Dette kapittelet belyser integreringen mellom «KAN Referansa» med dampproduksjon til dampturbiner tilknyttet et fjernvarmenett, og et nytt karbonfangstanlegg, med strømbehov, varmebehov og kjølebehov. Det er sett på varmeforsyning til fangstanlegget, gjenvinning av spillvarme fra fangstanlegget og kjøling av ubenyttet spillvarme. Kapittelet er basert på vedlagte rapport «L3 – Smarte integrasjoner for avfallsforbrenningsanlegg med karbonfangst» av Norsk Energi.

1 Sammendrag

For dampforsyning ble det konkludert at det vil være mest energieffektivt å enten:

1. Ta damp oppstrøms eksisterende dampturbin gjennom en ny turbin tilpasset det damptrykket fangstanlegget behøver eller 

2. Ta så mye damp som mulig fra avtappingene på eksisterende turbin og resten oppstrøms turbin.

Det siste vil være mer økonomisk gunstig og kreve mindre innvesteringer. Det kan også være interessant fra et energisynspunkt å utforske mulighetene for å la 100 % av dampen gå gjennom eksisterende turbin for så å trykke det opp gjennom en dampvifte til reboilertrykk, spesielt dersom trykket på dampen fra turbinen er nære reboilertrykket.

Spillvarme fra fangstanlegget kan gjenvinnes til fjernvarmenettet (FV-nettet) eller tilbake til fangstanlegget. Gjenvinning til fangstanlegget vil ikke lønne seg fra et energisynspunkt og er kun aktuelt dersom avfallsforbrenningsanlegget ikke har tilgjengelig damp eller hetvann. Gjenvinning til FV-nettet, for å opprettholde samme FV-leveranse definert for «KAN Referansa», kan gjøres med en COP på 6,5 for å opprettholde samme FV-leveranse. Med spillvarmen tilgjengelig fra fangstanlegget kan man øke FV-leveranse fra 28,75 MW til 44,9 MW med en varmepumpe med COP på 3,5. Det er mange ulike varmepumpeteknologier som burde vurderes nærmere ved installasjon, disse er avhengig av detaljer i hvert unike prosjekt.

Døgnbaserte variasjoner i FV-behovet kan gi driftsutfordringer for varmepumper, for å løse dette er det mulighet for å lagre spillvarme i FV-nettet eller akkumulatortank. Dersom dette ikke er mulig burde varmepumpene periodevis legges som grunnlast for å sikre bedre driftsforhold når døgnvariasjonene ikke tillater kontinuerlig drift av varmepumpene.

Kjøling av ubenyttet spillvarme vil være en stor utfordring og lokasjonsavhengig, det beste er om man finner brukere av spillvarme i eller utenfor eget anlegg. Geotermisk varme eller lagring av sorbent er aktuelt å vurdere for sesonglagring av varme.

Kjølingen man ikke får lagret kan tas av tørrkjølere på de fleste dagene temperaturene tillater det. Sorptiv kjøling eller absorbsjonskjølere kan benyttes på de varmeste dagene for å oppnå riktig lav temperatur dersom fangstleverandøren krever dette. Dersom FV-nettet kan kobles mot sjøvannskjøling for å få lavere returtemperaturer kan det bidra til kjøling. Tørrkjølere på tak blir nok uansett nødvendig, men med smarte integrasjoner kan man redusere effektbehovet noe. Tørrkjølere vil være plasskrevende og bør minimeres.

2 Beskrivelse av energisystemet

Fangstanlegget «KAN Referansa» er et aminbasert fangstanlegg, med fire varmevekslere varme kan hentes fra, og en varmeveksler varme leveres til.

2.1 Nøkkeltall for «KAN Referansa»

• Avfallsmengde: 100 000 tonn/år avfall og 100 000 tonn/år fanget CO2
• Kontinuerlig drift – 8000 timer per år 
• Anlegget produserer damp ved 40 barg og  400 °C som konverteres til elkraft og fjernvarme 
• Overskuddsvarme fra turbinen kjøles bort på sommeren, anlegget har kapasitet til å kjøle all varmen som går til Fjernvarme på vinteren i tørrkjølere

2.2 Nøkkeltall for fjernvarmenettet (FV) som referanseanlegget «KAN Referansa» leverer til:

• Årlig varmebehov til FV er 200 GWh, «KAN Referansa» leverer 175 GWh av disse som grunnlast i fjernvarmesystemet fra damp nedstrøms turbin.
• Minimum effektbehov gjennom året er ca. 6,5 MW.
• Fjernvarmenettet driftes med en tur/returtemperatur på 90/60 °C. I perioder (vinter) kan tur og retur være noe høyere. Maksimal varmeleveranse fra «KAN Referansa» er 28,75 MW uten et karbonfangstanlegg, dette tilsvarer 844 m3/h på 60/90 °C. Der er antatt at denne mengden er konstant.
• 60/90 °C er antatt selv om flere anlegg vil ha en høyere tur-temperatur og en lavere flow. Høyere tur-temperaturer og lavere flow kan gi endringer på COP-er presentert samt gjøre andre varmepumpeteknologier aktuelt. De fleste FV-nett har som mål å senke både tur og returtemperaturer og dette er grunnen til at 60/90 °C er valgt som et noe fremtidsrettet temperaturnivå. 
• Det er muligheter for akkumulering opp til 110 °C, men dette er lite brukt.

2.3 Fangstanlegget

Nøkkeltall for fangstanlegget (CC) som er tiltenkt på «KAN Referansa» som er basert på et aminanlegg, da det er mest utbredt.

• Varmebehov (damp) på 12,5 MW, tilsvarende 100 GWh per år til reboiler
• Samlet totalt kjølebehov er 20,2 MW, ca. 617 m3/h mellom 55/25 °C, tilsvarende 162 GWh/år, fordelt som følger:
• Direkte kontakt kjøler (DCC) (8 MW)
• Lean amine cooler (7,5 MW)
• OH-kondensator (3 MW) 
• CO2-kompressor (1,7 MW)
• Kjølevannet vil nok ofte ha en høyere minstetemperatur, 25 °C er valgt for å vise hvordan man kan løse utfordringene med temperaturer lavere enn utetemperatur.
• Mulighet for direktekjøling mot fjernvarme er ca. 2,6 MW, tilsvarende 21 GWh/år.
• Totalt behov for elkraft er 3 MW (2 til kompresjon, 0,5 til pumper og lignende og 0,5 til røykgassvifter og lignende).

2.4 Variasjoner i varmebehov i fjernvarmenettet

Fjernvarmenettets sesongvariasjoner blir viktig å definere da varmeutnyttelsen fra fangstanlegget vil avhenge av hvor mye som kan leveres til FV-nettet. 

Figuren over viser et eksempel på en varihetskurve for det fiktive fjernvarmenettet til «KAN Referansa». Kurven er laget ved å ekstrapolere timeverdiene fra et fjernvarmenett i Norge. Figuren viser topplasttimen (kaldeste time) til venstre, med andre verdier sortert i synkende rekkefølge mot høyre. Det grønne området tilsvarer FV-kapasiteten til avfallsforbrenningen. Det røde området er topplast levert av alternative varmekilder, når varmebehovet til FV overgår avfallsforbrenningsanleggets FV-kapasitet. Skillet mellom grønt og rødt område er på 28,75 MW. Det er verdt å merke at det er et visst varmebehov gjennom hele året, minstelast ca. 6,5 MW.

Som en forenkling dekkes topplastbehovet med hjelp av en elektrisk kjel et annet sted i FV-nettverket. En «smart integrasjon» kan redusere behovet for bruk av en slik elkjel. Det vil si at dersom det finnes en smart integrasjon som kan dekke noe av det røde området i Figur 2 er det en ønskelig løsning.

Varmelasten i fjernvarmenettverket varierer fra time til time og sesong til sesong. Figur 3 og Figur 4 viser de usorterte dataene fra henholdsvis mars og oktober. Når FV-behovet er mindre enn energigjenvinningskapasiteten, kjøles overskuddsvarmen fra avfallsfobrenningen ned i lokale luftkjølere. Variasjonene kan kompenseres ved at anleggsoperatørene justerer sirkulasjonsmengder og temperatur i FV-nettet (akkumulering), og ved bypass av damp fra turbinen til direkte bruk mot fjernvarme. Slik driftsoptimalisering er ikke redegjort for i simuleringene. 

Å håndtere de daglige variasjonene er viktig dersom det skal installeres varmepumper for ikke å risikere å skade varmepumpene.

Dersom man forutsetter at fangstanleggets dampbehov dekkes med damp fra avfallsforbrenningen vil det være mindre varme tilgjengelig til å dekke FV-behovet. Blått felt i Figur 5 viser den negative effekten fangstanlegget har på varmeleveransene til FV fra «KAN Referansa». Skillet mellom det blå og grønne feltet ligger på 18,5 MW. Det blå feltet kan dekkes helt eller delvis inn med hjelp av smarte integrasjoner.  

Varighetsdiagram for «KAN Referansa» med karbonfangstanlegg uten smarte integrasjoner

Figurene nedenfor viser eksempler på timesverdier i henholdsvis mars og oktober. Det blå feltet er varme som må leveres med hjelp av varmeintegrasjoner for å opprettholde fjernvarmeleveransene. 

I periodene mellom sommer og vinter, er det store daglige variasjoner, som ville betydd at varmepumper (VP) måtte blitt skrudd av og på ofte, her er akkumuleringsalternativer viktige. Frekvent start og stopp av varmepumper er vist til å senke levetiden deres betraktelig.