Economische aspecten van warmtekrachtkoppeling Stoomturbine Recuperatieketel

Voor de promotie van WKK in Vlaanderen

Voor de

promotie van WKK Een voorbeeld ter inleiding (1) in Vlaanderen

• CHP/CC Gent Ham (54 MW) – Gasturbine GE LM 6000PB DLE (42 MW) – Afgassenketel zonder bijstook • Stoom: 50 t/h @ 32 bar, 450°C

Warmtekrachtkoppeling

– – – – – –

Michel Raskin, COGEN Vlaanderen

Bron: David Mertens, SPE

• Warm water : 9 MW Aftapcondensatiestoomturbine (12 MW) Stadsverwarmingsnet Gent (45 MWth) NOX < 30 ppm, CO < 5 ppm Opstart eind 1994 Eerste LM 6000 DLE ter wereld en eerste LM6000 in België Fleetleader LM6000DLE; +/- 90000 draaiuren

Workshop Energiesamenwerking in bedrijvenclusters Brugge, 27 sept 2007 1

2

Een voorbeeld ter inleiding (2)



Economische aspecten van warmtekrachtkoppeling

ontgasser Condensaat voorverwarmer Voedingswatertank

HP Stoomturbine Recuperatieketel 12MW

Condensors

Aardgas

42MW Gasturbine

Zuid Noord

Stadsverwarmingsnetten

3

4


Inleiding


• Economische aspecten van WKK…

Focus op gasturbines

– Voor de bouw van de installatie • Nagaan of WKK in gegeven omstandigheden rendabel is • Motiveren investeringsbeslissing • Vastleggen economisch meest interessante configuratie Haalbaarheidsstudie, business plan,…

Gebaseerd op meer algemeen paper: “Combined heat and power in a liberalised energy market”; Energy Conversion and Management, Volume 48, Issue 9, September 2007, Pages 2542-2555; Michel De Paepe and David Mertens

– Na de bouw van de installatie • Optimalisatie van de uitbating van de installatie • Inspelen op opportuniteiten, reageren op bedreigingen • Realisatie van de beoogde winsten 5

6

1


Inleiding

• Resultaat van de puzzel – Rendabiliteit WKK-project): • Net present value (NPV)

• Economics van WKK: een complexe puzzel… Dimensionering

Energiebesparing

Investerings-

NPV = − A0 +

A1

'

+

A2

'

(1 + r ) (1 + r )2

+ ... +

An

'

(1 + r )n

,

kosten

• Internal rate of return (IRR) r waarvoor NPV = 0 (bij gegeven n)

• Payback time (PBT) n waarvoor NPV = 0 (bij gegeven r)

Emissies

… 7

• IRR, NPV, PBT worden berekend na belastingen • Project is rendabel als NPV >0; IRR >x of PBT > y

8


Inleiding

Investeringskost •

• Resultaat van de puzzel – Afhankelijk van hoe elk puzzelstukje eruitziet • Belang van correcte inschatting van de evolutie van de belangrijkste parameters over de uitbatingsperiode

– Afhankelijk van hoe de stukjes in mekaar passen • Belang van de dimensionering

9


Investeringskost van een WKK-project met gasturbine – Niet enkel gasturbine-generatorpackage – Ook: • Toestellen voor warmterecuperatie (afgassenketel,…) • Elektrische aansluiting (aansluiting, opvoertransfo, hulpdiensten, noodvoeding) • Gasaansluiting (aansluiting, ontspanstation,…) • Procesaansluiting (stoom, condensaat,…) • Koeling (alternator, smeeroliecircuit,…) • Luchtaanzuigsysteem • Civiele werken • Instrumentatie • Meetsystemen (tellers, emissiemonitoring,…) • Diverse voorzieningen (waterbehandeling, brandbestrijding,…) • Constructie • Commissioning • Engineering • Soft costs (verzekering, vergunningen,…) • …

10


Investeringskost

Investeringskost

1200

– Sterk afhankelijk van voorkeuren/wensen klant en wetgevende eisen (emissiereduceertechnieken, dual fuel, fresh air firing, spray intercooling)

1000

Gasturbine kost [€/kW ]


• Totale investeringskosten – Sterk projectafhankelijk

• Kostprijs gasturbinepackages

800

– Richtwaarde: …750 €/kW … 1250 €/kW … 600

• Recente evoluties – Toegenomen prijzen van de meeste metaalsoorten en –legeringen – Toegenomen vraag naar gasturbines/elektriciteitscentrales in de markt

400

200

Stijgende tendens in investeringskosten

0

11


Inleiding

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Elektrisch vermogen [MW]

65

70

75

80

85

90

95

100

12

gasturbines en WKK

2


• Voorbeeld – Elektrisch vermogen: 10 MW – Stoomcondities • 40 bar • 360°C

Investeringssubsidies

GT Package Heat Recovery Equipment Electrical & Instrumentation Mechanical & Piping Civil Engineering & Soft costs

36%

• Ecologiepremie – Steunmaatregel van Vlaamse Overheid – Subsidie van 10.5% voor KMO; 7.5% voor GO – Beperkingen • Maximum steunbedrag: € 1.5 miljoen • Enkel voor ondernemingen, sommige sectoren uitgesloten • Dossier in te dienen voor eerste factuur – Hervorming naar callsysteem met lagere steunpercentages aangekondigd

12%

– Condensaatretour: • Retour: 85% • Temperatuur: 95°C • Deminwater: 15°C

22%

10%

8% – Stoomproductie: • 20 t/h zonder bijstook • 30 t/h nominaal • 40 t/h op maximale bijstook – Ketel in gebouw

12%

Totale investeringskost: 12.9 M€ 13

14

Onderhouds- en uitbatingskost


• Verhoogde investeringsaftrek – Federale steunmaatregel – Fiscale maatregel: Verminderen belastbare winst van de onderneming met 14.5% van het investeringsbedrag netto-subsidie +/- 5% van investeringsbedrag


– Tijdstip gepland onderhoud: functie van draaiuren • Aeroderivatives: werkelijk aantal draaiuren • Heavy duty machines: EOH of Equivalent Operating Hours Tijdstip revisie afhankelijk van aantal starts – # X uren extra tellen per startbeurt – # grafiek

15

draaiuren

16


Reductie energiefactuur

• Richtwaarden


• Belangrijkste verschuivingen energiefactuur ten gevolge van WKK

14

19%

46%

Rest GT Revisies Rest O&M

12

Onderhouds-en uitbatingskost [€/MWh]


• Gepland gasturbine-onderhoud – Periodieke inspectie (trimestrieel, semestrieel, jaarlijks) • Onderhoud hulpapparatuur • Boroscopie • … – Grote revisie • “Hot section” of “Hot gas path”: na 25000 – 32000 draaiuren • “Major overhaul”: na 50000 – 64000 draaiuren

• Veel meer dan enkel revisies… – Gepland onderhoud (revisies en inspecties) – Correctief onderhoud – Dagelijks onderhoud – Spare parts – Consumables (deminwater voor spray intercooling,…) – Chemie (waterbehandeling) – Dagelijkse bedrijfsvoering – Online en offline turbinewas – Monitoring – Permanentie 24/24 (onderhoud en bedrijfsvoering) – Dagelijkse rondgang en checklists (cf. stoomwetgeving) – Rapportering, planning, documentatie



starts

Investeringskost

– Toename brandstoffactuur • Behoud brandstofverbruik voor warmteproductie • Bijkomend brandstofverbruik voor elektriciteitsproductie • Verhoogde capaciteitsreservatie

10

35% 8

– Reductie elektriciteitsfactuur • Vermeden aankoop van door WKK geproduceerde en lokaal verbruikte elektriciteit • Beperkte elektriciteitsaankoop (backup en eventueel bijkomend verbruik) • Behoud capaciteitsreservatie (eventueel met korting) • Eventueel verkoop van overschot aan geproduceerde elektriciteit

6

4

Totaal O&M

2

GT Maintenance

0

17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

18

Elektrisch vermogen [MW]

3

Voor de

Voor de

van WKK Reductie energiefactuur promotie in Vlaanderen

van WKK Reductie energiefactuurpromotie in Vlaanderen

• Energiebesparing als maat voor de reductie van de energiefactuur

• Reductie energiefactuur tegengewerkt door extra kosten bij uitval of modulatie gasturbine

– Brandstofverbruik STEG-centrale en boiler als maat voor energiekost zonder WKK – Brandstofverbruik WKK als maat voor energiefactuur met WKK

– Verhoogde kost voor aankoop elektriciteit tijdens stilstand GT (intraday of day-ahead markt) – Verhoogde vermogenterm elektriciteit indien te lange stilstandtijd – Balancing – Flexibiliteitskosten aardgas

PEB = 20

• basisflexibiliteit inbegrepen in reservatie • overschrijding basisflexibiliteit mogelijk bij stilstand gasturbine

RPEB = 20 / 120 ~ 17%

19

20

Netkosten en heffingen elektriciteit



• Onderschreven vermogen – Normaal tarief • 380/220/150 kV: 8.75 €/kW/jaar • 70/36/30 kV: 19.54 €/kW/jaar


• Variabele netkosten: definitie ‘Bruto begrensde energie’ – Afgenomen energie indien de lokale productieeenheid 25 MW zou zijn Injectie: 0 MW Afname: 40 MW Bruto begrensd: 75 MW

– Korting decentrale productie (WKK): 30% Voorwaarden: • Jaaronderschrijving • Onderschreven vermogen gedekt door lokale productie, max. 75 MW • Afname van het net gedurende max. 1000 h/jaar – Indien meer: aangerekend als bijkomend vermogen: seizoen- en tijdstipafhankelijk • Injectie en afname zijn zelfde ‘toegangspunt’ – Meerdere ansluitingspunten op zelfde spanningsniveau kunnen één toegangspunt vormen – Verschillende spanningsniveau’s verschillende

100 MW

60 MW (25 MW)

Injectie: 0 MW Afname: 100 MW Bruto begrensd: 100 MW

100 MW

60 MW (25 MW)

toegangspunten 21

22




• Heffingen en taksen – Te betalen op afgenomen energie – Sommige heffingen en taksen hebben degressief tarief voor grotere verbruikers – Met WKK: vermeden bij lokale afname – Maximum voordeel (2007): • Compensatie gemeenten : 4.91 €/MWh • Federale bijdrage : 2.11 €/MWh • Promotie REG : 0.07 €/MWh • Groenestroomcertificaten : 4.69 €/ MWh ( 7.5

• Variabele netkosten: Systeembeheer en ondersteunende diensten – Normaal tarief • 1.14 €/MWh bruto begrensd • 0.05 – 0.44 €/MWh netto afgenomen

– Voordeel WKK: • 1.19 – 1.58 €/MWh lokaal verbruikt voor eerste 25 MW • 0.05 – 0.44 €/MWh lokaal verbruikt voor resterende MW

23


€/MWh) • Warmtekrachtcertificaten : 1.33 €/MWh ( 2.35 €/MWh) Theoretisch maximum (2007): 13.11 €/MWh

24

– Reëel voordeel beperkt door: • Vrijstelling van sommige heffingen op hoogspanningsnet • Degressiviteit voor grote bedrijven

4

Gridkosten en heffingen aardgas



Certificaten

• Onderschrijving capaciteit

• Basisprincipes certificatenmechanisme

– Tarief Fluxys vaste capaciteit : €/Nm³/h (per jaar) Voor WKK met 8000h/jaar:

+/- 30 +/- 0.4

€/MWh LHV ns ve ge e certificaten eg ti n uc d te o ca pr fi i rt ce

Toekenning

• Variabele gridkosten en heffingen – Voor HD-gas:

+/- 0.4 €/MWh LHV

• Toename kosten door WKK

25

– Afhankelijk van Q/E verhouding WKK – Capaciteit en verbruik stijgen minder naarmate Q/E groter is FCHP 1 ≈ 1+ Q FNOCHP E

Certificaten

50

=

WKK

27


• Rendementen referentie-installaties gescheiden productie

W 1 0

– Elektriciteit • 55% voor fossiele brandstoffen en netaansluiting > 15 kV • 50% voor fossiele brandstoffen en netaansluitng <= 15 kV • 42.7% voor vloeibare biobrandstoffen • 42% voor biogas • 34% voor hout of houtafval • 25% voor andere vaste biomassa

K

10

35

– Warmte • 93% voor • 90% voor • 85% voor • 70% voor biogas is

50 6

Brandstofverbruik

100

Electriciteitsleverancier

Certificaten

Ketel 56

15

Verplichting

26

64 STEG

100

Vrije markt ge ld ce rt if ic at en

of boete Regulator


– 1 certificaat per MWh primaire energiebesparing ten opzichte van referentie-installaties voor gescheiden productie van warmte en elektriciteit

=

WKK/HEBinstallatie

certificaten

• Aantal bekomen certificaten

35

Eigenaar van

Certificaten

120

warme lucht in droogtoepassingen warm water stoom en andere warmtemedia eender welk warmtemedium, als de brandstof

28


Certificaten


• Beperkingen (2)

• Beperkingen (1)

– Installatie gelegen in Vlaams gewest

– Erkenning als kwalitatieve WKK, op basis van relatieve primaire energiebesparing (RPEB)

– Installatie in dienst genomen of ingrijpend gewijzigd na 1/1/2002

• Voorwaarde: RPEB > 0 voor WKK met elektrisch vermogen < 1MW RPEB > 10% voor andere WKK

– Inleverbaarheid certificaten verloopt degressief • volledig aantal certificaten gedurende 4 jaar • daarna slechts fractie X, met:

• RPEB = 1 −

29

1

αQ α E + ηQ η E

• Referentierendementen zijn vastgelegd op Europees niveau, maar zijn in veel gevallen vergelijkbaar met de Vlaamse

X =

RPEB − 0,002 ⋅ (T − 48) RPEB

• hierin is T de tijd in maanden vanaf ingebruikname van de installatie, en RPEB is de relatieve primaire-energiebesparing 30

5


Certificaten


Certificaten

• Financiële aspecten – Boetewaarde

• Impact op algemene rendabiliteit WKK in Vlaanderen 25.00%

• 45 € per ontbrekend certificaat • Betalen van boete is niet aftrekbaar van belastbare winst

20.00%

– Marktwaarde

15.00%

Internal rate of return (IRR - %)

• Ongeveer 40 € per certificaat • Voorlopige marktdata huidige inleverperiode (1/4/06 – 31/1/07): 41.62 €/cert • Marktschaarste wordt nagestreefd om marktwaarde hoog te houden: stijgende quota 0,0600

– Gegarandeerde waarde • 27 € per certificaat • Distributienet • Tot 10 jaar na indienstname

W- factor of quotum

0,0500

0,0400

10.00%

5.00%

0.00% 0.01

0.1

1

0,0300

-10.00% 0,0200

-15.00%

0,0100

0,0000 2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

jaar

31

Dimensionering

10

100

-5.00%

Gas turbines

Gas engines

Diesel engines

Microturbines

Gas turbines with certificates

Gas engines with certificates

Diesel engines with certificates

Microturbines with certificates

-20.00%

32

Cogeneration electric power output (MW)



Dimensionering

• Belangrijke aandachtspunten bij dimensionering WKK

• Klassieke dimensionering gasturbine-WKK’s

– Inschatting toekomstige warmtevraag • Inschatting toekomstige productiehoeveelheden • Impact toekomstige besparingsmaatregelen

– Gevoeligheid proces • Wat bij uitval van de stoomvoorziening? Bijstook

– Terugkeer condensaat • Percentage • Temperatuur

Basisproductie GT

– Profiel van de stoomvraag • Gradiënten • Aantal draaiuren en aantal stops van de WKK

33

Dimensionering

34


Dimensionering

• Bijstook (1)


• Bijstook (2)

– Basisprincipes energiebesparing 1000

30.00%

– Economisch optimaal design: voldoende bijstook!

Water/steam 900

No additional firing 25.00% 800

Additional firing (high)

20.00%

600

Internal rate of return (%)

Temperature (°C)

700

Additional firing (low)

500

400

300

15.00%

10.00%

5.00%

200

0.00% 100

No additional firing Additional firing (20% of useful heat) Additional firing (33% of useful heat) Additional firing (50% of useful heat)

-5.00% 0 Position

Economiser

35

Evaporator

Superheater

36

-10.00% 0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

Useful heat output (MW)

6


Dimensionering

Dimensionering


• Overdimensionering – reductie warmtevraag

• Suboptimale dimensionering

1600 LM6000 Part load 1400

– Onderdimensionering

LM6000 Full load + heat dump LM2500 Reductie bijstook

• Kleiner project heeft lagere IRR en lagere waarde (NPV)

1200

Marginaal result (€/h)

1000

– Overdimensionering • Te lage warmtevraag doet IRR en NPV dalen • Impact ook afhankelijk van oorspronkelijk design – Verminderen bijstook – Deellast – Dumpen warmte (condenseren)

800

600

400

200

0 50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

-200

-400

37

Warmtevraag (% van basisproductie)

38


Dimensionering


Sensitiviteit

• Overdimensionering – reductie warmtevraag 10

• Belangrijkste invloedsparameters / Risico’s

5

0 50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

– – – –

Investeringskost Onderhoud- en uitbatingskost Brandstofkost Vermeden kosten: elektriciteitsprijs en netkosten – Certificaten: bestaan, waarde

100%

NPV (10 years, 10%) [M€]

-5

-10

-15

-20

-25

– Performantie – Beschikbaarheid

-30 LM6000 Part load LM6000 Full load + heat dump

-35

LM2500 Reductie bijstook

– Constructie: vergunningen, levertermijn,…

-40 Warmtevraag (% van basisproductie)

39

40


Sensitiviteit

Sensitiviteit • Marktgerelateerde parameters – Vrije energiemarkt

• Marktgerelateerde parameters 15

• Prijs elektriciteit op een bepaald moment wordt bepaald door de duurste eenheid die op dat moment moet draaien Baseload eenheden en must-runs bepalen zelden de prijs Gasgestookte eenheden (STEG’s en OCGT’s) bepalen vaak

10

de prijs

5

NPV (10 years, 10%) [M€]


Gasprijs en elektriciteitsprijs zijn geen twee onafhankelijke parameters in sensitiviteitsanalyse Elektriciteitsprijs vertoont sterke correlatie met de gasprijs:

0

-5

PE = A + B ⋅ PG

-10

investment cost -15

power price O&M cost gas price

-20 50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

130%

140%

150%

Parameter variation (% of base case value)

41

42

• Gasprijs meestal uitgedrukt in €/MWh HHV • A : Spark Spread • B : Inverse van het rendement (op HHV) van de prijsbepalende eenheid • Richtwaarden: A = 8 … 12 en B = 2 … 2.4

7


Sensitiviteit


Sensitiviteit

• Marktgerelateerde parameters

• Technische parameters 20

10

15

investment cost O&M cost 8

10

gas price (+ power price)

NPV (10 years, 10%) [M€]

market price certificates

NPV (10 years, 10%) [M€]

6

4

2

0

5 0 -5 -10 -15 -20

Heat rate

-25

Operating time

-2

Reliability -30 90%

43

-4 50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

130%

140%

150%


44

92%

94%

96%

98%

100%

102%

104%

106%

108%

110%




Meer informatie…

Vragen ?

COGEN Vlaanderen vzw Voor de promotie van WKK in Vlaanderen

Zwarte Zustersstraat 16 b9 3000 Leuven Tel. 016 58 59 97 http://www.cogenvlaanderen.be [email protected] 45

46

8

Economische aspecten van warmtekrachtkoppeling Stoomturbine Recuperatieketel

Recommend Documents