Deerns ketenanalyse downstream van een van de twee meeste materiele emissies 2013
Inleiding In het kader van de CO2 prestatieladder is een ketenanalyse uitgevoerd naar de CO2 productie door verwarming en koude in ziekenhuizen in Nederland. Een van de mogelijke technieken die in staat is om tot CO2 reductie te leiden bij een ziekenhuis is de toepassing van Warmte en Koude Opslagsystemen (WKO) in combinatie met een (omkeerbare) warmtepomp. Met een dergelijk systeem kan warmte en koude geleverd worden tegen een lager energiegebruik dan wanneer een aardgasketel en koelmachine gebruikt wordt. Eerste worden de uitgangspunten voor de analyse gegeven. Vervolgens de uitgangspunten voor de berekening. Daarna wordt de berekening uitgevoerd, en gevolg door de conclusies en de formulering van een doelstelling.
Uitgangspunten Ten behoeve van de ketenanalyse is gebruik gemaakt van informatie in het artikel “Zorgsector laat jaarlijks 115 miljoen euro liggen” geschreven in 2010 door TNO Centrum Zorg en Bouw medewerkers Roberto Traversari en Stefan van Heumen. Uit dit artikel blijken de volgende relevante uitgangspunten voor de ketenanalyse: Ziekenhuizen in Nederland – Uitgangspunten (2008)
Bruto vloeroppervlak – m² 7.200.000 Aardgasverbruik – Nm³/jaar 237.600.000 Elektriciteitsverbruik – MWh/jaar 741.600 Aandeel gasgebruik voor verwarming 76% Aandeel elektriciteitsgebruik voor klimatiseren 40% Huidige penetratiegraad warmtepompen (2008) 4% Penetratiegraad warmtepompen potentieel (volgens TNO, op basis van 30% economische haalbaarheid) De term ‘penetratiegraad’ zoals in de tabel gehanteerd betekent het aandeel van het aantal ziekenhuizen dat is uitgerust met deze techniek. In het vervolg van deze analyse zal (bij gebrek aan informatie hierover) worden aangenomen dat deze penetratiegraad ook gelijk is aan het aandeel van de totale warmtevraag van de ziekenhuizen dat door de betreffende techniek wordt opgewekt. Om de potentiele besparing door toepassing van WKO en warmtepompen voor ruimteverwarming en –koeling te berekenen zijn de volgende aannames gehanteerd. Deze aannames zijn gebaseerd op de ervaring van Deerns met de installatietechnische voorzieningen in ziekenhuizen en zullen kort gemotiveerd worden. Ter informatie: De afkorting COP in het vervolg van deze analyse staat voor “Coefficient Of Performance” en is een maat voor de energie-efficiëntie van een warmte- of koudeopwekker. Een COP van 1 betekent dat 100% van de gebruikte energie wordt omgezet in warmte (of koude). Een COP van 4 betekent dat er vier keer zoveel warmte (of koude) wordt opgewekt per eenheid gebruikte energie. Hoe hoger de COP, hoe hoger de efficiëntie en hoe minder het energiegebruik. De
COP van een koude- of warmteopwekker wordt zowel bepaald door de technische kwaliteit van de opwekker als door thermodynamische grenzen (ten gevolge van thermodynamische hoofdwetten) die worden gesteld aan thermodynamische processen. Uitgangspunten voor berekening van besparing door toepassing van WKO en warmtepompen
1 2 3 4 5 6 7
COP van een WKO en warmtepomp systeem voor verwarming, uitgaande van inpassing in een bestaand ziekenhuis Penetratiegraad van verwarming met WKO en warmtepompen in een bestaand ziekenhuis COP van een WKO en warmtepomp systeem voor koeling, uitgaande van inpassing in een bestaand ziekenhuis Penetratiegraad van koeling met WKO en warmtepompen in een bestaand ziekenhuis Aandeel van elektriciteitsgebruik voor koeling in een ziekenhuis (klimaatbeheersing totaal is 40%) CO2 intensiteit van aardgasverbranding kg/Nm³ CO2 intensiteit van elektriciteitsgebruik kg/kWh
1)
2)
3)
4)
4 70% 8 80% 30% 1,7 0,6
De COP (Coëfficiënt of Performance) voor ruimteverwarming van een bestaand ziekenhuis met WKO en warmtepompen wordt bepaald door het te bereiken ontwerptemperatuurniveau van het CV (Centrale Verwarming) water systeem. In een bestaand ziekenhuis (zonder warmtepompen) wordt veelal gebruik gemaakt van CV watertemperaturen die te hoog liggen om warmtepompen zinvol in te zetten. Echter, het is in principe mogelijk om gedurende een groot deel van het jaar met een lagere CV temperatuur te werken. Hiertoe moet de regeling van het CV systeem aangepast worden. In dat geval is het afgegeven vermogen van de diverse warmteafgifteapparatuur van het CV systeem ook lager (vanwege het kleinere temperatuurverschil tussen het oppervlak van de apparatuur en de te verwarming luchtstroom of ruimte), maar de warmtevraag vanuit de ruimtes is ook lager wanneer het niet zeer koud is. Bij zeer koud winterweer moet het systeem wel met de hoge ontwerptemperaturen werken. Het een en ander zoals hierboven besproken is tot uitdrukking gebracht in de gehanteerde penetratiegraad van het WKO en warmtepompsysteem van 70%. 30% van de energie voor verwarming zal dus nog door een aardgasketel geleverd worden (gedurende zeer koud weer). De ‘penetratiegraad’ zoals hier bedoeld is gelijk aan het aandeel van het totale energiegebruik dat gedekt wordt. Dit aandeel is als percentage verschillend van het percentage van het totaal opgesteld vermogen. Bijvoorbeeld: het vermogen van een WKO+warmtepomp installatie voor verwarming kan 40% zijn (met de resterende 60% in de vorm van een aardgasketel), toch zal op jaarbasis 70% van de energie voor verwarming geleverd kunnen worden door de WKO+warmtepomp installatie, omdat deze installatie preferent wordt toegepast. De aardgasketel zal alleen gebruikt worden bij hoge warmtevraag en dergelijke hoge vraag komt relatief weinig voor. In de praktijk is de penetratiegraad van een WKO+warmtepomp installatie met een geïnstalleerd vermogen van 40% van het totale opgestelde verwarmingsvermogen zo tussen de 70% en 85%, afhankelijk van de relatie tussen de warmtevraag van het gebouw en de buitentemperatuur. Er is voor 70% gekozen bij wijze van voorzichtige aanname. De COP voor koeling van een bestaand ziekenhuis met WKO en warmtepompen wordt net als voor verwarming bepaald door de benodigde GKW (GeKoeld Water) temperatuur. Dit is in bestaande ziekenhuizen meestal lager dan wat direct door een WKO systeem (zonder tussenkomt van de warmtepomp) geleverd kan worden. Een deel van de koeling zal dus door de warmtepomp geleverd worden. Dit is verdisconteerd door een penetratiegraad van slechts 80% te hanteren in combinatie met een COP voor koeling van slechts 8. 20% van de energie voor koeling wordt (bij zeer warm weer) volledig door koelmachines en/of door de omgekeerde warmtepomp geleverd. 80% van de koeling wordt door de WKO in combinatie met een bescheiden bijdrage van de warmtepompen geleverd. Gedurende dagen met niet te hoge buitentemperaturen kan de WKO installatie zelfstandig koeling leveren, dus zonder tussenkomst van de warmtepomp. In navolging van wat besproken is onder punt 2) geldt een analoge beschouwing ten aanzien van de penetratiegraad van een WKO+warmtepomp installatie inzetbaar voor koeling. De penetratiegraad is iets hoger aangenomen, namelijk op 80%, omdat het maximale koelvermogen van een WKO+warmtepomp installatie groter is dan het verwarmingsvermogen. Dat is omdat bij koeling zowel de WKO opslag (direct) als de warmtepomp (in zomerbedrijf) inzetbaar zijn voor koudelevering, terwijl bij verwarming met zo’n installatie alle warmte door de
5)
6)
warmtepomp warmte moet worden geleverd omdat de warmte in het WKO systeem te koud is om direct in te zetten. Afhankelijk van de verhouding tussen warmtevraag en koudevraag van het gebouw – welke een tamelijk complexe functie is van de gebouwvorm, het gebouwgebruik, het installatieprincipe en de bouwkundige eigenschappen - zal de penetratiegraad van warmte versus koudevoorziening per gebouw verschillen. De in deze analyse gehanteerde 80% wordt gehanteerd als een voor deze analyse bruikbare aanname voor een gemiddeld ziekenhuis. Elektriciteit voor klimaatbeheersing wordt gebruikt voor het verpompen van gekoeld en verwarmd water, voor het aandrijven van ventilatoren en voor het aandrijven van koelmachines. Afhankelijk van de specifieke installatietechniek zal het grootste deel van de elektriciteit voor klimaatbeheersing door de koelmachines worden gebruikt. Dit verschilt per gebouw en is afhankelijk van diverse factoren ook genoemd onder punt 4). Er is voor deze analyse (conservatief) uitgegaan van een aandeel van 75% voor de koelmachines, oftewel: de waterpompen en ventilatoren verbruiken de overige 25% van de elektriciteit voor klimaatbeheersing. 75% van 40% is 30%. en 7). Deze getallen voor de co2 emissiefactoren voor aardgasverbranding en elektriciteitgebruik zijn standaard getallen en gebaseerd op de Nederlandse mix voor elektriciteitopwekking.
Berekeningen De berekening wordt uitgevoerd door op basis van de uitgangspunten te berekenen wat de reductie van elektriciteitsgebruik en aardgasverbruik wordt in de nieuwe situatie, dus wanneer 30% van de ziekenhuizen zijn uitgevoerd met een WKO en warmtepompensysteem. Aardgasgebruikreductiepotentieel De primaire energie-efficiëntie van warmteopwekking met aardgasketels in de bestaande situatie is 85%. Dit betekent dat van de warmte opgewekt door verbranding van aardgas 85% te goede komt aan de verwarming van ruimtes in het gebouw. De overige 15% gaat verloren door verliezen via de rookgassen en/of condensafvoer, en door verliezen in de distributie. Er is gekozen voor 85% omdat onbekend is wat het gewogen gemiddelde systeemrendement voor verwarming is van de beschouwde ziekenhuizen in Nederland. Ten overvloede: een ziekenhuis met HR-ketels kan een primair systeemrendement voor warmtevoorziening hebben van meer dan 90%, terwijl een ziekenhuis met VR ketels of gewone ketels 80% of (veel)minder rendement heeft. 85% is gekozen als bruikbare waarde voor deze analyse. De primaire energie efficiëntie voor verwarming van een WKO en warmtepompsysteem in de nieuwe situatie is 137,5%, uitgaande van 70% penetratiegraad WKO en warmtepompen (COP = 4) en 30% aandeel aardgasketels (COP = 0,85). Ten opzichte van de bestaande situatie met alleen aardgasketels (COP=0,85) betekent de nieuwe situatie (COP=1,375) een energiegebruikreductie van 38%. Nota Bene: Bij de berekening van de primaire energie efficiëntie moet de COP van de warmtepomp worden vermenigvuldigd met de primaire energie efficiëntie van elektriciteitopwekking in Nederland. Hiervoor is de waarde 40% gehanteerd. Aldus is de berekening 4*70%*40%+0,85*30%=1,375. Het energiegebruik voor verwarming is 76% van het totale aardgasgebruik in ziekenhuizen. Het aantal ziekenhuizen waar warmtepompen economisch kunnen worden toegepast stijgt van 4% naar 30%, dus 26% meer van de verwarming wordt in de nieuwe situatie voorzien door een WKO en warmtepomp systeem (met aardgas piekketel). Deze verwarming wordt met 38% minder energiegebruik opgewekt. De totale besparing op aardgasgebruik over alle ziekenhuizen, in geval 26% van de ziekenhuizen worden uitgevoerd met WKO en warmtepompsystemen is in dan geval 76% * 26% * 38% = 7,5%. De bestaande CO2 uitstoot ten gevolge van aardgasverbranding in ziekenhuizen is, op basis van de uitgangspunten, 404 kton per jaar. 7,5% hiervan is 30,5 kton per jaar. De CO2 besparing door
toepassing van WKO en warmtepompen in 26% van de ziekenhuizen is dus 30,5 kton CO2 per jaar. Indien alle ziekenhuizen zouden worden voorzien van WKO en warmtepompen, dan zou een CO2 reductie van 117 kton per jaar gerealiseerd kunnen worden. Elektriciteitgebruikreductiepotentieel 30% van het elektriciteitsgebruik in ziekenhuizen is voor ruimtekoeling. 26% van de ziekenhuizen kunnen (economisch) worden uitgevoerd met WKO en warmtepompsystemen. De elektrische energie efficiëntie van koudeopwekking met koelmachines in de bestaande situatie is 300% (COP = 3). Deze waarde is typisch voor bestaande koudeopwekkingsinstallaties werkend op basis van luchtgekoelde koelmachines. In de praktijk kan deze waarde variëren van 3,5 voor goed onderhouden installaties met natte koeltorens, tot minder dan 3 voor inefficiënte installaties met droge koelers. Voor deze analyse is aangenomen dat de waarde ‘3’ bruikbaar is voor de bedoeling van de analyse bij gebrek aan informatie over de werkelijke gewogen gemiddelde COP van koelinstallatie in bestaande Nederlandse ziekenhuizen. De elektrische energie efficiëntie voor koeling van een WKO en warmtepompsysteem in de nieuwe situatie is 700% (COP=7), uitgaande van 80% aandeel WKO en warmtepompen in zomerbedrijf (COP = 8) en 20% aandeel koelmachines/warmtepompen zomerbedrijf (COP = 3). Ten opzichte van de bestaande situatie met alleen koelmachines (COP=3) betekent de nieuwe situatie (COP=7) een energiegebruiksreductie van 57%. Nota Bene: In tegenstelling tot hetgeen besproken is onder de kop “Aardgasreductiepotentieel” hoeven de COP’s in dit geval niet te worden gecorrigeerd om de primaire energie-efficiënte van elektriciteitopwekking te verrekenen, omdat voor koeling in dit geval altijd elektriciteit gebruikt wordt. Oftewel, de berekende reductie van primaire energiegebruik als percentage veranderd niet door de (beide!) COP’s te vermenigvuldigen met het primaire opwekkingrendement van de Nederlandse elektriciteitmix. Vandaar dat dat ook niet is gedaan. Het energiegebruik voor koeling is 30% van het totale elektriciteitgebruik in ziekenhuizen. Het aantal ziekenhuizen waar warmtepompen economisch kunnen worden toegepast stijgt van 4% naar 30%, dus 26% meer van de koeling wordt in de nieuwe situatie voorzien door een WKO en warmtepomp systeem in zomerbedrijf (met koelmachines voor pieklast). Deze koeling wordt met 57% minder energiegebruik opgewekt. De totale besparing op elektriciteit over alle ziekenhuizen, in geval 26% van de ziekenhuizen worden uitgevoerd met WKO en warmtepompsystemen, is in dan geval 30% * 26% * 57% = 4,5%. De bestaande CO2 uitstoot ten gevolge van elektriciteitsgebruik in ziekenhuizen is, op basis van de uitgangspunten, 445 kton per jaar. 4,5% hiervan is 19,8 kton per jaar. De potentiele CO2 besparing door toepassing van WKO en warmtepompen in 26% van de ziekenhuizen is dus 19,8 kton CO2 per jaar. Indien alle ziekenhuizen zouden worden voorzien van WKO en warmtepompen, dan zou een CO2 reductie van 76 kton per jaar gerealiseerd kunnen worden.
Conclusie Het toepassen van WKO en warmtepompen in 26% van de ziekenhuizen is (volgens TNO) economisch haalbaar. Hiermee kan koude en warmte worden opgewekt met een hogere energie efficiëntie in vergelijking met aardgasketels en koelmachines. De potentiele CO2 reductie is 7,5% en 4,5%
respectievelijk, voor aardgas en elektriciteit. Dit vertaald zich in een CO2 reductie potentieel van 30,5 kton en 19,8 kton respectievelijk, in totaal zo’n 50 kton CO2 per jaar. Indien alle ziekenhuizen met deze technologie worden uitgevoerd (wat volgens TNO economisch niet zonder meer haalbaar is) dan zou een totale CO2 reductie van 193,5 kton per jaar gerealiseerd kunnen worden. De totale CO2 uitstoot in Nederland is ongeveer 200 mton CO2 equivalenten per jaar. Het uitvoeren van alle ziekenhuizen in Nederland met WKO en warmtepompen zou dus voor een CO2 reductie in Nederland van ongeveer 0,1% kunnen leiden. Indien slecht 26% van de ziekenhuizen hiermee wordt uitgevoerd is een nationale CO2 (equivalente) emissiereductie van 0,026% haalbaar. Doelstelling (Voorstel) Uitgaande van een economische levensduur van installaties voor warmteopwekking bij ziekenhuizen van minimaal 15 jaar zou gedurende de komende 15 jaren de volledige economisch haalbaar omschakeling naar WKO en warmtepompen kunnen worden geïmplementeerd in alle geschikte ziekenhuizen. In dat geval is de gemiddelde CO2 besparing door toepassing van deze techniek 50/15=3,3 kton CO2 per jaar.
