Av Erlend Nytrø Balstad. Redaktør: Jørn Wad. Publisert 02.05.2024.

Energikommisjonens rapport «Mer av alt – raskere» fra 2023 trakk frem utnyttelse av lokal overskuddsvarme gjennom økt bruk av varmepumper generelt og fjernvarme spesielt. Man så det som viktig for økt energifleksibilitet og avlastning av strømnettet. Dette vil også frigjøre kraft til industriformål og bidra til at Norge kan nå sine klimamål.

Dette var da også utgangspunktet da Erlend Balstad holdt sitt prisbelønte innlegg under årets Kuldemøte; Han fikk nemlig prisen for «Beste foredrag». Her forteller han mer om bakgrunnen for innlegget – og litt av hva det handlet om:

Fjernvarme 

Varmepumper er allerede en viktig del av Norske fjernvarmenett og det produseres over 600 GWh fjernvarme med varmepumper. Dette tilsvarer ca. 9% av total årlig fjernvarmeproduksjon (Kilde: fjernkontrollen.no). Ved hjelp av varmepumper til fjernvarmeproduksjon kan man utnytte overskuddsvarme fra; industri, avløpsvann, datasenter og andre kilder til overskuddsvarme. Det kan brukes til samfunnsnyttig oppvarming av bygg. I den senere tiden har flere fjernvarmeaktører vurdert etablering av karbonfangst ved sine avfallsforbrenningsanlegg. Dette skaper også muligheter for bruk av varmepumper til å utnytte overskuddsvarme fra karbonfangstprosessen.

Historisk sett ble fjernvarme innført som en løsning på miljøutfordringer i forbindelse med deponering av avfall. Gjennom etablering av fjernvarmenett kunne man redusere mengden avfall som deponeres. Samtidig kunne man utnytte energien i avfallet i form av avfallsforbrenningsanlegg. Som en følge av dette er flere norske fjernvarmenett bygd ut som høytemperaturnett med typisk turtemperatur >100°C og returtemperatur rundt 60°C. Flere norske byer har omfattende fjernvarmeinfrastruktur som strekker seg over store deler av byen. Fjernvarmenettene består gjerne av flere produksjonssentraler og kan være oppdelt i ulike sekundærnett og trykkskiller. Avhengig av årstid og driftsituasjon er ulike produksjonssentraler i drift, og med det varierer overføringsretning samt temperatur- og trykkforhold i nettet.

Redusert temperatur 

Fjernvarmeaktørene har stort fokus på å redusere turtemperaturen i nettet for i større grad kunne bruke varmepumper med forbedret COP. For å redusere turtemperatur er det nødvendig å lykkes med å redusere returtemperaturen i nettet, slik at overføringskapasiteten opprettholdes. Å senke turtemperatur er tidkrevende, fordi fjernvarmenett av sin natur dekker store avstander og leverer varme til svært mange kunder. For eksempel har fjernvarmenettet i Oslo over 700 km med rør og forsyner over 6000 kunder. (Kilde: Hafslund Oslo Celsio).

På grunn av lang driftstid ved høy temperatur har fjernvarmebransjen behov for robuste og pålitelige varmepumpeløsninger. Høy leveransetemperatur fra varmepumpene er viktig, slik at produksjonssentralen kan levere ønsket turtemperatur til nettet med høy virkningsgrad og minimalt bruk av spisslast. Produksjonssentralene må være driftssikre, ikke bare fordi økt spisslastforbruk har en stor kostnad, men også siden utfall av produksjonssentraler i verste fall kan ha konsekvenser for forsyningssikkerheten.

Fjernvarmebransjen har fra tidligere god erfaring med varmepumper med turbokompressorer uten olje iblandet kuldemediekretsen. Historisk sett har denne teknologien ikke vært tilgjengelig for anlegg med naturlig kuldemedie. Drevet frem av teknologisk utvikling ser dette ut til å være i forandring. 

Hydrokarboner

Det finnes leverandører som kan levere turbokompressorer for hydrokarboner, og enkelte aktører ser på muligheter for å levere komplette varmepumpe-anlegg med turbokompressor tilpasset isobutan (R600a) som kuldemedie. Med isobutan som kuldemedie finnes det turbokompressorer med i størrelsesorden 5-30 MW som kan produsere fjernvarme ved 100°C.

En av de største utfordringene ved varmepumper med turbokompressor er at det forventes store fyllingsmengder isobutan. For en 10 MW varmepumpe med varmeopptak/varmeleveranse ved hhv. 6°C/100°C forventes det en kuldemediefylling i størrelsesorden 5 000 – 7 000 kg. Ved større anlegg vil man kunne ha over 10 tonn brannfarlig kuldemedie og dermed omfattet av Storulykkeforskriften. Blant annet innebærer dette at det kreves samtykke fra DSB, og basert på risikovurderingen vil det vil bli etablert hensynssoner med ulik risikokontur rundt energisentralen. I praksis vil dette begrense hvor slike varmepumpeanlegg kan etableres og hvilke virksomheter som kan etableres rundt slike anlegg. Generelt er indre sone virksomhetens eget område og midtre og ytre sone begrenser hvilke bruk av området rundt storulykkevirksomheten. For eksempel store publikumsarenaer, skoler og sykehus kan ikke være innenfor hensynssonen.

Også for anlegg som ikke blir omfattet av Storulykkeforskriften medfører brann- og eksplosjonsfare begrensninger. For eksempel vil krav til avlastningsflater begrense hvor slike anlegg kan plasseres. Som alltid ved bruk av brannfarlige kuldemedier er det viktig med fokus på brann- og eksplosjonsvern. For eksplosjonsvern er «Forskrift om helse og sikkerhet i eksplosjonsfarlige atmosfærer» (ATEX-brukerforskriften) og «Forskrift om utstyr og sikkerhetssystem til bruk i eksplosjonsfarlig område» (ATEX-produktforskriften) sentrale.

Størrelse og utbredelse 

Ved bruk av brannfarlige kuldemedier er krav i ATEX-brukerforskriften og EN378 at det blir gjort en vurdering av størrelsen og utbredelsen til en potensiell eksplosjonsfarlig sone. EN60079-10-1 beskriver metode og inneholder typiske hullstørrelser og formler for beregning av kuldemedielekkasje. EN60079-10-1 har også figurer og tabeller der sonetype og utstrekning fastsettes basert på lekkasjerate, ventilasjonsrate, ventilasjonstilgjengelighet og utslippsgrad. For eksplosive gasser er det definert tre ulike sonetyper, Sone 0, Sone 1 og Sone 2. Der sone 2 er den minst strenge typen sone, definert som «et område der det ved normal drift sannsynligvis ikke dannes en eksplosiv atmosfære. Dersom en eksplosiv atmosfære likevel dannes, vil den være kortvarig». I tråd med DSBs veiledning til ATEX-brukerforskriften §16 er det krav til EX-sikkert utstyr egnet til sonen utstyret skal brukes i. For sone 2 vil dette være utstyrskategori 3 eller bedre. Det er også viktig at utstyret har riktig stoffgruppe og temperaturklassifisering. ATEX-produktforskriften omhandler krav til utstyr og sikkerhetssystemer til bruk i eksplosjonsfarlig område. Forskriften beskriver produsenten, leverandøren og distributøren sine plikter inkludert krav til CE-merking og samsvarsvurdering av utstyr.

I tråd med krav i ATEX-brukerforskriften skal det utarbeides et eksplosjonsverndokument, der risikovurdering av eksplosjonsfare, soneklassifiseringen dokumenteres. Det skal av eksplosjonsverndokumentet tydelig fremgå hvilke soner virksomheten har og utstrekningen av disse, hvilke tekniske og organisatoriske tiltak som er gjennomført, samt hvilke krav som gjelder for utstyr og arbeid i de ulike sonene.

Hvor skal de ligge?

Utviklingen av hydrokarbonbaserte varmepumper med turbokompressor muliggjør økt bruk av naturlige kuldemedier til fjernvarmeproduksjon, og teknologien forventes å kunne levere høy turtemperatur med høy pålitelighet og driftssikkerhet. Men grunnet betydelige fyllingsmengder med brannfarlig kuldemedie vil konsekvensene av en eventuell større kuldemedielekkasje potensielt være store. Slike anlegg vil derfor ha omfattende krav til brann- og eksplosjonsvern, der krav til EX-sikkert utstyr vil være kostnadsdrivende. Samtidig er vil det være krevende å finne egnede tomter.