Zonthermische systemen voor de productie van warmte en koude in de industrie Statusrapport S.F. Smeding
ECN-E--07-108
Verantwoording Deze studie is uitgevoerd in het kader van een technologie implementatie project TIMP, 7.6529 door de groep Industriële Warmtehuishouding van de unit Energy Efficiency in de Industry.
Abstract A fast transition from the use of fossil fuels to renewable energy is necessary because of the combination of the scarcity of fossil fuels, the increasing environmental pollution, and the greenhouse effect. In 2007, this message was emphasised by reports from the KNAW, Ecofys, the IEA, the European Union, and Greenpeace/EREC. Thermal solar energy is an underdeveloped form of renewable energy, especially in industry. Yet the Dutch branch organisation for solar energy "Holland Solar" sees thermal solar energy as an indispensable source of heat and cold. According to the IEA/RETD solar heat will be, together with geo-thermal energy and biomass, an important alternative for fossil fuels especially for heating purposes. The most important types of collectors are: • Flat plate collectors (low temperature heat, < 80 °C) • Vacuum tube collectors (80-160 °C) • Parabolic tube collectors (> 160 °C) The KNAW states that there are challenges in R&D for all kind of collectors, involving materials research, system integration, conversion technology, and design of components. Another important research theme is heat storage, where the main goals are decrease of heat loss and increase of storage capacity. PCM’s and thermo chemical storage systems are alternatives to water as the heat storage medium. There are three kinds of chillers suitable for the production of renewable cold: absorption, adsorption, and adiabatic chillers. An example of such a system has been built at a cosmetics manufacturer in Greece. In the opinion of the IEA, the potential for solar heat in industry is 4000 times higher than the current use. The potential for the Netherlands amounts to a maximum of 5.6 PJ/year. Realistic estimates for the year 2030 vary between 0.6 and 2 PJ/year. For Europe, this value amounts to a total of 230 PJ/year. Barriers to the implementation of solar heat are: the lack of awareness of this technology in industry; the lack of proven technology; the fact that investment decisions are dominated by the pay-back time; and the lack of commercially available collectors for the temperature range from 80 to 250 °C. Furthermore, the exploitation of available waste heat is currently preferred to the use of solar heat. The introduction of renewable energy is also slowed down by the inconsistent policy of the Dutch government. Demonstration projects can increase the industrial experience of solar heat and increase trust in the technology. R&D is necessary to improve the profitability of the technology. Finally, the application of solar heat in industry can be stimulated by alternative forms of funding and by a more consistent policy.
2
ECN-E--07-108
Inhoud Abstract
2
Lijst van tabellen
4
Lijst van figuren
4
Samenvatting
6
1.
Inleiding
7
2.
Literatuur overzicht
9
3.
Technologie beschrijving 3.1 Collectoren 3.1.1 Vlakke plaat collector (FPC) 3.1.2 Verbeterde vlakke plaat collectoren 3.1.3 Vacuum buis collector (ETC) 3.1.4 Parabolisch buis collector (PTC) 3.1.5 Overige collectoren 3.2 Warmteopslag 3.3 Koudeproductie 3.3.1 Absorptie koelmachine 3.3.2 Adsorptie koelmachine 3.3.3 Adiabtische of (in)directe verdampingskoeling
11 11 11 11 12 12 12 14 14 15 15 16
4.
Toepassingen in de industrie
17
5.
Statistiek, potentie, trends en barrieres 5.1 Statistiek 5.2 Potentie & prognose 5.3 Trends 5.4 Barrières 5.4.1 Zonnewarmte aangedreven koelers
19 19 19 21 21 22
6.
Conclusies en aanbevelingen 6.1 Conclusies 6.2 Aanbevelingen
23 23 23
Organisaties
24
Referenties
25
Bijlage A
Instralingskaart
27
Bijlage B
CBS data (1990-2006)
29
Bijlage C
Geïnstalleerd collector oppervlak Europa
30
Bijlage D
Wereldwijde beschikbaarheid van duurzame energiebronnen
31
ECN-E--07-108
3
Lijst van tabellen Tabel 4.1 Tabel 5.1 Tabel 5.2 Tabel B.1 Tabel D.1
Overzicht industriële sectoren met processen en het temperatuurniveau waar zon-thermie ingezet kan worden (Battisti, 2006) .................................................... 17 Historie en potentie in Europa van thermische zonne-energie in de industrie (IEA, 2007) ............................................................................................................. 20 Europese potentie van thermische zonne-energie in de industrie in 2020 (Battisti, 2006) ........................................................................................................ 20 Opgesteld collectoroppervlak in Nederland (alle sectoren). Hiernaast de toename van het collectoroppervlak uitgesplitst naar type en grote systeem. (CBS, 2007)............................................................................................................. 29 Ratio hoeveelheid vermogen die met huidige techniek wereldwijd duurzaam opgewekt kan worden tegen de huidige (warmte)vraag (Greenpeace & EREC, 2007) ....................................................................................................................... 31
Lijst van figuren Figuur 1.1 Ontwikkeling wereldwijde verhouding bewezen reserves en productie voor gas en olie (bron: BP Statical Review Data)................................................................... 7 Figuur 1.2 Overzicht vormen en toepassingen van duurzame energie....................................... 7 Figuur 3.1 Tekening (links) en foto (rechts)van een vlakke plaat collector (overgenomen van Henning (2007) . .............................................................................................. 11 Figuur 3.2 Tekening (links) en foto (rechts)van een geavanceerde vlakke plaat collector (overgenomen van Henning (2007) . ...................................................................... 11 Figuur 3.3 Tekening (links) en foto (rechts)van een vacuüm buis collector (overgenomen van Henning (2007) . .............................................................................................. 12 Figuur 3.4 Tekening van een parabolische buis collector........................................................ 12 Figuur 3.5 Tekening (links) en foto (rechts)van een vlakke plaat lucht collector (overgenomen van Henning (2007) . ...................................................................... 12 Figuur 3.6 Drie types zwembadcollectoren: koepelvormige (links), matten (midden) en buizen (rechts) ........................................................................................................ 13 Figuur 3.7 De werking (links) en foto (rechts) van een asfalt- of wegcollector. ...................... 13 Figuur 3.8 De werking (links) en foto (rechts) van een CSP zonnetoren. ................................ 14 Figuur 3.9 Relatie temperatuurniveau collector en het rendement van de collector. Tevens is weergegeven welke combinatie van koelmachine en type collector noodzakelijk is. (Weiss, 2006)................................................................................. 14 Figuur 3.10 Werkingsprincipe absorptie koelmachine............................................................... 15 Figuur 3.11 Werkingsprincipe adsorptie koelmachine............................................................... 15 Figuur 3.12 Werkingsprincipe adiabatische koelmachine ......................................................... 16 Figuur 4.1 Collectoren op het dak van de Nederlandse fabriek van Melle .............................. 17 Figuur 4.2 Aantal en vermogen van zon thermische systemen in de Europese industrie (Battisti, 2006) ....................................................................................................... 18 Figuur 4.3 Foto van het technologiecentrum van Festo........................................................... 18 Figuur 5.1 Verdeling duurzame energie Europa naar type bron (Weiss, 2006a) .................... 19 Figuur 5.2 Afzetprognose Nederlandse thermische zonnecollector markt. Let op: logaritmische schaal! (Holland Solar 2007a) ........................................................ 20 Figuur 5.3 Links: Prognose van wereldwijde warmte vraag volgens het ‘energy [r]evolution’ scenario. Duurzame warmte gaat 26% van de totale warmtebehoefte bijdragen. Rechts: Aandeel industrie in totale warmtevraag (Greenpeace & EREC, 2007) ................................................................................. 21 4
ECN-E--07-108
Figuur A.1 Potentie zonaanbod Europese landen. Gepubliceerd door IES - Institute for Environment and Sustainability gebruikmakend van Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). http://ies.jrc.cec.eu.int/ ........................................... 27 Figuur A.2 Instralingsdiagram Nederland (J/cm2 jaar), Gemiddelde data over tijdvak 19712000. Bron: KNMI.................................................................................................. 28 Figuur A.3 Uren zon per jaar verdeeld over Nederland, Gemiddelde data over tijdvak 1971-2000. Bron: KNMI ........................................................................................ 28 Figuur A.4 Instralingsdiagram Nederland (kWh / m2 jaar), Gemiddelde data over tijdvak 1971-2000. Bron: KNMI ........................................................................................ 28 Figuur A.5 Percentage van maximale instra-ling collector als functie van oriëntatie en hellingshoek............................................................................................................ 28 Figuur B.1 Opgewekte hoeveelheid duurzame warmte in Nederland opgesplitst naar bron. (CBS, 2007) ............................................................................................................ 29 Figuur C.1 Geïnstalleerd collector oppervlak Europa (ESTIF, 2007a) ................................... 30 Figuur C.2 Nieuw geplaatst collector oppervlak Europa in 2006 (ESTIF, 2007a) .................. 30 Figuur D.1 Duurzame energiebronnen op aarde (Greenpeace & EREC, 2007) ...................... 31
ECN-E--07-108
5
Samenvatting De schaarste aan fossiele brandstoffen in combinatie met een sterke milieubelasting (broeikasgas CO2) maakt een snelle transitie van het gebruik van fossiele brandstoffen naar duurzame energie noodzakelijk. In 2007 verschenen vele rapporten van onder andere de KNAW, Ecofys, de IEA, de Europese Unie en Greenpeace/EREC die deze boodschap benadrukten. Zonnewarmte vormt een onderbelichte vorm binnen de duurzame energievoorziening. Zeker thermische zonne-energie in de industrie staat in de schaduw van duurzame elektriciteit en biomassa. Door Holland Solar wordt echter zonnewarmte als belangrijke en onmisbare bron van warmte en koude gezien. De IEA/RETD ziet zonne-energie samen met geo-thermie en biomassa als een belangrijk alternatief voor fossiele brandstoffen vooral voor verwarmingsdoeleinden. Naast een aantal bijzondere type collectoren kan de technologie worden opgesplitst in: • Vlakke plaat collectoren voor lage temperatuur warmte (< 80°C) • Vacuüm buis collectoren (80-160°C) • Parabolische buis collector (> 160°C) Volgens het KNAW zijn er voor alle type collectoren nog grote onderzoeksuitdagingen zowel materiaal technisch als systeeminpassing, omzettingsprincipe en aan componenten. Ook warmteopslag vormt een belangrijk onderzoekthema. Doel is het verhogen van de opslagcapaciteit en het verminderen van het warmteverlies. Alternatieven voor het opslagmedium water zijn PCM's en thermo-chemische opslagsystemen. Voor duurzame koude productie bestaan drie type warmte aangedreven koelers: absorptie-, adsorptie- en adiabatisch- of indirecte verdampingskoeling. Een voorbeeld van zo'n duurzaam koelsysteem staat in Griekenland bij een cosmetica fabrikant. In Nederland zijn toepassing mogelijk van duurzame warmte in de voedings-, dranken en textiel industrie. De potentie voor de inzet zonne-energie ligt volgens de IEA voor de industrie 4000 keer hoger dan de huidige inzet. Voor Nederland ligt die waarde op maximaal 5,6 PJ/jr. Echter reële schattingen voor 2030 variëren van 0,6 tot 2 PJ/jr. Voor Europa ligt die waarde op totaal 230 PJ/jr (Weiss, 2006a). Barrières voor toepassing van zonne-warmte liggen in de onbekendheid van de technologie, het nog niet bewezen technologie is, de terugverdientijd nog alles bepalend is bij investeringen en het gebrek aan commerciële collectoren op midden temperatuur. Ook zal de inzet van restwarmte de voorkeur hebben boven zonne-warmte. Ook de wispelturigheid van het Nederlandse energiebeleid remt de introductie van duurzame energie. Bevordering van de inzet van zonnewarmte in de industrie kan worden verhoogd door het opzetten van demonstratieprojecten om de ervaring en vertrouwen in de technologie te vergroten. Hiernaast is een R&D toename noodzakelijk om de winstgevendheid van de technologie te verhogen. Tenslotte kunnen alternatieve financieringsvormen en een consistent beleid toepassing van zonnewarmte in de industrie verhogen.
6
ECN-E--07-108
1.
Inleiding
De transitie van het gebruik van fossiele brandstoffen naar duurzame energie is momenteel erg actueel. Niet alleen door de eindigheid van winbare voorraad fossiele brandstoffen, waar de laatste jaren voor het eerst meer olie en gas gewonnen wordt dan aan voorraad gevonden (Figuur 1.1), maar vooral door de aanzienlijke belasting op het leefmilieu, in het bijzonder de uitstoot van het broeikasgas CO2. Ratio Reserves / Production
Gas
Oil
80 70
[Years]
60 50 40 30 20 10 0 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
Figuur 1.1 Ontwikkeling wereldwijde verhouding bewezen reserves en productie voor gas en olie (bron: BP Statical Review Data) Duurzame energie is een sterk opkomende vorm van energie die op lange termijn de energievoorziening van de wereld moet veilig stellen. Er bestaan diverse vormen van duurzame energie die ingezet worden in de gebouwde omgeving, utiliteit, industrie, transport en landbouw (Figuur 1.2). Uit de diverse studies is het echter lastig de opties voor duurzame warmte en koude voor gebruik in de industrie te bepalen, in het bijzonder als de warmtebron zonne-thermie betreft.
Warmte & koude
Warmte passief
Land & tuinbouw
Elektriciteit
Elektriciteit
Transport
Brandstof
Warmte & koude
Elektriciteit
Industrie Warmte & koude
Warmte passief
Elektriciteit
Utiliteit Warmte & koude
Warmte passief
Elektriciteit
Gebouwde omgeving
Energiebesparing Restwarmte Waterkracht Wind Biomassa Geothermie Zonne thermisch Zon PV Warmtepomp
Figuur 1.2 Overzicht vormen en toepassingen van duurzame energie
ECN-E--07-108
7
In deze studie wordt de optie van thermische zonne-energie actief ingezet in de industrie als uitgangspunt genomen. Met zonnewarmte kan ook koude geproduceerd worden door gebruik te maken van een warmte aangedreven koelmachine (absorptie & adsorptie koelmachines). Het doel is om voor deze toepassing niet alleen de techniek te beschrijven, maar ook de huidige status en ontwikkelingen in kaart te brengen. In hoofdstuk 2 wordt kort de ontwikkelingen in de literatuur beschreven. Waarna in hoofdstuk 3 de technologie van zowel zon thermische collectoren als warmte gedreven koelmachines wordt uitgelegd. Hoofdstuk 4 geeft voorbeelden van toepassingen in de industrie. In hoofdstuk 5 wordt getalsmatig de huidige productie van zonnewarmte vergeleken met andere vormen van duurzame energie, worden de trends op nationaal en internationaal gevisualiseerd. Ten slotte geeft hoofdstuk 6 de conclusies en aanbevelingen.
8
ECN-E--07-108
2.
Literatuur overzicht
Alleen al de eerste helft van 2007 zijn zeer veel studies verschenen met als onderwerp duurzame energie of in het bijzonder thermische zonne-energie. Zo verscheen van de KNAW de verkenning “Duurzaamheid duurt het langst” die beschouwd kan worden als een ‘road-map’ voor wetenschappelijk onderzoek gericht op een duurzame energietoekomst (KNAW, 2007). Conclusie is dat er nog uitdagingen liggen bij de conversie van zonne-energie naar hoge-temperatuur warmte. Voor grootschalige toepassing van lagetemperatuur warmte systemen is zowel onderzoek naar systeeminpassing als fundamentele verbetering van de basiscomponenten en omzettingsprincipes noodzakelijk. De Nederlandse branche organisatie voor zonne-energie in samenwerking met stichting DE Koepel gaf in maart haar eigen roadmap uit: “Transitiepad Thermische zonne-energie” (Holland Solar, 2007a). Hierin wordt aangegeven dat thermische zonne-energie op termijn een belangrijke en onmisbare bron voor warmte en koude zal worden. Een cultuuromslag is noodzakelijk om anders om te gaan met energie. In mei is er een visiedocument verschenen van de brancheorganisatie voor duurzame warmte en koude: “Duurzame warmte en koude; wij zijn er klaar voor” (DE Koepel, 2007). Er is een forse versnelling nodig en trendbreuk ten opzichte van de ontwikkeling van duurzame warmte in de afgelopen jaren. De huidige marktwerking bevordert onvoldoende de vraag en er is nieuw consistent overheidsbeleid noodzakelijk. Ecofys heeft zeer recent in opdracht van het Ministerie van Economische Zaken een studie gedaan naar het potentieel, de barrières en het beleid naar duurzame warmte en koude voor de periode 2008-2020 (Harmsen, 2007). In dit rapport wordt zon-thermisch voor de utiliteit als een dure optie beschreven (35-70 euro/GJ of 500 euro/ton vermeden CO2 meerkosten). Zonthermische droogprocessen zijn kosteneffectief. Zon-thermie is niet als optie voor duurzame warmte in de industrie meegenomen. Op Internationaal en vooral Europees niveau zijn een aantal belangrijke rapporten verschenen. De Europese Unie presenteerde in januari de “Renewable Energy Roadmap” waarin eindelijk thermische zonne-energie volwaardig wordt meegenomen in de Europese strategie (European Parliament, 2007). De European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) publiceerde een actieplan voor verwarmen en koelen met de zon (ESTIF, 2007). Dit plan helpt beleidmakers een succesvol beleid te ontwikkelen voor de exploitatie van schone, veilige en goedkope zonne-energie voor verwarming en koeldoeleinden. De IEA-SHC taak 33 voert een Europees onderzoeksprogramma uit waar de ESTIF de trends en statistieken in de zon thermische markt beschrijft (ESTIF, 2007a). De Europese markt is met 48% gestegen met een vermogen van 2,1 GWth / 3 miljoen m2 in het jaar 2006. In Nederland daalde in 2006 echter de groei met 27% ten opzichte van 2005 tot 10,3 MWth. De IEA (IEA / RETD, 2007) benadrukt in het rapport "Renewables for heating and cooling" de belangrijke rol van duurzame warmte en koude om een duurzame energievoorziening te realiseren. Het rapport geeft beleidsmakers gereedschappen voor kosten-effectieve introductie van duurzame warmte.
ECN-E--07-108
9
Greenpeace publiceerde in samenwerking met EREC “Energy [r]evolution; a sustainable world energy outlook” (Greenpeace & EREC, 2007). Het rapport geeft een financiële onderbouwing hoe in 2050 de wereldwijde CO2 emissie gehalveerd kan worden met behoud van de globale economische groei. Een investering van 22 miljard $ per jaar in schone en duurzame energie productie zal op den duur leiden tot een brandstof besparing van 180 miljard $ per jaar. De verwachting van Greenpeace is dat in het "energy [r]evolotion" de stijging van het wereldwijde energieverbruik van 310.000 PJ/jaar in 2003 beperkt blijft tot 350.000 PJ/jaar in 2050. Een besparing van 200.000 PJ/jaar ten opzichte van het referentie scenario.
10
ECN-E--07-108
3.
Technologie beschrijving
3.1
Collectoren
De belangrijkste types collectoren worden hier beschreven.
3.1.1 Vlakke plaat collector (FPC) De huidige technologie voor het omzetten van zonne-energie naar lage-temperatuur warmte (max. 80°C) voor huishoudelijke toepassing is gebaseerd op het absorberen van het zonlicht door een spectraal-selectieve coating op veelal een metalen absorberende ondergrond. Deze is verbonden met een buizensysteem waarmee de warmte door een vloeistof wordt afgevoerd naar een opslagsysteem of rechtstreeks naar de warmtegebruiker. Om warmteverlies te voorkomen wordt de collector afgedekt met één of twee transparante afdekplaten, over het algemeen van glas met een laag ijzergehalte. De warmte voor warm tapwater wordt opgeslagen in een watergevuld geïsoleerd vat. Zonnewarmte voor ruimteverwarming wordt op een relatief lage temperatuur opgeslagen in ondergrondse opslagsystemen. De toegepaste materialen, in combinatie met het relatief grote warmteverlies van de warmteopslag, zorgen voor een ongunstige prijsprestatieverhouding. Het relatief grote warmteverlies en de lage opslagtemperaturen staan een grootschalige toepassing van thermische systemen die de zonnewarmte gedurende het hele jaar kunnen leveren in de weg (KNAW, 2007).
Figuur 3.1
Tekening (links) en foto (rechts)van een vlakke plaat collector (overgenomen van Henning (2007) .
3.1.2 Verbeterde vlakke plaat collectoren Door toepassing van meerlaags glazen met anti-reflectie coatings, gebruik van een edelgas in hermetisch gesloten collector en/of geëvacueerde collector is het mogelijk het temperatuurbereik te laten stijgen tot 80-120 °C (Weiss, 2006). Een alternatief is om gebruik te maken van concentrators (CPC = Compound Parabolic Collector). De concentratie factor hiervan is twee en de collector heeft geen zon-volgsysteem nodig.
Figuur 3.2
Tekening (links) en foto (rechts)van een geavanceerde vlakke plaat collector (overgenomen van Henning (2007) .
ECN-E--07-108
11
3.1.3 Vacuum buis collector (ETC) Een ETC is een langwerpige vlakkeplaatabsorber gemonteerd in een luchtgeëvacueerde glazen buis; ook wel heatpipe collector genoemd. Het systeem is toepasbaar in het temperatuurgebied tussen 80 - 160°C (Weiss, 2006).
Figuur 3.3
Tekening (links) en foto (rechts)van een vacuüm buis collector (overgenomen van Henning (2007) .
3.1.4 Parabolisch buis collector (PTC) Voor hogere temperaturen is een hogere concentratie factor noodzakelijk dan de factor twee. Deze systemen vereisen minimaal een zon-volg systeem op één-as. Parabolische spiegels concentreren het zonlicht op een ontvanger. Globaal zijn er zeven alternatieve systemen in ontwikkeling. Toepasbaar voor temperatuurbereik hoger dan 160°C (Weiss, 2006).
Figuur 3.4
Tekening van een parabolische buis collector
3.1.5 Overige collectoren De vlakke plaat lucht collector is vergelijkbaar met een vlakke plaat collector waarbij de vloeistofkanalen zijn vervangen door lucht sleuven. Het nuttige temperatuurniveau ligt met 50 tot 80°C wel lager (Figuur 3.5).
Figuur 3.5
12
Tekening (links) en foto (rechts)van een vlakke plaat lucht collector (overgenomen van Henning (2007) .
ECN-E--07-108
De zwembadcollector is een onafgedekte vlakke plaat collector. Dit is mogelijk aangezien de collector alleen in het zomerseizoen wordt gebruikt waarbij het warmteverlies beperkt is. Er zijn verschillende types onafgedekte collectoren (Error! Reference source not found.). Ze bestaan allemaal uit kunstof buizen of matten die bestand zijn tegen chloor. Het zwembad zelf wordt als buffer gebruikt.
Figuur 3.6 Drie types zwembadcollectoren: koepelvormige (links), matten (midden) en buizen (rechts) De Weg-collector is een systeem waarbij het wegdek wordt benut om zeer laagwaardige warmte te benutten. Asfalt wordt verwarmd wanneer zij straling van de zon absorbeert. Via een buizensysteem in de weg, waardoor meestal water gepompt wordt, wordt deze warmte onttrokken aan het asfalt. In de winter kan het wegdek of een andere warmtevrager worden verwarmd. Dan wordt water (opgeslagen in de zomer) (Figuur 3.7) door het systeem gecirculeerd en wordt koude aan het wegdek onttrokken. Hierdoor ontdooit de weg.
Figuur 3.7
De werking (links) en foto (rechts) van een asfalt- of wegcollector.
Voor zonthermische krachtcentrales of Concentrated Solar Power (CSP) worden naast parabolische buis collectoren ook zonnetorens gebruikt. Het zonlicht wordt via een groot aantal spiegels geconcentreerd in een ontvanger die in een toren is geplaatst (Figuur 3.8). Het temperatuurniveau kan tot 1000°C oplopen.
ECN-E--07-108
13
Figuur 3.8
3.2
De werking (links) en foto (rechts) van een CSP zonnetoren.
Warmteopslag
In de industrie is continuiteit van warmte en koude levering belangrijk. Zodoende is warmteopslag veelal noodzakelijk, maar soms is alleen het rendement van het systeem gebaat bij opslag. De meeste opslag systemen zijn gebaseerd op water. De capaciteit wordt bepaald door het volume en het temperatuurniveau van de opslag. Warmteopslag is een belangrijk onderzoekthema met als doel meer thermische energie op te slaan in een kleiner volume met minder warmteverlies voor een lagere prijs. Alternatieven voor water worden gezocht in fase transformatie materialen (PCM’s) en thermo-chemische opslagsystemen (Weiss, 2006).
3.3
Koudeproductie
Er zijn drie hoofdtypen warmte aangedreven koelsystemen. Allen maken gebruik van drie temperatuurniveaus. Een hoog temperatuur niveau voor de aandrijving / regeneratie. Een lage temperatuur waarop het koelproces verloopt. En een midden temperatuur waarmee de condensatie warmte en de aandrijfwarmte wordt afgevoerd. Een absorptiekoelmachine heeft een relatief hoog temperatuurniveau als bron nodig. Een adiabatische koeler kan juist met een heel lage temperatuur uit de voeten. Een adsorptiesysteem zit hier tussen in (Figuur 3.9).
Figuur 3.9 Relatie temperatuurniveau collector en het rendement van de collector. Tevens is weergegeven welke combinatie van koelmachine en type collector noodzakelijk is. (Weiss, 2006)1 1
Oorspronkelijke bron: Hans Martin Henning, Fraunhofer ISE, Freiburg.
14
ECN-E--07-108
3.3.1 Absorptie koelmachine Een thermische compressie vervangt de mechanische compressor van een koelmachine. Dit wordt bereikt door een vloeibare koelvloeistof / sorbent oplossing (bv. H2O/LiBr oplossing) te verwarmen waarbij water uit de oplossing in een condensor wordt afgevoerd. Na regeneratie wordt de oplossing afgekoeld waarbij water wordt aangetrokken uit een verdamper die koude produceert door water te verdampen onder lage druk. De oplossing wordt continu door de generator en de absorber gepompt (Figuur 3.10). Een typische COP bedraagt 0.6 tot 0.8 waarbij de aandrijftemperatuur boven de 80°C ligt. Een dubbel effect machine kan de COP verhogen naar 1.2 met een aandrijftemperatuur boven de 140°C.
Figuur 3.10
Werkingsprincipe absorptie koelmachine
3.3.2 Adsorptie koelmachine Dit systeem is vergelijkbaar met een absorptiemachine waarbij de vloeibare oplossing vervangen wordt door een vaste sorbent (bv. silica gel). Het koelmiddel is veelal water. Er zijn nu twee reactoren die afwisselend regeneren en sorberen waarbij respectievelijk warmte wordt toegevoerd en afgevoerd. Het regenerende sorbent voert het koudemiddel af wat in de condensor wordt gevangen. Tijdens sorberen wordt koudemiddel aangetrokken die onder lage druk verdampt en warmte onttrekt uit de verdamper (Figuur 3.11 ). De aandrijftemperatuur ligt rond de 80°C (met 60° als minimum) met een COP in de orde van 0.6. Het systeem is robuust en heeft een minimum aan elektriciteit nodig. Aan het einde van het hoofdstuk wordt kort de karakteristieken van een systeem gegeven in een Griekse cosmetica fabriek.
Figuur 3.11
Werkingsprincipe adsorptie koelmachine
ECN-E--07-108
15
3.3.3 Adiabtische of (in)directe verdampingskoeling Het principe maakt gebruik van lucht die bevochtigd wordt waarna verdamping van het vocht warmte uit de lucht onttrekt. Er bestaan systemen met roterende ontvochtigingswielen (Figuur 3.12) en met vaste warmtewisselaars. Bij deze laatste stroomt aan beide zijden lucht. De warmtewisselaar wordt bevochtigd aan de zijde van de secundaire luchtstroom. Verdamping van dit water onttrekt warmte via de warmtewisselaar aan de primaire lucht. De secundaire stroom voert de vochtige lucht af. Dit is een voorbeeld van indirecte verdampingskoeling.
Figuur 3.12
Werkingsprincipe adiabatische koelmachine
Voorbeeld systeem: Locatie: Oinofita Viotias – Griekenland Collector oppervlak: 2700 [m²] Collector type: selectieve vlakke plaat Warmteoverdracht medium: water (geen glycol) Koelers: 2 adsorptie koelers van 350 kW elk en 3 compressie koelers van 350 kW elk Temperatuur: warmtebron 20-90°C Toepassing: Cosmetische industrie 3 Opslag: 6 m Jaar ingebruikname: 1999
16
ECN-E--07-108
4.
Toepassingen in de industrie
In Nederland is nog steeds maar één grootschalige toepassing bekend van thermische zonenergie in de industrie. In 1997 is bij de van Melle fabriek in Breda een grote zonneboiler aangelegd met een collectoroppervlak van 2400 m2 en een opslagvolume van 95 m3 (Figuur 4.1). De snoepfabrikant van Melle kan 20 % van de proceswaterbehoefte dekken met de door de zon opgewekte warme water (80°C).
Figuur 4.1 Collectoren op het dak van de Nederlandse fabriek van Melle Het aantal zon thermische systemen in de Europese industrie is met 84 stuks relatief nog beperkt (Figuur 4.2), maar gemiddeld significant hoger dan in Nederland. In de industrie zijn echter voldoende toepassingen die lage temperatuur warmte vereisen. Dit geldt vooral voor de voeding en drankindustrie, de textiel en in mindere mate in de chemie (Tabel 4.1). Tabel 4.1 Overzicht industriële sectoren met processen en het temperatuurniveau waar zonthermie ingezet kan worden (Battisti, 2006) Industriële sector
Proces
Voeding & drank
Drogen Wassen Pasteurisatie Koken Sterilisatie Warmte behandeling Wassen Bleken Verven Koken Destillatie Diverse Voor verwarmen ketelwater Verwarmen of productie
Textiel
Chemie
Overige sectoren
ECN-E--07-108
Temperatuur [°C] 30 40 80 95 140 40 40 60 100 95 110 120 30 30
-
90 80 110 105 150 60 80 100 160 105 300 180 100 80
17
Aantal
Vermogen 10
25
8
Aantal systemen
7 6
15
5 4
10
3 2
5
Thermisch vermoge (MW-th)
9 20
1 Ch em ie O ve O rig nt zil e tin g wa te r
Tr an M sp ou or t tu itr us tin g
Te xt ie l Le er lo oi en
Pa pi er
0 Dr an k
Vo ed in g
0
Figuur 4.2 Aantal en vermogen van zon thermische systemen in de Europese industrie (Battisti, 2006) In Duitsland heeft de firma Festo AG & Co uit Esslingen-Berkheim plannen voor de realisatie van de grootste zon-aangedreven adsorptie koelsysteem van Europa (3x500 kW) in haar technologiecentrum (Figuur 4.3). Het collector oppervlak zal bestaan uit 1218 m2 vacuümbuizen gekoppeld aan twee opslagbuffers van 7 m3. Festo wil hiernaast in staat zijn om de restwarmte van compressoren in te kunnen zetten. De universiteit van Offenburg voert een monitoring programma van o.a. dit project uit met als doel het aandeel zonnewarmte in de industrie in de toekomst te kunnen verhogen.
Figuur 4.3 Foto van het technologiecentrum van Festo
18
ECN-E--07-108
5.
Statistiek, potentie, trends en barrieres
5.1
Statistiek
Zonnewarmte is qua vermogen de belangrijkste duurzame energiebron van Europa (Figuur 5.1). Wel ligt de benutting veel lager dan van wind en geothermie. Zonnewarmte vindt haar toepassing hoofdzakelijk in de gebouwde omgeving en in iets mindere mate in de utiliteitsbouw. In Nederland levert actieve thermische zonne-energie een zeer bescheiden bijdrage in het totale aandeel duurzame warmte. Vooral biomassa (hout) en afval hebben een grote bijdrage (Figuur B.1). Een volledig overzicht van de Nederlandse situatie is beschreven in Bijlage B. Geinstalleerd vermogen [GW] Opwekking 2005 [TWh] Benutting [%]
Elektrisch
Geinstalleerd vermogen [GW] / Opwekking [TWh]
140 120
115
70%
66%
120
60%
100
50%
80
68
60
40% 60
58
30% 30%
23%
40 20
20% 10
7%
4
11% 4
0.5 1.3
0
Benutting [%]
Thermisch
10% 0%
Zonne warmte
Wind
Geothermie
PV
CSP
Figuur 5.1 Verdeling duurzame energie Europa naar type bron (Weiss, 2006a) Terwijl in Europa een stormachtige groei van thermisch zonne-energie plaats vindt (in 2006 46%) (ESTIF, 2007a), is er in Nederland in 2006 een negatieve groei van zonne-energie (zie Bijlage C).
5.2
Potentie & prognose
Volgens opgave van de IEA (IEA, 2005) is er een wereldwijde potentie voor de inzet van zonne-energie in de industrie van 2,5 tot 3%. Hierbij is het huidige zon aangedreven procesvermogen van 27 MWth echt verwaarloosbaar. Echter wordt door Battisti de potentie in 2020 voor de Nederlandse industrie nog slecht op een half procent ingeschat (Battisti 2006). Hoe Basttisti aan deze waarde komt viel niet te achterhalen. Holland Solar, de Nederlandse branche organisatie voor zonne-energie, verwacht echter in 2030 slechts 0,6 PJ/jr2 opbrengst in de industrie. Nog ruim een factor 3 lager. De potentie ligt echter op 5 PJ/jr (Holland Solar, 2007). Ecofys beschrijft dat zonthermische inzet voor droogprocessen wel kosteneffectief is met een geschat potentieel van 0,2 PJ/jr (Harmsen, 2007).
2
De 0,6 PJ/jr komt overeen met een opgesteld vermogen van 0,3 GWth en een oppervlak van 428.000 m2 = 0,43 km2 collector.
ECN-E--07-108
19
Tabel 5.1 Historie en potentie in Europa van thermische zonne-energie in de industrie (IEA, 2007) 20054 Okt. 2006 Potentie4 2001 Najaar 20033 Aantal industriële toepassingen 85 78 84 Thermisch vermogen MWth 27,0 - industrie 92.000 24,7 23,8 112.000 - totaal (alle sectoren) 70.000 115.000 Collector oppervlak m2 - industrie 38.500 35.700 3.991 160.000.000 - totaal (alle sectoren) 164.100.000 Afzet ontwikkeling [m2/jr] 10.000.000 1.000.000
Nieuwbouw
Bestaande bouw
Utiliteit
Industrie
Opgesteld vermongen [GWth] 100,00 Woningbouw
Utiliteit
Industrie
Totaal
10,00
100.000 1,00
10.000 0,10
1.000 100
0,01
2005
2015
2030
2050
2005
2015
2030
2050
Potentieel
Figuur 5.2 Afzetprognose Nederlandse thermische zonnecollector markt. Let op: logaritmische schaal! (Holland Solar 2007a) Tabel 5.2 Europese potentie van thermische zonne-energie in de industrie in 2020 (Battisti, 2006) Eind Warmte verbruik vraag Potentie studie 2020 industrie industrie Potentie zonne proces warmte Oostenrijk Italie Nederland Spanje Portugal Duitsland EU 15 EU 25
PJ/jr 297 1653 573 1175 243 2416 11372 12964
PJ-th/jr 220 1136 425 840 184 1575 7880 9145
PJ/jr TWh-th/jr % x106 m2 5,4 1,5 2,5% 4,3 32 8,8 2,8% 14,3 1,95 0,5 0,5% 1 17 4,7 2,0% 10 4 1,1 2,2% 2,5 50 13,8 3,2% 35 199 54,8 2,5% 138 230 63,4 2,5% 160
GW W/m2 3 698 10 699 0,7 700 7 700 1,7 680 24,5 700 97 703 112 700
Wordt gekeken naar het zonaanbod in Europa, dan zou de potentie in Nederland vergelijkbaar moeten zijn met landen als België, Denemarken en Duitsland (zie Bijlage A). Qua aandeel warmtevraag op het totale finale eindverbruik in de industrie (425 : 573 PJ/jr), zou Nederland zelfs een meer dan gemiddelde potentie hebben. Een wereldwijde prognose is recent gegeven door Greenpeace. Zij vergelijken hun eigen 'energy [r]evolution’ met een referentie scenario. In beide scenario’s gaat duurzame warmte 10.000 PJ per jaar bijdragen, die hoofdzakelijk lokaal wordt opgewekt. In hun eigen scenario gaat duurzame energie in 2050 26% van de totale warmtevraag bijdragen. Energie efficiëntie is nog be3 4
Bron: Newsletter No. 2, December 2005 Bron: Werner Weiss, Task 33/IV Industry Workshop, Lissabon - October 13, 2006.
20
ECN-E--07-108
langrijker met 35% (Figuur 5.3). Technisch kunnen we echter nu al bijna zes keer de wereldwijde energievraag dekken met inzet van duurzame bronnen (Bijlage D).
Figuur 5.3 Links: Prognose van wereldwijde warmte vraag volgens het ‘energy [r]evolution’ scenario. Duurzame warmte gaat 26% van de totale warmtebehoefte bijdragen. Rechts: Aandeel industrie in totale warmtevraag (Greenpeace & EREC, 2007) De IEA (IEA / RETD, 2007) schat dat in 2005 wereldwijd reeds 200-220 PJ per jaar aan zonnewarmte wordt geproduceerd. Dit betreft de totale waarde voor zowel gebouwde omgeving, utiliteit als industrie. De industriële warmtemarkt is interessant aangezien 30% van het eindgebruik in de EU door de industrie wordt gebruikt waarvan weer tweederde voor warmte (IEASHC, 2007). De verwachting volgens deze studie is dat de prijs van warmteproductie in de toekomst daalt met 42% van gemiddeld 52 euro/GJ in 2005 tot 30 euro/GJ in 2030. De prijs van zon aangedreven koeling daalt met 44% nog iets sterker van gemiddeld 66 euro/GJ in 2005 tot 37 euro/GJ in 2030.
5.3 • • •
• •
Trends
Sterke groei (47%) nieuw geplaatste collectoren in Europa. In Nederland juist een negatieve groei. Plaatsing van hoofdzakelijke kleine systemen (A ≤ 6 m2). Sterk toegenomen belangstelling thermisch zonne-energie in beleidstukken en studies Sterke toename airconditionings installaties (Bertoldi en Atanasiu, 2007). Het gaat hierbij met name om de gebouwde omgeving en vooral in Zuid Europese landen. In 2004 bedroeg het energieverbruik van (kleinschalige) airconditionings installaties 1% (=7-10 TWh-elek). Deze waarde lijkt erg laag in vergelijking met waarden in China waar het halve elektriciteitsverbruik in de zomer wordt ingezet ten bate van compressie koelers (Hoegaerden, 2007). Sterke groei aan bedrijfsterreinen. Ruimtegebrek voor plaatsen collectoren lijkt zeker geen kwestie. Zeker met de enormie potentie aan dakoppervlak van bedrijfshallen. Energie maatschappijen investeren hoofdzakelijk in wind energie. NUON heeft sinds 2004 volledig haar investeringen in zonne-energie stopgezet (NUON, 2007). Echter heeft NUON plannen voor de bouw van een zonne-eiland bij Almere met 6900 m2 collectoroppervlak voor collectieve verwarming van nieuwbouw woningen.
5.4
Barrières
Door de ESTIF worden onderstaande barrières genoemd (Weiss, 2006): • Onbekend maakt onbemind. Dit geldt in de industrie voor duurzame warmtesystemen. Dit staat grootschalige acceptatie en introductie van zonne-energie in de weg. • Er wordt in de industrie vooral voor bewezen techniek gekozen. De angst voor vertraging of productie onderbreking is belangrijker dan onzekerheid over toekomstige brandstofprijzen.
ECN-E--07-108
21
• • •
Duurzame energie heeft een hoge initiële investering, maar lagere operationele kosten. Voorlopig is een korte terugverdientijd alles bepalend. Collectoren voor de middentemperatuur zijn niet of nauwelijks commercieel beschikbaar. Gebrek aan voorlichting en training.
Verder wordt genoemd voor de trage introductie in de industrie: • Bij toepassing duurzame warmte wordt restwarmte voor lagere temperatuur warmtevraag (< 90°C) eerder ingezet dan zon-thermische systemen. • Gebrek aan warmtedistributie systemen. Nieuwe distributienetten vergen relatief hoge investeringen. • Te hoge kosten van warmteopslagsystemen (voor seizoensopslag). Simona Ottavia Negro schrijft in haar promotierapport dat het Nederlandse duurzame energiebeleid wispelturig5 en risicomijdend is (Negro, 2007). Onderzoek wordt te snel stopgezet als een technisch probleem niet op korte termijn kan worden opgelost.
5.4.1 Zonnewarmte aangedreven koelers Door de snel stijgende koelvraag zijn zon aangedreven koelmachines zeer aantrekkelijk. Een sterke stijging van primair energieverbruik blijft dan beperkt en de belasting van het elektriciteitsnet gedurende tropische dagen blijft zodoende controleerbaar. De koelvraag verloopt verder parallel met het zonaanbod. Zonnekoelsystemen zijn echter niet of nauwelijks commercieel verkrijgbaar op de schaal van huishoudens / utiliteitssector. Ook een goede afvoer van (condensatie)warmte naar de omgeving is moeilijk. De inzet van een natte koeler is ongewenst. Tenslotte zijn de kosten nog te hoog in vergelijking met compressie koelssytemen (Weiss, 2006a).
5
De schrijfster doelt hiermee op de fout in het stimuleringssysteem voor duurzame energie waardoor de import van groene stroom voordeliger was dan productie in Nederland. Dit leidde tot veel import van duurzame energie en weinig nieuwe projecten in Nederland. In 2003 herstelde de overheid dit manco en introduceerde een systeem van terugleververgoedingen dat een markt creëerde voor duurzame energie. Dit resulteerde snel in nieuwe projecten en installaties. In 2005 en 2006 besloot de overheid echter dat nieuwe biomassa-installaties niet in aanmerking kwamen voor terugleververgoedingen, met als gevolg dat alle nieuwe en toekomstige plannen voor projecten in de wacht kwamen te staan.
22
ECN-E--07-108
6.
Conclusies en aanbevelingen
6.1
Conclusies
Zonthermische energie in de industrie heeft potentie (2 PJ) (Battisti, 2006), maar brede toepassing lijkt in Nederland nog ver weg. Een voorbeeld hiervan is dat Ecofys deze vorm van duurzame warmte en koude niet eens als optie voor de industrie meeneemt. Europees gezien zijn er echter meer gerealiseerde toepassingen en wordt er serieus studie verricht naar industriële zonthermische systemen. Er moet nog een transformatieslag komen van toepassing van zonnewarmte in de gebouwde omgeving en utiliteitsbouw richting de industrie. Op korte termijn zal vooral de inzet van restwarmte de implementatie van zonnewarmte verdringen.
6.2
Aanbevelingen
Ter bevordering van de inzet van zonnewarmte in de industrie wordt aanbevolen: • Het opzetten van demonstratie projecten om ervaring en vertrouwen in de technologie te vergroten. Hierbij kan worden gedacht aan toepassingen voor alleen lage temperatuur warmte gebruik waarbij de nadruk ligt op schaalvergroting en kostenreductie. Verder zou gedacht kunnen worden aan een toepassing voor koeling van een bedrijfsruimte / seizoenproduct. • R&D om de winstgevendheid van duurzame warmte / zonne-energie te vergroten; de ontwikkeling van midden temperatuur collectors. • Interesse van energie distributie en/of productie bedrijven krijgen om duurzame warmte en koude als product aan te bieden. Hiermee wordt het risico van langere terugverdientijd verschoven. • (Beleidsmatig) aansturen op gebruik gas alleen voor hoge exergetische inzet en hoge betrouwbaarheids levering. (van Hoegaerden, 2007) • Zonnewarmte inzetten in processen of configuraties waar de toegevoegde waarde (i.e. de prijs van warmte) groot is. Een voorbeeld: als peakshaver in een proces dat meer energie vraagt wanneer de zon schijnt (waterijsjesfabriek) en waardoor bepaalde extra investeringen vermeden kunnen worden. • Door het toepassen van een systeembenadering op processen en functies in de industrie neemt het aantal zonne-warmte aangedreven toepassingen toe. Hierbij wordt gedacht om het temperatuurniveau van warmtetransport systemen te verlagen tot net boven het temperatuurniveau van het proces / functie. Ook integratie van proces en collector is mogelijk zodat geen transportverliezen optreden.
ECN-E--07-108
23
Organisaties CBS, Centraal Bureau voor de Statistiek, www.cbs.nl. Copernicus Institute for Sustainable Development and Innovation, Department of Science, Technology and Society, Utrecht School of Applied Science, Utrecht University, www.energyscience.uu.nl. Ecofys, onderzoek- en adviesbureau voor energiebesparing en duurzame energietoepassingen, Utrecht, http://www.ecofys.nl. EREC, European Renewable Energy Council ESTIF, European Solar Thermal Industry Federation, www.estif.org. Greenpeace, een internationale milieuorganisatie die door onderzoek, overleg en acties werkt aan een duurzaam evenwicht tussen mens en milieu, http://www.greenpeace.nl. Holland Solar, de Nederlandse branchevereniging voor zonne-energie, www.hollandsolar.nl. IEA-SHC, International Energy Agency - Solar Heating & Cooling Programme IES, Institute for Environment and Sustainability, http://ies.jrc.cec.eu.int/ IDET, Informatiecentrum duurzame energie technieken, www.idet.nl. ILK Dresden, Institut für Luft-und Kältetechnik, www.ilkdresden.de. Joanneum research, Institut für Nachhaltige Techniken und Systeme, Forschungsbereich Nachhaltige Techniken, www.joanneum.at/nts. KNAW, Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, http://www.knaw.nl. KNMI, Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut, www.knmi.nl. ODE, Organsiatie Duurzame Energie, www.duurzameenergie.org. RETD, Renewable Energy Technology Deployment, www.iea-retd.org Stichting DE Koepel, Belangenorganisatie voor Duurzame Energie, http://www.dekoepel.org/.
24
ECN-E--07-108
Referenties Referenties oplopende gesorteerd op datum. Joanneum research, Folder Solare Prozesswärme, www.joanneum.at/nts. IEA, Picture Overview SolarHeat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, www.styrian-promise.at/uploads/Picture_Overview.pdf . BestuursAkkoord Nieuwe Stijl (BANS) (2002), Zonnewarmte Menu kaart, voor een slimme invulling van het gemeentelijke klimaatbeleid / gemeentelijke menukaart klimaatbeleid, http://horus.buronetwerk.nl/~hollandsolar/zwmenukaart/bedrijven.php, juli 2002. Stichting DE Koepel (2004), Oranje voor Groen, nieuw elan voor duurzame energie: van “kostenpost” naar economische kans, juli 2004. IEA (2004), Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling - Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Newsletter No. 1, December 2004. EUROPEAN COMMISSION, (2005), Directorate-General for Energy and Transport, Sustainable Energy Europe 2005-2008, A European campaign to raise awareness and change the landscape of energy, ISBN 92-894-9379-8, www.sustenergy.org. Werner Weiss (2005) (AEE INTEC), Matthias Rommel (Fraunhofer ISE), Medium Temperature Collectors, Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling - Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Subtask C, May 2005. IEA (2005), Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling - Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Newsletter No. 2, December 2005. Werner Weiss (2006), Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Industry Workshop, Rome - March 31, 2006. ESTIF (2006), Solar Assisted Cooling, State of the Art, European Solar Thermal Industry Federation, 23-08-2006 Werner Weiss (2006a), Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Industry Workshop, Lissabon - October 13, 2006. Riccardo Battisti (2006), Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Industry Workshop, Lissabon - October 13, 2006. Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS), (2006), Duurzame Energie in Nederland 2005 Voorburg / Heerlen, november 2006. NUON Duurzaamheidsverslag 2006, Amsterdam 2007, www.nuon.com. Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) (2007), Verkenningscommissie energieconversieonderzoek, Duurzaamheid duurt het langst, Onderzoeksuitdagingen voor een duurzame energievoorziening, Amsterdam, 2007 Simona Ottavia Negro (2007), Dynamics of Technological Innovation Systems : The case of biomass energy, Doctoral thesis, Utrecht University, 2007. P. Bertoldi en B. Atanasiu (2007). IES, Electricity Consumption and Efficiency Trends in the Enlarged European Union: Status Report 2006, EUR 22753EN, 2007. Mathias Safarik (2007), Solare Klimatisierung, Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden GmbH, Baufachmesse Haus 2007, Dresden
ECN-E--07-108
25
IEA (2007), Solar Heat for Industrial Processes, IEA Solar Heating and Cooling - Task 33 / IEA SolarPACES - Task 4, Newsletter No. 3, January 2007. EUROPEAN PARLIAMENT (2007), Renewable Energy Road Map, Renewable energies in the 21st century: building a more sustainable future, Brussels, COM(2006) 848 final, 10.1.2007. Bundesministerium für Umwelt (2007), Naturschutz und Reaktorsicherheit, BMU-Newsletter zur Forschung im Bereich erneuerbarer Energien, Ausgabe 1/2007 vom 13, Februar 2007. Hans Martin Henning (2007), Solar Cooling and Air Conditioning, ESTIP / Fraunhofer-Institut fur Solare Energie Systeme ISE, Renewable Energy Week, Brussel, Jan/Feb 2007. European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) (2007), Solar Thermal Action Plan for Europe (STAP), February 2007 Holland Solar (2007), Zonne-energie - Feiten en cijfers, maart 2007. Holland Solar (2007a), Transitiepad Thermische zonne-energie, De Roadmap van Halland Solar, maart 2007. Stichting DE Koepel (2007), Duurzame Warmte & Koude, Wij zijn er klaar voor!, Visiedocument, 22 mei 2007. European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) (2007a), Solar Thermal Markets in Europe; Trends and market statistics 2006; June 2007. 3rt European Solar Thermal Energy Conference (Estec) (2007), Freiburg, Duitsland, www.estec2007.org, 19-20 juni 2007. Vincent van Hoegaerden (2007), Ecofys, Thermische Energie uit Ondergrond, Een Gouden Kans voor Nederland, Nationale Milieudag, VVM, 22 juni 2007. Organsiatie Duurzame Energie (ODE) (2007), Zonnewarmte Nederland: hekkensluiter in Europa, www.duurzameenergie.org, 25 juni 2007. Greenpeace / European Renewable Energy Council (EREC) (2007), Energy [r]evolution, a sustainable world energy outlook, Amsterdam/Brussels, 6th July 2007. Robert Harmsen, Mirjam Harmelink (Ecofys) (2007), Duurzame warmte en koude 2008-2020: Potentiëlen, barrières en beleid, PBIONL071816, 25 juli 2007. IEA SHC (2007), Industrie Workshop IEA SHC Task 33: Solarwärme für industrielle Prozesse, www.iea-ship.org, www.iea-shc.org/task33 , www.solarpaces.org, Graz, 12 September 2007. OTTI (2007), 2nd International Conference Solar Air -Conditioning, Tarragona, Spain, October 28 th/19 th, 2007. IEA / RETD (2007), Renewables for heating and cooling, Untapped potential, november 2007. Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS), (2007), Duurzame Energie in Nederland 2006 Voorburg / Heerlen, november 2007.
26
ECN-E--07-108
Bijlage A
Instralingskaart
Figuur A.1 Potentie zonaanbod Europese landen. Gepubliceerd door IES - Institute for Environment and Sustainability gebruikmakend van Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). http://ies.jrc.cec.eu.int/ De straling die van de zon komt voorziet de aarde van een enorme hoeveelheid energie. Gemiddeld wordt op aarde jaarlijks 1700 kWh (6,1 GJ) per vierkante meter ingestraald. In Nederland is de instraling ongeveer 1015 kW/m² op jaarbasis. Met een oppervlak van 41 528 km2 levert dit bij volledige benutting 151.743 PJ op. De totale warmtevraag in Nederland bedraagt echter 1.318 PJ. Bij een collectorrendement van 60% moet dus zo'n 1,5% van Nederland bedekt worden om aan de totale warmtevraag te kunnen voldoen. Evenals bij PV panelen is ook voor een collector de hellingshoek en oriëntatie ten opzichte van de zon van belang. Aangezien de zon en de aarde draaien, verschilt de optimale situering per locatie. In Nederland wordt de maximale opbrengst op jaarbasis gehaald met een paneel dat recht op het zuiden is gericht onder een hoek van 36°. De intensiteit van de zonnestraling verandert met het uur van de dag, de tijd van het jaar en de weersomstandigheden. Om toch gemakkelijk te kunnen rekenen met gegevens over de instraling, kan de totale hoeveelheid zonne-energie worden uitgedrukt in uren volle zon per m². Als standaard wordt aangenomen dat bij ‘volle zon’ een vermogen van 1000 W per m² op het aardoppervlak wordt ingestraald. Eén uur volle zon levert dan dus als maat 1000 Wh per m² = 1 kWh/m². Een zonaanbod van één uur volle zon (dus 1 kWh/m²) komt ruwweg overeen met de zonne-energie die op een wolkenloze zomerdag op ECN-E--07-108
27
een op de zon gericht vlak valt. Het totale jaarlijkse zonaanbod in Nederland komt overeen met ongeveer 1000 uur volle zon. Met andere woorden: de gemiddelde jaarlijkse zoninstraling in ons land is circa 1000 kWh/m². In Nederland wordt 1000 kWh/m²/jaar als kengetal gehanteerd. In Nederland is het daggemiddelde 2,7 uur volle zon (2,7 kWh/m²). Dit is een gemiddelde over december (0,5 uur) tot juni (5 uur). Het verschil tussen zonne-energie-instraling in zomer en winter is dus een factor 10. Ook binnen Nederland zelf kan de zoninstraling iets variëren. De kustgebieden blijken iets meer zon te ontvangen dan de meer landinwaarts gelegen gebieden.
Figuur A.2 Instralingsdiagram Nederland (J/cm2 jaar), Gemiddelde data over tijdvak 1971-2000. Bron: KNMI
Figuur A.3 Uren zon per jaar verdeeld over Nederland, Gemiddelde data over tijdvak 1971-2000. Bron: KNMI
Figuur A.4 Instralingsdiagram Nederland (kWh / m2 jaar), Gemiddelde data over tijdvak 1971-2000. Bron:KNMI
Figuur A.5 Percentage van maximale instraling collector als functie van oriëntatie en hellingshoek
28
ECN-E--07-108
Bijlage B
CBS data (1990-2006)
Warmteproductie (TJ/jaar
73 167 421 490 563 626 698 752 787
4 9 23 27 31 35 39 42 44
Oppervlak bijgeplaatste systemen [x1000 m2]
76 162 360 416 475 524 582 620 646
Oppervlak bijgeplaatste systemen [x1000 m2]
1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Oppervlak bijgeplaatste systemen [x1000 m2]
Jaar
Aantal bijgeplaatse systemen
Vermeden emissie CO2 [kton]
Vermeden primaire energie [TJ]
Opgesteld collectoroppervlak [x1000 m2]
Tabel B.1 Opgesteld collectoroppervlak in Nederland (alle sectoren). Hiernaast de toename van het collectoroppervlak uitgesplitst naar type en grote systeem. (CBS, 2007)
Afgedekt, 2 A<6m
Afgedekt, 2 A<6m
Afgedekt, 2 A>6m
Onafgedekt
544 3375 7971 8736 10035 8385 7844 7294 5626
2 11 25 27 28 23 21 18 13
1 2 3 3 6 4 5 3 2
9 13 28 28 29 25 36 29 24
25.000
Overige bio-gas
20.000
Biogas uit rioolwaterzuiveringsinstallaties Stortgas Overige biomassaverbranding
15.000
Houtkachels bij huishoudens
10.000
Houtkachels voor warmte bij bedrijven Bij en meestoken in biomassa in centrales Afvalverbrandingsinstallaties Warmte-koudeopslag
5.000
Warmtepompen Zon-thermisch
0 1990
1995
2000
2004
2005
2006
Figuur B.1 Opgewekte hoeveelheid duurzame warmte in Nederland opgesplitst naar bron. (CBS, 2007)
ECN-E--07-108
29
30
1.120
Figuur C.2 Nieuw geplaatst collector oppervlak Europa in 2006 (ESTIF, 2007a)
ECN-E--07-108
Groot Brittanie
Slowakije
Slovenie
Zweden
Roemenie
250.920
72.750
109.300
236.929
69.100
180.950
318.441
Portugal
23.860
167.520
3.850
15.900
855.230
Polen
Nederland
Malta
Letland
Luxemburg
2.750
15.790
6.250
3.287.200
615.600
Groot Brittanie
Slowakije
Slovenie
Zweden
Roemenie
Portugal
Polen
Nederland
Malta
Letland
Luxemburg
Litouwen
Italie
Ierland
Hongarije
Griekenland
Frankrijk
Finland
Spanje
Estonia
Denemarken
Duitsland
Tsjechie
2006 nieuw
Litouwen
Italie
Ierland
Hongarije
Griekenland
16.493
702.166
362.280
8.054.000
Cyprus 2005 nieuw
Frankrijk
Finland
Spanje
Estonia
Denemarken
106.730
Zwitserland
Burgarije
Belgie
Oostenrijk
Geinstalleerd oppervlak [m2]
2004 nieuw
Duitsland
Tsjechie
560.200
Cyprus
1.000 443.548
10.000
Zwitserland
25.100
100.000
Burgarije
1.000.000 104.118
2.611.627
10.000.000
Belgie
Oostenrijk
Geinstalleerd oppervlak [m2
Bijlage C Geïnstalleerd collector oppervlak Europa
2007 nieuw voorspelling
10.000.000
1.000.000
100.000
10.000
1.000
100
10
1
Figuur C.1 Geïnstalleerd collector oppervlak Europa (ESTIF, 2007a)
2006
Bijlage D
Wereldwijde beschikbaarheid van duurzame energiebronnen
Figuur D.1 Duurzame energiebronnen op aarde (Greenpeace & EREC, 2007)
Tabel D.1 Ratio hoeveelheid vermogen die met huidige techniek wereldwijd duurzaam opgewekt kan worden tegen de huidige (warmte)vraag (Greenpeace & EREC, 2007) Totaal Zon Geothermie Wind Biomassa Waterkracht Getijden energie
ECN-E--07-108
5,9 3,8 1 0,5 0,4 0,15 0,05
31
