Flexibel lösning ger nya system

Geoenergianläggningen vid Kemicentrum i Lund ska uppgraderas för att höja effektiviteten och möta framtida hållbarhetskrav. Den nya lösningen kombinerar luft/vätska- och vätska/vätska-värmepumpar samt använder de naturliga köldmedierna koldioxid och propan.

Borrhålslagret vid Kemicentrum på campus­området i Lund togs i drift 2005 och var då en av Europas största geoenergianläggningar. 2014 kompletterades anläggningen med fler borrhål för att öka utvinningen av energi.

– Genom att nyttja geoenergi möjliggör vi en hållbar energiförsörjning, något som tar oss ett steg närmare att nå en nollvision för vårt klimatavtryck, säger Johan Enhörning, projektledare på Akademiska hus i Lund.

Anläggningen har i dag 164 borrhål och två bergvärmepumpar som täcker 85 procent av energibehovet för värme och kyla. Fjärrvärme används som spets i vissa lägen. Värmepumparna använder köldmediet R134a med GWP-värdet 1430.

Geoenergianläggningen har levererat mer energi än den ursprungliga kalkylen.

– Det har varit en lönsam investering som har betalat sig under tiden som anläggningen har varit i drift, säger Johan Enhörning.

Nu har det blivit dags att byta ut många komponenter eftersom de har uppnått sin teoretiska livslängd.

– Vår avsikt är att samtidigt uppgradera anläggningen så att vi kan plocka ut ännu mer effekt än vad vi gör i dag. Det har varit en viss överproduktion av kyla och det finns fastigheter i närheten som har ett stort kylbehov som vi vill kunna ansluta, säger Johan Enhörning.

Fokus har varit att använda köldmedier som kan möta framtida regleringar och värmepumpar med höga COP-värden. EU:s F-gasförordning ska fasa ut syntetiska köldmedier som innehåller fluor. Dessa ska ersättas med naturliga köldmedier. Reach-förordningen kommer samtidigt att förbjuda Pfas som är miljö- och hälsofarliga kemikalier, som även de flesta f-gaserna också tillhör.

Den nya anläggningen ska framtidssäkras genom valet av köldmedier. Samtidigt ska den uppfylla Akademiska hus energimål och miljökrav.

– Vi ser detta som ett kombinerat underhållsprojekt och energiinvestering. Istället för punktinsatser tar vi ett helhetsgrepp för att säkerställa 20 års drift till. Anläggningen kommer att leverera lika mycket värme och kyla som tidigare, men elförbrukningen för driften kommer att sjunka kraftigt, säger Johan Enhörning.

Det nya projektet startade i september förra året. Malmberg har som totalentreprenör i samverkan med hjälp av Sweco utrett effektbehov/-tillgång samt val av utrustning och köldmedier till den nya anläggningen.

– Komplexiteten i projektet gjorde att formen samverkan var given. Akademiska hus har under 20 års drift byggt upp kunskap om fastigheterna och verksamheten. Sweco har bred kompetens inom process och konstruktion. Vi på Malmberg har mångårig erfarenhet av att bygga energicentraler och borrhålslager, säger Mikael Nyman, projekteringsingenjör på Malmberg.

Analysen av borrhålslagret visar att temperaturen i marken har sjunkit något. På vintern har det som lägst varit någon minusgrad och på sommaren runt 15 grader.

– Det är en viss obalans i systemet. Även vid mildare temperaturer är det faktiskt inte hundra procents täckning av värmebehovet. Vi ska nu bygga ett flexibelt system så att lagret ska kunna återhämta sig, säger Erik Everbring, uppdragsledare och teknikansvarig på Sweco.

Malmberg var med och byggde anläggningen från början.

– Därmed har vi väldigt mycket spårbarhet och förståelse för varför det utformades som det gjorde, säger Johan Enhörning.

I februari gjordes ett test av lagret där värmepumparna stängdes av. Temperaturerna från och till marklagret mättes under en vecka för att kunna se förändringarna.

Det är en viss obalans i systemet. Även vid mildare temperaturer är det faktiskt inte hundra procents täckning av värmebehovet. Vi ska nu bygga ett flexibelt system så att lagret ska kunna återhämta sig.

– Lagret återhämtade sig då något. Genom de mätdata vi fick in kunde vi skapa en modell och kalibrera den med mätdata. Modellen har sedan använts för att beräkna hur temperaturen kommer att bli framöver, säger Erik Everbring.

När modellen var klar gick det att simulera olika lastfall.

– Vi insåg då snabbt att systemet måste byggas så att det påverkar lagret mindre än i dag, framför allt vintertid. Systemet måste också vara flexibelt för att kunna hantera vädervariationer och verksamhetsförändringar. En utmaning är att värmelasten på årsbasis är ungefär tre gånger så stor som kyl­lasten. Därför kommer temperaturen i borrhålslagret att sjunka om inte systemdesignen förändras.

Erik Everbring har tagit fram en lösning med sex nya värmepumpar, både vätska/vätska och luft/vätska.

– Att vi använder båda typerna är framför allt för att avlasta borrhålslagret. Värmepumparna kan användas på olika sätt, säger han.

Vi kombinerar det bästa av två världar och det bidrar till att ge systemet en stor flexibilitet. Det är varierande laster och värmesystem med olika temperaturer.

För att få så mycket frikyla som möjligt till sommaren kan man börja kyla lagret under våren genom att främst använda vätska-/vätskavärmepumparna. Om lagret är tillräckligt kallt kan luft/vätskavärmepumparna prioriteras för att lagret ska få vila.

– Den flexibiliteten är ett sätt att balansera lagret. Vi vill kunna bibehålla en hög energitäckning från värmepumparna, säger Erik Everbring.

Lösningen kommer att öka energitäckningen till över 95 procent. Cirka en tredjedel av effekten kommer från luft/vätska- och två tredjedelar kommer från vätska/vätskavärmepumpar. Värmeeffekten uppskattas bli 1,5–2,2 MW.

Värmepumparna använder de naturliga köldmedierna koldioxid och propan med GWP-värdet 1 respektive 3. Fördelen med att använda både koldioxid och propan är att de arbetar optimalt under olika förutsättningar. Koldioxid fungerar som bäst när det är låga returtemperaturer. Då går det att få höga framledningstemperaturer utan att det kostar så mycket mer elenergi. Propan ger tvärtom en hög verkningsgrad vid låga framledningstemperaturer.

– Vi kombinerar det bästa av två världar och det bidrar till att ge systemet en stor flexibilitet. Det är varierande laster och värmesystem med olika temperaturer. Vi vill ha någonting som kan klara hela spannet och det gör det här systemet i hög utsträckning, säger Erik Everbring.

Scop för värme och kyla beräknas bli 4,5–5,5. All befintlig utrustning i energicentralen har skannats in i en 3D-modell.

– I projektorganisationen finns personer med olika spetskompetenser som sitter i både Kristianstad, Halmstad och Göteborg. Genom ett gemensamt punktmoln kan de gå in i modellen, röra sig fritt där och få en helhetsbild utan att behöva åka hit. Det blir också lättare att komplettera lösningen med nya komponenter och se till att de verkligen får plats, säger Johan Enhörning.

Nu pågår detaljprojekteringen, som omfattar processdesign, konstruktion och riskanalyser. Den ska bli färdig till årsskiftet. Bygget av den nya anläggningen startar tidigast nästa år.

– Vi har identifierat tidig vår som en optimal period för att stänga marklagret, efter den kalla vintern men innan sommarens stora kylbehov. Det är dock för tidigt att säga hur lång byggtiden blir. Vissa komponenter skräddarsys och har lång leveranstid, upp till ett halvår, säger Johan Enhörning.

I höst ska en budgetkalkyl på plus/minus 10 procent presenteras, hur stor elförbrukningen blir och hur mycket energi man kan få ut.

– För närvarande arbetar vi med hög risk i kalkylen och det finns fortsatt många val och beslut att fatta som kan påverka slutkostnaden. Vi har dock konstaterat att något måste göras med tanke på att många komponenter, som värmepumpar och cirkulationspumpar, närmar sig sin tekniska livslängd, säger Johan Enhörning.

Erik Everbring ser goda förutsättningar för att bygga en bra anläggning tack vare all mätdata som har samlats in.

– Utmaningen ligger i att få plats med alla nya komponenter. Minst två nya värmeväxlare måste få plats, och vi diskuterar hur mycket redundans vi ska ha, exempelvis med dubbla pumpar på vissa positioner. Detta kommer att vara en stor del av höstens arbete, säger han.