Kylan från forskningen värmer Lund

Med grön el, energieffektiva lösningar och hög energiåtervinning ska ESS, European Spallation Source, bli en av världens mest hållbara forskningsanläggningar. Det är en elintensiv verksamhet som arbetar med ett ambitiöst energikoncept.

Huvuddelen av energitillförseln till ESS blir slutligen värme i olika delar av anläggningen som måste kylas bort. Överskottsvärmen kommer att tillvaratas via flera olika kylkretsar med olika temperaturnivåer, och återvinnas i Lunds fjärrvärmenät.

Värmepumparna krymper och blir miljövänligare

– ESS energikoncept var en av flera anledningar till att denna internationella forskningsanläggning hamnade i Sverige. Det var ett löfte om att minst 50 procent av den elenergi som fördes in i anläggningen skulle återvinnas som värme. Och vi ligger avsevärt högre än så, säger Karin Wennerholm, gruppledare för Facility Management på ESS.

– Vi strävar mot närmare 100 procent. Ambitionen som vi har är att skapa innovativa värmelösningar och att nyttja spillvärmen så bra som möjligt. Det gör vi bland annat tillsammans med Eon, som vi har samarbetsavtal med.

Nytt energisystem ger mindre utsläpp och bättre arbetsmiljö

I ESS drygt 500 meter långa acceleratortunnel kommer protoner att accelereras till 96 procent av ljusets hastighet med hjälp av elektromagnetiska fält från klystroner. Protonerna accelereras genom en rad supraledande kaviteter som är nedkylda av flytande helium till –271 grader – två grader över absoluta nollpunkten. Dessa extremt låga temperaturer möjliggörs med kryoteknik i ESS avancerade kryogena system.

Protonerna träffar till slut ett roterande målhjul av volfram. Där sker spallationen, då neutroner frigörs ur volframatomerna. Dessa neutroner leds ut till de 22 vetenskapliga instrument där experiment kan genomföras på olika ämnen och material för att se hur de är uppbyggda och fungerar.

Teknikexperten om växande cykeltrend

Acceleratorn och andra delar i spallationsprocessen genererar det mesta av den spillvärme som kyls bort och återvinns. Andra värmealstrande delar är dataservrar, laboratorier samt komfortkyla i kontor- och verkstadsbyggnader.

Den stora kyl- och värmeanläggningen i Central Utility Building, som ska tillvarata och återvinna ESS överskottsvärme, kopplas ihop med alla rör och ledningar som installerats sedan byggstarten och byggs nu upp i tre etapper av Eon. Energibolaget ska förse ESS med kyla, värme och renat vatten, samt hantera värmeåtervinningen till fjärrvärmenätet.

Den första etappen ska tas i drift och kopplas in under sommaren, etapp två är den största delen och ska vara i drift halvårsskiftet 2022. ESS ska enligt plan börja producera forskning 2023.

Enligt beräkningarna kommer forskningsanläggningen leverera omkring 160 GWh vid 80 grader till Kraftringens fjärrvärmenät i området.

– Vi försöker att återvinna restvärmen på olika temperaturnivåer. På de höga temperaturerna försöker vi direktväxla så mycket som möjligt för att leda in värmen till fjärrvärmenätet. Till de andra värmeströmmarna, med lite lägre temperatur, tar vi hjälp av värmepumpar för att få upp till 80 grader, säger Roy Ericsson, som är teknisk expert för processystemen på ESS.

Förutom kompressorkyla/värmepumpar används också uteluften som värmesänka under den kalla delen av året.

– Det är en mycket komplex anläggning med ett tiotal kylmaskiner/värmepumpar med effekter på 1 000–2 000 kW vardera, säger Roy Ericsson.

Städa värmeväxlaren, det lönar sig i längden

Det är genom att vara noga med temperaturerna som den höga effektiviteten kan uppnås och värmen kan ge inkomster till ESS. Kylsystemet består av tre kylkretsar med olika temperaturer; låg, medel och två olika högtemperaturer. Lågtemperaturerna är 8/16 grader, medel 25/31 grader, 45/55 samt en del med 45/80 grader i högtemperaturkretsarna, förklarar Roy Ericsson.

Lågtemperatursystemet kyler datacentraler och ger komfortkyla. Medeltemperatursystemet och det svalare av högtemperatursystemet kyler delar av klystronerna. Dessutom tas värme tillvara i ett internt lågtempererat värmenät inom anläggningen.

För att transportera media inom den stora anläggningen behövs ett imponerande rörsystem med en total längd på omkring 40 kilometer. Kylledningarna är tillverkade av rostfritt stål, 316L.

– Det är gigantiskt, utgående ledningar har upp till 600 millimeter diameter med stora flöden som kommer att cirkulera, säger Roy Ericsson.

Flera av kylkretsarna med medel och låg temperatur har avjoniserat vatten med höga krav på renhet och låg konduktivitet. För detta finns särskilda avjoniseringsanläggningar.

Effektivare värmeåtervinning ska spara energi

– Vissa av de här vattnen leds rakt in i känsliga delar på klystronerna och där är det noggrant att det är låg konduktivitet för att dessa inte ska störas, säger Roy Ericsson.

ESS är en internationell forskningsanläggning och den svenska synen på kylning och energihushållning väcker uppmärksamhet i forskar- och konstruktörskretsar från andra länder.

– Många är både förvånade och imponerade att vi jobbar med det överhuvudtaget. I Sverige har spillvärmen ett värde något på ett helt annat sätt, säger Karin Wennerholm.

– Det är en utmaning i bygget av forskningsanläggningen att vi optimerar återvinningsprocessen med krav på att det ska levereras vissa vattentemperaturer tillbaka. Acceleratorforskarna är mer vana vid att det finns obegränsat med kyla, säger Roy Ericsson.

15 sätt att hämta värme i avloppet

Målsättningen är att bli en världsledande forskningsanläggning och att bygga en så tekniskt avancerad anläggning som ESS innebär stora utmaningar. På installationssidan ska till exempel de höga återvinningskraven balanseras mot investeringskostnaderna.

– En sådan här avancerad forskningsanläggning har aldrig byggts förut och kraven som sattes från början har förändrats. Så som vi bygger nu var det inte tänkt för fem år sedan när vi kom överens med Kraftringen att sälja fjärrvärme, säger Karin Wennerholm.

– Vi har lärt oss och förstår mer om anläggningen och hur forskarna kommer att använda den. Och utrustning som det planerades för har blivit effektivare och mindre energikrävande. Klystronerna kommer inte att kräva lika mycket el som de beräknades göra för fem–sex år sedan, säger Roy Ericsson.

Runt ESS i Lund bygger Kraftringen upp ett lågtempererat fjärrvärmenät, som redan tillvaratar värme från närliggande synkrotronljusanläggningen Max IV. I samma område etablerar Eon energilösningen Ectogrid, till vilket bland annat ESS kontors- och verkstadsbyggnader kommer att anslutas.