme produceret ved en temperatur på 50 – 90 °C alt efter behov. Så der er store kræfter på dette vandsystem, hvis for eksempel en ventil lukker hurtigt. Én ting er teknik; noget andet - men lige så vigtigt - er at designe metoder til bekæmpelse af biologisk begroning i rørene fra blandt andet muslinger og rurer. Den historie får I en anden gang.
Biologisk begroning af rør. Foto: Added Values
Tilbage til pumperne: For at opnå den ønskede fjernvarmetemperatur skal den cirkulerede CO2 i varmepumpen komprimeres. Selve kompressionsprocessen sker i en, kan man roligt sige, meget avanceret turbokompressor. Det er voldsomme maskiner. For ved 100% last øger kompressorerne nemlig CO2-trykket fra ca. 35 bar til noget over 100 bar. Det sker ved et flow på langt over 100 kg CO2 pr. sekund. Hver af de to kompressorer drives af en elmotor på godt 10.000 kW (13.600 HK).
For at sætte det i perspektiv: En Formel 1-motor yder ca. 1000 HK. Så hver af de to elmotorer leverer altså en effekt svarende til rundt regnet 13 Formel 1-motorer!
MAN-varmepumpen
Meget teknik omkring MAN-varmepumpen er fortrolig, men fotoet herunder viser dog hjertet i anlægget. Den hermetisk lukkede turbokompressor er sammenkoblet med en turboekspander og de store elmotorer på 13600 HK. Selve drivakslen er frit svævende; båret af magneter uden nogen form for oliesmøring. En tilsvarende kompressor har siden 2015 været hjertet i et anlæg, der står i 300 m dybde på havbunden på Åsgård-gasfeltet i Norskehavet.
MAN kompressor. Kilde: MAN Energy Solutions
Varmepumper sikrer stabil el-balance
I Danmark giver det god mening, at vi udbygger med flere havvindmøller. For det blæser næsten konstant. Men der er dog den udfordring med vindmøllerne, at elproduktionen ikke er 100% forudsigelig. Den fluktuerer nemlig ”som vinden blæser”. Det kan varmepumpen rette op på.
Lad os tage et eksempel: På den 400 MW store vindmøllepark Horns Rev 3 vil en fejlprognose på en lokal vindhastighed fra DMI på 1 m/s let kunne medføre en produktionsafvigelse fra det forventede på for eksempel 20 MW. Hvis man ud fra en DMI-prognose forventer for eksempel en produktion på 300 MW, bliver mølleproduktionen kun 280 MW, fordi vindhastigheden er 1 m/s lavere end forventet.
I sådan en situation er det bydende nødvendigt, at et kraftværk øger lasten på elnettet i stort set samme sekund, som vindforstyrrelsen indtræder. Alternativt kan situationen repareres ved, at en varmepumpe kontrolleret reducerer forbruget.
En sådan momentan balancering af el-produktion og -forbrug bliver vigtigere og vigtigere, efterhånden som vi udbygger med mere flygtig elproduktion i form af for eksempel vindmøller og solceller.
Hvis der ikke er fuldstændigt styr på el-balancen, kan elsystemet i yderste konsekvens kollapse. Derfor har Energinet, som er el-balanceansvarlig i Danmark, et stigende ønske om, at blandt andet varmepumper kan reguleres hurtigt op/ned i last, så de kan reparere en volatil elproduktionen.
Formel 1 og FAT-test
Og her vender vi så tilbage til varmepumpe-anlægget i Esbjerg. Dét er nemlig i den grad skræddersyet til at hjælpe Energinet med denne balance-opgave: Varmepumpen kan lynhurtigt flytte sig mellem fuldlast og minimumlast og faktisk også kort tid efter igen være tilbage på fuldlast.
Ved at bremse op kan hver af de to elmotorer måske lige ”smide” 5 MW elforbrug for så et minut senere at øge lasten til 10 MW igen. Og hvis vi sætter os ned i Formel 1-bilen igen, så har den med sine 1000 HK en formidabel accelerations- og bremseevne; men det har de to frekvensstyrede 13000 HK-elmotorer altså også!
Varmepumperne sættes i drift i de kommende måneder. I maj 2022 var Added Values ved MAN i Zürich for at overvære fabrikstesten af motor/turbo-kompressor/turbo-ekspander; en såkaldt Factory Acceptance Test (FAT). Foruden at være fascinerende at se i virkeligheden bekræftede testen forventningen om, at hver varmepumpe let kan flytte sig 5MW i elforbrug indenfor kravene til det, der hedder Frequency Containment Reserve (FCR) – det vil sige på under 30 sekunder.
Trylleri eller termodynamik?
Med energiprisernes himmelflugt er varmepumper blevet endnu vigtigere. Så vi ser frem til at anlægget sættes i drift. Havvandsvarmepumper kan konvertere strømmen fra for eksempel vindmøller til i omegnen af tre gange så meget varme ved at ”stjæle” en stor del varme fra havet. Det gælder også selvom havvandstemperaturen kun er et par grader over havvandets frysepunkt. Trylleri…? Næh – det er bare smart anvendelse af termodynamikken.
Foruden termodynamik anvender vi naturligvis også en masse andre ingeniørdiscipliner:
Optimal sammenkobling af komplicerede tekniske processer ”parret” med avanceret processtyring og -regulering, avanceret processimulering og -beregninger, fluidmekanik- og -dynamik, materialer og korrosion, fouling og varmetransmission og sikkert også andre … Jo, den grønne omstilling kræver specialistviden og forståelse af sammenhænge på tværs af komplekse energiteknologier. Men det er også det, der gør det sjovt og vigtigt at arbejde med.
Torkild Christensen på site. Foto: Added Values
