WARMTEKRACHTKOPPELING (WKK) INFOBROCHURE
Wat is het? Warmtekrachtkoppeling (WKK) is een verzamelnaam voor veel verschillende technologieën waarbij warmte en mechanische energie gelijktijdig worden opgewekt.
Bij de opwekking van mechanische energie komt warmte vrij die lokaal wordt gebruikt.
De mechanische energie wordt omgezet naar elektrische energie. De opgewekte elektriciteit wordt maximaal ter plaatse ingezet. De overschotten worden op het net geïnjecteerd.
Elektriciteit Maximaal brandstof
WKK
lokaal gebruik Warmte
Overschot naar het net
100% lokaal gebruik
De warmtevraag staat normaal gesproken voorop bij WKK, zodat vernietiging van warmte nauwelijks voorkomt. De hoeveelheid warmte, de warmtedrager en de gewenste temperatuur en het aantal draaiuren bepaalt het concept van de WKK. De WKK werkt niet op momenten dat er geen warmtevraag is.
Brandstof Als brandstof voor de warmtekrachtkoppeling (WKK) wordt in België meestal aardgas gebruikt, maar ook biogas en stortgas kan worden gebruikt. De WKK levert dan duurzame energie. In principe is elke brandstof mogelijk. Ook WKK’s op diesel bestaan, of zelfs op biobrandstoffen als puur plantaardige oliën (PPO) zoals palmolie of koolzaadolie.
De keuze van de krachtbron, die de generator in de WKK aandrijft, hangt samen met de beschikbare brandstof, het gewenste vermogen en de vorm waarin de warmte geleverd moet worden.
Interne verbrandingsmotoren op gas In Vlaanderen zijn de meeste WKK’s gebaseerd op interne verbrandingsmotoren op gas. Momenteel zijn gasmotoren voor WKK-toepassingen op de markt met vermogens variërend tussen 5 kWe en 4 MWe. De meeste motoren hebben echter een elektrisch vermogen tussen 200 kWe en 2000 kWe.
Motor
Hoe werkt het? Warmtekrachtkoppeling (WKK) kan zowel op kleine schaal als op grote schaal toegepast worden. Daarom zijn er verschillende technologieën. In de industrie zijn de meest gebruikte technologieën de stoom- en de gasturbine of een combinatie daarvan. Voor kleinschalige toepassingen wordt eerder de inwendige verbrandingsmotor, op gas of diesel, aangewend als technologie. Daarnaast bestaan er nieuwere technologieën of staan deze op de rand van de doorbraak: microturbine, stirlingmotor.
Wanneer er een vraag naar warm water of een niet te grote vraag naar lagedrukstoom of te hete rookgassen is, maakt men eerder gebruik van zuigermotoren met inwendige verbranding. Een verbrandingsmotor drijft een dynamo (generator) aan waarbij de restwarmte in het koelwater en de uitlaatgassen gerecupereerd worden om nuttig te worden ingezet. Verschillende warmtewisselaars worden geïnstalleerd om de warmtestromen te valoriseren: tussenkoeler, oliekoeler, motorblokkoeler en uitlaatgassenkoeler.
E
WKK rookgassen WW (WKK = warmte kracht koppeling
WW WW = warm water)
De warmte die uit een motor gerecupereerd wordt, heeft een veel lagere températuur dan temperaturen die vrijkomen bij een turbine. Het hangt van de specifieke toepassing af of, en zo ja in welke mate de warmte van een bepaalde warmtebron gerecupereerd kan worden. Des te meer de warmte nuttig kan worden ingezet, des te hoger de rendementen!
Ecologisch karakter van WKK Het brandstofverbruik voor de gecombineerde productie van elektriciteit en warmte in een WKK is een stuk lager dan het verbruik voor de productie van eenzelfde aantal eenheden elektriciteit en warmte in afzonderlijk een elektriciteitscentrale en een centrale verwarmingsketel.
Het totaalrendement voor omzetting van brandstof in elektriciteit en warmte ligt bij een WKK gewoonlijk op minstens 85%. Afzonderlijk bekeken is de productie van warmte en elektriciteit in een WKK niet zo efficiënt. Pas wanneer we ze samen bekijken en vergelijken met een standaardsituatie, zien we dat er met een WKK veel energie bespaard kan worden. Elektriciteit 35 100
WKK
Warmte 50
Verlies 15
Centrale
56%
62.5 118.5
Boiler
90%
56
Verlies 33.5
De vergelijking van deze twee situaties leert ons dat de WKK minder brandstof nodig heeft om dezelfde energie op te wekken en dus efficiënter is dan de gescheiden opwekking. Een meer efficiënte inzet van fossiele brandstoffen zorgt voor minder CO2uitstoot.
Kosten Investeringskosten Deze mogen worden geraamd op: • 675€/KWe voor warmtekrachtkoppeling (gas)motoren. Dit bedrag is uiteraard indicatief.
Onderhouds- en werkingskosten De onderhoudskost voor een WKK wordt uitgedrukt in draaiuren. Men moet uitgaan van een onderhoudskost van 15 €/draaiuur, wanneer men een beschikbaarheidsgarantie van > 95% wenst.
Brandstofkosten De meeste WKK’s worden gevoed met aardgas als primaire brandstof. Zelden wordt vaste biomassa, puur plantaardige olie of biogas gebruikt. Nog zeldzamer zijn WKK’s die vandaag nog op basis van diesel functioneren. Voor projecten waar de door de WKK geproduceerde hoge en lage temperatuur warmte optimaal kan worden benut, kunnen – zeker in Vlaanderen IRR’s (internal rate of return) worden behaald hoger dan 15% en terugverdientijden die korter zijn dan vijf jaar. Voor de iets minder optimale situaties ligt de terugverdientijd tussen vijf en tien jaar.
Premies en subsidies Met Warmtekrachtkoppelingproducenten kunnen bij de VREG warmtekrachtcertificaten krijgen voor de primaire energiebesparing van hun kwalitatieve warmtekrachtinstallatie in het Vlaams Gewest. Een warmtekrachtcertificaat toont aan dat 1.000 kilowattuur (kWh) primaire energie werd bespaard in een kwalitatieve warmtekrachtinstallatie in vergelijking met een situatie waarin dezelfde hoeveelheid elektriciteit en/of mechanische energie en warmte gescheiden worden opgewekt. De RPE is een waarde die aanduidt hoeveel energie er precies bespaard kan worden met de installatie. Ze is gelijk aan de verhouding tussen de bespaarde energie in de WKK en de energie die bij gescheiden opwekking gebruikt zou worden. Hoe hoger de RPE, hoe efficiënter de installatie werkt.
Betekenis van de symbolen in deze formule: • • • •
αE is het netto elektrisch rendement van de WKK; αQ is het netto thermisch rendement van de WKK; refEη is het elektrisch rendement van de gescheiden opwekking; refWη is het thermisch rendement van de gescheiden opwekking.
De producenten kunnen deze warmtekrachtcertificaten verkopen aan elektriciteitsleveranciers die aan hun certificatenverplichting moeten voldoen of aan de netbeheerder. Deze laatsten garanderen een minimumsteun van 31€ per certificaat. De minimumsteun is gegarandeerd voor de eerste tien jaar vanaf datum van de indienstneming van de warmtekrachtinstallatie.
Randvoorwaarden •
Een gedetailleerd overzicht op het verbruiksprofiel van warmte en elektriciteit: op welke momenten van de dag/week/maand is er hoeveel warmte/elektriciteit nodig. Dit kan aan de hand van historische meetgegevens of kan worden ingeschat bij nieuwe processen/ installaties.
•
Goede afstemming tussen de warmtenood (temperaturen, hoeveelheden, warmtedragers, …) en de warmte die vrijkomt om zoveel mogelijk warmte nuttig aan te wenden.
•
Enige synchroniciteit tussen de warmte- en elektriciteitsvraag om de elektriciteit, die wordt opgewekt door de warmtekrachtkoppeling, zoveel mogelijk zelf te gebruiken. Wanneer de WKK draait, wordt zowel warmte als elektriciteit opgewekt. De verhouding tussen beide is verschillend naargelang de installatie. Idealiter kan men ook alle elektriciteit nuttig intern aanwenden. Dit maakt dat deze stroom niet moet worden aangekocht. Dit verandert wel het verbruiksprofiel en ook de tarieven die gelden voor distributie en/of transport voor de elektriciteit die nog wordt afgenomen van het net. Deze zullen wellicht hoger liggen.
•
Een voldoende grote en gelijkmatige warmtebehoefte (ook voor gebouwenverwarming minimaal 4.000 draaiuren).
•
Het type warmte dat de WKK levert moet conform zijn met de nood: bijgevolg komen enkel toepassingen van warme lucht, warm water, stoom en thermische olie in aanmerking
Rendementen worden hoger en terugverdientijden worden korter indien de energie maximaal ter plaatse kan worden gebruikt.
Individueel of collectief Wanneer er meer warmteafnemers zijn zal de afgenomen warmtehoeveelheid groter zijn, zal de installatie groter zijn, zal het afnameprofiel meer genivelleerd zijn, zullen het aantal draaiuren hoger liggen, … De installatie zal hierdoor sneller worden terugverdiend. Dus des te meer warmteproductie en valorisering van deze warmte (door meer afnemers), des te hoger de financiële return.
Indien een aantal grote warmteverbruikers op aangrenzende kavels zijn gelegen, kan worden geopteerd voor een grote installatie met een warmtenet. Dit warmtenet kan de warmte naar verschillende afnameplaatsen transporteren. Richtprijs voor het transportnet is 550€/m (dubbel: heen en terug) in een nieuw te verkavelen terrein. Dit bedrag is uiteraard indicatief.
Voorwaarden voor een grote installatie en transport van de warmte aan de hand van een warmtenet: een voldoende grote warmtevraag. Belangrijk is wel om warmtevraag te bundelen op aanpalende kavels. Het warmtenet blijft hierdoor beperkt in lengte.
Rekenvoorbeeld TECHNISCH elektrisch vermogen (kWe)
200
thermisch vermogen (kWth)
320
elektrisch rendement (%)
33%
thermisch rendement (%)
52%
aantal draaiuren
4 000
ECONOMISCH Investering wkk onderhouds- en uitbatingskosten (€/MWh)
€ 250.000 € 20
WARMTEKRACHTCERTIFICATEN relatieve primaire energiebesparing
19,21%
warmtekracht besparing (MWh/jaar)
576
looptijd (jaar)
12
TVT (terugverdientijd)
4,5
project IRR (internal rate of return)
11,91%
! deze prijzen zijn indicatief Indien men kiest voor een collectieve warmtevoorziening, met grotere vermogens en kortere terugverdientijden is een warmtenet nodig. Dit is een bijkomende kost.
Voordelen +
Toepassing van warmtekrachtkoppeling levert een duidelijke CO2-besparing op in vergelijking tot conventionele elektriciteitsopwekking en verwarming: dit door een hoger rendement (85%) ten opzichte van gescheiden productie van warmte en elektriciteit. Hogere rendementen zijn mogelijk door ook restwarmte op lage temperatuur te benutten. Als ook de condensatiewarmte van de waterdamp in de rookgassen wordt benut kan het rendement nog toenemen.
Dan kan men naar analogie van de HR-ketel spreken van HR-WKK of ‘kwalitatieve warmtekrachtkoppeling’ (KWKK). Minder transportverliezen bij transport van elektriciteit WKK-installaties kunnen ook werken op biobrandstoffen, hetzij plantaardige oliën (palmolie, koolzaad, FAME, …), hetzij biogas (of ook stortgas). In geval van fossiele brandstof wordt meestal gekozen voor de minst slechte fossiele brandstof zijnde gas.
Nadelen Een WKK heeft veel opvolging nodig
IN SAMENWERKING MET: Deze opdracht werd geïnitieerd door de POM Oost-Vlaanderen en werd mogelijk gemaakt met middelen beschikbaar via het project ECO2PROFIT. Dit valt onder de uitvoering van het INTERREG IVA-programma Vlaanderen-Nederland met co-financiering van de Provincie Oost-Vlaanderen.
Tekst en opmaak: Zero Emission Solutions
