Beskrivelse av energisystemet

Kapittel 3

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

Figur 1: Blokkskjema over et typisk amin-basert karbonfangstanlegg, som «KAN Referansa» er basert på. Grå linjer er utenfor fangstleverandørens grensesnitt. Der hvor det er relevant er det referert til aktuelle kapitler hvor løsningene er detaljert ut.

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).

Spillvarme må kjøles vekk kontinuerlig

«KAN Referansa» har 20,2 MW med spillvarme som må kjøles vekk kontinuerlig. Det er her viktig å vurdere hvordan man kan gjenvinne så stor del av denne spillvarmen som mulig, samt hva man kan gjøre med spillvarmen når man ikke kan gjenvinne den, og hvordan man blir best kvitt den.

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.

Figur 2: Varighetsdiagram for KAN Referansa uten karbonfangst, y-akse er MW og x-akse er dager/år

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.

Figur 3 – Eksempel på variasjoner (mars), y-akse er MW og x-akse er dager/år.

Figur 4 – Eksempel på variasjoner (oktober) , y-akse er MW og x-akse er dager/år.

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

Figur 5 – Varighetsdiagram for «KAN Referansa» med karbonfangstanlegg, y-akse er MW og x-akse er dager/år. Her er det kun grønt som kan dekkes av avfallsforbrenningsanlegget, resten må dekkes av andre kilder. Blått viser varmen som karbonfangstanlegget tar fra avfallsforbrenningsanlegget.

Figur 6 – Forklaring av de ulike feltene i varighetsdiagram.

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.

Figur 7 – Variasjoner i mars for «KAN Referansa» med karbonfangstanlegg, y-akse er MW og x-akse er dager/år.

Figur 8 – Variasjoner i oktober for «KAN Referansa» med karbonfangstanlegg, y-akse er MW og x-akse er dager/år.

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.

2.5.1 Energiflyt – Avfallsforbrenning uten karbonfangst

I løpet av et år vil effektene variere veldig etter behovet i FV-nettet. Den totale energistrømningen er vist i Figur 10, merk her at det er en strøm som går til kjøling, som er varmen FV-nettet ikke kan motta, typisk på sommeren.

Figur 10 – Årlig energiflyt i «KAN Referansa» uten karbonfangstanlegg.

2.5.2 Energiflyt – Avfallsforbrenning med karbonfangst

Energiflyten av «KAN Referansa» avfallsforbrenningsanlegg med karbonfangstanlegg uten noen smarte integrasjoner er vist i figur 12. Det er tydelig at et karbonfangstanlegg krever mye elektrisk effekt og varmeeffekt fra avfallsforbrenningen. I tillegg kommer et stort behov for å kjøle fangstanlegget. Damp som må brukes til fangstanlegg fører til en vesentlig reduksjon i strømproduksjon fra dampturbin og forbrenningsanlegg vil derfor gå over fra å være strømleverandør til å være netto strømforbruker. Over et år ser man at man trenger mindre kjøling på varmen fra turbinen, men betydelig mer på varmen fra karbonfangstanlegget som vist på figuren nedenfor.