Notkun varmadælu í landeldi

Í nýjasta tímariti Sóknarfæris, sem tileinkað er fiskeldi, er greinin Notkun varmadælu í landeldi eftir Odd B. Björnsson, doktor í vélaverkfræði á orku- og iðnaðarsviði Verkís.

Varmadælur eru ekki lengur eins framandi almenningi og fyrir nokkrum áratugum. Þær eru nú víða notar í frístundahúsum þar sem ekki er aðgangur að heitu vatni. Allir þekkja og nota ísskáp á sínu heimili. Í ísskápum eru kæld matvæli, sem sett eru inn við herbergishita. Aftan á ísskápnum er svört plata með grönnum pípum sem er volg á meðan ísskápurinn gengur. Ísskápurinn flytur varma úr matvælunum (kælir þau) og skilar út í eldhúsið í gegnum svörtu plötuna. Sama gerir varmadælan, eða ef til vill væri betra að nefna hana varmalyftu.

Varmi er alls staðar í umhverfi okkar. Eiginleiki varma er að hann flæðir frá heitum stað í svalan. Með heita vatninu hitum við ofna í húsum okkar og varmi frá heitum ofni flæðir inn í herbergið. Ef ekki er aðgangur að vatni sem er nægilega heitt til að hita upp hús, þá þarf að finna aðra leið til upphitunar. Sums staðar er hitað með rafmagni og áður fyrr var olíukynding algeng í húsum.

Þarna kemur varmadæla til sögunnar. Eins og áður segir þá streymir varmi frá heitum stað yfir í svalan. Í varmadælu er búinn til svalur reitur, sem er kaldari en umhverfi okkar. Þannig má nota andrúmsloft sem varmagjafa eða jarðvatn við 4°C, sjó við 6°C, eða volga lind. Í varmadælunni er vökvi sem sýður við lágan hita, þannig að varmi úr umhverfi okkar nægir til að eima hann. Þegar vökvinn hefur verið eimaður og allur orðinn að gasi er hann sendur í gegnum loftþjöppu sem þrýstir gasinu saman. Við það hitnar gasið eins og við þekkjum þegar við pumpum í reiðhjóladekk. Gasið úr þjöppunni er þá orðið miklu heitara en vökvinn sem var eimaður. Þetta heita gas inniheldur varma sem kom annað hvort úr andrúmsloftinu, jarðvatninu eða sjónum að viðbættri raforkunni sem knýr þjöppuna.

Varmadælan skilar því „ókeypis“ varma úr umhverfinu og raforkunni til notanda varmans. Hentugt er að nota varmann í gólfhitakerfi húsa, eða til að hita upp 11-12°C heitt eldisvatn í fiskeldisstöð. Notað er rafmagn til að knýja varmadæluna. Mestur ávinningur fæst þegar munur á hita umhverfis og notenda er sem minnstur. Þannig verður rafmagnsnotkun hlutfallslega lægst. Hlutfalls varmaafls sem varmadælan skilar og rafafls sem hún notar er nefnt virknistuðull (COP). Með varmadælu sem nýtir varma úr 6°C heitum sjó til að hita upp 12°C eldisvatn, má búast við COP stuðli um 10 við vetraraðstæður og hærri að sumarlagi. Það þýðir að úr 100 kW af varma til upphitunar eldisvatns í varmadælu fást 1000 kW af varma til upphitunar eldisvatns.

Landeldi

Í landeldi er notað mikið ferskvatn. Vatn streymir þá ýmist í beint í gegnum eldisker og þaðan í frárennsli, eða það er að hluta endurnýtt eftir hreinsun og meðhöndlun. Í endurnýtingarkerfum fer stór hluti notaðs vatns frá kerfum í gegnum tromlusíun og aðra meðhöndlun svo sem lífhreinsun, loftun og súrefnisbætingu, en minnihluti þess í frárennsli, og í stað frárennslis kemur jafnmikið af fersku vatni.

Æskilegur vatnshiti í seiðaeldiskerum fyrir lax er 11-12°C, en hiti ferskvatns í borholum hér á landi er 4-5°C. Því þarf að hita ferskvatnið áður en það fer inn í seiðaeldiskerin. Í gegnumstreymiskerfum þarf að hita allt ferskvatnið, en í endurnýtingarkerfum einungis viðbótarvatnið að teknu tilliti til hitafalls í hreinsibúnaði og meðhöndlun. Varmaafl vegna eldisvatns getur því verið mjög mikið og hleypur á megavöttum (MW) í stórum eldisstöðvum. Það fer þó eftir því hve hátt hlutfall kervatnsins er endurnýtt.

Það er því mikill kostur ef unnt er að staðsetja landeldisstöð þar sem aðgangur er að heitu vatni auk ferskvatns og sjávar. Þarna gæti verið um að ræða öfluga tengingu við hitaveitu eða mögulega nýtingu á varma frá iðnaði eða orkuveri á viðráðanlegu verði.

Upphitun eldisvatns

Upphitun eldisvatns getur verið með ýmsum hætti.Eins og áður segir mætti hita það með hitaveituvatni eða afgangsvarma frá orkuveri. Ef ekki er aðgangur að heitu vatni gæti upphitun í rafskautakatli komið til athugunar, eða þá að nota samþætta þriggja þrepa lausn með varmadælu sem notar 1/10 þess rafmagns sem þarf við beina rafhitun, ásamt nýtingu varma úr affallsvatni. Auk þess er rafskautaketill hafður til taks þegar sinna þarf viðhaldi á varmadælum. Slíkt kerfi er sýnt á meðfylgjandi skýringarmynd.

Til að skoða þetta nánar er sett upp eftirfarandi dæmi um upphitun 4°C ferskvatns upp í 12°C fyrir laxeldisker. Heildaraflþörf er 10 MW, sem svarar til upphitunar 300 l/s ferskvatns. Tölur sýna árlegan upphitunarkostnað.

Hitaveita (226 kr/m3)
– 340 mkr/ár

Rafmagn (8/kWh)
– 700 mkr/ár

Þriggja þrepa lausn
– 60 mkr/ár

Forhitun með affallsvatni frá 4°C – 8°C
Varmadæla hitar frá 8°C – 12°C
Rafskautaketill (notaður 160 klst/ár), 4°C til 12°C

Varmaskiptar

Þess ber að geta að hreinsa þarf frárennslisvatn frá kerum áður en hægt er að vinna úr því varma til að lengja rekstrartíma varmaskipta. Í endurvinnslukerfum er hreinsibúnaður fyrir hendi. Því má setja vatn sem tekið er úr hringrásinni beint í gegnum varmaskipti og forhita með því að ferskvatn sem sett er inn til endurnýjunar.
Ef um er að ræða gegnumstreymiskerfi þarf að setja upp sérstakt hreinsikerfi fyrir frárennslisvatnið, s.s. tromlusíu til að fjarlægja fastefni, lífhreinsun o.fl.

Búnaður

Varmadælur, varmaskiptar og hreinsikerfi eru allt sérhæfður búnaður sem getur kostað mikið í innkaupum og verið dýr í viðhaldi. Varmadælur fyrir stórnotendur eins og landeldisstöðvar eru aflmiklar og nokkuð plássfrekar. Algengast er að nota R717 kælimiðil í stórum varmadælum, sem er hreint ammoníak. Það er umhverfisvænt, hefur t.d. engin áhrif á ósonlagið (ODP=0) og engin áhrif á hlýnun jarðar (GWP=0).

Verkís kom að hönnun og vali á varmadælum sem voru teknar í notkun hjá HS veitum í Vestmannaeyjum fyrir hitaveituna þar árið 2019. Um er að ræða fjórar varmadælur sem hver skilar 2,6 MW í varma inn í hitaveitukerfið. Þær nýta varma úr sjó sem tekinn er úr borholu við stöðvarhúsið.

Heimsmarkmið