ANRE-DEMONSTRATIEPROJECT: WKK BIJ INVRIESBEDRIJF D'ARTA, ARDOOIE Eindrapport J. Van Bael
VITO Oktober 1996
SAMENVATTING In het kader van de bevordering van nieuwe energietechnologieën (KB van 1983) heeft de Vlaamse overheid een subsidie toegekend aan het invriesbedrijf D'Arta in Ardooie voor een gasmotor die een compressor aandrijft waarbij de warmte gebruikt wordt voor de opwarming van boorputwater en gezuiverd water. De subsidie bedraagt 5.355.000 BEF zijnde 35% van de geraamde kostprijs. VITO voert in opdracht van de Afdeling Natuurlijke Rijkdommen en Energie (ANRE) een evaluatie van dit demonstratieproject uit, waarbij de prestaties van de technologie, de bereikte besparing op primaire energie en de vermindering van de CO2-emissie over de meetperiode geanalyseerd worden. Het project kent reeds een hele geschiedenis die begint op het einde van 1992 wanneer het invriesbedrijf D'Arta besloten heeft tot een uitbreiding van de koelcapaciteit met een bijkomende compressor aangedreven door een gasmotor. De eerste gasmotor bleek aanleiding te geven tot problemen die zelfs zover gingen dat de motor eind 1994 na 7.000 draaiuren vervangen moest worden omwille van het vastlopen van de lagers. De constructeur S.K.T. heeft toen geopteerd voor het installeren van een andere gasmotor met een mechanisch vermogen van 340 kW. Omwille van een defect aan een debietmeter, kon de evaluatieperiode pas van start gaan in juni 1996. Gezien het project reeds liep sinds eind 1992 werd beslist om de evaluatieperiode te beperken tot 3 meetmaanden in plaats van een volledig jaar. In deze registratieperiode lopende van 28 juni 1996 tot 26 september 1996 heeft de gasmotor 1145 uren gedraaid (52% van de beschikbare tijd) waarbij 318.123 kWh mechanische energie geleverd werd en 1301 GJ aan warmte voor opwarming van boorputwater en gezuiverd water. Het mechanisch rendement bedraagt 33% en het thermische rendement circa 38%. De besparing op primair energieverbruik door het installeren van deze WKK in plaats van een elektromotor en een stookolieketel bedraagt over de 3 meetmaanden 710 GJ (17%) indien de opwarming van het gezuiverde water mee in rekening gebracht wordt en 442 GJ (11%) indien deze opwarming niet als nuttig beschouwd wordt. De CO2-emissie van de WKK gedurende de meetperiode bedraagt 193 ton. Ten opzichte van de situatie zonder WKK werd een CO2-reductie bekomen van 124 ton of 104 ton afhankelijk of de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt of niet. Dit komt overeen met een daling van de CO2-uitstoot van respectievelijk 39% en 35%. Dit hoge percentage wordt niet alleen bereikt door de energiebesparing maar ook door de keuze van de brandstof.
INHOUDSOPGAVE 1 INLEIDING.......................................................................................................................... 4 2 HISTORIEK ......................................................................................................................... 5 3 TECHNISCHE BESCHRIJVING ........................................................................................ 6 4 MEETPROCEDURE............................................................................................................ 7 5 VERWERKING VAN DE MEETRESULTATEN .............................................................. 9 5.1 Opdeling van de meetperiode ........................................................................................ 9 5.2 Mechanisch vermogen en gerecupereerde warmte........................................................ 9 6 PRIMAIRE ENERGIEBESPARING EN CO2-VERMINDERING................................... 12 6.1 Besparing op primaire energie..................................................................................... 12 6.2 Reductie van de CO2-emissie ...................................................................................... 14 7 BESLUIT............................................................................................................................ 15
4
1
INLEIDING
Voor de koeling van de invriestunnels en de diepvriesopslagkamers beschikt de firma D'Arta over een koelinstallatie met een koelcapaciteit van 3.000 kW. Omwille van een tekort aan koelcapaciteit heeft deze firma besloten tot een uitbreiding met een bijkomende compressor. Gezien de aandrijving van deze machine met een elektromotor relatief duur is op gebied van energieverbruik, heeft D'Arta besloten tot de aankoop van een gasmotor (340 kW mechanisch) die gekoppeld wordt met de schroefcompressor. De warmte van deze motor wordt gebruikt voor het opwarmen van boorputwater en gezuiverd water. In het kader voor de bevordering van REG-demonstratietechnieken (KB van 10/02/1983) heeft de Vlaamse overheid aan dit bedrijf een subsidie toegekend ten belope van 35% (maximum 5.355.000 BEF) van de investeringskosten voor de installatie van deze WKK. VITO voert in opdracht van de Afdeling Natuurlijke Rijkdommen en Energie (ANRE) van de Vlaamse Gemeenschap een evaluatie van dit demonstratieproject uit. Op basis van metingen wordt een evaluatie gemaakt van de technische prestaties van de technologie, de bereikte energiebesparingen en de vermindering van CO2. Gezien het complexe verloop van dit project (zie hoofdstuk 2) wordt de evaluatieperiode herleid tot 3 maanden lopende van 28 juni 1996 tot 26 september 1996. In hoofdstuk 3 wordt de technische beschrijving weergegeven van het project. Vervolgens wordt de meetprocedure beschreven waarna de resultaten van de metingen weergegeven worden. Hoofdstuk 6 geeft de energiebesparing en de reductie op CO2-emissie weer. Tenslotte worden de besluiten geformuleerd.
5
2
HISTORIEK
Dit demonstratieproject kent reeds een hele geschiedenis die begint eind 1992 bij de beslissing tot uitbreiding van de koelinstallatie met een compressor aangedreven door een gasmotor. Hiervoor werd geopteerd voor een tot gasmotor omgebouwde dieselmotor van 340 kW bij een toerental van 1.500 t/min. De verstuivers werden hierbij vervangen door ontstekingskaarsen en in de plaats van een gasoliepomp werd een aardgasverdeelsysteem in de luchtinlaat geplaatst. Na installatie van deze omgebouwde motor bleken al vrij vlug problemen op te treden: o.a. problemen bij koude start, problemen bij de regeling van het toerental, defect raken van de turbo omwille van te hoge drukken voor de inlaatlucht. Na ongeveer 7.000 effectieve draaiuren (eind 1994) bleek de motor volledig verloren door het stukdraaien van de lagers. De reden van dit stukdraaien bleek de smeerolie hoewel het aantal bedrijfsuren voor de smeerolie opgegeven door de leverancier op dat ogenblik evenwel nog niet overschreden was. Door de constructeur S.K.T. werd besloten om na dit serieuze probleem de motor te vervangen door een gasmotor van het merk Caterpillar geleverd door de firma Treco. Rond april 1995 was de nieuwe gasmotor operationeel. Na een monitoringperiode van een aantal maanden bleek uit de gegevens dat een debietmeter in het circuit van het boorputwater defect was. De meter werd door S.K.T. uitgebouwd en teruggestuurd naar de leverancier. Na herhaaldelijk aandringen door S.K.T. werd de meter gerepareerd door de leverancier en teruggestuurd. In juni 1996 werd de meter opnieuw ingebouwd en kon de evaluatieperiode waarop dit rapport betrekking heeft, van start gaan.
6
3
TECHNISCHE BESCHRIJVING
In figuur 1 wordt het principeschema weergegeven van de installatie bij de firma D'Arta. gasmotor schroefcompressor
Caterpillar G 3412 SiTa
luchtkoeler
motorblokkoeler
boorputwater
gezuiverd water
Figuur 1: Principeschema van de installatie bij D'Arta De gasmotor (Caterpillar G3412 SiTa) drijft een schroefcompressor aan (1700 toeren per minuut) waarbij de warmte gebruikt wordt voor opwarming van boorputwater en gezuiverd water. Het boorputwater wordt opgewarmd via de luchtkoeling en via de motorblokkoeling tot een temperatuur van ongeveer 75°C. Het water wordt vervolgens opgeslagen in een reservoir met een inhoud van 35 m³ om enerzijds gebruikt te worden voor het vullen en het reinigen van de blancheerinstallatie en anderzijds om omgezet te worden tot stoom voor het blancheerproces van de groenten. De opwarming van het gezuiverd water (van 30°C tot 68°C) onttrokken uit een reservoir van 20 m³ gebeurt eveneens met de warmte van het motorblok. Het gezuiverd en opgewarmde water wordt vervolgens naar een waterzuiveringsbekken gepompt om het biologisch afbreekproces in optimale condities te laten verlopen. Indien de temperatuur van dit bekken lager wordt dan 30°C, dan verloopt dit proces trager. Bijverwarming van het water in het bekken gebeurt echter nooit rechtstreeks met gas of stookolie.
7
4
MEETPROCEDURE
Voor de regeling van de installatie worden door de installateur S.K.T. reeds heel wat parameters gemeten. Hieronder ook de parameters die (minimaal) nodig zijn voor een energetische evaluatie van dit project. In tabel 1 wordt weergegeven welke grootheden gemeten werden door S.K.T. voor de opvolging. Tabel 1: Gemeten grootheden voor de opvolging Grootheid gasverbruik verwarming boorputwater via intercooler verwarming boorputwater via motorblokkoeling verwarming gezuiverd water via motorblokkoeling toerental van de motor
Eenheid Nm³/uur kWh kWh kWh toeren per minuut
Figuur 2 is een schematische weergave van de installatie met de meetapparatuur voor de opvolging. G Tr gasmotor
luchtkoeler
T
motorblokkoeler
T D
T: G:
schroefcompressor
T
T
T
D boorputwater temperatuurmeter gasmeter
gezuiverd water
D: Tr:
debietmeter toerenteller
Figuur 2: Schematische weergave van de installatie met ingebouwde meetapparatuur Deze grootheden worden om de 5 minuten gelogd door S.K.T. en opgeslagen in het beheerssysteem. De betreffende gegevens werden verzameld over een periode van 3 maanden en werden VITO toegestuurd. Gezien het direct meten van het mechanisch vermogen duur en moeilijk is, wordt voor de bepaling van deze grootheid beroep gedaan op de technische gegevens van de leverancier Treco. Deze gegevens bevatten een verband tussen het mechanisch vermogen en het gasverbruik en dit bij een toerental van respectievelijk 1500 en 1800 toeren per minuut. Figuur 3 geeft dit verband weer voor de gasmotor die geïnstalleerd werd bij de firma D'Arta.
8
5000 Gasverbruik (MJ/h)
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 100
150
200
250
300
350
400
450
500
Mechanisch vermogen (kW) 1500 toeren/minuut
1800 toeren/minuut
Figuur 3: Verband tussen mechanisch vermogen en gasverbruik Daar het toerental van de gasmotor meestal rond 1700 gelegen is, wordt een lineaire interpolatie toegepast tussen de respectievelijke curves. Gezien het gasverbruik en het toerental opgetekend wordt door S.K.T. kan het mechanisch vermogen met behulp van deze curves en via interpolatie bepaald worden. Voor de omzetting van het gasverbruik (Nm³) naar energie wordt gebruik gemaakt van de onderste calorische verbrandingswaarde van 38,88 MJ/Nm³ of 10,8 kWh/Nm³. Doordat de hoeveelheid warmte gerecupereerd voor de opwarming van boorputwater en gezuiverd water gemeten wordt, is ook de bepaling van het thermisch rendement mogelijk.
9
5
VERWERKING VAN DE MEETRESULTATEN
5.1 Opdeling van de meetperiode Gezien dit project reeds een aantal jaren geleden opgestart is en gezien de problemen die gedurende die tijd opgetreden zijn, werd de meetperiode beperkt tot 3 meetmaanden lopende vanaf 28 juni 1996 tot en met 26 september 1996. In tabel 2 wordt de indeling van de periode weergegeven: Tabel 2: Indeling van de meetperiode meetmaand 1 2 3
periode 28/06/96 - 27/07/96 28/07/96 - 27/08/96 28/08/96 - 26/09/96
aantal dagen 30 31 30
5.2 Mechanisch vermogen en gerecupereerde warmte In figuur 4 wordt het vermogendiagramma voor de week van zondag 21/07/96 tot en met zaterdag 27/07/96 weergegeven.
1200
Vermogen (kW)
1000 5
800 600
3
400
4 2
200
1 27/07/96
26/07/96
25/07/96
24/07/96
23/07/96
22/07/96
21/07/96
0
1 mechanisch vermogen; 2 opwarming gezuiverd water via motorblokkoeling; 3 opwarming boorputwater via motorblokkoeling; 4 opwarming boorputwater via interkoeler; 5 verlies
Figuur 4: Vermogen van de WKK van 21/07/96 t.e.m. 27/07/96 Gedurende de getoonde week heeft de WKK 91 uren gedraaid (of 54% van de totale tijd) en werd 29.563 kWh mechanische energie geleverd (met een gemiddeld mechanisch vermogen van 325 kW en met een mechanisch rendement van 34%). De hoeveelheid warmte die gerecupereerd werd, bedraagt 33.520 kWh. wat overeenstemt met een gemiddeld vermogen van 369 kW (of 39% van de energietoevoer) zijnde 92 kW voor het verwarmen van het
10
gezuiverde water via motorblokkoeling, 244 kW voor het verwarmen van het boorputwater via de motorblokkoeling en 32 kW voor het verwarmen van het boorputwater via de interkoeler. In figuur 5 wordt de geleverde mechanische energie en warmte weergegeven voor meetmaand 2.
Geleverde energie (kWh)
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000
mechanische energie
27/08/96
25/08/96
23/08/96
21/08/96
19/08/96
17/08/96
15/08/96
13/08/96
11/08/96
9/08/96
7/08/96
5/08/96
3/08/96
1/08/96
30/07/96
28/07/96
0
warmte
Figuur 5: Mechanische energie en warmte voor meetmaand 2 Uit deze grafiek blijkt dat het aantal draaiuren van de gasmotor en compressor erg afhankelijk is van dag tot dag. Gedurende de weekdagen en op zaterdagen draait de motor meestal gedurende een aantal uren gaande van 2 uren tot zelfs 24 uren (19/08 en 20/08). 's Zondags (28/07, 04/08, 11/08, 18/08) draait de WKK niet. Gedurende deze meetmaand heeft de gasmotor 308 uren gedraaid waarbij 81.195 kWh mechanische energie geleverd werd en 97.415 kWh aan warmte. Tabel 3: Aantal draaiuren en geleverde energie over de meetperiode Meetmaand aantal draaiuren totaal gasverbruik [Nm³] mechanische energie [kWh] gerecupereerde warmte: warmte gezuiverd water (mbk) [kWh] warmte boorputwater (mbk) [kWh] warmte boorputwater (lk) [kWh]
1 360 30.060 107.242 121.653 34.575 76.704 10.374
mbk: motorblokkoeling
lk: luchtkoeler
2 308 23.197 81.195 97.415 11.500 75.684 10.231
3 477 36.866 129.686 142.246 17.220 110.502 14.524
11
Tabel 3 geeft het aantal draaiuren, de geleverde mechanische energie en warmte weer van de 3 betreffende meetmaanden. Uit deze tabel blijkt dat er weldegelijk verschillen zijn van meetmaand tot meetmaand voor wat het aantal draaiuren betreft. De verhouding van het aantal draaiuren over het totaal aantal beschikbare uren varieert van 41% tot 66%. In tabel 4 worden de gemiddelde vermogens weergegeven voor de meetperiode en de rendementen. Tabel 4: Gemiddelde vermogens voor de meetperiode Meetmaand
1
Mechanisch vermogen Warmte voor gezuiverd water (mbk) Warmte voor boorputwater (mbk) Warmte voor boorputwater (lk) Verlies Totaal
kW 298 96 213 29 265 901
mbk: motorblokkoeling
2 % 33 11 24 3 29 100
kW 263 37 245 33 235 813
3 % 32 5 30 4 29 100
kW 272 36 232 30 265 834
% 33 4 28 4 31 100
lk: luchtkoeler
Uit deze tabel blijkt dat het gemiddelde mechanische rendement rond 33% gelegen is. Het thermisch rendement bedraagt 38% en het verlies (rookgasverlies, stralingsverlies,...) is ongeveer 29%.
12
6
PRIMAIRE ENERGIEBESPARING EN CO2-VERMINDERING
6.1 Besparing op primaire energie Uitgaande van de gemeten waarden voor het gasverbruik en de recuperatie van warmte tezamen met de berekening van de geleverde mechanische energie wordt bepaald tot welke energiebesparing deze WKK-installatie leidt. Voor deze berekeningen worden volgende veronderstellingen gemaakt: − voor de elektriciteitsproductie in een centrale wordt een gemiddeld rendement van 44% aangenomen; − voor de productie van warmte met een ketel wordt een gemiddeld rendement van 85% aangenomen; − voor de elektromotor die normaal gezien een dergelijke schroefcompressor aandrijft wordt een rendement van 97% aangenomen. In tabel 5 wordt als voorbeeld de volledige berekening uitgevoerd voor meetmaand 1. Tabel 5: Besparing op het primaire energieverbruik voor meetmaand 1 geleverd met WKK
Mechanische energie Warmte voor gezuiverd water (mbk) Warmte voor boorputwater (mbk) Warmte voor boorputwater (lk) Onbenutte warmte WKK Totaal
kWh 107.242 34.575 76.704 10.374 95.748 324.643
primaire energie hiervoor nodig zonder WKK kWh 251.271 40.676 90.240 12.204 ----394.391
besparing
kWh 144.029 6.101 13.536 1.830 -95.748 69.748
Uit deze tabel blijkt dat de besparing op primair energieverbruik 69.748 kWh of 251.093 MJ is. Gezien voor het op temperatuur houden van het waterzuiveringsbekken normaal gezien geen stookolie of aardgas zou verbrand worden, mag eigenlijk de warmte van het motorblok voor opwarming van het gezuiverd water niet mee in rekening gebracht worden. De besparing op primair energieverbruik is dan voor de eerste meetmaand 29.073 kWh of 104.663 MJ. In tabel 6 wordt de besparing op primair energieverbruik samengevat voor de 3 meetmaanden. In de eerste kolom wordt het energieverbruik weergegeven van de WKK. De tweede kolom geeft de besparing weer inclusief voor de opwarming van het gezuiverde water, de derde kolom exclusief voor de opwarming van het gezuiverde water.
Tabel 6: Besparing op primair energieverbruik voor de 3 meetmaanden
13
verbruik WKK
besparing incl. opwarming gezuiverd water kWh 69.749 54.323 73.054 197.126
kWh 324.642 250.523 398.149 973.314
meetmaand 1 meetmaand 2 meetmaand 3 Totaal
besparing excl. opwarming gezuiverd water kWh 29.073 40.795 52.796 122.664
Primair energieverbruik (GJ)
Gedurende de 3 meetmaanden is het verbruik van de WKK 973.314 kWh of 3.504 GJ. De besparing op primair energieverbruik die hierdoor gerealiseerd werd, bedraagt 197.126 kWh (710 GJ) wanneer de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt en 122.664 kWh of 442 GJ exclusief de opwarming van dit water. Figuur 6 geeft het primair energieverbruik weer gedurende de meetperiode van enerzijds de WKK en anderzijds de referentietoestand.
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 wkk
gas
zonder wkk incl. gezuiverd water elektriciteit
zonder wkk excl. gezuiverd water stookolie
Figuur 6: Primair energieverbruik gedurende de meetperiode
14
6.2 Reductie van de CO2-emissie Uitgaande van de besparingen op primair energieverbruik kan de reductie van de CO2emissie bepaald worden. Voor de berekening worden de volgende veronderstellingen gemaakt: − de CO2-factor voor de productie van elektriciteit bedraagt 624 g/kWhel; − voor de productie van warmte wordt een stookolieketel gebruikt met een CO2emissiefactor van 73 g/MJ of 263 g/kWhth; − voor het aardgas dat verbruikt wordt door de WKK wordt een CO2-emissiefactor van 55 g/MJ of 198 g/kWh aangenomen. Figuur 7 geeft een vergelijking weer tussen de situatie met WKK en zonder WKK op gebied van CO2-emissie. Uit deze figuur blijkt dat de CO2-emissie van de WKK gedurende de 3 meetmaanden 193 ton bedroeg. Ten opzichte van de situatie zonder WKK werd een reductie bekomen van 124 ton of 104 ton afhankelijk of de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt of niet. Dit komt overeen met een daling van de CO2-uitstoot van respectievelijk 39% en 35% enerzijds omwille van de energiebesparing en anderzijds omwille van de keuze van de brandstof.
emissie van CO2 (ton)
350 300 250 200 150 100 50 0
wkk
zonder wkk incl. gezuiverd water aardgas
elektriciteit
zonder wkk excl. gezuiverd water stookolie
Figuur 7: CO2-emissie gedurende de 3 meetmaanden
15
7
BESLUIT
Op het einde van 1992 heeft het invriesbedrijf D'Arta besloten tot een uitbreiding van de koelcapaciteit met een bijkomende compressor aan gedreven door een gasmotor. De eerste gasmotor bleek aanleiding te geven tot problemen die zelfs zover gingen dat de motor vervangen moest worden eind 1994 na 7.000 draaiuren. De constructeur S.K.T heeft toen geopteerd voor het installeren van een andere gasmotor met een mechanisch vermogen van 340 kW. Omwille van een defect aan een debietmeter, kon de evalutieperiode pas van start gaan in juni 1996. In deze registratieperiode (28 juni 1996 - 26 september 1996) werden de gegevens nodig voor een evaluatie elke 5 minuten geregistreerd door S.K.T. Gedurende deze periode heeft de gasmotor 1145 uren gedraaid waarbij 318 MWh mechanische energie (gemiddeld 277 kW) geleverd werd en 1301 GJ aan warmte voor opwarming van boorputwater en gezuiverd water. Het mechanisch rendement bedraagt 33% en het thermische rendement is circa 38%. De besparing op primair energieverbruik door het installeren van deze WKK in plaats van een elektromotor en een stookolieketel bedraagt gezien over de 3 meetmaanden 710 GJ (17%) indien de opwarming van het gezuiverde water mee in rekening gebracht wordt en 442 GJ (11%) indien deze opwarming niet als nuttig beschouwd wordt. De CO2-emissie van de WKK gedurende de meetperiode bedraagt 193 ton. Ten opzichte van de situatie zonder WKK werd een CO2-reductie bekomen van 124 ton of 104 ton afhankelijk of de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt of niet. Dit komt overeen met een daling van de CO2-uitstoot van respectievelijk 39% en 35%. Dit relatief grote percentage is toe te schrijven aan de energiebesparing en aan de verandering van brandstof. Gezien de meetperiode 3 maanden bedraagt is een economische evaluatie niet mogelijk.
16
BIJLAGE 1: RENDEMENT EN CO2-EMISSIEFACTOR ELEKTRICITEITSPARK De afleiding van de gehanteerde CO2-emissiefactor voor elektriciteit (624 g/kWh) en het rendement wordt in deze bijlage meer specifiek beschreven. − Volgens [1] zijn de aandelen brandstof in de elektriciteitsvoorziening in 2000 als volgt: − 15,9% steenkool; − 26,4% aardgas (voornamelijk STEG). − Het rendement van een steenkoolcentrale bedraagt volgens [1] 36,5%; dit leidt tot een CO2-emissiefactor van 962 g/kWhel. − Voor aardgas wordt verondersteld dat in 2000 het conversierendement gemiddeld 48% bedraagt, wat leidt tot een CO2-emisie van de elektriciteitsproductie met deze primaire energievorm van 420 g/kWhel. Het rendement en de CO2-emissiefactor worden dan als volgt bepaald: − rendement: − CO2-factor:
(0,159*36,5+0,264*48)/(0,159+0,264) = 44% (0,159*962+0,264*420)/(0,159+0,264) = 624 g/kWh.
17
REFERENTIES 1. P. Bulteel en F. Vandenberghe, Elektriciteitsproduktie en CO2-emissies, Informatiedag CO2, Laborelec, Lindebeek, mei 1993.
