Varmepumpens driftsøkonomi i et Smart-Grid - Aalborg Universitet
Varmepumpens driftsøkonomi i et Smart-Grid - Aalborg Universitet
Varmepumpens driftsøkonomi i et Smart-Grid - Aalborg Universitet
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Varmepumpens</strong> <strong>driftsøkonomi</strong> i <strong>et</strong> <strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong><br />
P2 Projekt<br />
Gruppe B142<br />
Energi<br />
<strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Den 22. maj 2013
Studenterrapport<br />
Første Studieår v/ D<strong>et</strong> Teknisk-<br />
Naturvidenskabelige Fakult<strong>et</strong><br />
Energi<br />
Strandvejen 12-14<br />
9000 <strong>Aalborg</strong><br />
http://www.tnb.aau.dk<br />
Titel:<br />
<strong>Varmepumpens</strong> <strong>driftsøkonomi</strong> i <strong>et</strong><br />
<strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong><br />
Projekt:<br />
P2-projekt<br />
Projektperiode:<br />
Februar 2013 - Maj 2013<br />
Projektgruppe:<br />
B142<br />
Deltagere:<br />
Janus Maack<br />
Mathias Galberg<br />
Mucunguzi Rwagasore<br />
Nick Høy Hansen<br />
Nicolai Tang<br />
P<strong>et</strong>er Lidegaard Skovrup<br />
Rasheed Fallah<br />
Vejleder:<br />
Morten Boje Blarke<br />
Bivejleder:<br />
Lotte Holmberg Rasmussen<br />
Oplagstal: 10<br />
Sid<strong>et</strong>al: 103<br />
Appendiks: 1+CD-rom<br />
Afslutt<strong>et</strong> 22-05-2013<br />
Synopsis:<br />
I denne rapport redegøres der for<br />
en luft/vand varmepumpes virkemåde,<br />
samt de termodynamiske principper<br />
bag den, hvortil der bliver opstill<strong>et</strong><br />
en model, der beskriver varmepumpen.<br />
Derudover udføres der forsøg<br />
med en luft/vand varmepumpe<br />
med CO 2 som kølemiddel, hvilk<strong>et</strong> gøres<br />
med henblik på at bestemme varmepumpens<br />
eektivit<strong>et</strong> ved forskellige<br />
ude temperature samt at kunne sammenligne<br />
varmepumpen med den opstillede<br />
model.<br />
Dertil opstilles en økonomisk model,<br />
som angiver, hvilke tidspunkter d<strong>et</strong> er<br />
mest rentable at køre varmepumpen<br />
på.<br />
Herudover redegøres der for termisk<br />
energilagring, hvor sensibel, latent, og<br />
kemisk lagring bliver behandl<strong>et</strong>. I denne<br />
sammenhæng opstilles en model<br />
over sensibel energilagring, hvortil der<br />
udføres <strong>et</strong> simpelt forsøg, der sammenholdes<br />
med modellen.<br />
D<strong>et</strong>te gøres i lys<strong>et</strong> af energiaftalen fra<br />
2012 og hvordan <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> i større<br />
grad inkorporeres i el-n<strong>et</strong>t<strong>et</strong>. Derfor<br />
vil energiaftalen, <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> samt<br />
el-n<strong>et</strong>tes opbygning blive gennemgå<strong>et</strong><br />
indledningsvist.<br />
Rapportens indhold er frit tilgængeligt, men oentliggørelse (med kildeangivelse) må kun ske efter aftale med<br />
forfatterne.
Forord<br />
Denne rapport er udarbejd<strong>et</strong> i perioden 1. februar til 22. maj 2013 i forbindelse med 2. semester<br />
på Bacheloruddannelsen i Energi. Rapporten er <strong>et</strong> produkt af P2-projektarbejd<strong>et</strong> og er udarbejd<strong>et</strong><br />
under d<strong>et</strong> overordnede tema Eektive energiteknologier.<br />
For at opnå størst muligt udbytte af rapporten kræves kendskab til grundlæggende termodynamik<br />
samt programmerne EES, Matlab og GAMS.<br />
Endvidere anbefales d<strong>et</strong> at hele rapporten gennemlæses for at opnå den bedste forståelse af<br />
rapporten.<br />
Læsevejledning<br />
Forud for rapportens begyndelse er en nomenklaturliste med fysiske og termodynamiske størrelser<br />
samt akronymer, herunder organisationer, kemiske forbindelse og diverse, angiv<strong>et</strong>.<br />
Der vil igennem rapporten fremtræde kildehenvisninger, i form af Harvard-m<strong>et</strong>oden, angiv<strong>et</strong> med<br />
forfatterens efternavn samt udgivelsesår (hvis d<strong>et</strong>te er opgiv<strong>et</strong>), der er sammenfatt<strong>et</strong> i rapportens<br />
litteraturliste. Desuden er der i rapporten interne henvisninger til rapportens øvrige afsnit.<br />
Rapportens gurer og tabeller er nummerer<strong>et</strong> i henhold til d<strong>et</strong> kapitel, hvori de fremgår. Figur- og<br />
tabeltekster ndes under de givne illustrationer. Efter litteraturlisten fremgår en oversigt over alle<br />
gurer og tabeller.<br />
Vedlagt er en CD-rom med data fra forsøg, samt Matlab-scriptler benytt<strong>et</strong> til at repræsentere og<br />
behandle data fra forsøg.<br />
Janus Maack Mathias Galberg Mucunguzi Rwagasore<br />
Nick Høy Hansen Nicolai Tang P<strong>et</strong>er Lidegaard Skovrup<br />
Rasheed Fallah<br />
v
Nomenklatur<br />
C p<br />
Fysiske og termodynamiske størrelse<br />
[ ]<br />
Den specikke varmekapacit<strong>et</strong> ved konstant tryk<br />
m Masse [kg]<br />
kJ<br />
kg·K<br />
T Temperatur [ ◦ C] og [K]<br />
Q Varmemængde overført under en internt reversible proces [kJ]<br />
W Arbejde [N · m]<br />
p Tryk [Pa]<br />
M Molarmasse [g/mol]<br />
Kemiske forbindelser<br />
CO 2<br />
SO 2<br />
NO x<br />
NH 3<br />
CFC<br />
HFC<br />
Kuldioxid<br />
Svovldioxid<br />
nitrogenoxid og nitrogendioxid<br />
Ammoniak<br />
Chloro-Fluoro-Carbon<br />
Hydrouorocarbon<br />
Organisationer og lignende<br />
IEA<br />
D<strong>et</strong> internationale Energiagentur<br />
vii
Gruppe B142<br />
B<strong>et</strong>egnelser<br />
DRY<br />
COP<br />
FUD<br />
TSO<br />
DK1<br />
DK2<br />
LFC<br />
VPP<br />
EES<br />
TES<br />
PCM<br />
Design Refrench Year<br />
Coecient of Performance<br />
Forskning, udvikling og demonstration<br />
Transmission System Operator<br />
Eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong> i Vestdanmark<br />
Eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong> i Østdanmark<br />
Load Frequency Control<br />
Virtuel Power Plant<br />
Engineering Equation Solver<br />
Thermal Energy Storage<br />
Phase Change Material<br />
Enheder<br />
[m] M<strong>et</strong>er<br />
[s] Sekunder<br />
[h] Timer<br />
[J] Joule<br />
[W] Watt<br />
[K] Kelvin<br />
[ ◦ C] Grader celsius<br />
[kg] Kilogram<br />
[mol] Mol<br />
[Hz] Hertz<br />
[Pa] Pascal<br />
[bar] Bar<br />
viii
<strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Termodynamikkens nulte hovedsætning<br />
Denition. To systemer har samme temperatur, hvis de er i termodynamisk ligevægt.<br />
Termodynamikkens første hovedsætning<br />
Denition. Energi kan ikke opstå eller forsvinde under en proces. Energien kan kun ændre form.<br />
Termodynamikkens anden hovedsætning<br />
(Clausius' version)<br />
Denition. Ingen proces er mulig, hvis eneste resultat er overførsel af varme fra <strong>et</strong> legeme med<br />
lavere temperatur til <strong>et</strong> legeme med højere temperatur.<br />
Termodynamikkens anden hovedsætning<br />
(Kelvins version)<br />
Denition. Ingen proces er mulig, hvis eneste formål er at absorberer varme fra <strong>et</strong> reservoir for<br />
derefter at omdanne d<strong>et</strong> til arbejde fuldstændig.<br />
ix
Indholdsfortegnelse<br />
I Indledning 1<br />
Kapitel 1 Indledning 3<br />
1.1 Initierende problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4<br />
Kapitel 2 Problemanalyse 5<br />
2.1 Energiaftalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.2 Problemer ved benyttelse af vedvarende energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6<br />
2.3 Eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s opbygning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.4 <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12<br />
2.5 Varmepumper i <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13<br />
2.6 Oversigt over varmepump<strong>et</strong>yper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
2.7 Delkonklusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
Kapitel 3 Problemfelt 19<br />
II Problemløsning 21<br />
Kapitel 4 Varmepumpe 25<br />
4.1 Luft/vand varmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26<br />
4.2 Carnots kredsproces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
4.3 Coecient of performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28<br />
4.4 Entropi og enthalpi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
4.5 Kølemidler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32<br />
Kapitel 5 Analyse af varmepumpe 35<br />
5.1 Beskrivelse af EES modellens ligninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35<br />
5.2 Varmepumpeforsøg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
5.3 Sammenligning af data fra forsøg og EES model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
Kapitel 6 Termisk energilagring 47<br />
6.1 Sensibel varmelagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47<br />
6.1.1 Sensibel energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
6.2 Alternativ energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
6.2.1 Latent energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
6.2.2 Kemisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
6.3 Opsamling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59<br />
Kapitel 7 Analyse af termisk energilagring 61<br />
7.1 Model over sensibel energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61<br />
7.2 Forsøg med sensibel energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63<br />
7.3 Resultatanalyse af model og forsøg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />
7.4 Termokemisk energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />
Kapitel 8 Drift økonomisk model 75<br />
8.1 GAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75<br />
8.2 Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76<br />
x
Indholdsfortegnelse<br />
<strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
8.3 Arbitrære udvalgte dage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />
IIIAfrunding 81<br />
Kapitel 9 Konklusion 83<br />
9.1 Varmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
9.2 <strong>Varmepumpens</strong> COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
9.3 Termisk varmelager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83<br />
9.4 Økonomiske model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
9.5 Perspektivering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84<br />
Litteratur 85<br />
Figurer 88<br />
Tabeller 90<br />
Appendiks A Data til varmelagringsforsøg 91<br />
xi
Del I<br />
Indledning<br />
1
Indledning<br />
1<br />
Ifølge D<strong>et</strong> internationale Energiagenturs (IEA) seneste rapport, vil d<strong>et</strong> globale energiforbrug vokse<br />
med 40 procent frem mod 2030, drev<strong>et</strong> især af væksten i Kina og Indien. En stor del af merforbrug<strong>et</strong>,<br />
hele 77 procent, forventes dækk<strong>et</strong> af fossile brændsler [Klimaupdate, 2013].<br />
D<strong>et</strong>te vil i fremtiden medføre en øg<strong>et</strong> risiko for nye oliekriser, som i årene 1973 og 1979. I år 1973<br />
var 93 procent af Danmarks energiforsyning baser<strong>et</strong> på importer<strong>et</strong> olie. Oliekriserne k Danmark<br />
til at omlægge energiproduktion fra olie til kul på kraftværker, fjernvarmekraftværker og i dele af<br />
industrien.[Klima- og Energiministeri<strong>et</strong>, 2010]<br />
Stigende oliepriser, klimaproblemer og forsyningssikkerhed har r<strong>et</strong>t<strong>et</strong> fokus på brugen af<br />
vedvarende energi.<br />
Vindkraft er en forholdsvis utilregnelig energikilde, da vinden langt fra er konstant hele tiden,<br />
hvilk<strong>et</strong> medfører forandringer i elproduktionen. D<strong>et</strong>te er en udfordring i forhold til den tidligere<br />
elproduktion, som gjorde brug af fossile brændsel.<br />
Disse nye udfordringer har med tiden medført <strong>et</strong> behov for <strong>et</strong> eksibelt elsystem, der kan håndtere<br />
udsving i energiproduktionen. For at sætte yderligere fart på indførselen af vedvarende energikilder,<br />
lavede regeringen, i marts 2012, en energiaftale med Venstre, Dansk Folkeparti, D<strong>et</strong> Konservative<br />
Folkeparti og Enhedslisten, som rækker frem til år 2020. Energiaftalen er <strong>et</strong> vigtigt skridt på vejen<br />
mod at omstille hele Danmarks energiforsyning til vedvarende energi i form af ere vindmøller og<br />
mere biogas og biomasse. Udover, at en større del af energiproduktion skal komme fra vedvarende<br />
energi, er der samtidig sikr<strong>et</strong> en reduktion af bruttoenergiforbrug<strong>et</strong> samt CO 2 -udledningen. Som<br />
tidligere nævnt er en udfordring med vindkraft den svingende elproduktion, men d<strong>et</strong>te kan løses<br />
med implementeringen af <strong>et</strong> intelligent energisystem, <strong>et</strong> smart grid, derfor er der i energiaftalen<br />
også udarbejd<strong>et</strong> en smart grid strategi [Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>, 2012b].<br />
Til nogle af disse udfordringer kan indførelsen af eldrevne varmepumper bidrage som en løsning,<br />
da varmepumper kan opvarme huse ved brug af el [Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>, 2013].<br />
Derfor vil en varmepumpe være en mulig aøser for oliefyr i de områder, hvor der ikke er fjernvarme.<br />
Udbredelsen af varmepumper vil samtidigt være en god aftager af den vedvarende energi, i perioder<br />
med stor produktion.<br />
I denne rapport vil fokus hovedsagligt ligge på varmepumper. D<strong>et</strong>te valg er tag<strong>et</strong> med<br />
udgangspunkt i de nye problemstillinger inden for energisektoren om <strong>et</strong> mere eksibelt elsystem,<br />
hvor varmepumper som en grundlæggende komponent i <strong>et</strong> intelligent elsystem, medfører en langt<br />
bedre styring af elproduktionen. Med fokus på varmepumper vil der blive udført forskellige forsøg,<br />
for at kortlægge lufttemperaturens indvirkning på en luft-vand varmepumpes eektfaktor, omtalt<br />
COP (coecient of performance). Ud fra disse forskellige undersøgelser kan der skabes <strong>et</strong> bedre<br />
overblik over, hvordan en varmepumpe bedst kan integreres i <strong>et</strong> moderne elsystem, som bruger<br />
varmepumperne til forbrug af overskudsenergi på eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>.<br />
3
Gruppe B142<br />
1. Indledning<br />
1.1 Initierende problem<br />
En varmepumpe har de bedste driftsb<strong>et</strong>ingelser om sommeren når varmebehov<strong>et</strong> er mindst og<br />
de dårligste driftsb<strong>et</strong>ingelser om vinteren når varmebehov<strong>et</strong> er størst, da COP'en afhænger af<br />
ud<strong>et</strong>emperaturen.<br />
4
Problemanalyse<br />
2<br />
Problemanalysen struktures med udgangspunkt i Energiaftalen, som er lav<strong>et</strong> for at omstille<br />
Danmarks energiproduktion til vedvarende energi. Herunder er d<strong>et</strong> en nødvendighed med kendskab<br />
til d<strong>et</strong> danske elsystem<strong>et</strong>s opbygning for at danne en forståelse for varmepumpers virkning i d<strong>et</strong><br />
fremtidige intelligente energisystem, <strong>Smart</strong> grid. D<strong>et</strong>te er illustrer<strong>et</strong> på gur 2.1.<br />
Figur 2.1. Illustration over problemanalysens opbygning<br />
For at kunne besvare d<strong>et</strong> initierende problem bedst muligt redegøres der kort for Energiaftalen<br />
frem mod år 2020, hvor vedvarende energi har en stor b<strong>et</strong>ydning i forhold til Danmarks udvikling<br />
mod at gøre sig fri for fossile brændsler.<br />
2.1 Energiaftalen<br />
I marts 2012 indgik den danske regering sammen med Venstre, D<strong>et</strong> Konservative Folkeparti, Dansk<br />
Folkeparti og Enhedslisten en aftale om den danske energipolitik år 2012-2020. Aftalen indeholder<br />
i hovedtræk følgende punkter:<br />
ˆ Øg<strong>et</strong> energieektivit<strong>et</strong><br />
ˆ Mere vedvarende energi<br />
ˆ Et smartere elsystem<br />
ˆ Bedre rammer for biogas<br />
ˆ El og biomasse i transportsektoren<br />
ˆ Forskning, udvikling og demonstration (FUD) af energiteknologier<br />
ˆ Finansiering<br />
[Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>, 2012b]<br />
Aftalen indeholder endvidere en række specikke krav/mål, herunder<br />
ˆ En reduktion på bruttoenergiforbrug<strong>et</strong> på 12 procent i 2020 i forhold til 2006.<br />
5
Gruppe B142<br />
2. Problemanalyse<br />
ˆ 35 procent af d<strong>et</strong> danske energiforbrug bestå af vedvarende energi, hvor lige knap 50 procent<br />
af d<strong>et</strong>te skal komme fra vind, i 2020. [Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>, 2012a]<br />
Problemstillingen i disse krav ligger ikke kun i de fysiske rammer ved at få opført tilstrækkelig med<br />
vindmøller, biobrændselsanlæg og så videre, men også at vedvarende energi er sværere at forudsige.<br />
Ved kul- og biomasseanlæg kan elproduktionen nemmere reguleres efter behov. D<strong>et</strong>te er imidlertid<br />
ikke muligt ved udnyttelse af sol-, vind- og bølg<strong>et</strong>eknologier, her afhænger produktionen af de<br />
vejrmønstre, som skaber vind, bølger og skydannelse. [Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>,<br />
2012b]<br />
2.2 Problemer ved benyttelse af vedvarende energi<br />
D<strong>et</strong>te kapitel vil give en bedre forståelse vedrørende de forskellige problemer ved brugen af<br />
vedvarende energi i forhold til d<strong>et</strong> overordnede nordiske elmarked (Nord Pool).<br />
Problem<strong>et</strong> ved anvendelse af vedvarende energi til produktion af elektricit<strong>et</strong> er tilpasningen af<br />
produktion kontra forbrug. D<strong>et</strong>te kommer af, at de forskellige vedvarende energier har deres<br />
begrænsninger, for eksempel producerer solceller hovedsaligt energi på solrige dage og har en<br />
mindre produktion i oversky<strong>et</strong> vejr, vindmøller er afhængige af vind og bølgeenergi af bølger.<br />
D<strong>et</strong> gør d<strong>et</strong> komplicer<strong>et</strong> at sikre balancen mellem produktion og forbrug. D<strong>et</strong> danske klima og<br />
vejrforhold gør vindenergi til den vedvarende energiform, der har de bedste vilkår for udnyttelse i<br />
Danmark. Med kravene om en fremtid med cirka 50 procent vindenergi i elproduktionen i 2020 og<br />
yderlige mere i 2050 [Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>, 2012a], er der behov for <strong>et</strong> elsystem<br />
med større eksibilit<strong>et</strong>. Et elsystem med større eksibilit<strong>et</strong> vil medføre færre tidspunkter med<br />
spidsbelastninger på eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>. Spidsbelastninger er perioder med meg<strong>et</strong> strøm på eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>, som i<br />
visse tilfælde kan forudsiges, men i andre situationer kommer bag på driftkontrollen. D<strong>et</strong>te kan<br />
for eksempel være i situationer, hvor forbrug<strong>et</strong> af strøm stiger drastisk. D<strong>et</strong>te medfører, at der må<br />
benyttes forskellige ressourcer til opregulering af n<strong>et</strong>t<strong>et</strong>, som er meg<strong>et</strong> omkostningsfuld. Udover<br />
d<strong>et</strong>te kan strømmen overstige eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s kapacit<strong>et</strong>, som vil medføre, at d<strong>et</strong> danske eln<strong>et</strong> skal udvides<br />
for at kunne håndtere de store mængder strøm.[Den Store Danske - Gyldendals åbne encyklopædi,<br />
2013]<br />
På gur 2.2, sammenlignes elforbrug<strong>et</strong> med elproduktionen fra vindkraft i år 2012 og den forventede<br />
elproduktion i år 2020, med den samlede elproduktion.<br />
6
2.2. Problemer ved benyttelse af vedvarende energi <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Figur 2.2. Vindproduktion og el-forbrug i Danmark fra december år 2012 og 50 procent mere vind med<br />
tilsvarende forbrug i samme måned år 2020 [Energin<strong>et</strong>.dk, 2013e].<br />
Værdierne under elforbrug og vindproduktion 2012 i gur 2.2 er baser<strong>et</strong> på data fra energin<strong>et</strong>.dk<br />
[Energin<strong>et</strong>.dk, 2013e]. Vindproduktion 2020, er udarbejd<strong>et</strong> ud fra vindproduktion 2012 data. I 2012<br />
stod vindproduktion for 30 procent af den samlede elproduktion[Danmarks vindmølleforening,<br />
2012]. Værdierne for 2020, udregnes ved at føre vindproduktion 2012 data op til 50 procent af<br />
den samlede elproduktion, som er mål<strong>et</strong> i 2020. Vindproduktion 2020 er derfor <strong>et</strong> ktivt eksempel,<br />
hvor elforbrug<strong>et</strong> i december 2012 holdes konstant og benyttes som en reference for 2020 elforbrug<strong>et</strong>.<br />
D<strong>et</strong>te gøres ud fra den begrundelse, at d<strong>et</strong> samlede elforbrugs udvikling de sidste 15 år har vær<strong>et</strong><br />
stort s<strong>et</strong> uændr<strong>et</strong>[Verdens Banken]. D<strong>et</strong> vurderes derfor, at d<strong>et</strong> er rimeligt at antage at elforbrug<strong>et</strong> i<br />
december 2020 vil minde meg<strong>et</strong> om elforbrug<strong>et</strong> i december 2012, under forudsætning af at tendensen<br />
i elforbrug<strong>et</strong> fortsætter.<br />
Ud fra gur 2.2 over vindenergiproduktion og forbrug af energi i Danmark fra december 2012,<br />
er der få tidsrum, hvor elproduktionen fra vindenergi overstiger forbrug<strong>et</strong>. På vindproduktionen<br />
fra 2020, er der adskillige tidspunkter, hvor elproduktionen fra vindenergi overstiger forbrug<strong>et</strong>.<br />
Figuren giver <strong>et</strong> billede af d<strong>et</strong> danske elsystems problemer med nøjagtig regulering af elsystem<strong>et</strong><br />
på grund af vindens uforudsigelighed. Et and<strong>et</strong> problem ligger i m<strong>et</strong>oden ved køb og salg af<br />
elektricit<strong>et</strong>. På d<strong>et</strong> nuværende marked (Nord Pool) fastsættes og sælges el 12-36 timer forud<br />
(læs mere om elsystem<strong>et</strong>s opbygning i afsnit 2.3). Når der købes elektricit<strong>et</strong> 12-36 timer forud<br />
for produktionen, er d<strong>et</strong> problematisk at forudsige hvor meg<strong>et</strong> el, vindmøllerne vil producere.<br />
D<strong>et</strong> kan medføre overproduktion af elektricit<strong>et</strong>, som i visse tilfælde ikke kan forudsiges. D<strong>et</strong>te<br />
b<strong>et</strong>yder, at lignende problemer som ved spidsbelastningerne vil gøre sige gældende, hvor d<strong>et</strong> i<br />
d<strong>et</strong>te tilfælde er nedregulerings-kræfter eller salg af el på Elbas, som er nødvendige for at stabilisere<br />
n<strong>et</strong>t<strong>et</strong>. For at tilgodese disse kommende problemer vedrørende uforudsigelig vindproduktion, kan <strong>et</strong><br />
intelligent elsystem (<strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong>) indføres, hvilk<strong>et</strong> vil medfører en langt større eksibilit<strong>et</strong>. Denne<br />
eksibilit<strong>et</strong> danne samtidig grundlag for besparelser ved indføringen af <strong>et</strong> intelligent elsystem,<br />
hvilk<strong>et</strong> gennemgås i afsnit 2.4. En af fordelene ved <strong>et</strong> elsystem med langt større eksibilit<strong>et</strong> er, at<br />
behov<strong>et</strong> for at udbygge eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong> mindskes, da ellers havde vær<strong>et</strong> nødvendigt at udbygge eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong><br />
for at d<strong>et</strong> kunne håndtere de store svingninger.<br />
7
Gruppe B142<br />
2. Problemanalyse<br />
2.3 Eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s opbygning<br />
Til at få en bedre forståelse af problemerne med regulering af d<strong>et</strong> danske eln<strong>et</strong>, beskrives d<strong>et</strong> og<br />
d<strong>et</strong>s forskellige instansers b<strong>et</strong>ydning og formål.<br />
D<strong>et</strong> danske eln<strong>et</strong> kan hovedsagligt opdeles i 3 hovedgrupper:<br />
ˆ D<strong>et</strong> overordnede eltransmissionsn<strong>et</strong>, som har spændingsniveau på højest 400 kilovolt. D<strong>et</strong>te<br />
n<strong>et</strong> forbinder de store kræftværker i ind- og udland med hinanden samt eln<strong>et</strong> på lavere<br />
spændingsniveauer. D<strong>et</strong> danske eltransmissionsn<strong>et</strong> er ej<strong>et</strong> af Energin<strong>et</strong>.dk og har forbindelse<br />
til Tyskland, Sverige og Norge.<br />
ˆ De regionale eltransmissionsn<strong>et</strong>, der er opdelt i vest og øst, hvor eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong> vest for Storebælt<br />
har en spænding på 150 kilovolt og d<strong>et</strong> øst for Storebælt har en spænding på 132 kilovolt.<br />
D<strong>et</strong>te eln<strong>et</strong> forbinder d<strong>et</strong> overordnede transmissionsn<strong>et</strong> med distributionsn<strong>et</strong>t<strong>et</strong>.<br />
ˆ Distributionsn<strong>et</strong>t<strong>et</strong> transporterer strømmen fra de regionale eltransmissionsn<strong>et</strong> ud til de enkelte<br />
hustande og virksomheder. Distributionsn<strong>et</strong>t<strong>et</strong> ejes af lokale n<strong>et</strong>selskaber.<br />
Mellem de forskellige spændingsniveauer er der transformerstationer, som regulerer den<br />
elektriske spænding op eller ned [Energin<strong>et</strong>.dk, 2013d].<br />
For at få <strong>et</strong> bedre overblik over d<strong>et</strong> danske eltransmissionsn<strong>et</strong>, vises d<strong>et</strong>te på gur 2.3:<br />
Figur 2.3. Kort over d<strong>et</strong> danske transmissionsn<strong>et</strong> [Energin<strong>et</strong>.dk, 2013c].<br />
Elsystem<strong>et</strong>s aktører<br />
I følgende afsnit beskrives de forskellige aktøres samarbejde i elsystem<strong>et</strong>:<br />
8<br />
ˆ Nord Pool Spot: Er elbørsen, som hovedsaligt Danmark, Sverige, Norge, Estland, Litaun og<br />
Finland handler elektricit<strong>et</strong> på. 370 balanceansvarlige rmaer fra 20 lande handler på bør-
2.3. Eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s opbygning <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
sen[Nord Pool spot, c].<br />
ˆ TSO(Transmission System Operator): Hvert land har en eller ere TSO'er, som styrer d<strong>et</strong><br />
pågældende lands transmissionsn<strong>et</strong> (I Danmark er d<strong>et</strong> Energin<strong>et</strong>.dk). TSO'er planlægger,<br />
udbygger og driver eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>. TSO'en har ansvar<strong>et</strong> for forsyningssikkerheden og stabilit<strong>et</strong>en i<br />
d<strong>et</strong> pågældende eln<strong>et</strong>. I Europa kører eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong> med en frekvens på 50 Hz for at sikre stabilit<strong>et</strong>en<br />
i eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>, hvor der er TSO'ens opgave at regulere frekvensen, så den bliver på 50 Hz.<br />
Hvis forbrug<strong>et</strong> overstiger produktionen, så vil frekvensen falde under 50 Hz. I d<strong>et</strong>te tilfælde<br />
er TSO'en nødt til at få en producent til at levere mere strøm, eller bede en forbruger om at<br />
bruge mindre strøm. Hvis produktionen overstiger forbrug stiger frekvensen til mere end 50<br />
Hz, i d<strong>et</strong> tilfælde skal TSO'en sørge for, at en producent producerer mindre strøm, eller der<br />
forbruges mere[Statn<strong>et</strong>t].<br />
ˆ Balanceansvarlige: Balanceansvarlige kan være produktions- og elhandelsselskaber, herunder<br />
ligger forskellige indkøbssammenslutninger (tradere). Balanceansvarlige er aktører som<br />
indgår en aftale med land<strong>et</strong>s TSO, om at var<strong>et</strong>age <strong>et</strong> bestem balanceansvar, som består i<br />
produktion, forbrug og/eller handel.<br />
ˆ N<strong>et</strong>selskaberne: Har d<strong>et</strong> overordnede ansvar for at den enkelte forbruger er tilkobl<strong>et</strong> til d<strong>et</strong><br />
lokale distributionsn<strong>et</strong>. De har også ansvar<strong>et</strong> for, at der er installer<strong>et</strong> en elmåler ved forbrugeren<br />
samt aæsning af den[Experimentarium.dk].<br />
ˆ Elhandelsselskaberne: Selskaber der sælger el til forbrugerne.<br />
ˆ Forsyningspligtselskaberne: Har pligt til at forsyne forbrugerne i dækningsområd<strong>et</strong>, som ikke<br />
har valgt at benytte sig af elhandelsselskabernes tilbud, på denne måde har alle forbrugerne<br />
mulighed for en elforsyning.<br />
ˆ Producenter: Producenter kan for eksempel være kraftværker, kraftvarmeværker, vindmølleejere<br />
eller vandkraftværker som tilbyder produktion.<br />
ˆ Forbrugere: Virksomheder og privatpersoner som bruger elektricit<strong>et</strong> fra eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>.<br />
Spotmarked<br />
Nord Pool Spot er d<strong>et</strong> nordiske marked for elhandel. Nord Pool Spot er ej<strong>et</strong> af de nordiske TSO'er,<br />
Statn<strong>et</strong>t SF (Norge), Kraftnät(Sverige), Fingrid Oyj(Finland), Energin<strong>et</strong>.dk(Danmark) samt de<br />
baltiske TSO'er Elering(Estland) og Litgrid(Litaun).[Nord Pool spot, c]<br />
Nord Pool Spot består af to børser:<br />
ˆ Elspot: På Elspot marked<strong>et</strong> handles der el for d<strong>et</strong> følgende døgn (mellem 12-36 timer før).<br />
Priserne bliver beregn<strong>et</strong> ud fra udbud, efterspørgsel og transmissionskapacit<strong>et</strong>.<br />
Før klokken 10 skal TSO'erne angive hvor meg<strong>et</strong> transmissionskapacit<strong>et</strong>, de har til rådighed.<br />
Indtil klokken 12 byder producenterne og køberne, hvor meg<strong>et</strong> de henholdsvis vil sælge<br />
og købe og til hvilken pris.<br />
Klokken 12 lukker børsen og d<strong>et</strong> følgende døgns timepriser bliver derefter beregn<strong>et</strong> af<br />
Nord Pool Spot.<br />
Mellem 12.30 og 12.45 bliver priserne oentliggjort [Nord Pool spot, b].<br />
9
Gruppe B142<br />
2. Problemanalyse<br />
ˆ Elbas: Er <strong>et</strong> elmarked, hvor der handles el op til timen før, d<strong>et</strong> skal bruges. Hvis der<br />
er transmissionskapacit<strong>et</strong>, kan Elbas bruges til at justere forbrug og produktion. Klokken<br />
14 bliver en timebaser<strong>et</strong> transmissionskapacit<strong>et</strong> oentliggjort af Nord Pool Spot. Denne<br />
transmissionskapacit<strong>et</strong> afhænger af, hvor meg<strong>et</strong> der er blev<strong>et</strong> benytt<strong>et</strong> på Elspot [Nord Pool<br />
spot, a].<br />
Nord Pool Spot er <strong>et</strong> marked, der giver de enkelte lande langt ere muligheder for op- og<br />
nedregulering. D<strong>et</strong>te medfører, at de enkelte lande ikke behøver at regulere produktionen i forhold<br />
til forbrug<strong>et</strong> inden for d<strong>et</strong> enkelte lands egne grænser, da den overskydende elektricit<strong>et</strong>en blot kan<br />
sælges over Nord Pool Spot. På denne måde, er d<strong>et</strong> kun d<strong>et</strong> overordnede Nord Pool Spot, som skal<br />
være i balance og ikke de enkelte lande.<br />
Figur 2.4 viser hvordan elspot priserne kan variere hen over døgn<strong>et</strong>:<br />
Figur 2.4. Grafen viser elspotpris, op- og nedreguleringspris, elforbrug samt elproduktionstype i vest<br />
Danmark. Grafen dækker 24 timer for tirsdag d. 30. april 2013[EMD International A/S, 2013].<br />
Elspotprisen bliver bestemt 12-36 timer før produktionstidspunkt<strong>et</strong>. Opreguleringsprisen er altid<br />
højere end elspotprisen og bestemmes ud fra den højest aktiverede pris for opregulering.<br />
Nedreguleringsprisen er altid mindre end elspotprisen og bestemmes ud fra den højest aktiverede<br />
pris for nedregulering.[Ea Energianalyse A/S, 2010]<br />
Hvis for eksempel 10 producenter vælges til at levere en ydelse, for eksempel nedregulering, så vil<br />
d<strong>et</strong> være den dyrest valgte producent, som sætter prisen for de 9 andre producenter. D<strong>et</strong> b<strong>et</strong>yder<br />
at 9 af de 10 producenter modtager en højere pris end de havde budt ind med.<br />
Systemydelser for el<br />
Elproduktionen og elforbrug<strong>et</strong> skal hele tiden være i balance. Ændringer i forbrug og produktion<br />
påvirker balancen i system<strong>et</strong> og forårsager tidligere omtalte frekvensafvigelser. Energin<strong>et</strong>.dk køber<br />
systemydelser for at holde eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s frekvens på 50 Hz. Systemydelser købes af balanceansvarlige i<br />
Danmark og nabolande. Alle de forskellige ydelser bruges til forskellige formål, og der stilles derfor<br />
forskellige krav og normer til den pågældende ydelse, for eksempel hvordan den skal leveres og<br />
10
2.3. Eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s opbygning <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
hvor hurtigt. Der stilles forskellige krav til leverandørerne af systemydelser, alt efter om ydelserne<br />
skal leveres i DK1 eller DK2.<br />
Udbud af systemydelser i DK1<br />
ˆ Primær reserve: Ved frekvensafvigelser, sikrer de primære reserver, at frekvensen forbliver<br />
omkrig 50 Hz. De primærre reserver skal leveres ved en frekvensafvigelse på op til +/-200<br />
mHz i forhold til referencefrekvensen på 50 Hz. D<strong>et</strong> vil normalt b<strong>et</strong>yde i områd<strong>et</strong> 49,8-50,2<br />
Hz[Energin<strong>et</strong>.dk, 2012a]. Primær reserven reguleres automatisk via reguleringsudstyr, som<br />
reagerer i forhold til n<strong>et</strong>t<strong>et</strong>s frekvensafvigelser. Energin<strong>et</strong>.dk indkøber den primære reserve<br />
gennem daglige auktioner, som Energin<strong>et</strong>.dk selv står for. Primær reserven skal kunne leveres<br />
inden for 30 sekunder og må maksimalt køre 15 minutter eller indtil de sekundære og<br />
manuelle reserver tager over. De primære reserver kunne være varmepumper, som starter og<br />
slukker i forhold til frekvensen på n<strong>et</strong>t<strong>et</strong>, og derved op- og nedregulerer frekvensen.<br />
ˆ Sekundær reserve, LFC (Load Frequency Control): Den sekundære reserve har til formål at<br />
frigøre den primære reserve, hvis den er blev<strong>et</strong> aktiver<strong>et</strong>, og dernæst regulerer frekvensen til<br />
de 50 Hz. Den sekundære reserve skal kunne leveres inden for 15 minutter.<br />
ˆ Manuelle reserver: Manuel reserve er en manuel op- og nedreguleringsreserve tilbudt af leverandører,<br />
som aktiveres af Energin<strong>et</strong>.dk's kontrolcenter. De manuelle reserver skal aaste<br />
henholdsvis LFC'en i DK1 og den frekvensstyrede normaldriftsreserve i DK2 ved større ubalancer<br />
og sikre balancen ved fejl på produktionsanlæg og udlandsforbindelser. Den manuelle<br />
reserve skal kunne leverer dens maksimale reguleringskapacit<strong>et</strong> 15 minutter efter aktivering.<br />
ˆ Kortslutningseekt, reaktive reserver og spændingsregulering.<br />
Udbud af systemydelser i DK2<br />
ˆ Frekvensstyr<strong>et</strong> driftsforstyrrelsesreserve: Fungerer på samme måde som primær reserven, men<br />
indkøbes i samarbejde med Svenska Kraftnät gennem daglige auktioner. Derudover skal reserven<br />
også kunne levere inden for 150 sekunder og køre kontinuerligt.<br />
ˆ Frekvensstyr<strong>et</strong> normaldriftsreserve: En hurtig reserve, som er med til at regulere frekvensen<br />
ved store frekvensfald som følge af fejl på store produktionsenheder eller linjer. Reserven<br />
aktiveres automatisk ved frekvensdyk til under 49,9 Hz og er aktiv, indtil der igen er skabt<br />
balance, eller indtil den manuelle reserve overtager eektleverancen. Den skal kunne levere<br />
50 procent inden for 5 sekunder og de resterende 50 procent inden for yderligere 25 sekunder.<br />
ˆ Manuelle reserver.<br />
ˆ Kortslutningseekt, reaktive reserver og spændingsregulering.<br />
Frekvensstyr<strong>et</strong> driftsforstyrrelsesreserver udbydes kun som opreguleringsreserver. Alle andre<br />
reserver udbydes som opreguleringsreserver og nedreguleringsreserver[Energin<strong>et</strong>.dk, 2012b].<br />
Dermed er de forskellige systemydelser for DK1 og DK2 forklar<strong>et</strong>. Prisen på systemydelserne,<br />
hovedsagligt de primære reserver, er en af de faktorer, som <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> har til formål at mindske,<br />
da brugen af systemydelser primært medfører en højere kilowatttime pris. D<strong>et</strong>te kan for eksempel<br />
være mange varmepumper, der fungerer som primære reserver. For at give en bedre forståelse for<br />
systemydelsernes indvirkning på kilowatttime prisen, udregnes <strong>et</strong> eksempel:<br />
DK1 indkøber 4000 kWh til en given time, hvor forbrug<strong>et</strong> dagen efter kun er på 3700 kWh. Der<br />
indkøbes dermed reserver til nedregulering af system<strong>et</strong> på 300 kWh. Prisen for de 4000 kWh timer<br />
11
Gruppe B142<br />
2. Problemanalyse<br />
var på 1 krone per kWh og en nedregulerings pris er på 0,8 krone per kWh. Eekten på kilowatttime<br />
prisen, beregnes i følgende udregning 2.1:<br />
kr/kW h =<br />
3700[kWh] · 1[kr. / kWh] + 300[kWh] · [0,8 kr. / kWh]<br />
3700[kWh]<br />
= 1, 064[kr. / kWh] (2.1)<br />
D<strong>et</strong>te medfører en stigning i prisen på 6,5 procent. 2.2<br />
P rocentstigning =<br />
1, 065[kr. / kWh] − 1[kr. / kWh]<br />
1[kr. / kWh]<br />
D<strong>et</strong>te eksempel kan generaliseres ved følgende formel:<br />
· 100 = 6, 5% (2.2)<br />
kr/kW h = Indkøb normelpris · Normalpris + Indkøb nedregulerinspris · Nedreguleringspris<br />
Indkøb normalpris<br />
(2.3)<br />
P rocentstigning = kr /kW h − Normalpris<br />
Normalpris<br />
· 100% (2.4)<br />
Varmepumpers funktion som primær reserve, vil blive uddyb<strong>et</strong> yderligere i afsnit 2.5<br />
2.4 <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong><br />
For at give en bedre forståelse for <strong>et</strong> smart grid, beskrives d<strong>et</strong> i følgende afsnit.<br />
Danmark har ambitiøse klima- og energipolitiske målsætninger om at reducere CO 2 -udledningen<br />
ved at integrere mere vedvarende energi, især vindkraft, i eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong>. Ifølge en undersøgelsen om <strong>Smart</strong><br />
<strong>Grid</strong> i Danmark er <strong>et</strong> intelligent elsystem den mest eektive og billigste løsning, når elsystem<strong>et</strong><br />
skal udbygges. Et <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> vil bruges i <strong>et</strong> eektivt samspil mellem vindkraftproduktion,<br />
varmepumper i private husstande, elbiler og en række andre områder [Energin<strong>et</strong>.dk, 2012d].<br />
I fremtiden vil der være større krav om <strong>et</strong> stærkt elsystem til d<strong>et</strong> eksible forbrug, da<br />
energiproduktion i højere grad vil komme fra vedvarende energikilder, især vindkraft, som skaber<br />
en varierende elproduktion. Derfor er der behov for <strong>et</strong> intelligent elsystem, <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong>, der kan<br />
håndtere energiforbrug<strong>et</strong> i perioder med stor elproduktion. <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong>'<strong>et</strong> kan sende prissignaler<br />
ud til forbrugerne, som derved kan tilr<strong>et</strong>telægge deres elforbrug, så tidsuafhængig elforbrug<br />
bliver ytt<strong>et</strong> til tidspunkter, hvor elprisen er lav. D<strong>et</strong> kan for eksempel være vaskemaskiner og<br />
tørr<strong>et</strong>umblerer, der kan kører om natten, hvor der er lav efterspørgsel på el. D<strong>et</strong>te er der behov<br />
for, hvis eln<strong>et</strong>t<strong>et</strong> skal udnytte vedvarende energi, især fra vindmøller, optimalt. D<strong>et</strong> er vanskeligt at<br />
lagre energien på en fornuftig og billig måde med de nuværende teknologier, derfor handler <strong>Smart</strong><br />
<strong>Grid</strong> system<strong>et</strong> om at benytte energien, når den er til stede og er billig. D<strong>et</strong> vil for eksempel sige,<br />
at fremtidens elbiler lader op på tidspunkter med overproduktion af el, for eksempel om natten,<br />
hvor elforbrug<strong>et</strong> falder, og tilsvarende stopper med at oplade, når elprisen er høj.<br />
Eksempler på eldrevne maskiner, hvor elforbrug<strong>et</strong> kan yttes, er varmepumper, vaskemaskiner,<br />
tørr<strong>et</strong>umblere, opladning af elbiler og lignende. På denne måde vil der igennem en lang række<br />
intelligente løsninger ske en udligning i elforbrug<strong>et</strong>, der medfører <strong>et</strong> mere jævnt forbrug, som i<br />
højere grad følger produktionen. Intelligent styring af <strong>et</strong> system handler om at udnytte energi<br />
optimalt. Fødevarestyrelsen anslår at madvarer først tager skade efter 4-5 timer i <strong>et</strong> køleskab uden<br />
12
2.5. Varmepumper i <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
strøm[Nyborg, 2003], derfor vil køleskabe og frysere kunne indgå i <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system. Hvis<br />
der ikke produceres nok el, skal d<strong>et</strong> være muligt at slukke for en større gruppe af køleskabe i<br />
en kort periode og derved bruge dem som opregulering. Når køleskabene igen skal tændes for at<br />
opr<strong>et</strong>holde en tilstrækkelig lav temperatur, kan en anden gruppe køleskabe slukkes. På denne måde<br />
kan der hentes x antal watt, som kan bruges til vigtigere formål[Energin<strong>et</strong>.dk, 2013a]. Derved kan<br />
<strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system<strong>et</strong> kompensere for over og underproduktion af el ved at tænde og slukke for<br />
varmepumper, køleskabe, frysere, opladning af elbiler med mere.<br />
D<strong>et</strong> estimeres, at d<strong>et</strong> vil koste cirka 9,8 milliarder kroner at udvide elsystem<strong>et</strong> med <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong>, men<br />
samtidig medfører d<strong>et</strong>te besparelser for cirka 8,2 milliarder kroner i form af lavere omkostninger<br />
til elproduktionen og en mere eektiv frembringelse af systemtjenester med videre. Samtidig vil<br />
en traditionel udvidelse af elsystem<strong>et</strong> koste cirka 7,7 milliarder kroner, men derimod ikke give<br />
yderligere besparelser. D<strong>et</strong>te vil medføre en besparelse på 6,1 milliarder kroner ved indførelse af <strong>et</strong><br />
<strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system i forhold til udbygning af d<strong>et</strong> traditionelle eln<strong>et</strong>[Energin<strong>et</strong>.dk, 2012c].<br />
2.5 Varmepumper i <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong><br />
For at give <strong>et</strong> bedre indblik i varmepumpers rolle i <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong>, beskrives de grundlæggende<br />
problemer og hertil løsninger, som kan give <strong>et</strong> velfungerende <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system med varmepumper.<br />
D<strong>et</strong> forventes, at varmepumper i år 2020 vil være den mest udbredte varmekilde uden for<br />
fjernvarme og naturgasområderne i Danmark[Energin<strong>et</strong>.dk]. D<strong>et</strong> b<strong>et</strong>yder, at varmepumper vil<br />
kunne implementeres i <strong>et</strong> dansk <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system. Her er tanken, at varmepumperne skal opvarme<br />
husstande og dertil tilhørende brugsvand i perioder med overproduktion af elektricit<strong>et</strong>(lav elpris)<br />
mens de skal være slukk<strong>et</strong> i perioder med lav elproduktion(høj elpris). Et problem ved at benytte<br />
en varmepumpe er, at varmen skal kunne lagres til senere brug i perioder med høje elpriser. Til<br />
d<strong>et</strong>te formål skal akkumuleringstanke være isoler<strong>et</strong> til at kunne holde på varmen i perioder, hvor<br />
varmepumperne er slukk<strong>et</strong>. Længden af denne periode samt isoleringsgraden undersøges senere i<br />
rapporten.<br />
Før <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system er interessant for forbrugerne, skal der være <strong>et</strong> økonomisk incitament for<br />
aktivt at deltage i system<strong>et</strong>. D<strong>et</strong> incitament kan ndes i en ændring af den økonomiske afregning<br />
af elprisen. På nuværende tidspunkt b<strong>et</strong>ales en gennemsnitspris per kilowatttimer, som beregnes i<br />
slutningen af hvert kvartal. Derved opnår forbrugeren ikke nogen fordel ved at benytte den billige<br />
el, da prisen er den samme for alle kilowatttimer. Hvis d<strong>et</strong>te bliver lav<strong>et</strong> om, så der afregnes efter<br />
en timebaser<strong>et</strong> pris, vil d<strong>et</strong> skabe <strong>et</strong> økonomisk incitament til at ytte elforbrug<strong>et</strong> til tidspunkter,<br />
hvor strømmen er billig. Der skal også tages højde for forbrugerens komfort, hvilk<strong>et</strong> b<strong>et</strong>yder at en<br />
varmepumpe skal kunne indstilles til <strong>et</strong> bestemt temperaturinterval, som medfører at varmepumpen<br />
starter, når temperaturen bliver for lav uans<strong>et</strong> elprisen d<strong>et</strong> pågældende tidspunkt[Energin<strong>et</strong>.dk,<br />
2013b].<br />
Varmepumper i <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> vil kunne benyttes på 2 måder. En mulighed er <strong>et</strong> system, hvor<br />
forbrugerne individuelt styrer deres egne varmepumper. For at d<strong>et</strong>te kan lade sig gøre, skal der<br />
dog ske yderlige ændringer. Ændringer omfatter:<br />
ˆ Elpriser skal opgøres efter timeprisen så forbrugeren har mulighed for at opnå besparelser.<br />
ˆ Prissignaler til kunderne, der giver <strong>et</strong> overblik over de bedste tidspunkter til starte en varmepumpe.<br />
ˆ Afgiftsændringer, der understøtter en eektiv elektricering, som for eksempel afgiftsændringen<br />
der kom i januar 2013, hvor elvarmeafgiften blev sænk<strong>et</strong> med 42 procent[Bolius.dk, 2013].<br />
13
Gruppe B142<br />
2. Problemanalyse<br />
ˆ Styrke forbrugernes engagement ved oplysningskampagner, som udvider befolkningens viden<br />
om økonomiske og klima-mæssige fordele.<br />
[og Bygningsministeri<strong>et</strong>, 2011]<br />
Prissignalerne skal kunne aæses på eksempelvis mobiltelefoner, så forbrugerene hurtigt kan danne<br />
sig <strong>et</strong> overblik over de mest rentable tidspunkter at benytte varmepumper på. D<strong>et</strong> vil være op til<br />
den enkelte forbruger, om varmepumpens varmeproduktion skal tilr<strong>et</strong>telægges efter de billigste<br />
driftstidspunkter. Dermed vil forbrug<strong>et</strong> blive bedre indstill<strong>et</strong> i forhold til elproduktionen, da<br />
elprisen vil være lavere eller højere i forhold til niveau<strong>et</strong> af producer<strong>et</strong> elektricit<strong>et</strong>. For at sikre<br />
forbrugernes engagement skal oplysningskampagner og undervisning i skolen oplyse forbrugerne<br />
om de fordele, der er ved at anvende varmepumper på de optimale tidspunkter.<br />
En anden m<strong>et</strong>ode, som kan bruges, er <strong>et</strong> Virtual Power Plant (VPP), som kan kontrollere <strong>et</strong> stort<br />
antal varmepumper, køleskabe, frysere og opladning af elbiler med mere. D<strong>et</strong>te medfører, at for<br />
eksempel varmepumperne skal være kobl<strong>et</strong> til intern<strong>et</strong>t<strong>et</strong> og derigennem styres af en hovedserver[Ea<br />
energianalyse A/S, 2012]. VPP skal kunne op- og nedregulere forbrugernes elforbrug for at kunne<br />
tilpasse land<strong>et</strong>s elforbrug og produktion.<br />
For at VPP serveren skal kunne indbringe en besparelse til forbrugerne, skal den kunne operere<br />
med forskellige variabler, som medfører den største prismæssige besparelse. Nogle af variablerne<br />
er:<br />
ˆ Temperaturen i akkumuleringstanken.<br />
ˆ COP i forhold til temperaturen. COP er en værdi, som beskriver varmepumpens eektivit<strong>et</strong>.<br />
ˆ Elprisen.<br />
For at få <strong>et</strong> bedre overblik over fordele og ulemper ved VPP og individuel styring, diskuteres disse<br />
ud fra tabel 2.1.<br />
VPP fordele<br />
VPP ulemper<br />
sty-<br />
Individuel<br />
ring fordele<br />
Individuel styring<br />
ulemper<br />
Kan anvendes som reguleringsreserve<br />
af de<br />
balanceansvarlige<br />
Dyr at udvikle og implementere<br />
Billigere at implementere<br />
end VPP<br />
Kan ikke anvendes som<br />
reguleringsreserve<br />
Automatisk, int<strong>et</strong> arbejde<br />
for forbrugerne<br />
Staten skal b<strong>et</strong>ale udgifterne<br />
til implementering<br />
af VPP<br />
Forbrugerne bliver<br />
ikke styr<strong>et</strong> af VPPsystem<strong>et</strong><br />
Forbrugerne skal selv<br />
tilr<strong>et</strong>telægge forbrug<strong>et</strong><br />
Aftaler skal indgåes<br />
med forbrugerne<br />
Kan hurtigere implementeres<br />
end VPP<br />
Tabel 2.1. Oversigt over fordele og ulemper ved VPP og individuel styring<br />
I tabel 2.1 ses de forskellige fordele og ulemper ved de to <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> systemer. Ses der først på<br />
VVP-serversystem<strong>et</strong>, er d<strong>et</strong> hovedsagligt prisen for både udvikling og implementering, som kan<br />
være en bremsende faktor. Prisen for udvikling, test og opsætning af system<strong>et</strong> vurderes til at være<br />
højere end system<strong>et</strong> med individuel forbrugerstyring. Derudover er d<strong>et</strong> en udgift, som staten skal<br />
b<strong>et</strong>ale. Ved en individuel forbruger-styring vil forbrugerne oftest selv have en del af d<strong>et</strong> nødvendige<br />
udstyr som bredbånd og smartphones. For eksempel forventes d<strong>et</strong>, at styringen af en hustands<br />
varmepumpe kan fortages med en smartphone. D<strong>et</strong>te medfører, at d<strong>et</strong> selvstyrende system ville<br />
14
2.5. Varmepumper i <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
kunne implementeres i d<strong>et</strong> danske system langt hurtigere end VPP system<strong>et</strong>. Tilgengæld er en<br />
af fordelene ved VPP system<strong>et</strong>, at d<strong>et</strong> kan styrer sig selv. D<strong>et</strong> medfører, at forbrugerne ikke selv<br />
behøver at sætte sig ind i system<strong>et</strong>. Den helt store fordel ved <strong>et</strong> VPP system ligger i, at blandt<br />
and<strong>et</strong> varmepumperne kan bruges som en regulerings kraft. Sættes VPP op imod d<strong>et</strong> individuelle<br />
system, har d<strong>et</strong> individuelle system ikke mulighed for at fungere som en regulerings kraft, da d<strong>et</strong><br />
er de enkelte husstande, der styrer forbrug<strong>et</strong>.<br />
Ud fra de forskellige fordele og ulemper ved de to systemer formodes d<strong>et</strong>, at d<strong>et</strong> selvstyrende system<br />
først vil vinde frem i Danmark. D<strong>et</strong>te ses ud fra den billige og relativt nemme indførsel. Senere<br />
formodes d<strong>et</strong>, at <strong>et</strong> VPP lignende system vil komme frem i takt med udvikling af og erfaringer<br />
fra <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system. D<strong>et</strong> formodes, at begge systemer vil blive en del af fremtidens danske<br />
elsystem.<br />
Varmepumper som reserver<br />
Størrelsen af den traditionelle varmepumpes ydeevne er normalt bestemt ud fra, at den ved<br />
vedvarende drift kan klare opvarmningen på den koldeste dag i år<strong>et</strong>. D<strong>et</strong>te b<strong>et</strong>yder at kapacit<strong>et</strong>en<br />
er for stor resten af år<strong>et</strong>. Den overskydende kapacit<strong>et</strong>, kan udnyttes som reserve til op- og<br />
nedregulering af elsystem<strong>et</strong>. Normalt reguleres kapacit<strong>et</strong>en, ved at varmepumpen stoppes. D<strong>et</strong>te<br />
gøres cirka re gange i timen [DVI]. Til bedre regulering af varmepumpen, kan en behovstyr<strong>et</strong><br />
varmepumpe udnyttes. I d<strong>et</strong>te system udnytter varmepumpen en frekvensomformer til at tilpasse<br />
kapacit<strong>et</strong>en ud fra temperaturen i akkumulatortanken. D<strong>et</strong>te b<strong>et</strong>yder, at kapacit<strong>et</strong> svarer præcist<br />
til hus<strong>et</strong>s varierende varmebehov gennem fyringssæsonen. Med en behovstyr<strong>et</strong> varmepumpe holdes<br />
varmepumpen i konstant drift. Derved reduceres start og stop til d<strong>et</strong> minimale. [DVI]<br />
De frekvensregulerede varmepumper kan med fordel bruges som op- og nedreguleringskræfter.<br />
Måden d<strong>et</strong>te kan udnyttes på, kan skitseres med en 3 kW varmepumpe, som er en normal husstands<br />
varmepumpe. På gur 2.5 er lav<strong>et</strong> <strong>et</strong> eksempel på en varmepumpes reservekapacit<strong>et</strong> på 3 kW.<br />
Figur 2.5. Illustration over <strong>et</strong> eksempel på en varmepumpes reservekapacit<strong>et</strong>.<br />
I vinterperioden bruges d<strong>et</strong> meste af varmepumpens kapacit<strong>et</strong> på opvarmning, d<strong>et</strong> er derfor mest<br />
aktuelt at bruge varmepumper til at nedregulere elforbrug<strong>et</strong> i vinterperioden. D<strong>et</strong> vil sige, at hvis<br />
der ikke produceres tilstrækkeligt med el, så vil varmepumperne slukke eller skrue ned og dermed<br />
frigøre el, der kan bruges til andre formål. Modsat vil varmepumper i sommerperioden, kunne<br />
bruges til at nedregulere overskydende elproduktion. I sommerperioden er behov<strong>et</strong> for opvarmning<br />
mindre, derfor vil varmepumperne have mulighed for at blive brugt til at opregulere elforbrug<strong>et</strong> i<br />
15
Gruppe B142<br />
2. Problemanalyse<br />
perioder med overskydende strøm i elsystem<strong>et</strong>. For at d<strong>et</strong>te kan lade sig gøre, skal forbrugerne give<br />
tilladelse til, at de balanceansvarlige må overskride den ønskede temperatur i akkumuleringstanken.<br />
2.6 Oversigt over varmepump<strong>et</strong>yper<br />
Der er forskellige typer af varmepumper med forskellige styrker og svagheder. For at give en<br />
grundigere vurdering af den mest optimale varmepumpe, for<strong>et</strong>ages en analyse af de tre mest<br />
anvendte varmepump<strong>et</strong>yper.<br />
Param<strong>et</strong>er<br />
Varmepumper<br />
Jordvarme Luft til vand Luft til luft<br />
Anskaelses pris 110.000 160.000 kr. 85.000 110.000 kr. 15.500 22.000 kr.<br />
Mulighed for sensibel<br />
energilagring<br />
Egn<strong>et</strong> til<br />
Ja, kan tilsluttes<br />
akkumuleringstank<br />
Ja, kan tilsluttes<br />
akkumuleringstank<br />
Nej, leverer kun<br />
varmt luft.<br />
Udedel: 0.24 m 2 Udedel: 0.24 m 2<br />
Udedel: 350 -750 m 2<br />
jord areal, på grund<br />
af de nedgravede<br />
Indedel: 0.51 m 2<br />
slanger.<br />
Indedel: 0.48 m 2 Indedel: 0.72 m 2<br />
Husstande med<br />
tilhørende jordareal<br />
(leverer både varme<br />
og forbrugsvand)<br />
Optag<strong>et</strong> pladsareal<br />
(uden akkumuleringstank)<br />
Almindelige husstande<br />
(leverer<br />
både varme og<br />
forbrugsvand)<br />
Mindre huse og<br />
sommerhuse (leverer<br />
kun varme i<br />
form af luft)<br />
Lev<strong>et</strong>id 14 20 år 12 18 år 10 15 år<br />
Anvendelig<br />
<strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong><br />
i<br />
Ja Ja Nej<br />
Tabel 2.2. Oversigt af de tre mest benyttede varmepumper. [OK, 2013]<br />
På baggrund af oversigten i tabel 2.2, vil d<strong>et</strong> videre arbejdsforløb i rapporten omhandle Luft til<br />
vand varmepumpen. D<strong>et</strong>te skyldes, at denne varmepumpe, i modsætning til jordvarmepumpen,<br />
ikke kræver <strong>et</strong> stort jordareal til nedgravning af slanger. D<strong>et</strong>te gør, at husstande, uden store<br />
jordarealer til rådighed, får mulighed for at installere en luft til vand varmepumpe. Endvidere gør<br />
d<strong>et</strong> installationen både billigere og simplere.<br />
Ulempen ved en luft til luft varmepumpe i <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system er den manglende mulighed for at<br />
lagre energien over en længere periode. I modsætning til jordvarme- og luft til vand varmepumpen,<br />
har luft til luft varmepumpen ikke nogen akkumuleringstank og har derved ikke mulighed for at<br />
lagre energi i form af varme, når elprisen er tilstrækkelig lav.<br />
2.7 Delkonklusion<br />
Energiaftalen 2012 indeholder planer for udarbejdelsen af <strong>et</strong> intelligent elsystem kald<strong>et</strong> <strong>Smart</strong><br />
<strong>Grid</strong>. <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system<strong>et</strong> skal sikre en optimal udnyttelse af den el, som bliver producer<strong>et</strong>. D<strong>et</strong><br />
nuværende problem med elsystem<strong>et</strong> er den store mængde vedvarende energi, som producerer el<br />
til system<strong>et</strong>. Elproduktionen fra vindkraft er svær at forudsige, og d<strong>et</strong> medfører problemer med<br />
regulering af elsystem<strong>et</strong>. Om natten falder land<strong>et</strong>s elforbrug, men d<strong>et</strong> gør produktionen af el fra<br />
16
2.7. Delkonklusion <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
vedvarende energikilder, især vindkraft, nødvendigvis ikke. D<strong>et</strong> medfører, at TSO'en skal forsøge<br />
at forudsige elproduktionen fra vindkraft og tilpasse forbrug<strong>et</strong> ved at eksportere eller importere el<br />
igennem Nordpool spot. Hvis produktion og forbrug derefter ikke stemmer overens i en kommende<br />
time, vil der være behov for at regulere frekvensen. D<strong>et</strong>te gøres ved hjælp af en række forskellige<br />
systemydelser. Hvis systemydelser sættes i gang, medfører de en prisstigning per kilowattime for<br />
forbrugerne.<br />
Et <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> vil gøre d<strong>et</strong> muligt for de balanceansvarlige at op- og nedregulere forbrug<strong>et</strong><br />
med for eksempel varmepumper. De balanceansvarlige vil have mulighed for at tænde og slukke<br />
forbrugernes varmepumper, for at de på denne måde enten kan sænke eller øge elforbrug<strong>et</strong>. Dermed<br />
kan varmepumperne fungere som en frekvensreguleringsydelse.<br />
Den varme som luft til vand- og jordvarmepumper producerer lagres i en akkumuleringstank, d<strong>et</strong><br />
gør d<strong>et</strong> muligt at slukke for varmepumpen i perioder med høj efterspørgsel på el.<br />
17
Problemfelt<br />
3<br />
Problemformulering<br />
For bedre at kunne besvare d<strong>et</strong> initierende problem, opdeles d<strong>et</strong>te i ét hovedspørgsmål samt tre<br />
underspørgsmål. D<strong>et</strong>te er gjort for at give en bedre forståelse for rapportens opbygning.<br />
Hvilke driftstidspunkter er optimale for en luft/vand varmepumpe, i <strong>et</strong> smart grid med<br />
timebaser<strong>et</strong> elafregning?<br />
ˆ Hvordan virker en varmepumpe?<br />
ˆ Hvordan udvikler en varmepumpes COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen?<br />
ˆ Hvordan lagres energi fra varmepumper mest eektivt?<br />
Problemafgrænsning<br />
Til at undersøge hvordan en varmepumpes COP udvikler sig som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen,<br />
for<strong>et</strong>ages der undersøgelser med en luft/vand varmepumpe, der bruger CO 2 som kølemiddel, da d<strong>et</strong><br />
er denne type, der er still<strong>et</strong> til rådighed. For at undersøge hvornår varmepumpen er bedst rentabel,<br />
sammenholdes dens elforbrug med timebaser<strong>et</strong> elpriser på udvalgte dage samt temperaturdata fra<br />
DRY til at opstille en model over varmepumpen. DRY er gennemsnitsværdier, men da konkr<strong>et</strong>e data<br />
for udvalgte dage på timebasis er svære at indhente, anslås disse værdier til at være tilstrækkelige<br />
repræsentative.<br />
For at afgøre, hvordan energi lagres mest eektivt, undersøges der forskellige former for<br />
lagringsm<strong>et</strong>oder. Dertil for<strong>et</strong>ages der forsøg med sensibel varmelagring, som er den m<strong>et</strong>ode, der<br />
bruges hyppigst i forbindelse med <strong>et</strong> varmepumpe system.<br />
Andre overvejelser og restriktioner omkring modelleringen af varmepumpen og energilag<strong>et</strong><br />
kommenteres løbende i rapporten.<br />
Fremgangsmåde<br />
For at forstå varmepumpers teor<strong>et</strong>iske virkemåder gennemgås kredsprocessor, hvor under COP<br />
og tilstandsdiagrammer indgår. Endvidere redegøres der for termisk energilagring og de forskellige<br />
m<strong>et</strong>oder herunder. For at kunne føre den fornødne konklusion på d<strong>et</strong> initierende problem, udføres <strong>et</strong><br />
forsøg hvori COP som funktion af temperaturen måles og analyseres. Ydermere for<strong>et</strong>ages der forsøg<br />
med termisk energilagring, hvor sammenhængen mellem varm<strong>et</strong>ab<strong>et</strong> over tid og isoleringsgraden<br />
undersøges.<br />
19
Del II<br />
Problemløsning<br />
21
Indledning<br />
Problemløsningen struktureres på en sådan måde, at der dannes den nødvendige forståelse for at<br />
kunne løse den primære problemstilling; hvornår d<strong>et</strong> bedst kan b<strong>et</strong>ale sig at køre en varmepumpe,<br />
på udvalgte dage i <strong>et</strong> DRY år . Opbygningen bliver da som vist på gur 3.1<br />
Figur 3.1. Illustration over problemløsningens opbygning<br />
De generelle komponenter samt deres virkemåde beskrives for en luft/vand varmepumpe. For<br />
at opnå den grundlæggende forståelse bag en varmepumpe, er d<strong>et</strong> nødvendigt at gennemgå<br />
kredsprocesser, herunder COP. For at kunne løse d<strong>et</strong> stillede problem, skal d<strong>et</strong> varm<strong>et</strong>ab der<br />
opstår i forbindelse lagring af energi i form af varme kendes, hvorfor d<strong>et</strong>te også gennemgås.<br />
I opsummering/økonomisk rentabilit<strong>et</strong> gennemgås en kort gennemgang af foregående, samt en<br />
beskrivelse af hvorledes denne viden kan danne grundlag for en økonomisk model - den primære<br />
problemstilling.<br />
23
Varmepumpe<br />
4<br />
En varmepumpe overfører varmeenergi fra <strong>et</strong> koldt reservoir til <strong>et</strong> varmt reservoir, ved at der<br />
tilføres <strong>et</strong> arbejde. Grundlæggende består varmepumpen af tre kredse; en kollektorkreds, en<br />
varmepumpekreds og en distributionskreds. Kollektorkredsen optager energi fra <strong>et</strong> lavtemperatur<br />
reservoir, for eksempel luft, jord eller vand. Ved hjælp af varmepumpekredsen overføres<br />
varmeenergi til distributionskredsen, som afgiver energien til <strong>et</strong> and<strong>et</strong> reservoir, for eksempel en<br />
akkumuleringstank. [Yunus A. Cengel, 2012a]<br />
Termodynamikkens anden hovedsætning siger at varme, af sig selv, kun kan overføres fra <strong>et</strong> varmt<br />
reservoir til <strong>et</strong> koldt reservoir. For at overføre varmeenergi fra <strong>et</strong> koldt reservoir til <strong>et</strong> varmt reservoir<br />
skal der tilføres <strong>et</strong> arbejde. I en varmepumpe tilføres d<strong>et</strong>te arbejd<strong>et</strong> ved hjælp af en kompressor.<br />
På gur 4.1 er varmepumpens kredsproces beskrev<strong>et</strong>.<br />
Figur 4.1. Model over en varmepumpes forløb [EnergiConsult.dk].<br />
(1) Fordamper<br />
Brinevæsken i kollekterkredsen tilføres varme fra omgivelserne.<br />
(2) Fordamper<br />
I fordamperen overføres varme fra <strong>et</strong> koldt varmereservoir til kølemidl<strong>et</strong>, som derved går<br />
fra væske- til gasform og bliver overophed<strong>et</strong>. Overophedning af kølemidl<strong>et</strong> sker for at sikre<br />
at alt kølemidl<strong>et</strong> er fordamp<strong>et</strong> før d<strong>et</strong> forlader fordamperen, derved undgåes væskeslag i<br />
kompressoren.<br />
25
Gruppe B142<br />
4. Varmepumpe<br />
(3) Kompressor<br />
D<strong>et</strong> grundlæggende princip bag en kompressor er at komprimere <strong>et</strong> volumen. Ved hjælp af<br />
mekanisk arbejde udført af <strong>et</strong> stempel, en skrue eller <strong>et</strong> scroll, øges tryk og temperatur på<br />
kølemidl<strong>et</strong>.<br />
(4) Kondensator<br />
I kondensatoren overføres varme fra kølemidl<strong>et</strong> til <strong>et</strong> varmt varmereservoir, som derved går<br />
fra gas- til væskeform og bliver underkøl<strong>et</strong>. Underkølingen af kølemidl<strong>et</strong> sker for at sikre at<br />
alt kølemidl<strong>et</strong> er kondenser<strong>et</strong> før d<strong>et</strong> forlader kondensatoren.<br />
(5) Ekspansionsventil<br />
En ekspansionsventil er en lille, men vigtig del af en varmepumpe. Ekspansionsventilen<br />
regulerer kølemiddels tilførelsen til fordamperen, den adskiller højtryks- og lavtrykssiden<br />
i varmepumpen og den sænker trykk<strong>et</strong> fra kondenseringstrykk<strong>et</strong> til fordampningstrykk<strong>et</strong>.<br />
[Nielsen, 2010, side 350]<br />
4.1 Luft/vand varmepumpen<br />
En luft/vand varmepumpe består af en indedel og en udedel. Udedelen består af en ekspansionsventil,<br />
en fordamper, en ventilator og kompressor. Ventilatoren øger luftgennemstrømningen i køleribberne<br />
på fordamperen, sådan at der kan overføres en større energi mængde. Indedelen består<br />
af en kondensator, hvori varme fra kølemidl<strong>et</strong> afgives til en vandkreds, som er forbund<strong>et</strong> med en<br />
akkumuleringstank. Kompressoren kan placeres efter behov, men oftest placeres denne udenfor på<br />
grund af støjgener. [Yunus A. Cengel, 2012a][Nielsen, 2010]<br />
Luft/vand CO 2 varmepumpe<br />
CO 2 har vær<strong>et</strong> brugt som kølemiddel siden omkring år 1900, men blev udkonkurrer<strong>et</strong> af CFC<br />
kølemidlerne, som var mere eektive og opererede ved lavere tryk, i 1930'erne. Senere viste d<strong>et</strong> sig<br />
at CFC kølemidlerne var med til at nedbryde ozonlag<strong>et</strong>, d<strong>et</strong>te b<strong>et</strong>ød at CFC kølemidlerne blev<br />
udfas<strong>et</strong> og forbudt. CO 2 kom igen i anvendelse som kølemiddel fra år 2000. [Nielsen, 2010, side<br />
247]<br />
CO 2 kondenserer ikke ved temperaturer over 31 ◦ C (kritisk temperatur). Ved temperaturer under<br />
31 ◦ C forløber køleprocessen på traditionel vis. Ved temperaturer over 31 ◦ C kondenserer CO 2 'en<br />
ikke igennem varmeveksleren på højtrykssiden (gaskøleren), men afgiver kun varme og kondenserer<br />
først ved trykfald<strong>et</strong> igennem ekspansionsventilen. I en CO 2 varmepumpe er ekspansionsventilen<br />
placer<strong>et</strong> som en traditionel ekspansionsventil til fyldning af fordamperen med kølemiddel og<br />
sikring af overophedning for at sikre kompressoren mod væskeslag. Efter gaskøleren sidder en<br />
trykregulator som styrer gaskølertrykk<strong>et</strong>. Trykregulatoren er helt åben under subkritisk drift.<br />
Med trykregulatoren helt åben ved subkritisk drift fungerer varmepumpen som en traditionel<br />
varmepumpe. [Nielsen, 2010, side 255]<br />
Med en akkumuleringstank er d<strong>et</strong> muligt at lagre varmen til senere brug. D<strong>et</strong> vil derfor ikke være<br />
nødvendigt at køre varmepumpen hele tiden. D<strong>et</strong>te skaber grundlag for at varmepumpen kan<br />
benyttes i <strong>et</strong> <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> system.<br />
26
4.2. Carnots kredsproces <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
4.2 Carnots kredsproces<br />
Et lukk<strong>et</strong> system bestående af en adiabatisk stempelcylinder, indeholdende en gas, b<strong>et</strong>ragtes.<br />
Topstykk<strong>et</strong>s isolering kan fjernes, så en varmeudveksling med en varmekilde og <strong>et</strong> varmedræn kan<br />
ske. D<strong>et</strong> antages, at stempl<strong>et</strong> er friktionsløst, at alle processer er reversible, samt at reservoirerne har<br />
en uendelig varmemængde. Carnots kredsproces består af re reversible processer; to isotermiske,<br />
hvor temperaturen holdes konstant, og to adiabatiske, hvor der ikke sker varmeudveksling med<br />
omgivelserne [Yunus A. Cengel, 2012a, side 255-256]. Figur 4.2 illustrerer den teor<strong>et</strong>iske Carnotkredsproces.<br />
Figur 4.2. pV-diagram for Carnot-kredsprocessen. p er tryk, og V er volumen [Yunus A. Cengel, 2012a,<br />
side 256].<br />
Proces 1-2: Reversibel Isotermisk Ekspansion<br />
Under denne proces er temperaturen T H (Temperatur Høj) konstant.<br />
Ved stadie 1 er gassens temperatur T H , og topstykk<strong>et</strong> er i tæt kontakt med en varmekilde,<br />
som også har temperaturen T H . Gassen udvider sig langsomt, mens den udfører <strong>et</strong> arbejde på<br />
omgivelserne. Efterhånden som gassen udvider sig, falder dens temperatur. Øjeblikkeligt efter at<br />
temperaturen falder med en uendelig lille mængde, overføres varme fra varmekilden til gassen,<br />
så gassens temperaturen igen øges til T H , på grund af denne varmeoverførelse holdes gassens<br />
temperatur konstant. Processen fortsætter, indtil stempl<strong>et</strong> når stadie 2. Den totale varmemængde<br />
overført til gassen under processen er Q H [Yunus A. Cengel, 2012a, side 256].<br />
Proces 2-3: Reversibel Adiabatisk Ekspansion<br />
Under denne proces falder temperaturen fra T H til T L (Temperatur Lav).<br />
Ved stadie 2 bliver varmekilden fjern<strong>et</strong> og erstatt<strong>et</strong> af isolering, så system<strong>et</strong> bliver adiabatisk.<br />
Gassen fortsætter udvidelsen og udfører <strong>et</strong> arbejde på omgivelserne, indtil dens temperatur er<br />
fald<strong>et</strong> fra T H til T L [Yunus A. Cengel, 2012a, side 256].<br />
Proces 3-4: Reversibel Isotermisk Kompression<br />
Under denne proces er temperaturen T L konstant.<br />
27
Gruppe B142<br />
4. Varmepumpe<br />
Ved stadie 3 bliver isoleringen fjern<strong>et</strong> og erstatt<strong>et</strong> af <strong>et</strong> varmedræn med temperaturen T L . Stempl<strong>et</strong><br />
bliver press<strong>et</strong> ned af en ydre kraft, som udfører <strong>et</strong> arbejde på gassen. Efterhånden som gassen bliver<br />
komprimer<strong>et</strong>, stiger dens temperatur. Øjeblikkeligt efter at temperaturen stiger med en uendelig<br />
lille mængde, overføres der varme fra gassen til varmedræn<strong>et</strong>, så temperaturen af gassen igen<br />
falder til T L , hvilk<strong>et</strong> medfører at gassens temperatur holdes konstant. Processen fortsætter, indtil<br />
stempl<strong>et</strong> når stadie 4. Den totale varmemængde overført fra gassen til varmedræn<strong>et</strong> under denne<br />
proces er Q L [Yunus A. Cengel, 2012a, side 256].<br />
Proces 4-1: Reversibel Adiabatisk Kompression<br />
Under denne proces stiger temperaturen fra T L til T H .<br />
Ved stadie 4 fjernes varmedræn<strong>et</strong> og erstattes igen af isolering. Gassen komprimeres, til den er<br />
tilbage på stadie 1. Temperaturen stiger fra T L til T H under denne adiabatiske proces [Yunus<br />
A. Cengel, 2012a, side 256].<br />
N<strong>et</strong>toarbejde<br />
Areal<strong>et</strong> under kurve 1-2-3 (se Figur 4.2) er d<strong>et</strong> arbejde, der udføres af gassen under ekspansionen.<br />
Areal<strong>et</strong> under kurve 3-4-1 er d<strong>et</strong> arbejde, der bliver udført på gassen under kompressionen. Areal<strong>et</strong><br />
inden for 1-2-3-4-1 er således n<strong>et</strong>toarbejd<strong>et</strong>, W n<strong>et</strong>,out , udført under hele kredsprocessen [Yunus<br />
A. Cengel, 2012a, side 256]. Heraf kan udledes<br />
W n<strong>et</strong>,out = Q H − Q L = Q in − Q out (4.1)<br />
Carnots principper<br />
Når Carnot-kredsprocessen foregår med ur<strong>et</strong>s r<strong>et</strong>ning i pV-diagramm<strong>et</strong>, fungerer den som en<br />
varmepumpe. Da Carnots kredsproces er reversibel, kan den også foregå mod ur<strong>et</strong>s r<strong>et</strong>ning i pVdiagramm<strong>et</strong><br />
således, at den fungerer som en kølemaskine [Yunus A. Cengel, 2012a, side 257].<br />
En varmemaskine kan ikke fungere udelukkende ved at varmeveksle med ét reservoir, og en<br />
kølemaskine kan ikke fungere uden <strong>et</strong> eksternt n<strong>et</strong>toenergiinput. Heraf knytter sig to konklusioner<br />
til den termiske nyttevirkning af reversible og irreversible varmemaskiner, kendt som Carnots<br />
principper [Yunus A. Cengel, 2012a, side 257]:<br />
1. Nyttevirkningen af en irreversibel varmemaskine er altid mindre end nyttevirkningen af en<br />
reversibel varmemaskine, som opererer mellem de samme to reservoirer.<br />
2. Nyttevirkningen af alle reversible varmemaskiner, som opererer mellem de samme to<br />
reservoirer, er den samme. [Yunus A. Cengel, 2012a, side 257]<br />
4.3 Coecient of performance<br />
COP er en måde at angive eektivit<strong>et</strong>en af varmepumper og køleanlæg. COP er en eektfaktor og<br />
kan derfor være højere end 1, modsat nyttevirkningen som ikke kan komme over 1.<br />
Varmekraftmaskine<br />
En varmekraftmaskine er en maskine som kan hente mekanisk arbejde ud fra en temperatur- eller<br />
trykforskel mellem to reservoirer.<br />
Nyttevirkningen af en Carnot varmekraftmaskine er giv<strong>et</strong> ved [Yunus A. Cengel, 2012a, side 261]<br />
28<br />
η carnot = W Q H<br />
(4.2)
4.3. Coecient of performance <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Da arbejd<strong>et</strong> i en Carnot cyklus er giv<strong>et</strong> ved:<br />
W Carnot = Q H − Q L (4.3)<br />
Bliver ligning (2) til<br />
η carnot = Q H − Q L<br />
Q H<br />
= 1 − Q L<br />
Q H<br />
(4.4)<br />
η carnot = 1 − Q L<br />
Q H<br />
= 1 − T L<br />
T H<br />
(4.5)<br />
Varmepumpe<br />
Varmepumpekredsprocessen overfører varme fra <strong>et</strong> lav temperatur reservoir til <strong>et</strong> høj temperatur<br />
reservoir ved hjælp af mekaniske arbejde. Nyttevirkningen for en varmepumpe er forhold<strong>et</strong> mellem<br />
den energimængde der leveres til høj temperatur reservoir<strong>et</strong> og d<strong>et</strong> arbejde der kræves for at<br />
overføre energien. COP for en Carnot varmepumpe ndes ved formlen [Yunus A. Cengel, 2012a,<br />
side 263-264]:<br />
COP HP,Carnot =<br />
1<br />
1 − T L /T H<br />
(4.6)<br />
Da så vel varme tilførsel som varme afgivelse sker ved konstant temperatur så fås d<strong>et</strong> at<br />
Q H/Q L = TH /T L<br />
COP HP =<br />
Kølemaskine<br />
1<br />
1 − QL /Q H<br />
= Q out<br />
W komp<br />
(4.7)<br />
COP for <strong>et</strong> køleanlæg ndes ved at beregne forhold<strong>et</strong> mellem den energimængde der bliver<br />
fjern<strong>et</strong> fra lav temperatur reservoir<strong>et</strong> og arbejd<strong>et</strong> der kræves til at gennemføre processerne.<br />
Virkningsgraden for <strong>et</strong> køleanlæg ndes ved formel[Yunus A. Cengel, 2012a, side 263-264]:<br />
COP R,Carnot =<br />
1<br />
T H /T L − 1<br />
(4.8)<br />
Da så vel varm<strong>et</strong>ilførsel som varmeafgivelse sker ved konstant temperatur så fås d<strong>et</strong> at Q H /Q L =<br />
T H /T L<br />
COP R =<br />
1<br />
Q H /Q L − 1<br />
(4.9)<br />
29
Gruppe B142<br />
4. Varmepumpe<br />
4.4 Entropi og enthalpi<br />
Entropi<br />
For en forståelse af hvad entropi er, ses der her på en ideal gas, der gennemløber en Carnot cyklus.<br />
Denne cyklus består af to isoterme samt to adiabatiske processer.<br />
Ud fra ligningen4.11 om Carnots eektivit<strong>et</strong>, udledes d<strong>et</strong> at<br />
Q c<br />
Q h<br />
= T c<br />
T h<br />
(4.10)<br />
hvor Q c er varmen udskilt fra system<strong>et</strong>s T c reservoir, og Q h er varmen tilført fra reservoir<strong>et</strong> T h .<br />
[Wolfson, 2012b, side 321]<br />
Fokuseres der på gassen i Carnot cyklussen, og deneres alt varmen, som varme tilført gassen<br />
således, at Q c skifter fortegn, kan ligning (4.10) da omskrives til<br />
Q c<br />
T c<br />
+ Q h<br />
T h<br />
= 0 (Carnot cyklus) (4.11)<br />
Ligning (4.11) kan generaliseres for enhver reversibel proces ved at approksimere processen med<br />
en række af Carnot cyklusser. D<strong>et</strong>te er illustrer<strong>et</strong> på gur 4.3.<br />
Figur 4.3. En vilkårlig cyklus approksimer<strong>et</strong> med isotermisk og adiabatiske segmenter [Wolfson, 2012b,<br />
side 321]<br />
D<strong>et</strong> farvede område på grafen udgør én Carnot cyklus, og jævnfør ligning (4.11) gælder d<strong>et</strong> at<br />
∑ Q/T = 0 for n<strong>et</strong>op d<strong>et</strong>te område. Øges antall<strong>et</strong> af Carnot cyklusser, vil volumeændringen<br />
forbund<strong>et</strong> med hver isotermiske segment krympe, og kanterne bliver mindre 'hakkede'. Med andre<br />
ord, de kommer til at passe bedre indenfor cirklen, der repræsentere den arbitrære reversible proces.<br />
Gøres d<strong>et</strong>te uendeligt mange gange, bliver grænseværdien da til integral<strong>et</strong><br />
∮ dQ<br />
= 0 (enhver reversibel proces) (4.12)<br />
T<br />
Ligning (4.12) gælder for enhver lukk<strong>et</strong> kreds i <strong>et</strong> pV diagram, hvilk<strong>et</strong> giver at ændringen i entropi,<br />
30
4.4. Entropi og enthalpi <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
∆S, mellem første og anden stadie, er giv<strong>et</strong> ved<br />
∆S 12 =<br />
∫ 2<br />
1<br />
dQ<br />
T<br />
(entropi ændring) (4.13)<br />
Entropi og Termodynamikkens 2. lov<br />
Entropi er en målestok for hvor meg<strong>et</strong> af <strong>et</strong> systems energi, der ikke kan udføre nyttigt arbejde.<br />
Entropi er således <strong>et</strong> udtryk for, hvor irreversibelt <strong>et</strong> system er.<br />
∮ δQ<br />
T ≥ 0 (4.14)<br />
I bedste fald er entropien i <strong>et</strong> lukk<strong>et</strong> system konstant, og d<strong>et</strong>te er kun for en ideel reversible proces.<br />
Opstår der irreversibilit<strong>et</strong>, som for eksempel friktion, eller anden afvigelse fra termodynamisk<br />
ligevægt, resultere d<strong>et</strong>te i en entropi stigning. Under denne stigning, vil der være energi der ikke er<br />
i stand til at udføre arbejde og d<strong>et</strong> lukkede system kan ikke genopr<strong>et</strong>te energien til d<strong>et</strong>s oprindelig<br />
kvalit<strong>et</strong>, da d<strong>et</strong>te vil kræve <strong>et</strong> entropi fald.<br />
Entropien af <strong>et</strong> system der ikke er lukk<strong>et</strong> kan reduceres, men kun ved at levere energi udefra.<br />
Entropiændringen er positiv, når varme tilføres <strong>et</strong> system og negativ, når varme afgives. Afgivelse<br />
af varme er den eneste måde, hvorpå entropien for <strong>et</strong> system kan aftage [Yunus A. Cengel, 2012b,<br />
side 283]<br />
Et køleskab nedsætter entropien i d<strong>et</strong>s indhold, men d<strong>et</strong> kræver elektrisk energi til at gøre<br />
varmestrømning fra kulde til varme mulig. Denne elektriske energi 'omdannes' til yderligere varme,<br />
der er afvist fra køleskab<strong>et</strong>s miljø. Ses der på hele system<strong>et</strong>, og ikke bare køleskab<strong>et</strong> indhold, er<br />
den overordnede entropi steg<strong>et</strong>. [Wolfson, 2012b, side 321]<br />
Entalpi<br />
Entalpi er en måleenhed for varmeenergi optag<strong>et</strong> eller afgiv<strong>et</strong> i <strong>et</strong> system. Ud fra entalpiberegninger<br />
kan ændringen i <strong>et</strong> systems varme beregnes ud fra følgende formel:<br />
∆h = ∆U + p · ∆V (4.15)<br />
ˆ h: entalpi (joule)<br />
ˆ u: system<strong>et</strong>s indre energi (målt i joule)<br />
ˆ p: system<strong>et</strong>s tryk (målt i pascal)<br />
ˆ V: volumen (målt i kubikm<strong>et</strong>er)<br />
Hvis ∆ h er positiv i endotermiske reaktioner og negativ i exoterme processer. Endotermiske<br />
processer medfører at der bliver optag<strong>et</strong> varme og exotermiske processer medfører at varme forlader<br />
system<strong>et</strong>.<br />
31
Gruppe B142<br />
4. Varmepumpe<br />
4.5 Kølemidler<br />
Kølemidler bruges i en termodynamisk kredsproces, som for eksempel en varmepumpe, hvor der<br />
overføres varme mellem <strong>et</strong> koldt reservoir og <strong>et</strong> varmt reservoir, ved at system<strong>et</strong> tilføres arbejde.<br />
Der ndes dels naturlige kølemidler, som f.eks. ammoniak, vand, CO 2 , og dels kunstigt fremstillede<br />
kølemidler, som for eksempel HFC-gasser. Nogle kølemidler er blev<strong>et</strong> forbudt at bruge på grund<br />
af deres miljøpåvirkning, som nedbrydning af ozonlag<strong>et</strong>, andre er pålagt restriktioner på grund<br />
af deres giftighed. I en varmepumpe fordampes kølemidl<strong>et</strong> ved lavt tryk og lav temperatur (i<br />
fordamperen), og d<strong>et</strong> kondenseres ved højt tryk og høj temperatur (i kondensatoren), som beskrev<strong>et</strong><br />
i afsnit 4. Kølemidl<strong>et</strong> til den konkr<strong>et</strong>e kredsproces vælges blandt and<strong>et</strong> ud fra temperaturerne i<br />
henholdsvis d<strong>et</strong> kolde og d<strong>et</strong> varme reservoir, ud fra den COP som varmepumpen har ved brug<br />
af kølemidl<strong>et</strong>, og ud fra kølemidl<strong>et</strong>s lovlighed i den konkr<strong>et</strong>e sammenhæng. D<strong>et</strong> er en fordel, at<br />
kølemidl<strong>et</strong>s fordampningsvarme er høj ved temperaturen i fordamperen, og at trykforskellen i<br />
fordamperen og kondensatoren er lille, begge dele for at mindske kompressorarbejd<strong>et</strong> i forhold<br />
til den afgivne varmeeekt i kondensatoren. I tabel 4.1 er kølemidlerne R744 (CO 2 ), R717<br />
(NH 3 ) og R134a (CH 2 FCF 3 ) list<strong>et</strong> med molmasse, kritisk temperatur, tilhørende værdier af dels<br />
fordampningstryk, temperatur, fordampningsvarme og temperatur. [Nielsen, 2010]<br />
Kølemiddel R744 R717 R134a<br />
Kemiskformel CO 2 NH 3 CH 2 FCF 3<br />
Molarmasse 44.01 g/mol 17.03 g/mol 102.03 g/mol<br />
Kogepunkt ved 1 bar -94,5 ◦ C -33,6 ◦ C -26,4 ◦ C<br />
Fordampningstryk ved -10 ◦ C 26,5 bar 2,9 bar 2,0 bar<br />
Fordampningstryk ved 0 ◦ C 34,8 bar 4,3 bar 2,9 bar<br />
Fordampningstryk ved 10 ◦ C 45,0 bar 6,2 bar 4,1 bar<br />
Kondenseringstryk ved 20 ◦ C 57,2 bar 8,6 bar 5,7 bar<br />
Kondenseringstryk ved 30 ◦ C 72,0 bar 11,7 bar 7,7 bar<br />
Kondenseringstryk ved 40 ◦ C N/A 15,5 bar 10,2 bar<br />
Kritisk temperatur 31,1 ◦ C 132,3 ◦ C 101,1 ◦ C<br />
Fordampningsvarme ved kogepunkt på -10 ◦ C 258,3 [kJ/kg] 1294,8 [kJ/kg] 231,5 [kJ/kg]<br />
Fordampningsvarme ved kogepunkt på 0 ◦ C 231,1 [kJ/kg] 1260,7 [kJ/kg] 223,3 [kJ/kg]<br />
Fordampningsvarme ved kogepunkt på 10 ◦ C 197,8 [kJ/kg] 1224,7 [kJ/kg] 214,0 [kJ/kg]<br />
Tabel 4.1. Sammenligning af R744, R717 og R134a. Værdierne er fund<strong>et</strong> ved hjælp af CoolPack.<br />
D<strong>et</strong> ses, at ammoniak har gode egenskaber som kølemiddel, men der er begrænsninger for brugen<br />
af ammoniak af miljømæssige årsager. D<strong>et</strong> er af miljømæssige årsager, at der bruges CO 2 , som<br />
kølemiddel i laboratori<strong>et</strong>s varmepumpe.<br />
På gur 4.4 er kredsprocessen for skillepunkt<strong>et</strong> (se afsnit 5.2) tegn<strong>et</strong> ind i <strong>et</strong> log(p)H-diagram.<br />
Kredsprocessen er tegn<strong>et</strong> ud fra <strong>et</strong> kondensatortryk på 101,9 bar, <strong>et</strong> fordampertryk på 27,5 bar og<br />
en temperatur efter gaskøleren på 29,7 ◦ C, samt en temperatur efter kompressoren på 91,3 ◦ C.<br />
32
4.5. Kølemidler <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Figur 4.4. Log(p)H-diagram over skillepunkt<strong>et</strong> for CO2 luft/vand varmepumpe<br />
33
Gruppe B142<br />
4. Varmepumpe<br />
Fra (A) til (B) komprimeres gassen i kompressoren fra <strong>et</strong> tryk på 27,5 bar til 101,9 bar.<br />
Fra (B) til (C) nedkøles gassen fra 91,3 ◦ C til 29,7 ◦ C i gaskøleren.<br />
Fra (C) til (D) ekspanderes gassen fra 101,9 bar og 29,7 ◦ C til 27,5 bar og -8 ◦ C.<br />
Fra (D) til (A) fordampes kølemidl<strong>et</strong> ved 27,5 bar og -8 ◦ C.<br />
I bilag CD ses log(P) H diagram for R744 (CO 2 ), R717 (NH 3 ) og R134a (CH 2 FCF 3 ).<br />
34
m3<br />
Analyse af varmepumpe<br />
5<br />
5.1 Beskrivelse af EES modellens ligninger<br />
Den teor<strong>et</strong>iske varmepumpemodel er udarbejd<strong>et</strong> i EES (Engineering Equation Solver). D<strong>et</strong>te afsnit<br />
vil redegøre for de grundlæggende formler bag EES modellen, samt hvordan EES fungerer i forhold<br />
til modellen.<br />
EES er en ligningsløser, der registrerer hvor mange ligninger og ubekendte der er tilstede i<br />
dokument<strong>et</strong> og derefter beregnes de ukendte værdier, hvis d<strong>et</strong> er muligt med de givne data. Udover<br />
ligningsløserfunktionen, har EES en stor database med forskellige målinger og værdier, som viser<br />
forskellige stoers værdier under forskellige tilstande. D<strong>et</strong>te gør EES velegn<strong>et</strong> til beregninger af<br />
kredsprocesser. Til at starte med ndes to værdier i <strong>et</strong> punkt i varmepumpesystem<strong>et</strong>. I d<strong>et</strong>te tilfælde<br />
ndes temperaturen T 1 og trykk<strong>et</strong> P 1 . Med disse to værdier, kan EES nde alle de resterende<br />
værdier i punkt 1, i varmepumpe system<strong>et</strong>, d<strong>et</strong>te kunne for eksempel være beregning af entropien,<br />
som gøres i ligning 5.1, hvor sto<strong>et</strong> der regnes på er CO 2 (R744).<br />
I EES vil ligningen se ud på følgende måde:<br />
s 1 = Entropy(R744; T = T 1 ; P = P 1 ) (5.1)<br />
For at gennemgå de forskellige dele af modellen, beskrives de forskellige beregninger.<br />
Til at starte med beregnes den geom<strong>et</strong>riske slagvolumen, af de to cylindre i kompressoren. D<strong>et</strong>te<br />
skal bruges til at beregne massestrømmen af CO 2 igennem system<strong>et</strong>. Massestrømmen af CO 2<br />
benyttes til beregninger af de forskellige energiudvekslinger i system<strong>et</strong>, som senere fører frem til<br />
beregningen af COP.<br />
I ligning 5.2 er den geom<strong>et</strong>riske slagvolumen giv<strong>et</strong> mellem produkterne: Antal cylindre Z, radius<br />
r og slaglængde S<br />
V olume kompressor = Z · π · r 2 · S · 100 (5.2)<br />
Med den geom<strong>et</strong>riske slagvolumen kan den geom<strong>et</strong>risk slagvolumenstrøm nu ndes.<br />
I ligning 5.3 er den geom<strong>et</strong>risk slagvolumenstrøm beregn<strong>et</strong> ud fra kompressorens omløbstal N komp .<br />
V olumen strøm per sekund = V olume · N komp<br />
60<br />
(5.3)<br />
Nu kan massestrømmen ndes, som beskriver hvor mange kilo CO 2 der kommer igennem system<strong>et</strong><br />
per sekund. For at få denne værdi skal V olumen strøm per sekund ganges med 1, 997 kg , da d<strong>et</strong>te er<br />
CO 2 's massefylde på gas form.<br />
35
Gruppe B142<br />
5. Analyse af varmepumpe<br />
Med den fundne massestrøm kan der ndes forskellige energiudvekslinger, for eksempel under<br />
processen ved fordamperen. Med massestrømmen kan energioptagelsen i system<strong>et</strong> beregnes.<br />
D<strong>et</strong>te gøres med ligningen 5.4, hvor den optimale energioptagelse i systemberegninger mellem<br />
produkterne, masse per sekund m og entalpi h beregnes.<br />
Q fordamper = m · (h 1 − h 4 ) (5.4)<br />
Ud fra denne ligning ndes energioptag<strong>et</strong> fra brinevæsken.<br />
For at få den korrekte energiberegning, ved kompressoren beregnes h 2 , som er energien som bender<br />
sig i system<strong>et</strong> efter komprimering. D<strong>et</strong>te gøres ud fra den isentropiske eektivit<strong>et</strong> i ligning 5.5<br />
mellem produkternes isentropiske eekt η is] , entalpi h og en buer entalpi h s2 , som er entalpien i<br />
punkt to, uden den tilførte energi fra kompressoren.<br />
η is = h 2s − h 1<br />
h 2 − h 1<br />
(5.5)<br />
Ved denne beregning ndes h 2 , som bruges til beregning af den tilførte energi fra kompressoren.<br />
D<strong>et</strong>te gør EES automatisk, da de resterende værdier i ligningen er giv<strong>et</strong>.<br />
For at give <strong>et</strong> bedre overblik over modellens forskellige trin, er den vist i <strong>et</strong> log(p)-H diagram på<br />
graf 5.1.<br />
Figur 5.1. Viser EES modellens kredsproces<br />
På gur 5.1, ses kredsprocessen for CO 2 hvor d<strong>et</strong> kritiske punkt er indtegn<strong>et</strong>, og de forskellige<br />
faseovergange fra gas til væskeform, kan ses ud fra kurven. Ud fra d<strong>et</strong>te ses hvilke tidspunkter<br />
kølemidl<strong>et</strong> er på gas-, væskeform eller over d<strong>et</strong> kritiske punkt hvor kølemidl<strong>et</strong> hverken er gas eller<br />
væske.<br />
Ud fra den fundne h 2 værdi, kan kompressorens energi indput W komp beregnes. Denne beregnes i<br />
ligning 5.6 mellem produkterne masse per sekund m og entalpi h<br />
36<br />
W komp = m · (h 2 − h 1 ) (5.6)
5.1. Beskrivelse af EES modellens ligninger <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
For at kunne beregne COP'en, mangler afgivelses energien i varmeveksleren Q ud . Denne beregnes<br />
i ligning 5.7 mellem produkterne masse per sekund m og entalpi h<br />
Q ud = m · (h 2 − h 3 ) (5.7)<br />
Med de beregnede værdier Q ud og W komp , kan COP værdien ndes med ligning 5.8<br />
COP =<br />
COP værdien er nu fund<strong>et</strong>.<br />
Q ud<br />
W komp<br />
(5.8)<br />
For at få <strong>et</strong> bedre indblik i hvor stor en energimængde, varmepumpen kan levere ved de forskellige<br />
COP værdier i forhold til energimængden Q out . D<strong>et</strong>te gøres på en anden måde en den tidligere<br />
beregnede Q ud , som også viser energimængden der leveres til forbrugsvand<strong>et</strong>. Den store forskel<br />
er at der ved Q out ikke er tale om en fast udgangstemperatur af brugsvand<strong>et</strong>, men hvor meg<strong>et</strong><br />
energi den leverer ved samme energimæssige indput fra kompressoren. D<strong>et</strong>te beregnes i ligning 5.9,<br />
mellem produkternes gennemsnitlige watt input W og COP.<br />
Q out = W · COP (5.9)<br />
De væsentligste værdier i modellen er nu beregn<strong>et</strong>. EES programm<strong>et</strong> kan ses på den vedlagte CD.<br />
37
Gruppe B142<br />
5. Analyse af varmepumpe<br />
5.2 Varmepumpeforsøg<br />
Projekt<strong>et</strong>s formål er at lave en simulering af, hvornår d<strong>et</strong> bedst kan b<strong>et</strong>ale sig for forbrugeren<br />
at have varmepumpen til at producere varmeenergi. Simuleringen laves med udgangspunkt i<br />
varmepumpen (se gur 5.2), ud<strong>et</strong>emperaturen som er opgiv<strong>et</strong> i DRY, samt elpriserne fra NordPool<br />
for <strong>et</strong> år. Til simuleringen skal dels varmepumpens COP, som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen, og<br />
dels den varmeenergi varmepumpen kan levere som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen bestemmes.<br />
Luftfugtigheden har b<strong>et</strong>ydning for kondensering af luftens vand på varmepumpens fordamper. D<strong>et</strong><br />
har ikke vær<strong>et</strong> muligt at styre luftfugtigheden i termokassen, så luftfugtigheden fra DRY indgår ikke<br />
i projekt<strong>et</strong>s simulering, hvilk<strong>et</strong> ellers ville have giv<strong>et</strong> <strong>et</strong> mere r<strong>et</strong>visende billede af varmepumpens<br />
reelle COP og varmeenergi eekt.<br />
Formål<br />
Bestemmelse af varmepumpens COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen og bestemmelse af<br />
varmepumpens varmeenergi eekt som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen.<br />
Forsøg<strong>et</strong>s Udførelse<br />
I laboratori<strong>et</strong> holdes temperaturen af den luft, som tilfører energi til varmepumpens fordamper,<br />
konstant i <strong>et</strong> længere tidsrum for at kunne fastlægge henholdsvis COP og varmeenergi eekt<br />
som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen. Hvis der under forsøg<strong>et</strong> forekommer asning af fordamperen,<br />
forsættes målingen indtil varmepumpen har vær<strong>et</strong> igennem 2 asningscyklusser; hvis der ikke<br />
forventes at forekomme asning af fordamperen er tidsrumm<strong>et</strong> for forsøg<strong>et</strong> cirka 10 minutter.<br />
Figur 5.2. Diagram over forsøgsvarmepumpen<br />
38
5.2. Varmepumpeforsøg <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Apparatur<br />
ˆ 4,5 kW Sanyo SHP-C45DEN CO 2 luft/vand varmepumpe<br />
ˆ Ydre kølekreds til at fjerne den producerede varme.<br />
ˆ Termokasse<br />
ˆ 3 x 1,7 kW varmelegemer til tilførelse af varme.<br />
ˆ 3 x temperaturmålere<br />
ˆ Blæsere<br />
ˆ Cirkulationspumpe<br />
ˆ Flowmåler<br />
ˆ PC med LabView til datalogging.<br />
ˆ Strømforsyning<br />
Dataindsamling<br />
Under de enkelte delforsøg fastholdes temperaturen, T17, i termokassen, hvorfra luften til<br />
fordamperen tilføres. Under forsøg<strong>et</strong> måles kompressorens strømforbrug og den optagne varme i<br />
kølesystem<strong>et</strong> (som er afgiv<strong>et</strong> af gaskøleren) - den optagne varme ndes som funktion af vandow<strong>et</strong><br />
og d<strong>et</strong>s temperaturforskel, T26 minus T27, over gaskøleren. Alle data opsamles ved hjælp af<br />
LabView. Hvis der under d<strong>et</strong> enkelte delforsøg forekommer asning af fordamperen forsættes<br />
målingen indtil varmepumpen har vær<strong>et</strong> igennem 2 asningscyklusser; hvis der ikke forventes at<br />
forekomme asning af fordamperen er tidsrumm<strong>et</strong> for forsøg<strong>et</strong> cirka 10 minutter.<br />
Alle data log fremgår af bilag CD.<br />
Databehandling<br />
I nedenstående tabeller ses middelværdierne af ud<strong>et</strong>emperatur, gaskølereekt og tilhørende COP<br />
for henholdsvis de enkelte asningscyklusser (tabel 5.1), skillepunkt<strong>et</strong> (tabel 5.2) og for forsøgene<br />
uden asning (tabel 5.3).<br />
Asning Ud<strong>et</strong>emperatur COP Q out<br />
Forsøg 1 -9,458842 0,915616 1116,583729<br />
Forsøg 2 -12,11756 0,930812 1082,885182<br />
Forsøg 3 3,435634 1,616397 1966.881<br />
Forsøg 4 2,368405 1,58671 1905.506<br />
Tabel 5.1. Tabeloversigt over asningsforsøg<br />
Skillepunkt Ud<strong>et</strong>emperatur COP Q out<br />
Forsøg 5 3.3486040 1.794832 2655.462<br />
Tabel 5.2. Tabeloversigt over skillepunkt<strong>et</strong> for asning<br />
39
Gruppe B142<br />
5. Analyse af varmepumpe<br />
Uden asning Ud<strong>et</strong>emperatur COP Q out<br />
Forsøg 6 9,81082 2,393232 3643,953<br />
Forsøg 7 15,08825 2,40236 3676,385<br />
Forsøg 8 23,30685 2,682239 4003,725<br />
Forsøg 9 35,59041 3,099066 4384,06<br />
Forsøg 10 41,74599 3,329788 4506,253<br />
Tabel 5.3. Tabeloversigt over forsøg uden asning<br />
For de delforsøg, hvor der er forekomm<strong>et</strong> asning, varierede COP som funktion af tiden, som d<strong>et</strong><br />
ses på gur 5.3. For hver asningscyklus beregnes en gennemsnitlig ud<strong>et</strong>emperatur, T17, og en<br />
gennemsnitlig COP. De samhørende data afbildes i <strong>et</strong> diagram på gur 5.5 og indgår i formlen<br />
for COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen for den undersøgte varmepumpe. Når der forekommer<br />
asning, er d<strong>et</strong> ikke muligt at fastholde ud<strong>et</strong>emperaturen, der varierer som vist i gur 5.4.<br />
Figur 5.3. COP som funktion af tid ved asning af fordamper<br />
40
5.2. Varmepumpeforsøg <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Figur 5.4. Ud<strong>et</strong>emperatur som funktion af tid ved asning af fordamper<br />
For de delforsøg, hvor der ikke forekommer asning, varierede COP som funktion af temperaturen,<br />
som vist med den sorte tendenslinje på gur 5.5. Variation af ud<strong>et</strong>emperaturen, T17, er minimal,<br />
når varmepumpen er stabiliser<strong>et</strong> og der ikke forekommer asning. For hver delforsøg beregnes<br />
en gennemsnitlig ud<strong>et</strong>emperatur, T17, og en gennemsnitlig COP. De samhørende data afbildes i<br />
<strong>et</strong> diagram på gur 5.5 og indgår i formlen for COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen for den<br />
undersøgte varmepumpe.<br />
Ved en ud<strong>et</strong>emperatur, T17, på 3,35 ◦ C er overgangen mellem asningen ved lavere temperaturer<br />
til, at der ikke er asning ved højere temperaturer. Skillepunkt<strong>et</strong> ses på gur 5.5, som <strong>et</strong><br />
gult punkt. Ved ud<strong>et</strong>emperaturen, T17, på 3,35 ◦ C forløb delforsøg<strong>et</strong> i 95 minutter uden asning.<br />
Ved opstarten af d<strong>et</strong> efterfølgende delforsøg ved lavere temperatur, startede asningen efter få minutter,<br />
derfor må der have fund<strong>et</strong> tilisning sted under delforsøg<strong>et</strong> ved en ud<strong>et</strong>emperatur på 3,35 ◦ C.<br />
Figur 5.5. COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur.<br />
41
Gruppe B142<br />
5. Analyse af varmepumpe<br />
<strong>Varmepumpens</strong> varmeeekt, Q out som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen er afbilled<strong>et</strong> på nedenstående<br />
gur 5.6. Q out beregnes som:<br />
Q out = ṁ vand · (T 26 − T 27 ) · c vand<br />
ṁ vand er d<strong>et</strong> målte vandow i gaskøleren (se bilag CD). T 26 −T 27 er henholdsvis udløbstemperatur<br />
og indløbstemperatur i gaskølerens kølevand. c vand er vands specikke varmekapacit<strong>et</strong>.<br />
Figur 5.6. Varmeeekten, Q out<br />
, som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur.<br />
Fejlkilder<br />
ˆ Varmeudveksling med omgivelserne.<br />
ˆ Unøjagtigheder/fejl i målingerne.<br />
ˆ Teor<strong>et</strong>isk kan COP ikke blive under 1, hvilk<strong>et</strong> er gældende for T17 < -8,4 ◦ C (jævnfør formel<br />
(4.7)).<br />
ˆ Når der forekommer asning er d<strong>et</strong> ikke muligt at holde ud<strong>et</strong>emperaturen konstant, som d<strong>et</strong><br />
fremgår af gur 5.4, hvorfor der kan være usikkerhed om den eksakte sammenhæng mellem<br />
ud<strong>et</strong>emperatur og varmepumpens COP, når der forekommer asning.<br />
Konklusion<br />
Ud fra forsøg<strong>et</strong>s data fås følgende udtryk for varmepumpens COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen,<br />
T17:<br />
COP(T17) = 0, 0301 · T 17 + 2, 0634 for T17 ∈ [3, 35 ◦ C; ∞ ◦ C[<br />
COP(T17) = 0, 0524 · T 17 + 1, 4422 for T17 ∈ ] − ∞ ◦ C; 3, 35 ◦ C] (5.10)<br />
som ses på gur 5.7. D<strong>et</strong>te udtryk for COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen bruges i projekt<strong>et</strong>s<br />
simulering.<br />
42
5.2. Varmepumpeforsøg <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Figur 5.7. COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur.<br />
Ud fra forsøg<strong>et</strong>s data fås følgende udtryk for varmepumpens varmeeekt, Q out , som funktion af<br />
ud<strong>et</strong>emperaturen, T17:<br />
Q out (T17) = 29, 1727 · T17 + 3310, 3934 for T17 ∈ [3, 35 ◦ C; ∞ ◦ C[<br />
Q out (T17) = 60, 1947 · T17 + 1755, 3171 for T17 ∈ ] − ∞ ◦ C; 3, 35 ◦ C] (5.11)<br />
som ses på gur 5.8. D<strong>et</strong>te udtryk for Q out som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen bruges i projekt<strong>et</strong>s<br />
simulering.<br />
Figur 5.8. Varmeeekten, Q out<br />
, som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur.<br />
Udfra formel 5.10 for varmepumpens COP vil d<strong>et</strong> være mere energieektivt, at opvarmningen sker<br />
direkte med en elpatron, når ud<strong>et</strong>emperaturen er under -8,4 ◦ C, da COP'en her er under 1.<br />
43
Gruppe B142<br />
5. Analyse af varmepumpe<br />
5.3 Sammenligning af data fra forsøg og EES model<br />
I følgende afsnit sammenlignes data fra forsøg<strong>et</strong> med varmepumpen og EES modellen. Da EES<br />
modellen ikke tager højde for asning, er d<strong>et</strong>te undladt i sammenligningen.<br />
Værdierne fra forsøg<strong>et</strong> med varmepumpen og EES modellen, er indsat i tabel 5.4.<br />
Temperatur ◦ C Forsøg COP EES COP Forsøg Q out EES Q out<br />
-10 1,8 1,7 3019 2365<br />
-5 1,9 1,9 3165 2647<br />
0 2,1 2,1 3310 3210<br />
5 2,2 2,3 3456 3492<br />
10 2,4 2,5 3602 3774<br />
15 2,5 2,7 3748 3774<br />
20 2,7 2,9 3894 4056<br />
Tabel 5.4. Værdier fra forsøg<strong>et</strong> med varmepumpen og EES modellen<br />
I tabel 5.4 kan d<strong>et</strong> ses at COP værdierne fra forsøg<strong>et</strong> med varmepumpen og EES modellen, kun<br />
ligger med <strong>et</strong> lille interval imellem hinanden. For <strong>et</strong> bedre overblik indsættes disse i gur 5.9<br />
Figur 5.9. Sammenligning af COP værdier<br />
Ud fra gur 5.9, ses d<strong>et</strong> at COP'en fra forsøg<strong>et</strong> kontra EES modellen, kun har en lille afvigelse.<br />
Som viser at EES modellens data udvikling stemmer godt overens med forsøg<strong>et</strong>s udvikling.<br />
For at give <strong>et</strong> overblik i varmepumpens varmeenergi eekt, sammenlignings denne i gur 5.10.<br />
44
5.3. Sammenligning af data fra forsøg og EES model <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Figur 5.10. Sammenligning af Q out værdier<br />
Ses der på gur 5.10, kan d<strong>et</strong> ses at Q out værdierne ligger med en relativ lille afvigelse. Som<br />
medvirker at EES modellens output, ligger tæt op af varmepumpen output i forsøg<strong>et</strong>.<br />
Delkonklusion<br />
De beregnede værdier for COP og varmeenergi eekt fra EES modellen stemmer forholdsvis godt<br />
overens med de målinger der er blev<strong>et</strong> for<strong>et</strong>ag<strong>et</strong> i laboratori<strong>et</strong>. EES modellen vurderes derfor til<br />
at være valid og beregne acceptable værdier. Variationen fra EES modellen, kan skyldes forskellige<br />
fejlkilder så som; temperaturmåleren som måler ud<strong>et</strong>emperaturen i forsøg<strong>et</strong> kan være påvirk<strong>et</strong> af<br />
for lidt cirkulation i termokassen og varme fra varmemodstandene.<br />
45
Termisk energilagring<br />
6<br />
Termisk energilagring, TES (thermal energy storage), er systemer, der kan fungere som en del<br />
af energibesparingsprogrammer indenfor ere forskellige områder. Nogle af de områder hvor TES<br />
teknologi kan anvendes er:<br />
ˆ Bolig<br />
ˆ Erhverv<br />
ˆ Industri<br />
ˆ Transport<br />
TES kan implementeres til at reducere energiforbrug<strong>et</strong> på for eksempel kraftvarmeværker ved at<br />
lagre overskydende varme i <strong>et</strong> lagringsmedie, for derefter at benytte denne energi på <strong>et</strong> senere<br />
tidspunkt. Endvidere kan d<strong>et</strong> benyttes som energilager i husstande, ved at køre en varmepumpe<br />
på tidspunkter hvor d<strong>et</strong>te er særligt økonomisk rentabelt. Efterfølgende kan den lagerede energi<br />
bruges på de tidspunkter, hvor varmepumpen økonomisk s<strong>et</strong> er for dyr at benytte. Forudsætningen<br />
for disse to muligheder er, at der kan lagres den ønskede mængde energi i <strong>et</strong> eektivt medie, uden<br />
større tab, hvis overhoved<strong>et</strong> nogen.<br />
Den mest benyttede lagringsform til varmepumper i dag, er sensibel varmelagring [Semadeni, 2004].<br />
Energi densit<strong>et</strong>en (kWt/m 3 ) afhænger af medi<strong>et</strong>s temperatur, samt d<strong>et</strong>s specikke varmekapacit<strong>et</strong>.<br />
Vand som termisk lagringsmedie har en lav energi densit<strong>et</strong> og behøver derfor <strong>et</strong> større volumen for<br />
at lagre samme energimængde, end <strong>et</strong> medie med en højere energidensit<strong>et</strong>.<br />
Den primære problemstilling ved lagring af energi over længere perioder med sensibel varmelagring<br />
er, at varmeenergien i henhold til termodynamikkens 0. lov vil bevæge sig fra <strong>et</strong> højt energiniveau<br />
mod <strong>et</strong> lavere energiniveau indtil en termisk ligevægt har indfund<strong>et</strong> sig. D<strong>et</strong>te skyldes at<br />
temperaturen på lagringsmedi<strong>et</strong> afviger fra den omkringliggende temperatur. D<strong>et</strong>te problem<br />
undgås umiddelbart med kemisk energilagring, da der teor<strong>et</strong>isk ikke er nog<strong>et</strong> varm<strong>et</strong>ab under<br />
lagringsperioden.<br />
6.1 Sensibel varmelagring<br />
Energitab<strong>et</strong> afhænger af to ting, lager<strong>et</strong>s overadeareal samt d<strong>et</strong>s isoleringsgrad. Hvis volumen<strong>et</strong><br />
af to mindre beholdere er lig med volumen af en større beholder, vil summen af overadeareal<strong>et</strong><br />
på de små beholdere være større end på den store beholder. Ligning (6.1) er den generelle formel<br />
for beregning af volumen af en cylinder.<br />
V = πr 2 h (6.1)<br />
I d<strong>et</strong> følgende er der redegjort for konsekvenserne ved henholdsvis at gøre radius og højde, n gange<br />
mindre. D<strong>et</strong>te vil sige, at n er antall<strong>et</strong> af beholdere, som d<strong>et</strong> oprindelige volumen ønskes fordelt<br />
ud på. D<strong>et</strong>te begrunder hvorfor n ∈ N igennem bevis<strong>et</strong>.<br />
Radius<br />
I d<strong>et</strong> følgende er der gjort en matematisk redegørelse for konsekvenserne for en beholders<br />
47
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
overadeareal, som produkt af, at gøre radius af en arbitrær beholder n gange mindre. Krav<strong>et</strong><br />
hertil er, at volumen<strong>et</strong> skal holdes konstant.<br />
( r<br />
) 2<br />
V = πh (6.2a)<br />
(<br />
n<br />
) r<br />
2<br />
=<br />
n 2 πh<br />
(6.2b)<br />
V n 2 = r 2 πh hvor n ∈ N (6.2c)<br />
Heraf ses d<strong>et</strong>, at hvis radius gøres n gange mindre, bliver volumen n 2 gang mindre. Overadeareal<strong>et</strong><br />
af denne beholder er giv<strong>et</strong> ved<br />
( r<br />
) 2 ( r<br />
A = 2 π + 2 πh (6.3)<br />
n n)<br />
D<strong>et</strong> samlede overadeareal beregnes nu af n antal beholdere<br />
A = 2r 2 π + 2rπh<br />
( r<br />
) 2 ( ) r<br />
= n<br />
(2<br />
2 π + 2 πh<br />
n n)<br />
her ganges med n 2 for at opr<strong>et</strong>holde oprindeligt volumen (6.2c)<br />
= 2r 2 π + 2rnπh hvor n ∈ N<br />
Forudsat at n ≠ 1, ses d<strong>et</strong> at<br />
2r 2 π + 2rπh<br />
} {{ }<br />
< 2r 2 π + 2rnπh<br />
} {{ }<br />
overadeareal af én beholder overadeareal af n beholdere<br />
hvilk<strong>et</strong> beviser påstanden, om at desto ere tanke volumen skal fordeles i, jo større bliver d<strong>et</strong><br />
samlede overadeareal.<br />
Højde<br />
I d<strong>et</strong> følgende er der igen gjort en matematisk redegørelse for konsekvenserne for en beholders<br />
overadeareal, ved at gøre højden af samme arbitrær beholder n gange mindre. Krav<strong>et</strong> hertil er<br />
igen, at volumen<strong>et</strong> fastholdes.<br />
( h<br />
V = r 2 π<br />
(6.4a)<br />
n)<br />
V n = r 2 πh hvor n ∈ N (6.4b)<br />
Gøres højden n gange mindre, bliver volumen<strong>et</strong> proportionelt n gange mindre. Overadeareal<strong>et</strong> af<br />
denne beholder er giv<strong>et</strong> ved<br />
( h<br />
A = 2r 2 π + 2rπ<br />
(6.5)<br />
n)<br />
D<strong>et</strong> samlede overadeareal beregnes nu af n antal beholdere<br />
(<br />
( h<br />
A = n 2r 2 π + 2rπ ganges med n for at opr<strong>et</strong>holde oprindeligt volumen (6.4b)<br />
n))<br />
= 2r 2 πn + 2rπh hvor n ∈ N<br />
Forudsat at n ≠ 1, ses følgende sammenhænge<br />
2r 2 π + 2rπh<br />
} {{ }<br />
< 2r 2 πn + 2rπh<br />
} {{ }<br />
overadeareal af én beholder overadeareal af n beholdere<br />
hvilk<strong>et</strong> beviser påstanden, om at desto ere tanke volumen skal fordeles i, jo større bliver d<strong>et</strong><br />
samlede overadeareal.<br />
48
6.1. Sensibel varmelagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Et stort overadeareal på beholderen, medfører at en større del af beholderen er i kontakt med d<strong>et</strong><br />
omkringliggende medie, oftest luft. Ved energilagring i forbindelse med opvarmning af almindelige<br />
hustande, herunder lagring over en længere periode, kan der være fordele i at at gå ere hustande<br />
sammen om <strong>et</strong> TES. Derved opnås d<strong>et</strong> mindst mulige overadeareal, og derved også d<strong>et</strong> mindste<br />
energitab, fordi ere mindre beholdere vil have <strong>et</strong> større overadeareal end den større fælles<br />
beholder.<br />
Vand er i dag d<strong>et</strong> mest benyttede medie til lagring af energi i form af varme, på trods af nogle<br />
energimæssige komplikationer. Vand som <strong>et</strong> lagringsmedie har relativt lav energidensit<strong>et</strong> og som<br />
konsekvens af d<strong>et</strong>te behøves <strong>et</strong> større volumen, hvilk<strong>et</strong> medføre større energitab. D<strong>et</strong>te energitab<br />
skyldes, at d<strong>et</strong> ikke er muligt at konstruere en vandbeholder hvori energitab<strong>et</strong> er lig nul. [Semadeni,<br />
2004]<br />
6.1.1 Sensibel energi<br />
I termodynamikken kan den totale energi af <strong>et</strong> objekt deles op i to kategorier, en makroskopisk<br />
og en mikroskopisk del. De makroskopiske former for energi, er dem <strong>et</strong> system besidder som<br />
helhed med hensyn til nogle udefra referencerammer, såsom kin<strong>et</strong>isk og potentielle energier.<br />
Mikroskopiske former omhandler derimod kun molekylestrukturen af <strong>et</strong> system samt graden af<br />
molekylær aktivit<strong>et</strong>.<br />
I d<strong>et</strong>te projekt vil der kun blive arbejd<strong>et</strong> med mikroskopisk energi, da d<strong>et</strong> er den del der er<br />
interessant at kigge på, i forhold til lagring af energi.<br />
Summen af den mikroskopiske energi kaldes for den indre energi, og kan anses for at være summen<br />
af den kin<strong>et</strong>iske- og potentielle energi i selve molekyl<strong>et</strong>. På gur 6.1 ses en illustration af hvilke<br />
energiformer der udgør den indre energi.<br />
Figur 6.1. Den indre energi af <strong>et</strong> system, er summen af alle former af mikroskopiske energi. [Yunus<br />
A. Cengel, 2012b]<br />
Der er en række aktivit<strong>et</strong>er inde i molekyl<strong>et</strong> der er årsag til den før nævnte indre energi. I forhold<br />
til sensibel varme, er disse vist på gur 6.2, samt beskrev<strong>et</strong> i tabel 6.1.<br />
49
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
Figur 6.2. De forskellige former for mikroskopisk energi, der til sammen udgøre sensibel energi.[Yunus<br />
A. Cengel, 2012b]<br />
Beskrivelse af situation<br />
Molekylerne i en gas bevæger sig i rumm<strong>et</strong><br />
med en given fart, og har som produkt af d<strong>et</strong>te<br />
en kin<strong>et</strong>isk energi.<br />
Atomerne i <strong>et</strong> polyatomisk molekyle, spinner<br />
rundt om d<strong>et</strong>s egen akse.<br />
Atomerne i samme polyatomisk molekyle kan<br />
vibrere omkring d<strong>et</strong>s center masse.<br />
Elektronerne samt andre partikler i kernen,<br />
spinner rundt om deres individuelle egene<br />
akser.<br />
Navn<strong>et</strong> på energiformen<br />
Translationel energi<br />
Rotationel kin<strong>et</strong>isk energi<br />
Vibrationel kin<strong>et</strong>isk energi<br />
Spin energi<br />
Tabel 6.1. Tabel over indre energi af <strong>et</strong> system forbund<strong>et</strong> med den kin<strong>et</strong>iske energi af molekylerne. [Yunus<br />
A. Cengel, 2012b]<br />
Den andel af den indre energi fra <strong>et</strong> system som er forbund<strong>et</strong> med kin<strong>et</strong>isk energi kaldes for sensibel<br />
energi. Denne energi kan i en termodynamisk proces, udregnes ved produkt<strong>et</strong> mellem medi<strong>et</strong>s masse<br />
m, medi<strong>et</strong>s specikke varmekapacit<strong>et</strong> ved konstant tryk C p samt ændringen i temperaturen ∆T<br />
∆Q sensibel = mC p ∆T (6.6)<br />
Varm<strong>et</strong>ab<br />
Varm<strong>et</strong>ab er en essentiel faktor i varmelagring og isolering. Der er tre kategorier af varm<strong>et</strong>ab:<br />
varmeledning, konvektion og stråling. [Wolfson, 2012a]<br />
50
6.1. Sensibel varmelagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Varmeledning<br />
Varmeledning sker ved direkte kontakt mellem molekyler med høj energi og molekyler med lav<br />
energi. Molekylerne med højere energi vil kollidere med molekylerne med lavere energi, hvilk<strong>et</strong><br />
medfører at de får <strong>et</strong> højere energiniveau. Som beskrev<strong>et</strong> i ovenstående, afhænger varm<strong>et</strong>ab<strong>et</strong> ved<br />
varmeledning af to faktorer; den termiske konduktivit<strong>et</strong>skonstant - samt overadeareal<strong>et</strong> af d<strong>et</strong><br />
materiale der kigges på. Ligning 6.7 kan benyttes til at beregne, d<strong>et</strong> energiow der vil forekomme<br />
mellem <strong>et</strong> termiske varmelager og omgivelserne.<br />
H = −kA ∆T<br />
∆x<br />
(6.7)<br />
Hvor k er en konduktivit<strong>et</strong>konstant giv<strong>et</strong> ud fra d<strong>et</strong> isolerende materiale, A er overadeareal<strong>et</strong>, ∆T<br />
er forskellen i temperaturen, fra den side hvor energien bliver ledt fra, til den side hvor energien<br />
bliver ledt til, og ∆x er tykkelsen på material<strong>et</strong>. I <strong>et</strong> termisk energilager er d<strong>et</strong> ∆T, der optræder<br />
som uafhængig variabel. Som produkt heraf ses d<strong>et</strong> i ligning (6.7) at energitab<strong>et</strong> H, med enheden<br />
[W], aftager lineært med temperaturforskellen mellem temperaturen i tanken, og omgivelsernes<br />
temperatur. [Wolfson, 2012b, side 270]<br />
Konduktivit<strong>et</strong>konstanten har enheden [W/m · K], og relatere <strong>et</strong> specikt isoleringsmateriale til<br />
d<strong>et</strong>s varmeledende egenskab. Denne værdi ønskes så tæt på nul som mulig - sættes en lille<br />
konduktivit<strong>et</strong>konstant ind i ligning (6.7), ses d<strong>et</strong> at H ligeledes bliver lille. Tabel 6.2 viser en<br />
række isoleringsmaterialer samt deres respektive konduktivit<strong>et</strong>konstanter.<br />
Materiale<br />
Konduktivit<strong>et</strong>konstanten k<br />
Aluminium 237<br />
Jern 80.4<br />
Træ 0.11<br />
B<strong>et</strong>on 1<br />
Polyur<strong>et</strong>hanskum 0.029<br />
Tabel 6.2. Isoleringsmateriel og Konduktivit<strong>et</strong>konstanten k. Alle ender er i [W/m · K]<br />
[Wolfson, 2012b, side 270]<br />
Ligning (6.7) er en forsimpl<strong>et</strong> m<strong>et</strong>ode til at beregne energiow<strong>et</strong> mellem akkumuleringstanken og<br />
omgivelserne, da den forudsætter at lagringsmedi<strong>et</strong> har en ensart<strong>et</strong> temperatur i hele tanken. D<strong>et</strong>te<br />
er imidlertid ikke altid tilfæld<strong>et</strong>, da der ofte opstår en lagdeling i en akkumuleringstank. D<strong>et</strong> vil<br />
sige, at d<strong>et</strong> varme vand, på grund af den lavere densit<strong>et</strong>, vil ligge sig øverst i tanken, og d<strong>et</strong> køligere<br />
vand i bunden. D<strong>et</strong>te vanskeliggør udregningerne markant, hvilk<strong>et</strong> er begrundelsen for at n<strong>et</strong>op<br />
denne m<strong>et</strong>ode er valgt. Endvidere giver ligning (6.7) <strong>et</strong> godt billede af, hvad der sker med varmen<br />
i tanken ved varmeledning.<br />
Konvektion<br />
Konvektion er varme, som bliver ledt ved væske i bevægelse. D<strong>et</strong>te forekommer når væske bliver<br />
opvarm<strong>et</strong>, hvilk<strong>et</strong> medfører at væskens densit<strong>et</strong> bliver mindre, og væsken vil derved stige op ad.<br />
Figur 6.3 illustrerer d<strong>et</strong>te, ved at der er to plader, en varm og en kold, samt nog<strong>et</strong> væske mellem<br />
dem. En varmeplade opvarmer væsken, og væsken stiger derved op ad. Når væsken rammer den<br />
51
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
kolde plade, bliver d<strong>et</strong> køl<strong>et</strong> ned, og vil efterfølgende sænke til bunds igen. Derefter kan cyklussen<br />
gentages.<br />
Figur 6.3. Illustration over principp<strong>et</strong> ved konvektion<br />
Konvektion kan ses, når der koges vand, hvor konvektion fører varme gennem vand<strong>et</strong>, eller når <strong>et</strong><br />
rum i <strong>et</strong> hus varmes op af en varmekilde, som er placer<strong>et</strong> nær gulv<strong>et</strong>.<br />
Stråling<br />
Varme som bliver til ved stråling, forekommer når <strong>et</strong> meg<strong>et</strong> varmt objekt emittere elektromagn<strong>et</strong>iske<br />
bølger. Hvis der for eksempel tændes en kogeplade, bliver den rødglødende og emittere derved<br />
bølger, som indeholder varme. Denne varme kan mærkes ved at holde hånden over kogepladen.<br />
Eekten som <strong>et</strong> objekt har, når d<strong>et</strong> emittere elektromagn<strong>et</strong>iske bølger, kan beregnes ved at bruge<br />
Stefan-Boltzmanns lov, der er giv<strong>et</strong> ved ligning 6.8.<br />
P = eσAT 4 (6.8)<br />
Hvor σ er Stefan-Boltzmanns konstant, med enheden [W/m 2 · K], e er emissivit<strong>et</strong>en, <strong>et</strong> tal fra 0 til<br />
1, som angiver hvor eektivt <strong>et</strong> materiale emittere. Endvidere er A overadeareal<strong>et</strong> på objekt<strong>et</strong>,<br />
og T er overad<strong>et</strong>emperaturen af objekt<strong>et</strong>.<br />
Stråling er en essentiel form for varmeoverførelse, da jorden får sin varme fra solen, ved at solen<br />
emittere elektromagn<strong>et</strong>iske bølger.<br />
6.2 Alternativ energilagring<br />
I d<strong>et</strong> følgende afsnit vil der blive gennemgå<strong>et</strong> latent - samt kemisk energilagring som er to<br />
alternativer til sensibel energilagring. Der vil i modsætning til sensibel energilagring, ikke blive<br />
udført eksperimenter til at vericere teorien.<br />
6.2.1 Latent energi<br />
Ved latent energi ses der ikke på molekylernes bevægelse, men derimod på bindingerne der<br />
sammenholder disse. Kræfterne der binder molekylerne sammen er stærkest i faste medier,<br />
hvorimod de er svagest i gas medier. Tilføres der tilstrækkelig energi, vil molekylerne overvinde<br />
52
6.2. Alternativ energilagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
disse molekylære kræfter og derved lave en fase overgang til en fase med højere energiniveau. D<strong>et</strong>te<br />
kaldes en fase-overgangsproces. Som produkt af den tilførte energi, er <strong>et</strong> systems indre energi højere<br />
i væske-fasen end i fast-fasen. Den indre energi forbund<strong>et</strong> med faseovergangen i <strong>et</strong> system kaldes<br />
for latent energi. [Yunus A. Cengel, 2012b]<br />
Den energi der frigives, eller absorberes, under en faseovergang kaldes den latente varme. Mængden<br />
af energi der absorberes under smeltningen kaldes latent varme af fusion og er lige så stor som<br />
den mængde energi der afgives under frysning. D<strong>et</strong>te b<strong>et</strong>yder at forløber en exotermisk reaktion<br />
med frigivelsen af energimængden x, til d<strong>et</strong>te skal der tilføres en energimængde eqvivalent til x for<br />
at få medi<strong>et</strong> tilbage til d<strong>et</strong>s oprindelige fase. Herfra kan processen forløbe teor<strong>et</strong>isk s<strong>et</strong> uendeligt.<br />
[Yunus A. Cengel, 2012b]<br />
Den latente energi der frigives, eller absorberes, i en termodynamisk process kan udregnes ved<br />
produkt<strong>et</strong> mellem medi<strong>et</strong>s masse m og dens specikke smelte- eller fordampningsvarme L<br />
Q latent = mL (6.9)<br />
Eksempel på beregning af latent varme<br />
Der ndes mange PCM's (phase changing materials), der hver især frigiver forskellige mængder<br />
latent varme, samt besidder forskellige smelte- og fusionstemperatur. Et eksempel på d<strong>et</strong>te er salt<strong>et</strong><br />
CaCl 2 · 6H 2 O, med egenskaberne list<strong>et</strong> i tabel 6.3.<br />
Stof Smelte- og fusionstemperatur [ ◦ C] Latent varme [KJ/kg]<br />
CaCl 2 · 6H 2 O 24 - 29 192<br />
Tabel 6.3. Egenskaberne for CaCl 2 · 6H 2O.<br />
I d<strong>et</strong>te eksempel ses der på en opsætning, hvor der haves 10 kg. af d<strong>et</strong> valgte salt, og d<strong>et</strong> haves<br />
som udgangspunkt på fast form. Nedenstående viser en beregning af, hvor meg<strong>et</strong> energi der skal<br />
tilføres for at smelte salt<strong>et</strong><br />
Q latent = m · L<br />
= 10[kg] · 192[KJ/kg]<br />
= 1920[KJ]<br />
Der skal altså bruges 1920 [KJ] for at smelte salt<strong>et</strong>. Som gennemgå<strong>et</strong> tidligere, er smeltnings- og<br />
fusionstemperaturen ækvivalente, hvorfor d<strong>et</strong> teor<strong>et</strong>isk s<strong>et</strong> skulle være muligt at genvinde de 1920<br />
[KJ] ved at for<strong>et</strong>age fusionsprocessen.<br />
6.2.2 Kemisk energi<br />
Termokemisk energilagring, er en m<strong>et</strong>ode, hvor der lagres varme ved at gøre brug af sorptionsog<br />
termokemiske reaktioner. Sorption er en fysisk og kemisk proces, hvor <strong>et</strong> stof går i forbindelse<br />
med <strong>et</strong> and<strong>et</strong>. Begreb<strong>et</strong> kan inddeles i ere kategorier; absorption og adsorption. Absorption er<br />
en proces, der foregår ved at <strong>et</strong> materiale bliver fordelt inde i en væske eller <strong>et</strong> fast stof, og<br />
danner en opløsning. Adsorption er en proces, hvor <strong>et</strong> adsorptivt materiale samles på overaden<br />
af <strong>et</strong> adsorbent materiale, hvor d<strong>et</strong> danner en tynd overade. Adsorptiver er enten gasser eller<br />
væsker, hvor adsorbenterne er væsker eller faste stoer. Principp<strong>et</strong> i termokemisk energilagring er,<br />
at energi bliver lagr<strong>et</strong> efter en kemisk reaktion, hvorefter der kan udvindes energi ved en reversibel<br />
reaktion. Denne form for energilagring har en højere lagringsdensit<strong>et</strong> end de andre typer af termisk<br />
energilagring, hvilk<strong>et</strong> b<strong>et</strong>yder at forholdsvis store mængder af energien kan blive lagr<strong>et</strong> i mindre<br />
mængder af materiale.<br />
53
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
Endvidere er termokemisk lagring også særlig velegn<strong>et</strong> til langsigt<strong>et</strong> lagring, som for eksempel<br />
sæson-lagring, fordi der i lagringsperioden principielt ikke er nog<strong>et</strong> energitab. D<strong>et</strong>te står, som<br />
tidligere skrev<strong>et</strong>, i kontrast til vand der har en god varmekapacit<strong>et</strong>, men <strong>et</strong> b<strong>et</strong>ydeligt energitab<br />
over en længere periode.<br />
Grundlæggende princip<br />
D<strong>et</strong> grundlæggende princip for termokemisk energilagring kan skrives op ved følgende reversibel<br />
reaktion:<br />
C + V arme ⇆ A + B (6.10)<br />
Et termokemisk materiale (C) optager energi og bliver omdann<strong>et</strong> til to komponenter (A) og (B),<br />
hvilk<strong>et</strong> opbevares hver for sig. Den reversible reaktion forekommer når materialerne (A) og (B)<br />
kommer i kontakt med hinanden og danner derved material<strong>et</strong> (C). Derved bliver der frigiv<strong>et</strong> den<br />
energi, som i første omgang blev brugt til at omdanne materiale (C). Material<strong>et</strong> (A) kunne bestå<br />
af for eksempel hydroxid, hydrat, carbonat, ammoniat, osv. mens material<strong>et</strong> (B) kunne være vand,<br />
CO, ammoniak, hydrogen, osv. Oftest er material<strong>et</strong> (C) <strong>et</strong> fast stof eller en væske, mens (A) og<br />
(B) kan have hvilken som helst fase. D<strong>et</strong> vil sige, at grundlæggende består lagringscyklussen af tre<br />
hovedprocessor:<br />
1. Opladning.<br />
2. Lagring.<br />
3. Aadning.<br />
Disse tre processer for termokemisk energilagring er illustrer<strong>et</strong> i gur 6.4.<br />
Figur 6.4. Diagram over de tre stadier i varmelagring. [Ali H. Abedin & Marc A. Rosen, 2011]<br />
Opladningen er en endotermisk proces. Termisk energi bliver absorber<strong>et</strong> fra en energikilde, hvor<br />
d<strong>et</strong> bliver brugt til at opdele d<strong>et</strong> termokemiske materiale.<br />
54
6.2. Alternativ energilagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Lagring af energien forekommer efter opladningsprocessen, hvor de separerede materialer bliver<br />
opbevar<strong>et</strong> hver for sig ved ambient temperatur, hvor der kun sker <strong>et</strong> lille energitab, når de<br />
separerede materialer køler ned efter opladningsprocessen.<br />
Aadningsprocessen er en exotermisk proces, hvor materialerne bliver kombiner<strong>et</strong> igen. Derefter<br />
bliver den oplagrede energi frigiv<strong>et</strong>, samtidig med at d<strong>et</strong> oprindelige termokemiske materiale bliver<br />
dann<strong>et</strong> igen, så processen kan gentages. [Ali H. Abedin & Marc A. Rosen, 2011]<br />
Energibalance<br />
I d<strong>et</strong> følgende vil der bliver redegjort for de energibalancer, som er nødvendige, når nyttevirkningen<br />
skal beregnes af <strong>et</strong> termokemisk energilagringssystem. Der tages udgangspunkt i <strong>et</strong> fast stof som<br />
termokemisk materiale, og en ydende væske der skal afgive energi til material<strong>et</strong>, denne væske bliver<br />
b<strong>et</strong>egn<strong>et</strong> "arbejdsvæske". Arbejdsvæsken indeholder energi, som skal oplagres i d<strong>et</strong> termokemiske<br />
materiale. Når energien skal frigives igen, bliver den overført til arbejdsvæsken endnu en gang. For<br />
at gøre d<strong>et</strong> l<strong>et</strong>tere at regne på, opstilles følgende antagelser:<br />
1. De kemiske reaktioner foregår under konstant tryk.<br />
2. Arbejd<strong>et</strong>, den potentielle og kin<strong>et</strong>iske energi mellem indgang og udgang af arbejdsvæsken til<br />
system<strong>et</strong> ses der bort fra.<br />
3. Under opladningen b<strong>et</strong>egnes d<strong>et</strong> termokemiske materiales temperatur som T 0 , og er samtidig<br />
reference temperatur til omgivelserne.<br />
4. Der er int<strong>et</strong> energitab under lagringsperioden, og d<strong>et</strong> termokemiske materiale blive lagr<strong>et</strong><br />
ved reference temperaturen.<br />
Opladning Til opladningsprocessen skal d<strong>et</strong> termokemiske materiale opvarmes til en temperatur<br />
T s før reaktionen kan foregå. Arbejdsvæsken løber ind i en reaktor, hvor den afgiver energi til d<strong>et</strong><br />
termokemiske materiale. Derved bliver d<strong>et</strong> termokemiske materiale (C) delt til komponenterne (A)<br />
og (B). System<strong>et</strong> er lukk<strong>et</strong>, hvilk<strong>et</strong> vil sige at arbejdsvæsken ikke er i kontakt med d<strong>et</strong> termokemiske<br />
materiale, men blot gennemstrømmer reaktoren, hvorved der sker en varmeveksling. Indgangs<br />
temperaturen for arbejdsvæsken er giv<strong>et</strong> ved T 1 , mens udgangstemperaturen er giv<strong>et</strong> ved T 2 . Figur<br />
6.5 illustrerer processen.<br />
Figur 6.5. Illustration af opladningsprocessen<br />
For at beregne, hvor meg<strong>et</strong> energi arbejdsvæsken har afgiv<strong>et</strong> under processen, kan følgende formel<br />
bruges:<br />
Q = mC∆T (6.11)<br />
I d<strong>et</strong>te tilfælde bliver energien, som er tilført system<strong>et</strong>, følgende:<br />
Q ind = m c C p (T 1 − T 2 ) (6.12)<br />
55
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
Hvor m c er mængden af arbejdsvæske brugt til opladningen, og C p er den specikke varmekapacit<strong>et</strong><br />
for arbejdsvæsken under konstant tryk. Derudover er d<strong>et</strong> vigtigt at tænke på, at der indgår yderlige<br />
3 trin i opladningsprocessen.<br />
For d<strong>et</strong> første bliver d<strong>et</strong> termokemiske materiale opvarm<strong>et</strong> fra reference temperaturenT 0<br />
reaktionstemperaturen T s . Ud fra formel (6.11) kan energien til opvarmningen beregnes:<br />
til<br />
Q forvarme = MC ps (T s − T 0 ) (6.13)<br />
Hvor M er massen af d<strong>et</strong> termokemiske materiale, og C ps er den specikke varmekapacit<strong>et</strong> for d<strong>et</strong><br />
termokemiske materiale.<br />
D<strong>et</strong> and<strong>et</strong> trin i reaktionen ndes ved, at den energi, som bliver tilført til d<strong>et</strong> termokemiske<br />
materiale er ækvivalent med enthalpien for reaktionen ∆H.<br />
D<strong>et</strong> sidste trin kommer af at d<strong>et</strong> termokemiske materiale efter reaktionen nedkøles til reference<br />
temperaturen igen. Energien ved denne proces er giv<strong>et</strong> ved:<br />
Q køling = Ḿ ´ C ps (T 0 − T s ) (6.14)<br />
Hvor M ′ og C ′ er massen og den specikke varmekapacit<strong>et</strong> af d<strong>et</strong> termokemiske materiale efter<br />
reaktionen. Denne energi er negativ, id<strong>et</strong> den indikerer varme som forsvinder fra system<strong>et</strong>.<br />
Energien fra forvarmning og køling anses som værende en del af d<strong>et</strong> totale varm<strong>et</strong>ab ved<br />
oplagringsreaktionen. Ud fra d<strong>et</strong>te kan energibalance b<strong>et</strong>ragtes, hvor varmen ind Q ind og varmen<br />
akkumuler<strong>et</strong> i d<strong>et</strong> termokemiske materiale:<br />
eller<br />
Energi ind - Varme tab = Energi akkumuler<strong>et</strong> (6.15)<br />
m c C p (T 1 − T 2 ) − Q tab = ∆H (6.16)<br />
Energieektivit<strong>et</strong>en eller nyttevirkningen for opladningsprocessen kan udtrykkes ved følgende:<br />
eller<br />
η c =<br />
Energi oplagr<strong>et</strong> i d<strong>et</strong> termokemiske material<br />
Energi ind<br />
(6.17)<br />
η c =<br />
∆H reaktion<br />
m c C p (T 1 − T 2 )<br />
Derved er der giv<strong>et</strong> <strong>et</strong> udtryk for virkningsgraden ved oplagringsprocessen.<br />
(6.18)<br />
Lagring Efter opladning kommer lagring af material<strong>et</strong>, som nævnt tidligere er en af fordelene ved<br />
termokemisk varmelagring, at der ikke er varm<strong>et</strong>ab i lagringsperioden. Derfor anses nyttevirkningen<br />
i lagringsprocessen til at være 1.<br />
Aadning Til aadningsprocessen bliver komponenterne (A) og (B) sat i reaktionen med<br />
hinanden, hvorved d<strong>et</strong> termokemiske materiale (C) bliver dann<strong>et</strong> igen. I denne proces frigives<br />
den oplagrede energi. Energien bliver tilført en arbejdsvæske, som gennemstrømmer reaktoren,<br />
hvor reaktionen forløber. Ligesom ved opladningsprocessen er d<strong>et</strong>te system lukk<strong>et</strong>. Temperaturen<br />
på arbejdsvæsken ved ind- og udgang er henholdsvis giv<strong>et</strong> ved T 3 og T 4 . Aadningsprocessen<br />
illustreres i gur 6.6.<br />
56
6.2. Alternativ energilagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Figur 6.6. Illustration af aadningsprocessen<br />
Enthalpien for aadningsreaktionen er den samme som ved oplagringsreaktionen. Med udgangspunkt<br />
i d<strong>et</strong>te kan følgende energibalance opstilles:<br />
−[Energi genvund<strong>et</strong> + Varm<strong>et</strong>ab]=Energi akkumuler<strong>et</strong> (6.19)<br />
Hvor energien akkumuler<strong>et</strong> er lig med den negative sum af energien frigiv<strong>et</strong>, da d<strong>et</strong> er en exotermisk<br />
reaktion.<br />
Energien som arbejdsvæsken får tilført kan udregnes ved følgende:<br />
Q genvund<strong>et</strong> = m d C p (T 4 − T 3 ) (6.20)<br />
Der af kan nyttevirkningen for aadningsprocessen beskrives ved:<br />
η d =<br />
Energi genvund<strong>et</strong> Energiforøgelse i arbejdsvæsken<br />
=<br />
Energi frigiv<strong>et</strong> ved reaktionen Energi frigiv<strong>et</strong> ved reaktionen<br />
(6.21)<br />
eller<br />
η d = m dC p (T 4 − T 3 )<br />
∆H reaktion<br />
(6.22)<br />
Derved er der redegjort for energib<strong>et</strong>ragtning i oplagrings- og aadningsprocessen af den<br />
termokemiske energilagringsproces. [Abedin, 2010]<br />
Kemiske reaktanter<br />
Der eksisterer en række termokemiske materialer, som er velegn<strong>et</strong> til termokemisk energilagring.<br />
Disse er vist i følgende tabel 6.4, som giver <strong>et</strong> overblik over, hvilken energidensit<strong>et</strong> og<br />
reaktionstemperatur de forskellige materialer har.<br />
57
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
Termokemiske<br />
materialer (C)<br />
Fastestoer (A) Væsker (B) Energilagringsdensit<strong>et</strong>en Opladnings-<br />
af termokemisk materialer<br />
(Gj/m 3 )<br />
reaktions-<br />
temperatur<br />
MgSO 4 · 7H 2 O MgSO 4 7H 2 O 2.8 122<br />
F eCO 3 F eO CO 2 2.6 180<br />
Ca(OH) 2 CaO H 2 O 1.9 479<br />
F e(OH) 2 F eO H 2 O 2.2 150<br />
CaCO 3 CaO CO 2 3.3 837<br />
CaSO 4 · 2H 2 O CaSO 4 2H 2 O 1.4 89<br />
Tabel 6.4. Tabel for forskellige materialer til termokemisk energilagring. [Ali H. Abedin & Marc A. Rosen,<br />
2011]<br />
Hvis der skal opstilles en reaktion med <strong>et</strong> termokemisk materiale, kan d<strong>et</strong> tage udgangspunkt i<br />
sto<strong>et</strong> Mg(OH) 2 . Til at lagre energi i d<strong>et</strong>te materiale, dehydreres d<strong>et</strong> ved at tilfører varme, som<br />
skal oplagres i material<strong>et</strong>:<br />
Mg(OH) 2 (s) + V arme → MgO(s) + H 2 O(g) (6.23)<br />
Derefter er energien nu lagr<strong>et</strong> i MgO og vand, hvilk<strong>et</strong> skal holdes hver for sig. Når der er brug for<br />
den oplagrede energi, tilføres vand til MgO og danner den omvendte reaktion:<br />
MgO(s) + H 2 O(g) → Mg(OH) 2 (s) + V arme (6.24)<br />
D<strong>et</strong>te er <strong>et</strong> eksempel på <strong>et</strong> termokemisk materiale som gør brug af absorption.<br />
Som nævnt tidligere kunne der gøres brug af adsorption, hvor <strong>et</strong> materiale som Zeolit er interessant<br />
at se på. Zeolit består af vandholdige aluminiumsilikater, og er <strong>et</strong> porøst stof hvor krystalstrukturen<br />
består af SiO 4 og AlO 4 form<strong>et</strong> som t<strong>et</strong>raedre i <strong>et</strong> åbent gitter. I t<strong>et</strong>raedernes hulrum kan sto<strong>et</strong><br />
optage vand og m<strong>et</strong>alioner uden at ændre struktur. Når der tilføres vand til zeolit frigives varme.<br />
På nuværende tidspunkt er d<strong>et</strong>te stadig på forskningsstadi<strong>et</strong>, og der mangler stadig <strong>et</strong> system hvor<br />
denne form for varmelagring kan indgå.<br />
Der er en del forskellige stoer, der kan benyttes som termokemiske materialer. Der er forskellige<br />
faktorer, som er afgørende for hvilk<strong>et</strong> materiale der er bedst at benytte.<br />
Følgende er en oversigt over disse faktorer:<br />
58<br />
ˆ Omkostninger.<br />
ˆ Cyklus stabilit<strong>et</strong> (reversibilit<strong>et</strong> og nedbrydning efter mange gentagede cyklusser).<br />
ˆ Hvor l<strong>et</strong>/svært material<strong>et</strong> er at få.<br />
ˆ Hvor giftigt, ætsende og sikkert material<strong>et</strong> er.<br />
ˆ Energilagringsdensit<strong>et</strong>en.<br />
ˆ Reaktionstemperatur.<br />
ˆ Reaktionshastighed.<br />
ˆ Hvor l<strong>et</strong>/svært d<strong>et</strong> er at bruge i <strong>et</strong> system.
6.3. Opsamling <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
6.3 Opsamling<br />
Der er nogle fordele og ulempe ved de forskellige former for termisk energilagring, når d<strong>et</strong> kommer<br />
til sensibel, latent og kemisk lagring. Tabel 6.5 viser nogle af disse forhold.<br />
59
Gruppe B142<br />
6. Termisk energilagring<br />
Param<strong>et</strong>er<br />
Typer af termisk energilagring<br />
Sensibel Latent Kemisk<br />
Temperatur område<br />
Lagrings-densit<strong>et</strong><br />
Op til:<br />
Lev<strong>et</strong>id Lang<br />
110 ◦ C (vandtanke)<br />
50 ◦ C (grundvandsmagasin<br />
og jordlagring)<br />
400 ◦ C (b<strong>et</strong>on)<br />
Lav (med høje temperaturintervaller)<br />
0.2 GJ/m 3<br />
(for typiske vandtanke)<br />
Teknologi status Kommercielt tilgængelig<br />
Fordele<br />
Ulemper<br />
Lav omkostninger<br />
Pålidelig<br />
Simpel applikation med tilgængelig<br />
materiale<br />
B<strong>et</strong>ydeligt varm<strong>et</strong>ab over<br />
tid (afhænger af isolation)<br />
Store mængder er nødvendigt<br />
20-40 ◦ C (paraner)<br />
30-80 ◦ C (salthydrater)<br />
Moderat (med lave temperatur<br />
intervaller): 0.3-0.5<br />
20-200 ◦ C<br />
GJ/m 3 Normalt høj: 0.5-3 GJ/m 3<br />
Ofte begræns<strong>et</strong> på grund af<br />
materiale cyklus<br />
Kommercielt tilgængelig for<br />
nogle temperaturer og materialer<br />
Medium lagringsdensit<strong>et</strong><br />
Små voluminer<br />
Kort transport afstand<br />
Lave varmeledningsevne<br />
Ætsning af materialerne<br />
B<strong>et</strong>ydelig varm<strong>et</strong>ab (afhænger<br />
af isolationen)<br />
Afhænger af reaktantnedbrydning<br />
og sidereaktion<br />
Generelt ikke tilgængelig,<br />
men der foregår forskning og<br />
pilot projekter<br />
Høj lagringsdensit<strong>et</strong><br />
Lavt varm<strong>et</strong>ab (lagring ved<br />
omgivende temperatur)<br />
Lang lagringsperiode<br />
Kompakt energilagring<br />
Høje økonomiske omkostninger<br />
Teknisk komplicer<strong>et</strong><br />
Tabel 6.5. En oversigt over fordele og ulempe ved forskellige lagrings m<strong>et</strong>oder. [Ali H. Abedin & Marc A. Rosen, 2011]<br />
60
Analyse af termisk<br />
energilagring<br />
7<br />
I d<strong>et</strong> følgende vil der blive gennemgå<strong>et</strong> en teor<strong>et</strong>isk model over varm<strong>et</strong>ab<strong>et</strong> i en akkumuleringstank,<br />
samt en gennemgang af <strong>et</strong> udført eksperiment. Den teor<strong>et</strong>iske model og forsøg<strong>et</strong> tager<br />
udgangspunkt i samme opstilling - mål på beholder, isoleringsgrad samt temperatur på medi<strong>et</strong><br />
er ækvivalente. Formål<strong>et</strong> med forsøg<strong>et</strong> er at bekræfte den teor<strong>et</strong>iske model, måle og analysere<br />
eventuelle afvigelser fra denne.<br />
Endvidere vil der blive s<strong>et</strong> på i hvor høj grad isoleringsgraden, har en eekt på den oplagrede<br />
mængde energi, ved at beregne halveringstiden af den oplagrede energien mængde.<br />
Derudover gennemgås <strong>et</strong> eksempel på kemisk varmelagring, hvor der regnes på nyttevirkningen<br />
ved denne form for varmelagring.<br />
7.1 Model over sensibel energilagring<br />
I d<strong>et</strong> følgende udarbejdes en model over temperaturen i en akkumulationstank til <strong>et</strong> giv<strong>et</strong> tidspunkt,<br />
da tanken over tid taber varme. Modellen opstilles med henblik på at den skal sammenlignes<br />
med <strong>et</strong> opstill<strong>et</strong> forsøg, som gennemgås i følgende afsnit. Derudover bliver der opstill<strong>et</strong> <strong>et</strong> lille<br />
regneeksempel, for at se hvor stor isoleringstykkelsen skal være for at lagre varmen i <strong>et</strong> døgn.<br />
Udledning af model<br />
Akkumulationstanken består af en m<strong>et</strong>albeholder, som er isoler<strong>et</strong> med <strong>et</strong> giv<strong>et</strong> materiale. I<br />
m<strong>et</strong>albeholderen er d<strong>et</strong> varmtvand, som ønskes lagr<strong>et</strong>. Til udledningen af formlen antages d<strong>et</strong>,<br />
at m<strong>et</strong>albeholderen under hele lagringsperioden har samme temperatur som vand<strong>et</strong> i tanken. Til<br />
at udlede en formel tages der udgangspunkt i den tidligere nævnte formel til at udregne varmen i<br />
<strong>et</strong> materiale:<br />
Q = mC p ∆T (7.1)<br />
Derudover bruges formlen til at beregne varmeledningstab<strong>et</strong> for <strong>et</strong> bestemt materiale.<br />
H = −kA ∆T<br />
∆x<br />
(7.2)<br />
Hvor k er en konduktivit<strong>et</strong>konstant, giv<strong>et</strong> ud fra d<strong>et</strong> isolerende materiale, A er overadeareal<strong>et</strong>, ∆T<br />
er forskellen i temperaturen fra den side, hvor energien bliver ledt fra, til den side, hvor energien<br />
bliver ledt til, og ∆x er tykkelsen på material<strong>et</strong>.<br />
Hvis der kigges på en minimal ændring i energienniveau<strong>et</strong> i akkumulationstanken over kort periode,<br />
er varmeledningstab<strong>et</strong> til d<strong>et</strong> pågældende tidspunkt, giv<strong>et</strong> ved.<br />
dQ<br />
dt = H (7.3)<br />
Til udledningen af formlen, holdes massen af vand<strong>et</strong> - samt varmekapacit<strong>et</strong>en for vand konstant.<br />
Selvom varmekapacit<strong>et</strong>en afhænger af temperaturen, antages den for at være konstant, da denne<br />
61
Ti<br />
Ti<br />
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
ændring er minimal. D<strong>et</strong> vil sige at den lille ændring i energien over tid dQ<br />
dt<br />
er giv<strong>et</strong> ved den<br />
minimale ændring i temperaturforskellen multiplicer<strong>et</strong> med massen og varmekapacit<strong>et</strong>en.<br />
dQ<br />
dt = mC dT<br />
p<br />
dt<br />
D<strong>et</strong> medfører at ligning 7.3 kan udtrykkes som.<br />
mC p<br />
dT<br />
dt = −kA∆T ∆x<br />
(7.4)<br />
(7.5)<br />
dT<br />
dt = −kA ∆T (7.6)<br />
mC p ∆x<br />
Der gælder at − kA /mC p∆x er konstant, derfor sættes d<strong>et</strong>te lig med B til de videre beregninger.<br />
dT<br />
dt<br />
= B ∆T (7.7)<br />
∆T er giv<strong>et</strong> ved temperaturforskellen mellem den aktuelle temperatur T og ligevægtstemperaturen<br />
T 0 , som er giv<strong>et</strong> ved akkumuleringstankens omgivne temperatur, da vand<strong>et</strong>s temperatur går mod<br />
T 0 når d<strong>et</strong> afkøles.<br />
dT<br />
dt = B(T − T 0) (7.8)<br />
Dierentialligningen løses ved separation af variablerne.<br />
1<br />
dT = B dt (7.9)<br />
(T − T 0 )<br />
Udtrykk<strong>et</strong> integreres på begge sider af lighedstegn<strong>et</strong>. Venstre side integreres fra start temperaturen<br />
T i til en tilfældig temperatur T. Udtrykk<strong>et</strong> på højre side integreres fra 0 til tiden t<br />
∫ T<br />
∫<br />
1<br />
t<br />
(T − T 0 ) dT = Bdt (7.10)<br />
Da B er konstant sættes denne uden for integral<strong>et</strong>.<br />
∫ T<br />
0<br />
∫<br />
1<br />
t<br />
(T − T 0 ) dT = B dt (7.11)<br />
( ) T − T0<br />
ln<br />
= Bt<br />
T i − T 0<br />
T − T 0<br />
T i − T 0<br />
= e Bt<br />
T − T 0 = (T i − T 0 )e Bt<br />
0<br />
T = T 0 + (T i − T 0 )e Bt (7.12)<br />
B indsættes i udtrykk<strong>et</strong>.<br />
T (t) = T 0 + (T i − T 0 )e − kAt /mC p∆x<br />
(7.13)<br />
Derved er der blev<strong>et</strong> udledt en formel for temperaturen i akkumulationstanken som funktion af<br />
tiden.<br />
62
7.2. Forsøg med sensibel energilagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Eksempel på konstruktion af akkumuleringstank<br />
Der vil blive opstill<strong>et</strong> <strong>et</strong> eksempel på, hvordan en akkumuleringstank skal opbygges for at holde på<br />
varmen i <strong>et</strong> døgn. I eksempl<strong>et</strong> holdes mængden af vand konstant for at simplicere udregningerne.<br />
Med udgangspunkt i den opstillede model giv<strong>et</strong> ved ligning (7.13) bestemmes isoleringstykkelsen<br />
på en tank, hvor temperaturen mindst skal være 55[ ◦ C]. Der bruges polyur<strong>et</strong>anskum som<br />
isoleringsmateriale. I tabel 7.1 er opstill<strong>et</strong> de nødvendige værdier for at opstille en funktion for<br />
eksempl<strong>et</strong>.<br />
Beskrivelse Symbol Værdi<br />
Ligevægtstemperatur T 0 20,0 [ ◦ C]<br />
Starttemperatur T i 80, 0[ ◦ C]<br />
Minimumstemperatur T 55, 0[ ◦ C]<br />
Lagringstid t 24[h] = 86400[s]<br />
Størrelse på akkumulationstank - 300[l]<br />
Massen af vand i akkumulationstank m 300[kg]<br />
Vands specikke varmekapacit<strong>et</strong> C p 4180 [J/kg · ◦C]<br />
Overadeareal af akkumulationstank A 3, 093[m 2 ]<br />
Konduktivit<strong>et</strong>skonstant k 0, 0500[ W<br />
m· ◦C ]<br />
Isoleringstykkelse ∆x -<br />
Tabel 7.1. Tabeloversigt over værdier til opstill<strong>et</strong> eksempel af en akkumulationstank<br />
Ud fra den opstill<strong>et</strong> model isoleres ∆x, så der opnås <strong>et</strong> udtryk til bestemmelse af isoleringstykkelsen.<br />
∆x =<br />
kAt<br />
mC p ln( T − T0 /T i − T 0)<br />
(7.14)<br />
De givne værdier fra tabel 7.1 indsættes i ligning (7.14), hvor følgende resultat er giv<strong>et</strong>.<br />
∆x = 0, 0197[m] (7.15)<br />
D<strong>et</strong>te vil sige at isoleringstykkelsen, efter den opstillede model, skal være lige knap 2 cm. For at<br />
undersøge om modellen er holdbar er der opstill<strong>et</strong> <strong>et</strong> forsøg, som gennemgås i næste afsnit.<br />
7.2 Forsøg med sensibel energilagring<br />
Følgende er en beskrivelse af <strong>et</strong> forsøg, udført med henblik på isoleringstykkelsen på en akkumulationstank<br />
ved sensibel varmelagring. Herunder indgår formål, fremgangsmåde, apparaturliste,<br />
forsøgsopstilling, databehandling og diskussion(fejlkilder).<br />
Formål<br />
Formål<strong>et</strong> med forsøg<strong>et</strong> er at eftervise en teor<strong>et</strong>isk udledt model over sammenhængen mellem<br />
temperaturændringen i en akkumulationstank som funktion af tiden og isoleringstykkelsen af<br />
tanken.<br />
63
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
Fremgangsmåde<br />
Til forsøg<strong>et</strong> bruges re m<strong>et</strong>albeholdere, der agerer som akkumuleringsstanke. Alle beholderne er ens<br />
og kan indeholde 0,960 liter vand. Tre af beholderne isoleres med polyur<strong>et</strong>anskum med tykkelser<br />
på henholdsvis 2 cm, 4 cm og 6 cm, mens den sidste beholder ikke bliver isoler<strong>et</strong>. Beholderen<br />
uden isolering medtages i forsøg<strong>et</strong> som en reference. Alle beholdere bliver fyldt med kogende vand,<br />
hvorefter de står i 24 timer. Løbende tages der temperaturmålinger i beholderen, hvor nulpunkt<strong>et</strong><br />
sættes til 80 ◦ C. D<strong>et</strong> vil sige, at dataopsamlingen begyndes, når temperaturen i beholderne er 80<br />
◦ C. Til at for<strong>et</strong>age målingerne bruges elektroniske temperatursensorer som tilsluttes en computer.<br />
Til data opsamlingen bruges computersoftwar<strong>et</strong> Capstone, som indstilles til at tage temperaturen<br />
i beholderne efter hvert 5. sekund.<br />
Til at isolere beholderne fremstilles forme af høns<strong>et</strong>rådsn<strong>et</strong> i passende størrelser alt efter de<br />
forskellige isoleringstykkelser. Formene konstrueres således at isoleringstykkelsen er ens rundt<br />
omkring hele beholderen og ved dens bund. Toppene til beholderne laves separat fra resten af<br />
formene, så der efterfølgende er mulighed for at fylde vand i beholderne. Formene bliver beklædt<br />
med papir, så isoleringsskumm<strong>et</strong> ikke løber ud af formen, mens d<strong>et</strong> størkner. Under forsøg<strong>et</strong><br />
fastspændes toppene til beholderne med snor og lim, så de lukkes tæt sammen.<br />
Apparatur- og materialeliste<br />
Følgende er opstill<strong>et</strong>, hvilke apparatur og materialer der bruges til forsøg<strong>et</strong>.<br />
ˆ 4x m<strong>et</strong>albeholdere á 0,960 l<br />
ˆ Polyur<strong>et</strong>anskum<br />
ˆ Høns<strong>et</strong>rådn<strong>et</strong><br />
ˆ Papir<br />
ˆ Computer med Capstone installer<strong>et</strong><br />
ˆ Pasco Pasport Quad Temperature sensor PS-2143 med 4 sensorer<br />
ˆ Elkedel<br />
ˆ Vand<br />
Forsøgsopstilling<br />
Til hver beholder placeres en elektronisk temperatursensor, gennem <strong>et</strong> lille hul i toppen af<br />
beholderne. Alle temperaturmålerne sammenkobles til en adapter, som kan tilsluttes en computer<br />
med <strong>et</strong> USB-stik. Forsøgsopstillingen er vidst på gur 7.1.<br />
Figur 7.1. (a) Viser en tegning af forsøgsopstillingen. (b) Viser <strong>et</strong> fotogra af forsøgsopstillingen<br />
64
7.3. Resultatanalyse af model og forsøg <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Databehandling<br />
Til indsamling af data er programm<strong>et</strong> Capstone fra PASCO benytt<strong>et</strong>. D<strong>et</strong>te software gør d<strong>et</strong><br />
muligt at indsamle blandt and<strong>et</strong> temperatur data elektronisk, med en forudbestemt frekvens. Da<br />
d<strong>et</strong> ikke var muligt at indhente den fulde version af d<strong>et</strong>te program, var der nogle umiddelbare<br />
begrænsninger der måtte kalkuleres for.<br />
ˆ Maksimal målingsperiode er 23 timer 30 minutter 00 sekunder.<br />
ˆ Maksimal målingsfrekvens er én per femte sekund.<br />
ˆ Begræns<strong>et</strong> mulighed for grask repræsentation af data. D<strong>et</strong>te problem er løst ved at<br />
eksportere data, for derefter at plotte dem i Matlab.<br />
De re sensorer kalibreres først i d<strong>et</strong> valgte software således, at disse tager udgangspunkt i<br />
samme start temperatur. Capstone softwaren har en indbygg<strong>et</strong> funktion, således at computeren<br />
først påbegynder de ønskede målinger ved en bestemt temperatur. I d<strong>et</strong>te eksperiment startes<br />
målingerne, når temperaturen på vand<strong>et</strong> i beholderen er 80 ◦ C.<br />
Da der er indsaml<strong>et</strong> 16.865 datamålinger fra hver sensor, er disse vedlagt på en CD-Rom inklusiv<br />
Matlab-script l, som er brugt til at lave den graske repræsentation af disse data.<br />
Figur 7.2. Temperatur som funktion af tid<br />
Figur 7.2 viser graferne for temperaturen i hver beholder som funktion af tiden.<br />
7.3 Resultatanalyse af model og forsøg<br />
I d<strong>et</strong>te afsnit vil den opstillede model blive sammenlign<strong>et</strong> med de foregående forsøgsresultater.<br />
65
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
Funktioner fra modellen<br />
Ud fra den opstill<strong>et</strong> model giv<strong>et</strong> ved ligning (7.13), opstilles der tre funktioner for de tre beholdere,<br />
der blev brugt til forsøg<strong>et</strong>. I følgende tabel, 7.2, opstilles de nødvendige værdier.<br />
Beskrivelse Symbol Værdi<br />
Konduktivit<strong>et</strong>skonstant [k] 0,0500 [ W<br />
m· ◦C ]<br />
Overadeareal af beholder A 0, 0534[m 2 ]<br />
Ligevægtstemperatur T 0 20, 3[ ◦ C]<br />
Starttemperatur T i 80, 0[ ◦ C]<br />
Vands specikke varmekapacit<strong>et</strong> C p 4180 [J/kg · ◦C]<br />
Isoleringstykkelse for beholderne ∆x 0, 06[m], 0, 04[m], 0, 02[m]<br />
Massen af vand i beholderne m 0, 960[kg]<br />
Tabel 7.2. Tabeloversigt over de nødvendige værdier til opstilling af modellerne over beholderne<br />
D<strong>et</strong> bemærkes at SI-enheden for temperatur er Kelvin, men da d<strong>et</strong> ikke har b<strong>et</strong>ydning for selve<br />
funktionernes kurver, bruges enheden grader celsius. Der indgår ligeledes en temperaturenhed i<br />
konduktivit<strong>et</strong>skonstanten samt vands specikke varmekapacit<strong>et</strong>, som også er blev<strong>et</strong> ændr<strong>et</strong> til<br />
enheden, grader celsius.<br />
Værdierne fra tabel 7.2 indsættes i ligningen for modellen, hvorved følgende tre funktioner opstilles<br />
for hver beholder.<br />
T 6 (t) = 20, 3[ ◦ C] + 59, 7[ ◦ C] · e −33,3×10<br />
−<br />
−6[s1]·t (7.16)<br />
T 4 = 20, 3[ ◦ C] + 59, 7[ ◦ C] · e −16,6×10<br />
−<br />
−6[s1]·t (7.17)<br />
T 2 = 20, 3[ ◦ C] + 59, 7[ ◦ C] · e −11,1×10<br />
−<br />
−6[s1]·t (7.18)<br />
Hvor T 6 er funktionen for beholderen med en isoleringstykkelse på 6 [cm], T 4 er funktionen<br />
for beholderen med en isoleringstykkelse på 4 [cm], og T 2 er funktionen for beholderen med en<br />
isoleringstykkelse på 2 [cm]<br />
Funktioner for forsøg<br />
Ud fra de opsamlede forsøgsdata, vist på gur 7.2, laves der eksponentielle regressioner på formen<br />
y = B + A · e −k·x , da den opstillede model er på tilsvarende form. Regressionerne bliver lav<strong>et</strong> i<br />
computerprogramm<strong>et</strong> Logger Pro, hvor en graf er vedlagt i Bilag A, vist på gur A.1.<br />
Funktionerne bliver opstill<strong>et</strong> i en tabel i følgende afsnit.<br />
66
7.3. Resultatanalyse af model og forsøg <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Sammenligning af model og forsøg<br />
Funktionerne for modellen og forsøg<strong>et</strong> er opstill<strong>et</strong> i følgende tabel 7.3.<br />
∆x Model Forsøg<br />
6 [cm] T 6 = 20, 3[ ◦ C] + 59, 7[ ◦ C] · e −11.1×10<br />
−1<br />
−6[s]·t<br />
4 [cm] T 4 = 20, 3[ ◦ C] + 59, 7[ ◦ C] · e −16.6×10<br />
−1<br />
−6[s]·t<br />
2 [cm] T 2 = 20, 3[ ◦ C] + 59, 7[ ◦ C] · e −33.3×10<br />
−1<br />
−6[s]·t<br />
T 6 = 22, 7[ ◦ C] + 56, 8[ ◦ C] · e −27,2×10<br />
−1<br />
−6[s]·t<br />
T 4 = 22, 3[ ◦ C] + 56, 6[ ◦ C] · e −33,7×10<br />
−1<br />
−6[s]·t<br />
T 2 = 19, 1[ ◦ C] + 60, 0[ ◦ C] · e −35,8×10<br />
−1<br />
−6[s]·t<br />
Tabel 7.3. Tabeloversigt over de opstillede og fundne funktioner for temperaturen inde i akkumulationstankene<br />
som funktion af tiden<br />
For at gøre resultaterne sammenlignelige er der følgende giv<strong>et</strong> tre grafer, en for hver beholder, hvor<br />
graferne for funktionerne for model og forsøg er afbilled<strong>et</strong>.<br />
Figur 7.3. Grafer over funktionerne for model og forsøg til beholderen med isoleringstykkelse på 6[cm]<br />
67
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
Figur 7.4. Grafer over funktionerne for model og forsøg til beholderen med en isoleringstykkelse på 4[cm]<br />
Figur 7.5. Grafer over funktionerne for model og forsøg til beholderen med en isoleringstykkelse på 2[cm]<br />
Ud fra gur 7.3, 7.4 og 7.5 ses d<strong>et</strong>, at funktionerne, lav<strong>et</strong> ud fra forsøg<strong>et</strong>, ligger under dem, som<br />
er opstill<strong>et</strong> ud fra modellen. D<strong>et</strong> vil sige, at temperaturen i beholderne i forsøgene falder hurtigere<br />
end modellen anslår. Den største afvigelse ses for beholderen med en isoleringstykkelse på 6 cm<br />
på gur 7.3, mens den mindste afvigelse forekommer for beholderen med en isoleringstykkelse på<br />
2 cm på gur 7.5. For at give <strong>et</strong> bedre overblik over afvigelserne beregnes halveringstiden for de<br />
forskellige funktioner samt den procentvise afvigelse. Afvigelserne beregnes således, at de viser,<br />
68
7.3. Resultatanalyse af model og forsøg <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
hvor meg<strong>et</strong> forsøgsdataene afviger fra modellen. Halveringstiden beregnes ud fra følgende formel.<br />
T 1/2 = ln(2)<br />
k<br />
(7.19)<br />
Beregninger for<strong>et</strong>ages i matlab og er vedlagt på CD-rommen. Tabel 7.4 viser en oversigt over<br />
udregningerne.<br />
Isoleringstykkelse Halveringstid - model Halveringstid - forsøg Procentvise-afvigelse<br />
6 [cm] 17,3 [h] 7,08 [h] 59,2 %<br />
4 [cm] 11,6 [h] 5,71 [h] 50,7 %<br />
2 [cm] 5,78 [h] 5,38 [h] 6,98 %<br />
Tabel 7.4. Tabeloversigt over halveringstiden, i timer [h], for funktionerne for model og forsøg samt den<br />
procentvise-afvigelse<br />
Som d<strong>et</strong> fremgår af tabel 7.4, er der stor forskel på halveringstiden for model og forsøg ved<br />
beholderne med isoleringstykkelser på 6 - og 4 cm, mens afvigelsen for beholderen med en<br />
isoleringstykkelse på 2 cm er b<strong>et</strong>ydelig mindre. Endvidere ses d<strong>et</strong> også ud fra halveringstiderne<br />
lav<strong>et</strong> for modellen, at disse stiger med lige knap 6 timer, hver gang isoleringstykkelsen bliver 2<br />
cm tykkere, hvilk<strong>et</strong> er en markant stigning. Samme mønster gør sig ikke gældende for resultaterne<br />
fra forsøg<strong>et</strong>, hvor der ikke er nogen tegn på en lineær sammenhæng mellem isoleringstykkelsen og<br />
halveringstiden. Grunden til d<strong>et</strong>te resultat diskuteres i følgende afsnit.<br />
Diskussion<br />
Resultaterne i forrige afsnit viser at forsøg<strong>et</strong> ikke har stemt overens med modellen, når der<br />
kigges på beholderne med 4 - og 6 cm isolering. D<strong>et</strong>te kunne skyldes ere fejlkilder og<br />
usikkerheder, som formodes at have indvirkning på forsøg<strong>et</strong>. Der har vær<strong>et</strong> usikkerhed om,<br />
hvilken konduktivit<strong>et</strong>skonstant isoleringsskumm<strong>et</strong> har. D<strong>et</strong> fremgår ikke klart på dåsen med<br />
isoleringsskum, hvilken konduktivit<strong>et</strong>skonstant polyur<strong>et</strong>anskumm<strong>et</strong> har. Den værdi, der regnes<br />
med, er tag<strong>et</strong> ud fra en tabel-værdi, som angiver at konstanten generelt ligger i områd<strong>et</strong> 0.02-<br />
0.05. Denne værdi må anslås til at svinge, alt efter hvilken kvalit<strong>et</strong> isoleringsskumm<strong>et</strong> har. Hvis<br />
isoleringsskumm<strong>et</strong> har vær<strong>et</strong> mere varmeledende end antag<strong>et</strong>, vil temperaturfald<strong>et</strong> i beholderne<br />
være større end den opstillede model vil anslå.<br />
Derudover er låg<strong>et</strong> til hver af beholderne blev<strong>et</strong> lav<strong>et</strong> separat med resten af beholderen, hvilk<strong>et</strong><br />
b<strong>et</strong>yder at områd<strong>et</strong>, hvor låg<strong>et</strong> møder resten af beholderen, ikke har vær<strong>et</strong> tilslutt<strong>et</strong> optimalt. Der<br />
blev gjort <strong>et</strong> forsøgt at mindske denne usikkerhed, ved at lime toppene på samt binde snor rundt<br />
omkring beholderne. En sådan usikkerhed vil b<strong>et</strong>yde at beholderne vil holde dårligere på varmen<br />
end antag<strong>et</strong>.<br />
Endvidere formodes d<strong>et</strong>, at der er blev<strong>et</strong> dann<strong>et</strong> lufthuller i isoleringsskumm<strong>et</strong>, mens d<strong>et</strong> størknede,<br />
hvilk<strong>et</strong> har b<strong>et</strong>yd<strong>et</strong>, at isoleringsgraden er forring<strong>et</strong>. Denne formodning er dann<strong>et</strong> på baggrund af, at<br />
der på toppen er tegn på lufthuller, hvilk<strong>et</strong> medfører en sandsynlighed for, at der er lufthuller i den<br />
resterende isoleringen på beholderne. Derfor er beholderne blev<strong>et</strong> skilt for at undersøge, hvordan<br />
skumm<strong>et</strong> var fordelt. På gur 7.6, er der <strong>et</strong> billede af, hvordan beholderen med en isoleringstykkelse<br />
på 6[cm] så ud inden i.<br />
69
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
Figur 7.6. Udsnit af beholderen med en isoleringstykkelse på 6[cm]<br />
På gur 7.6 ses d<strong>et</strong>, at der i toppen af beholderen, har vær<strong>et</strong> mange lufthuller. Endvidere ses<br />
d<strong>et</strong>, at der i den yderste del af siderne er blev<strong>et</strong> dann<strong>et</strong> nogle lufthuller, mens skumm<strong>et</strong> længere<br />
inde mod midten er mere tæt. Konklusionen heraf er, at beholderne ikke har vær<strong>et</strong> godt isolerede<br />
i toppen, mens siderne har vær<strong>et</strong> acceptabelt isoler<strong>et</strong>. Dertil må d<strong>et</strong> konkluderes, at jo mere<br />
isoleringsskum der er blev<strong>et</strong> brugt til at lave toppene, des større er risikoen lufthuller. D<strong>et</strong>te<br />
medfører at beholderen, med 6 cm isolering, vil afvige mest fra den opstillede model. Ydermere<br />
har d<strong>et</strong> også b<strong>et</strong>yd<strong>et</strong>, at beholderen med 2 cm isolering, har afveg<strong>et</strong> mindst fra modellen, da<br />
mængden af lufthuller må formodes at være minimal sammenlign<strong>et</strong> med en beholder, der har en<br />
større isoleringsgrad.<br />
Disse usikkerheder og fejlkilder har gjort d<strong>et</strong> svært at konkludere, om den opstillede model er<br />
sammenlignelig med de udførte forsøg, da d<strong>et</strong> kun var én beholder, som inden for en rimelig<br />
grænse, fulgte modellen. Derfor må der konkluderes, at der skal for<strong>et</strong>ages yderlige forsøg for at<br />
give <strong>et</strong> endegyldigt svar på om den opstillede model, kan bruges til at udforme og konstruere <strong>et</strong><br />
sensibelt varmelager.<br />
Et af de store problemer ved sensibel varmelagring er, som tidligere nævnt, at der er varm<strong>et</strong>ab i<br />
løb<strong>et</strong> af lagringsperioden. En løsning til d<strong>et</strong>te problem, var at bruge <strong>et</strong> alternativ, som for eksempel<br />
kemisk varmelagring. Derfor vil der i følgende afsnit blive gennemgå<strong>et</strong> <strong>et</strong> eksempel, hvor der bruges<br />
kemisk varmelagring.<br />
7.4 Termokemisk energilagring<br />
I d<strong>et</strong>te afsnit vil der blive gennemgå<strong>et</strong> <strong>et</strong> eksempel på en simpel konstruktion af <strong>et</strong> kemisk<br />
varmelager. I eksempl<strong>et</strong> vil der være fokus på energieektivit<strong>et</strong>en ved de forskellige processor.<br />
System<strong>et</strong> stammer fra <strong>et</strong> gulvvarme-anlæg til en bygning, som kører om vinteren og i midt-sæson<br />
perioder. Eksempl<strong>et</strong> tager udgangspunkt i kilde [Abedin, 2010].<br />
System<strong>et</strong> består af en reaktor med <strong>et</strong> volumen på 1 [m 3 ], hvori der er en reaktorkerne, hvor d<strong>et</strong><br />
termokemisk materiale bender sig i. Til d<strong>et</strong>te eksempel er d<strong>et</strong> termokemiske materiale bromide<br />
strontium (Sr(Br) 2 ), og vand er reaktant. D<strong>et</strong>te giver følgende kemiske reversible reaktion.<br />
Sr(Br) 2 · H 2 O + 5H 2 O ⇆ Sr(Br) 2 · 6H 2 O +varme + 5∆H, ∆H = 3732 [kJ/kg H 2 O] (7.20)<br />
∆H angiver reaktionens entalpi.<br />
70
7.4. Termokemisk energilagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
Reaktoren er opbygg<strong>et</strong> ved, at der er <strong>et</strong> indre system, som leverer vand fra og til d<strong>et</strong> termokemiske<br />
materiale i reaktorkernen, når der ønskes at oplade og aade energi. Derudover er der <strong>et</strong> ydre<br />
system, som leverer vand til og fra reaktoren. D<strong>et</strong>te vand løber rundt omkring reaktorkernen og<br />
er derved aldrig i direkte forbindelse med d<strong>et</strong> termokemiske materiale. D<strong>et</strong> er fra d<strong>et</strong>te system,<br />
energien som skal oplagres kommer fra, og d<strong>et</strong> er d<strong>et</strong> system, som energien skal frigives i igen.<br />
D<strong>et</strong>te er illustrer<strong>et</strong> på gur 7.7<br />
Figur 7.7. Illustration over en simpel reaktor til kemisk varmelagring<br />
Opladningsproces<br />
Energieektivit<strong>et</strong>en for opladningsprocessen kan beregnes ved forhold<strong>et</strong> mellem den energi, som<br />
bliver tilført d<strong>et</strong> termokemiske materiale og entalpien for reaktionen. Til opladningen føres der<br />
vand ind i reaktorens ydre system, som indeholder en vis energimængde, dener<strong>et</strong> ud fra dens<br />
pågældende temperatur. D<strong>et</strong>te vand kaldes "input-vand". D<strong>et</strong> vand der løber ud af reaktoren, når<br />
d<strong>et</strong> har frigiv<strong>et</strong> en del af energien kaldes for "output-vand". Ud fra d<strong>et</strong>te opstilles en funktion for<br />
energieektivit<strong>et</strong>en som funktion af temperaturforskellen mellem input - og output vand.<br />
Til at lagre energi i d<strong>et</strong> termokemiske materiale, dehydreres d<strong>et</strong> ved at tilføre varme, hvorved<br />
følgende reaktion vil forløbe.<br />
Sr(Br) 2 · 6H 2 O + varme → Sr(Br) 2 · H 2 O + 5H 2 O (7.21)<br />
I d<strong>et</strong>te eksempel for<strong>et</strong>ages dehydreringen af d<strong>et</strong> termokemiske materiale over en længere periode<br />
på 24-36 timer. D<strong>et</strong>te medfører, at der løber forholdsvis meg<strong>et</strong> vand gennem reaktoren, for at<br />
reaktionen kan forløbe fuldt ud. For at opstille en funktion er følgende nødvendige værdier opstill<strong>et</strong><br />
i tabel 7.4. Derudover vises variabler og deres symboler også.<br />
Ud fra ligning (6.18) i afsnit 6.2.2, kan energieektivit<strong>et</strong> beregnes ved.<br />
η opladning = ∆H reaktion<br />
m c · C p · ∆T<br />
(7.22)<br />
Ved at indsætte de oplyste værdier i ovenstående ligning, opnås følgende funktion over<br />
energieektivit<strong>et</strong>en som funktion af temperaturforskellen ved opladningsprocessen.<br />
η opladning (∆T ) = 25, 8[ ◦ C] ·<br />
1<br />
∆T<br />
(7.23)<br />
71
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
Beskrivelse Symbol Værdi<br />
Massen af vand, der gennemløber reaktoren m vand 10 000 [kg]<br />
Massen af produkt-vand fra reaktionen m produkt 57, 9 [kg]<br />
Entalpi for reaktionen ∆H 1, 080 × 10 6 [kJ]<br />
Vands specikke varmekapacit<strong>et</strong> C p 4, 180 [kJ/kg ·◦ C]<br />
Temperaturforskel mellem input - og output vand ∆T -<br />
Varme Q -<br />
Tabel 7.5. Oversigt over givne værdier<br />
D<strong>et</strong> ses at opladningsprocessen opnår den bedste energieektivit<strong>et</strong> ved en temperaturforskel på<br />
25.8[ ◦ C]. Endvidere gælder der, at temperaturforskellen ikke må være mindre end 25.8[ ◦ C], for<br />
ellers vil energieektivit<strong>et</strong>en overstige 1. Dertil bemærkes d<strong>et</strong>, at energieektivit<strong>et</strong>en falder som en<br />
hyperbel.<br />
Aadningsproces<br />
Til aadningsproccesen forløber den reversible reaktion ved at tilføre vand til d<strong>et</strong> termokemiske<br />
materiale, hvor efter følgende reaktion forløber.<br />
Sr(Br) 2 · H 2 O + 5H 2 O → Sr(Br) 2 · 6H 2 O + varme (7.24)<br />
Den varme der bliver frigiv<strong>et</strong> ved reaktionen, bliver overført til vand<strong>et</strong>, som gennemløber reaktoren<br />
og løber omkring reaktorkernen. Energieektivit<strong>et</strong>en er giv<strong>et</strong> ud fra ligning (6.22), og angiver<br />
forhold<strong>et</strong> mellem entalpien fra reaktionen, og den energi der bliver overført til vand<strong>et</strong>. For at holde<br />
eksempl<strong>et</strong> simpelt er de værdier, som blev opstill<strong>et</strong> i tabel 7.4 de samme for aadningsprocessen.<br />
D<strong>et</strong>te vil sige, at massen af vand<strong>et</strong> der gennemløber temperaturen er den samme samt entalpien<br />
for reaktionen er den samme. Ved at indsætte i ligningen for energieektivit<strong>et</strong>en er giv<strong>et</strong> ved.<br />
η afladning (∆T ) = 0, 0387[ ◦ C −1 ] · ∆T (7.25)<br />
Ligesom ved funktionen for energieektivit<strong>et</strong>en ved opladningsprocessen, har denne funktion<br />
også en begrænsning. Temperaturforskellen må ikke overstige 25, 8[ ◦ C], da d<strong>et</strong>te vil medføre at<br />
energieektivit<strong>et</strong>en overstiger 1. Endvidere bemærkes d<strong>et</strong> at der for aadningsprocessen er en<br />
lineær sammenhæng mellem energieektivit<strong>et</strong>en og temperaturforskellen.<br />
Den overordn<strong>et</strong> proces<br />
Energieektivit<strong>et</strong>en for den overordnede proces kan beregnes ved forhold<strong>et</strong> mellem den energi,<br />
som blev tilført d<strong>et</strong> termokemiske materiale, og den energi som blev frigiv<strong>et</strong> til vand<strong>et</strong> fra d<strong>et</strong><br />
termokemiske materiale. D<strong>et</strong>te er giv<strong>et</strong> ved følgende ligning (7.26)<br />
η = Q optag<strong>et</strong><br />
Q afgiv<strong>et</strong><br />
(7.26)<br />
72
7.4. Termokemisk energilagring <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
For at opstille en simpel funktion, deneres temperaturforskellen til at være den samme ved<br />
opladningsprocessen og aadningsprocessen. Endvidere bruges de samme værdier, opstill<strong>et</strong> i tabel<br />
7.4, til at denere en funktion for den overordn<strong>et</strong> proces.<br />
Ud fra ligning (6.18) og (6.22), kan ligning (7.26) omskrives til følgende.<br />
η = η opladning · η afladning (7.27)<br />
Da d<strong>et</strong> gælder for temperaturforskellen ved opladnings- og aadningsprocessen, at ∆T opladning ≥<br />
25, 8[ ◦ C] og ∆T afladning ≤ 25, 8[ ◦ C], kan funktionerne for energieektivit<strong>et</strong>en ikke multipliceres<br />
uden at opnå den konstante værdi 1, da d<strong>et</strong>te er den maksimale værdi energieektivit<strong>et</strong>en. For at<br />
opstille en funktion for den overordn<strong>et</strong> energieektivit<strong>et</strong>, tages der højde for disse begrænsninger<br />
ved at denere funktionerne til følgende:<br />
η opladning2 (∆T ) = 25, 8[ ◦ C] ·<br />
1<br />
25, 8[ ◦ C] + ∆T<br />
(7.28)<br />
η afladning2 (∆T ) = 0, 0387[ ◦ C −1 ] · (25, 8[ ◦ C] − ∆T ) (7.29)<br />
Ved at indsætte disse funktioner i ligning (7.27), opstilles en funktion for energieektivit<strong>et</strong>en for<br />
den overordn<strong>et</strong> proces giv<strong>et</strong> ved.<br />
η(∆T ) =<br />
51, 6[ ◦ C]<br />
25, 8[ ◦ C] + ∆T − 1 (7.30)<br />
Grafen for denne funktion samt funktionerne for opladnings- og aadningsprocessen, giv<strong>et</strong> ved<br />
henholdsvis ligning (7.23) og (7.25), afbilledes i følgende gur 7.8.<br />
73
Gruppe B142<br />
7. Analyse af termisk energilagring<br />
Figur 7.8. Grafer for funktionerne over opladning-,aadning- og den overordn<strong>et</strong> proces<br />
D<strong>et</strong> bemærkes, at ved aæsning af ∆T på grafen over den overordnede proces, er den faktiske<br />
temperaturforskel ved opladningsprocessen giv<strong>et</strong> ved ∆T opladning = 25, 8[ ◦ C] + ∆T, mens den<br />
faktiske temperaturforskel ved aadningsprocessen er ∆T afladning = 25, 8[ ◦ C] − ∆T.<br />
Ud fra gur 7.8 ses d<strong>et</strong> at energieektivit<strong>et</strong> nærmer sig 1, når temperaturforskellen ved<br />
opladning- og aadningsprocessen nærmer sig 25, 8[ ◦ C]. Efterfølgende vil energieektivit<strong>et</strong>en<br />
stige, når temperaturforskellen ved opladningsprocessen stiger, eller når temperaturforskellen ved<br />
aadningsprocessen falder.<br />
74
Drift økonomisk model<br />
8<br />
I d<strong>et</strong>te kapitel bliver der opstill<strong>et</strong> en <strong>driftsøkonomi</strong>sk model over den varmepumpe, som der er<br />
lav<strong>et</strong> forsøg med. Modellen bliver lav<strong>et</strong> med henblik på at undersøge, hvordan varmepumpen vil<br />
køre på tre udvalgte dage i 2012, når d<strong>et</strong> økonomisk er bedst rentabelt. Til at opstille modellen<br />
bruges computerprogramm<strong>et</strong> GAMS.<br />
Til at opstille modellen sættes følgende forudsætninger for lager<strong>et</strong>:<br />
ˆ Akkumuleringstank på 300 liter<br />
ˆ Temperaturforskellen på frem og tilbage løb på vand<strong>et</strong> er 30 [ ◦ C]<br />
Lagerkapacit<strong>et</strong>en i akkumuleringstanken kan beregnes, ud fra formel (6.6) på side 50, til 10,46<br />
kWh.<br />
Dertil gælder der, at modellen er lav<strong>et</strong> på 4,5 kW varmepumpe, men forsøgende med varmepumpen<br />
viste, at dens aktuelle varmeenergi eekt ændre sig som en funktion af ud<strong>et</strong>emperatur. Ligesom<br />
ved funktionen for COP, har denne udvikling også <strong>et</strong> skillepunkt ved en ud<strong>et</strong>emperatur på 3,35<br />
[ ◦ C]. Funktionerne for varmeenergi eekten er giv<strong>et</strong> ved følgende:<br />
Q out = 29, 1727 · t + 3310, 3934Q out = 60, 1947 · t + 1755, 3171 (8.1a)<br />
Til sidst inkluderes der en elpatron i modellen, som sættes i gang, når d<strong>et</strong> ikke kan b<strong>et</strong>ale sig at<br />
køre varmepumpen. Praktisk s<strong>et</strong> sidder elpatronen i akkumuleringstanken, hvor den kan varme<br />
vand<strong>et</strong> op.<br />
8.1 GAMS<br />
Algebraisk Modellering System (GAMS) er design<strong>et</strong> til at modellere lineære og ikke lineære<br />
optimeringsproblemer. Programm<strong>et</strong> er specielt nyttig til store komplekse problemer. Følgende<br />
gennemgås, hvordan den <strong>driftsøkonomi</strong>sk model opstilles.<br />
Modellen skal køre på timebasis i løb<strong>et</strong> af <strong>et</strong> døgn, derfor bruges følgende programmering.<br />
S<strong>et</strong>s / 1*24 hvilk<strong>et</strong> vil sige at modellen kører fra 1 24.<br />
Herefter deneres følgende timebaserede param<strong>et</strong>re samt konstanter; v (varmebehov), p (elpriser),<br />
h max (varmepumpe-kapacit<strong>et</strong>) og m (temperaturer). Dertil deneres den frie variable Z, som<br />
er omkostninger ved at køre varmepumpen, hvortil følgende positive variabler opstilles: e(t)<br />
(elforbrug), h(t) (varmeproduktion), i(t) (varme der kommer ind i akkumuleringstanken), o(t)<br />
(varme der bruges fra akkumuleringstanken) og L(t) (lagerstatus). Til sidst deneres skalaren<br />
L cap (lagrekapacit<strong>et</strong>). Tabel 8.1 viser en oversigt over de opstillede faktorer.<br />
75
Gruppe B142<br />
8. Drift økonomisk model<br />
Ligning<br />
B<strong>et</strong>ingelse<br />
eq_COP_{u} (t) (0,0524 * m(t) + 1,442) =G= 1;<br />
eq_COP_{o} (t) (0,0301 * m(t) + 2,0634) =G= 1;<br />
eq_prodbal (t)<br />
eq_forbbal (t)<br />
eq_lagstat (t)<br />
eq_prodmax (t)<br />
eq_emin (t)<br />
eq_lagmax (t)<br />
eq_obj<br />
e(t) * (0,0524 * m(t)+1,442) =E= h(t);<br />
v(t) =E= h(t) - i(t) + o(t);<br />
L(t) =E= L(t-1) + i(t) - o(t);<br />
h(t) =L= h_max(t);<br />
e(t) =G= 1e-5;<br />
l(t) =L= l_{cap};<br />
Z =E= sum(t,e(t) * p(t));<br />
Ligningerne fra tabel 8.1 skrives inde i GAMS, hvor efter følgende kommandoer bruges.<br />
model simple_SHP /All/;<br />
solve simple_SHP USING LP MINIMIZING z;<br />
Afslutningsvis trykkes på "Run GAMS"for at løse ulighederne.<br />
8.2 Modellen<br />
Ved brug af softwaren GAMS er d<strong>et</strong> muligt at minimere/optimere driftsomkostningerne til varmepumpen<br />
med korresponderende værdier på elpriser og vejrdata. I <strong>driftsøkonomi</strong>-modellen bruges<br />
lineær programmering i en meg<strong>et</strong> forenkl<strong>et</strong> udgave, der indebærer todimensionel optimering. Ligningen<br />
for modellen er sat op på følgende måde:<br />
Z =<br />
t=24<br />
∑<br />
i=1<br />
e(t) · p(t)<br />
Hvor Z er driftsomkostningerne, t er timer, e(t) elforbrug pr. time og p(t) elpris pr. time.<br />
Efterfølgende opstilles begrænsninger for at nde optimum og minimum:<br />
h(t) = e(t) · COP (t)<br />
v(t) = h(t) − i(t) + o(t)<br />
L(t) = L(t − 1) + i(t) − o(t)<br />
h(t) ≤ L cap<br />
h(t) ≤ h max (t)<br />
L(t) ≤ L cap<br />
COP u = 0, 0524 · m(t) + 1, 442 for m(t) ∈] − ∞ ◦ C; 3, 35 ◦ C]<br />
COP o = 0, 0301 · m(t) + 2, 0634 for m(t) ∈ [3, 35 ◦ C; ∞ ◦ C[<br />
COP'en en variabel som afhænger af ud<strong>et</strong>emperaturen, hvor forsøgene med varmepumpen viste,<br />
at funktionen for COP ændrede sig alt efter om der var afvisning eller ej. Når ud<strong>et</strong>emperaturen<br />
er over 3,35 [ ◦ C] aser varmepumpen ikke, og når ud<strong>et</strong>emperaturen er under 3,35 [ ◦ C] aser<br />
76
8.2. Modellen <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
varmepumpen. Funktionerne er dener<strong>et</strong> henholdsvis ved at COP o og COP u angiver funktionerne<br />
for, når ud<strong>et</strong>emperaturen er over og under 3,35[ ◦ C].<br />
Derudover er v(t) sat til at være en konstant giv<strong>et</strong> ved d<strong>et</strong> gennemsnitlige varmebehov pr. time i<br />
en giv<strong>et</strong> måned, angvi<strong>et</strong> i kWh .<br />
Dertil er temperaturdataene tag<strong>et</strong> fra DRY, og akkumuleringstankens lagercapacit<strong>et</strong> sættes til<br />
10,46 kWh.<br />
Varmeforbrug<br />
I modellen er d<strong>et</strong> nødvendigt at regne varmebehov<strong>et</strong> time for time. I gennemsnit kan danskernes<br />
varmeforbrug approksimeres til 18 MWh pr. husstand pr. år [Bolius.dk, 2013].<br />
I tabel 8.2 er opstill<strong>et</strong> fordelingen af varmeforbrug<strong>et</strong> i løb<strong>et</strong> af år<strong>et</strong> angiv<strong>et</strong> i procent. Dertil er<br />
udregn<strong>et</strong> d<strong>et</strong> faktiske varmebehov pr. måned, og pr. time i månederne.<br />
For at beregne d<strong>et</strong> faktiske behov pr. time bruges følgende ligning (8.2).<br />
Varmeforbrug pr. måned =<br />
Årsforbrug · Fordeling-af-varmeforbrug<br />
100<br />
(8.2)<br />
Dertil udregnes varmebehov<strong>et</strong> pr. time i månederne ved at dividere varmebehov<strong>et</strong> pr. måned med<br />
744[h] eller 720[h] alt efter om der er 31 eller 30 dage i d<strong>et</strong> giv<strong>et</strong> måned (for februar divideres der<br />
med 672 [h], da der kun er 28 dage i d<strong>et</strong>te måned). D<strong>et</strong>te er giv<strong>et</strong> ved ligning (8.3).<br />
v(t) =<br />
Varmeforbrug pr. måned<br />
Antal dage i d<strong>et</strong> givne måned<br />
(8.3)<br />
Måneder<br />
Fordeling af varmeforbrug<br />
(%)<br />
Varmeforbrug pr. måned<br />
Gennemsnitlig varmeforbrug<br />
pr. time<br />
Januar 15 2700 [kWh] 3,63 [kWh]<br />
Februar 14 2520 [kWh] 3,75 [kWh]<br />
Mars 13 2340 [kWh] 3,145 [kWh]<br />
April 10 1800 [kWh] 2,5 [kWh]<br />
Maj 4 720 [kWh] 0,967 [kWh]<br />
Juni 3 540 [kWh] 0,75 [kWh]<br />
Juli 2 360 [kWh] 0,48 [kWh]<br />
August 3 540 [kWh] 0,75 [kWh]<br />
September 3 540 [kWh] 0,725 [kWh]<br />
October 8 1440 [kWh] 2,0 [kWh]<br />
November 11 1980 [kWh] 2,66 [kWh]<br />
December 14 2520 [kWh] 3,5 [kWh]<br />
Tabel 8.1. Tabeloversigt over den gennemsnitlige fordeling af varmebehov<strong>et</strong> i løb<strong>et</strong> af år<strong>et</strong> [Seas-nve].<br />
77
Gruppe B142<br />
8. Drift økonomisk model<br />
Derved er der opstill<strong>et</strong> <strong>et</strong> gennemsnitlig varmeforbrug pr. time for hver af år<strong>et</strong>s måneder.<br />
8.3 Arbitrære udvalgte dage<br />
I modellen er varmepumpen sat til at køre tre forskellige dage i tre forskellige måneder fordelt hen<br />
over år 2012. De udvalgte dage er følgende:<br />
6. januar, hvor temperaturen var koldest på år<strong>et</strong><br />
3. oktober , hvor temperaturen varierede fra -3 og til 12 grader.<br />
3. juli, hvor temperatur var varmest på år<strong>et</strong><br />
I følgende afsnit vises der graske illustrationer over dataene fra GAMS i henhold til den<br />
<strong>driftsøkonomi</strong>ske optimering. Der vil blive for<strong>et</strong>ag<strong>et</strong> en sammenligning af dataene fra GAMS samt<br />
en konklusion på disse.<br />
Den 6. januar 2012<br />
Ud fra temperaturene fra DRY, var den koldeste dag på år<strong>et</strong> den 3. januar. D<strong>et</strong> er derved også den<br />
måned, hvor varmebehov<strong>et</strong> er størst, jævnfør tabel 8.2, hvor varmebehov<strong>et</strong> gennemsnitlig er 3,63<br />
kWh pr. time. Ifølge resultaterne fra GAMS vil varmepumpen ikke køre den dag, da d<strong>et</strong> økonomisk<br />
ikke kan b<strong>et</strong>ale sig, fordi varmepumpens COP ikke er én eller derover. Normalt kan COP'en aldrig<br />
være under én, men da der er tag<strong>et</strong> højde for at varmepumpen kan ase, er d<strong>et</strong> dermed muligt at<br />
COP'en kan komme under én.<br />
Den 3. oktober<br />
I oktober måned var varmebehov<strong>et</strong> gennemsnitlig 2 kWh pr. time i måneden samt temperaturene<br />
var højere i forhold til januar måned. D<strong>et</strong>te medfører, at d<strong>et</strong> kan b<strong>et</strong>ale sig at køre varmepumpen,<br />
hvor følgende gur 8.1 viser dens drift for 3. oktober.<br />
Figur 8.1. Økonomisk model<br />
Den 3. oktober kører varmepumpen fra klokken 01 til 07 med en varmeproduktion på omkring 1,5 <br />
2,0 kWh. Elforbrug<strong>et</strong> er i d<strong>et</strong>te tidsrum tæt på at være kontant. Fra klokken 07 til 09 overproducerer<br />
varmepumpen, hvoraf den overskydende energi bliver lagr<strong>et</strong> i akkumuleringstanken. Dertil når<br />
varmepumpen en maksimal varmeproduktion på 4,0 [kWh] i den pågældende tidsperiode. Fra<br />
klokken 09 til 12 kører varmepumpen igen med en overskydende varmeproduktion, hvorved varmen<br />
lageres i akkumulationstanken. I perioden mellem klokken 12 til 15 kører varmepumpen ikke, men<br />
78
8.3. Arbitrære udvalgte dage <strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
i sted<strong>et</strong> forbruges varmen fra akkumuleringstanken. Klokken 15 til 17 kører varmepumpen igen<br />
med en overskydende varmeproduktion. Fra klokken 17 til 21 kører varmepumpen delvis, hvorved<br />
elforbrug<strong>et</strong> er mindre. Samtidig forbruges den producer<strong>et</strong> varme med d<strong>et</strong> samme. Fra klokken 21<br />
til 24 kører varmepumpen igen med en konstant varmeproduktion på 2 [kWh], hvor elforbrug<strong>et</strong><br />
også er konstant.<br />
Den 3. juli<br />
Den 3. juli var d<strong>et</strong> gennemsnitlige varmebehov på 0,48 [kWh], hvilk<strong>et</strong> er b<strong>et</strong>ydeligt mindre i forhold<br />
til varmebehov<strong>et</strong> den 3. oktober og den 6. januar. D<strong>et</strong>te skyldes i høj grad den høje ud<strong>et</strong>emperatur,<br />
som der er om sommeren. Som d<strong>et</strong> ses på gur 8.2 kører varmepumpen fra klokken 01 til 05, hvor<br />
oplagre varme, der bliver brugt resten af dagen.<br />
Figur 8.2. Økonomisk model<br />
Ved at sammenholde resultaterne fra forsøgene med varmepumpen og modellen fra GAMS kan<br />
d<strong>et</strong> konkluderes, at d<strong>et</strong> ikke kan b<strong>et</strong>ale sig at køre varmepumpen i de dage, hvor temperaturene er<br />
under -8,5 ◦ C, id<strong>et</strong> at varmepumpen får en COP under én. D<strong>et</strong>te b<strong>et</strong>yder at varmepumpen bruger<br />
mere energi end den producerer.<br />
79
Del III<br />
Afrunding<br />
81
Konklusion<br />
9<br />
I d<strong>et</strong>te afsnit vil der drages en konklusion på rapporten og dens delelementer ud fra<br />
problemformulering.<br />
9.1 Varmepumpe<br />
En varmepumpe fungerer ved en termodynamisk kredsproces, hvor den overfører varme fra <strong>et</strong><br />
koldt reservoir til <strong>et</strong> varmt reservoir ved at udnytte fordampnings-/kondenseringsvarmen af <strong>et</strong><br />
kølemiddel. En varmepumpe består af re komponenter; fordamper, kompressor, kondensator og<br />
en ekspansionsventil. Varmen bliver ført rundt i varmepumpe-system<strong>et</strong> af kølemiddl<strong>et</strong>, som har<br />
kemiske egenskaber, der gør d<strong>et</strong> til en eektiv energibærer, når d<strong>et</strong> udsættes for termodynamiske<br />
processer.<br />
9.2 <strong>Varmepumpens</strong> COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen<br />
I de for<strong>et</strong>agede forsøg med en 4,5 kW Sanyo SHP-C45DEN CO 2 luft/vand varmepumpe, hvor dens<br />
COP blev målt som en funktion af ud<strong>et</strong>emperaturen, viste d<strong>et</strong> sig, at udviklingen kan beskrives<br />
ved to lineære funktioner, giv<strong>et</strong> ved følgende.<br />
COP(T17) = 0, 0301 · T 17 + 2, 0634 for T17 ∈ [3, 35 ◦ C; ∞ ◦ C[<br />
COP(T17) = 0, 0524 · T 17 + 1, 4422 for T17 ∈] − ∞ ◦ C; 3, 35 ◦ C]<br />
Undersøgelserne viste at de lineære sammenhænge havde <strong>et</strong> skillepunkt, da varmepumpen i<br />
asningsfasen fulgte en anden funktion. Skillepunkt<strong>et</strong> forekom ved en ud<strong>et</strong>emperatur på 3, 35[ ◦ C].<br />
Ud fra den fundne sammenhæng, viste d<strong>et</strong> sig, at varmepumpens COP kom ned på 1, når<br />
ud<strong>et</strong>emperaturen var −8, 4[ ◦ C], hvilk<strong>et</strong> vil sige, at d<strong>et</strong> ud fra en energieektivit<strong>et</strong>s sammenhæng<br />
ikke kan b<strong>et</strong>ale sig, at køre varmepumpen, når ud<strong>et</strong>emperaturen kommer der under.<br />
9.3 Termisk varmelager<br />
Der eksisterer generelt tre forskellige måder at lagre varme på; sensibel -, latent - og kemisk<br />
varmelagring. Som diskuter<strong>et</strong> tidligere i rapporten er der forskellige fordele og ulemper ved de<br />
forskellige lagringsm<strong>et</strong>oder. Sensibel varmelagring er praktisk den mest håndterbare, mens latent<br />
og kemisk varmelagring er mere komplicer<strong>et</strong> at bruge. Modsat vil latent og kemisk varmelagring<br />
teor<strong>et</strong>isk s<strong>et</strong> kunne lagre varme uden energitab, hvilk<strong>et</strong> ikke er tilfæld<strong>et</strong> med sensibel varmelagring,<br />
da varmen vil blive afgiv<strong>et</strong> til omgivelserne under lagringsperioden.<br />
I rapporten blev der for<strong>et</strong>ag<strong>et</strong> <strong>et</strong> forsøg med sensibel varmelagring for at vericere en opstill<strong>et</strong> model<br />
over <strong>et</strong> varmelager. Da forsøg<strong>et</strong> havde b<strong>et</strong>ydelige fejlkilder og usikkerhed, var d<strong>et</strong> ikke muligt at<br />
konkludere om den opstillede model vil være god nok til at kunne beregne, hvordan <strong>et</strong> energilager<br />
skulle konstrueres for at opnå en giv<strong>et</strong> lagringstid.<br />
83
Gruppe B142<br />
9. Konklusion<br />
9.4 Økonomiske model<br />
Ud fra data fra forsøg<strong>et</strong> med varmepumpen blev der opstill<strong>et</strong> en økonomisk model, der kunne<br />
beregne, hvornår d<strong>et</strong> var mest rentabelt at køre varmepumpen. Modellen tager højde for faktorer<br />
som ud<strong>et</strong>emperatur, el-priser og varmebehov og er lav<strong>et</strong> ud fra tre udvalgte dage: 6. januar, 3.<br />
juli og 3. oktober. Ud fra den model kan d<strong>et</strong> konkluderes, at d<strong>et</strong> ikke kan b<strong>et</strong>ale sig at køre<br />
varmepumpen den 6. januar. D<strong>et</strong>te skyldes at varmepumpen har en lav COP-værdi på grund af<br />
de lave ud<strong>et</strong>emperaturer. Den 3. juli kan d<strong>et</strong> godt b<strong>et</strong>ale sig at køre varmepumpen om natten, da<br />
ud<strong>et</strong>emperaturen i d<strong>et</strong>te tilfælde er b<strong>et</strong>ydelige højere, hvilk<strong>et</strong> medfører en højere COP-værdi. Den<br />
3. oktober kan d<strong>et</strong> ligeledes også b<strong>et</strong>ale sig at køre varmepumpen om natten, selvom temperaturen<br />
er lavere i oktober måned end juli måned, er den stadig høj nok til, at varmepumpens COP-værdi<br />
medfører en rentabel varmeproduktion.<br />
Modellen skal tages med forbehold, da temperaturdataene er tag<strong>et</strong> ud fra <strong>et</strong> DRY år, og at<br />
varmebehov<strong>et</strong> for de udvalgte dage på timebasis er sat til at være konstant.<br />
Generelt foreslår modellen, at d<strong>et</strong> er billigere at køre varmepumpen, når ud<strong>et</strong>emperaturen er høj,<br />
men d<strong>et</strong> er samtidig også d<strong>et</strong> tidspunkt, hvor varmebehov<strong>et</strong> er mindst. I denne generalisering skal<br />
der stadig tages høje for, at elpriserne kan uktuere uafhængigt af ud<strong>et</strong>emperaturen.<br />
9.5 Perspektivering<br />
Denne rapport kan perspektiveres til en kommende indførsel af <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> med henblik på<br />
styring af varmepumper. Ud fra vejrdata og data fra den specikke varmepumpe kan driften af<br />
varmepumpen optimeres, så den kun kører i de timer, hvor d<strong>et</strong> er økonomisk bedst rentabelt, men<br />
samtidig også kører tilstrækkeligt til at opfylde varmebehov<strong>et</strong>.<br />
Modellen kan optimeres ved at medtage dugpunktstemperaturen i varmepumpeforsøg<strong>et</strong> for at give<br />
<strong>et</strong> mere præcist billede af, hvornår asningen indtræer, samt medtage varm<strong>et</strong>absberegninger for<br />
akkumulatortanken. Yderligere kan der for<strong>et</strong>ages ere forsøg ved forskellige temperaturer for at få<br />
en mere nøjagtig udvikling af COP og varmeenergi eekt. Endvidere kan undersøgelsen udvides<br />
til at omfatte ere varmepumpemodeller med forskellige kølemidler, kapacit<strong>et</strong> og varmekilde for at<br />
nde den optimale løsning på marked<strong>et</strong>.<br />
Derudover kunne d<strong>et</strong> være interessant at undersøge, hvordan <strong>et</strong> varmelager skal konstrueres med<br />
henblik på varmepumpers varmeenergi eekt og lagringstiden for at opnå den økonomisk bedste<br />
løsning for forbrugeren.<br />
84
Litteratur<br />
Ali Haji Abedin. Thermochemical energy storage systems: Modelling, analysis and design. 2010.<br />
URL https://ir.library.dc-uoit.ca/bitstream/10155/119/1/Haji%20Abedin_Ali.pdf.<br />
Ali H. Abedin & Marc A. Rosen. A critical review of thermochemical energy storage systems.<br />
The Open Renewable Journal, pages 4246, 2011. URL<br />
http://benthamscience.com/open/torej/articles/V004/42TOREJ.pdf.<br />
Bolius.dk. Så meg<strong>et</strong> sparer du på elvarme og varmepumper i 2013. Intern<strong>et</strong>side, februar 2013.<br />
URL http://www.bolius.dk/alt-om/energi/artikel/<br />
saa-meg<strong>et</strong>-sparer-du-paa-elvarme-og-varmepumper-i-2013/.<br />
Danmarks vindmølleforening. År<strong>et</strong> der gik - 2012, 2012. URL<br />
http://www.dkvind.dk/html/nogl<strong>et</strong>al/pdf/aar<strong>et</strong>_dec12.pdf. S<strong>et</strong>. d. 20-04-2013.<br />
Den Store Danske - Gyldendals åbne encyklopædi. Spidsbelasning, April 2013. URL<br />
http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Elektricit<strong>et</strong>/<br />
Kraftforsyning_generelt/spidsbelastning. S<strong>et</strong> d. 27-04-2013.<br />
DVI. Behovsstyr<strong>et</strong> jordvarme. URL http:<br />
//www.jordvarme.dk/files/manager/pdf/DVI_Brochure_behovsstyr<strong>et</strong>_jordvarme.pdf.<br />
Ea Energianalyse A/S. Kombination af vindkraft og varmepumpe til varmeplan Århus. PDF,<br />
Marts 2010. URL<br />
http://www.ea-energianalyse.dk/reports/929_VindVarmeAarhus_Final.pdf. S<strong>et</strong> d.<br />
04-04-2013 (side 18).<br />
Ea energianalyse A/S. Ready - varmepumper i smart grid sammenhæng, maj 2012. URL<br />
http://www.ea-energianalyse.dk/projects-danish/1236-READY-varmepumper.html. S<strong>et</strong><br />
d. 25-04-2013.<br />
EMD International A/S. Elpriser, April 2013. URL www.emd.dk/el. S<strong>et</strong> d. 30-04-2013.<br />
EnergiConsult.dk. Sådan virker en varmepumpe. intern<strong>et</strong>side. URL<br />
http://energiconsult.dk/varmepumpe_saadan.htm.<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Systemydelser til levering i danmark udbudsb<strong>et</strong>ingelser, Oktober 2012a. URL<br />
http://energin<strong>et</strong>.dk/SiteCollectionDocuments/Danske%20dokumenter/El/<br />
Systemydelser%20til%20levering%20i%20Danmark%20-%20Udbudsb<strong>et</strong>ingelser%20g%C3%<br />
A6ldende%20fra%203%20%20oktober%202012.pdf. S<strong>et</strong> d. 21-04-2013. (Side 5).<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Systemydelser til levering i danmark udbudsb<strong>et</strong>ingelser, Oktober 2012b. URL<br />
http://energin<strong>et</strong>.dk/SiteCollectionDocuments/Danske%20dokumenter/El/<br />
Systemydelser%20til%20levering%20i%20Danmark%20-%20Udbudsb<strong>et</strong>ingelser%20g%C3%<br />
A6ldende%20fra%203%20%20oktober%202012.pdf. S<strong>et</strong> d. 25-04-2013.<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Film om smart grid denmark, Januar 2013a. URL<br />
http://www.energin<strong>et</strong>.dk/DA/FORSKNING/Energin<strong>et</strong>-dks-forskning-og-udvikling/<br />
<strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong>/Sider/Film-<strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong>-Danmark.aspx. S<strong>et</strong> d. 09-04-2013.<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Film: <strong>Smart</strong> grid danmark, April 2013b. URL<br />
http://www.energin<strong>et</strong>.dk/DA/FORSKNING/Energin<strong>et</strong>-dks-forskning-og-udvikling/<br />
<strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong>/Sider/Film-<strong>Smart</strong>-<strong>Grid</strong>-Danmark.aspx. S<strong>et</strong> d. 28-02-2013.<br />
85
Gruppe B142<br />
Litteratur<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Generelt om elanlæg. Intern<strong>et</strong>side, januar 2013c. URL http://www.energin<strong>et</strong>.<br />
dk/DA/ANLAEG-OG-PROJEKTER/Generelt-om-elanlaeg/Sider/default.aspx. S<strong>et</strong> d.<br />
25-04-2013.<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Generelt om elanlaeg, februar 2013d. S<strong>et</strong> d. 26-02-2013.<br />
Energin<strong>et</strong>.dk. Udtræk af markedsdata. intern<strong>et</strong>side, maj 2013e. URL http:<br />
//energin<strong>et</strong>.dk/DA/El/Engrosmarked/Udtraek-af-markedsdata/Sider/default.aspx. S<strong>et</strong><br />
d. 25-04-2013.<br />
Dansk Energi Energin<strong>et</strong>.dk. <strong>Smart</strong> <strong>Grid</strong> i Danmark. URL http:<br />
//www.danskenergi.dk/~/media/<strong>Smart</strong>_<strong>Grid</strong>/<strong>Smart</strong>_<strong>Grid</strong>_Rapport.pdf.ashx%E2%80%8E.<br />
Dansk Energi Energin<strong>et</strong>.dk. <strong>Smart</strong> grid i danmark. November 2012c. URL<br />
http://energin<strong>et</strong>.dk/SiteCollectionDocuments/Danske%20dokumenter/El/D<strong>et</strong>%<br />
20intelligente%20elsystem%20-%20<strong>Smart</strong><strong>Grid</strong>%20i%20Danmark%20rapport.pdf. S<strong>et</strong> d.<br />
10-04-2013.<br />
side 5 Energin<strong>et</strong>.dk. <strong>Smart</strong> grid i danmark, 2012d. URL<br />
http://energin<strong>et</strong>.dk/SiteCollectionDocuments/Danske%20dokumenter/El/D<strong>et</strong>%<br />
20intelligente%20elsystem%20-%20<strong>Smart</strong><strong>Grid</strong>%20i%20Danmark%20rapport.pdf. S<strong>et</strong> d.<br />
25-04-2013. (Side 5).<br />
Experimentarium.dk. Elmarkederne. URL http://www.climateminds.dk/index.php?id=677.<br />
S<strong>et</strong> d. 01-04-2013.<br />
Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>. Energiaftalen i korte træk. online pdf, 2012a. URL<br />
http://www.ens.dk/sites/ens.dk/files/politik/dansk-klima-energipolitik/<br />
Redegoerelse_om_forsyningsikkerhed-hovedrapport.pdf. S<strong>et</strong> d. 25-04-2013.<br />
Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>. Energiaftale, Marts 2012b. URL<br />
http://www.kemin.dk/DA-DK/KLIMAOGENERGIOGBYGNINGSPOLITIK/DANMARK/ENERGIAFTALER/<br />
Sider/Forside.aspx. S<strong>et</strong> 09-04-2013.<br />
Klima-, Energi- og Bygningsministeri<strong>et</strong>. Energistrategi 2050, april 2013. URL<br />
http://www.kemin.dk/Documents/Klima-%20og%20Energipolitik/Energistrategi%<br />
202050%20-%20final.pdf. S<strong>et</strong> d. 28-02-2013.<br />
Klima- og Energiministeri<strong>et</strong>. Energiforsyningssikkerhed - redegørelse om forsyningssikkerheden i<br />
danmark. PDF, februar 2010. URL http://www.ens.dk/sites/ens.dk/files/politik/<br />
dansk-klima-energipolitik/Redegoerelse_om_forsyningsikkerhed-hovedrapport.pdf.<br />
S<strong>et</strong> d. 25-04-2013. (side 35).<br />
Klimaupdate. Verdens energiforbrug stiger 40 procent før 2030, april 2013. URL<br />
http://www.klimaupdate.dk/default.asp?newsid=711&opt=1. S<strong>et</strong> d. 25-03-2013.<br />
Eigil Nielsen. Nog<strong>et</strong> Om Køl<strong>et</strong>eknik, volume I. eigil.dk, ISBN-13: 978-87-90477-07-3, 4. edition,<br />
2010.<br />
Nord Pool spot, a. URL http://www.nordpoolspot.com/TAS/Intraday-mark<strong>et</strong>-Elbas/. S<strong>et</strong> d.<br />
25-02-2013.<br />
Nord Pool spot. Day-ahead trading at elspot, b. URL<br />
http://www.nordpoolspot.com/TAS/Day-ahead-mark<strong>et</strong>-Elspot/. S<strong>et</strong> d. 12-03-2013.<br />
Nord Pool spot. About us, c. URL http://www.nordpoolspot.com/About-us/. S<strong>et</strong> d.<br />
01-05-2013.<br />
86
Litteratur<br />
<strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
M<strong>et</strong>te Nyborg. Tjek køleskab<strong>et</strong> oven på strømafbrydelsen. Fødevarestyrelsen, september 2003.<br />
URL http://www.altomkost.dk/Services/Nyhedsrum/Nyheder/2003/Tjek_koeleskab<strong>et</strong>_<br />
oven_paa_stroemafbrydelsen.htm.<br />
Klima-Energi og Bygningsministeri<strong>et</strong>. Hovedrapport for smart grid n<strong>et</strong>værk<strong>et</strong>s arbejde. Hæfte,<br />
oktober 2011.<br />
OK. Varmepumper fra ok, April 2013. URL http://www.ok-varmepumper.dk/. S<strong>et</strong> d.<br />
09-04-2013.<br />
Seas-nve. Varmeforbrug pr. måned. URL<br />
http://energin<strong>et</strong>.dk/SiteCollectionDocuments/Danske%20dokumenter/El/D<strong>et</strong>%<br />
20intelligente%20elsystem%20-%20<strong>Smart</strong><strong>Grid</strong>%20i%20Danmark%20rapport.pdf.<br />
Marco Semadeni. Storage of energy, overview. In Encyclopedia of Energy, pages 719 738.<br />
Elsevier, New York, 2004. ISBN 978-0-12-176480-7. doi: 10.1016/B0-12-176480-X/00104-2.<br />
URL http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B012176480X001042.<br />
Statn<strong>et</strong>t. What does a transmission system operator do? intern<strong>et</strong>side. URL<br />
http://www.statn<strong>et</strong>t.no/en/The-power-system/The-power-situation/<br />
Mark<strong>et</strong>-functions/What-does-a-transmission-system-operator-do/. S<strong>et</strong> d. 25-03-2013.<br />
Verdens Banken. Explore. create. share: Development data. Intern<strong>et</strong>side. URL<br />
http://databank.worldbank.org/data/home.aspx.<br />
Richard Wolfson. Essential Univerity Physics, volume 1. Pearson, second edition edition, 2012a.<br />
Richard Wolfson. Essential Univesity Physics. Pearson, 2012b. ISBN-13: 978-0-321-70669-0.<br />
Robert H. Turner Mehm<strong>et</strong> Kanoglu Yunus A. Cengel, John M. Cimbala. Fundamentals of<br />
Thermal-uid Sciences. McGraw-Hill, ISBN 978-007-132511-0, 2012a.<br />
Robert H. Turner Mehm<strong>et</strong> Kanoglu Yunus A. Cengel, John M. Cimbala. Fundamentals of<br />
Thermal-uid Sciences. McGraw-Hill, ISBN 978-007-132511-0, 2012b.<br />
87
Figurer<br />
2.1 Illustration over problemanalysens opbygning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5<br />
2.2 Vindproduktion og el-forbrug i Danmark fra december år 2012 og 50 procent mere vind<br />
med tilsvarende forbrug i samme måned år 2020 [Energin<strong>et</strong>.dk, 2013e]. . . . . . . . . . 7<br />
2.3 Kort over d<strong>et</strong> danske transmissionsn<strong>et</strong> [Energin<strong>et</strong>.dk, 2013c]. . . . . . . . . . . . . . . 8<br />
2.4 Grafen viser elspotpris, op- og nedreguleringspris, elforbrug samt elproduktionstype i<br />
vest Danmark. Grafen dækker 24 timer for tirsdag d. 30. april 2013[EMD International<br />
A/S, 2013]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10<br />
2.5 Illustration over <strong>et</strong> eksempel på en varmepumpes reservekapacit<strong>et</strong>. . . . . . . . . . . . 15<br />
3.1 Illustration over problemløsningens opbygning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23<br />
4.1 Model over en varmepumpes forløb [EnergiConsult.dk]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 25<br />
4.2 pV-diagram for Carnot-kredsprocessen. p er tryk, og V er volumen [Yunus A. Cengel,<br />
2012a, side 256]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27<br />
4.3 En vilkårlig cyklus approksimer<strong>et</strong> med isotermisk og adiabatiske segmenter [Wolfson,<br />
2012b, side 321] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30<br />
4.4 Log(p)H-diagram over skillepunkt<strong>et</strong> for CO 2 luft/vand varmepumpe . . . . . . . . . . 33<br />
5.1 Viser EES modellens kredsproces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36<br />
5.2 Diagram over forsøgsvarmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38<br />
5.3 COP som funktion af tid ved asning af fordamper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
5.4 Ud<strong>et</strong>emperatur som funktion af tid ved asning af fordamper . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
5.5 COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41<br />
5.6 Varmeeekten, Q out , som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42<br />
5.7 COP som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />
5.8 Varmeeekten, Q out , som funktion af ud<strong>et</strong>emperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43<br />
5.9 Sammenligning af COP værdier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
5.10 Sammenligning af Q out værdier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45<br />
6.1 Den indre energi af <strong>et</strong> system, er summen af alle former af mikroskopiske energi. [Yunus<br />
A. Cengel, 2012b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49<br />
6.2 De forskellige former for mikroskopisk energi, der til sammen udgøre sensibel<br />
energi.[Yunus A. Cengel, 2012b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
6.3 Illustration over principp<strong>et</strong> ved konvektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52<br />
6.4 Diagram over de tre stadier i varmelagring. [Ali H. Abedin & Marc A. Rosen, 2011] . 54<br />
6.5 Illustration af opladningsprocessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55<br />
6.6 Illustration af aadningsprocessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57<br />
7.1 (a) Viser en tegning af forsøgsopstillingen. (b) Viser <strong>et</strong> fotogra af forsøgsopstillingen . 64<br />
7.2 Temperatur som funktion af tid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65<br />
7.3 Grafer over funktionerne for model og forsøg til beholderen med isoleringstykkelse på<br />
6[cm] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.4 Grafer over funktionerne for model og forsøg til beholderen med en isoleringstykkelse<br />
på 4[cm] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
7.5 Grafer over funktionerne for model og forsøg til beholderen med en isoleringstykkelse<br />
på 2[cm] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68<br />
88
Figurer<br />
<strong>Aalborg</strong> Universit<strong>et</strong><br />
7.6 Udsnit af beholderen med en isoleringstykkelse på 6[cm] . . . . . . . . . . . . . . . . . 70<br />
7.7 Illustration over en simpel reaktor til kemisk varmelagring . . . . . . . . . . . . . . . . 71<br />
7.8 Grafer for funktionerne over opladning-,aadning- og den overordn<strong>et</strong> proces . . . . . . 74<br />
8.1 Økonomisk model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78<br />
8.2 Økonomisk model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79<br />
A.1 Eksponentielle regressioner over forsøgsdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91<br />
89
Tabeller<br />
2.1 Oversigt over fordele og ulemper ved VPP og individuel styring . . . . . . . . . . . . . 14<br />
2.2 Oversigt af de tre mest benyttede varmepumper. [OK, 2013] . . . . . . . . . . . . . . . 16<br />
4.1 Sammenligning af R744, R717 og R134a. Værdierne er fund<strong>et</strong> ved hjælp af CoolPack. 32<br />
5.1 Tabeloversigt over asningsforsøg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
5.2 Tabeloversigt over skillepunkt<strong>et</strong> for asning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39<br />
5.3 Tabeloversigt over forsøg uden asning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40<br />
5.4 Værdier fra forsøg<strong>et</strong> med varmepumpen og EES modellen . . . . . . . . . . . . . . . . 44<br />
6.1 Tabel over indre energi af <strong>et</strong> system forbund<strong>et</strong> med den kin<strong>et</strong>iske energi af molekylerne.<br />
[Yunus A. Cengel, 2012b] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50<br />
6.2 Isoleringsmateriel og Konduktivit<strong>et</strong>konstanten k. Alle ender er i [W/m · K] . . . . . . 51<br />
6.3 Egenskaberne for CaCl 2 · 6H 2 O. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53<br />
6.4 Tabel for forskellige materialer til termokemisk energilagring. [Ali H. Abedin & Marc<br />
A. Rosen, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58<br />
6.5 En oversigt over fordele og ulempe ved forskellige lagrings m<strong>et</strong>oder. [Ali H. Abedin &<br />
Marc A. Rosen, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60<br />
7.1 Tabeloversigt over værdier til opstill<strong>et</strong> eksempel af en akkumulationstank . . . . . . . 63<br />
7.2 Tabeloversigt over de nødvendige værdier til opstilling af modellerne over beholderne . 66<br />
7.3 Tabeloversigt over de opstillede og fundne funktioner for temperaturen inde i<br />
akkumulationstankene som funktion af tiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67<br />
7.4 Tabeloversigt over halveringstiden, i timer [h], for funktionerne for model og forsøg samt<br />
den procentvise-afvigelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69<br />
7.5 Oversigt over givne værdier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72<br />
8.1 Tabeloversigt over den gennemsnitlige fordeling af varmebehov<strong>et</strong> i løb<strong>et</strong> af år<strong>et</strong> [Seas-nve]. 77<br />
90
Data til<br />
varmelagringsforsøg<br />
A<br />
Figur A.1. Eksponentielle regressioner over forsøgsdata<br />
91