Fjärrvärmens utveckling – en historisk återblick
Idag har fjärrvärmen gjort ett segertåg över världen. Miljöhänsyn och en ökad urbanisering är några av drivkrafterna bakom den utvecklingen. Under årens lopp har fjärrvärmen effektiviserats, men grundprincipen är densamma: Värmen produceras i en centralt belägen anläggning och distribueras via ett ledningsnät till ett stort antal användare.
Man brukar säga, att fjärrvärmens utveckling hittills har omfattat tre generationer. Mot slutet av 1800-talet började man bygga system där värmen överfördes genom het ånga. Nästa generation fjärrvärme använde vatten för den funktionen och man började samproducera el och värme. Den tredje generationen utvecklades till stor del i de skandinaviska länderna, där teknikutvecklingen drevs av miljöhänsyn och strävan efter ökad kostnadseffektivitet.
Just nu befinner vi oss i övergången till en ny generation fjärrvärme. Den fjärde generationens fjärrvärme – 4 GDH – har redan sett dagens ljus. Ett starkt ökat miljömedvetande, nya möjligheter genom utvecklingen inom IT och en ny syn på konsumentens roll i produktionskedjan är några av drivkrafterna bakom den revolutionerande utveckling som nu befinner sig i sin inledande fas.
Fjärrvärmens utveckling går hand i hand med urbaniseringen. För livet i staden, är fjärrvärme nu mer än någonsin ett bekvämt, pålitligt och ekonomiskt alternativ för uppvärmning.
Den översta raden visar generationsskiftena i fjärrvärmens utveckling. Korta texter summerar de innovationer som skapat växlingarna. Kurvorna därunder visar hur flödes- och returtemperaturerna har minskat över tid, samt hur energieffektiviteten därmed successivt har ökat. I de lodräta kolumnerna kan du se vilka innovationer som har tillförts fjärrvämen i varje generation. Den nedersta raden anger tidsintervallet för varje generation.
Första generationen: En skorsten ersatte tusentals
Fjärrvärme i kommersiell skala anses vara en amerikansk uppfinning som såg dagens ljus i 1800-talets USA. Genom att producera värme för flera bostäder på ett och samma ställe, kunde man spara bränsle och därmed också pengar. Dessutom förbättrades luftens kvalitet när man ersatte tusentals små värmepannor med ett centralt värmeverk.
På Manhattan i New York byggdes ett fjärrvärmeverk redan på 1880-talet och något senare följde flera tyska städer efter. Genom att sopor kunde användas som bränsle, blev den nya tekniken faktiskt något av en banbrytare för det som vi idag brukar kalla den cirkulära ekonomin. De ursprungliga fjärrvärmenäten i New York och Paris är faktiskt i bruk fortfarande!
Användningen av het ånga för värmeöverföring innebar störande ljud och risker på grund av det höga trycket i ledningarna. Då och då inträffade explosioner och större läckage. Fördelarna övervägde emellertid, och under 1900-talets första decennier byggdes ett antal fjärrvärmenät i städer över hela världen. Det första nätverket i Norden uppfördes i Danmark vid sekelskiftet 1900.
Fjärrvärmen innebar en revolution för livet i städerna. Många människor befriades från det dagliga arbetet med hantering av koks, kol och ved. Luftens kvalitet förbättrades dessutom avsevärt. Gradvis började man nu använda vatten istället för ånga som medium. Därmed började den andra generationens fjärrvärme ta form.
Andra generationen: Från ånga till vatten.
På 1930-talet inleddes det generationsskifte som innebar att man övergick från ånga till vatten som medium för värmeöverföring. Tack vare effektivare pumpar kunde man nu också bygga mer omfattande och mer energieffektiva nätverk. Systemen krävde mindre underhåll, returvärmen kunde användas mer effektivt och kundernas användning av energi kunde mätas med större precision. Dessutom blev systemen mer driftsäkra och riskerna minskade.
Kraftiga rör – en del av stadslandskapet
Till skillnad från tidigare byggdes ledningarna i fjärrvärmeverken nu oftast ovan jord, vilket innebar nackdelar i form av ökat slitage och skador genom yttre påverkan. Ledningarna byggdes dessutom ofta på plats, vilket var både arbetskrävande och kostsamt. På många håll i världen blev en ”skog” av kraftiga värmerör en del av stadslandskapet.
Samproduktion av värme och el
Under andra generationens fjärrvärme (cirka 1930 – 1970) började man bygga anläggningar för samproduktion av värme och el (CHP). Ångan från förbränningen i anläggningen användas för att driva en turbin som genererade el. Den kunde sedan släppas vidare för att distribuera värme i fjärrvärmeverket. Sänkta returtemperaturer och större flexibilitet vid valet av bränsle bidrog till ökad effektivitet och förbättrad driftsäkerhet. I takt med den ökande urbaniseringen skedde en kraftig utbyggnad av fjärrvärmen i västvärlden.
Tredje generationen: Energieffektivitet och miljöhänsyn
Under 1970-talet blev det gradvis alltmer uppenbart att den teknik som fjärrvärmen byggde på behövde utvecklas – speciellt när det gällde energieffektivitet, byggkostnader och underhåll.
Prefabricerade komponenter och rör under jord
Nätverken byggdes nu i allt högre utsträckning med fabrikstillverkade, färdigisolerade rör som lades ner under jord. Systemens komponenter (t ex värmeväxlarna) blev lättare och mer kompakta. Delar av systemen kunde dessutom levereras som färdigmonterade ”block”, vilket sparade både tid och pengar. Så småningom kom de nordiska länderna att leda teknikutvecklingen inom fjärrvärme. I branschen talade man faktiskt om Skandinavisk Fjärrvärme.
Flexibilitet och effektivitetsvinster
Under mer än hundra år hade fjärrvärme baserats på fossila bränslen – dvs. kol och olja. Under den tredje generationen började man komplettera med andra bränslen – t.ex. torv, spån, solenergi, sopor och energi från centrala värmepumpar.
Genom lägre temperaturer i systemen kunde den totala energieffektiviteten ökas – t.ex. genom att man använde rökgasrenare som också tog tillvara spillvärmen i rökgasen. Lägre temperaturer i systemet minskade elkraftverkens kostnader avsevärt och bidrog till sänkta kostnader samt mindre värmeförluster i hela systemet.
Fjärrkyla är samma princip fast omvänt
Parallellt med fjärrvärmens utveckling hade system för fjärrkyla vuxit fram. Det är emellertid först under de senaste decennierna som en kraftig global utbyggnad av fjärrkyla har ägt rum. Miljöhänsyn och driftsäkerhet har varit de drivande faktorerna i den utvecklingen. Systemen baseras på en centralt belägen anläggning med kraftfulla värmepumpar eller på s.k. frikylning, där energin utvinns direkt ur havs- eller sötvatten.
Fossilfritt och halverade utsläpp
Under den tredje generationen fjärrvärme har man i vårt land nästan helt uppnått målet att basera fjärrvärmen på fossilfri energi. Samtidigt har utsläppen av koldioxid i stort sett halverats.
I många fall kan biobränslen levereras från källor som finns i närmiljön, vilket innebär lägre transportkostnader och minskad miljöpåverkan. Flexibiliteten vid valet av energikälla medger att man nu kan välja de källor som har minst miljöpåverkan. Genom installation av energimätare hos kunderna, kan man få en rättvisande totalbild av energiförbrukningen och anpassa systemet efter det faktiska behovet.
Den tredje generations fjärrvärme befinner sig redan i sin slutfas. Liksom vid tidigare ”generationsväxlingar” beror detta främst på att kraven på effektivitet och minimerad miljöpåverkan har ökat kraftigt. Detta är inte märkligt, eftersom uppvärmning är en av de största källorna till utsläpp av växthusgaser.
Den fjärde generationens fjärrvärme (4 GDH) har redan sett dagens ljus och beräknas kunna leva vidare till cirka år 2050. Exakt vad den kommer att bära med sig vet vi inte, men redan idag handlar det bl.a. om att utnyttja de möjligheter till fjärrstyrning, datalagring och driftanalys som Internet och specialiserade IT-lösningar möjliggör.
Under tredje generationens fjärrvärme började man utnyttja ett antal olika energikällor. Bilden visar också hur den yttre (värmeverkets) och den inre (fastighetens) vattenkretsar hålls åtskilda och hur värmeöverföringen sker via värmeväxlare.
Animation: Laura Toffetti, DensityDesign Research Lab
Den fjärde generationens fjärrvärme (4 GDH): Rena energikällor, kundsamverkan och kraftfullt IT-stöd
Den första generationens fjärrvärme revolutionerade uppvärmningen i städerna. Den andra generationen ökade effektiviteten genom att man bytte ut ånga mot vatten vid överföring av den centralt producerade värmen. Under den tredje generationen innebar tillgången till prefabricerade moduler att nätverken kunde byggas upp och utökas både billigare och snabbare än tidigare. Den fjärde generationen innebär förändringar som är både fler och mer genomgripande än de tidigare. Till stor del handlar det om valet av energikällor och trimning av effektiviteten i systemens olika delar.
Forskare inom värmeteknik har listat fem viktiga kriterier för den fjärde generationens fjärrvärme:
- Kapacitet för uppvärmning och varmvattendistribution i befintliga byggnader, i lågenergihus samt i fastigheter som genomgått energirenovering.
- Förmåga att distribuera värme med låga värmeförluster i nätverket.
- Förmåga att återvinna värme ur lågtempererade källor samt att integrera förnybara värmekällor som solenergi och geothermisk energi.
- Förmåga att fungera som en integrerad del av smarta energisystem – t. ex. smarta el-, vatten- eller värmenätverk – samt att kunna fungera som en integrerad del av fjärde generationens system för fjärrkyla.
- Förmåga att säkerställa relevanta strukturer för planering, kostnadskontroll och motivation. Vidare bör en beredskap för kommande strategiska investeringar i uthålliga energisystem finnas.
Låt oss se hur de här kraven kan omsättas i praktiken!
Lägre systemtemperaturer är kärnan i 4 GDH
I nordiska fjärrvärmeverk varierar temperaturen på det vatten som lämnar värmeverket mellan 65 – 115°C beroende på årstiden. Returtemperaturen varierar mellan 40 – 60°C.
Målet för den fjärde generationens fjärrvärme är att sänka den genomsnittliga flödestemperaturen till cirka 65 °C samt att sänka returtemperaturen till cirka 25 °C, vilket innebär en kraftfull höjning av energieffektiviteten samt minskade kostnader och reducerade utsläppsvolymer.
Med modern värmeteknologi kan dessa temperatursänkningar genomföras gradvis och utan större investeringar. De nuvarande nätverken i den tredje generationen kan uppdateras successivt för att möte den fjärde generationens krav.
Illustration av hur ett 4GDH-system fungerar.
En sänkning av temperaturen i nätverken innebär följande fördelar:
- Flödet i systemet minskar, vilket innebär sänkta pumpningskostnader.
- Nätverkets kapacitet för värmeöverföring ökar.
- Värmeförlusterna i nätverket minskar.
- Synergieffekterna vid samproduktion av värme och el (CHP) ökar.
- Effektiviteten hos värmepumpar och rökgasrenare ökar.
Kunden blir aktör i en cirkulär ekonomi
Tack vare flexibiliteten när det gäller energikällor, kan ett antal kunder inom en nära framtid få rollen som värmeproducenter. Genom att sälja sitt avfall eller sin överskottsvärme kan vissa industrier och lokala företag få rollen som aktörer i den cirkulära ekonomin.
Slut på eldandet!
Förbränning av t ex kol, olja, flis eller sopor innebär effektiv produktion av energi. Problemet är de utsläpp av koldioxid och partiklar som påverkar luftens kvalitet. Fossila bränslen är både energi- och kostnadseffektiva vid produktionen av värme och el. Därför har också tröskeln för att överge dem varit hög. Genom ökat miljömedvetande och striktare lagstiftning håller dock situationen på att förändras.
Det finns ingen enskild energikälla som helt skulle kunna ersätta kolet. Bränslen med låga utsläpp – t.ex. biomassa och biogas – är emellertid några kompletterande alternativ. Användning av spillvärme, geotermisk energi och värme från industriella värmepumpar är andra möjligheter. I framtiden kommer förbränning troligen att vara en pålitlig reservkälla som man främst använder vid toppar i värmeproduktionen. Målet är, att tillgodose basbehovet ur energikällor som inte behöver brännas upp för att avge sin energi.
Smarta energinätverk genomkorsar staden
Ett komplext fjärrvärmeverk kräver ett ”intelligent” kontrollsystem som säkrar dess energieffektivitet, driftsäkerhet och ekonomi. Smarta undercentraler hos kunderna ger information om energianvändningen och medger exakt inställning – också på distans. Samtidigt får värmeproducenten löpande information om systemets drift.
Fjärrvärmenäten omvandlas alltmer till öppna energisystem som underhålls och kontrolleras av t.ex. ett energibolag. När antalet abonnenter ökar och nätverket utökas, krävs det ett ökat inslag av avancerad informationsteknologi för att ge löpande information om systemets drift.
Mot en renare framtid
IT, energieffektivitet, nya energikällor och lokalt samarbete – så kan man sammanfatta de drivande krafterna bakom fjärde generationens fjärrvärme.
Uppvärmning av bostäder svarar för en stor andel av koldioxidutsläppen i Norden. I många fall står ekonomisk utveckling och miljöhänsyn i ett motsatsförhållande till varandra, men när det gäller fjärrvärmens utveckling gäller faktiskt det motsatta. Förbättrad energihushållning sparar stora summor pengar – samtidigt som utsläppsvolymerna minskar.
4 GDH: Lösningar från HögforsGST
HybridHEAT återvinner värmen i fastighetens frånluft, så att den kan komplettera den fjärrvärme som tillförs. Analys av ett stort antal installationer indikerar reducerade värmekostnader på 40 procent eller mer. HybridHEAT kan utnyttja flera energikällor i kombination – t.ex. fjärrvärme, frånluft, bergvärme eller solenergi.
För styrning av komplexa 4 GDH-lösningar har HögforsGST utvecklat en avancerad styrcentral. Den medger inställningar och kontroll på distans och har kapacitet för lagring och analys av stora volymer driftdata – så att systemet löpande kan arbeta på en optimal nivå.
Vill du veta mer om fjärde generationens fjärrvärme? Kontakta våra experter för mer information.
