Hogeschool van Amsterdam Amsterdamse Hogeschool voor Techniek
Engineering, Design and Innovation
Bijlage II PROJECT: COGENERATION CONSTRUCTIEDOSSIER
LEDEN: § Fons Huisman § Michiel Ravelli § Minne Troostheide § Marco Veenstra § Sander de Waal § Olaf Weller PROJECTBEGELEIDER: § Dhr. P.G. Zult Amsterdam, mei 2008
INHOUDSOPGAVE INLEIDING.........................................................................................3 WARMTE ...........................................................................................4 BENODIGD WARMTEVERMOGEN ...............................................................4
KASSEN .................................................................................................4 KOELCELLEN ............................................................................................4 CONCLUSIE .............................................................................................5
KEUZE WARMTEPOMP ..........................................................................6
TECHNISCHE SPECIFICATIES ..........................................................................7 CONCLUSIE ...........................................................................................10
KEUZE OMGEVINGSWARMTE WARMTEPOMP ................................................10
OPLOSSING 1: HEATER..............................................................................11 OPLOSSING 2: HORIZONTAAL OF VERTICAAL GRONDWATER GEBRUIK .........................12 OPLOSSING 3: WARMWATER BASSIN..............................................................13 CONCLUSIE ...........................................................................................13
INHOUD VAN HET BASSIN ....................................................................14 VERWARMINGSELEMENT .....................................................................14
BENODIGD VERMOGEN ...............................................................................14 KEUZE ELEMENT ......................................................................................14
KOELING..........................................................................................15
BENODIGD KOELVERMOGEN .................................................................15 KEUZE KOELSYSTEEM ........................................................................15
ABSORPTIEKOELING..................................................................................15 NIEUWE COMPRESSOREN ............................................................................16
ELEKTRICITEIT .................................................................................18 BENODIGD ELEKTRISCH VERMOGEN ........................................................18 KEUZE BRANDSTOFCEL .......................................................................18
P8 FC (STACK) ......................................................................................18 PS50 (SYSTEM) .....................................................................................18 PS100 (SYSTEM) ....................................................................................18 TECHNISCHE GEGEVENS .............................................................................19 CONCLUSIE ...........................................................................................20
KRACHTSTROOM ..............................................................................20
INVERTER..............................................................................................20 FREQUENTIEOMZETTER ..............................................................................21 COMPONENTEN .......................................................................................21 CONCLUSIE ...........................................................................................21
WARMTEWISSELAARS EN POMPEN .........................................................22 WW TUSSEN KOELCIRCUIT BRANDSTOFCELLEN EN BASSIN ..............................22 WW TUSSEN BASSIN EN SLOOTWATER .....................................................22 WW TUSSSEN BASSIN EN WARMTEPOMPEN ................................................22 POMP BASSINWATER VOOR KOELEN .........................................................22 POMPEN BASSINWATER VOOR VERWARMEN ................................................22 POMP SLOOTWATER ...........................................................................22 POMPEN WARMTEPOMPEN ....................................................................22 REGELING ........................................................................................23 CASCADE SCHAKELING VAN DE WARMTEPOMPEN ..........................................23 Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
REGELING BRANDSTOFCELKOELING .........................................................23 REGELING BASINWATERKOELING ............................................................24 REGELING WARMWATER TOEVOER WARMTEPOMPEN .......................................24 SIMULATIE.......................................................................................25 PARAMETERS ..................................................................................25 GEGEVENS KASSEN EN KOELCELLEN .......................................................25 BEREKENING COP GETALLEN VAN KOELCOMPRESSOREN .................................25 BEREKENINGEN WARMTE STROMEN EN BENODIGD ELEKTRISCH VERMOGEN ............26 BRANDSTOFCEL ...............................................................................26 UITKOMSTEN ..................................................................................27 CO2 UISTOOT .................................................................................27 PROCES FLOW DIAGRAM ......................................................................28
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
2
INLEIDING In dit constructiedossier vindt u alle berekeningen en redenering gebruikt bij het ontwerpen van de installatie. Hoofdstuk 1 tot en met 3 is opgedeeld in de drie benodigde energieaspecten die de installatie moet produceren: warmte, koude en elektriciteit. Voor het dimensioneren van iedere component van de installatie is uitgegaan van het benodigde vermogen, het vermogen dat het betreffende apparaat moet leveren. Daarom begint elk van de drie hoofdstukken met een berekening van het benodigde vermogen, daarna wordt de keuze van de specifieke component onderbouwd en eventuele andere problemen opgelost die het apparaat in de installatie met zich meebrengt. Hoofdstuk 4 gaat over de simulatie die gemaakt is van de installatie en de conclusies die uit deze simulatie naar voren zijn gekomen. Tenslotte volgt in hoofdstuk 5 een beschrijving van de warmtewisselaars en pompen die nodig zijn binnen het nieuwe systeem.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
3
1. WARMTE 1.1.BENODIGD WARMTEVERMOGEN Er zijn drie kassen die verwarmd moeten worden en gedurende de zomermaanden worden ook 3 van de vier koelcellen verwarmd (zie locatiegegevens bijlage IB). Om het totale vermogen dat de warmtepompen moeten leveren te bepalen wordt het transmissiewarmteverlies berekend van de kassen en van de koelcellen. Tenslotte kan op basis van deze berekening een warmtepomp gekozen worden. 1.1.1. KASSEN Om het warmteverlies in de kassen te bepalen wordt uitgegaan van de meest ongunstige situatie. In de maand januari moeten de kassen op 17°C gehouden worden, daarbij wordt aangenomen dat de minimale buitentemperatuur -10°C bedraagt. Verder wordt uitgegaan van geen voordeel uit verwarming door de zon. De buitenmuren van de kassen zijn goed geïsoleerde muren, er zijn verder geen gegevens bekend van het soort en de dikte van het isolatiemateriaal daarom wordt voor de warmtedoorgangscoëfficient van de muren uitgegaan van een muur bestaande uit 2 lagen met 4cm isolatie. De ramen in de kassen bestaan uit enkelglas ruiten in een stalen frame de warmtedoorgangscoëfficient die hierbij hoort bedraagt 4,7W/m2K. De warmtestroom door de vloer wordt verwaarloosd. Gegevens: Umuur=0,65 W/m2K Uglas=4,7 W/m2K Kas1=Kas3: Aglas=700,7m2 Amuur=690m2 Kas2: Aglas=938,8m2 Amuur=796m2 Berekening: Qglaskas1=Aglas*Uglas *ΔT=89kW Qmuurkas1=Amuur*Umuur* ΔT=12kW Qkas1=Qkas3=101kW Qglaskas2=Aglas(e* Uglas *ΔT)=119kW Qmuurkas2=Amuur(e* Umuur* ΔT)=14kW Qkas2=133kW Qtotaal= Qkas1+ Qkas2+ Qkas3=335kW 1.1.2. KOELCELLEN Nu moet het warmteverlies in de koelcellen nog bij het bovenstaande worden opgeteld. Om dit warmteverlies te bepalen wordt weer uitgegaan van de meest ongunstige situatie, in werkelijkheid zullen deze situaties in kassen en koelcellen niet gelijktijdig voorkomen maar om er zeker van te zijn dat de warmtepompen straks genoeg vermogen kunnen leveren wordt dit wel aangenomen. In de maand augustus moeten de cellen op 24, 25 en 34 graden gehouden worden, hoewel de cellen aan de kassen grenzen wordt uitgegaan van een omgevingstemperatuur van 10°C zodat weer de meest ongunstige situatie wordt gecreëerd. Van de fabrikant van de koelcellen en de wanden is wederom niets bekend daarom wordt voor de warmtedoorgangscoëfficiënten uitgegaan van goed geïsoleerde muren en plafond, voor de vloer is een betonnen vloer genomen. Gegevens: Cel1=Cel2=Cel3 Uwand=0,65 W/m2K Uplafond=0,40 W/m2K Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
4
Uvloer=2,09 W/m2K Awand=400m2 Aplafond=100m2 Avloer=100m2 ΔTcel1=14°C ΔTcel2=15°C ΔTcel3=24°C Berekening: Qwand1=Awand*Uwand * ΔTcel1=3,6kW Qplafond1=Aplafond*Uplafond * ΔTcel1=0,6kW Qvloer1=Avloer*Uvloer * ΔTcel1=3kW Qwand2=Awand*Uwand * ΔTcel2=3,9kW Qplafond2=Aplafond*Uplafond * ΔTcel2=0,6kW Qvloer1=Avloer*Uvloer * ΔTcel2=3,1kW Qwand3=Awand*Uwand * ΔTcel3=6,2kW Qplafond3=Aplafond*Uplafond * ΔTcel3=1kW Qvloer1=Avloer*Uvloer * ΔTcel3=5kW Totaal verwarming koelcellen=27kW 1.1.3. CONCLUSIE De totale warmte-uitstroom in kassen en koelcellen wordt dan 362kW, deze waarde kan als uitgangspunt voor het vermogen van de warmtepompen dienen. Er is verder echter niets bekend van verliezen in de buizen en warmtewisselaars van het systeem en aangezien deze bestaande infrastructuur wordt behouden is het raadzaam om te kijken naar het vermogen van het huidige systeem. Het nominale vermogen van de 7 cv-ketels bedraagt 570kW. Het grote verschil met de berekende waarde is niet alleen toe te schrijven aan verliezen in de infrastructuur. Feit is wel dat er bijna nooit meer dan 4 van de 7 ketels daadwerkelijk aanstaan, dit grote vermogen is echter nodig bij gebruik van de droogwanden, dit gebeurt maar twee keer per jaar maar dan staan echt alle cv-ketels aan om warmte te leveren voor het drogen van de bollen. Er is echter verder niets bekend van temperaturen en warmtestromen die nodig zijn voor de droogwanden. Daarom zal uitgegaan worden van 570kW als minimaal vermogen van de warmtepompen.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
5
1.2.KEUZE WARMTEPOMP Als naar de maximale warmtevraag wordt gekeken die het huidige systeem nu heeft dan betekend dat, dat alle vermogens van de CV ketels bij elkaar opgeteld moeten worden. Dit levert een warmtevraag op van 570 kW. Omdat het oude systeem wordt vervangen door een nieuw, rendabeler systeem moeten er ook een nieuwe warmtevoorziening komen. Er is gekozen voor een warmtepomp. Een warmtepomp heeft het voordeel dat hij op elektriciteit opereert. Omdat het systeem zoveel warmte vraagt moeten er meerdere warmtepompen in cascade geschakeld worden. Dit omdat één warmtepomp geen 570 kW warmtevermogen kan leveren. Er is gekeken naar de volgende warmtepompen. • VIESSMAN WW254 • VIESSMAN WW268 • VIESSMAN WW280 Een probleem wat ondervonden is bij het zoeken naar een juiste warmtepomp is dat er slechts 1 aanbieder is die grote vermogens levert. Er is nog een andere aanbieder maar die wil zijn hulp niet verlenen voor het project. Het is dus niet mogelijk om hier technische specificaties van de krijgen. Hierdoor kan er niet mee gerekend worden. Het is dus zinloos om naar die warmtepompen te kijken. Er is gekozen om drie warmtepompen van het bedrijf VIESSMAN te bekijken. Alle drie de warmtepompen zijn de grootste die het bedrijf levert. Hieronder volgen de technische specificaties.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
6
1.2.1. TECHNISCHE SPECIFICATIES WW254 Werkingspunt Verwarmend vermogen (kW) Elektrisch opgenomen vermogen (kW) Winstfactor (COP)
W10/W35
W8/W45
W8/W55*
73.2
67.0
65.4
13.2
16.6
20.2
5.57
4
3.2
*) staat voor inlaat temperatuur van het water en de uitlaat temperatuur van het water. Als er bijvoorbeeld W10/W35 staat dan betekend dat, dat de inlaat temperatuur 10 graden is en de uitlaat temperatuur 35 graden is. Rechts ziet u de vermogens grafieken van deze warmtepomp---> A=Verwarmend vermogen F=Uitlaat temperatuur van 55 graden E= Uitlaat temperatuur van 45 graden D= Uitlaat temperatuur van 35 graden (dit geldt voor alle afgebeelde vermogens diagrammen)
Hierboven staan de afmetingen en de aansluitingen van de warmtepomp.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
7
WW268 Werkingspunt Verwarmend vermogen (kW) Elektrisch opgenomen vermogen (kW) Winstfactor (COP)
W10/W35
W8/W45
W8/W55*
90.2
82.3
79.2
16.2
20.6
24.8
5.47
4
3.2
Rechts ziet u de vermogens grafieken van deze warmtepomp---> Het is duidelijk te zien dat dit een grotere en sterkere warmtepomp is dan de WW254. Dit heeft als voordeel dat er minder ruimte in gebruik wordt genomen bij de installatieruimte.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
8
WW280 Werkingspunt Verwarmend vermogen (kW) Elektrisch opgenomen vermogen (kW) Winstfactor (COP)
W10/W35
W8/W45
W8/W55*
106.8
97.6
93.8
19
24.2
29.4
5.47
4
3.2
Rechts ziet u de vermogens grafieken van deze warmtepomp--->
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
9
1.2.2. CONCLUSIE Er is gekozen voor de WW280. Dit betekend namelijk dat er minder ruimte nodig is om de benodigde warmtevraag te kunnen realiseren. Alle drie de warmtepompen zijn in feite hetzelfde. Er is echter geen die sterk genoeg is om alles te kunnen leveren. Er is dus gekozen om zo weinig mogelijk componenten toe te voegen aan het systeem en te gaan voor de 5 (in cascade geschakelde) WW280 Warmtepompen. Hierbij is het wel belangrijk dat er een constante ingangstemperatuur is voor de warmtepomp anders haalt hij zijn benodigde COP niet. Het aantal van 5 warmtepompen is op de volgende manier berekend: 570 kW Warmtevraag. WW280 levert maximaal een vermogen van 120 kW bij een uitlaat temperatuur van 35 graden. Dit betekend dat er minimaal 5 warmtepompen nodig zijn om de 570 kW warmtevraag te kunnen leveren. 1.3.KEUZE OMGEVINGSWARMTE WARMTEPOMP Nu bekend is welke warmtepomp gebruikt wordt moet bepaald worden waar de warmtepomp zijn warmte vandaan haalt. De eisen aan de temperatuur die zorgen voor een hoog rendement van de warmtepomp neemt een aantal problemen met zich mee. Het eerste en tevens grootste probleem is de omgevingstemperatuur die het koelmiddel moet voorzien van de benodigde energie om de 55 graden te halen. Het is namelijk zo dat we het water uit de sloot wilden pompen en deze naar de warmtepomp wilde leiden. Echter het hoogste rendement haal je uit een warmtepomp als de inlaattemperatuur zo dicht mogelijk bij de uitlaat temperatuur ligt. Als dit echter niet het geval is zal de verdamper zoveel meer arbeid moeten leveren om het koelmiddel naar een nog lagere druk te brengen zodat het kookpunt van het koelmiddel op een nog hogere temperatuur komt te liggen. Dit gaat ten kosten van de COP, namelijk warmtevermogen/elektrisch vermogen x rendement = COP. Deze hoge COP (van ongeveer 3 tot 3,5) is niet haalbaar met alleen slootwater. Dit komt omdat slootwater nooit het hele jaar 35 graden is (als het Ăźberhaupt al eens 35 graden is). Dit zorgt ervoor dat de COP van de warmtepompen naar beneden gaat en dat betekend dat we: en een grotere/meer brandstofcel(len) nodig hebben en dat we meer warmtepompen nodig hebben. Dit lijkt ons niet de bedoeling. Het probleem is gelijk zichtbaar. We hebben nu dus meer elektrische energie nodig om aan dezelfde warmtevraag te voldoen. Als we hierbij het andere elektrische vermogen bij optellen komen we uit op ongeveer 390/400 kW. Dit betekend dus dat we meer brandstofcellen nodig hebben etc. Nu snappen we ook waarom ze bij kassen altijd een water bassin hebben waar ze de warmte van de kassen terugleiden in het bassin. Dit bassin neemt de warmte op en bewaart het. Dit zorgt ervoor dat de temperatuur in het bassin rond de 35 graden blijft. Hierdoor haal je dus wel je maximale COP. Nu zijn er bij ons een drietal oplossingen mogelijk. Twee daarvan zullen hoogst waarschijnlijk rendabel zijn, een daarvan niet.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
10
1.3.1. OPLOSSING 1: HEATER Dit is hoogstwaarschijnlijk een niet rendabele oplossing en het klinkt ook een beetje raar in onze oren. We dachten namelijk een soort heater die het slootwater opwarmt tot 35 graden. Nou zal afhankelijk van de temperatuur van het slootwater hier een elektrisch vermogen voor nodig zijn. Het is namelijk niet handig om eerst energie in het slootwater te stoppen met de heater/verwarming om het vervolgens er weer uit te trekken met de warmtepomp. Het schema komt er dan zo uit te zien.
SLOOT 5 tot 10 graden
10 tot 25 graden
Warmtepomp COP=1,5/2
Pe=>265 kW
Pw=570 kW
Het probleem is hier dat je een grote hoeveelheid water moet gaan opwarmen om die 35 graden te halen. Dit betekend hoogstwaarschijnlijk dat je een grote hoeveelheid elektrische energie nodig hebt.
SLOOT 10 tot 25 graden
Pe= ??
Verwarmer
5 tot 10 graden
35 graden
Pe=160 kW
Brandstofcel
Warmtepomp COP=3/3.5
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
11
1.3.2. OPLOSSING 2: HORIZONTAAL OF VERTICAAL GRONDWATER GEBRUIK Een veel toegepaste manier om een constante tempratuur bij de warmtepomp te krijgen is het graven van diepe putten naar het grondwater. Het grondwater is een onuitputtelijke bron van energie maar heeft wel tijd nodig om zich te herstellen. Dit betekend als je van een te klein oppervlakte de energie steeds wegvoert zal de temperatuur dalen van het grondwater in dat oppervlakte. Het is dus nodig om een bredere put te graven. De buizen in de grond kunnen zowel verticaal als horizontaal geplaatst worden. In een schema ziet het er op deze manier uit.
Pomp
Pomp 35 graden
5/10 graden
Pe=??
Warmtepomp COP=3/3.5
Pe=160 kW
Grondwater(Toevoer)
Brandstofcel
Pe=??
Bassin/opslag(Afvoer)
Het grootste nadeel van dit systeem is dat je het uitgaande water nergens mag lozen in Nederland. Dit betekend dat je nog een put of groot gat moet graven om dit water in op te slaan. Dit water kan je misschien in de zomer nog gebruiken als het warm geworden is door de zon of iets dergelijks. Een ander probleem van dit systeem is dat je voor onze warmtevraag een zeer diepe put nodig hebt. Dit betekend dat je sterkte pompen nodig hebt en dat je veel vergunningen etc aan moet vragen om dit Ăźberhaupt de mogen bouwen. Een ander gedeelte is het kostenplaatje wat wel zeer hoog ligt. Het grootste voordeel van het systeem is de hoge COP die het systeem haalt.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
12
1.3.3. OPLOSSING 3: WARMWATER BASSIN De derde oplossing lijkt ons de beste en de mooiste oplossing voor het probleem. Dit wordt namelijk al toegepast in de huidige warmtevoorzieningen van de kassentelers. De normale kassentelers leiden de warmte van de kassen terug naar een bassin waar het water wordt opgewarmd. Wij hebben echter iets anders bedacht waardoor we de warmte van de brandstofcel optimaal kunnen gebruiken. In een schema ziet het er als volgt uit. Dit systeem heeft het grote voordeel dat we de restwarmte van de brandstofcel gebruiken. Hierdoor hebben we geen extra elektrische energie nodig. Dit betekend dat het rendement van het systeem heeft veel omhoog gaat. Het enige probleem is dat het een dergelijk waterbassin wel een grote ruimte inneemt en dat het natuurlijk wel een kostenplaatje heeft. Dit is echter een eenmalige investering. Daarna krijg je de warmte voor een relatieve lage prijs.
Pw=300kW
Warmwater bassin (25 graden)
Brandstofcel
10/25 graden
SLOOT
35 graden
Pe=160 kW
Warmtepomp COP=3/3.5
5/10 graden
1.3.4. CONCLUSIE Om een efficiĂŤnt systeem te maken is er een opslag nodig voor het water. Oplossing 1 is verreweg het goedkoopste maar tevens het meest onlogisch en totaal niet rendabel. Oplossing twee is een veel gebruikte in het dagelijks leven maar dan meestal voor het verwarmen van huizen. Voor een systeem als de onze heb je of een te groot grond oppervlakte nodig of een te diepe put (200m). Het is tevens niet overal mogelijk om dergelijke putten te graven omdat sommige grondsoorten niet geschikt zijn hiervoor. Ook de wet en regelgeving voor het graven van putten voor warmtepompen is een ingewikkelde procedure. Oplossing drie bevat echter alles wat dit project zo interessant maakt. Een bassin die de warmte van de brandstofcel gebruikt en de warmte van de sloot gebruikt. Dit in een gesloten watersysteem zou een constante temperatuur moeten leveren aan de warmtepomp. Dit is precies wat het belangrijkste is bij een warmtepomp, een constante temperatuur. Hierdoor kan de warmtepomp namelijk een COP van 3,5/4 halen. Het enige nadeel van een dergelijk bassin is de kostprijs. Het is namelijk vrij prijzig maar daarin tegen een eenmalige investering voor goedkope warmte.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
13
1.4.INHOUD VAN HET BASSIN Om de grootte van het bassin te bepalen zal uitgegaan worden van de meest ongunstigste situatie. Dit is wanneer alle warmtepompen ’s nachts staan te draaien op vol vermogen. Op dat moment neemt elke warmtepomp apart 100 kW en samen 500 kW aan warmte op vanuit het bassin via een warmtewisselaar. Doordat de warmtepompen op vol vermogen draaien vragen zij per stuk 30 kW, totaal 150 kW, elektrische energie van de brandstofcellen. Daarop produceren de brandstofcellen 150 kW warmte welke gebruikt wordt voor het opwarmen van het bassin. Het bassin verliest dus netto 350 kW. Er is aangenomen dat er geen warmte uitstroom plaatsvindt uit het bassin. Dit over een periode van 14 uur heeft een verlies van 1.76*106 kJ tot gevolg. Omdat het koelwater retour van de brandstofcel niet hoger mag worden dan 60°c zal dit de maximale temperatuur zijn van het bassin. Vanwege het warmteverlies gedurende de nacht zal de temperatuur dalen. Deze temperatuur mag niet lager worden dan 25°c om de gewenste COP te houden. Met deze gegevens kunnen we de benodigde inhoud van het bassin berekenen namelijk , mw is 120574 kg = 120.6 m3. 1.5.VERWARMINGSELEMENT Om de stoom te maken voor de kassen moet er water afkomstig van de warmte pompen van 55 C naar 70 C verwarmd worden. Er is gekozen om de huidige ketel te blijven gebruiken als opslag ivm het weglaten van extra kosten. Waar voorheen de CV installatie de ketel met warm water vulde doen nu de warmte pompen dit icm een verwarmings element. Er is eerst berekend hoeveel Watts er toegevoegd moet worden aan het water voor het de juiste temperatuur heeft. Hierna zijn er een aantal verwarmings elementen bekeken van verschillende merken voor de beste oplossing. 1.5.1. BENODIGD VERMOGEN De ketel heeft een inhoud van 4000 liter en geeft de inhoud verspreid over 12 uur af aan de kassen. De ketel kan constant bijgevuld worden met water van de warmte pompen en 24 uur per dag op temperatuur gehouden worden door het element. Om meer zekerheid in te bouwen is er bekeken hoeveel energie het kost om de gehele tank in 10 uur van 55 C naar 70 C te verwarmen. Q = m . c . dt Q = 4000 . 4160 . 15 = 249 600 000 249600000 / 36000 = 6933.3 W (J/s) Er is dus minimaal een vermogen nodig van 7 kW. 1.5.2. KEUZE ELEMENT Bij een aantal leveranciers zijn vergelijkingen gedaan. Huikeshoven ERCU 55 Lengte: 550 mm Vermogen: 7500 W Oppervlakte: 9.4 W / cm2 Prijs: 734,- ex La Grand EHK 520-75 Lengte: 520 mm Vermogen 7500 W Prijs: 929,- ex Zowel de Huikeshoven en de la Grand hebben de zelfde specs. Omdat de huikeshoven opslag 195,- euro goedkoper is dan de La Grand is de huikeshoven ERCU / 55 gekozen voor in het systeem. Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
14
2. KOELING 2.1.BENODIGD KOELVERMOGEN Aangezien er geen gegevens bekend zijn over de isolatiematerialen in de koelruimten is het koelvermogen berekend met gegevens van de huidige koelinstallatie. In de huidige koelinstallatie zitten 2 compressoren in 1 koelcircuit. Gegevens van de huidige installatie: • Vermogen compressor; P=11kW • Koelmiddel: R22, 90kg in het circuit • Werkdruk HD-zijde: 18bar • Werkdruk LD-zijde: 1bar • Systeem met oververhitting. Met deze gegevens kunnen we de COP berekenen welke op zijn beurt weer verteld hoe groot het koelvermogen van de installatie is: Eerst wordt de koudefactor berekend via de enthalpieën op verschillende punten: COP=(h2-h1)/(h3-h2) Bekende gegevens: p1=p2=1bar p3=p4=18bar De enthalpieën kunnen afgelezen worden uit de verzadigings- en oververhittingstabellen van R22: h4=h1=257,7kJ/kg (smoorproces) h2=387,7kJ/kg s2=s3=1,825kJ/kgK => T3=95°C => h3=462kJ/kg COP=(387,7-257,7)/(462-387,7)= 1,75 Het is bekend dat de twee compressoren samen een vermogen van 22kW verbruiken, het koelvermogen dat de installatie levert wordt dan: 22kW*1,75=38,5kW Dit is dus het vermogen dat de nieuwe koelinstallatie minimaal zal moeten evenaren. 2.2.KEUZE KOELSYSTEEM 2.2.1. ABSORPTIEKOELING Omdat een absorptiekoelsysteem op warmte draait is dit een mooi koelsysteem om te gebruiken in de installatie. Het koelsysteem zou kunnen draaien op restwarmte van de brandstofcel. Er is echter geen absorptiekoelsysteem gevonden die voldoet aan de eisen. Het systeem moet 38,5kW koude kunnen genereren met een temperatuur van -1°C. De installaties die voldoen aan het benodigde vermogen zijn installaties die voornamelijk voor airconditioning worden gebruikt, het gekoelde water wat uit deze machines komt is niet kouder dan 5°C. Absorptiekoelmachines die wel voor vrieskoude kunnen zorgen zijn allemaal te groot voor onze toepassing, de installatie die nog het meest in de buurt komt heeft een vermogen van minimaal 100kW tot 250kW, dit is dus veel te zwaar voor de vriesruimten. Behalve dat de machine te groot en te sterk is trekt deze installatie ook nog eens 8kW elektrisch vermogen. Aangezien we de koude ook zouden kunnen genereren met een compressor van 11kW is de 3kW besparing die dit systeem zou leveren wel erg weinig in verhouding tot de kosten. Ondanks positieve verhalen uit de tuin en kasbouwwereld is besloten om af te zien van het gebruik van een absorptiekoelsysteem in de installatie. In feite is de benodigde koelcapaciteit te weinig om een dergelijk systeem rendabel te kunnen gebruiken (bedrijven die wel een dergelijk systeem gebruiken hebben een koelcapaciteit nodig die minimaal drie keer zo groot is als degene van BotReus). Het voert te ver in dit project om zelf een absorptiekoelsysteem te ontwerpen. In plaats van een compleet nieuw absorptie koelsysteem te installeren zal de huidige installatie geoptimaliseerd worden door nieuwe compressoren te installeren met een ander koudemiddel.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
15
2.2.2. NIEUWE COMPRESSOREN Type compressor
Druk en vermogen
Voordelen
Nadelen
Drukverhouding in • de praktijk tot 10 • Koudevermogen 50 W – 350 kW
Betrouwbaar, doorontwikkeld Lage investeringskosten
•
•
Weinig bewegende onderdelen zoals kleppen
•
zuiger Drukverhouding gekoeld tot 8 ongekoeld tot 4
• •
•
Koudevermogen 50 kW – 4500 kW schroef
Drukverhouding tot • 15 • •
Koudevermogen 1 kW – 50 kW
Veel bewegende onderdelen Hoge slijtage Geluidsproductie
Grote inwendige lekkage Hoog frequent geluidsniveau
Weinig bewegende onderdelen zoals kleppen Rustige loop Goed deellastgedrag
scroll De scroll compressor levert over het Algemeen 10 à 20 procent meer vermogen in vergelijking met een zuigercompressor in dezelfde klasse. Daarbij komt nog het feit dat deze minder ruimte inneemt omdat hij verticaal wordt geïnstalleerd, weinig slijtage heeft en een lage geluidsproductie. De schroef compressor heeft ook veel van de voorgenoemde voordelen maar deze is overgedimensioneerd voor onze benodigde koude capaciteit Volgens berekeningen hebben de oude compressoren een COP waarde van 1.75. De 11 kW compressoren kunnen elk maximaal dus 11 x 1.75 = 19.25 kW warmte onttrekken via de condensors. De compressoren zijn 13 jaar oude zuiger compressoren. De verdamper moet, om warmte te kunnen opnemen uit zijn omgeving, ca 7°C kouder zijn dan de koelcelluchttemperatuur. Aangezien de laagst benodigde temp. in de koelcellen 1°C is moet de verdamper dus bij -6°C 19.25 kW warmte onttrekken. Een scrollcompressor doet dit met een COP van ongeveer 4. Vanwege de hogere COP waarde is vervanging aantrekkelijk en ook omdat R22 vanaf 2009 niet meer geproduceerd zal worden dus de installatie zal dan niet meer bijgevuld kunnen worden. Er zijn twee scrollcompressoren gevonden die aan de eisen voldoen en gebruik maken van het toegestane koudemiddel R404a. Copeland ZB11MCE-TWD Verdamper temp. Condensor temp. Koude capaciteit Vermogensvraag COP
-10°C 30°C 17.8 kW 4.93 kW 3.61
-5°C 30°C 21.8 kW 5.05 kW 4.32
-5°C 40°C 19.6 kW 6.35 kW 3.09
-10°C 30°C 18.04 kW 5.14 kW 3.51
-5°C 30°C 22.2 kW 5.16 kW 4.30
-5°C 40°C 19.94 kW 6.43 kW 3.10
Bitzer ESH743(B)Y Verdamper temp. Condensor temp. Koude capaciteit Vermogensvraag COP
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
16
Zoals we kunnen zien liggen de COP waarden dicht bij elkaar. De koude capaciteit van 19.25 kW moet behaald worden bij een verdamper temp. Van -6°C, in de gegevens ziet u dat dit mogelijk is. De condensor temp. Is 30°C genomen omdat het verschil tussen de buitenlucht en de condensor ideaal 15°C is. De gemiddelde temperatuur in Nederland ligt onder de 15°C en de maximale koelcapaciteit wordt gevraagd in de maanden december tot april. Mocht de buitenlucht temperatuur toch hoger worden dan 15°C dan leveren de compressoren bij een condensor temp. van 40°C nog steeds het benodigde koelvermogen. De Copeland ZB11MCE-TWD is gekozen omdat hier de meeste informatie over te verkrijgen is.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
17
3.
ELEKTRICITEIT
3.1.BENODIGD ELEKTRISCH VERMOGEN Het huidige systeem verbruikt in zijn piek belasting 121 kW elektrisch vermogen. Dit vermogen is gebaseerd op het verbruik van de ventilatoren, de pelmachine, de bosmachine, de sorteermachines, de heftrucks, de lopende banden en de componenten die voor de koeling en verwarming binnen het bedrijf zorgen. In het nieuwe systeem komt daar het verbruik van de warmtepomp nog bij. Het verbruik van de warmtepomp, uitgaande van een COP van 4, is maximaal 150 kW. dit levert een totaal vermogen op van 271 kW elektrisch vermogen. 3.2.KEUZE BRANDSTOFCEL Het bedrijf “Nedstack” heeft een aantal mogelijkheden die oplossing bieden voor het ‘probleem’. Hieronder een korte beschrijving per oplossing. 3.2.1. P8 FC (STACK) Deze component is te beschouwen als een alleenstaande brandstofcel. Het vermogen ligt rond de 8 kW. Hiervan zullen er dus meerdere aanwezig moeten zijn, 38 cellen van dit model zullen voor voldoende vermogen moeten zorgen. In zijn klasse is het de gene met het meeste vermogen. Met een rendement tussen de 45 en 60 procent is deze tevens zeer geschikt voor gebruik bij warmteterugwinning. Tevens is dit eenvoudiger te realiseren door het gebruik van meerdere brandstofcellen. Bij storing of uitval is het ook als een voordeel te beschouwen dat er twintig cellen komen te staan, omdat niet direct een groot deel van de stroomvoorziening wegvalt. Tevens wanneer deze brandstofcel vol continu draait bedraagt de levensduur nagenoeg 2,5 jaar. 3.2.2. PS50 (SYSTEM) Het ‘systeem’ van Nedstack is op zich zelf een completere brandstofcel. Er is een reformer aan gekoppeld en daardoor, in verhouding, groter in formaat en zwaarder. De PS50 levert, nominaal, tussen de 50 en 72 kW. Door vijf van deze systemen te plaatsen wordt er aan de maximale vraag van 300 kW voldaan. Als extern koelmiddel kan er gebruik gemaakt worden van water, zonder toegevoegde koelmiddelen. De overdracht bij het koelen is, bij een totaal vermogen van 300 kW, tussen de 185 en 270 kW aan warmte. 3.2.3. PS100 (SYSTEM) Vrijwel gelijk aan de PS50 op een aantal punten na. De levensduur is namelijk slecht 10.000 uur waar de levensduur van de PS50 20.000 is. De ruimte die dit systeem, in totaal, in beslag zal nemen is twee maal zo groot als de PS50. (zie Technische gegevens)
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
18
3.2.4. TECHNISCHE GEGEVENS eenheid
PS50
PS100
Aantal componenten
P8 fc
3
5
100
50 - 72
V
550 a 900
630
36 a 68
Efficiëntie (LHV)
%
48 a 57
48 a 57
45 a 60
Levensduur (verwacht)
uur
10.000
20.000
20.000
Warmte afgave aan koelmedium (totaal)
kW
225
185 - 270
228
Volume totaal
m^3
5,589
2,688
1,014
Elektrisch vermogen
kW
Output Voltage
38 door aantal maal vermogen 8 zijn allen geschikt
Afmetingen eenheid
PS100
PS50
P8 fc
breedte
mm
900
800
190
hoogte
mm
900
600
270
diepte
mm mm^3
2300
1400
520
1863000000
672000000
26676000
3
4
38
5589000000
2688000000
1013688000
5,589
2,688
1,013688
aantal totaal volume
mm^3
totaal volume
m^3
Restwarmte Elektrisch PS100
kW
Warmte
Totale warmte
100
75
%
60
45
kW
50
38
%
60
45
kW
72
54
%
60
45
225
187,5
PS50
P8
kW %
8
6
60
45
270
228
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
19
3.2.5. CONCLUSIE Er is te zien dat warmteafgifte aan het koelmedium bij elk van de drie systemen in dezelfde orde van grote ligt. Een belangrijk verschil is te zien in de levensduur, waarbij de PS100 de helft korter meegaat dan de andere twee brandstofcellen. Dit gegeven zorgt ervoor dat de PS100 niet in aanmerking komt voor toepassing binnen het te realiseren systeem. De twee overige brandstofcellen kunnen beiden voorzien in het gewenste elektrisch vermogen en hebben tevens een vergelijkbare afgifte van warmte aan het koelmedium. Het verschil tussen de twee zit in het grootte en overzichtelijkheid van de systemen. Het systeem met de P8FC heeft een relatief klein plaatsings-volume nodig in vergelijking met de PS50. Bij toepassing van de P8FC zal er een groot aantal cellen gebruikt moeten worden, wat de overzichtelijkheid bij zowel het aansluiten als het onderhouden nadelig kan beïnvloeden. Bij gebruik van de PS50 is het plaatsings-volume twee keer zo groot, maar nog steeds acceptabel. Er zijn dan maar slechts 5 units nodig, in plaats van 38. Omdat het de overzichtelijkheid van het systeem ten goede komt is de PS50 de beste keuze in deze situatie. 3.3.KRACHTSTROOM Voor de compressoren en de warmtepompen is een spanning van 380-400V nodig, hiernaast is er ook gewoon 220-230V spanning nodig. Hoe de gelijkspanning uit de brandstofcel kan worden omgezet in 380-400V en 220-230V wisselspanning leest u hier. De spanning die uit de brandstofcel komt is een 1 fase gelijkspanning van 630V. Om deze om te zetten naar een 3-fasen spanning van 380-400V zullen er een aantal transformaties plaats moeten vinden. Ten eerste zal er de spanning omgezet moeten worden naar een wisselspanning. Dit kan doormiddel van een inverter. Daarnaast dient er draaistroom gecreëerd te worden. Doormiddel van het aftakken van de spanningslijn in drie takken en het regelen van de frequentie van de stroom hiervan met behulp van een frequentieomzetter is de gewenste faseverschuiving van 120 graden tussen de verschillende stroomvectoren te realiseren en kan men beschikken over drie fasen spanning. 3.3.1. INVERTER De werking van een inverter is als volgt te beschrijven. Het basisontwerp gaat uit van een transformator met een middenaftakking in de primaire spoel. Op deze middenaftakking wordt de gelijkstroombron aangesloten. Door een schakelaar steeds om te zetten wordt de gelijkstroom afwisselend door het bovenste en het onderste deel van de primaire spoel teruggeleid naar de gelijkstroombron. Dit creëert een wisselspanning aan de secundaire zijde van de spoel.Er zijn ook versies waar de schakelaar is vervangen door een ander component, bijvoorbeeld transistoren. boven inverter met schakelaar, onder met transistoren. Inverters zijn in de twee typen in te delen: bloksinus en pure sinus inverters, genoemd naar de vormnauwkeurigheid van de uitkomende spanning. Als er sprake is van inductieve belasting (dat wil zeggen: spoelen, transformatoren, elektromotoren), dan heeft een pure sinus inverter de voorkeur.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
20
3.3.2. FREQUENTIEOMZETTER Doormiddel van een wisselrichter in de frequentieomzetter wordt er drie wisselspanningen gecreëerd met een onderling faseverschil van 120 graden. De wisselrichter bestaat uit vermogens halfgeleiders, in feite zeer snelle schakelaars. Software van de frequentieomzetter stuurt deze schakelaars, waardoor een gewenste uitgangsspanning en frequentie te regelen is. 3.3.3. COMPONENTEN Er is onderzoek gedaan naar de verkrijgbaarheid van losse inverters die toe te passen zijn in het ontwerp. Afgezien van inverters geschikt voor een lage spanning, voornamelijk gebruikt in de pleziervaart, zijn er geen modellen gevonden. In frequentieomzetters is veelal ook een inverter verwerkt. Vandaar dat gezocht is naar een frequentieomzetter die geschikt is om beide taken uit te voeren en ingepast kan worden in het systeem. Hierbij zijn twee opties naar voren gekomen ABB industrial drive Een geschikte frequentieomzetter is gevonden in de: ABB industrial drives (ACS800-04(M)-0320-7) Deze frequentieomzetter is ontworpen voor toepassing in industriële locaties en kan een hoog ingaand voltage (tot 690 V) aan. Hierbij levert de frequentieomzetter een vermogen van 315W, wat overeenkomt met het gevraagde piekvermogen van het van elektriciteit te voorzienen systeem. Technische gegevens: Pnominaal Inominaal Warmte afgifte Koelmiddel Volumestroom lucht Rendement Totaal in te voeren vermogen voor 300W uitgaand
Eenheid
ABB 800-04(M)-0320-7
[kW] [A] [kW] [-] [m3/h] [%] [kW]
315 290 6,15 Koele omgevingslucht 1220 97 325
Nedstack system In het ontwerp wordt voor de elektriciteitsvoorziening gebruik gemaakt van brandstofcellen van Nedstack. Dit bedrijf heeft voor gebruik bij deze brandstofcellen ook zogenaamde ‘systems’ ontwikkeld welke de taak van een frequentieomzetter overnemen. De systems zorgen voor de juiste uitgangsspanning. Nedstack kan deze systems leveren in elke gewenste variant zodat deze aansluit bij de specifieke wens van de gebruiker. De systems zijn ontworpen om gebruikt te worden met de te gebruiken brandstofcellen. Daardoor kan verwacht worden dat compatibiliteits- en installatieproblemen het kleinst zijn bij gebruik van deze component. 3.3.4. CONCLUSIE Om de door de brandstofcel opgewekte spanning om te zetten naar een voor het systeem bruikbare spanning kan er de keuze gemaakt worden tussen twee toe te passen componenten: een frequentieomzetter (ABB) en een ‘system’ (Nedstack). Bij de frequentieomzetter kan er vertrouwd worden op een apparaat wat ontworpen is voor toepassing op industriële locaties. Het system van Nedstack daarentegen is ontworpen om gebruikt te worden samen met de brandstofcellen van Nedstack. Dit systeem zal perfect samen kunnen werken met de brandstofcellen. Met oog op storingsgevoeligheid is het systeem van nedstack in deze situatie de beste keus. Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
21
4.
WARMTEWISSELAARS EN POMPEN
In het totale systeem moeten een aantal warmtewisselaars en pompen worden opgenomen. Zo moet er een warmtewisselaar komen tussen het koelcircuit van de brandstofcellen en het bassin. Een warmtewisselaar tussen het slootwater en het bassin. En een warmtewisselaar tussen het bassin en de warmtepompen. Voor het berekenen van de warmtewisselaars is een programma van “SWEP” gebruikt, dit is een fabrikant van warmtewisselaars. De brandstofcellen herbergen zelf pompen welke het koelwater in het koelcircuit rondpompen. Er moet een pomp komen die het bassinwater welke gebruikt wordt om te koelen rondpompt, twee pompen die het bassinwater welke gebruikt wordt om te verwarmen rondpompen, een pomp die het slootwater rondpompt en 5 pompen voor de afzonderlijke warmtepompen. 4.1.WW TUSSEN KOELCIRCUIT BRANDSTOFCELLEN EN BASSIN Het maximale debiet van het koelwater in het koelcircuit van alle brandstofcellen tezamen is 9.08 kg/s, 32.7 m3/h. De warmteoverdracht wordt dan 190 kW. Het koelwater moet de warmtewisselaar ingaan met een temp. van 65°c en uit met een temp. van 60°c. Het water uit het bassin zal daarbij 3.33° stijgen en een debiet hebben van 13.63 kg/s, 49.07 m3/h. Het rekenprogramma schrijft de “2 B12Lx90” voor. 4.2.WW TUSSEN BASSIN EN SLOOTWATER Het maximale debiet van het slootwater bij gebruik van dit water om het bassinwater te koelen van 60 naar 55 graden is 3 kg/s. De warmteoverdracht wordt dan 285 kW. Bij een ingangstemperatuur van het slootwater van 17,5°c is de uitgangstemperatuur 39,8°c. Het rekenprogramma van fabrikant “SWEP” schrijft type “2 B12Lx70” voor. 4.3.WW TUSSSEN BASSIN EN WARMTEPOMPEN Het maximale debiet van het verwarmingswater welke langs de warmtepompen loopt is 25.83 kg/s, 92.98 m3/h. De warmteoverdracht wordt dan 500 kW. Het verwarmingswater moet de warmtewisselaar ingaan met een temp. van 20.37°c en uit met een temp. van 25°c. Het bassinwater kan nog gebruikt worden voor deze opwarming bij een ingaande temp. van 29°c. Daarbij hoort een debiet van 29.91 kg/s, 107.68 m3/h en een temperatuurdaling van 4°c. Het rekenprogramma schrijft de “6 B12Hx110” voor. 4.4.POMP BASSINWATER VOOR KOELEN De pomp is uitgezocht op het maximaal benodigde debiet en drukval. De pomp is van fabrikant “GRUNDFOS”, type “UPE 80-120” met een max. debiet van 19.44 kg/s. 4.5.POMPEN BASSINWATER VOOR VERWARMEN De pompen zijn uitgezocht op het maximaal benodigde debiet en drukval. Voor deze circulatie zijn twee pompen nodig vanwege het hoge debiet. De pompen zijn van fabrikant “GRUNDFOS”, type “UPE 80-120” met een gezamenlijk max. debiet van 38.88 kg/s. 4.6.POMP SLOOTWATER De pomp is uitgezocht op maximaal benodigd debiet wanneer het bassin met 5°c afgekoeld moet worden met behulp van slootwater. Uitgegaan is van een temperatuur van slootwater van 17,5°c wat overeenkomt met de hoogste gemiddelde buitentemperatuur. Er is een pomp nodig van fabrikant “GRUNDFOS”, type “MAGNA 50-100” met een maximaal debiet van 3.1 kg/s. 4.7.POMPEN WARMTEPOMPEN De pompen zijn uitgezocht op het maximaal benodigde debiet en drukval. Er zijn vijf pompen nodig van fabrikant “GRUNDFOS”, type “MAGNA 25-60” met een continue debiet van 5.16 kg/ s.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
22
5.
REGELING
Om alle verschillende componenten binnen het systeem optimaal met elkaar samen te laten werken zijn er een aantal regelingen nodig. De koelcircuits hebben al een eigen regeling welke zal moeten aangepast worden aan de nieuwe compressoren. Omdat er geen informatie is over de huidige regeling kan hier niks over gezegd worden. De brandstofcelsystemen bevatten hun eigen regeling en pompen. De brandstofcelsystemen passen de lucht, brandstof en koelwater stroom aan aan het gevraagde elektrisch vermogen. De warmtepompen hebben een cascade regeling (6.1). Door ons zijn een paar regelingen ontworpen. Rond het bassin zitten een paar pompen die ervoor zorgen dat de brandstofcellen gekoeld blijven (6.2) en de warmtepompen gevoed blijven met warm water (6.3). Elke warmtepomp op zich heeft ook een pomp nodig welke tegelijk aangaat met de warmtepomp. 5.1.CASCADE SCHAKELING VAN DE WARMTEPOMPEN Omdat er meerdere warmtepompen naast elkaar aangesloten staan op 1 systeem is het verstandig om een cascaderegeling op te nemen in de regelinstallatie. In plaats van één warmtepomp, die telkens geheel opgewarmd dient te worden, worden in het cascadesysteem alleen die warmtepompen gebruikt die nodig zijn voor de warmtebehoefte in bedrijf gesteld. In sommige situaties is het grote vermogen van de warmtepompen samen wel nodig maar 80% van de tijd zal het vermogen van 2 of 3 van de 5 warmtepompen ruim voldoende zijn. Indien er warmtevraag is van één van de aangesloten groepen wordt de leidende warmtepomp aangezet vrijgegeven. Dit betekent dat de smoorklep van de leidende warmtepomp open gaat en de circulatiepomp ingeschakeld wordt. Indien het gewenste setpoint niet gehaald wordt, dan wordt de 2e ketel ingeschakeld. enzovoort. De regeling in de gebruikte warmtepomp bied de mogelijkheid om meerdere andere warmtepompen aan te sturen, dat wil zeggen dat het hele regelproces in de leidende warmtepomp plaatsvindt en dat deze warmtepomp de andere warmtepompen aanstuurt als dit nodig is. De leidende warmtepomp is dus verantwoordelijk voor het regelen van het verwarmingscircuit. Daarbij stuurt de warmtepomp ook de pomp van het verwarmingscircuit aan waardoor de juiste waterhoeveelheden naar de verwarmingscircuits worden gepompt. In deze schakeling zorgt de leidende warmtepomp er ook voor dat er verschil zit in welke van de andere warmtepompen als tweede en derde etc. worden ingeschakeld. Dit zorgt ervoor dat de bedrijfsuren over de overige ketels in de cascade wordt verdeeld zodat ze allemaal ongeveer even veel bedrijfsuren maken. Hiernaast wordt intern in elke warmtepomp de verwarmingsverdeler op een constante mengtemperatuur gehouden. Om dit setpoint te behouden wordt ingegrepen op de compressor van de warmtepomp. 5.2.REGELING BRANDSTOFCELKOELING De koud water kant van het bassin neemt warmte op van de brandstofcellen middels een warmtewisselaar: ww-bc-ba waar aan de andere kant het gedemineraliseerde koelwater van de brandstofcellen loopt. De stroom van het water aan de koud water kant wordt gegenereerd door een UPE 80-120 pomp. Deze stroom is afhankelijk van het op te nemen warmtevermogen van de brandstofcellen. Het op te nemen warmtevermogen kan bepaald worden uit de massastroom van het gedemineraliseerde koelwater. Zo is er een verhouding te bepalen tussen de massastroom van het gedemineraliseerde koelwater en de stand van de UPE 80-120 pomp. Het maximale debiet van de UPE 80-120 is 19.44 kg/s. Hierbij is het stuursignaal dus 100%. Het maximaal benodigd debiet, alle brandstofcellen aan, is 13.63 kg/s en het minimaal benodigd debiet, 1 brandstofcel aan, is 2.7 kg/s. De flowmeter meet een debiet van 0 -10kg/s en geeft dit als signaal van 0-100%. De overbrengingsverhouding tussen het inkomende signaal van de flowmeter en het uitgaande signaal naar de pomp is dus 0.77. Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
23
5.3.REGELING BASINWATERKOELING Bij een volle belasting van de brandstofcellen kan de temperatuur van het basinwater hoger worden dan 55°c. Door deze temperatuur kan het koelwater van de brandstofcellen zijn warmte niet meer kwijt aan het basinwater en komt zodoende de koeling van de brandstofcellen en indirect ook de elektriciteitsproductie in gevaar. Om deze situatie te voorkomen wordt ervoor gezorgd dat de temperatuur van het basinwater nooit hoger wordt dan 55°c door het te koelen met slootwater. Het water van het basin wordt afgekoeld tot 55°c. Dit gebeurd door warmte af te staan middels een warmtewisselaar waar aan de ene kant het basinwater en aan de andere kant het slootwater loopt. Het opgewarmde slootwater wordt daarna geloosd wordt in het riool. Het debiet van het slootwater wordt gegenereerd door een Magna 50-100 pomp. Door uit te gaan van de hoogste buitentemperatuur en de maximale warmteoverdracht van de warmtewisselaar is de massastroom van het slootwater te bepalen. Maximaal debiet van Magna 50-100 pomp is 3.2 kg/s. Hierbij is het stuursignaal 100%. Het maximaal benodigde debiet van de pomp als alle brandstofcellen aanstaan is 3 kg/s. Het stuursignaal naar de pomp is dan 96% De flowmeter van het koelwater van de brandstofcellen meet dan een debiet van 9 kg/s. De flowmeter meet een debiet tussen 0-10 kg/s en geeft dit als signaal van 0-100%. De overbrengingsverhouding tussen het inkomende signaal van de flowmeter en het uitgaande signaal naar de pomp is dus 0.93. Een thermometer meet constant de temperatuur van de massastroom water die vanuit het basin de warmtewisselaar in gaat. Wanneer deze thermometer een temperatuur meet boven de 55°c wordt de regeling in werking gesteld totdat er weer een temperatuur van 55°c wordt bereikt. Bij een temperatuur lager dan 55°c wordt de regeling buiten werking gesteld. 5.4.REGELING WARMWATER TOEVOER WARMTEPOMPEN Het verwarmingswater welke langs de warmtepompen loopt kan ook verschillen in debiet. Wanneer er maar 1 warmtepomp aanstaat zal het debiet 5.16 kg/s zijn tegenover 25.83 kg/s wanneer alle warmtepompen in bedrijf zijn. Hierop moet het debiet van de warmwaterkant van het bassin aangepast worden middels een overbrengingsverhouding tussen het uitgaande signaal van de flowmeter en het ingaande signaal van de pompen aan de warmwater kant. Aan de warmwaterkant van het bassin zijn twee UPE 80-120 pompen opgenomen om het maximaal gevraagde debiet van 29.91 kg/s te behalen. Het maximale debiet van de twee warmtepompen is 38.88 kg/s. Wanneer alle warmtepompen aanstaan zal er een signaal van 76.9 % naar beide UPE 80-120 pompen gestuurd worden zodat zei een gezamenlijk debiet creëren van 29.91 kg/s. De flowmeter meet een debiet van 0 -30kg/s en geeft dit als signaal van 0-100%. De overbrengingsverhouding wordt dan 0.89.
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
24
6.
SIMULATIE
Om het brandstof verbruik per maand te berekenen is teruggerekend vanaf de vraag naar warmte, koude en elektrische energie. Deze vraag is weer afhankelijk van de ingestelde temperaturen van de kassen en de koelcellen. Daarbij komt nog de benodigde elektrische energie voor de overige apparatuur zoals ventilatoren en inpakmachines (4.1). De warmte uitstroom moet bij de kassen gecompenseerd worden en de warmte instroom bij de koelcellen die aan de kassen grenzen. Daarom is het belangrijk om de warmteweerstand en de oppervlakten van de wanden te weten (4.2). Met de warmte uitstroom en het COP getal kunnen we het benodigd elektrisch vermogen berekenen om de gewenste temperaturen in stand te houden. Het COP getal van de warmtepompen staat vast maar die van de koelcompressoren (1 compressor op 2 cellen) is afhankelijk van de buitentemperatuur en de temperatuur van de koudste cel (4.3). Met alle parameters en gegevens kunnen vervolgens de warmtestromen berekend worden. Wanneer deze gedeeld worden door het specifieke COP getal krijgen we de benodigde elektrische vermogens(4.4). Uiteindelijk kan dan met de totale vraag aan elektrische energie aan de hand van de gegevens van de brandstofcel het brandstofverbruik berekend worden (4.5). Omdat er alleen cijfers beschikbaar zijn van het huidige elektriciteitsverbruik inclusief de oude compressoren is in de uiteindelijke berekening de invloed van de nieuwe compressoren niet meegenomen. We weten niet hoeveel de oude compressoren per maand verbruikten. Ook worden de koelcellen in sommige maanden verwarmd in plaats van gekoeld, dit is meegenomen in de uiteindelijke berekening.
Pme Tb Tk1 Tk2 Tk3 Tc1 Tc2 Tc3 Tc4
6.1.PARAMETERS = elektrisch vermogen benodigd voor machines (kWe) = temp. buiten (ºc) = temp. kas1 (ºc) = temp. kas2 (ºc) = temp. kas3 (ºc) = temp. koelcel 1 (ºc) = temp. koelcel 2 (ºc) = temp. koelcel 3 (ºc) = temp. koelcel 4 (ºc)
Am Am3 Ar Ar3 Um Ur COPw
6.2.GEGEVENS KASSEN EN KOELCELLEN = 690m² muuroppervlakte kas1 en 2 = 796m² muuroppervlakte kas3 = 700.7m² raamoppervlakte kas1 en 2 = 938.8 raamoppervlakte kas3 = .65 W/m²K warmteweerstand muur = 4.7 W/m²K warmteweerstand raam = 4.3 COP getal van de warmtepompen
Acw Acp Acv Ucw Ucp Ucv
= = = = = =
400 m² 100 m² 100 m² 0.65 W/m²K 0.40 W/m²K 2.09 W/m²K
wandoppervlakte koelcellen plafondoppervlakte koelcellen vloeroppervlakte koelcellen warmteweerstand wanden warmteweerstand plafond warmteweerstand vloer
6.3.BEREKENING COP GETALLEN VAN KOELCOMPRESSOREN
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
25
6.4.BEREKENINGEN WARMTE STROMEN EN BENODIGD ELEKTRISCH VERMOGEN = warmte uitstroom kas1 (kW) = warmte uitstroom kas2 (kW) = warmte uitstroom kas3 (kW) = elektrisch vermogen warmtepompen (kW)
Qc1-4= warmte instroom koelcellen (kW) = elektrisch vermogen compressor 1 (kW) = elektrisch vermogen compressor 2 (kW)
6.5.BRANDSTOFCEL ρ Vin
= 0.09 kg/m³ = 0.1833e-3 m³/s
dichtheid waterstofgas volumestroom per kW = volumestroom waterstof (m³/s) = Waterstof gebruik per maand (kg)
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
26
6.6. UITKOMSTEN Tbuiten Tkas1 Tkas2 Tkas3 Tcel1 Tcel2 Tcel3 Tcel4 Pe Pw Pc
Jan. 7.1 17 17 17 7 1 13 7 47 28.58 4.6
Feb. 6.0 17 17 17 7 1 13 7 48 31.76 4.6
Mar. 8.0 17 17 17 7 1 13 uit 45 25.98 3.5
Apr. 13.1 uit uit uit uit uit 13 uit 41 0 0.0085
H2 m3/ 0.014 0.015 0.013 0.008 s H2 kg 3282 3463 3082 1780
Mei. 14.1 uit uit uit uit uit 13 uit 52 0 0.094
Jun. 17.5 25 25 20 uit uit 34 uit 97 17.18 0
Jul. 17 27 27 22 20 25 34 uit 121 24.16 0.58
Aug. 17.1 uit 25 20 24 25 34 uit 93 12.67 0
Sep. 13.8 uit uit 20 12 uit 34 12 72 9.25 0.68
Okt. 10.1 uit uit 20 12 uit 34 12 65 13.79 0.25
Nov. 6.9 17 17 17 7 6 13 12 43 29.16 2.97
Dec. 3.8 17 17 17 7 1 13 6 44 38.11 4.72
0.010 0.021 0.027 0.025 0.015 0.014 0.013 0.015 2258 4958 6329 5804 3558 3421 3133 3565
7000 5250 3500 1750 0 Jan.
Mar.
Mei.
Jul.
Sep.
Nov.
6.7. CO2 UISTOOT Als bovenstaande gegevens gebruikt worden om de CO2 uitstoot van het nieuwe systeem te berekenen dan wordt de doelstelling van een 30% vermindering ten opzichte van het huidige systeem niet behaald. Echter doordat in alle berekeningen van de installatie steeds van de meest ongunstige omstandigheden is uitgegaan is de berekende hoeveelheid waterstof een overdreven pessimistisch getal geworden. De berekening van de uitstoot van het huidige systeem (bijlage IB) gaat echter wel uit van feitelijke gegevens. Om toch een goede vergelijking tussen de uitstoten te krijgen wordt daarom uitgegaan van een waterstofverbruik van 3500kg per maand (de simulatie geeft gemiddeld 3719kg), dit is waarschijnlijk nog een groter getal dan het in werkelijkheid zal zijn. Verder wordt er bij de berekening van uitgegaan dat de waterstof door reforming van aardgas wordt geproduceerd. Volgens het Energieonderzoek Centrum Nederland staat er voor de productie van 1kg waterstof een uitstoot van ongeveer 6kg CO2. 1jaar waterstofverbruik= 3500*12= 42000kg 1jaar CO2 uitstoot= 42000*6= 252000kg CO2 Als deze waarde wordt vergeleken met de uitstoot van het huidige systeem (361578kg CO2) betekent dit een besparing van iets meer dan 30% en is dus aan de doelstelling voldaan. Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier H-Solutions
27
Riool
H-Solutions
Cogeneration - H-solutions
Proces Flow Diagram
Waterstof toevoer
Waterstoftank
60°c
FM
ww-bc-ba
Max. 55°c
Koud water kant bassin
T
65°c 9 kg/s max
ww-ba-wp
20.37°c
25°c 5.16 kg/s ‐ 25.83 kg/s
FM
Boiler met elektrisch warmte element
UPE 80-120 max 19.44 kg/s
Warm water kant bassin
Water bassin
2 x UPE 80-120 pompen max. 38.88 kg/s
Brandstofcellen systemen
Slootwater
Regel unit houdt temp. onder 55
ww-ba-sl
20.37°c 5.16 kg/s
25°c 5.16 kg/s
Stoom
60°c
Klep
55°c
Warmtepompen
Kassen in
3 fase spanning
Kassen uit
T
Verdamper cel1
P-133
Verdamper cel3
Expansie ventiel
Expansie ventiel
Condensor
Klep
Compressor 2
Expansie ventiel
Expansie ventiel
Condensor
P-116
Klep
Compressor 1
Verdamper cel4
Klep
Verdamper cel2
Klep
380/220 V
7.
PROCES FLOW DIAGRAM
Project 7/8: Cogeneration – Constructiedossier
28
LEDEN: § Fons Huisman § Michiel Ravelli § Minne Troostheide § Marco Veenstra § Sander de Waal § Olaf Weller PROJECTBEGELEIDER: § Dhr. P.G. Zult Amsterdam, mei 2008