ECN-RX--05-116
MICRO-WARMTEKRACHT: Hoe magisch is de Toverketel? G.J. Ruijg
ECN colloquium 2 mei 2005
MEI 2005
Micro-Warmtekracht: Hoe magisch is de Toverketel? ECN colloquium 2 mei 2005 Gerrit Jan Ruijg
Colloquium micro-Warmtekracht
• • • • •
2
Wat is micro-WK? Waarom micro-WK? Welke typen micro-WK zijn er? Hoeveel energie bespaart micro-WK? Hoe zit het met de economie?
Wat is micro-Warmtekracht? • Gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit • Op de schaal van 1 huishouden • Elektrisch vermogen tot 5 kWe
Waarom micro-Warmtekracht? • Energiebesparing: doordat warmte die vrijkomt bij elektriciteitsopwekking benut wordt.
3
Huidige situatie: gescheiden opwekking Omgeving
Energiesysteem
Elektriciteits net
Energievraag Elektriciteit
Tapwater Aardgas net (HR)-ketel
4
CV
Situatie Micro-WK: gecombineerde opwekking Omgeving
Energiesysteem
Energievraag
Elektriciteits net
Elektriciteit
Teruglevering/ Inkoop
Aardgas net
Dekking eigen gebruik
E Micro-WK
Tapwater
W
CV
5
Typen Micro-WK systemen
Stirling Gasmotoren PEMFC SOFC
6
ηel 10-15% 20-25% ~30% ~40%
ηth 80-95% 65-75% ~60% ~45%
ηtot W/K ratio 95-107% 9 90-100% 3 ~90% 2 ~85% 1
Stirling
Status: • Enatec: • Microgen (British Gas) • Whispertech (NZ):
1.0 kWe vrije zuiger. Veldtesten 1.1 kWe vrije zuiger. lab tests 1.2 kWe kinematisch. “Gasunie veldtest”: 50 eenheden
7
Gasmotor
Status: • Senertec: 5.5 kWe 12.5 kWth • Ecopower: 4.7 kWe 12.5 kWth • Honda: 1 kWe 8
100 in NL modulerend. beperkt beschikbaar in Japan
Polymere brandstofcel: PEMFC
Status: • Vaillant (+Plugpower, Ballard): 4.7 kWe 31 veldtesten, o.a. Gasunie • Toshiba, Mitsubishi: 100 tal veldtesten in Japan
9
Vast oxide brandstofcel: SOFC
Status: • Sulzer-Hexis:
10
1 kWe 25/85% ± 100 veldtesten, o.a. ECN/Remu
Energiebesparingspotentieel voorbeeld PEMFC 7500 kWhe ηe = 30%
25 MWh
ηth = 60% 15000 kWhth
15 MWh
ηth= 100%
15000 kWhth = 1700 m3
18 MWh
ηe = 42%
7500 kWhe
⎛ 25 ⎞ Besparing = 1 − ⎜ ⎟ = 24% ⎝ 18 + 15 ⎠ 11
Energiebesparingspotentieel elektrisch rendement (%)
100
Theoretisch maximum
80
besparing 40 %
60 30% 20% 10% 40 0%
SOFC
referentierendement
PEMFC Gasmotor
ontsparing
Stirling CV-ketel
20
0
0
20
40
60
warmte rendement (%) 12
80
100
Energiebesparingspotentieel, hoger referentierendement 7500 kWhe ηe = 30%
25 MWh
ηth = 60% 15000 kWhth
15 MWh
ηth= 100%
15000 kWhth = 1700 m3
14 MWh
ηe = 54%
7500 kWhe
⎛ 25 ⎞ Besparing = 1 − ⎜ ⎟ = 13% ⎝ 14 + 15 ⎠ 13
Energiebesparingspotentieel, hoger referentierendement elektrisch rendement (%)
100 besparing 40 % 80
Nieuwe centrale parkrendement
theoretisch maximum
30%
20% 60 10% 0%
SOFC PEMFC Gasmotor
40
20
0
Stirling CV-ketel
ontsparing 0
20
40
60
warmte rendement (%) 14
80
100
Energiebesparingspotentiëlen
Referentierendement Stirling Gasmotor PEMFC SOFC
Besparing Besparing 42% 54% 12% 8% 22% 13% 24% 13% 29% 16%
15
Dimensionering micro-WK systeem Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kWh/j 18
16 kWth, geen warmtebuffer
Thermisch vermogen [kWth]
16 14 12
10 kWth, 100 à 200 l warmtebuffer
10 8 6
5 kWth, warmtebuffer > 2000 l
4 2 0 0
1000
2000
3000
4000 Uren/jaar
16
5000
6000
7000
8000
Elektriciteit vraag en productie Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kWh/j 10 kWhth systeem met 100-200 ltr. buffer 70 60
[kWh/dag]
50
5 kWe PEMFC
40 30 20
Elektriciteitsvraag 10
1 kWe Stirling
0 j
f
m
a
m
j
j
a
s
o
n
d
[maand] 17
Effect toenemende elektriciteitvraag Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kWh/j 10 kWhth systeem met 100-200 ltr. buffer 70 60
[kWh/dag]
50
5 kWe PEMFC
40 30 20
Elektriciteitsvraag 10
1 kWe Stirling
0 j
f
m
a
m
j
j
[maand] 18
a
s
o
n
d
Effect afnemende warmtevraag Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kWh/j 10 kWhth systeem met 100-200 ltr. buffer 70 60
[kWh/dag]
50
5 kWe PEMFC
40 30 20
Elektriciteitsvraag 10
1 kWe Stirling
0 j
f
m
a
m
j
j
a
s
o
n
d
[maand] 19
Dimensionering • 10 kWth systemen met 100 à 200 liter water als warmtebuffer kunnen de volledige warmtevraag dekken • 10 kWth Stirling systemen hoeven niet veel terug te leveren • 10 kWth systemen met hoog elektrisch rendement zullen veel aan het net moeten terugleveren
20
Economie Uitgaande van particuliere exploitatie • Hoeveel kost een kWh elektriciteit uit microWarmtekracht? • Wat is die kWh waard (vermeden inkoop en teruggeleverd)? • Hoeveel bespaar je per jaar op je energierekening? • Welke investering kan ik daarmee financieren? • Hoe hoog moet de terugleverprijs zijn? 21
Marginale kostprijs elektriciteit Gasprijs 51 €ct/m3 = 5.8 €ct/kWhNG.
3.3 kWhNG= 19.4 €ct/kWhe
ηe = 30%
1 kWhe
ηth = 60% 2 kWhth
2 kWhNG= 11.6 €ct/kWhe Kostprijs elektriciteit • PEMFC: 19.4-11.6 = 7.7 €ct/kWhe 22
ηth= 100%
2 kWhth
Marginale kostprijzen elektriciteit uit micro-Warmtekracht
Stirling Gasmotoren PEMFC SOFC
Aardgaskosten Waarde warmte MKP €ct/kWhe €ct/kWhe €ct/kWhe 58.1 52.3 5.8 29.0 21.8 7.3 19.4 11.6 7.7 14.5 6.5 8.0
MKP = marginale kostprijs elektriciteit
23
Waarde geproduceerde elektriciteit Bij vermeden inkoop • Vermeden inkoop: 18.3 €ct/kWhe • Prijs elektriciteit - MKP = 10.3-12.5 €ct/kWhe
24
Waarde geproduceerde elektriciteit Bij teruglevering • Terugleververgoeding – MKP = 0- -5 €ct/kWh €/MWh Alle jaren 1999 2000 2001 2002 2003 2004 25
Basislast 37.84 26.69 48.31 33.46 29.99 46.47 31.58
Plateau 47.15 31.06 59.69 41.50 38.53 60.68 37.55
www.apx.nl
Termijnmarkt
26
Fri, 29 Apr 2005 17:09 €/MWh Base Load Peak Load Product Price Price jun-05 42.99 52.71 jul-05 42.72 54.46 42.88 54.19 aug-05 48.81 60.70 sep-05 Oct-05 48.52 63.08 nov-05 50.03 64.35 Gemiddeld 45.99 58.25 Q3-05 44.82 56.90 Q4-05 48.55 63.96 Q1-06 49.36 65.40 Q2-06 42.38 57.13 Q3-06 43.09 58.08 Q4-06 47.41 65.09 Gemiddeld 45.94 61.09 Cal-06 45.38 61.75 57.58 Cal-07 43.04 Cal-08 42.37 56.03 Gemiddeld 43.60 58.45 BOM 35.09 48.12 sep-04
www.endex.nl
Dal 19.24 17.97 25.53 17.39 12.91 18.05 19.63
Spotmarktprijzen versus Marginale kostprijzen • Spot en termijnmarkten: 3 tot 6 €ct/kWh • Marginale kostprijs: 6 tot 8 €ct/kWh • Vermijden teruglevering pleit voor kleinere systemen (1 kWe), uitsluitend voor eigen elektriciteitsgebruik • Energiebesparing en CO2 reductie halveren.
27
Energiebesparingspotentieel bij gedeeltelijke warmtedekking m-WK elektrisch rendement (%)
100 besparing 40 % 80
theoretisch maximum
30%
20% 60 10% referentierendement 0%
Nieuwe centrale
PEMFC
40
20
0
CV-ketel
ontsparing 0
20
40
60
warmte rendement (%) 28
80
100
Besparing energierekening • • • • • •
Bovengrens opbrengst: eigen verbruik 3500 kWhe * 10.6 €ct/kWhe = 370 €/jr Praktijk: 50-80% van bovengrens 180 tot 300 €/jaar Terugverdientijd 5 jaar Investeringsruimte 900 tot 1500 €.
29
Onrendabele top • Minimaal nodig bij teruglevering: MKP (6 tot 8 €ct/kWh) • Toeslag om meerinvestering tov 1 kWe mogelijk te maken • Investering exponent 0.6 • Hulpketel vervalt: €1200 goedkoper • Benodigde terugleverprijs: 13 €ct/kWh • Onrendabele top: 7 tot 10 €ct/kWh. 30
Economie • Marginale kostprijs 5.8 (Stirling) tot 8.0 €ct/kWhe (SOFC) • Marge op vermeden inkoop 10.3 tot 12.5 €ct/kWh • Terugleveren: opbrengst negatief • Economie leidt tot kleine systemen (ca.1kWe) • Besparing energierekening 180-300 €/j • Investeringsruimte kleine systemen bij 5 jaar terugverdientijd 900-1500 € • Onrendabele top grotere systemen (netto terugleverend) 7 – 10 €ct/kWh 31
Conclusies 1. Micro-Warmtekracht is een optie voor energiebesparing 2. Maximale besparing vraagt grote terugleverende systemen 3. Onrendabele top is hoog 4. 1 kWe creëert voldoende investeringsruimte voor marktconforme systemen 5. Bij 1 kWe energiebesparing 5-10% 6. Toverketel: alle beetjes helpen, maar verwacht er geen wonderen van. 32
