RCCTotalEnergy. RCC Total Energy Schoon & zuinig koelen en verwarmen

Transcriptie

1 Door S.M. van der Sluis TNO Afdeling Koude, Warmte en Installaties Renewable Cooling voor supermarkten Renewable Cooling staat voor duurzaam koelen met behulp van koude die van nature aanwezig is. In een eerder nummer van RCC verscheen er al een overzicht van de diverse technieken die op dit vlak beschikbaar zijn. In dit artikel wordt Renewable Cooling toegespitst op supermarkten, waarbij wordt ingegaan op onderkoeling met bodemwarmtewisselaars en verschuiving van de koudevraag naar de nachturen. Supermarkten in Nederland komen echt voort uit de rijke kruidenierstraditie: er wordt op de kleintjes gelet! Waar we in de landen om ons heen supermarkten zien verrijzen met superkritische CO 2 -koelsystemen, blijft het in Nederland bij de toepassing van betrouwbare goedkope DX-technieken met HFKkoudemiddelen. Aan één kant jammer, want het ziet er naar uit dat volgend jaar in Denemarken bij de aanscherping van het Kyoto-protocol een uitfasering van HFK s op de agenda zal staan. Op de jaarlijkse statutaire bijeenkomst van het International Institute of Refrigeration (IIR), heeft de president, Didier Coulomb, vorige maand de aanzet gegeven voor het opstellen van een IIR-visie met betrekking tot de uitfasering van HFK s. Laten we ons aan de andere kant ook realiseren dat met een overgang naar natuurlijke koudemiddelen de Kyoto-problematiek slechts voor de helft gerealiseerd is (directe emissies), en dat er met betrekking tot de andere helft (indirecte emissies) nog veel werk te doen is. In samenwerking met TNO brengt Wageningen UR in kaart welke opties er zijn om het energiegebruik voor koeling te reduceren door gebruik te maken van Renewable Cooling (duurzame koeling met behulp van natuurlijk aanwezige koude). Het onderzoek wordt gedaan in het kader van het Besluit Energie Onderzoek Strategie: Lange Termijn (EOS-LT, SenterNovem) van de overheid. Hierover is eerder in RCC een artikel verschenen, met een overzicht van beschikbare Renewable Coolingtechnieken. Aan mooie ideeën geen gebrek, maar om door te breken in de supermarktsector is een terugverdientijd van minder 30

2 dan twee jaar heel behulpzaam, en daarmee vallen veel opties af. Natuurlijk, de overheid heeft de mogelijkheid om opties voor te schrijven met een terugverdientijd tot vijf jaar, maar de sector is niet gecharmeerd van dwingende voorschriften. In dit artikel daarom aadacht voor een tweetal reële opties met een terugverdientijd die interessant is voor de technische inkopers van supermarkten: onderkoeling met bodemwarmtewisselaars en verschuiving van de koudevraag naar de nachturen. Als eerste stap, nog vóór het toepassen van Renewable Cooling, is het belangrijk om de koudevraag van de supermarkt te reduceren. Dat mag nu onderhand wel als algemeen bekend worden verondersteld, maar toch nog even kort over de recente ontwikkelingen rondom dagafdekking (en bij de daaruit volgende aanpassingen in het programma voor berekening van het jaarlijkse energiegebruik van supermarkten, EKS). Dagafdekking De vraag of dagafdekking (glazen deuren voor normaal gesproken open koelmeubelen) binnen een termijn van vijf jaar wordt terugverdiend, is vorig jaar onderwerp van heftige discussie geweest, tot in de Raad van State. Daarbij ging het om de toepassing van dagafdekking op een gemiddeld verticaal open koelmeubel. Bij een gemiddeld verticaal open koelmeubel wordt door dagafdekking 55% bespaard op de benodigde hoeveelheid koude, en 40% op de totale energiebehoefte van het meubel (inclusief ventilatoren en verlichting). Voor de gemiddelde dagafdekking is de terugverdientijd dan net iets meer dan vijf jaar. Er is natuurlijk geen enkele supermarkt die gebruikmaakt van gemiddelde meubelen, ieder heeft zijn eigen formule. Als een supermarkt al gebruikmaakt van energie-efficiënte koelmeubelen, dan levert de dagafdekking in absolute zin (in Euro s) te weinig besparing om interessant te zijn. Maar voor een supermarkt met meubelen die minder energieefficiënt zijn (met energielabel E, F of G) is dagafdekking het overwegen waard, zeker als er een goedkope aanbieding kan worden gevonden en subsidie kan worden verkregen (EIA Energielijst 2009, nr ). De energielabels van de huidige generatie koel- en vriesmeubelen van de grote merken zijn opgenomen in een database bij het pc-programma EKS (Energiegebruik Koeling Supermarkten). Het programma is te vinden op www. tno-refrigeration.com. Het programma EKS is onlangs vernieuwd, en beschikt nu over een database met 5000 entries: koelmeubelen zonder afdekking, met nachtafdekking en met dagafdekking. Verschuiving van de koudevraag De dagafdekking van koel- en vriesmeubelen levert dus een energiebesparing op, maar heeft ook andere gevolgen. Sommige gevolgen zijn nadelig, zoals de extra tijd die nodig is voor beladen en schoonmaken, en de extra ruimte die nodig is om de deuren te kunnen Afbeelding 1: programma Energiegebruik Koeling Supermarkten (EKS) 31

3 Afbeelding 2: Amsterdam Power exchange (APX), energieprijzen en volumes voor 23 juni 2009 openen. Dagafdekking biedt echter ook voordelen. Door de afdekking zal de inhoud van het meubel minder snel opwarmen wanneer de koeling wordt uitgeschakeld. Hier kan gebruik van worden gemaakt door de koudevraag te verschuiven naar uren met een laag elektriciteitstarief. Veel installateurs passen ook zonder dagafdekking al nachtverlaging toe, dat wil zeggen dat de meubelinhoud s nachts kouder wordt gemaakt om te profiteren van het nachttarief. Zo hoeft er overdag iets minder gekoeld te worden omdat de inhoud iets in temperatuur mag stijgen. Wanneer dagafdekking wordt toegepast, neemt de tijdconstante T in Newton s koelwet toe: T(t) = T0 + T. e t / T waarin T = m.cp/k.a De tijdconstante is omgekeerd evenredig met de warmteoverdrachtscoëfficiënt K, de factor die wordt beïnvloed door de dagafdekking. Bij een besparing van 50% op koudeverlies door dagafdekking, zal de tijdconstante dus verdubbelen. Het duurt daarom twee keer zo lang (dan bij een meubel zonder dagafdekking) voor de temperatuur van de producten gestegen is. Bij toepassing van dagafdekking én nachtverlaging kunnen er dus meer draaiuren naar nachttarief worden verschoven dan wanneer er uitsluitend gebruik wordt gemaakt van nachtverlaging. Zo kan het percentage draaiuren in laag tarief verder verhoogd worden, en wordt de energierekening lager. Vanzelfsprekend dient het temperatuurverschil van de nachtverlaging beperkt te zijn, om s nachts niet met een onnodig lage verdampingstemperatuur te werken, en om te voorkomen dat de producten aanvriezen. Met het steeds competitiever worden van de energiemarkt, ontstaan er nieuwe mogelijkheden. Er zijn momenteel aanbieders actief die energie leveren en afrekenen tegen het tarief van de Amsterdam Power Exchange, de APX. Op de APX worden de tarieven per tijdvak van één uur afgerekend. In bovenstaande figuur zijn de uurprijzen voor 23 juni 2009 gegeven (rode lijn). De prijzen worden telkens een dag van tevoren bekendgemaakt. Wanneer dagafdekking aanwezig is, biedt dit de mogelijkheid om pieken in de energieprijs op de APX te vermijden en meer gebruik te maken van de laagste tarieven. In Afbeelding 2 is er om 12 uur een piek in het prijsniveau te zien 33

4 Afbeelding 3: het vergroten van de koelcapaciteit door onderkoeling Afbeelding 4: mediumtemperatuur bodemwarmtewisselaar voor 10 K onderkoeling van koudemiddel in een 100 kw supermarktkoelinstallatie (4 bodemwisselaars, elk 100 meter) (tarief 48 /MWh). Het laagste tarief treedt op om 5 uur (14,4 / MWh). Een slimme regeling zou dan van 5 tot 6 uur de koeling op vol vermogen aanzetten om een nachtverlaging op te bouwen, om vervolgens tussen 6 en 12 uur normaal te werken, en van 12 tot 13 uur de koeling uitzetten. Dergelijke regelingen zijn door TNO ontwikkeld in het door de Europese Unie gefinancierde project Night Wind ( ). Deze regelingen zijn in eerste instantie ontwikkeld voor koel- en vrieshuizen (een dergelijke regeling wordt toegepast bij het grootste vrieshuis van Nederland, Partner Logistics in Bergen op Zoom). Met de introductie van dagafdekking en de voortschrijdende ontwikkelingen op de energiemarkt komen deze regelingen ook voor supermarkten in beeld. Meer informatie is te vinden op de website Hoewel dit type regeling geen energie bespaart in termen van kilowatturen, is er wel een aanzienlijke besparing op energiekosten mogelijk, en zijn dergelijke systemen van groot belang voor de verdere ontwikkeling van duurzame energie in Europa. Die ontwikkeling wordt namelijk geremd door het feit dat duurzame energie in pieken optreedt (denk aan zonnige dagen voor zonneenergie of zeer winderige dagen voor windenergie). Tijdens dergelijke pieken daalt de prijs van energie, omdat het aanbod de vraag overstijgt. Voor de producenten van duurzame energie is dat geen aanmoediging; juist op het moment dat het zonnepaneel of de windturbine een maximale hoeveelheid energie levert, is de prijs laag. Er is daarom veel aan gelegen om pieken in het aanbod op te kunnen vangen met een extra energievraag, en dat is precies wat dit type regeling doet. Daarmee is dit type regeling een stimulans voor een verdere groei van het areaal duurzame energieproductie. 34

5 Bodemwarmtewisselaars Een andere manier om natuurlijk aanwezige koude te benutten, is het gebruik van de bodem als bron van constante temperatuur. De bodemtemperatuur heeft vanaf een diepte van één meter een constante waarde van +10ºC. Huishoudelijke warmtepompen maken hiervan gebruik als warmtebron. De warmte uit de bodem wordt dan met bodemwarmtewisselaars met een lengte tot wel 100 meter uit de bodem gehaald, en met een warmtepomp opgewaardeerd naar een bruikbaar niveau. Koelsystemen kunnen ook gebruikmaken van de bodem, maar dan als koudebron. De koude wordt dan op dezelfde manier gewonnen als de warmte voor de warmtepomp (met een bodemwarmtewisselaar). Deze koude kan op een slimme manier gebruikt worden voor het koel- en vriessysteem. De koude wordt dan gebruikt om de koudemiddelvloeistof na het condenseren verder af te koelen (te onderkoelen). Deze onderkoeling vergroot de koudeproductie van de koel- of vriesinstallatie, terwijl het energiegebruik voor de compressoren gelijkblijft. Daarmee stijgt de COP (Coefficient Of Performance), oftewel het rendement van de koelinstallatie. In supermarktkoelinstallaties worden tegenwoordig elektronische expansieventielen toegepast, en laat de condensordrukregeling de condensatietemperatuur in de praktijk dalen tot circa 28 C bij lage buitentemperaturen. Lagere waarden zijn in theorie mogelijk, maar veel installateurs houden het op deze minimumtemperatuur om storingen van de installatie te voorkomen. Een vloeistoftemperatuur van 28 C (of hoger) in combinatie met een bodemtemperatuur van 10 C levert voldoende ruimte om de vloeistof nog verder te onderkoelen. Hoewel er in de Verenigde Staten koudemiddelvoerende bodemwarmtewisselaars worden gebruikt, is het vanwege mogelijke bodemverontreiniging beter om te werken met indirecte onderkoeling. Dat wil zeggen dat de bodemwarmtewisselaar met water wordt gevuld, waarna de (koudemiddel) vloeistofstroom wordt afgekoeld met een warmtewisselaar. Vulling van de bodemwarmtewisselaar met glycol (zoals gebruikelijk bij warmtepompsystemen) is in dit geval niet nodig, omdat zowel de vloeistoftemperatuur als de bodemtemperatuur altijd positief zijn. Door het toevoegen van een warmtewisselaar en een circulatiepomp treedt er weliswaar enig energetisch verlies op, maar dit verlies wordt aanvaard om bodemverontreiniging te voorkomen. Wanneer de warmte van de vloeistof op de bodem wordt overgedragen, zal deze zich in de bodem verspreiden. Ook de temperatuur van de bodem in de directe nabijheid van de bodemwarmtewisselaar zal stijgen. De hoogte van deze stijging is afhankelijk van de bodemgesteldheid en van de hoeveelheid overgedragen warmte. De temperatuurstijging kan worden berekend met speciaal daarvoor ontwikkelde software, zoals het thermische simulatieprogramma BERTIX ( of het in Zweden ontwikkelde programma EED. Ter illustratie is een berekening gemaakt met een 100 kw koelinstallatie en een onderkoeling van 10 K, geleverd door een viertal bodemwarmtewisselaars van elk 100 meter diepte. Uit de resultaten van een simulatie met deze gegevens volgt een watertemperatuur in de bodemwarmtewisselaar op lange termijn van 16,5 C. Bij een verlies over de warmtewisselaar (water/koudemiddelvloeistof) van 2 K is het dan goed mogelijk om vloeistof van 28 C naar 16,5 C af te koelen (9,5 K) en bij hogere vloeistoftemperaturen een onderkoeling van 10 K of meer te bereiken. Het is wenselijk om de waterzijdige circulatie regelbaar te maken, zodat een constante temperatuur na onderkoeling van bijvoorbeeld 18,5 C kan worden aangehouden. De drukval over het expansieventiel is dan weliswaar zeer laag in vergelijking met gebruikelijke waarden, maar ook zeer constant. Bij een (minimale) condensatietemperatuur van 28 C geeft een extra onderkoeling van 10 K op een R404A koelinstallatie met een verdampingstemperatuur van -12 C, een energiebesparing van 12,5%. Bij hogere condensatietemperaturen kan de onderkoeling groter zijn, en daarmee ook de besparing. Voor een 100 kw supermarktkoelinstallatie komt dat neer op een besparing van minstens 2.400,- per jaar. De kosten van de bodemwarmtewisselaars worden dus in enkele jaren terugverdiend. Voor een vriesinstallatie zijn de voordelen overigens nog iets groter dan voor een koelinstallatie (circa 14% besparing) Momenteel zijn er nog geen voorbeelden bekend van de hier beschreven toepassing van bodemwarmtewisselaars. Het gebruik van de bodem als onuitputtelijk bron voor onderkoeling is bij uitstek een voorbeeld van Renewable Cooling. In de trend naar steeds duurzamer systemen zullen de eerste voorbeelden dan ook op niet al te lange termijn beschikbaar zijn. 35