Det er et prosjektmål at damputtaket til karbonfangstanlegget ikke skal redusere energi-gjenvinningsanleggets evne til å levere varme til fjernvarme når det er behov for varme i FV-nettet. Siden varmebehovet i fjernvarmenettet har en sterk årstids- og utetemperaturkorrelasjon er det reelle behovet for å gjenvinne spillvarme sterkt varierende.

Følgende prinsipper bør ligge til grunn for prioritering av varmegjenvinningstiltak:

1. Lavest mulig returtemperatur på fjernvarmen øker potensialet for direktegjenvinning og reduserer nødvendig temperaturløft i varmepumper. Fjernvarmeselskapet bør derfor prioritere tiltak som kan redusere returtemperaturen i fjernvarme til avfallsforbrenningsanelgget. Dette har også den fordelen at det potensielt gir økt kapasitet i fjernvarmenettet.
2. Direkte varmeveksling bør benyttes hvis mulig. 
3. Varmepumper bør ha så lavt temperaturløft som mulig, noe som innebærer at eventuelle varmepumper bør plasseres på fjernvarme retur og forvarme mest mulig av fjernvarmesirkulasjonen med minst mulig temperaturløft.
4. Varmepumper bør designes med fleksibilitet til å fungere med varierende last. I praksis innebærer dette ofte en form for akkumulering.
5. Kostnadene ved å installere varmepumper for gjenvinning av spillvarme bør måles opp mot kostnaden ved å bruke alternativ mellomlast/spisslast andre steder i fjernvarmesystemet. Gjennvining av spillvarme fra et CO2-fangstanlegg med varmepumper er som hovedregel gunstig, men medfører også en stor investerings- og driftskostnad som ikke nødvendigvis kan forsvare at avfallsforbrenningsanlegget skal opprettholde opprinnelig kapasitet mot fjernvarmenettet.  

Det er fire spillvarmestrømmer hvor varme kan gjenvinnes: 

1. Direkte kontakt kjøler (DCC) (8 MW, 55 °C / 25 °C) (scrubber)
2. Lean amine cooler (7,5 MW, 55 °C / 25 °C)
3. OH-kondensator (3 MW, varmekilde har 95 °C inn). 
4. CO2-kompressor (1,7 MW, 55 °C / 25 °C)

Direkte varmegjenvinning fra disse kildene kan i enkelte tilfeller være mest energieffektiv grunnet høyere temepraturer, men vil kreve redesign av grunnleggende karbonfangstanlegg.

Varmepumpeteknologi 

Varmepumper kan heve temperaturen på spillvarme gjennom energiinput i form av varme eller strøm. For industrielle formål finnes det mange varmepumpeteknologier som er under utvikling som kunne være relevant etter hvert. Det vil si at teknologiene har ulik modenhet og ulike utgangspunkt, det anbefales at anleggseiere vurderer varmepumpeløsning fra prosjekt til prosjekt. I tabellen under er det gitt en oppsummering av de mest vanlige teknologiene med en kort vurdering av relevans for «KAN Referansa».

Kompressorbasert	Skruekompressor	Relevant
Kompressorbasert	Turbokompressor	Relevant
Kompressorbasert	Stempelkompressor	Relevant men ofte litt for lite
Kompressorbasert	Rotary Vane Compressors	Kan være relevant på anlegg med lite plass men har per nå en lav TRL.
Absorpsjonsvarmepumpe		Ikke relevant for KAN Referansa, men kan være aktuelt for anlegg med tilstrekkelig høyt damptrykk (4-8 bar(g))
Hybridvarmepumpe		Er relevant for KAN Referansa

Kompressorbaserte varmepumper er i stor grad definert av sine kjølemedier som kondenserer og fordamper ved ulike trykk. Temperaturene som kreves vil ha innvirkning på hvilke kjølemedia som bør velges, samt vurderinger om drivhuseffekten av stoffet, giftighet, brennbarhet, etc. For «KAN Referansa» anses ølgende kjølemedier som aktuelt: HFO r1234ZD/ZE og Ammoniakk i visse tilfeller. CO2 varmepumper bør undersøkes der FV-nettet har store temperaturdifferanser.

Videre analyser i denne håndboken er det antatt at kompressorbaserte varmepumper med leveranse til FV er basert på HFO-kjølemedier eller NH3 som kjølemedie. Det er antatt en Carnot-effektivitet er på 50-60%.

Dersom varmepumper varmer opp FV-returen fra 60 °C før FV-returen sendes til WtE-anlegget for å kjøle varmen fra mottrykksturbinen, er det viktig å avklare påvirkningene på dampkondenseren nedstrøms turbinen med turbinleverandøren.

En høyere temperatur på FV-vannet inn til  dampkondenseren kan kompenseres for med massestrømmen i veksleren eller temperaur ut av veksleren. Det må avklares i hvilken grad dette påvirker kraftproduksjonen (grunnet endringer i kondenseringstrykket til dampen) og tur-temperaturen til FV.

7.2 Varmepumpe på direktekontaktkjøler som leverer til FV

Den første delen av fangstanlegget er en scrubber kalt en direkte kontakt kjøler eller for kort DCC. DCC har som formål å kjøle ned gassen til en temperatur der CO2 absorbsjon er mest effektiv, samt vaske bort korrosive komponenter i gassen. 

Varmen tilgjengelig i DCC er avhengig av hvor mye varme som hentes ut i eksisterende våtgasscrubber og om i det hele tatt er en eksisterende våtgasscrubber. For dette studiet er det gjort en antagelse om at det er ca. 8 MW tilgjengelig.

7.3 Varmepumpe på absorber kjøling som leverer til FV

I absorber tårnet sprøytes et amin umettet med CO2 i væskefasen inn mot røykgassen, CO2 reagerer med aminet og blandingen med amin og CO2 legger seg på bunnen av absorber, som vist i Figur 28. Før aminet sprøytes inn må det holde en lav temperatur. Lean amine cooler skal kjøle aminer fra ca. 60 °C til 40 °C, kjølingen tilsvarer ca. 7,5 MW for et fangstanlegg på størrelse med KAN Referansa. Det kjøles ned med vann som sirkulerer mellom 55/25 °C. Varmen tilgjengelig i lean amine cooler har for lav temperatur til at det kan benyttes direkte til FV, i tillegg er ikke mengden med varme tilstrekkelig til at det kan levere varmen gjennom en VP til fangstanlegget. Dersom denne varmen skal utnyttes må den utnyttes gjennom VP-er til FV-nettet.

7.4 Fjernvarme direkteintegrasjon med overhead stripper

Ca. 5% – 15% av varmen tilført i strippeprosessen gjennom reboiler kan gjenvinnes direkte til fjernvarmenettet. Totalt må 3 MW med varme fjernes fra Overhead stripper condenser, hvorav 1,5 MW kan tas ut direkte til FV. Resterende 1,5 MW må gjennom en VP for å levere til FV-returen. Potensialet for å ta varmen direkte til FV er størst i anlegg med lav returtemperatur på fjernvarmen. En delstrøm fra fjernvarmereturen føres til en varmeveksler oppstrøms hovedkjøler etter CO2-stripperen, som vist i Figur 29. Direkte varmeveksling skjer oppstrøms eventuelle varmepumper eller annen varmegjenvinning. En slik direkte varmeveksling, oppstrøms all annen varmegjenvinning, vil alltid være i drift, og dermed redusere kjølebehovet for fangstanlegget permanent. 

For enkelte prefabrikkerte og modulære CO2-fangstanlegg vil en slik varmeveksling med fjernvarme oppstrøms stripperkjøleren medføre økt kompleksitet og tilleggsinvesteringer. Siden tiltaket kan gjennomføres som et passivt tiltak, uten økte energikostnader (som f.eks. bruk av varmepumper) bør slik direkte varmegjenvinning være en standard løsning for alle anlegg med tilgjengelig FV. 

Det er verdt å nevne at dette vil være en gass/væske varmeveksler levert fra fangstleverandør, dersom man leverer varmen direkte til fangstanlegget ved høyere temperatur vil dette gjøre overflatearealet på veksleren ca. 2,3 ganger høyere, enn om man bruker kjølevann på 55/25 °C.

7.5 Varmepumpe på all varmen til overhead stripper som leverer til FV

Dersom man ser på all spillvarmen tilgjengelig i overhead stripper fra en kjølekrets kan dette kun gjenvinnes til FV-nettet gjennom en VP, som vist i Figur 30.

Potensialet for dampproduksjon fra denne varmen er større enn andre steder, da varmekilden holder en høyere temperatur. 

7.6 Varmegjenvinning fra CO2 kompresjon og flytendegjøring

Etter Overhead stripping føres CO2 til anlegg for kompresjon og flytendegjøring før gassen klargjøres for transport på riktig trykk og temperatur, for KAN Referansa vil dette være 16 bar(a) og 20 °C. Overskuddsvarmen fra CO2-kompresjon kommer fra kjøling av CO2 mellom kompresjonsstegene for å unngå overhetet CO2. Dette er typisk høyere temperaturer opp mot 120 °C som kan brukes direkte til fjernvarmenett, integreringen må eventuelt avklares med fangstleverandør. 

Deler av varmen, ca. 65%, kan hentes ut direkte til FV eller som damp til fangstanlegget, de resterende 35% må kjøles av sjøvann eller lignende.

7.7 Varmepumpe på hele kjølekretsen

Som et alternativ til direkte prosessintegrasjon for kjøling ved DCC, absorber, overhead stripper eller CO2-kompresjon kan man velge å gjenvinne spillvarme fra de fire kildenes samlede kjølekrets oppstrøms valgt kjøleløsning. Dette vil da ta all varmen fra DCC og absorber, og deler av varmen fra overhead stripper og CO2-kompresjon utdypet i delkapittel 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 og 7.6 som vist i Figur 32. 

En slik integrasjon med all spillvarme samlet i en kjølekrets har fordeler/ulemper som vist i Tabell 3.

Fordeler	Ulemper
Enklere integrasjon, utenfor leverandørens grensesnitt	Noe lavere temperaturpotensial enn enkelte av punktkildene siden varme og kalde strømmer blandes og man allerede har vært gjennom en varmeveksling mellom prosess og kjølesystemet
Hele gjenvinningspotensialet tilgjengelig på et sted i prosessen	Ikke noe av varmen kan lenger hentes ut direkte til FV

Som tidligere vist i Figur 10 vil «KAN Referansa» uten et fangstanlegg levere ca. 40 GWh/år til strømnettet, dette må benyttes som et sammenligningsgrunnlag til figurene som følger.

I de følgende underkapitlene er det først lagt som et grunnlag at spillvarmegjenvinningen burde sikte på å erstatte FV-varmen mistet, 10,25 MW. Det er antatt av VP-er installert vil jobbe mot FV-returen, varmen som VP-ene ikke kan levere, kommer fra eksisterende turbinkondensator for damp. Det er gjort en antagelse på at turbinkondensator vil ha samme kondenseringstrykk når FV-temperaturene og mengdene endres. Deretter er det undersøkt hvordan man kan øke varmeleveransen til FV gjennom spillvarmegjenvinning fra fangstanlegget. Enkelte fangstteknologier vil ha muligheten til å variere tur/retur temperatur på kjølevann etter sesong.

7.7.1 Varmegjenvinning med hele kjølekretsen til FV for å opprettholde FV-leveranse

Dersom man ønsker færrest mulig endringer i eksisterende varmeleveranse til FV-nettet, kan man designe varmegjenvinningen for å levere 10,25 MW med varme til FV-nettet. 10,25 MW med varme tilsvarer varmeleveransen til FV-nettet som fangstanlegget tar fra eksisterende avfallsforbrenningsanlegg. 

Dersom man opprettholder samme FV-leveranse totalt, men reduserer FV-leveransen fra turbindampen og leverer varmen fra VP til FV-returen får turbinkondensatoren litt andre forhold å jobbe med. Som vist senere i Figur 33 og Figur 37 er temperaturen til WtE turbinkondensatoren ca. 70,6 °C, med kontinuerlig FV-massestrøm blir FV-temperaturen ut fra turbinkondensator 90 °C. Turbinkondensatoren får kun 64 % av den originale dampmengden, det må avklares at turbinkondensatoren vil operere på samme trykk med en lavere dampmengde.

Varmegjenvinning til FV fra hele kjølekretsen, noe gjennom VP og noe direkte til FV-retur

Varmen fra OH-kondenser og CO2-kompresjon tas direkte til FV og en VP installeres som sammen med direktevarmen skal dekke 10,25 MW med varme. 

Det er mulig å hente 2,6 MW med varme fra OH-kondenser og CO2-kompresjon direkte til FV-returen. Varmepumpen må levere resterende 7,65 MW med varme. En prinsippskisse er vist i Figur 33.

Dette gir en god COP fordi VP-en leverer til FV-returen og slipper å kjøle kjølevannet ned til 25 °C.

Dette vil i liten grad bidra til å kjøle fangstanlegget i løpet av et år, det vil kjøle vekk ca. 9,2 MW av 20,2 MW med varme når FV-nettet har tilstrekkelig behov. Over et år vil det tilsvare ca. 38 GWh med kjøling av varmen fra fangstanlegget, av totalt 172 GWh, vist i et Energiflytskjema, Sankey, i Figur 35.

Det totale eksterne strømforbruket blir 10 GWh/år, netto går man da fra å levere 40 GWh/år til å forbruke 10 GWh/år.

Et varighetsdiagram som illustrerer varmeleveranse til FV-nettet fra de ulike kildene er vist i Figur 36. Her er rødt spisslast, mørkeblått er varme levert fra ny VP på fangstanlegget, grønt er varme levert fra eksisterende WtE-fabrikk og lyseblått er varme hentet direkte fra fangstanlegget inn til FV-nettet.

Varmegjenvinning til FV fra hele kjølekretsen, kun gjennom VP

Dersom det ikke er mulig å hente varme direkte fra fangstanlegget til FV, er det sannsynlig at man får én samlet kjølevannskrets på 55/25 °C, for å opprettholde FV-leveransen må dette gjennom en VP, et blokkdiagram av systemet optimalisert for best COP er vist i Figur 37.

Man oppnår en relativ høy COP grunnet det lave trykkløftet når varmepumpen ikke skal ta all kjølingen eller all oppvarmingen. Størrelsen på en slik VP ville typisk vært 10 x 6 x 6 m (LxBxH).

Dersom man ser dette over et år, får man varighetsdiagrammet vist i Figur 39, som er identisk som det vist i Figur 5.

Det totale eksterne strømforbruket blir i dette tilfellet 12 GWh/år, altså taper man 2 GWh/år om man ikke kan hente varme direkte fra fangstanlegget til FV-returen. Her er det få integreringer mellom fangstanlegget og WtE-fabrikken som forenkler ting.

7.7.2 Varmepumper med dampleveranse til fangstanlegg

Varmepumper kan også brukes til å produsere hetvann eller damp til fangstanleggets eget forbruk. Norsk Energi har gjennom ulike studier undersøkt denne muligheten. 

Temperaturløftet i en VP som skal produsere damp til fangstanlegget vil gi en lavere COP enn hvis det brukes til å forvarme FV-returen. En slik integrasjon vil kun være innenfor fangstanleggets batterigrenser, det gir mindre negativ påvirkning på strømproduksjonen og fjernvarmekapasiteten, og mindre nødvendig integrasjon mellom forbrenningsanlegget og fangstanlegget. Det vil redusere kjølebehovet til fangstanlegget permanent, siden mye av kjølingen skjer av varmepumpene.

Det totale eksterne strømforbruket blir relativt sett høyt, sammenlignet med de andre alternativene, grunnet COP på dampproduserende varmepumpe. Dette alternativet vil lønne seg dersom avfallsforbrenningsanlegget har lave kraftpriser og større utfrodringer knyttet til å etablere kjøling av spillvarme.

7.7.3 Varmegjenvinning av spillvarmen til FV for økt FV-leveranse

Dersom det lokale FV-nettet har utbygd stor kapasitet på forbrukersiden, men fortsatt liten kapasitet på produksjonssiden eller produserer varme fra fossile kilder eller el-kjeler, kan det være interessant å øke FV-leveransen fra avfallsforbrenningsanlegget gjennom en VP. Det er antatt at FV-mengden som sirkulerer er konstant fordi det trolig er begrensinger i rørnett og pumper, ved å øke FV-leveranse er det derfor antatt at man kan øke turtemperatur, utover designtemperaturen på 90 °C.

Dette vil gi lavere driftskostnader i kraftforbruk sammenlignet med en el-kjel. De to delkapitlene som følger, har undersøkt potensialet ved å bruke hele kjølekretsen fra fangstanlegget til varmegjenvinning til FV gjennom varmepumper for å øke FV-leveransen.

Varmegjenvinning av spillvarmen til FV for økt FV-leveranse uten varme hentet direkte fra fangstanlegg.

Dersom det ikke er mulig å hente varmen direkte fra fangstanlegget til FV-returen, og man likevel ønsker å øke FV-leveransen vil blokkdiagrammet bli som vist i Figur 58 og Sankey diagrammet blir som vist i Figur 59.

Fordelen med å ha en VP på hele kjølekretsen fra fangstanlegget uten å ha noen form for direkteintegrasjon mot fjernvarmenettet er at det gir et enklere grensesnitt mot fangstleverandør. Ulempen er at COP for hele varmeleveransen svekkes, fra 3,8 til 3,4.

Varighetsdiagrammet for alternativet med flere VP-er som leverer til FV og øker FV-leveransen er vist i  Figur 60. Her er grønt varmen levert fra kjelanlegg, blått er varmen fra varmepumpen og rødt er spisslasten levert av andre kilder.

Varighetsdiagram når kjølevannet samles til en kjølekrets og varmes av VP-er for økt FV-leveranse.

Dersom man tar dette alternativet i et Sankey diagram med energiflyt over et år får man Figur 61.

Som man ser av  Figur 60 og Figur 61, kan man øke FV-leveransen til 197,7 GWh. Som vist i Figur 59 kan den maksimale varmeeffekten til FV bli 45,9 MW, altså 160% av tidligere levert varmeeffekt.

7.8 Oppsummering av ulike alternativer for gjenvinning av spillvarme til FV og til fangstanlegg

Det er få tilfeller hvor det vil lønne seg å varmegjenvinne fra de ulike punktkildene i karbonfangstanlegget gjennom varmepumpe. Dette er fordi hver varmekilde er avhengig av kjøling fra 55 °C til 25 °C, noe som ville gitt kompressoren et unødvendig høyt trykkløft opp til FV-returen på 60 °C, fra 25 °C. Det som derimot vil lønne seg er å hente så mye varme som mulig direkte fra fangstanlegget til FV-returen, dette er varme som er tilgjengelig uten noen større tilpassinger. Dette burde diskuteres nøyere med fangstleverandør.

Dersom man bestemmer seg for å varmegjenvinne med en VP til FV er det viktig å tenke på at VP-en burde ha lavest mulig temperaturløft, da det gir en bedre COP (og lavere strømforbruk). 

Som sett oppnås høyest COP ved å hente så mye varme som mulig direkte fra fangstanlegget til FV-returen for så å samle resten av kjølevannet til en kjølekrets (55/25 °C), hvor VP da tar kjølingen fra 55 °C og nedover mot 40 °C, og løfter til FV-returen fra 60 °C og oppover. Dampen som tas fra turbinen reduserer kraftproduksjonen med 2,25 MW og FV-leveransen med 10,25 MW, en VP som skal erstatte denne FV-leveransen trenger 1-1,2 MW med strøm i beste tilfelle.

Videre, ble det vist i at det sjeldent lønner seg å bruke spillvarmen fra fangstanlegget til varmegjenvinning gjennom en VP tilbake til fangstanlegget. Dette vil lønne seg dersom det er et stort press på å redusere kjølekapasiteten (MW) fra fangstanlegget i størst mulig grad, eller dersom det hverken er damp eller hetvann tilgjengelig til fangstanlegget, og alternativet er en elkjel. Dette gjøres trolig best med en HFO-basert VP.

Det ble vist at man kan øke FV-leveransen, slik at WtE-anlegget kan levere ca. 197-198 av 200 GWh/år til FV-nettet. Dette vil kunne gjøres med varmepumper, som vil kunne ha en COP på ca. 2,5-3,5 til FV-nettet. I beste tilfellet kan man levere 16,2 MWth mer enn hva man gjorde uten fangstanlegget, med et strømforbruk fra VP-er på 6,9 MWel. Dette er aktuelt å vurdere dersom store deler av FV-nettet blir forsynt av varme fra fossile kilder eller fra varmekilder med 1:1 overgang fra strøm til varme (el-kjeler). Det vil være avhengig av at man enten kan øke temperaturen på FV-tur vannet eller øke FV-mengden som sirkulerer fra avfallsforbrenningsanlegget.