Natuurlijke koeling in Kopenhagen maakt gebruik van zeewater en natuurlijke koudemiddelen

In het centrum van Kopenhagen stuurde de roodstenen schoorsteen aan de Gothersgade-straat vroeger zwarte rook de lucht in van dit oude, pittoreske deel van de stad, dat slechts een paar straten verwijderd is van de houten schepen, kastelen en terrascafés van Kongens Nytorv. Sinds de sluiting in de jaren 70 staat de oudste energiecentrale van Kopenhagen leeg. Vandaag draait de centrale weer. Ze is rookvrij en produceert geen elektriciteit, maar iets totaal anders, waardoor klanten 7 GWh energie en 3.000 ton CO2-uitstoot per jaar besparen. Met behulp van het oude, ondergrondse warmtenetwerk levert de Gothersgade Works nu stadskoeling.

De faciliteit, eigendom van het Kopenhagense energiebedrijf Copenhagen Energy, levert koeling aan nabijgelegen banken, warenhuizen en kantoren, waardoor hun serverruimtes en andere ruimtes het hele jaar door koel en comfortabel blijven. De centrale werkt met behulp van natuurlijke koelmiddelen en lokale bronnen zoals zeewater en restwarmte, waardoor de kosten laag blijven en de milieuwinst groot.

Hoe werkt stadskoeling?

Stadskoeling werkt volgens hetzelfde basisprincipe als stadsverwarming, maar met koud in plaats van warm water: een centrale produceert gekoeld water en distribueert dit via een ondergronds netwerk van geïsoleerde leidingen. Klanten die op het pijpleidingnetwerk zijn aangesloten, kunnen de hoeveelheid gekoeld water gebruiken die nodig is om in hun eigen koelbehoefte te voorzien. Berekeningen tonen aan dat klanten die overstappen op stadskoeling hun operationele kosten met maximaal 45 procent kunnen verlagen, inclusief grote besparingen op elektriciteit en service- en reparatiekosten.

Wat zijn de voordelen van een stadskoelingsnetwerk?

Installatiekosten voor stadskoeling zijn ook veel lager dan voor individuele koelsystemen. Alles wat nodig is, is een speciale warmtewisselaar en pomp zodat klanten hun eigen centrale koelwatersysteem kunnen koelen. Ze kunnen vervolgens hun conventionele koelsystemen verwijderen, waardoor ruimte vrijkomt en het elektriciteitsverbruik voor koeling wordt verlaagd, zegt Jan Don Høgh, afdelingsmanager bij Copenhagen Energy. “Het hangt af van hoe efficiënt het koelsysteem van een klant is, maar tot nu toe hebben we besparingen van 10 tot 55 procent gezien,” zegt Høgh. “Gewoonlijk heeft het [individuele] centrale koelsysteem van een gebouw motoren, pompen, filters, condensors en torens nodig, en het kan 300 vierkante meter in beslag nemen,” zegt Høgh. “Een stadskoelingsinstallatie heeft geen bewegende onderdelen, wat betekent dat het geen geluid produceert, en het gebruikt drie tot vier vierkante meter.

Dat is belangrijk in dit deel van de stad, waar ruimte extreem waardevol is.” Een van de eerste klanten van Copenhagen Energy, het mediabedrijf Berlingske, voegde twee extra parkeerplaatsen voor medewerkers toe toen het overschakelde van zijn traditionele airconditioningsysteem naar stadskoeling, en won zo ruimte door de verwijdering van apparatuur in de garage. Nog beter, toen de koelcomponenten van het dak werden verwijderd, kon het een nieuw cafetaria en vergaderruimtes bouwen met een prachtig uitzicht over de stad.

Stadskoeling vermindert ook emissies. Volgens berekeningen van Copenhagen Energy, vergeleken met energieverbruik en emissiecijfers van individuele koelcentrales in de gebouwen op Kongens Nytorv, kan er 66 procent CO2-uitstoot per jaar worden bespaard. Voor zwaveldioxide (SO2) en stikstofoxide (NOx) zijn de jaarlijkse besparingen respectievelijk 62 procent en 69 procent.

Een natuurlijke manier van koelen met zeewater

De stadskoelingscentrale gebruikt twee 100 jaar oude cementleidingen die zeewater van 800 meter afstand aanvoeren – de essentiële factor in de economische en milieuberekening van de centrale. Wanneer het zeewater koud genoeg is (van november tot april), doet het al het koelen alleen in een vrije koelunit (zie kader op pagina 12). De rest van het jaar wordt het zeewater gebruikt als koelmiddel in de condensors van compressor-koelmachines die ammoniak als natuurlijk koelmiddel gebruiken.

In de zomer, wanneer de koelvraag het hoogst is, gebruikt de centrale ook een absorptiekoeler die draait op reststoom van een lokale afvalverbrandingsinstallatie, een proces dat “absorptiekoeling” wordt genoemd. “Als je deze overtollige warmte als puur afval beschouwt, is de absorptiekoeler bijna 100 procent CO2-neutraal,” zegt Høgh tijdens een rondleiding door de faciliteit. Hij moet schreeuwen om gehoord te worden boven het gezoem en gebrom van de pompen en machines, met het doolhof van dikke zilveren buizen voor het stromende koude water.

De 12 MW-centrale van Copenhagen Energy startte de productie in maart 2010. Terwijl het in december 2009 in aanbouw was, kwamen verschillende delegaties van de VN-COP15 klimaatconferentie in Kopenhagen langs voor een rondleiding om te zien hoe het mogelijk zou zijn het energieverbruik voor koeling in energie-intensieve gebouwen te verminderen. Recentelijk bezocht weer een van de vele Chinese groepen. “Ze zijn erg geïnteresseerd in stadskoeling,” zegt Høgh. “Ze zien het als een uitstekend alternatief voor wat ze tegenwoordig in hun steden hebben.”

De toenemende vraag naar koeling bijhouden

De vraag naar koeling is de afgelopen 10 jaar voortdurend toegenomen, deels door het groeiende gebruik van IT en dat opslag. Volgens Copenhagen Energy wordt 40 tot 50 procent van de koelvraag van hun klanten daadwerkelijk gebruikt in hun serverruimtes. De stadskoelingstechnologie werkt overal, maar is alleen concurrerend onder bepaalde voorwaarden, zegt Keld Almegaard van COWI, het ingenieursadviesbureau dat de Kopenhagense centrale mogelijk maakte. “Het moet worden gedimensioneerd voor minstens 10 MW, en het is een goed idee om een haven of waterbron in de buurt te hebben – evenals toegang tot restwarmte,” zegt Almegaard.

Copenhagen Energy was al enige tijd klaar om de stadskoelingscentrale op te starten, maar pas in 2009 maakte het Deense wettelijke kader het mogelijk om stadskoelingssystemen te exploiteren. “We zagen een enorm potentieel hiervoor in Denemarken,” zegt Høgh. Nog een faciliteit staat gepland voor Kopenhagen, met zes andere mogelijke locaties in voorbereiding. Stadskoeling had al tot 15 jaar succes in enkele Europese steden – met 450 MW capaciteit in Stockholm en 550 MW in Parijs – en, zegt Høgh, nieuwe projecten staan op stapel in het hele continent.

Stadskoeling biedt ook een eenvoudige en economische manier voor gebouweigenaren om hun koelsystemen die draaien op hydrofluorcarbonen of andere synthetische gefluoreerde f-gassen uit te faseren. Dit zijn de schadelijke broeikasgassen die onder toezicht staan van de Verenigde Naties, milieuactivisten en consumentenorganisaties (zie artikel op pagina 6). Denemarken vereist een volledige uitfasering tegen 2015.

“We zijn puur klantgericht,” zegt Høgh. “Dit is een concurrerend concept waarmee we CO₂-uitstoot kunnen verminderen zonder subsidies. Het zal niet alle uitdagingen oplossen die Denemarken heeft om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen, maar het is een stap om daar te komen.”

Oplossingen met direct beschikbare natuurlijke koelmiddelen

Alfa Laval’s oplossingen maken een overgang mogelijk van schadelijke koelmiddelen naar drie veelgebruikte, milieuvriendelijke natuurlijke koelmiddelen: kooldioxide, ammoniak en koolwaterstoffen.

- Kooldioxide (CO₂): Supermarktkoelsystemen gebruiken steeds vaker CO₂ als koelmiddel, evenals voor het condenseren of koelen van gassen bij omgevingstemperatuur. Deze oplossing werkt het beste in koelere klimaten, zegt Tommy Ångbäck, manager Refrigeration & HVAC Cooling bij Alfa Laval. Verschillende Scandinavische en Britse supermarktketens gebruiken CO₂ nu standaard. De fysische eigenschappen van CO₂ vereisen dat koelsystemen werken bij meer dan vijf keer de normale druk van een klassiek koelsysteem.

Dit stelt nieuwe eisen aan de componenten in het systeem. Alfa Laval heeft een volledige reeks warmtewisselaars ontwikkeld om efficiënt om te gaan met deze hogedruksysteem. Het assortiment warmtewisselaars voor CO₂-toepassingen omvat luchtkoelers voor koelkamers en gaskoelers bij omgevingstemperatuur, samen met gelaste platenwarmtewisselaars die worden gebruikt als CO₂-economizers, verdampers of warmte-terugwin-gaskoelers.

- Ammoniak: Een modern ammoniakkoelsysteem biedt volgens Ångbäck een goed rendement op de langere termijn. De huidige platenwarmtewisselaars kunnen het volume ammoniak met 10 keer of meer verminderen in grotere indirecte koelsystemen vergeleken met de ouderwetse shell-and-tube ammoniaksystemen.

“We hebben duizenden compacte, efficiënte oplossingen geleverd met half-gelaste platenwarmtewisselaars met gelaste cassettes voor grote ammoniakkoelinstallaties,” zegt Ångbäck. “Deze kunnen nu ook hogere drukken aan om om te gaan met twee-traps cascade-systemen van ammoniak/CO₂ voor verbeterde energieprestaties bij lage temperaturen.” Kleinere systemen kunnen de AlfaNova fusion-gelaste platenwarmtewisselaars van 100 procent roestvrij staal gebruiken. “Je hebt slechts een zeer lage lading ammoniak nodig, en dat maakt het systeem goedkoper en veiliger,” zegt Ångbäck.

- Koolwaterstoffen: Koolwaterstoffen worden nu veel gebruikt in huishoudelijke koelkasten ter vervanging van schadelijke koelmiddelen. Grotere commerciële systemen kunnen ook met propaan als koelmiddel werken. De kopergelaste platenwarmtewisselaars van Alfa Laval zijn dan handig om het brandbare propaanvolume zo laag mogelijk te houden in een indirect systeem, meestal met een glycoloplossing of vloeibare CO₂ als secundair koelmiddel, zegt Ångbäck.

Intelligent systeem zorgt voor efficiënte koeling

De stadskoelingscentrale van Copenhagen Energy heeft een capaciteit van ongeveer 12 MW en is gebaseerd op drie verschillende koelprincipes – free cooling, absorptiekoeling en compressor-koeling. Dit maakt het een zeer flexibel en energie-efficiënt systeem.

Alfa Laval heeft zeven platenwarmtewisselaars aan de centrale geleverd: één titanium platenwarmtewisselaar, drie verdampers en drie condensors. Jan Don Høgh van Copenhagen Energy zegt dat de redenen om te kiezen voor Alfa Laval-platenwarmtewisselaars hun “hoge efficiëntie en lage drukverliezen” zijn. Daarnaast, zegt hij, “Alfa Laval is een bekende leverancier van warmtewisselaars.” De titanium platenwarmtewisselaar van Alfa Laval wordt gebruikt in het free cooling-systeem, waar zeewater uit de haven van Kopenhagen wordt opgepompt en gebruikt om het stadskoelwater te koelen. Titanium platen moeten worden gebruikt om corrosie door zoutwater te voorkomen. In de winter, wanneer de zeewatertemperatuur onder 5,5°C ligt en de koelvraag minder dan 2400 kW is,

gebruikt Copenhagen Energy alleen het free cooling-systeem om het stadskoelwater te koelen. Wanneer de zeewatertemperatuur tussen 5,5°C en 11,5°C ligt, wordt de warmtewisselaar gebruikt voor het voorkoelen van het gekoelde water, voordat het door een compressor-koelsysteem tot de gewenste temperatuur wordt gekoeld. De Kopenhagense centrale heeft drie van dergelijke koelsystemen. Elk bevat één Alfa Laval roestvrijstalen verdamper en één Alfa Laval titanium condensor.

Het zeewater wordt vervolgens gebruikt om het natuurlijke koelmiddel ammoniak in de condensors te koelen. Wanneer de zeewatertemperatuur boven 11,5°C ligt, is het zeewater te warm om te worden gebruikt voor free cooling, en leveren de koelinstallaties alle koeling.

Het free cooling-systeem is zeer energie-efficiënt, legt Alireza Rasti, sales manager bij Alfa Laval in Denemarken uit. “Wanneer het zeewater koud genoeg is om het koelen volledig zelf te doen, hoeft u de compressoren niet te laten draaien,” zegt hij. “Door alleen de zeewaterpompen te laten draaien, verbruikt u slechts een fractie van de elektriciteit die normaal nodig is.”