Kald fjernvarme - Cold district heating

Skjematisk funksjon av et kaldt fjernvarmenett

Kald fjernvarme er en teknisk variant av et fjernvarmenett som opererer ved lave overføringstemperaturer langt under temperaturene til konvensjonelle fjernvarmesystemer og kan tilby både romoppvarming og kjøling . Overføringstemperaturer i området ca. 10 til 25 ° C er vanlige, slik at forskjellige forbrukere kan varme og avkjøle samtidig og uavhengig av hverandre. Varmt vann produseres og bygningen oppvarmet av vann -varmepumper , som får sin varmeenergi fra oppvarmingsnettet, mens avkjøling kan tilveiebringes enten direkte via den kalde varmenettet, eller, om nødvendig, via indirekte kjølere . Kald lokaloppvarming blir noen ganger også referert til som et anerginettverk . Samlebetegnelsen for slike systemer i vitenskapelig terminologi er 5. generasjon fjernvarme og kjøling . På grunn av muligheten for å bli drevet utelukkende av fornybar energi og samtidig bidra til å balansere den svingende produksjonen av vindturbiner og solcelleanlegg , blir kalde lokale varmeanlegg ansett som et lovende alternativ for en bærekraftig, potensielt klimagass og utslippsfri varme forsyning.

Vilkår

Fra og med 2019 har femte generasjons varmeanlegg beskrevet her ennå ikke fått et enhetlig navn, og det finnes også forskjellige definisjoner for det generelle tekniske konseptet. I den engelskspråklige tekniske litteraturen brukes begrepene Lavtemperatur fjernvarme og kjøling (LTDHC), Lavtemperaturnettverk (LTN), Kaldt fjernvarme (CHD) og Anergy -nettverk eller Anergi -nett . I tillegg har noen publikasjoner definisjonskonflikter i avgrensningen til "varme" fjernvarmenett, fordi enkelte forfattere anser lav temperatur fjernvarme og kjøling samt ultralav temperatur fjernvarme som underformer av fjerde generasjons fjernvarme. I tillegg tillater definisjonen av såkalte low-ex-nettverk å klassifisere dem som både fjerde og femte generasjon.

Historie

Et av de første kalde lokalvarmenettene bruker sivvann fra Furka -basistunnelen som varmekilde

Det første kalde fjernvarmenettet er varmenettet i Arzberg i Upper Franconia, Tyskland. I Arzberg kraftstasjon der, som siden har blitt stengt, ble det tatt ukjølt kjølevann mellom turbinkondensatoren og kjøletårnet og ledet til forskjellige bygninger, hvor det deretter ble brukt som varmekilde for varmepumper. Dette ble brukt til å varme skolen og svømmebassenget i tillegg til forskjellige boligbygg og kommersielle virksomheter.

Et annet veldig tidlig anlegg ble satt i drift i Wulfen i 1979. Der ble 71 bygninger forsynet med varmeenergi, som ble hentet fra grunnvannet. Til slutt, i 1994, ble det første kaldvarmenettet åpnet ved bruk av spillvarme fra et industriselskap, et tekstilfirma. Også i 1994 (ifølge Pellegrini og Bianchini allerede i 1991) ble det bygget et kaldt lokalt varmeanlegg i den sveitsiske landsbyen Oberwald, som drives med nedsenking av vann fra Furka -basistunnelen .

Fra januar 2018 var totalt 40 turbiner i drift i Europa, 15 hver i Tyskland og Sveits. De fleste prosjektene var pilotanlegg med en varmeeffekt på flere 100 kWth opp til det ensifrede MW-området, det største anlegget hadde en effekt på ca. 10 MWth. I 2010 -årene ble det anlagt omtrent tre anlegg per år.

Konsept

Kaldvarmenettverk er varmenettverk som drives ved svært lave temperaturer (vanligvis mellom 10 og 25 ° C). De kan mates fra en rekke ofte regenererende varmekilder og tillater samtidig produksjon av varme og kulde. Siden driftstemperaturene ikke er tilstrekkelige for produksjon av varmt vann og oppvarmingsvarme, økes temperaturen hos forbrukeren til ønsket nivå ved hjelp av varmepumper . På samme måte kan det produseres kulde og spillvarmen føres tilbake til varmeanlegget. På denne måten tilkoblede forbrukerne er ikke bare kunder, men kan også fungere som prosumers , som enten kan konsumere eller produsere varme avhengig av omstendighetene.

Konseptet med kalde lokalvarmenettverk er avledet fra grunnvannsvarmepumper samt varmepumper med åpen krets. Mens førstnevnte hovedsakelig brukes til å forsyne individuelle hus, finnes sistnevnte ofte i kommersielle bygninger som har både oppvarmings- og kjølebehov og som må dekke disse behovene parallelt. Kald lokal oppvarming utvider dette konseptet til individuelle boligområder eller distrikter. I likhet med vanlige geotermiske varmepumper har kalde lokale varmeanlegg fordelen i forhold til luftvarmepumper ved å operere mer effektivt på grunn av den lavere temperaturforskjellen mellom varmekilden og oppvarmingstemperaturen. Imidlertid, i forhold til jordvarmepumper, har kalde lokale varmeanlegg den ekstra fordelen at selv i urbane områder, hvor plassproblemer ofte forhindrer bruk av geotermiske varmepumper, kan varme lagres sesongmessig via sentral varmelagring, og i tillegg kan de forskjellige lastprofiler for forskjellige bygninger kan tillate en balanse mellom varme- og kjølebehov.

Kald fjernvarme er spesielt egnet der det er forskjellige typer bygninger (boliger, næringer, supermarkeder osv.), Og derfor er det behov for både oppvarming og kjøling, noe som muliggjør energibalanse over korte eller lange tidsperioder. Alternativt gir sesongvarme varmelagringssystemer mulighet for en balanse mellom energiforsyning og etterspørsel. Ved å bruke forskjellige (avfall) varmekilder og kombinere varmekilder og varmekum kan det også opprettes synergier og varmeforsyningen kan videreutvikles i retning av en sirkulær økonomi . I tillegg gjør den lave driftstemperaturen til kaldvarmeanleggene det mulig å mate ellers lite brukbare lavtemperatur spillvarme inn i nettet på en ukomplisert måte. Samtidig reduserer den lave driftstemperaturen varmetapene i varmeanlegget betydelig, noe som begrenser energitapene, spesielt om sommeren, når det er liten etterspørsel etter varme. Den årlige ytelsesfaktoren for varmepumper er også relativt høy, spesielt sammenlignet med varmepumper fra luft. En studie av 40 systemer som ble tatt i bruk frem til 2018 viste at varmepumpene oppnådde en sesongmessig COP på minst 4 for de fleste systemene som ble undersøkt; de høyeste sesongmessige COP -verdiene var omtrent 6.

Teknologisk er kaldvarmenettverk en del av konseptet om smarte varme -nettverk.

Komponenter

Varmekilder

Kaldt oppvarmingsnett er ideelt egnet for bruk av spillvarme fra industri og næringsbygg

Ulike varmekilder kan brukes som energileverandører for kaldvarmennettet, spesielt fornybare kilder som grunnvann, vann, kommersiell og industriell spillvarme, solenergi termisk energi og luft som kan brukes individuelt eller i kombinasjon. På grunn av den generelt modulære utformingen av kalde lokale varmeanlegg, kan nye varmekilder gradvis utvikles etter hvert som nettet utvides ytterligere, slik at større varmeanlegg kan mates fra en rekke forskjellige kilder.

I praksis er nesten uuttømmelige kilder f.eks. Sjøvann , elver , innsjøer eller grunnvann . Av de 40 kaldvarmeanleggene som var i drift i Europa fra januar 2018, brukte 17 vannforekomster eller grunnvann som varmekilde. Den nest viktigste varmekilden var geotermisk energi . Dette er vanligvis tilgjengelig via geotermiske borehull ved hjelp av vertikale borehulls varmevekslere. Imidlertid er det også mulig å bruke overflatesamlere som agrotermiske oppsamlere. I dette tilfellet blir horisontale oppsamlere pløyd inn i jordbruksareal på en dybde på 1,5 til 2 m, dvs. under arbeidsdybden til landbruksmaskiner, som kan trekke ut varme fra jorda etter behov. Dette konseptet, som tillater videre bruk i landbruket, har blitt realisert, for eksempel i et kaldt varmenettverk i den tyske byen Wüstenrot .

I tillegg er det kaldvarmingsnett som henter geotermisk energi fra tunneler og forlatte kullgruver . Spillvarme fra industrielle og kommersielle virksomheter kan også brukes. For eksempel bruker to kaldvarmeanlegg i Aurich og Herford spillvarme fra meierier og et annet anlegg i Sveits bruker spillvarme fra et biomassekraftverk, mens et annet kaldvarmingsnett bruker spillvarme fra et tekstilfirma. Andre mulige varmekilder inkluderer termisk solenergi (spesielt for regenerering av geotermiske kilder og ladetank), store varmepumper som bruker miljøvarme, avløpssystemet , kraftvarmeanlegg og biomasse- eller fossilfyrte topplastkjeler for å støtte andre varmekilder. De lave driftstemperaturene til kaldvarmeanlegg er spesielt gunstige for solvarmeanlegg, kraftvarmeanlegg og spillvarmeutvinning, da disse kan fungere med maksimal effektivitet under disse forholdene. Samtidig gjør kaldvarmeanlegg det mulig for industrielle og kommersielle selskaper med potensial for spillvarme, for eksempel supermarkeder og datasentre , å mate termisk energi inn i nettet uten noen større finansiell investeringsrisiko, siden ved temperaturnivå i kaldvarmenettverk, direkte varmefôring er mulig uten varmepumpe.

En annen varmekilde kan også være returlinjen til konvensjonelle fjernvarmenett. Hvis driftstemperaturen til kaldvarmenettet er lavere enn jordtemperaturen, kan selve nettet også ta opp varme fra jorda rundt. I dette tilfellet fungerer nettverket deretter som en slags geotermisk oppsamler .

(Sesongmessig) varmelagring

Funksjon av en geotermisk varmekollektor. Disse samlerne kan også brukes til sesongoppbevaring

Varmelagring i form av sesongoppbevaring er et sentralt element i kalde lokale varmesystemer. For å balansere sesongmessige svingninger i varmeproduksjon og forbruk, er mange kaldvarmeanlegg bygget med sesongbasert varmelagring. Dette er spesielt egnet der strukturen til forbrukere/forbrukere ikke fører til et stort balansert varme- og kjølebehov eller der det ikke er tilstrekkelig varmekilde tilgjengelig hele året. Akviferreservoarer og lagring via borehullsfelt er godt egnet. Disse gjør det mulig å lagre overflødig varme fra sommerhalvåret, f.eks. Fra kjøling, men også fra andre varmekilder og dermed varme opp bakken. I løpet av oppvarmingsperioden blir prosessen deretter reversert og oppvarmet vann pumpes og mates inn i kaldvarmenettet. Andre typer varmelagring er imidlertid også mulig. For eksempel bruker et kaldt oppvarmingsnett i Fischerbach et islager.

Varmenettverk

Kalde lokale varmesystemer tillater en rekke nettverkskonfigurasjoner. Det kan gjøres et grovt skille mellom åpne systemer, der vann mates inn, passeres gjennom nettverket der det tilføres de respektive forbrukerne og til slutt slippes ut i miljøet, og lukkede systemer, der en bærervæske, vanligvis saltlake , sirkulerer i en krets. Systemene kan også differensieres i henhold til antall rørledninger som brukes. Avhengig av de respektive forholdene er konfigurasjoner med ett til fire rør mulig:

  • Enkeltrørs systemer brukes vanligvis i åpne systemer som bruker overflatevann eller grunnvann som varmekilde og slipper det tilbake i miljøet etter å ha strømmet gjennom varmeanlegget.
  • I to-rørssystemer drives begge rørene ved forskjellige temperaturer. Ved oppvarming fungerer den varmere av de to som en varmekilde for forbrukernes varmepumper, mens den kaldere absorberer overføringsmediet som er avkjølt av varmepumpen. I kjølemodus fungerer den kaldere som kilde, varmen som produseres av varmepumpen føres inn i det varmere røret.
  • Tre-rørs systemer fungerer på samme måte som to-rørs systemer, men det er også et tredje rør som drives med varmere vann, slik at (i hvert fall når det gjelder varmesystemer med lav framledningstemperatur, for eksempel gulvvarme) oppvarming foregå uten bruk av varmepumpen. Varmen overføres vanligvis via varmevekslere . Avhengig av temperaturen, blir varmen deretter ført tilbake til det varmere eller kaldere røret etter bruk. Alternativt kan det tredje røret også brukes som kjølerør for direkte kjøling via varmeveksler.
  • Fire-rørs systemer fungerer som tre-rørs systemer, bortsett fra at det er ett rør hver for direkte oppvarming og kjøling. På denne måten kan energikaskader realiseres.

Generelt kan rørledningene til kaldvarmeanlegg utformes på en enklere og billigere måte enn i varme/varme fjernvarmeanlegg. På grunn av de lave driftstemperaturene er det ingen termomekanisk belastning, som tillater bruk av vanlige polyetylenrør uten isolasjon, slik det brukes til drikkevannsforsyning. Dette tillater både en rask og kostnadseffektiv installasjon og rask tilpasning til forskjellige nettverksgeometrier. Det eliminerer også behovet for dyre røntgen- eller ultralydundersøkelser av rørene, sveising av individuelle rør og tidkrevende isolasjon på stedet av forbindelsesstykker. Men sammenlignet med konvensjonelle fjernvarmerør må rør med større diameter brukes for å transportere samme mengde varme. Energibehovet til pumpene er også høyere på grunn av de større volumene. På den annen side kan kalde lokale varmesystemer potensielt installeres der varmebehovet til de tilkoblede bygningene er for lavt til å drive et konvensjonelt varmeanlegg. I 2018 var for eksempel 9 av 16 systemer som det var tilstrekkelig data tilgjengelig for under terskelen på 1,2 kW varmeeffekt/m nettlengde, som regnes som den nedre grensen for økonomisk drift av konvensjonelle "varme" lokale varmesystemer.

Understasjon

Varmepumpe med vann

Sammenlignet med konvensjonelle "varme" fjernvarmenettverk, er nettstasjonen til kalde lokale varmesystemer mer komplisert, tar mer plass og er derfor dyrere. En varmepumpe samt en direkte varmtvannstank må installeres hos hver tilkoblet forbruker eller forbruker. Varmepumpen er vanligvis utformet som en elektrisk drevet vann-til-vann-varmepumpe og er også ofte fysisk atskilt fra kaldvarmenettet av en varmeveksler. Varmepumpen øker temperaturen til det nivået som kreves for å varme boligen og produserer varmt vann, men den kan også brukes til å kjøle huset og mate varmen som produseres der inn i varmeanlegget, med mindre kjøling gjøres direkte uten bruk av en varmepumpe. Et back-up-system som et varmeelement kan også installeres. En varmelagertank for varmesystemet kan også installeres, noe som muliggjør mer fleksibel drift av varmepumpen. Slike varmelagertanker bidrar også til å holde varmepumpen liten, noe som igjen reduserer installasjonskostnadene.

Rolle i fremtidige energisystemer

Lavtemperaturvarmenettverk, som inkluderer kalde lokale varmesystemer, regnes som et sentralt element for dekarbonisering av varmeforsyning i sammenheng med transformasjon av energisystem og avbøtning av klimaendringer . Lokal- og fjernvarmeanlegg har forskjellige fordeler sammenlignet med individuelle varmesystemer: Disse inkluderer for eksempel systemers høyere effektivitet, muligheten for å bruke kombinert varme- og kraftproduksjon og utnytte tidligere ubrukte spillvarme -potensialer. I tillegg blir de sett på som en viktig tilnærming for å øke bruken av fornybare energikilder og redusere primærenergikrav og lokale utslipp i varmeproduksjon. Ved å dispensere fra forbrenningsteknologier for tilførsel til kaldvarmenettet, kan karbondioksidutslipp og lokale forurensende utslipp unngås fullstendig. Kaldvarmenettverk blir også sett på som en mulighet til å bygge opp varmenettverk i fremtiden som mates 100% av fornybare energikilder .

Den omfattende elektrifiseringen av varmesektoren er en sentral komponent i sektorkobling

En annen lovende tilnærming er bruk av kalde lokale varmesystemer og andre varmepumpe varmesystemer for sektorkobling . Dermed bruker kraft-til-varme- teknologier på den ene siden elektrisk energi til oppvarming, og på den annen side kan varmesektoren bidra til å tilby systemtjenestene for å kompensere for den svingende grønne elektrisitetsproduksjonen i elsektoren. Kalde lokalvarmenettverk kan dermed bidra til lastkontroll via varmepumper og, sammen med andre lagringssystemer, bidra til å sikre forsyningssikkerheten.

Hvis takene på bygningene som leveres er utstyrt med fotovoltaiske systemer, er det også mulig å hente en del av strømmen som kreves for varmepumpene fra taket til forbrukeren. For eksempel er det bygget 20 PlusEnergy-hus i Wüstenrot, som alle er utstyrt med solcelleanlegg, et solbatteri og en varmelagringstank for høyest mulig selvforsyning gjennom fleksibel drift av varmepumpen.

Merknader

Videre lesning

Eksterne lenker til eksempler