Auteursrechterlijke overeenkomst
Auteursrechterlijke overeenkomst
Opdat de Universiteit Hasselt uw eindverhandeling wereldwijd kan reproduceren, vertalen en distribueren is uw akkoord voor deze overeenkomst noodzakelijk. Gelieve de tijd te nemen om deze overeenkomst door te nemen, de gevraagde informatie in te vullen (en de overeenkomst te ondertekenen en af te geven).
Ik/wij verlenen het wereldwijde auteursrecht voor de ingediende eindverhandeling met
Titel: Mogelijkheden voor warmtekrachtkoppeling in de residentiële sector. Gevalstudie voor een appartementsgebouw
Richting: 3de jaar handelsingenieur - major technologie Jaar: 2008
in alle mogelijke mediaformaten, - bestaande en in de toekomst te ontwikkelen - , aan de Universiteit Hasselt.
Niet tegenstaand deze toekenning van het auteursrecht aan de Universiteit Hasselt behoud ik als auteur het recht om de eindverhandeling, - in zijn geheel of gedeeltelijk -, vrij te reproduceren, (her)publiceren of distribueren zonder de toelating te moeten verkrijgen van de Universiteit Hasselt.
Ik bevestig dat de eindverhandeling mijn origineel werk is, en dat ik het recht heb om de rechten te verlenen die in deze overeenkomst worden beschreven. Ik verklaar tevens dat de eindverhandeling, naar mijn weten, het auteursrecht van anderen niet overtreedt.
Ik verklaar tevens dat ik voor het materiaal in de eindverhandeling dat beschermd wordt door het auteursrecht, de nodige toelatingen heb verkregen zodat ik deze ook aan de Universiteit Hasselt kan overdragen en dat dit duidelijk in de tekst en inhoud van de eindverhandeling werd genotificeerd.
Universiteit Hasselt zal mij als auteur(s) van de eindverhandeling identificeren en zal geen wijzigingen aanbrengen aan de eindverhandeling, uitgezonderd deze toegelaten door deze overeenkomst.
Ik ga akkoord,
XXXXXXX, Xxxxx Datum: 5.11.2008
Mogelijhheden voor warmtehrachthoppeling in de residentiële sector
Gevalstudie voor een appartementsgebouw
Xxxxx XXXXXXX
promotor :
Xxxx.xx.xx Xxxxx XXXXXXX
Eindverhandeling voorgedragen tot het bekomen van de graad handelsingenieur major technologie
Woord vooraf
Deze eindeverhandeling vormt het sluitstuk van mijn opleiding Handelsingenieur met als afstudeerrichting Technologie aan de Faculteit TEW van de Universiteit Hasselt. Gezien deze opleiding en mijn sterke interesse in het energievraagstuk, heb ik gekozen voor “Warmtekrachtkoppeling in de residentiële sector” als onderwerp voor deze eindverhandeling. Dit werkstuk is mede kunnen slagen door de medewerking en hulp van een aantal personen. Deze zou ik dan ook graag langs deze weg willen bedanken voor hun tijd en medewerking.
In de eerste plaats wens ik mijn promotor, prof. xx. xx. Xxxxx Xxxxxxx, te bedanken voor zijn uitstekende begeleiding en advies bij het uitwerken van deze eindverhandeling. Zijn deskundigheid en zijn opmerkingen vormden hierbij een extra stimulans om deze opdracht tot een goed einde te brengen. Verder wens ik ook COGEN Vlaanderen te bedanken voor het aanreiken van de interessante gevalstudie en voor het verschaffen van informatie. Aangezien ik voor de uitwerking van de gevalstudie heb kunnen samenwerken met twee studenten Industrieel ingenieur van de XIOS Hogeschool Limburg, wens ik ook graag Xxxxxx Xxxxxx en Xxxxxxx Xxxxx te bedanken voor hun goede samenwerking. Ook de firma Ineltra Systems te Genk zou ik willen bedanken voor hun tijd en raadgevingen. Tenslotte wens ik ook mijn ouders te bedanken voor hun uitgebreide steun gedurende mijn studies.
Diepenbeek, mei 2008 Xxxxx Xxxxxxx
Samenvatting
Duurzame ontwikkeling is een belangrijk aandachtspunt geworden in onze maatschappij. Het betekent dat we een bepaald welvaartsniveau willen bereiken waarbij we het welvaartsniveau van de toekomstige generaties zo weinig mogelijk hypothekeren. Dit kunnen we onder meer doen door onze energie duurzaam te produceren. Naast hernieuwbare energie, zoals zonne- energie, windenergie of waterkracht, kan ook warmtekrachtkoppeling (WKK) bijdragen aan een duurzamere energieproductie. WKK is een technologie waarbij warmte en elektriciteit gelijktijdig opgewerkt worden door één machine.
Een warmtekrachtkoppeling kan verschillende voordelen hebben op energetisch en ecologisch gebied. Het belangrijkste voordeel is de mogelijkheid om brandstof te besparen in vergelijking met een referentietechnologie. Als referentie kiest men meestal voor een stoom en gas centrale (STEG) en een hoogrendementsketel (Hr-ketel). Deze brandstofbesparing heeft ook als gevolg dat er minder schadelijke uitlaatgassen (CO, NOx, SO2, roet,…) en minder CO2 uitstoot (Kyoto, opwarming van de aarde) in de atmosfeer terecht komen. Daarnaast presteert een warmtekrachtkoppeling in termen van exergetisch rendement steeds beter dan een Hr-ketel. Bij een Hr-ketel wordt warmte op hoge temperatuur enkel gebruikt om ruimtes te verwarmen op 22°C, waardoor er grote exergieverliezen optreden. Bij een WKK wordt tijdens deze degradatie echter ook mechanische energie geproduceerd die via een alternator wordt omgezet in elektrische energie.
Naast deze voordelen zijn er nog redenen die pleiten voor het gebruik van warmtekrachtkoppeling. Onder meer door de reeds aangehaalde brandstofbesparing, maar ook door de vermindering van transportverliezen op het elektriciteitsnet (8 à 10%), kan een WKK een vermindering van de externe kosten bewerkstelligen. Deze mogelijke vermeden externe kosten hangen echter sterk af van de gehanteerde referentietechnologie. Vergeleken met een klassieke steenkoolcentrale zonder rookgasreiniging kunnen de vermeden externe kosten oplopen tot ongeveer 90 EUR/MWhe. In vergelijking met de klassieke steenkoolcentrales met rookgasreiniging bedragen de vermeden externe kosten maximaal 24 EUR/MWhe. Interessanter wordt het wanneer we een STEG installatie beschouwen. Hier speelt de gekozen WKK technologie namelijk een belangrijke rol. Een warmtekrachtkoppeling met turbines kan nog steeds externe kosten vermijden tot een bedrag van 3 EUR/MWhe. Dit in tegenstelling tot een warmtekrachtkoppeling met motoren die zelfs meer externe kosten veroorzaakt dan een STEG.
Een volgende reden om WKK aan te moedigen is de toekomstvisie. We kunnen verwachten dat de WKK technologie in de toekomst door ontwikkeling goedkoper zal worden en de energieprijzen duurder zullen worden. Daarnaast is er ook de transgenerationele solidariteit.
Dankzij de brandstofbesparing moeten we nu minder primaire energie gebruiken en verbranden, waardoor de atmosfeer minder vervuild geraakt voor toekomstige generaties. Ook zullen zij langer van de eindige fossiele reserves kunnen genieten wat hun comfortniveau ten goed komt. Er zijn ook nog multiplicator effecten die het gebruik van WKK aanmoedigen. Een eerste is het economisch multiplicatoreffect: het gebruik van WKK kan bijkomende economische activiteit doen ontstaan (bv onderhoudsfirma’s). Wanneer er meer geïnvesteerd wordt in WKK technologieën kunnen ook andere technologieën zich sneller ontwikkelen. Dit is het technologisch multiplicator effect. Een derde effect is het sociaal multiplicator effect. Dit betekent onder andere dat de bijkomende economische activiteit extra werkgelegenheid en dus ook ‘arbeidsgeluk’ zal creëren. Omdat WKK een decentrale manier is van energieproductie, betekent het gebruik ervan ook nog een gedeeltelijke ontlasting van het elektriciteitsnet.
Warmtekrachtkoppeling kent ook een aantal nadelen en belemmeringen. Zo zijn de investeringskosten van een WKK veel hoger dan deze van een Hr-ketel. Ook de bedrijfszekerheid, de geluidshinder en de synchroniteit tussen warmtevraag en elektriciteitsvraag zijn nadelen die zeker ook in de residentiële sector een rol spelen. Daarbij komt ook de onzekerheid over de evolutie van de energieprijzen. En onzekerheid is niet bevorderlijk voor de implementatie van WKK.
Er bestaan verschillende technologieën die gebruikt kunnen worden voor een warmtekrachtkoppeling. Voor de grotere installaties wordt meestal gekozen voor de turbinetechnologie. Dit zijn dan stoomturbines, gasturbines of een gecombineerde cyclus van een stoom- en gasturbine (STEG). Deze worden vooral in de industrie toegepast. De meest aangewende technologie voor kleinere vermogens is de interne verbrandingsmotor. Dit is voorlopig ook de enige technologie die gebruikt kan worden in residentiële toepassingen. Er zijn ook een aantal beloftevolle technologieën. Zo zijn er de microturbines, de Stirlingmotoren en de brandstofcellen waarvan men verwacht dat ze binnen enkele jaren kunnen doorbreken.
Om het gebruik van WKK te bevorderen kunnen de overheden op verschillende niveaus diverse methoden toepassen. Een eerste mogelijkheid is informeren. Hierbij denken we aan de overheidsfinanciering voor COGEN Vlaanderen. Een tweede manier is het financieel steunen van onderzoek en ontwikkeling. Een derde mogelijkheid is het invoeren van een systeem van benchmarking met betrekking tot het energieverbruik. Een vierde mogelijkheid is het opstellen van wettelijke verplichtingen met betrekking tot de energieproductie. Hier denken we aan de warmtekrachtcertificatenverplichting voor elektriciteitsleveranciers. Een vijfde methode is het financieel stimuleren van WKK door eigenaars de mogelijkheid te bieden om hun warmtekrachtcertificaten te verkopen. In 2007 bedroeg deze steun ongeveer 41,55 EUR/MWhe. De brandstofbesparing ligt aan de basis van deze certificatensteun. Het is hierbij belangrijk om
op te merken dat deze steun zowel beperkt is in de tijd als degressief daalt in de tijd, dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld de steun aan zonne-energie.
Uit de gevalstudie van een appartementsgebouw blijkt dat onder de huidige omstandigheden het gebruik van warmtekrachtkoppeling met gasmotoren economisch interessant kan zijn. Aangezien de toekomstige energieprijzen moeilijk te voorspellen zijn, wordt er gewerkt met verschillende scenario’s voor de energieprijzen. Ook voor de WKC prijzen worden er scenario’s opgesteld. Dit maakt de economische analyse wel interessanter, maar ook complexer. Zo blijkt dat een dimensionering op elektriciteitsvraag minder gevoelig is voor deze scenario’s van een dimensionering op warmte. Een eerste oorzaak hiervoor is dat een warmtegedimensioneerde installatie teveel elektriciteit produceert waardoor dit overschot verkocht moet worden tegen relatief lage prijzen. Een tweede reden is het relatief lage aantal draaiuren van deze installatie in vergelijking met een op elektriciteitsvraag gedimensioneerd systeem.
Vanuit ecologisch oogpunt (CO2-emissies) is een warmtegedimensioneerd systeem echter voordeliger. We kunnen de totale CO2 uitstoot namelijk meer reduceren door op warmte te dimensioneren. Dit is het gevolg van het feit dat een dimensionering op warmte een groter vermogen van de WKK vraagt in vergelijking met een dimensionering op elektriciteit, waar de gekozen vermogens lager liggen.
De implementatie van warmtekrachtkoppeling in appartementsgebouwen kent echter ook enkele belangrijke en specifieke moeilijkheden. Aangezien er een vrije keuze van energieleverancier bestaat heerst er onzekerheid over de afname van elektriciteit door de bewoners. Dit is echter een noodzakelijke voorwaarde aangezien verkopen aan het niet financieel interessant is. Daarnaast bestaat er ook een complexe situatie rondom de eigendom en het beheer van de (gemeenschappelijke) WKK installatie.
Inhoudsopgave
Woord vooraf I
Samenvatting II
Inhoudsopgave V
Lijst van figuren IX
Lijst van tabellen XI
1 Probleemstelling 1
1.1 Situering van het praktijkprobleem 1
1.2 De centrale onderzoeksvraag en de deelvragen 3
2 Principes van warmtekrachtkoppeling. 5
2.1 Energie 5
2.1.1 Kinetische energie 5
2.1.2 Potentiële energie 6
2.2 Eerste hoofdwet van de thermodynamica 7
2.3 Tweede hoofdwet van de thermodynamica 7
2.4 Isentropische processen 7
2.5 Exergie: de ‘kwaliteit’ van energie en anergie: de hoeveelheid ‘nutteloze’ energie 9
2.6 Prestatiemaatstaven van een warmtekrachtkoppeling 10
2.6.1 Elektrisch en thermisch rendement 10
2.6.2 Kracht-warmteverhouding 11
2.6.3 Primaire energiebesparing 11
2.6.4 Totaal energetisch rendement en brandstofbenuttigingsgraad 13
2.6.5 Exergetisch rendement 14
3 Technologieën voor warmtekrachtkoppeling 16
3.1 Stoomturbines 16
3.1.1 Tegendrukstoomturbine 18
3.1.2 Condensatieturbine met stoomaftap 18
3.2 Gasturbines 18
3.2.1 De aeroderivative gasturbine 21
3.2.2 De heavy duty gasturbine 21
3.3 Gecombineerde cyclus (STEG) 21
3.4 Motoren 22
3.4.1 Ottomotoren of gasmotoren 24
3.4.2 Dieselmotoren 25
3.5 Microturbines 25
3.6 Stirlingmotoren 28
3.7 Brandstofcellen 31
3.8 Overzicht van de verschillende technologieën 33
4 Redenen om het gebruik van warmtekrachtkoppeling te bevorderen 37
4.1 Vermeden externe kosten 37
4.2 Economische toekomstvisie. 42
4.3 Transgenerationele solidariteit 44
4.4 Technologisch multiplicator effect 46
4.5 Economisch multiplicator effect 47
4.6 Sociaal multiplicatoreffect effect 47
4.7 Sociaal effect 48
4.8 Voordelen voor nutsbedrijven 48
4.9 Netontlasting 49
5 Methoden voor de overheid om het gebruik van warmtekrachtkoppeling aan te moedigen 50
5.1 Informatie verstrekken 50
5.2 Financiële steun voor onderzoek en ontwikkeling 51
5.3 Benchmarking 51
5.4 Wettelijke verplichtingen 53
5.4.1 Warmtekrachtcertificatenverplichting voor elektriciteitsleveranciers 53
5.4.2 Verplicht haalbaarheidsonderzoek voor warmtekrachtkoppeling bij gebouwen groter dan 1000 m² 54
5.5 Financiële stimulansen 55
5.5.1 De verhoogde investeringsaftrek 55
5.5.2 De ecologiepremie. 56
5.5.3 Steun voor demonstratieprojecten 57
5.5.4 Warmtekrachtcertificaten (WKC) 58
5.5.5 Vergelijking van de certificatensteun voor warmtekrachtkoppeling en voor hernieuwbare energie 67
5.5.6 Combinatie van warmtekrachtcertificaten (WKC) en groenestroom-certificaten (GSC) voor een warmtekrachtkoppeling 69
5.6 Wallonië en Xxxxxxx 00
6 Mogelijkheden voor warmtekrachtkoppeling in de residentiële sector 72
6.1 Aandeel van de residentiële toepassingen in België 72
6.2 De residentiële sector 74
6.2.1 Trias energetica 74
6.2.2 Technologieën 75
6.2.3 Haalbaarheid 75
6.2.4 Lawaai en trillingen 76
6.2.5 Synchroniteit tussen elektriciteits- en warmtebehoefte: buffering 77
6.2.6 Netkoppeling 79
6.3 Vergelijking van de residentiële sector met de tertiaire sector 80
6.4 Toekomst 81
7 Gevalstudie voor een appartementsgebouw 82
7.1 Omschrijving van de gevalstudie 82
7.2 Aanpak van de haalbaarheidsstudie 82
7.3 Technische dimensionering 83
7.3.1 Warmtevraag 83
7.3.2 Elektriciteitsvraag 84
7.3.3 Jaarbelastingsduurcurve van de warmtevraag (jbdc) 84
7.3.4 Keuze van de geschikte technologie 85
7.4 Dimensionering op warmtevraag 86
7.4.1 Keuze van de geschikte warmtekrachtkoppeling 87
7.4.2 Keuze van het alternatief 89
7.4.3 Reductie van de CO2-uitstoot 90
7.5 Dimensionering op elektriciteitsvraag 91
7.5.1 Keuze van de geschikte warmtekrachtkoppeling 91
7.5.2 Keuze van het alternatief 93
7.5.3 Reductie van de CO2-uitstoot 94
7.6 Opstellen van het economisch model 94
7.7 Keuze van de scenario’s voor de diverse parameters 95
7.7.1 Gas- en elektriciteitsprijzen 95
7.7.2 Warmtekrachtcertificaten 97
7.8 Economische haalbaarheidsanalyse 97
7.8.1 Dimensionering op warmte 97
7.8.2 Dimensionering op elektriciteit 101
7.8.3 Bemerkingen bij de economische analyse 104
8 Conclusies 105
8.1 Inhoudelijke conclusies 105
8.2 Aanbevelingen 109
8.3 Mogelijkheden voor veder onderzoek 109
Lijst van geraadpleegde werken 111
Lijst van bijlagen 116
Lijst van figuren
Figuur 1: Schema van een thermische arbeidsmachine 8
Figuur 2: Energetische balans van een warmtekrachtkoppeling en gescheiden productie 11
Figuur 3: Principeschema van een warmtekrachtkoppeling met een stoomturbine 17
Figuur 4: Schema van een warmtekrachtkoppeling met een gasturbine 19
Figuur 5: Schema van een warmtekrachtkoppeling met een gasturbine met gesloten cyclus. 20 Figuur 6: Principeschema van een warmtekrachtkoppeling met een gecombineerde cyclus 22
Figuur 7: Schema van een zuigermotor met warmteterugwinning 23
Figuur 8: Schema van een microturbine met recuperator 26
Figuur 9: Principeschema van een Stirlingmotor 28
Figuur 10: Thermodynamische processen in een ideale Stirling-cyclus (A) Druk-Volume diagram (B) Temperatuur-Entropie diagram 29
Figuur 11: Schema van een brandstofcel 31
Figuur 12: Indicatieve leercurves met verschillende leerpercentages 43
Figuur 13: Frequentieverdeling E-peil 52
Figuur 14: Evolutie van het minimum aandeel elektriciteit uit kwalitatieve warmtekrachtkoppeling voor elektriciteitsleveranciers 53
Figuur 15: Verloop van het aantal WKC in de tijd, voorbeeld 1 62
Figuur 16: Verloop van het aantal WKC in de tijd, voorbeeld 2 62
Figuur 17: Invloed van de RPE in de tijd op het aantal WKC (in %) ten opzichte van de
eerste 4 jaar 63
Figuur 18: Aantal en gemiddelde marktprijs van de verhandelde WKC 64
Figuur 19: Vergelijking van de maximale vermeden externe kosten en de minumumprijs
van de certificaten voor HE en WKK 68
Figuur 20: Vergelijking van de vermeden externe kosten ten opzichte van een STEG en de minimumprijs van de certificaten voor HE en WKK 69
Figuur 21: Verdeling volgens elektrisch vermogen van motoren over de verschillende sectoren in 2006 73
Figuur 22: Verdeling volgens elektrisch vermogen van STEG’s en gasturbines over de verschillende sectoren in 2006 73
Figuur 23: Voorbeeld van een thermisch profiel voor een schoolgebouw 77
Figuur 24: Voorbeeld van een elektrisch profiel voor een schoolgebouw 78
Figuur 25: Voorbeeld configuratie van een buffer 79
Figuur 26: Structuur van een haalbaarheidsstudie 83
Figuur 27: Maandelijkse warmtevraag voor verwarming (blok A + B) 84
Figuur 28: Jaarbelastingsduurcurve voor de warmtevraag 85
Figuur 29: Productiecurve (warmte) 86
Figuur 30: JBDC en totale warmteproductie 87
Figuur 31: Dimensionering op elektriciteit met 4 WKK's 92
Figuur 32: Mogelijke evoluties van de energieprijzen 96
Figuur 33: NCW voor de dimensionering op warmte 99
Figuur 34: Matching van het model voor de dimensionering op warmte 101
Figuur 35: NCW voor de dimensionering op elektriciteit 102
Figuur 36: Matching van het model voor de dimensionering op elektriciteit 103
Lijst van tabellen
Tabel 1: Exergetische rendementen van WKK, STEG en Hr-ketel bij veranderende
temperatuur 15
Tabel 2: Emissies van microturbines en motoren 27
Tabel 3: Voornaamste karakteristieken van de verschillende types brandstofcellen. 32
Tabel 4: Voor- en nadelen van de technologieën voor warmtekrachtkoppeling 33
Tabel 5: Technische eigenschappen van de technologieën voor WKK 34
Tabel 6: Overzicht van de typische kosten en prestatie karakteristieken 35
Tabel 7: Aandeel van de verschillende technologieën in de totale elektriciteitsproductie voor Vlaanderen 38
Tabel 8: Externe kosten voor verschillende technologieën, kengetallen voor 2002 40
Tabel 9: Vermeden externe kosten 41
Tabel 10: Overzicht van de wereldvoorraden en aantal jaren van beschikbaarheid aan fossiele en nucleaire energiebronnen 45
Tabel 11: Vlaamse referentierendementen 59
Tabel 12: Vermeden externe kosten 65
Tabel 13: Minimumprijzen voor de certificaten van HE en WKK 67
Tabel 14: Vermindering van de jaarlijkse CO2-uitstoot (warmtegedimensioneerd) 90
Tabel 15: Vermindering van de jaarlijkse CO2-uitstoot (elektriciteitsgedimensioneerd) 94
Tabel 16: Historische evolutie van de energieprijzen 95
Tabel 17: 10 scenario's voor de evoluties van de energieprijzen 97
Tabel 18: 5 scenario's voor de prijzen van de WKC 97
1 Probleemstelling
1.1 Situering van het praktijkprobleem
Duurzame ontwikkeling is niet meer weg te denken uit onze hedendaagse maatschappij. Sinds het Brundtland rapport (‘Our Common Future’) in 1987 opriep tot duurzame ontwikkeling, is de aandacht ervoor alleen maar toegenomen. Duurzame ontwikkeling betekent dat we een bepaald welvaartniveau willen bereiken waarbij we het welvaartsniveau van de toekomstige generaties zo weinig mogelijk hypothekeren. Tien jaar na dit rapport werd het Kyoto protocol opgesteld. Dit is een klimaatverdrag dat voorziet in een engagement om de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Het doel is om tegen 2012 een vermindering van 5,2% te realiseren ten opzichte van het niveau van 1990. Voor elk land verschilt dit percentage, zo moet bijvoorbeeld België een reductie van 7,5% halen. De menselijke activiteiten zorgen ervoor dat het niveau van broeikasgassen (voornamelijk koolstofdioxide) in de atmosfeer sterk toeneemt en zo het broeikaseffect versterkt. Hierdoor gaat de aarde langzaamaan opwarmen. Het effect van de opwarming van de aarde kreeg in 2006 wereldwijd veel aandacht door de film ‘An Inconvenient Truth’ van de voormalige Amerikaanse vice-president Xx Xxxx. Hiervoor kreeg hij in 2007 zelfs de Nobelprijs voor de vrede.
Duurzame energieproductie kan bijdragen aan deze duurzame ontwikkeling en de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen. Hierbij wordt meestal gedacht aan allerlei vormen van hernieuwbare technologie, zoals zonne-energie, windenergie of waterkracht. Naast deze technologieën is er ook nog een andere technologie die tegemoet kan komen aan het verbeteren van de toekomstige en ecologische belangen, namelijk warmtekrachtkoppeling (WKK). Deze techniek, die ook bekend staat onder de naam cogeneratie, converteert de (al dan niet fossiele) brandstof gelijktijdig in twee bruikbare energievormen, namelijk microscopische bewegings-energie (warmte) en macroscopische bewegingsenergie. De macroscopische bewegingsenergie komt meestal voor in de vorm van mechanische rotatie-energie die omgezet wordt in elektrische energie. Aangezien beweging een gevolg is van kracht spreken we dan ook van warmtekrachtkoppeling.
Het grote voordeel van een warmtekrachtkoppeling is de mogelijkheid om een primaire energiebesparing te realiseren. Dit wil zeggen dat er een energetisch voordeel kan worden gerealiseerd. Een warmtekrachtkoppeling kan minder brandstof nodig hebben dan een gescheiden opwekking van warmte (met een Hr-ketel) en elektriciteit (bv met een STEG) nodig hebben voor dezelfde output. Hiermee komt deze technologie dus tegemoet aan de
aangehaalde problemen. Door minder (fossiele) brandstof nodig te hebben kunnen de eindige fossiele reserves langer meegaan. Er bestaat ook de mogelijkheid om in plaats van fossiele brandstoffen, biobrandstoffen te gebruiken zoals biomassa en biogas. Dit levert zelfs een dubbel voordeel op. We gebruiken milieuvriendelijke brandstof die we dan ook nog eens optimaal gaan benutten. De primaire brandstofbesparing betekent ook dat er minder schadelijke uitlaatgassen (CO, NOx, SO2, roet,…) en minder CO2 uitstoot (broeikaseffect, Kyoto) in de atmosfeer terecht komen. De impact van deze stoffen op ons leefmilieu, de atmosfeer en het klimaat zijn aanzienlijk. Warmtekrachtkoppeling kan dus ecologische voordelen met zich meebrengen.
De hierboven vermelde argumenten pleiten allemaal voor een toepassing van warmtekrachtkoppeling. Maar er zijn zeker ook belemmeringen. De drie belangrijkste zijn de volgende: de hoge installatiekosten en onderhoudskosten, de bedrijfszekerheid en de geluidshinder. Zeker voor residentiële toepassingen zijn dit grote nadelen. Naast deze moeilijkheden zijn er nog anderen. Zo is er onzekerheid over de evolutie van de energieprijzen. Deze gegevens zijn echter essentieel om de rendabiliteit van een warmtekrachtkoppeling goed in te schatten. Ook de evolutie van de prijs van de warmtekrachtcertificaten heeft een invloed op de economische rendabiliteit. Onder bepaalde omstandigheden kan een warmtekracht- koppeling dus economische rendabel worden.
Het Vlaams Klimaatbeleidsplan 2006 – 2012 stelt dat in 2010 de totale broeikasgasuitstoot die vrijkomt bij de energievoorziening nog maximaal 0 Xxxx XX0-xx mag bedragen. In 2004 bedroeg deze waarde nog liefst 18,6 Xxxx XX0-xx. Om deze ambitieuze doelstelling te bereiken, moet tegen 2010 19% van de elektriciteitsleveringen voortkomen uit een opwekking met warmtekrachtkoppeling. In 2005 bedroeg dit aandeel ongeveer 12% (Energiesparen, 2008a). Om de implementatie van warmtekrachtkoppeling te bevorderen heeft de Vlaamse overheid een aantal subsidie-instrumenten ingevoerd. Zo zijn er bijvoorbeeld sinds 1 januari 2005 warmtekrachtcertificaten voor de productie van elektriciteit uit kwalitatieve warmtekracht- installaties.
In het kader van de evolutie naar een decentrale energieproductie en (in de toekomst) Smart Grids (Slimme Netten) biedt warmtekrachtkoppeling ook de mogelijkheid om het elektriciteitsnet gedeeltelijk te ontlasten. Zeker bij grote industriële afnemers van elektriciteit voorkomt zulke decentrale productie ook dat er grote transportverliezen optreden. Daarenboven kan op die manier het net gedimensioneerd worden op een kleinere elektriciteitsvraag, wat voor de netbeheerder economisch voordeliger is.
1.2 De centrale onderzoeksvraag en de deelvragen
Warmtekrachtkoppeling kan in zeer veel sectoren worden toegepast. In de primaire sector worden deze installaties vooral gebruikt in de tuinbouw ter verwarming van de kasten en serres. Ook de secundaire sector vele toepassingen. Denken we maar aan onder meer de papierindustrie en de steenfabrieken. In de tertiaire sector zijn verschillende ziekenhuizen met een warmtekrachtkoppeling uitgerust. Naast deze toepassing zijn er ook mogelijkheden voor zwembaden, scholen en hotels. In de residentiële sector (appartementsgebouwen en woningen) wordt warmtekrachtkoppeling voorlopig nog niet veel toegepast. Hier zal de doorbraak van nieuwe technologieën (Stirlingmotoren, brandstofcellen en microturbines) waarschijnlijk voor meer mogelijkheden zorgen. Aangezien er voor deze sector blijkbaar meer belemmeringen zijn voor de implementatie van warmtekrachtkoppeling, is het zeer interessant om hier dieper op in te gaan.
In deze eindverhandeling wordt dan ook de volgende centrale onderzoeksvraag vooropgesteld:
Wat zijn de resultaten van een economische, ecologische en energetische analyse van warmtekrachtkoppeling voor de residentiële sector, met als voorbeeld een appartementsgebouw?
Om deze centrale onderzoeksvraag te kunnen beantwoorden worden in deze eindverhandeling antwoorden gezocht op de volgende deelvragen.
1. Wat zijn de voordelen en nadelen van een warmtekrachtkoppeling in vergelijking met een gescheiden energieproductie? (Hoofdstuk 2)
2. Welke zijn de verschillende technologieën die nu en in de nabije toekomst beschikbaar (zullen) zijn voor warmtekrachtkoppeling? Wat zijn de voor- en nadelen van elke technologie? (Hoofdstuk 3)
3. Welke redenen kunnen aangehaald worden om het gebruik van warmtekrachtkoppeling te bevorderen? (Hoofdstuk 4)
4. Wat zijn de stimulansen die de verschillende overheden kunnen gebruiken om de implementatie van warmtekrachtkoppeling te bevorderen? Zijn deze stimulansen gerechtvaardigd? (Hoofdstuk 5)
5. Welke aandachtspunten bestaan er specifiek voor de residentiële sector? Hoe ziet de huidige situatie voor de residentiële sector eruit? (Hoofdstuk 6)
6. Wat zijn de huidige mogelijkheden voor een concrete gevalstudie van een appartementsgebouw? Welke parameters hebben hierbij een grote invloed op de rendabiliteit van het project? (Hoofdstuk 7)
Deze deelvragen worden in deze eindverhandeling behandeld. Daarvoor wordt er eerst een uitgebreide literatuurstudie uitgevoerd om antwoorden te zoeken op de gestelde vragen. Hierna wordt de gevalstudie behandeld. Hierbij wordt onderzocht of een warmtekrachtkoppeling rendabel kan zijn in een appartementsgebouw van 100 wooneenheden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van vele scenario’s zodat de invloed van de diverse parameters (energieprijzen, certificatensteun) op de rendabiliteit kan worden ingeschat.
Voor de gevalstudie wordt er samengewerkt met studenten van de XIOS Hogeschool Limburg. Twee studenten Industrieel ingenieur concentreren zich hierbij vooral op het technische aspect van het project zoals de warmtevraagberekeningen (gebaseerd op de bouwplannen) en de technische dimensionering. In deze eindverhandeling wordt er hoofdzakelijk het economische aspect (rendabiliteit) van de gevalstudie bestudeerd.
2 Principes van warmtekrachtkoppeling
2.1 Energie
Wanneer we een warmtekrachtkoppeling beschouwen is het belangrijk om inzicht te hebben in de verschillende vormen van energie. We kunnen twee hoofdvormen van energie onderscheiden, namelijk kinetische energie en potentiële energie. Beide vormen worden hieronder kort toegelicht.
2.1.1 Kinetische energie
In de klassieke mechanica (Newton) wordt de kinetische energie van materie met massa m en snelheid v gedefinieerd als:
E = 1 mv 2
k 2
met m = massa (snelheidsonafhankelijk in de klassieke mechanica) v = snelheid
Xxxxxxxx heeft deze formule veralgemeend tot (relativistische mechanica):
E = mc²
met
m = m0
(snelheidsafhankelijk in de relativistische mechanica)
1 − v²
c²
m0 = rustmassa, bij v = 0 v = snelheid
c = lichtsnelheid
…
Als v << c, dan kunnen we deze formule ook (benaderd) schrijven op de volgende manier1:
1 1 ⎛
− 1
v 2 ⎞ 2
⎛ 1 ⎞⎛
v 2 ⎞
⎛ −12 ⎞⎛
v 2 ⎞ 2
1 v 2
1− v
2
c 2
= ⎜1− ⎟
c 2
= 1+ ⎜− ⎟⎜− ⎟ + ⎜ ⎟⎜− ⎟
2 c 2 2 c 2
+ ≅ 1 +
2 c 2
⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠
E ≅ m c² + 1 m v²
⏟0 2 0
kernenergie
123
kinetische energie
Hier zien we dat de energie kan opgesplitst worden in enerzijds rustenergie (kernenergie) en anderzijds kinetische energie. We kunnen twee vormen van kinetische energie onderscheiden:
1) Macroscopische bewegingsenergie of globale bewegingsenergie waarbij alle atomaire deeltjes gezamenlijk bewegen. Deze vorm van bewegingsenergie is dan ook een geordende vorm van energie. Macroscopische bewegingsenergie kan verder opgesplitst worden in:
a) translatie energie:
E = 1 mv 2
k 2
1
met m = globale massa v = snelheid
b) en rotatie energie:
Ek = 2 Iω²
met = hoeksnelheid om de as
I = traagheidsmoment van het lichaam
t.o.v. die as
Elke ogenblikkelijke beweging van een onvervormbaar lichaam kan opgesplitst worden in een ogenblikkelijke translatie en een ogenblikkelijke rotatie.
2) Microscopische bewegingsenergie of warmte waarbij de atomaire deeltjes in willekeurige richtingen bewegen. Warmte is een ongeordende vorm van energie omdat eenzelfde warmte-energietoestand het gevolg kan zijn van vele mogelijke verdelingen van de energiekwanta over de atomaire deeltjes.
Q = 1 ∑m v ²
2
i i
i
met vi = snelheid van het atomaire deeltje mi = massa van het atomaire deeltje
2.1.2 Potentiële energie
De potentiële energie van een materie is de (kinetische) energie die het kan krijgen door zijn specifieke eigenschappen. Deze energie in potentie is ook een geordende vorm. De bijzondere eigenschappen kunnen de volgende vormen zijn: gravitatie eigenschappen, elektrische
eigenschappen, sterke of zwakke kern interactie eigenschappen. Afhankelijk van hun eigenschappen kunnen we dus de volgende drie vormen van potentiële energie onderscheiden: gravitatie energie, elektrische energie en kernenergie.
2.2 Eerste hoofdwet van de thermodynamica
De eerste hoofdwet van de thermodynamica stelt dat de totale hoeveelheid energie in een gesloten systeem constant blijft. Dit betekent dus dat de som van de kinetische energie en de potentiële energie in de tijd gelijk blijft. Er kan dus geen energie verloren gaan en er kan geen energie gecreëerd worden. Deze wet staat ook bekend als de wet van het behoud van energie. In formulevorm kunnen we de eerste hoofdwet als volgt voorstellen: dEtot/dt = 0.
2.3 Tweede hoofdwet van de thermodynamica
Wanneer we een warm object in contact brengen met een kouder object, dan zal er warmte stromen van het warme object naar het koude object. Alhoewel het omgekeerde niet in tegenspraak zou zijn met de eerste hoofdwet, zal er nooit spontaan warmte van het koude object naar het warme object stromen. Dit gebrek aan omkeerbaarheid wordt verklaard door de tweede hoofdwet.
De tweede hoofdwet van de thermodynamica wordt ook de wet van de toenemende entropie of de toenemende wanorde genoemd. Deze stelt algemeen dat in een gesloten systeem, de entropie (S) voortdurend stijgt: dS/dt > 0. Het begrip ‘entropie’ (S) wordt gedefinieerd als de maat voor wanorde. Hoewel dus de hoeveelheid energie constant blijft (eerste wet), verslechtert de kwaliteit van energie voortdurend met het verstrijken van de tijd. Bruikbare (geordende) energie wordt omgezet in onbruikbare (ongeordende) energie. Wanneer de entropie toeneemt, betekent dit dat de bruikbaarheid of geordendheid van de energie afneemt.
2.4 Isentropische processen
Aangezien de tweede hoofdwet stelt dat de entropie of wanorde in een gesloten systeem steeds stijgt, is elk proces in een gesloten systeem onomkeerbaar. Een vorige toestand kan nooit een tweede maal voorkomen. Men kan wel proberen om die toename van entropie zo laag mogelijk te houden. Het beste wat men (theoretisch) zou kunnen bereiken is het constant houden van de entropie (dS/dt = 0). Een isentropisch proces is nu zo een theoretisch proces waarbij de
entropie gelijk blijft. Dit wil dus zeggen dat dit proces wel een omkeerbaar proces is. In werkelijk kan dit proces dus enkel benaderd worden.
Om het rendement van een omkeerbaar proces (het Carnotrendement genoemd) te bepalen, beschouwen we een thermische arbeidsmachine waarin warmte (ongeordende energie) omgezet wordt in geordende energie (zie Figuur 1). Hierbij vertrekken we vanuit een warmtetoevoer Q1 uit het hoge temperatuursreservoir T1. Naast de verkregen arbeid W (geordende energie) bekomen we ook een restwarmte Q2 (ongeordende energie) op de lage temperatuur T2. Deze temperatuur kan ook de omgevingstemperatuur T0 zijn. Naarmate de temperatuur van het hoge temperatuursreservoir hoger is, zal ook de verkregen arbeid W groter zijn.
Figuur 1: Schema van een thermische arbeidsmachine
Wanneer we enkel geïnteresseerd zijn in de verkregen arbeid, kunnen we het mechanische rendement bepalen aan de hand van volgende formule:
η = W
Q1
met W = bruikbare arbeid,
Q1 = ter beschikking gestelde warmte
Het Carnotrendement is het theoretisch maximale rendement voor een thermische arbeidsmachine (bijvoorbeeld een motor). In de praktijk kan men deze benaderen. De volgende formule geeft Carnotrendement aan.
η = T1 − T0
T1
= 1 − T0
T1
met T1 = de temperatuur van de hoge temperatuursbron (in K) T0 = de omgevingstemperatuur (in K)
Beide temperaturen moeten steeds worden uitgedrukt in een absolute temperatuurschaal (b.v. de Kelvin-schaal). Nemen we als rekenvoorbeeld T1 = 500°C (= 773 K) en T0 = 15°C (= 288 K) dan levert dit een Carnotrendement op van 62,7%. Laten we T1 toenemen tot bijvoorbeeld T1 = 1000°C (= 1273 K), dan bekomen we een Carnotrendement van 77,4%. Hierbij moet worden opgemerkt dat in de praktijk deze rendementen nog een stuk lager zullen liggen.
2.5 Exergie: de ‘kwaliteit’ van energie en anergie: de hoeveelheid ‘nutteloze’ energie
De ‘kwaliteit’ van verschillende energievormen is niet altijd gelijk. Zo zijn macroscopische kinetische energie en potentiële energie totaal geordende vormen van energie. Deze energievormen kunnen theoretisch gezien volledig omgezet worden in elkaar. Warmte of microscopische kinetische energie is daarentegen een ongeordende energievorm. Met een thermische motor kan ook warmte omgezet worden in een geordende energievorm. Maar hier zal de omzetting slechts gedeeltelijk mogelijk zijn. Als een gedeelte van de warmte geordend wordt, zorgt dit ervoor dat de wanorde in het andere gedeelte van de warmte sterk moet toenemen zodat het geheel nog meer wanorde krijgt (zie tweede hoofdwet thermodynamica).
De exergie van warmte Q is gedefinieerd als de maximale hoeveelheid geordende energie die men uit deze hoeveelheid warmte kan halen. Deze exergie hangt af van twee factoren:
1) T: de absolute temperatuur van de warmte
2) T0: de absolute temperatuur tot dewelke men de warmte kan afkoelen (meestal de omgevingstemperatuur)
Deze exergie is de maximale hoeveelheid geordende energie die langs een omkeerbaar of isentropisch proces uit een warmte Q kan gehaald worden. Het gedeelte dat bij de omzetting nutteloos wordt, noemt men de anergie. Er kan nu bewezen worden met behulp van het Carnotrendement dat de exergie (Ex) van warmte Q gelijk is aan:
E = T − T0 Q
x T
met T = de temperatuur van de hoge temperatuursbron (in K) T0 = de omgevingstemperatuur (in K)
De anergie is dus het gedeelte dat niet meer omzetbaar is en dus ook nutteloos is. De anergie (Ea) kan als volgt gedefinieerd worden:
E = Q − E
= Q − T − T0 Q = ⎛ T − T − T0 ⎞
= T0 Q
a x T
⎜ ⎟Q
⎝ T T ⎠ T
We kunnen dankzij deze formules enkele opmerkingen maken. Zo kunnen we uit de formule van exergie afleiden dat een hoeveelheid warmte Q op omgevingstemperatuur nutteloze warmte is, aangezien ze geen exergie bevat (T = T0 🡪 Ex = 0).
Hiernaast zien we ook dat de exergie steeds een positieve waarde kent. Nemen we een thermische motor waarbij warmte op hoge temperatuur T wordt overgebracht naar een lagere omgevingstemperatuur T0. Hier is dan T > T0 en is Q > 0. Bijgevolg is de exergie hier positief. Bij een koelingsproces wordt warmte op een lage temperatuur T overgebracht naar de hogere omgevingstemperatuur T0 door middel van een hoeveelheid geordende energie W. Hier is T < T0 en Q < 0 waardoor de exergie ook hier positief is.
2.6 Prestatiemaatstaven van een warmtekrachtkoppeling
Vooraleer we de verschillende technologieën voor warmtekrachtkoppeling in het volgende hoofdstuk beschouwen, is het belangrijk om inzicht te hebben in hun thermodynamische prestaties om op die manier een vergelijking te vergemakkelijken. In deze paragraaf worden enkele van deze prestatiemaatstaven en parameters aangehaald. Ook kunnen we met deze parameters aan de slag om de productie van warmte en elektriciteit met een warmtekrachtkoppeling energetisch te vergelijkingen met een gescheiden opwekking van warmte en elektriciteit.
2.6.1 Elektrisch en thermisch rendement
Het elektrische rendement αe
van een (warmtekrachtkoppeling)installatie wordt berekend aan
de hand van de verhouding tussen de nuttig geleverde elektrisch energie E (in J) en de potentiële energie F (in J) van de hiervoor benodigde hoeveelheid brandstof:
α = E
e F
Het thermische rendement αq
wordt gelijkaardig berekend en geeft de verhouding tussen de
nuttig geproduceerde warmte Q (in J) en de potentiële energie F (in J) van de hiervoor benodigde hoeveelheid brandstof:
α = Q
q F
2.6.2 Kracht-warmteverhouding
Een belangrijke parameter bij het dimensioneren van een warmtekrachtkoppeling is de verhouding tussen de geproduceerde hoeveelheid elektriciteit en de geproduceerde hoeveelheid warmte. Dit noemt men de kracht-warmteverhouding of PHR (power to heath ratio):
PHR = E
Q
2.6.3 Primaire energiebesparing
De primaire energiebesparing (of brandstofbesparing) die een warmtekrachtkoppeling kan opleveren ten opzichte van een gescheiden opwekking wordt bepaald door de referentie rendementen van de referentietechnologie. Het belang van deze referentierendementen is zeer groot. Deze bepalen namelijk of er al dan niet energiebesparing mogelijk is. Deze primaire energiebesparing is de basis voor het toekennen van de warmtekrachtcertificaten die in het volgende hoofdstuk behandeld zullen worden. In dit voorbeeld wordt de STEG centrale als best beschikbare referentietechnologie gekozen voor de centrale elektriciteitsproductie in België. Als referentietechnologie voor warmte wordt de hoogrendement verwarmingsketel gekozen. De volgende figuur beschouwt deze vergelijkende situatie. (COGEN, 2006)
Warmtekrachtkoppeling Gescheiden productie
Figuur 2: Energetische balans van een WKK en gescheiden productie (Ampere, 2000)
Het elektrische referentierendement van de STEG in dit voorbeeld bedraagt ηe−ref
= 0,55 , het
thermisch referentierendement van de hoog rendement ketel bedraagt hier
ηq−ref
= 0,90 .
Stellen we één eenheid brandstof ter beschikking van de warmtekrachtkoppeling (Fwkk = 1), dan
verkrijgen we de volgende vermogensopbrengsten:
E = 0,35 = αe
en Q = 0,50 = αq .
Om dezelfde vermogens E en Q te verkrijgen via gescheiden productie (= referentie) hebben we
F = αe + αq
= 0,35 + 0,50 = 1,19 ≈ 1,20
eenheden brandstof nodig. Dit levert ons in dit
ref η η
e q
0,55 0,90
voorbeeld dus een of een absolute primaire energiebesparing (PEB) op van Fref - Fwkk:
PEB = αe
ηe
+ αq
ηq
− Fwkk
= 1,20 – 1 = 0,20 eenheden.
Om de relatieve primaire energiebesparing (RPE) van een warmtekrachtkoppeling te kennen moeten we de PEB delen door het energieverbruik bij een gescheiden productie. We bekomen dan de volgende formule:
RPE = Fref
− Fwkk Fref
α
= 0 x
x
xx
0
x xx
xx
Xx dit voorbeeld geeft dit de volgende waarde voor de RPE:
RPE = 1 −
1
0,35 + 0,50
= 0,161 = 16,1%
0,55 0,90
We kunnen de relatieve primaire brandstofbesparing ook berekenen op basis van de kracht- warmteverhouding (PHR). Daarvoor herschikken we de voorgaande formule zoals hierna aangegeven.
α
RPE = 1 −
e
1
+ αq
⎟
⎠
= 1 −
αe + 1
αq
αe
⎛
⎝
(αe + αq )⎜
+ 1 ⎞
ηe
RPE = 1 −
ηq
PHR + 1
⎛ PHR 1 ⎞
⎜ αqηe
ηq ⎟
αtot ⎜ + ⎟
⎠
⎝
⎜ ηe ηq ⎟
Hanteren we in deze formule de referentiewaardes ηe = 0,55
de kwaliteitsindex (KI) van een warmtekrachtkoppeling:
en ηq = 0,90 , dan bekomen we
KI = 1 −
1
1,82α e + 1.11α q
Om het label ‘kwaliteitswarmtekrachtkoppeling’ te verkrijgen moet een warmtekrachtkoppeling een relatieve brandstofbesparing (= kwaliteitsindex) van 0% halen indien de installatie kleiner is dan 1 MW, en moet ze minstens 10% brandstof besparen indien ze groter of gelijk is aan 1 MW. In het volgend hoofdstuk wordt hier dieper op ingegaan bij de warmtekrachtcertificaten.
2.6.4 Totaal energetisch rendement en brandstofbenuttigingsgraad
Bij het beoordelen van warmtekrachtkoppelinginstallaties wordt er vaak gesproken over het totaal (energetisch) rendement van de installatie. Dit rendement wordt berekend als de verhouding tussen het totaal geproduceerd bruikbaar vermogen en de hiervoor benodigde brandstof:
α = E + Q = α
tot F e
+ αq
Aangezien dit een energetisch rendement is, kan deze een waarde aannemen van meer dan 100%. Bij Agfa-Gevaert te Mortsel is in 2007 een warmtekrachtinstallatie geplaatst met een totaal rendement van 103%, dit dankzij het gebruik van bijstookinstallatie op gasmotoren van 2 MW. (Somers, 2007)
Hierbij moet wel bemerkt worden dat men dit totaal (energetisch) rendement van een warmtekrachtkoppeling niet zomaar kan vergelijken met het rendement van bijvoorbeeld een STEG of hoogrendementsketel. Gebruiken we de waarden uit Figuur 2 dan geeft dit voor de
warmtekrachtkoppeling een totaal rendement van
αtot
= 0,35 + 0,50 = 0,85
en voor de STEG
bekomen we dan een rendement van ηe = 0,55 . Dit zou dus betekenen dat een warmtekracht- koppeling veel efficiënter zou zijn. Beschouwen we tevens een hoogrendementsketel voor centrale verwarming met een rendement van ηq = 0,90 , dan lijkt deze weer veel efficiënter te zijn.
Deze verkeerde conclusie is te wijten aan de gehanteerde definitie voor totaal rendement. De bovenstaande formule is namelijk geen volwaardig rendement in de thermodynamische zin. Er worden namelijk twee soorten energiehoeveelheden (E en Q) opgeteld die een verschillende
kwaliteit hebben. Het is dus beter om te spreken van
αtot = de brandstofbenuttigingsgraad in
plaats van te spreken over
αtot
= het totaal rendement van een warmtekrachtkoppeling
wanneer we bovenstaande formule hanteren. (Ampere, 2000)
2.6.5 Exergetisch rendement
Zoals hierboven werd aangehaald, zijn het totaal rendement of de brandstofbenuttigingsgraad geen juiste maatstaven om installaties te vergelijken met elkaar. Een juiste maatstaf om de prestaties te evalueren is het exergetisch rendement waarbij rekening wordt gehouden met de kwaliteit van de energievormen. Deze kan worden berekend aan de hand van de volgende formule:
α ex
= αe
+ αq
(1 − T0 )
T
met T = de temperatuur van de geleverde warmte (in K) T0 = de omgevingstemperatuur (in K)
Gebruiken we nu het exergetisch rendement om de prestaties te vergelijken tussen een warmtekrachtkoppeling, een STEG en een hoogrendementsketel, dan krijgen we de volgende resultaten in Tabel 1.
Tabel 1: Exergetische rendementen van een WKK, een STEG en een Hr-ketel bij veranderende temperatuur
WKK | STEG | Hr-ketel | |
Omgevingstemperatuur | T0 = 288K | ||
Elektrische rendement | αe = 0,35 | ηe = 0,55 | / |
Thermisch rendement | αq = 0,50 | / | ηq = 0,90 |
Temperatuur °C | T K | Exergetisch rendement WKK STEG Hr-ketel | ||
15 | 288 | 0,350 | 0,550 | 0,000 |
50 | 323 | 0,404 | 0,550 | 0,098 |
100 | 373 | 0,464 | 0,550 | 0,205 |
200 | 473 | 0,546 | 0,550 | 0,352 |
300 | 573 | 0,599 | 0,550 | 0,448 |
De tabel laat zien dat het exergetisch rendement van een warmtekrachtkoppeling stijgt met toenemende procestemperatuur T. Ook zien we dat een warmtekrachtkoppeling in termen van exergetisch rendement steeds beter presteert dan een Hr-ketel. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat een Hr-ketel de hoog kwalitatieve brandstof (met relatieve exergie-inhoud = 1) gebruikt om een ruimte op slechts ongeveer 22°C te verwarmen waardoor er grote exergieverliezen optreden. Ruimteverwarming met Hr-ketels is dus vanuit exergetisch oogpunt inefficiënt. Bij een warmtekrachtkoppeling degradeert de hoogwaardige (fossiele) brandstof ook tot warmte op een lagere temperatuur, maar tijdens de degradatie produceert deze ook mechanische energie die via een alternator wordt omgezet in elektrische energie. Op deze wijze verkrijgt men dus elektriciteit als bijproduct waardoor het exergetisch rendement toeneemt. (Ampere, 2000; COGEN, 2006)
3 Technologieën voor warmtekrachtkoppeling
Er bestaan verschillende technologieën die gebruikt kunnen worden voor een warmtekrachtkoppeling. Voor grote (industriële) warmtekrachtkoppelinginstallaties wordt meestal gekozen voor turbinetechnologie. Dit zijn dan stoomturbines, gasturbines of een gecombineerde cyclus van een stoom- en gasturbine.
De meest aangewende technologie voor kleinere vermogens is de verbrandingsmotor. Ook hier bestaan er verschillende types, maar voor WKK-toepassingen worden bijna uitsluitend zuigermotoren met een inwendige verbranding gebruikt, namelijk Dieselmotoren en Ottomotoren of gasmotoren.
Naast de turbines en motoren zijn er ook een aantal nieuwere technologieën. Zo zijn er de microturbines die veel gelijkenissen vertonen met de grotere turbines maar geschikt zijn voor de kleinere vermogens. De Stirlingmotor en de brandstofcel zijn twee andere nieuwe technologieën die binnen enkele jaren kunnen doorbreken.
In dit hoofdstuk worden de hierboven genoemde technologieën besproken, evenals de voor- en nadelen van elke technologie. Ook worden de specifieke toepassingen van elke technologie beschreven.
3.1 Stoomturbines
Eén van de meest verspreide technologieën om generatoren of machines aan te drijven is door gebruik te maken van een stoomturbine. In het verleden werd er dan ook veelvuldig gebruik van gemaakt in de industrie. Tegenwoordig wordt een stoomturbine ook vaak toegepast in de elektriciteitsproductie.
Om tegemoet te komen aan een groot aantal specifieke behoeften en toepassingen bestaan stoomturbines in diverse uitvoeringsvormen. De thermodynamische cyclus van een stoomturbine is gebaseerd op de Rankine-cyclus. De warmte die vrijkomt bij de verbranding van een brandstof wordt gebruikt om stoom op hoge druk te produceren in een ketel. Deze op hoge druk gebrachte stoom wordt dan door een turbine gestuurd waar deze stoom kan expanderen en de turbine aandrijft. De draaiende beweging van de turbine (arbeid) wordt vervolgens met behulp van een generator omgezet in elektrische energie. De stoom die uit de turbine komt
wordt gecondenseerd om hierna teruggebracht te worden naar de ketel. Deze cyclus wordt steeds herhaald. Figuur 3 geeft een schematisch overzicht van de opbouw van een stoomturbine.
Figuur 3: Principeschema van een warmtekrachtkoppeling met een stoomturbine
Aangezien de verbranding bij een stoomturbine uitwendig gebeurt, is er geen rechtstreeks contact tussen de vuurhaard en de stoom. Dit heeft als grote voordeel dat de brandstof niet aan specifieke kwaliteitseisen moet voldoen en er dus brandstofflexibiliteit is. Het is dus toegelaten om bijna elke brandstof te verstoken. Zo kan er hernieuwbare energie gebruikt worden, zoals biomassa of geconcentreerde zonne-energie. Zelfs afvalproducten kunnen worden verbrand op voorwaarde dat de vervuilende emissies binnen de normen blijven. De onderhouds- en inspectiebeurten kunnen meer dan een jaar uit elkaar liggen. Hierdoor haalt de stoomturbine zelf een erg hoge beschikbaarheid van 90% en meer, is ze zeer betrouwbaar en heeft ze een levensduur van 25 tot 35 jaar. (COGEN, 2004)
Een stoomturbine voor warmtekrachtkoppeling heeft een lage kracht-warmt-verhouding of power-to-heat ratio (PHR). De nadruk ligt dan ook vooral op de warmteproductie. Het thermisch rendement haalt hierbij waarden van ongeveer 45% - 65% terwijl het elektrisch rendement eerder laag is (tussen de 15% en 20%). (COGEN, 2004)
Als warmtekrachtkoppeling zijn stoomturbines vooral geschikt voor industriële toepassingen waar er een grote vraag is naar hoge druk stoom, waar er een hoog aantal draaiuren vereist zijn of waar afval mogelijk verbrandt kan worden als brandstof. (Mertens, 2005)
Er bestaan twee grote types van stoomturbines die gebruikt worden voor warmtekrachtkoppelingen, namelijk de tegendrukstoomturbine en de condensatie-turbine met stoomaftap.
3.1.1 Tegendrukstoomturbine
In een tegendrukstoomturbine zorgt een nageschakeld proces ervoor dat de stoom de turbine verlaat op een bepaalde druk. Hierdoor heeft de warmtegebruiker steeds stoom van een bepaalde kwaliteit tot zijn beschikking. De stoom in de turbine wordt slechts ontspannen tot een druk die groter is dan atmosferische druk.
Het tegendrukstoom principe heeft verschillende voordelen. Het is een gemakkelijke configuratie met weinig componenten, de hoge kosten voor lage druk trappen in de turbine worden vermeden, er is een verminderde vraag naar koelwater en het haalt een hoog rendement omdat er geen warmteverlies naar de omgeving is in de condensor. (COGEN, 2004)
Er zijn ook enkele nadelen verbonden aan dit principe. Voor hetzelfde vermogen moet een stoomturbine groter zijn aangezien ze met een lager enthalpie-verschil in de stoom werkt. (COGEN, 2006)
3.1.2 Condensatieturbine met stoomaftap
In een condensatieturbine met stoomaftap wordt tijdens het expansieproces in de turbine een hoeveelheid stoom op de gewenste druk afgetapt. Deze afgetapte stoom wordt vervolgens gebruikt om te voldoen aan de warmtebehoefte. In tegenstelling met een tegendrukstoomturbine gaat hier de expansie van de overige stoom door tot een druk die lager is dan de atmosferische druk. Vervolgens condenseert de stoom in een condensor en wordt er water gevormd. Dit water wordt opnieuw naar de ketel gestuurd waar het weer opgewarmd wordt tot stoom.
Het voordeel bij een condensatieturbine met stoomaftap is de mogelijkheid om flexibiliteit in te bouwen door het plaatsen van meerdere stoomaftappen. Op deze manier kunnen de aftapdrukken of de aftapdebieten variëren en ligt de verhouding tussen geproduceerde hoeveelheid warmte en elektriciteit niet vast. (COGEN, 2004)
3.2 Gasturbines
Het thermodynamisch proces van een gasturbine is gebaseerd op de Brayton-cyclus. In tegenstelling tot stoomturbines, treedt bij deze cyclus geen uitwendige maar een inwendige verbranding op. De keuze voor een geschikte brandstof is hier dus minder vrij. De meest
gebruikte brandstof bij turbines is aardgas, maar ook lichte petroleum distillaten (bijvoorbeeld dieselolie of benzine) of producten verkregen uit koolvergassing kunnen gebruikt worden. (COGEN, 2006)
De werking van de cyclus verloopt als volgt. De turbine zuigt atmosferische lucht aan en deze lucht wordt samengedrukt in de compressor. In de verbrandingskamer wordt aan deze gecomprimeerde lucht brandstof toegevoegd, waarna dit mengsel wordt ontstoken. De hierdoor ontstane hete rookgassen op hoge druk worden vervolgens over een turbine ontspannen. Dit doet de turbine draaien en er wordt arbeid geproduceerd. Een generator zet vervolgens deze arbeid om in elektrische energie. De rookgassen die de turbine verlaten hebben echter nog een aanzienlijke warmte-inhoud (tussen 450°C en 600°C). Om deze warmte te recupereren worden deze rookgassen naar een afgassenketel gestuurd. Hier wordt de warmte gebruikt om stoom te produceren of om rechtstreeks gebruikt te worden in thermische toepassingen, zoals bijvoorbeeld drogen of verwarming tot hogere temperaturen. Om aan grotere warmtebehoeftes te voldoen dan de rookgassen van de turbine kunnen leveren, is het mogelijk om bij te stoken in de ketel. Dit betekent wel dat een extra hoeveelheid brandstof moet verbrand worden. Figuur 4 schetst de configuratie van een gasturbine. (COGEN, 2004; COGEN, 2006; Emis, 2001)
Figuur 4: Schema van een warmtekrachtkoppeling met een gasturbine
Het (nominale) elektrisch rendement van een warmtekrachtkoppeling met gasturbine varieert tussen 25% en 40%, afhankelijk van het opgestelde vermogen. Dit relatief lage elektrische rendement is te wijten aan de compressor die bijna de heft van het nuttige vermogen opgebruikt voor zijn aandrijving. Ook van invloed is de mate van bijstook in de ketel. Het thermisch rendement bedraagt meestal 55% tot 60%. De kracht-warmteverhouding bedraagt ongeveer 0,5 – 0,8. (COGEN, 2004; COGEN, 2006)
Gasturbines zijn reeds veelvuldig toegepast als warmtekrachtkoppelinginstallatie met als grootste voordelen hun lage installatiekost, hun hoge beschikbaarheid (85% en meer is mogelijk) dankzij snel en goedkoop onderhoud en de hoge kwaliteit van warmte die gemakkelijk
kan worden opgevangen. Ook de commerciële beschikbaarheid van volledige gasturbine pakketten is een troef voor deze technologie. De levensduur van gasturbines bedraagt ongeveer
15 tot 20 jaar, maar kan sterk worden ingekort wanneer er brandstof van slechte kwaliteit wordt gebruikt of wanneer er gebrekkig onderhoud is. (COGEN, 2006)
De gasturbine wordt meestal toegepast voor industriële warmtekrachtkoppeling-installaties van middelgrote tot grote vermogens (vanaf ongeveer 1 MWe). Vooral wanneer er een grote behoefte is aan hoge druk stoom of hete rookgassen is een gasturbine aangewezen. Ook wanneer er een continue behoefte is aan warmte en elektriciteit, en er dus een groot aantal draaiuren gewenst is, kan een gasturbine geschikt zijn. In Vlaanderen zijn de meeste warmtekrachtkoppelinginstallaties met gasturbine van het type LM 6000 van General Electric. Deze installatie heeft een elektrisch vermogen van ongeveer 40 MW. (Mertens, 2005)
De hierboven beschreven gasturbine technologie is deze van een gasturbine met open cyclus. Dit is ook de meest voorkomende technologie. Hiernaast is er echter ook een andere, minder gebruikte technologie, namelijk de gasturbine met gesloten cyclus. Het principeschema wordt weergegeven in Figuur 5 onder deze alinea. Bij deze technologie circuleert het werkfluïdum, meestal lucht of helium, in een gesloten circuit. Een warmtewisselaar zorgt er hierbij voor dat het werkfluïdum wordt opgewarmd voordat het over de turbine expandeert. Vervolgens wordt het werkfluïdum in een andere warmtewisselaar afgekoeld om daarna, via de compressor, weer te worden opgewarmd. De warmte die in de tweede warmtewisselaar vrij komt kan nuttig worden aangewend. Op deze manier blijft het werkfluïdum vrij van pollutie en kan het geen erosie of corrosie veroorzaken. Omwille van de externe verbranding kan er om het even welke brandstof worden gebruikt, van industrieel afval tot zonne-energie. (COGEN, 2006)
Figuur 5: Schema van een warmtekrachtkoppeling met een gasturbine met een gesloten cyclus
Net als bij stoomturbines zijn er bij gasturbines ook twee belangrijke types: de heavy duty gasturbine en de aeroderivative gasturbine.
3.2.1 De aeroderivative gasturbine
De aeroderivative gasturbine is afgeleid van de vliegtuigmotoren. Dit type wordt gekenmerkt door zijn hogere rendement omdat het meerassig uitgevoerd wordt. De hogedrukturbine drijft er de hogedrukcompressor aan, de lagedrukturbine drijft de lagedrukcompressor en de generator aan. Het hogedrukgedeelte kan hierdoor op een hogere snelheid draaien. De aeroderivative gasturbines zijn bovendien erg licht, maar hun vermogengrootte is beperkt.
3.2.2 De heavy duty gasturbine
De grotere gasturbines zijn meestal heavy duty gasturbines. Dit type is in vergelijking met de aeroderivative gasturbine zwaarder maar is ook robuuster. Het tijdsinterval tussen de verschillende onderhoudsbeurten is ook langer, wat dit type ook meer geschikt maakt voor baseload-toepassingen.
3.3 Gecombineerde cyclus (STEG)
De hierboven beschreven gas- en stoomturbines kunnen ook gecombineerd worden. Op deze manier verkrijgen we een installatie die werkt met twee thermodynamische cycli. Een gasturbine wekt stoom op in een afgassenketel, eventueel geholpen met een bijstook. Deze stoom wordt bij een gecombineerde cyclus gebruikt om eerst een stoomturbine aan te drijven, in plaats van de stoom direct te gebruiken als warmte voor procesdoeleinden. Deze stoomturbine kan dan een tweede generator aandrijven om op die manier extra elektriciteit te produceren.
Het is duidelijk dat een gecombineerde configuratie van een gas- en stoomturbine een hoog elektrisch rendement kan halen. Deze waarde ligt tussen de 35% en 45%. Dit brengt natuurlijk met zich mee dat het thermisch rendement wat lager is. De totale brandstofbenuttigingsgraad van de installatie bedraagt ongeveer 70% - 88% met een warmte-krachtverhouding (PHR) die ligt tussen 0,6 en 2,0. Figuur 6 geeft een schematisch overzicht van een warmtekrachtkoppeling met een gecombineerde cyclus. (COGEN, 2006)
Figuur 6: Principeschema van een warmtekrachtkoppeling met een gecombineerde cyclus
De betrouwbaarheid van een gecombineerde installatie bedraagt 80% tot 85%. De installatie heeft een levensduur van 15 tot 25 jaar met een gemiddelde jaarlijkse beschikbaarheid van 77% - 85%.
3.4 Motoren
Motoren bestaan uit cilindervormige verbrandingskamers waarin zuigers op en neer bewegen. Deze zuigers zijn verbonden met een roterende as, waarbij de lineaire beweging van de zuigers omgezet wordt in een roterende beweging. Deze roterende as drijft een generator aan die vervolgens elektriciteit produceert. Bij de werking komt er ook heel wat warmte vrij. Dit gebeurt echter op diverse plaatsen en bij diverse temperaturen. De belangrijkste warmtebronnen van een motor zijn de rookgassen en de motorblokkoeling. Daarnaast komt er ook nog veel warmte vrij bij de oliekoeling en eventueel bij de intercooler. Gezien de verschillende temperatuurniveaus is het nuttig aanwenden van de warmte hier een moeilijke opgave. Bijkomende moeilijkheid is dat de vrijgekomen warmte beschikbaar is op relatief lage temperaturen. Dit heeft als gevolg dat er meestal slechts warm water kan worden geproduceerd in plaats van stoom. Stoomproductie is bij motoren wel niet uitgesloten, maar hierdoor daalt de totale brandstofbenuttiging. Figuur 7 geeft de warmteterugwinning bij een zuigermotor weer. (Emis, 2001; COGEN, 2004)
Figuur 7: Schema van een zuigermotor met warmteterugwinning
Motoren zijn te verkrijgen met vermogens vanaf enkele kW tot ongeveer 10 MW. Het elektrisch rendement is afhankelijk van het type motor en situeert zich tussen 30% en 42%. Moderne grote installaties (tientallen MW) halen zelfs rendementen tot 50%. Dieselmotoren halen meestal een hoger elektrisch rendement dan Ottomotoren. Ook de vermogensgrootte van de motor heeft een invloed op het elektrisch rendement: grotere motoren maken meestal gebruik van cilinders met een grotere diameter, waardoor het rendement hoger is. (COGEN, 2006)
Het thermisch rendement is afhankelijk van de gewenste temperatuur voor het warm water en van de retourtemperatuur van het water. Deze twee factoren bepalen immers welke warmtebronnen er gebruikt kunnen worden en in welke volgorde ze dan geschakeld moeten worden. Het thermisch rendement is in staat waardes te behalen van 40% tot 50%. De warmte- krachtverhouding (PHR) situeert zich bij deze technologie tussen 0,8 – 2,4. Waar men bij motoren wel de nodige aandacht aan moet besteden, zijn de emissies. Om te voldoen aan de strenge emissie-eisen is een rookgasreiniging met behulp van katalysatoren noodzakelijk. Bij de Dieselmotoren moet de uitstoot van roetdeeltjes worden beperkt. (COGEN, 2006)
Motoren hebben het grote voordeel dat het een zeer gekende technologie is. Er zijn dan ook diverse uitvoeringen van diverse fabrikanten op de markt. Dit grote aanbod zorgt ervoor dat een bedrijf een motor kan kiezen die past bij zijn behoeften. In vergelijking met andere technologieën van dezelfde vermogensgrootte zijn motoren ook niet zo duur. Pluspunten zijn
ook hun hoge beschikbaarheid (80% - 90%) en de lange levensduur (tot 100 000 draaiuren). Een grote revisie halfweg is echter wel noodzakelijk. Bovendien kunnen ze op een groot aantal vloeibare en gasvormige brandstoffen werken. Motoren hebben ook het voordeel dat ze vrij snel kunnen opstarten en dus ook elektriciteit kunnen produceren. Dit verklaart ook gebruik van Dieselmotoren als noodaggregaten. (COGEN, 2004)
Een belangrijk nadeel van motoren is dat het veel bewegende onderdelen bevat zoals kleppen, zuigers … . Hierdoor maakt een motor niet alleen vrij veel lawaai, maar hij vergt bovendien ook veel onderhoud. De onderhoudskosten liggen dan ook hoger dan bij andere technologieën met dezelfde vermogensgrootte. Bij motoren moet ook de nodige aandacht besteedt worden aan de polluerende emissies van NOx en SOx. Rookgasreiniging met behulp van katalysatoren is dan ook noodzakelijk om te voldoen aan de strenge eisen. Bij Dieselmotoren moet men bovendien extra letten op het beperken van de uitstoot van roetdeeltjes. (COGEN, 2006)
Een warmtekrachtkoppeling met motoren kan gebruikt worden voor de verwarming van gebouwen. Het geproduceerde lawaai vormt hier een probleem en vereist dus wel de nodige aandacht. Ook industriële toepassingen waar er vooral een vraag naar warm water of een beperkte vraag naar lagedrukstoom is, zijn geschikt. Motoren zijn tevens geschikt wanneer er een variërende behoefte aan energie aanwezig is in een bedrijf. (Mertens, 2005)
Het onderscheid tussen de verschillende soorten motoren wordt gemaakt op basis van de ontstekingswijze: ofwel gebeurt dit door middel van een extern opgewekte vonk zoals bij de Otto- en gasmotoren, ofwel gebeurt dit door een spontane ontbranding (als gevolg van de hoge temperatuur) zoals bij de Dieselmotoren.
3.4.1 Ottomotoren of gasmotoren
Ottomotoren kunnen werken met verschillende soorten brandstof zoals benzine, aardgas, propaan, biogas (van waterzuiveringsinstallaties) en stortgas (methaan). Ze worden ook wel gasmotoren genoemd wanneer ze werken met een gasvormige brandstof. Ze werken volgens het principe van de viertaktmotor. Dit wil zeggen dat er vier fasen zijn in de cyclus, namelijk de inlaatfase, de compressiefase, de expansiefase en de uitlaatfase. Tijdens de inlaatfase wordt er een mengsel van brandstof en lucht aangezogen in de cilinder. Vervolgens wordt dit mengsel gecomprimeerd en volgt de ontsteking door een extern opgewekte vonk. Als gevolg van de verbranding neemt de druk in de cilinder toe en wordt de zuiger teruggedrongen. Dit noemt men de expansiefase. Op dit moment wordt er arbeid geleverd. Tijdens de laatste fase van de cyclus worden de hete rookgassen uit de cilinder gedreven. (COGEN, 2006)
Gasmotoren zijn beschikbaar met vermogens die variëren van enkele kW tot ongeveer 10 MW. Het elektrisch rendement van een gasmotor bedraagt ongeveer 30% tot 40%. Het is belangrijk dat het mengsel niet te veel lucht (arm mengsel) bevat, maar ook dat het niet te weinig lucht (rijk mengsel) bevat opdat het brandstofmengsel zou kunnen ontstoken worden. Om het rendement te optimaliseren is een arm mengsel gewenst. Eens de verbranding goed op gang is wordt daarom geprobeerd om op een armer mengsel te werken. (COGEN, 2004)
3.4.2 Dieselmotoren
Dieselmotoren werken in vergelijking met Ottomotoren op hogere temperaturen en hogere drukken. Daarom gebruiken ze ook zwaardere brandstoffen zoals dieselolie. De dieselmotor werkt volgens het principe van de Diesel-cyclus die vier slagen per cyclus heeft. Het verschil met de Ottomotor of gasmotor zit, zoals eerder vernoemd, in de wijze waarop het mengsel wordt ontstoken. Bij dit type motor wordt enkel lucht samengedrukt in de cilinder in de compressiefase. Dit zorgt ervoor dat de temperatuur in de cilinders gaat stijgen tot een temperatuur die hoger is dan de ontstekingstemperatuur van de brandstof. Pas hierna wordt de brandstof in de cilinder gespoten en ontsteekt ze spontaan, zonder extern opgewekte vonk zoals bij de Ottomotor of gasmotor. De rest van de cyclus is gelijkaardig aan die van de Ottomotor of gasmotor. De verbranding van het mengsel leidt ook hier tot een drukstijging waardoor de zuiger wordt teruggedrongen. Arbeid wordt geleverd. In de laatste fase worden de rookgassen opnieuw uit de cilinder gedreven. (COGEN, 2004; COGEN, 2006)
Dieselmotoren zijn verkrijgbaar met grotere vermogens dan gasmotoren, meestal met waardes van 100 kW tot enkele tientallen MW. Het elektrisch rendement van Dieselmotoren ligt dan ook hoger dan het elektrisch rendement van gasmotoren. Dit in tegenstelling tot het thermisch rendement, dat hier lager is. Dit komt omdat een rookgascondensatie bij een dieselmotor niet mogelijk is vanwege de zwavelinhoud van de brandstof.
3.5 Microturbines
Microturbines verschillen in feite weinig van de grotere gasturbines die reeds beschreven werden. Hun werkingsprincipe is dan ook gelijkaardig. Het vermogen van microturbines ligt uiteraard een stuk lager dan dat van de grotere turbines. Microturbines zijn verkrijgbaar met elektrische vermogens van 25 kW tot 250 kW. Het grote verschil is de aanwezigheid van een recuperator. In deze recuperator wordt de gecomprimeerde lucht, voordat hij naar de verbrandingskamer stroomt, opgewarmd door de hete rookgassen die de turbine verlaten.
Figuur 8 toont dit principe aan. De ontstane rookgassen worden vervolgens geëxpandeerd over de turbine. Op deze wijze wordt arbeid geleverd die zowel wordt aangewend voor de aandrijving van de compressor als voor de aandrijving van de generator die de elektriciteit produceert. Als brandstof voor een microturbine wordt meestal gas gebruikt. (COGEN, 2004)
Figuur 8: Schema van een microturbine met recuperator
De recuperator zorgt ervoor dat de microturbine voldoende elektrisch rendement behaalt. Voor de productie van een bepaalde hoeveelheid elektrisch vermogen is er dankzij deze recuperator slechts de helft brandstof nodig. Hierdoor komt het elektrische rendement van een microturbine met recuperator uit op ongeveer 25% tot 30%. Zonder recuperator zou een microturbine slechts in staat zijn om een elektrisch rendement te behalen van 15%. Op deze manier komt het elektrisch rendement van microturbines in de buurt van de grote gasturbines. (Vito, 2004)
De microturbine biedt in vergelijking met de kleine gasmotor enkele voordelen. Zo wordt alle vrijgekomen warmte uitsluitend via de rookgassen vrijgegeven, waardoor slechts één warmtewisselaar nodig is. Dit in tegenstelling tot de gasmotor waar de warmte op verschillende plaatsen en op verschillende temperatuurniveaus beschikbaar is. Dit maakt het efficiënt benutten van de warmte bij een microturbine veel eenvoudiger en kan de warmte ook worden aangewend om stoom te produceren. Aangezien het verbrandingsproces hier een continu proces is, voldoet een microturbine ook gemakkelijker aan de emissienormen dan een gasmotor.
In Tabel 2 worden de emissies van een microturbine vergeleken met de emissies van motoren. De strengste emissiegrenzen van Vlarem-II worden voor de motoren gehanteerd. De gegevens van de microturbine zijn meetgegevens van de Turbec T-100 microturbine met 100 kWel vermogen. (Vito, 2004)
Tabel 2: Emissies van microturbines en motoren (Vito, 2004)
Emissie | Microturbine | Gasmotor Vlarem | Dieselmotor Vlarem |
Elektrisch rendement | 30% | 30% | 40% |
CO2 | 673 g/kWhel | 673 g/kWhel | 666 g/kWhel |
NOx @ 5% O2 | < 80 mg/Nm³ | 500 mg/Nm³ | 4000 mg/Nm³ |
CO @ 5% O2 | < 50 mg/Nm³ | 650 mg/Nm³ | 650 mg/Nm³ |
Bijkomend voordeel is de flexibiliteit op het gebied van brandstof. Zo kan de microturbine goed overweg met brandstoffen die een lagere of niet-constante energie-inhoud hebben. Gassen met een methaangehalte vanaf 30% vormen bijvoorbeeld geen problemen. Ook op het gebied van biogastoepassingen kunnen microturbines interessant zijn. Een laatste voordeel van microturbines is de lagere onderhoudskost als gevolg van minder bewegende onderdelen. Dit heeft ook het voordeel dat er weinig trillingen optreden, wat op haar beurt positief is voor de geluidsproductie. (COGEN, 2006)
Een microturbine heeft echter ook enkele minpunten. Zo ligt het elektrisch rendement en ook het totaal rendement lager dan dat van een gasmotor met hetzelfde vermogen. Dit is vooral te wijten aan de compressor die de brandstof eerst nog moet comprimeren voordat ze naar de brandstofkamer gaat. Ook zijn microturbines een relatief nieuwe technologie, waardoor ze minder bekend zijn dan de gasmotoren. De investeringskost van de microturbine is zeker niet gering maar heeft toch het niveau van de gasmotor bereikt. (COGEN, 2004)
Toepassingen voor microturbines situeren zich voornamelijk bij de verbranding van biogas, de exploitatie van stortplaatsen, de toepassingen met rookgasreiniging in de tuinbouw, en in bedrijven met een vraag naar stoom op relatief hoge druk. In deze situaties is het ook mogelijk om de microturbine voor een ketel te schakelen. Microturbines zijn ook geschikt voor die situaties in een eilandbedrijf waar normaal gekozen wordt voor kleinschalige gasmotoren. Ook zijn ze geschikt als voorverwarming bij grote industriële ovens. (Mertens, 2005)
3.6 Stirlingmotoren
Warmtekrachtkoppeling is ook mogelijk met Stirlingmotoren. Deze technologie is nog niet volledig ontwikkeld en wordt nog niet vaak toegepast, maar er is een stijgende interesse omwille van een aantal voordelen. In tegenstelling tot de verbrandingsmotor waar de verbranding inwendig plaats vindt, gebeurt de verbranding bij de Stirlingmotor uitwendig. Dit betekent dat de gassen die zich in de motor bevinden, de installatie niet zullen verlaten. De Stirlingmotor werkt hierbij volgens het principe dat verwarmd gas uitzet en gekoeld gas krimpt. Het uitzetten en krimpen van een gas in een cilinder zal ervoor zorgen dat een zuiger op en neer zal bewegen.
De Stirlingcyclus, die omkeerbaar is, bestaat uit twee isochoren (constant volume) en twee isothermen (constante temperatuur). Een werkfluïdum, meestal lucht of helium, doorloopt dit deze cyclus. Er bestaan verschillende manieren om deze motor op te bouwen. Figuur 9 illustreert hier een mogelijkheid met twee cilinders en daartussen een regenerator.
Figuur 9: Principeschema van een Stirlingmotor
De warme cilinder wordt uitwendig verhit door een warmtebron en de koude cilinder wordt uitwendig gekoeld. Dit koelen van de koude cilinder gebeurt meestal met leidingwater. De regenerator doet dienst als een tijdelijke opslag voor warmte. Deze regenerator bestaat uit een fijnmazige matrix met poreus metaal of uit metalen oppervlakten die een ringvormige opening omsluiten. (COGEN, 2006)
De werking van de opstelling in Figuur 9 is aan de hand van de 4 stappen te volgen op de diagrammen in Figuur 10 onder deze alinea. Bij de overgang van stap één naar stap twee gebeurt er een isotherme compressie bij lage temperatuur. Deze compressie vereist uiteraard arbeid. Om de temperatuur constant te houden moet er uitwendig gekoeld worden. Het gecomprimeerde gas (met lage temperatuur) gaat in een volgende fase door de regenerator waar het gas wordt opgewarmd (van stap twee naar stap drie). Deze opwarming heeft tot gevolg dat de druk significant toeneemt. Vervolgens gaat het gas in de warme cilinder isotherm expanderen bij een constante en hoge temperatuur. Op de figuur is dit de overgang van stap drie naar stap vier. Om de temperatuur constant te houden wordt er uitwendig verwarmd. Gedurende de expansie wordt arbeid geproduceerd. De laatste fase in de cyclus is de overgang van stap vier naar stap één en stelt de afkoeling van het gas in de regenerator voor, waardoor de druk weer af neemt. (COGEN, 2006; Xxxxxxx, z.d.)
3
3
4
4
2
1
2
1
Figuur 10: Thermodynamische processen in een ideale Stirling-cyclus
(A) Druk-Volume diagram (B) Temperatuur-Entropie diagram
In theorie wordt er verondersteld dat de warmte die het gas afgeeft aan de regenerator tijdens de afkoeling (stap vier naar stap één), weer volledig kan opgenomen worden tijdens de opwarming van het gas bij de overgang van stap twee naar drie. In werkelijkheid zijn er echter steeds kleine warmteverliezen. Omwille van het temperatuursverschil is de arbeid die vrijkomt
bij de expansie van het gas groter dan de arbeid die nodig is voor de compressie van het gas. Hierdoor ontstaat er een netto geproduceerde hoeveelheid arbeid die via een generator kan worden omgezet in elektriciteit. (COGEN, 2004)
De Stirlingmotor kan hogere rendementen halen omdat het de Carnot-cyclus dichter benadert. Zo worden elektrische rendementen gehaald van 40%. Verdere ontwikkeling kan het mogelijk maken dat dit rendement nog stijgt tot 50%. De totale brandstofbenuttigingsgraad van een warmtekrachtkoppeling met Stirlingmotor ligt in het gebied van 65% tot 90%. De warmte- krachtverhouding (PHR) situeert zich rond 0,8 en 1,7. (COGEN, 2006)
Aangezien de warmte hier als primair product van de installatie wordt gezien, is de opgewekte elektrische energie door de Stirlingmotor een mooi meegenomen bijproduct. Dit is dus een voordeel van de Stirlingmotor. Dankzij de uitwendige verbranding biedt de Stirlingmotor ook brandstofflexibiliteit. Dit wil zeggen dat de keuze van het brandstoftype vrij is, en dus ook laagwaardige brandstoffen zoals biomassa en mest mogelijk zijn. Hiernaast werkt de machine ook nog geluidsarm omdat er geen ontploffingen zijn zoals bij een klassieke verbrandingsmotor. Bovendien vergt ze ook weinig onderhoud en produceert ze weinig trillingen. (COGEN, 2006)
Een nadeel van de Stirlingmotor is de tragere opstart waardoor er niet onmiddellijk elektriciteit geproduceerd wordt van zodra de branders aanslaan. Andere belangrijkere nadelen zijn ook het gebrek aan commercialisatie als warmtekrachtkoppeling en vooral de erg hoge kostprijs. Er zijn dan ook eerder een beperkt aantal toestellen op de markt, zowel voor huiselijke toepassingen als voor industriële toepassingen. Hierbij spreken we dan van elektrische vermogens in de orde van 20 kW tot 60 kW.
De Stirlingmotor kan worden gebruikt als residentiële warmtekrachtkoppeling. Hij wordt dan ingebouwd in een klassieke verwarmingsketel. In deze ketel worden de warme rookgassen gebruikt om water op te warmen via een warmtewisselaar. De Stirlingmotor wordt op die plaats ingebouwd waar de temperatuur het meest geschikt is voor een optimale werking. Er zijn hierbij vele mogelijkheden tot opbouw: één of meerdere branders in de ketel, een enkelvoudige of ontdubbelde warmtewisselaar … . De warmte die het koelwater opneemt om de koude zijde van de Stirlingmotor te koelen kan gerecupereerd worden. Het elektrisch rendement is in dit geval wel lager en situeert zich rond 10% à 15% waardoor ook de kracht-warmteverhouding (PHR) lager is. De Stirlingmotor kan ook gebuikt worden om elektriciteit te produceren uit hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-instraling of biomassa, en zelfs uit afvalwarmte. (COGEN, 2006; Mertens, 2005)
3.7 Brandstofcellen
Een brandstofcel is een systeem dat via een elektrochemisch proces energie rechtstreeks omzet in elektriciteit en dus geen thermodynamische cyclus doorloopt. De doorgaande chemische reactie die instaat voor de werking van de brandstofcel is de oxidatie van waterstof (H2) met het oxidans zuurstof (O2) waarbij water (H2O) wordt gevormd. Bij deze reactie komt energie (warmte) vrij aangezien de reactie exotherm is. Deze warmte moet worden afgevoerd voor een optimale werking en kan dus nuttig worden gebruikt. Een brandstofcel kan dus gebruikt worden als een warmtekrachtkoppeling. (COGEN, 2004)
De principiële opzet van een brandstofcel bestaat uit een poreuze anode en kathode met daartussen een elektrolytlaag. Figuur 11 op de volgende pagina illustreert deze opstelling. Aan de anodezijde wordt waterstof toegevoegd waarbij het zich splitst in ionen (H+) en elektronen (e-). Het elektrolyt laat enkel de ionen door. De elektronen bewegen langs een externe belasting naar de kathode. Daar reageren de H+-ionen, de zuurstof en de elektronen met elkaar. Er wordt water gevormd. Schematisch kan de chemische reactie in een brandstofcel als volgt worden weergegeven:
Anode Kathode | H2 4H+ + O2 + 4e- | 🡪 2 H+ + 2 e- 🡪 2 H2O |
Globale reactie | 2 H2 + O2 | 🡪 2 H2O |
Het spanningsverschil dat op deze manier ontstaat tussen anode en kathode bedraagt ongeveer 0,7 Volt. Om een hogere spanning te bekomen worden meerdere brandstofcellen in serie geplaatst. Dit wordt een “stack” genoemd. Aangezien de brandstofcel gelijkstroom levert en vrijwel steeds wisselstroom gewenst is, is een omvormer hier noodzakelijk.
Figuur 11: Schema van een brandstofcel
De ontwikkeling van brandstofcellen richt zich zowel op minieme vermogengroottes als op grootschalige installaties van enkele MW. Naargelang het gebruikte elektrolyt zijn er verschillende soorten brandstofcellen te onderscheiden. Elk type werkt hierbij op een bepaalde temperatuur. Deze werkingstemperatuur is zeer belangrijk wanneer men een brandstofcel wenst te gebruiken als warmtekrachtkoppeling. Een beknopt overzicht van de voornaamste kenmerken van enkele types brandstofcellen wordt weergegeven in Tabel 3. Een uitgebreidere beschrijving van elke type zou in het bestek van deze eindverhandeling te ver gaan.
Tabel 3: Voornaamste karakteristieken van de verschillende types brandstofcellen
Type | AFC | PEFC | PAFC | MCFC | SOFC |
Elektrolyt | KOH | vast ion geleidend membraam | vloeibaar X0XX0 | Xx0XX0 en K2CO3 | ceramiek Y2O3ZrO2 |
Werkingstemp. | 60 – 90°C | 80°C | 200°C | 650°C | 800°C – 1000°C |
Celrendement | 45 - 60% | 30 – 60% | 35 – 40% | 45 – 60% | 45 – 65% |
Max. Elektrisch vermogen | 20kW | 250kW | 200kW | 1MW | 300kW |
Toepassingen | onder-zeeërs ruimtevaart | transport klein stationair | WKK | WKK | WKK |
Brandstofcellen hebben een aantal belangrijke voordelen. Ze zijn geluidloos, vergen weinig onderhoud door het gebrek aan bewegende onderdelen en zijn gebruiksvriendelijk. Dankzij het modulaire concept (stacks) kan elke gewenste vermogensgrootte worden bereikt. Bovendien hebben ze een hoog elektrisch rendement en een hoge totale brandstofbenuttiging van 80% tot 90%. De kracht-warmte verhouding (PHR) ligt in het gebied 0,8 – 1,0. Ook voor werking in deellast zijn brandstofcellen interessant. Bij de meeste andere technologieën daalt hun rendement bij deellast, in tegenstelling tot de brandstofcel die zelfs een hoger rendement kan halen in deellast. (COGEN, 2006)
Er wordt vaak beweerd dat brandstofcellen geen CO2 produceren omdat ze enkel waterdamp uitstoten. Deze visie is echter te beperkt. De gebruikte brandstof, met name waterstof, is immers niet vrij beschikbaar in de natuur. Het moet dus geproduceerd worden en hier situeert zich dan ook het probleem. De productie is immers een industrieel proces waarbij (fossiele) brandstof nodig is. Dit gebeurt voor 90% door reforming van aardgas, waarbij evenveel CO2 vrijkomt als bij verbranding van dezelfde hoeveelheid aardgas.
Momenteel wordt de brandstofcel in de praktijk nog niet toegepast. Er zijn nog heel wat technologische problemen die ervoor zorgen dat brandstofcellen nog een eind verwijderd zijn van hun marktdoorbraak. Verder onderzoek en ontwikkeling is dan ook nodig om de brandstofcel als warmtekrachtkoppeling te gebruiken. De brandstofcel biedt perspectieven voor zowel lokale als draagbare elektriciteitsopwekking. Denk maar aan de vele mogelijkheden voor transport, ruimtevaart en militaire toepassingen. (Mertens, 2005)
3.8 Overzicht van de verschillende technologieën
Om de besproken technologieën beter te kunnen vergelijken wordt in Tabel 4 hieronder een overzicht gegeven van de besproken technologieën met hun specifieke voor- en nadelen. De technische eigenschappen van de verschillende technologieën worden in Tabel 5 op de volgende pagina overzichtelijk weergegeven.
Tabel 4: Voor- en nadelen van de technologieën voor warmtekrachtkoppeling
Technologie | Voordelen | Nadelen |
Stoomturbines | • Brandstofflexibiliteit • Hoge beschikbaarheid • Lange levensduur • Hoge betrouwbaarheid • PHR kan variëren | • Trage opstart • Lage PHR • Lager elektrisch rendement |
Gasturbines | • Hoge betrouwbaarheid • Hoge beschikbaarheid • Lage emissies • Hoge warmtegraad beschikbaar | • Minder brandstofflexibiliteit • Gascompressor of hoge druk gas vereist |
Gecombineerde cyclus | • Hoog elektrisch rendement | • Lager thermisch rendement |
Motoren | • Hoge elektrische rendementen • Relatief lage investeringskost • Snelle opstart • Werkt met lage druk gas | • Hoge onderhoudskosten • Veel lawaai • Lage warmtegraad beperkt applicatiemogelijkheden • Relatief hoge emissies |
Microturbines | • Warmte enkel beschikbaar via rookgassen • Lage emissies • Weinig bewegende onderdelen • Lagere onderhoudskosten • Relatief stil | • Lager elektrisch rendement • Investeringskost • Nieuwe technologie |
Stirlingmotoren | • Brandstofflexibiliteit • Hoog elektrisch rendement • Geluidsarm • Weinig onderhoud | • Hoge kostprijs • Trage opstart • Gebrek aan commercialisatie |
Brandstofcellen | • Zuivere emissies • Geluidloos • Weinig onderhoud • Moduleerbaar design • Hoge efficiëntie, ook bij deellast | • Hoge kosten • Nieuwe technologie • Beschikbaarheid waterstof? |
Tabel 5: Technische eigenschappen van de technologieën voor warmtekrachtkoppeling (COGEN, 2006)
Technologie | Elektrisch vermogen | Elektrisch rendement | Thermisch rendement | Kracht-warmte verhouding (PHR) | |
MW | Vollast (100%) | Deellast (50%) | % | ||
Stoomturbines | 0,5 - 100 | 14 – 35 | 12 - 28 | 45 – 60 | 0,1 – 0,5 |
Gasturbines | 0,1 – 100 | 25 – 40 | 18 – 30 | 35 – 55 | 0,5 – 0,8 |
Dieselmotor | 0,07 – 50 | 35 – 45 | 32 – 40 | 25 – 50 | 0,8 – 2,4 |
Otto- of gasmotor | 0,015 – 2 | 27 – 40 | 25 – 35 | 40 – 55 | 0,5 – 0,7 |
Microturbines | 0,03 – 0,2 | 12 – 30 | 9 – 23 | 45 – 60 | 0,25 – 0,7 |
Stirlingmotoren | 0,003 – 1,5 | 35 – 50 | 34 – 49 | 25 – 45 | 0,8 – 1,7 |
Brandstofcellen | 0,001 – 1 | 35 – 65 | 35 – 65 | 50 – 55 | 0,8 – 2,0 |
Een ander interessant overzicht wordt gegeven in Tabel 6 waar niet alleen de technische eigenschappen van de technologieën worden vergeleken, maar ook gekeken wordt naar factoren zoals installatiekosten, opstarttijd, geluidsproductie, thermische output … . De technische eigenschappen in deze tabel kunnen kleine afwijkingen aangeven ten op zichten van
deze vermeld in Tabel 5. Dit is te verklaren doordat een technologie steeds evolueert en de gegevens waarop de tabellen zijn gebaseerd slechts momentopnames zijn.
Tabel 6: Overzicht van de typische kosten en prestatie karakteristieken (EPA,2002)
Technology | Steam turbine1 | Diesel engine | Nat. gas engine | Gas- turbine | Micro- turbine | Fuel cell |
Power efficiency (HHV) | 15-38% | 27-45% | 22-40% | 22-36% | 18-27% | 30-63% |
Overall efficiency (HHV) | 80% | 70-80% | 70-80% | 70-75% | 65-75% | 65-80% |
Effective electrical efficiency | 75% | 70-80% | 70-80% | 50-70% | 50-70% | 60-80% |
Typical capacity (MWe) | 0.2-800 | 0.03-5 | 0.05-5 | 1-500 | 0.03-0.35 | 0.01-2 |
Typical power to heat ratio | 0.1-0.3 | 0.5-1 | 0.5-1 | 0.5-2 | 0.4-0.7 | 1-2 |
Part-load | ok | good | ok | poor | ok | good |
CHP Installed costs ($/kWe) | 300-900 | 900- 1,500 | 900- 1,500 | 800- 1,800 | 1,300- 2,500 | 2,700- 5,300 |
O&M costs ($/kWhe) | <0.004 | 0.005- 0.015 | 0.007- 0.02 | 0.003- 0.0096 | 0.01 (projected ) | 0.005- 0.04 |
Availability | near 100% | 90-95% | 92-97% | 90-98% | 90-98% | >95% |
Hours to overhauls | >50,000 | 25,000- 30,000 | 24,000- 60,000 | 30,000- 50,000 | 5,000- 40,000 | 10,000- 40,000 |
Start-up time | 1 hr - 1 day | 10 sec | 10 sec | 10 min - 1 hr | 60 sec | 3 hrs - 2 days |
Fuel pressure (psi) | n/a | <5 | 1-45 | 120-500 (compres sor) | 40-100 (compres or) | 0.5-45 |
Fuels | all | diesel, residual oil | natural gas, biogas, propane, landfill gas | natural gas, biogas, propane, oil | natural gas, biogas, propane, oil | hydrogen, natural gas, propane, methanol |
Technology | Steam turbine1 | Diesel engine | Nat. gas engine | Gas- turbine | Micro- turbine | Fuel cell |
Noise | high | high | high | moderate | moderate | low |
Uses for thermal output | LP-HP steam | hot water, LP steam | hot water, LP steam | heat, hot water, LP- HP steam | heat, hot water, LP steam | hot water, LP-HP steam |
Power Density (kW/m2) | >100 | 35-50 | 35-50 | 20-500 | 5-70 | 5-20 |
NOx 2, lb/MMbtu | 0.03-0.3 | 1-1.83 | 0.18 | 0.05 | 0.03 | 0.004 |
lb/MWhTotalOutpu t | 0.13-1.3 | 4.3-8.24 | 0.8 | 0.25 | 0.15 | 0.02 |
* Data are illustrative values for 'typically' available systems; All $ are in 2000$ 1: For steam turbine, not entire boiler package
2: New low emitting units without end of pipe controls
3: Present on road diesel requirements are approximately 1 lb/MMBtu, but most backup diesel generators emit at 1.8 lb/MMBtu
4: New on road diesel rule would bring emissions rate to approximately 0.3 lb/MWhTotalOutput
4 Redenen om het gebruik van warmtekrachtkoppeling te bevorderen
Naast de mogelijkheid om een primaire brandstofbesparing te realiseren en de mogelijkheid om economisch rendabel te zijn, zijn er ook nog andere redenen die ervoor pleiten dat het gebruik van warmtekrachtkoppeling wordt bevorderd. Deze redenen zijn de vermeden externe kosten, de economische toekomstvisie, de transgenerationele solidariteit, het technologisch multiplicator effect, het economisch multiplicator effect, het sociaal multiplicator effect, het sociaal effect en ten slotte de voordelen voor de nutsbedrijven en de netontlasting. Deze opgesomde redenen worden in dit hoofdstuk verder besproken.
4.1 Vermeden externe kosten
Wanneer de economische rendabiliteit van verschillende technologieën met elkaar wordt vergeleken, houden deze meestal enkel rekening met de private (interne) kosten die een onderneming of persoon zelf moeten dragen. Deze private kosten omvatten de kosten voor de nodige productiefactoren (grondstoffen, kapitaal, arbeid). Willen we echter een maatschappelijk optimum bereiken, dan moeten we ook de externe baten en de externe kosten verbonden aan deze technologieën in rekening brengen. De externe kosten omvatten alle schadelijke en negatieve externe effecten die veroorzaakt worden door een technologie. Aangezien deze effecten een waardeverlies betekenen voor de maatschappij als geheel moeten ze meegerekend worden bij de totale kosten. Op deze manier verkrijgt men de totale of sociale kosten. Doorgaans zijn de externe kosten niet in een investeringsanalyse verwerkt. Brengen we deze kosten wel mee in de berekening, kan een warmtekrachtkoppeling interessanter worden ten opzichte van een gescheiden energieopwekking.
In hoofdstuk 2 hebben we gezien dat een warmtekrachtkoppeling een primaire energie- of brandstofbesparing kan opleveren. Dit betekent natuurlijk ook dat er minder vervuilende en/of schadelijke emissies worden uitgestoten. Bij beloftevolle technologieën zoals bijvoorbeeld de brandstofcel zouden er zelfs geen schadelijke emissies meer zijn. Naast deze directe vermindering van de uitstoot is er ook een indirecte reductie van emissies tijdens de verschillende stappen van het productieproces van de (fossiele) brandstoffen: exploratie, raffinage, verwerking, transport en opslag. Hierbij moet opgemerkt worden dat een warmtekrachtkoppeling niet altijd de totale emissie zal verminderen. Dit hangt sterk af van de
gekozen technologie, de momenten wanneer de installatie operationeel is en de gebruikte brandstof. De plaats waar de installatie wordt gebouwd kan ook gevolgen hebben voor de luchtkwaliteit. Zo worden de klassieke elektriciteitscentrales meestal gebouwd in afgelegen gebieden en kunnen ze voorzien zijn van een uitrusting om stikstofoxide te verminderen (DENOx) en/of een uitrusting om de rookgassen te ontzwavelen (DESOx). WKK-installaties zijn daarentegen meestal gebouwd in de buurt van dicht bevolkte gebieden waardoor de vermindering van de lokale luchtkwaliteit een groter effect kan hebben. (COGEN, 2005)
Om voor een concrete warmtekrachtkoppeling meer zicht te krijgen op het potentieel voor emissievermindering heeft het U.S. Environmental Protection Agency een calculator (CHP Emissions Calculator) laten ontwikkelen die op basis van 29 parameters de emissies van CO2, SO2 en NOx voor een specifieke warmtekrachtkoppeling berekent. Deze calculator vergelijkt vervolgens deze emissies met de emissies van een gescheiden productie van warmte en elektriciteit. Deze calculator (Microsoft Excel) kan worden gedownload op de website van het
U.S. Environmental Protection Agency op het volgende webadres: xxxx://xxx.xxx.xxx/xxx/xxxxxxxxx/xxx_xxxxxxxxx_xxxx.xxx.
Voordat we naar de externe kosten overgaan is het interessant om te kijken naar het aandeel van de verschillende technologieën die gebruikt worden voor de elektriciteitsproductie in Vlaanderen. De onderstaande tabel geeft aan dat bijna de helft van de elektriciteitsproductie nucleair is. Hierna zijn het vooral de klassieke fossiele centrales (21%) en de STEG’s (17%) die nog een groot aandeel hebben.
Tabel 7: Aandeel van de verschillende technologieën in de totale elektriciteitsproductie voor Vlaanderen (VITO, 2005a)
In opdracht van de Vlaamse Milieumaatschappij (Milieurapport Xxxxxxxxxx, XXXX) analyseerde de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO, 2005a) de externe kosten van de productie van elektriciteit. Hiervoor heeft men de externe kosten berekend en geanalyseerd in de tijd voor de verschillende technologieën. De uitgevoerde berekeningen steunen op de ExternE (Externalities of Energy) methodologie. Deze methodologie werd ontwikkeld in opdracht van de Europese Commissie om de externe kosten van energieproductie te internaliseren en kwantificeert hierbij de marginale impact op de gezondheid en het leefmilieu door de bijkomende uitstoot van vervuilende stoffen van de bron tot aan de impact.
Het onderzoek van het VITO houdt met verscheidene externe kosten rekening: de impact van de uitstoot van NOx, SO2, deeltjes en sommige metalen, en dit zowel tijdens de productie van elektriciteit als bij de constructie van de installaties. Ook worden de kosten van klimaatverandering ten gevolge van de uitstoot van CO2 bij de verbranding van fossiele brandstoffen in rekening gebracht. Aangezien er grote onzekerheid bestaat over de impact van klimaatverandering heeft men in deze studie een schaduwprijs2 gehanteerd van 20 EUR/ton CO2-eq. Dit cijfer is weliswaar onzeker en betwistbaar, maar het blijkt toch een nuttige indicator te zijn om publiek en beleid te informeren over de weerslag van keuzes rond brandstofketens en technologieën op broeikasgassen. Ook andere (kleinere) kosten zoals geluidshinder, beroepsongevallen en ongevallen bij de ontginning en transport van fossiele brandstoffen werden opgenomen in de analyse. Tabel 8 geeft de indicatieve marginale externe kosten weer (in EUR/MWh) die deze studie berekende voor de onderzochte technologieën.
Uit deze tabel kunnen we aflezen dat STEG centrales (17% aandeel in de elektriciteitsproductie) externe kosten veroorzaken van ongeveer 11 EUR/MWh. Hiermee vergeleken halen warmtekrachtkoppelinginstallaties met motoren een externe kost van ongeveer 19 EUR/MWh en warmtekrachtkoppelinginstallaties met de energetisch efficiëntere turbines een externe kost van ongeveer 8 EUR/MWh. In het licht van vermeden externe kosten wijst deze studie dus uit dat enkel warmtekrachtkoppelinginstallaties met turbines externe kosten kunnen vermijden in vergelijking met STEG centrales. De vermeden externe kosten bedragen hierbij ongeveer 3 EUR/MWh (met uitersten tussen 1,2 EUR/MWh en 4,43 EUR/MWh).
Vergelijken we warmtekrachtkoppelinginstallaties met klassieke steenkoolcentrales met rookgasreiniging (6% aandeel in de elektriciteitsproductie) dan zien we dat deze laatste een externe kost hebben van 32 EUR/MWh. Hiermee vergeleken is het besparingspotentieel van een warmtekrachtkoppeling veel groter dan in vergelijking met een STEG. In het geval van een warmtekrachtkoppeling met turbines bedragen de vermeden externe kosten ongeveer 24
2 De schaduwprijs van een stof (bv. CO2) en voor een regio is de marginale kost om de vastgelegde emissiedoelstellingen voor deze stof voor die regio te behalen. Het weerspiegelt de reductiekosten die in die regio moeten gemaakt worden om de extra uitstoot van één eenheid van die stof te compenseren. (XXXX, 2005)
EUR/MWh. Voor motoren ligt deze waarde wat lager maar bedraagt ze toch nog steeds ongeveer 13 EUR/MWh.
Tabel 8: Externe kosten voor verschillende technologieën, kengetallen voor 2002 in EUR/MWh. (VITO, 2005a)
Wanneer we kijken naar de externe kosten van klassieke steenkoolcentrales zonder rookgasreiniging (15% aandeel in de elektriciteitsproductie) dan worden we geconfronteerd met zeer hoge waarden. De externe kosten liggen voor deze installaties tussen 87 en 102 EUR/MWh.
De vermeden externe kosten voor een turbine bedragen hier ongeveer 80 tot 90 EUR/MWh, voor motoren ligt deze waarde tussen 70 en 80 EUR/MWh.
In de onderstaande tabel wordt een overzicht gegeven van de vermeden externe kosten bij vervanging van een technologie door een warmtekrachtkoppeling.
Tabel 9: Vermeden externe kosten
Aandeel in de totale elektriciteits- productie (2002) | Vermeden externe kosten (in EUR/MWh) | ||
WKK turbine (gas) | WKK motor (gas) | ||
STEG (gas) Klassieke steenkoolcentrale zonder rookgasreiniging Klassieke steenkoolcentrale met rookgasreiniging | 17% | 3 24 80 tot 90 | (-8) 13 70 tot 80 |
15% | |||
6% | |||
Als we kijken naar de technologieën met nog lagere externe kosten dan een warmtekrachtkoppeling zijn dit vooral de hernieuwbare energiebronnen. Hun externe kosten zijn bijna volledig terug te brengen tot de productie van de installaties voor windturbines, fotovoltaïsche cellen of kleinschalige waterkrachtcentrales. Opmerkelijk is ook dat nucleaire energie volgens deze studie de allerlaagste externe kosten (0,8 EUR/MWh) heeft, ondanks de gezondheidsrisico’s en de emissie van radioactieve stoffen. Dit wordt in de studie verklaard door het feit dat er zeer weinig uranium nodig is voor de productie van 1 MWh en dat tijdens de productie nagenoeg geen emissies vrijkomen. Ook het risico op ongevallen verhoogt de externe kosten niet veel volgens deze berekeningen. In termen van externe kosten lijkt nucleaire energie dus zeer interessant in deze studie. Uranium is echter geen hernieuwbare energiebron en belast dus toekomstige generaties met radioactief afval. Vanuit het perspectief van de transgenerationele solidariteit scoort nucleaire energie dus zeer slecht. Een grondige analyse van deze kosten is dan ook vereist.
Om de evolutie van de externe kosten doorheen de jaren te analyseren heeft men een gemiddelde marginale externe kost berekend op basis van het procentuele aandeel van elke technologie in de jaarlijkse productie. Deze waarde bedroeg in 1990 45 EUR/MWh en is geëvolueerd tot 19 EUR/MWh in 2002. Het rapport wijdt deze daling hoofdzakelijk toe aan de verminderde uitstoot van SO2 en NOx. De drie belangrijkste factoren voor deze vermindering zijn de afbouw van steenkool ten voordele van STEG centrales, de opkomst van warmtekrachtkoppeling op aardgas en de installatie van rookgaszuivering in de steenkoolcentrale van Langerlo (Genk).
Om deze externe kosten te laten meetellen in het streven naar een maatschappelijk optimum, kan een overheid gebruik maken van twee alternatieven. Een eerste mogelijkheid is aan de hand van het principe ‘de vervuiler betaalt’. De overheid heft bijvoorbeeld taksen op fossiele brandstoffen waarin de externe kosten van de verbranding van deze brandstoffen (gedeeltelijk) zijn opgenomen.
Nemen we als voorbeeld aardgas. We wensen een taks te heffen die net zo hoog is als de externe kosten van de verbranding van aardgas. Ter vereenvoudiging beperken we ons tot de uitstoot van CO2. Als externe kost voor de uitstoot van CO2 hanteren we de waarde van 20 EUR/ton CO2. De CO2-emissiefactor van aardgas bedraagt 55,82 kton/PJ of dus 55,82 kg/GJ (Vlaams Agentschap Economie, 2008a).
Dit geeft de volgende externe kosten voor de CO2 uitstoot van aardgas:
= 20 EUR/tonCO2 x 55,82 ktonCO2/PJgas
= 20 EUR/tonCO2 x 0,2010 tonCO2/MWhgas
= 4,02 EUR/MWhgas
De overheid zou dus een taks kunnen heffen op aardgas van 4,02 EUR/MWh om de externe kosten van CO2 mee te betalen. Een vergelijking met de jaarlijkse gemiddelde eindprijs van aardgas voor gezinnen (voor 2006: 47 EUR/MWh) toont aan dat de externe kosten verbonden aan de CO2–uitstoot 8,55% van deze eindprijs bedragen.
Een andere mogelijkheid is het subsidiëren van technologieën met lagere externe kosten om deze aantrekkelijker te maken. Zo wordt het gebruik ervan gepromoot. Zo bestaan er de groenestroomcertificaten voor de productie van elektriciteit uit zonne-energie of biomassa. De belangrijkste subsidiesteun die Vlaanderen toekent aan warmtekrachtkoppelinginstallaties zijn de warmtekrachtcertificaten. In het volgende hoofdstuk wordt dit uitgebreid behandeld.
4.2 Economische toekomstvisie
Wanneer het aantal gebouwde en geïnstalleerde warmtekrachtkoppelinginstallaties met de tijd toeneemt, zullen de productiekosten voor deze installaties afnemen dankzij de opgebouwde kennis. Dit principe is gekend als de leercurve. Het idee achter deze curve is dat fabrikanten hun producten steeds goedkoper kunnen produceren dankzij de kennis en ervaring die ze opdoen naarmate ze meer produceren (Ritter & Schooler, 2002). Dit concept is als eerste ontdekt in 1936 op de Xxxxxx-Xxxxxxxxx Air Force Base in de Verenigde Staten. Hier werd
vastgesteld dat wanneer de totale vliegtuigproductie verdubbelde, de vereiste arbeidsuren daalden met 20 percent. De leercurve vertoont dus eerst een snelle daling van de (arbeid- en) productiekosten waarna deze daling meer en meer afneemt. De theorie van de leercurve is gebaseerd op de volgende drie veronderstellingen: (Xxxxx et al, 2006)
1. De tijd die nodig is om een bepaald product te maken neemt steeds af wanneer er een volgend product gemaakt wordt.
2. De afname van de productietijd neemt af met een steeds kleiner wordende ratio.
3. De vermindering van de productietijd volgt een voorspelbaar patroon. Theoretisch gezien volgt deze curve de volgende uitdrukking in Chase et al (2006):
x
Y = Kxn
met x : eenheid nummer
Yx : het vereiste aantal arbeidsuren voor de productie van het x-te product
K : het aantal vereiste arbeidsuren voor de productie van het eerste product
n = ln b
ln 2
waarbij b: leerpercentage
De waardes die moeten worden toegewezen aan de verschillende parameters verschillende van product tot product en worden best vastgelegd door middel van empirisch onderzoek. De volgende figuur tracht dan ook enkel het conceptuele model weer te geven. Een hoger leerpercentage laat de tijd en kosten sneller dalen dan een lager leerpercentage.
70%
80%
90%
1,2000
1,0000
0,8000
Unit Time
0,6000
0,4000
0,2000
0,0000
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46
Unit Number
Figuur 12: Indicatieve leercurves met verschillende leerpercentages
Dit theoretische model kan dus een middel zijn om te veronderstellen dat de kosten voor warmtekrachtkoppeling kunnen dalen naarmate er meer van deze installaties worden geproduceerd. Zeker de recente en nieuwe technologieën zoals de microturbine en de brandstofcel (zie hoofdstuk 3) bieden hierbij veel perspectief aangezien deze zich nog ‘links’ op de curve bevinden en dus een groot potentieel hebben om de kosten te verminderen. Voor andere (relatief oudere) technologieën zoals motoren biedt de leercurve minder potentieel. Deze technologie wordt al in veel andere domeinen toegepast en bevindt zich dus ‘rechts’ op de curve. Vanuit dit model zou het dus het interessantst zijn om zoveel mogelijk in nieuwe technologieën voor warmtekrachtkoppeling te investeren om het economisch potentieel van warmtekrachtkoppeling in het algemeen te verbeteren.
Een opmerking die we hierbij moeten maken is dat er naast nieuwe en veelbelovende technologieën voor warmtekrachtkoppeling ook andere energietechnologieën zijn die zich op hetzelfde punt (links) van de leercurve bevinden. We denken hierbij aan allerlei technologieën gebaseerd op hernieuwbare energie zoals bijvoorbeeld de plastic zonnecellen waar onder meer het IMO (Instituut voor Materiaalonderzoek te Diepenbeek) onderzoek naar doet. Ook deze technologieën bieden potentieel in het grote energievraagstuk en vragen dus om gestimuleerd te worden. Deze bieden zelfs het voordeel dat stijgende fossiele brandstofprijzen hun economische rendabiliteit zeer sterk ten goede komt. Het energievraagstuk is echter geen ‘of’ vraagstuk maar een ‘en’ vraagstuk. Met de verschillende technologieën moeten we trachten een evenwicht te zoeken tussen ecologie en economie.
Naast de mogelijkheid om de kosten van warmtekrachtkoppelingen in de toekomst te laten dalen, kunnen ook de stijgende energieprijzen een positief effect hebben. Dit is weliswaar minder het geval voor de klassieke warmtekrachtkoppeling die op fossiele brandstof draait, maar wel voor de nieuwe, veelbelovende technologieën. Hierbij denken we dan aan technologieën zoals de brandstofcel die geen fossiele brandstof nodig hebben. De evolutie van de energieprijzen blijft echter moeilijk in te schatten waardoor er grote onzekerheid bestaat.
4.3 Transgenerationele solidariteit
Bij alles wat de mens doet zou hij moeten rekening houden met de gevolgen van zijn acties voor zijn medemensen en voor de toekomstige generaties. Zeker met betrekking tot de energieproductie moeten we de (negatieve) gevolgen van onze manier van energie produceren voor de volgende generaties zo goed mogelijk inschatten en deze vervolgens zo goed mogelijk beperken.
Wanneer een onderneming of persoon de externe kosten (zie bovenstaande paragraaf) niet in rekening brengt, betekent dit dat deze externe kosten zullen worden gedragen door de huidige maatschappij en/of de toekomstige generaties. Het beste voorbeeld hiervan is global warming, veroorzaakt door de stijgende uitstoot van (vooral) CO2 bij de verbranding van fossiele brandstoffen. De gevolgen van de huidige verbranding van fossiele brandstoffen zullen in de toekomst sterk toenemen. Met andere woorden, de manier waarop wij energie verbruiken heeft voor de toekomstige generaties grote gevolgen. Daarom moeten we dus alle mogelijkheden onderzoeken om de CO2 uitstoot zo veel mogelijk te beperken of terug te dringen.
Niet enkel moeten we de toekomstige generaties een leefbare atmosfeer nalaten, we moeten hen ook een voldoende mate van comfort mogelijk maken. Fossiele brandstoffen zullen op middellange termijn nog steeds vereist zijn. Aangezien olie- en gasvoorraden eindig zijn, zijn besparingen dus noodzakelijk willen we de toekomstige generaties ook nog over fossiele brandstoffen laten beschikken. Zeker indien we er de evolutie van de wereldbevolking bij beschouwen. Volgens recente schattingen van de Verenigde Naties neemt de wereldbevolking toe met 40% in 2050. Er zullen dan naar schatting 9,1 miljard mensen op aarde zijn. Dit gegeven, samen met de steeds stijgende algemene welvaart (zeker in termen van consumptie) verhoogt de nood om ons energieverbruik te laten dalen. (De Standaard, 2005)
Uit gegevens van het MIRA blijkt dat, indien we de fossiele brandstoffen aan het huidige tempo blijven consumeren, we met de momenteel gekende en ontginbare oliereserves nog tot het jaar 2045 toekomen. De aardgasreserves zouden volstaan om nog 60 jaar aan het huidige tempo te consumeren en voor steen- en bruinkoolreserves is er nog een voorraad van 371 jaar. Deze waarden zij af te lezen uit Tabel 10 waar er een overzicht wordt gegeven van de wereldvoorraden en reserves van fossiele en nucleaire brandstoffen.
Tabel 10: Overzicht van de wereldvoorraden en aantal jaren van beschikbaarheid aan fossiele en nucleaire energiebronnen (MIRA, 2008)
Hierbij is het belangrijk om op te merken dat er een verschil bestaat tussen de reserves en voorraden van fossiele brandstoffen. Reserves zijn die hoeveelheden niet-hernieuwbare brandstoffen die op dit moment technologisch en economisch winbaar zijn. Voorraden zijn die hoeveelheden die wel geologisch geïdentificeerd zijn, maar nog niet technologisch of economisch winbaar zijn. (MIRA, 2008)
Gegeven de verwachte toename van de wereldbevolking is het meer dan waarschijnlijk dat de vraag naar (niet-hernieuwbare) energie toeneemt. Dit gecombineerd met een minder snel toenemend aanbod van fossiele brandstoffen zal leiden tot sterke prijsstijgingen. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid dat in de toekomst een deel van de voorraden wel economisch winbaar wordt en dus een reserve wordt die we kunnen aanspreken. In dit geval kan er bovenop de al eerder vermelde reserves nog tot 21 jaar aardolie, tot 73 jaar aardgas en tot 1960 jaar kolen worden gewonnen aan het tempo van 2005 onder de voorwaarde dat alle geologisch gekende voorraden benut worden. (MIRA, 2008)
Indien we warmte en elektriciteit integraal gebruiken, kan zoals eerder reeds gezien, een warmtekrachtkoppeling een primaire brandstofbesparing opleveren ten opzichte van een gescheiden productie (zie hoofdstuk 2). Er is ook nog een andere reden waarom een warmtekrachtkoppeling een brandstofbesparing oplevert: de installaties bevinden zich veel dichter bij de gebruiker dan een centrale elektriciteitscentrale. Warmtekrachtkoppeling- installaties kunnen dus de elektrische verliezen langs het transport- en distributienet van centraal opgewekte elektriciteit reduceren of bijna volledig elimineren. Deze verliezen kunnen 8 tot 10% van de elektrische energie aan de bron bedragen. (COGEN, 2005)
De vraag bij deze transgenerationele solidariteit is: ‘Wat zijn we bereid hiervoor te betalen?’. Welke kosten is de gemeenschap bereid te dragen in de vorm van investeringen in (dure) duurzamere technologieën, verlies van comfort, quota’s voor maximaal energieverbruik, beperkte emissierechten … ? Het is investeren in een betere toekomst en warmtekracht- koppeling kan hier zijn steentje bijdragen.
4.4 Technologisch multiplicator effect
België haalt waarschijnlijk de Kyoto normen niet en zal dus CO2 rechten moeten aankopen van het buitenland. We zullen dus in feite ‘zuiver lucht’ aankopen. Met het geld dat we op die manier naar het buitenland zouden sturen kunnen we zelf dus geen investeringen doen. De vraag die we ons hierbij kunnen stellen is of het dus niet beter zou zijn om deze middelen te investeren in (nieuwe) warmtekrachtkoppelinginstallaties, die op dit ogenblik misschien niet rendabel zijn
maar wel een vermindering van de CO2 uitstoot kunnen bewerkstelligen? Wanneer er meer geïnvesteerd wordt in warmtekrachtkoppeling zal dit ook een stimulans zijn voor andere technologieën die zich op die manier (sneller) gaan of kunnen ontwikkelen. Op die manier werkt een technologisch multiplicator effect waarbij ook andere technologieën (niet noodzakelijk technologieën voor warmtekrachtkoppeling) kunnen profiteren van de gemaakte kosten voor warmtekrachtkoppeling.
4.5 Economisch multiplicator effect
Naarmate er dus meer in WKK geïnvesteerd wordt, zal dit ervoor zorgen dat de economische activiteit in deze sector toeneemt. Hierdoor zal er meer werk en meer inkomen zijn. Zo kan de technologische evolutie ervoor zorgen dat warmtekrachtkoppelingen bijvoorbeeld een grotere brandstofflexibiliteit bereiken, waardoor nieuwe mogelijkheden ontstaan voor het gebruik van een aantal alternatieve brandstoffen zoals bijvoorbeeld gemeentelijk afval, biomassa, synthetische vloeibare of gasvormige brandstoffen. Deze kansen kunnen door lokale autoriteiten zoals bijvoorbeeld gemeenten of door privé-investeerders gegrepen worden waardoor er extra economische activiteit wordt gecreëerd.
Er kan ook op een indirecte manier economische activiteit bijkomen dankzij het gebruik van warmtekrachtkoppeling. Zo zullen ook bedrijven ontstaan die als tussenschakel opereren tussen producent en koper om op die manier een breder aanbod aan te kunnen bieden aan de klant. Voor de klant biedt dit het voordeel dat ze een op maat gemaakt pakket kan aanschaffen dat aangepast is aan haar specifieke behoeften. Deze nieuwe bedrijven kunnen naast verkoop ook enkele andere diensten gaan aanbieden zoals onderhoud en herstellingen.
4.6 Sociaal multiplicatoreffect effect
Naast de hiervoor genoemde effecten biedt het gebruik van warmtekrachtkoppeling ook een sociaal multiplicator effect als werkverschaffer. Zoals werd aangehaald in paragraaf 4.5 kan investeren in warmtekrachtkoppeling tot gevolg hebben dat er direct en indirect extra economische activiteit wordt gecreëerd. Deze bijkomende economische activiteit betekent dat er bijkomende banen worden gecreëerd. Deze nieuwe banen verhogen niet alleen de maatschappelijke welvaart door het creëren van nieuwe banen, maar bieden ook meer personen arbeidsvreugde. Hierdoor neemt het maatschappelijk welzijn toe.
4.7 Sociaal effect
De huidige grote elektriciteitscentrales zijn meestal gelegen in afgelegen gebieden. Dit zorgt ervoor dat veel personeel voor de bouw en werking van de installatie lange afstanden moet afleggen van hun woning tot hun plaats van tewerkstelling. Naast de extra vervuiling die deze dagelijkse verplaatsing met zich meebrengt, neemt dit ook behoorlijk wat tijd in beslag. Door de warmtekrachtkoppelingen dichterbij meer verstedelijkte gebieden te bouwen, verminderen deze de vervuiling van het pendelen door de kortere verplaatsing van het personeel tussen hun thuis en hun werk. Ook zal deze kortere verplaatsing minder tijd in beslag nemen zodat het personeel over meer vrije tijd beschikt. Dit verhoogt dus zijn of haar ‘geluk’ en verbetert dus mede de maatschappelijke welvaart.
Het installeren van een warmtekrachtkoppelinginstallatie is een kapitaalintensieve aangelegenheid. Wanneer een bedrijf beslist over de implementatie ervan, betekent dit dus dat zij een beslissing neemt met een impact op langere termijn. Wordt er vervolgens een warmtekrachtkoppeling geplaatst, dan betekent dit voor het personeel een positief signaal. Het bedrijf is met andere woorden dus van plan om nog minstens tien jaar zijn bedrijf op de huidige locatie open te houden. Het implementeren van een warmtekrachtkoppeling biedt dus enige garantie voor het personeel op werkzekerheid in de nabije toekomst. En deze werkzekerheid maakt het personeel gelukkiger.
4.8 Voordelen voor nutsbedrijven
De nutsbedrijven moeten regelmatig nieuwe installaties bouwen. Dit doen ze om hun huidige capaciteit te vervangen of om nieuwe capaciteit te creëren om op die manier aan de gestegen vraag te voldoen. Wanneer men in deze gevallen kiest voor warmtekrachtkoppeling kan dit economische besparingen opleveren. Er zijn hiervoor een aantal redenen aan te halen. Zo voegen warmtekrachtkoppelinginstallaties ten eerste bijkomende capaciteit toe en verminderen ze dus de nood aan investeringen in de centrale installaties. Een tweede reden is dat ze een betere verzekering bieden tegen schommelingen in de elektriciteitsvraag dan het overdimensioneren van de klassieke elektriciteitscentrales. Dit doordat hun relatief kleine omvang en hun kortere constructietijd meer flexibiliteit biedt dan grote basislast elektriciteitscentrales om te voldoen aan deze vraagveranderingen. Een derde reden is de lagere intrestkosten gedurende de bouw van de installatie en dus ook een lagere totale kost van de installatie aangezien een warmtekrachtkoppeling een veel kortere constructietijd heeft dan grote klassieke installaties. (COGEN, 2005)
We moeten hierbij ook enkele bemerkingen maken. Warmtekrachtkoppelinginstallaties die in parallel werken en verbonden zijn met het net verhogen de betrouwbaarheid van de elektriciteitsvoorziening, maar kunnen ook een negatief effect hebben op de stabiliteit van het net als ze niet behoorlijk verbonden zijn. Goede afspraken hierover met de netbeheerder zijn hier dus noodzakelijk. De WKK-crisis in Nederland van het afgelopen half jaar heeft dit aangetoond. Alle nieuwe aanvragen voor de aansluiting van WKK’s aan het net worden geweigerd omdat het elektriciteitsnet hun stroom niet meer kon slikken (COGEN, 2008c). Een oplossing hiervoor in de toekomst kan ‘Smart Cogeneration’ zijn. Dit betekent dat de warmtekrachtkoppelingen geïntegreerd worden in een complexe energievoorziening waarbij een goede (centrale) sturing (bv via internet) van alle installaties noodzakelijk is.
Een tweede opmerking hierbij is dat de implementatie van grote industriële warmtekrachtkoppelinginstallaties toch een negatief economische effect kan hebben voor de nutsbedrijven. Dit kan gebeuren wanneer het nutsbedrijf een overcapaciteit heeft of al reeds grote bouwprojecten in uitvoering heeft. Wanneer er dan grote industriële afnemers uit hun portefeuille verdwijnen, zal het nutsbedrijf haar vaste kosten aan een lagere productie moeten aanrekenen. Dit effect heeft dus vooral een invloed op korte termijn. Op langere termijn kunnen er afspraken gemaakt worden en kan het nutsbedrijf afzien van nieuwe installaties zodat het voor haar wel economisch voordelig wordt.
Een oplossing voor de hierboven genoemde opmerking is dat de nutsbedrijven zelf de warmtekrachtkoppelinginstallaties bezitten en uitbaten. Op deze manier dragen de nutsbedrijven ook de kosten van transportverliezen niet meer. In een aantal gevallen wordt dit ook in Vlaanderen toegepast.
4.9 Netontlasting
Door meer warmtekrachtkoppelinginstallaties te installeren wordt er meer en meer overgegaan tot een decentrale (lokale) energieproductie. Dit zorgt ervoor dat het elektriciteitsnet ontlast wordt. Hierdoor kan dan de algemene kost van het elektriciteitsnet verminderd worden. Hierbij kan men bovendien argumenteren dat decentrale energieproductie zorgt voor meer concurrentie op de energiemarkt en ook zorgt voor minder afhankelijkheid van de macht van de grootschalige centrale energieopwekking. Ook in het kader van de liberalisering en de internationale handel in elektriciteit kan warmtekrachtkoppeling van belang zijn bij plaatselijke tekorten. Zo zou men ervoor kunnen opteren dat de WKK’s tijdelijk minder stroom aan het net leveren zodat er capaciteit kan vrijkomen op het net om elektriciteit naar het plaatselijk tekort te transporteren.
5 Methoden voor de overheid om het gebruik van warmte- krachtkoppeling aan te moedigen
De overheden op verschillende niveaus beschikken over diverse methoden om het gebruik van warmtekrachtkoppeling aan te moedigen. Deze maatregelen kunnen worden opgesomd in ‘stijgende graad van overheidstussenkomst’:
1. Een eerste mogelijkheid is de potentiële gebruikers informeren. De overheid kan deze taak dan financieren. Hierbij denken we aan de financiering voor COGEN Vlaanderen, dat instaat voor de promotie van warmtekrachtkoppeling in Vlaanderen.
2. Een tweede mogelijkheid waarover een overheid beschikt, is het financieel steunen van
onderzoek en ontwikkeling in de diverse technologieën.
3. Een derde mogelijkheid is het invoeren van een systeem van benchmarking met betrekking tot het energieverbruik (voor diverse toepassingen).
4. Een vierde mogelijkheid is het opstellen van wettelijke verplichtingen met betrekking tot de energieproductie. Hier situeert zich onder meer de warmtekrachtcertificatenverplichting voor elektriciteitsleveranciers.
5. Een vijfde mogelijkheid waarover een overheid beschikt is het implementeren van een systeem dat voorziet in directe financiële stimulansen. Deze stimulansen kunnen in twee groepen worden opgesplitst, namelijk investeringsstimulansen en uitbatingstimulansen.
5.1 Informatie verstrekken
Het is het objectief van de Vlaamse Overheid om tegen het jaar 2010 25% van de elektriciteitsleveringen milieuvriendelijk op te wekken. Het gebruik van warmtekracht- koppelinginstallaties moet hierbij instaan voor 19% (6% moet worden gerealiseerd door het gebruik van hernieuwbare energie). Om dit te realiseren heeft de Vlaamse Overheid gevraagd om een organisatie op te richten om de implementatie van warmtekrachtkoppeling te promoten, namelijk COGEN Vlaanderen.
COGEN Vlaanderen is een onafhankelijke vzw die instaat voor de promotie van warmtekrachtkoppeling als middel om de CO2 uitstoot te verminderen en zo bij te dragen aan de doelstelling van de Vlaamse Overheid. Samen met Electrabel en Distrigas kent de Vlaamse Overheid financiële steun toe aan deze organisatie. COGEN Vlaanderen kent 37 stichtende leden, zowel bedrijven als privé personen: fabrikanten, energiebedrijven, installateurs,
studiebureaus, wetenschappelijke instellingen en gebruikers. In het jaar 2007 kende de organisatie in totaal 174 leden, waaronder ook de UHasselt. COGEN Vlaanderen werkt dan nauw samen met de overheid en de belangrijke spelers op de markt voor warmtekrachtkoppeling. Naast haar informatietaak moedigt ze realistische, technisch en economisch verantwoorde projecten aan die een belangrijke milieu-impact hebben. (Energiesparen, 2008a; COGEN, 2008b)
De strategie en objectieven van COGEN Vlaanderen zijn terug te vinden op hun website (2008b) en betreft de onder meer de volgende aspecten:
1. Bewustmaking en vorming van technici en beslissers over WKK;
2. Publicaties over de verschillende deelaspecten van WKK, in de vorm van o.a. een nieuwsbrief, wegwijzer, dossiers. Daarnaast ook organisatie van studiedagen, congres en opleiding;
3. Preferentiële gesprekspartner van de overheid inzake beleidsondersteunend advies;
4. Streven naar gelijkberechtiging van WKK en hernieuwbare energieën, per eenheid uitgespaarde CO2;
5. Streven naar en aanmoedigen van technologieën en toepassingen die ook op lange termijn technisch-economisch waardevol blijven, los van schommelingen van de primaire energie- en elektriciteitsmarkt;
6. (Starters)advies aan gebruikers en eigenaars van WKK-systemen;
5.2 Financiële steun voor onderzoek en ontwikkeling
Naast de reeds genoemde initiatieven die de overheden (kunnen) nemen, bestaat er ook nog de mogelijkheid om het onderzoek en de ontwikkeling van warmtekrachttechnologie te steunen met overheidsmiddelen. Maar aangezien dit geen directe meetbare resultaten kan geven, is dit voor de overheid geen aantrekkelijke maatregel. Ook zou deze overheidssteun eerder aan bijvoorbeeld universiteiten moeten worden toegekend dan aan bedrijven, gezien de strenge regels omtrent overheidssteun in het kader van eerlijke concurrentie.
5.3 Benchmarking
Algemeen gesproken is benchmarking een techniek om de eigen prestaties continu te vergelijken met die van andere deelnemers. Indien de eigen prestaties niet voldoende zijn, kan men door het toepassen van nieuwe processen, technieken of producten de eigen prestaties
verbeteren. In de industrie kan dit relatief gemakkelijk worden toegepast op het energieverbruik. Zo kan men voor de papierindustrie bijvoorbeeld het verbruik uitdrukken in ton CO2 per ton papier. We bespreken hieronder het concept van benchmarking, toegepast op het energieverbruik van appartementsgebouwen.
De aandacht kan hierbij uitgaan naar de meetbare factor ‘E-peil’. Het E-peil is een maat voor het energieverbruik in standaardomstandigheden. Het E-peil houdt onder andere rekening met de thermische isolatie en de installaties voor verwarming en warm water. De huidige norm is 100 en een lager E-peil betekent een lager energieverbruik. Wanneer er inventaris zou worden gemaakt van deze factor in appartementsgebouwen en we vervolgens de scores gaan uitzetten in een frequentieverdeling, kunnen we verwachten dat deze verdeling de normale verdeling benadert. Dit concept wordt in de volgende figuur weergegeven.
0,08
frequentie dichtheid
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
20%
X Y
E-peil
Figuur 13: Frequentieverdeling E-peil
Wanneer we hierop benchmarking toepassen kunnen we proberen om bijvoorbeeld de 20% slechts scorende gebouwen met een E-peil van meer dan Y (gekleurd gebied) te verplichten om aan het gemiddelde van X te voldoen. Deze inventaris zou dan elke 5 jaar opnieuw kunnen worden opgesteld om zo een nieuwe Y waarde te berekenen waaraan minimum moet voldaan worden. Op die manier verkrijgen we dan ook een continue (haalbare) verbetering van het E- peil.
Het voordeel van een benchmarking benadering in vergelijking met het opleggen van een ‘norm’ is duidelijk. Een norm is moeilijker te bepalen en kan veel kritiek uitlokken omtrent de haalbaarheid ervan. Ook de impact ervan is moeilijk in te schatten. Een benchmark daarentegen verbetert steeds de minst goed scorende gebouwen tot een niveau dat bewezen is haalbaar te zijn.
5.4 Wettelijke verplichtingen
5.4.1 Warmtekrachtcertificatenverplichting voor elektriciteitsleveranciers
Om het gebruik van warmtekrachtkoppeling te stimuleren bestaat er voor elektriciteitsleveranciers een warmtekrachtcertificatenverplichting in Vlaanderen. Deze verplichting voor leveranciers, om een minimum aandeel elektriciteit uit kwalitatieve warmtekrachtkoppeling te leveren aan zijn afnemers, geldt sinds 2005. Ze heeft als doel een bepaalde hoeveelheid primaire energie te besparen om zo bij te dragen aan de vermindering van de CO2-uitstoot in Vlaanderen.
Jaarlijks moeten elektriciteitsleveranciers een bepaald aantal certificaten inleveren bij de VREG (Vlaamse reguleringsinstantie voor de elektriciteits- en gasmarkt) als bewijs voor dit verplicht minimum aandeel. Ze moeten dit doen vóór 31 maart van het daaropvolgende jaar. Indien een leverancier te weinig certificaten indient bij de VREG, zal zij een administratieve boete moeten betalen van 45 EUR voor elk ontbrekend warmtekrachtcertificaat. Het aantal certificaten dat een leverancier moet inleveren wordt bepaald aan de hand van de volgende formule: (VREG, 2008a)
C = G x Ev
met C: het aantal in te leveren certificaten G: de minimumquota’s
Ev: de totale hoeveelheid elektriciteit (in MWh) geleverd in het beschouwde jaar
De minimumquota’s die de elektriciteitsleveranciers sinds 2005 moeten voorleggen stijgen elk jaar. In 2005 bedroeg dit minimum aandeel slecht 1,19% van de totale hoeveelheid geleverde elektriciteit. Voor het jaar 2008 bedraagt deze quota 3,73% en vanaf 2012 bedraagt ze 5,23%.
4,90% 5,20% 5,23% 5,23% 5,23%
3,73%
4,39%
2,96%
2,16%
1,19%
6,00%
5,00%
4,00%
3,00%
2,00%
1,00%
0,00%
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Figuur 14: Evolutie van het minimum aandeel elektriciteit uit kwalitatieve warmtekrachtkoppeling voor elektriciteitsleveranciers (VREG, 2008a)
Indien de leverancier ook producent is kan zij deze certificaten zelf aanvragen bij de VREG. In het andere geval kan een leverancier deze certificaten aankopen bij de producenten op de certificatenmarkt. De prijs voor deze certificaten wordt bepaald door het marktmechanisme. Voor de producenten van elektriciteit uit een kwalitatieve warmtekrachtkoppeling bieden deze verkoopbare certificaten dus een financiële stimulans of subsidie. Dit ‘producenten’ gedeelte wordt verderop in het hoofdstuk uitgebreid besproken.
5.4.2 Verplicht haalbaarheidsonderzoek voor warmtekrachtkoppeling bij gebouwen groter dan 1000 m²
De Vlaamse Regering gaf in november 2007 haar definitieve goedkeuring aan het besluit ‘voor de invoering van de haalbaarheidsstudie voor alternatieve energiesystemen’. Het besluit voorziet in een verplichte haalbaarheidsstudie voor hernieuwbare energietoepassingen en warmtekrachtkoppeling voor gebouwen groter dan 1000 m2. (Energiesparen, 2008b)
De bedoeling van deze verplichting is vooral het informeren van de bouwheren over de mogelijke technieken, de verkrijgbare subsidies en de haalbaarheid van hernieuwbare energietoepassingen en warmtekrachtkoppeling. De gebouwen voor welke men een verplicht haalbaarheidsonderzoek moet laten uitvoeren hebben de volgende kenmerken:
• De gebouwen hebben een vloeroppervlakte groter dan 1000 m²;
• De stedenbouwkundige vergunning is aangevraagd na 31 januari 2008;
• Het gebouw (of het betreffende gedeelte) wordt verwarmd om een specifieke binnentemperatuur te bekomen ten behoeve van mensen.
De technologieën die onderzocht moeten worden hangen af van de gebouwbestemming en de bruikbare vloeroppervlakte. Ze zijn opgenomen in Bijlage I van het Ministerieel Besluit van 11 januari 2008. Ze zijn zodanig geselecteerd dat de kans op haalbaarheid vrij groot is. Met betrekking tot warmtekrachtkoppeling moet een haalbaarheidsstudie worden uitgevoerd indien de gebouwbestemming (hoofdbestemming) één van de volgende negen types is:
1) Wonen | 4) Industrie | 7) Handel |
2) Kantoor | 5) Gezondheidszorg | 8) Bijeenkomstgebouw |
3) Onderwijs | 6) Sport | 9) Horeca |
Stads- en/of blokverwarming of -koeling moet voor deze types gebouwen enkel onderzocht worden indien ze worden opgericht binnen de zones die zijn aangegeven door het Vlaams Energieagentschap.
5.5 Financiële stimulansen
Net zoals in andere landen wordt in België het gebruik van een warmtekrachtkoppeling financieel gestimuleerd. Deze steun is tweeledig. Enerzijds is er investeringssteun, die éénmalig wordt toegekend en proportioneel is met de grootte van de investering. Anderzijds is er uitbatingsteun die over een langere termijn loopt en evenredig is met de (energetische) prestaties van de installatie.
In België bestaan verschillende investeringssubsidies. Daarnaast verschilt de steun ook van regio tot regio, aangezien warmtekrachtkoppeling onder de regionale bevoegdheden valt. Hierna worden de volgende drie investeringssubsidiesystemen beschreven die gelden voor investeringen in Vlaanderen: de verhoogde investeringsaftrek (federaal), de ecologiepremie (Vlaanderen) en de steun aan demonstratieprojecten (Vlaanderen). Ook wordt de mogelijkheid voor steun aan particulieren toegelicht.
De uitbatingsteun in België bestaat uit een systeem van verhandelbare certificaten om het gebruik van onder meer warmtekrachtkoppeling te stimuleren. In totaal zijn er vier certificatensystemen operationeel. In Vlaanderen kent men twee systemen, namelijk:
- de warmtekrachtcertificaten (WKC), voor primaire energiebesparing met een kwalitatieve warmtekrachtkoppeling
- en de groenestroomcertificaten (GSC), voor de elektriciteitsproductie uit hernieuwbare energiebronnen
In Wallonië zijn er groene certificaten voor zowel hernieuwbare energie als voor warmtekrachtkoppeling. Ook in Brussel is er een systeem met groene certificaten voor zowel hernieuwbare energie als voor warmtekrachtkoppeling. Deze systemen zijn in grote lijnen gelijk, al zijn er ook belangrijke verschillen.
5.5.1 De verhoogde investeringsaftrek
De verhoogde investeringsaftrek betreft een Federale fiscale stimulans voor energiebesparende investeringen zoals een warmtekrachtkoppeling (categorie 7). Om in aanmerking te komen moeten de gemiddelde rendementen van elektriciteit (ηe ) en warmte (ηq ) gelijktijdig voldoen
aan de volgende drie voorwaarden:
η + 2η
e 3 q
≥ 50%
en η
ηe
e + ηq
≥ 25 %
en η
ηq
e + ηq
≥ 25 %
Bedrijven kunnen een gedeelte van hun bedrijfswinst vrijstellen van belastingen met de verhoogde investeringsaftrek. Dit bedrag is gelijk aan een percentage van de energiebesparende investering. Voor investeringen in het jaar 2007 (aanslagjaar 2008) kan men aanspraak maken op een verhoogd percentage van 13,5% (= basisaftrek van 3,5% plus verhoogde aftrek van 10%). Rekening houdend met een belastingsvoet van 33,99% voor vennootschappen levert dit voor 2007 een totale investeringsaftrek op van 4,59% van de totale investeringskost.
Investeringsjaar 2006 2007 | |
Verhoogde investeringsaftrek Vennootschapsbelasting | 14,5% 13,5% 33,99% 33,99% |
Totale verhoogde investeringsaftrek | 4,93% 4,59% |
Voor investeringen in het jaar 2006 (aanslagjaar 2007) bedroeg het percentage van de verhoogde investeringsaftrek nog 14,5%. De basisaftrek is gekoppeld aan het indexcijfer van de consumptieprijzen. Deze steunmaatregel geldt wel enkel voor nieuwe investeringen en wordt in principe éénmalig verleend, al bestaat de mogelijkheid om deze te spreiden.
5.5.2 De ecologiepremie
De ecologiepremie is een premie die wordt gegeven door de Vlaamse Overheid. Deze premie heeft tot doel duurzame investeringen te stimuleren en bedrijven aan te moedigen om een bijdrage te leveren aan de Kyoto doelstellingen. Deze premie geldt in het Vlaamse Gewest voor ondernemingen die investeren in milieu en energie, zoals bijvoorbeeld in warmtekracht- koppeling en duurzame energie.
Vanwege het succes van de ecologiepremie heeft de vraag naar steun het beschikbare budget in het verleden ruimschoots overtroffen. Daarom heeft de Vlaamse Overheid in mei 2007 beslist om het systeem van ecologiepremies te organiseren via een gesloten budgetsysteem en een oproep met een wedstrijdformule. Bedrijven die in aanmerking wensen te komen voor deze steun, kunnen driejaarlijks hun project indienen (= ‘call’). Hun project wordt dan beoordeeld, krijgt een score en wordt vervolgens gerangschikt. Deze score houdt rekening met de bijdrage van de technologie tot de Kyoto-doelstellingen of het Vlaamse milieubeleidsplan en ook met enkele aanvullende criteria. Uiteindelijk wordt het beschikbare budget voor de ecologiepremie verdeeld over de meest gunstig gerangschikte investeringsprojecten totdat het budget voor deze premie is opgebruikt. Ondernemingen zijn dus afhankelijk van de aanvragen van andere bedrijven. (Vlaamse Overheid, 2007)
De technologieën die in aanmerking komen voor de ecologiesteun staan vermeld op een limitatieve technologieënlijst (LTL), samen met het percentage van de investering dat in aanmerking komt voor deze steun. Bij de berekening van de subsidie wordt enkel gekeken naar de extra (gestandaardiseerde) investeringen die noodzakelijk zijn om de milieudoelstellingen te verwezenlijken. Voor elke technologie zijn deze meerkosten terug te vinden op de LTL. Voor de call van 4/1/2008 tot en met 30/4/2008 bedraagt de subsidiabele meerkost voor een (klassieke) warmtekrachtkoppeling 30% van de totale investeringskost. Een hoger percentage (50%) kan men bekomen voor een warmtekrachtkoppeling op biomassa. Op dit gedeelte dat in aanmerking komt kunnen grote ondernemingen een premie krijgen van 10% (was vroeger 25%). Kleine en middelgrote ondernemingen (KMO’s) kunnen een hogere premie krijgen, namelijk 20% (was vroeger 35%).
Grote ondernemingen | KMO’s | ||
Premie : | 10 % | 20 % | |
Meerkosten | Totale ecologiepremie | ||
- Klassieke WKK : | 30 % | 3 % | 6 % |
- WKK op biomassa : | 50 % | 5 % | 10 % |
De uiteindelijke ecologiepremie (indien toegewezen) voor een (klassieke) warmtekracht- koppeling bedraagt dus 3% voor grote ondernemingen en 6% voor kleine en middelgrote ondernemingen. Voor een warmtekrachtkoppeling op biomassa zijn deze percentages 5%, respectievelijk 10%. De totale premie is beperkt tot een maximum van 1,5 miljoen EUR. (Vlaams Agentschap Economie, 2008b)
5.5.3 Steun voor demonstratieprojecten
Naast de hiervoor genoemde investeringssubsidies bestaat er ook steun voor demonstratieprojecten in Vlaanderen. Deze steun kent de Vlaamse Overheid toe aan projecten die nieuwe technieken voor energiebesparing of milieuvriendelijke energieproductie toepassen. Deze subsidie van 50%, met een maximum van 250 000 EUR, geldt enkel voor het innoverende deel van de nieuwe technologie. Deze technologie moet tevens een nieuwe toepassing vertegenwoordigen in een bepaalde sector of in Vlaanderen.
Enkele prioriteiten voor het jaar 2008 (Energiesparen, 2008d) zijn de volgende:
- Warmtekrachtkoppeling in de glastuinbouw, met biogas ontstaan uit de vergisting van selectief ingezamelde organische stromen (dus geen stortgas), waarbij eventueel gebruik gemaakt wordt van een microturbine;
- Microwarmtekrachtkoppeling < 50 kW voor de toepassing op residentiële schaal (in woonwijken of appartementsblokken);
- Elektriciteitsproductie met toepassing van de Organische Rankine Cyclus (ORC) (alle sectoren, met uitzondering van afvalverwerking);
- Hogetemperatuuropslag met restwarmte/WKK/zonne-energie.
Naast de opgesomde maatregelen voor bedrijven is er ook overheidssteun voor particulieren. Wanneer een oude stookketel vervangen wordt door een microwarmtekrachtkoppeling, krijgt een privé persoon een fiscaal voordeel. Deze moet dan wel geïnstalleerd zijn door een geregistreerd aannemer. Voor het inkomstenjaar 2008 (aanslagjaar 2009) komt 40% van de investering in aanmerking voor belastingvermindering. Het belastingvoordeel heeft een maximum van 2650 EUR per woning voor het beschouwde inkomstenjaar. (Energiesparen, 2008e)
5.5.4 Warmtekrachtcertificaten (WKC)
Het Vlaams certificatensysteem voor warmtekrachtkoppeling is gebaseerd op het feit dat warmte en elektriciteit geproduceerd wordt op een energiezuinigere manier dan een gescheiden opwekking van warmte en elektriciteit dit kan doen. Het is dan ook deze primaire energiebesparing die aan de basis ligt voor de toekenning van warmtekrachtcertificaten.
5.5.4.1 Aantal toegekende certificaten
Voordat men kan berekenen hoeveel WKC een bepaalde installatie kan verkrijgen, moet eerst de absolute primaire energiebesparing worden berekend. Om deze primaire energiebesparing (PEB) te berekenen moet volgende formule gehanteerd worden:
1
1
⎛ α ⎞
PEB = E ⋅ ⎜ + q − ⎟
⎝
⎠
⎜ηe
αe ⋅ηq
αe ⎟
met E : de binnen de beschouwde periode (maand) door de warmtekrachtinstallatie geproduceerde hoeveelheid elektriciteit (MWh)
αe : het elektrisch rendement van de warmtekrachtinstallatie
αq : het thermisch rendement van de warmtekrachtinstallatie
ηe : het elektrisch rendement van de referentiecentrale (Vlaanderen)
ηq : het thermisch rendement van de referentieketel (Vlaanderen)
Per gerealiseerde MWh primaire energiebesparing verkrijgt men dan één certificaat. De VREG (Vlaamse reguleringsinstantie voor de elektriciteits- en gasmarkt) kent dan maandelijks deze certificaten toe op basis van de gerealiseerde primaire energiebesparing in de voorbije maand.
De waardes voor het elektrisch en thermisch rendement van de warmtekrachtkoppeling moeten worden bepaald na meting van de output en de verbruikte brandstof. Enkel bij installaties met een nominaal elektrisch vermogen dat kleiner is dan 200kW mogen de ontwerprendementen worden gebruikt.
Om de primaire brandstofbesparing te kunnen berekenen wordt er bij een gescheiden productie uitgegaan van de rendementen van referentie installaties. De Minister van Energie van de Vlaamse Regering heeft de bevoegdheid om, na advies van de VREG, deze referentierendementen aan te passen aan de stand van de technologie. Op dit ogenblik gelden de volgende referentierendementen:
Tabel 11: Xxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx (XXXXX, 0000x)
Xxxxxxxxx referentierendement | ||||
Toepassing | Hete lucht voor droogtoepassing | Warm water | Stoom en rest | COP koude |
Algemeen | 93,0% | 90,0% | 85,0% | 500,0% |
Biogas | 70,0% | |||
Elektrisch referentierendement | |||
Nominale spanning elektriciteitsnet | ≤ 15kV | >15 kV | |
Algemeen | 50,0% | 55,0% | |
Biogas | 42,0% | ||
Vloeibare biobrandstoffen | 42,7% | ||
Hout en houtafval | 34,0% | ||
Andere vaste biomassastromen | 25,0% | ||
5.5.4.2 Voorwaarden
Een warmtekrachtkoppelinginstallatie moet aan de volgende drie voorwaarden voldoen om in aanmerking te komen voor warmtekrachtcertificaten:
- De installatie moet gelegen zijn in het Vlaamse Gewest.
- De installatie moet in dienst genomen zijn na 1 januari 2002 of sindsdien ingrijpend gewijzigd. Dit betekent dus dat steun via WKC enkel gericht is op nieuwe installaties.
- Het moet een kwalitatieve warmtekrachtkoppeling zijn.
Om het label ‘kwalitatieve warmtekrachtkoppeling’ te bekomen moet de installatie over de laatste 12 maanden, ten opzichte van de referentie-installaties voor gescheiden opwekking, gemiddeld een relatieve primaire energiebesparing (RPE) hebben gerealiseerd van:
o minimaal 10 procent voor grote installaties (> 1MWe)
o minimaal 0 procent voor kleinschalige installaties (< 1MWe)
De relatieve primaire energiebesparing wordt gedefinieerd zoals we in hoofdstuk 2 gezien hebben:
α
RPE = 1 −
e
ηe
1
+ αq
ηq
met
αe : het elektrisch rendement van de warmtekrachtinstallatie
αq : het thermisch rendement van de warmtekrachtinstallatie ηe : het elektrisch rendement van de referentiecentrale (Europa) ηq : het thermisch rendement van de referentieketel (Europa)
De in deze formule gehanteerde referentierendementen zijn niet de Vlaamse referentierendementen uit Tabel 11 maar zijn Europese referentierendementen. Deze waardes zijn functie van een aantal parameters. De Europese referentierendementen zijn vastgelegd in het Ministerieel Besluit van 6 oktober 2006.
5.5.4.3 Degressief aantal warmtekrachtcertificaten
Het systeem van WKC is zo opgesteld dat het aantal WKC waar een installatie recht op heeft, degressief afneemt in de tijd. De eerste 4 jaar (48 maanden) dat de warmtekrachtkoppeling operationeel is, mogen alle certificaten worden ingediend. Na deze periode, dus vanaf maand 49, kan er slechts een fractie X van de certificaten bekomen worden. Deze fractie X is gebaseerd op de relatieve primaire energiebesparing. Hierbij kan een installatie die meer brandstof bespaart langer genieten van de WKC en zal deze ook meer steun krijgen (zie voorbeelden verder).
De fractie X wordt berekend met behulp van volgende formule:
X = RPE − 0,2 ⋅ (T − 48)
RPE
met T : de tijd in maanden sinds de indienstname van de installatie RPE : de relatieve primaire energiebesparing
De gehanteerde formule voor de RPE uit bovenstaande formule (zie ook hoofdstuk 2) is de volgende:
α
RPE = 1 −
e
ηe
1
+ αq
ηq
met
αe : het elektrisch rendement van de warmtekrachtinstallatie
αq : het thermisch rendement van de warmtekrachtinstallatie
ηe : het elektrisch rendement van de referentiecentrale (Vlaanderen)
ηq : het thermisch rendement van de referentieketel (Vlaanderen)
Nota: De referentierendementen zijn de Vlaamse referentierendementen (Tabel 11)
Om dit principe van de degressief dalende certificaten te verduidelijken werken we met enkele (theoretische) voorbeelden en bovenstaande formules. De beschouwde warmtekrachtkoppelinginstallaties voldoen aan de drie voorwaarden om in aanmerking te komen en we veronderstellen de volgende rendementen:
αe | α q | RPE | |
Voorbeeld 1 | 35% | 49,5% | 20% |
Voorbeeld 2 | 30% | 46% | 10% |
Met deze waardes kunnen we nu hun invloed op het aantal certificaten in de tijd berekenen aan de hand van bovenstaande formules.
Voorbeeld 1:
αe = 0,35 en αq = 0,495. Dit geeft een RPE van 20%
Na uitwerking bekomen we het volgend degressief verloop van het aantal WKC:
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1
8 9 10
% WKC 100 58% 46% 34%
15 jaar
0%
14
0%
13
0%
12
9%
11
22%
7
70%
6
82%
5
94%
4
100
3
100
2
100
Figuur 15: Verloop van het aantal WKC in de tijd, voorbeeld 1
In dit voorbeeld zien we dat een RPE van 20% ervoor zorgt dat er 12 jaar kan genoten worden van WKC. Na 10 jaar heeft men zelfs nog altijd recht op 34% van de oorspronkelijk toegekende WKC.
Voorbeeld 2:
αe = 0,30 en αq = 0,46. Dit geeft RPE = 10%
Na het uitrekenen bekomen we het volgend degressief verloop van het aantal WKC:
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 jaar
% WKC 100 100 100 100 87% 63% 39% 15% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0%
Figuur 16: Verloop van het aantal WKC in de tijd, voorbeeld 2
We zien nu dat een daling van de RPE tot 10% een drastische vermindering van de duurtijd van de WKC veroorzaakt. In dit voorbeeld heeft men maar 8 jaar recht op WKC, terwijl dit in het vorige voorbeeld 12 jaar was (RPE van 20%).
De twee voorgaande voorbeelden leren ons dus dat de totale toegekende certificaten (en dus ook de financiële steun) sterk afhangt van de RPE. De volgende figuur (Figuur 17) is dan ook uitgerekend en opgesteld om een globaal overzicht te krijgen van de invloed van de relatieve primaire energiebesparing (RPE) op:
a) zowel de duurtijd van de certificaten,
b) als op de hoogte van de certificaten gedurende deze tijd,
De figuur geeft hierbij een vijftal verschillende waardes voor de RPE met hun bijbehorende degressief dalende aantal verkrijgbare WKC. Kortweg beschouwd levert een stijging van de RPE met 500 basispunten (i.e. 5% absolute stijging) een verlenging van de duurtijd van de certificaten op van 2 jaar. Een installatie met een RPE van 5% zou slechts recht geven op 6 jaar WKC, terwijl een installatie met een RPE van 25% recht zou geven op 14 jaar WKC. (Jaarlijkse waardes kleiner dan 3% zijn op de figuur weggelaten)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
RPE
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Jaar
5%
10%
15%
20%
25%
Figuur 17: Invloed van de RPE in de tijd op het aantal WKC (in %) ten opzichte van de eerste 4 jaar (Eigen berekeningen)
5.5.4.4 Evolutie van de marktprijzen voor de WKC
De WKC krijgen hun waarde door de certificatenverplichting opgelegd aan de elektriciteitsleveranciers. Indien zij hun quota’s niet halen, zijn ze verplicht een boete te betalen. De boeteprijs per ontbrekend certificaat bedraagt 45 EUR (sinds maart 2007). Deze
boete is een belangrijk gegeven aangezien ze in principe de maximale marktprijs voor een certificaat bepaalt. In werkelijkheid kunnen de marktprijzen voor WKC zelfs hoger liggen dan deze boete, aangezien het kopen van een certificaat aftrekbaar is van de belastingen en het betalen van een boete niet. (Energiesparen, 2008e)
Als we de marktprijs van de verhandelde certificaten wensen te volgen, kunnen we dit doen op basis van de historische gegevens vanaf november 2005 (eerste verhandeling) tot en met februari 2008 (laatste gegevens). De volgende figuur geeft de evolutie van de marktprijzen (VREG, 2008b) en het aantal verhandelde warmtekrachtcertificaten weer.
400.000
50,00 €
350.000
45,00 €
300.000
40,00 €
250.000
35,00 €
200.000
30,00 €
150.000
25,00 €
100.000
20,00 €
50.000
15,00 €
0
10,00 €
Aantal verhandelde warmtekrachtcertificaten Gemiddelde prijs van een warmtekrachtcertificaat [euro] Boeteprijs
nov/05 dec/05 jan/06 feb/06 mrt/06 apr/06 mei/06 jun/06 jul/06 aug/06 sep/06 okt/06 nov/06
dec/06 jan/07 feb/07 mrt/07 apr/07 mei/07 jun/07 jul/07 aug/07 sep/07 okt/07 nov/07 dec/07 jan/08 feb/08
Figuur 18: Aantal en gemiddelde marktprijs van de verhandelde WKC
Het is opmerkelijk dat het aantal verhandelde WKC piekt in de maand maart. Dit is echter eenvoudig te verklaren aangezien deze periode (eind maart) de deadline is voor de leveranciers om hun aantal certificaten van het voorgaande jaar bij de VREG voor te leggen.
Op deze figuur is goed te zien dat het aantal verhandelbare WKC weinig invloed heeft op de marktprijs. Voor het jaar 2007 bedroeg de gemiddelde marktprijs 41,55 EUR of 92% van de boeteprijs. Deze marktprijs situeert zich sinds mei 2006 tussen de 40 en de 43 EUR. We kunnen
dus concluderen dat deze marktprijs vrij stabiel is en naar alle waarschijnlijkheid zich op hetzelfde niveau zal voortzetten in de komende jaren. Dit mogen we besluiten aangezien er zeker geen overaanbod van WKC dreigt die de quota’s zou overschrijden. Op 31 maart 2007 zouden er namelijk in totaal 1 032 004 WKC ingeleverd moeten zijn door de vergunde leveranciers. In werkelijkheid werden er slechts 566 191 WKC ingeleverd, of dus slechts 54,9%. De leveranciers die niet aan hun quota voldeden, betaalden de boeteprijs van 45 EUR per ontbrekend certificaat. Er is dus zeker nog potentieel voor warmtekrachtkoppeling in termen van potentiële certificaten. (VREG, 2007)
5.5.4.5 Analyse van de marktprijs van de warmtekrachtcertificaten in termen van vermeden externe kosten
De vraag die we ons nu kunnen stellen is de volgende: zijn de vermeden externe kosten (waar het gebruik van warmtekrachtkoppeling voor kan zorgen) verwerkt in de marktprijs (= subsidie) van de WKC? Met andere woorden: wordt warmtekrachtkoppeling ‘ondergesubsidieerd’, ‘overgesubsidieerd’ of is de boeteprijs een goede afstemming op de vermeden externe kosten?
In hoofdstuk 4 werden de externe kosten van een warmtekrachtkoppeling reeds besproken. De cijfers hierover komen van een studie van het VITO (2005). Voor deze analyse gebruiken we dezelfde gegevens. Uit deze studie blijkt dat de vermeden externe kosten van een warmtekrachtkoppeling ten opzichte van andere technologieën de volgende zijn:
Tabel 12: Vermeden externe kosten
Aandeel in de totale elektriciteits- productie (2002) | Vermeden externe kosten (in EUR/MWh) | ||
WKK turbine (gas) | WKK motor (gas) | ||
STEG (gas) Klassieke steenkoolcentrale zonder rookgasreiniging Klassieke steenkoolcentrale met rookgasreiniging | 17% | 3 24 80 tot 90 | (-8) 13 70 tot 80 |
15% | |||
6% | |||
Uit deze gegevens kunnen we besluiten dat de vermeden externe kosten van een warmtekrachtkoppeling (wat betreft de elektriciteitsproductie) zich situeren tussen 3 EUR/MWh en 90 EUR/MWh, afhankelijk van de technologie waarmee vergeleken wordt. We zien daarbij dat warmtekrachtkoppeling vooral een sterke verbetering van de externe kosten met zich
meebrengt bij de vervanging van de klassieke steenkoolcentrales. In vergelijking met een STEG kan alleen een turbine lagere externe kosten voorleggen.
Vergelijken we deze vermeden externe kosten met de marktprijs van de warmtekrachtcertificaten (gemiddeld 41,55 EUR/MWh voor 2007), dan is het moeilijk een eenvoudige conclusie te trekken. We kunnen de analyse opsplitsen in 3 situaties:
1. Zolang er klassieke steenkoolcentrales bestaan zonder rookgassenreiniging, is een certificatenprijs van maximaal 70 tot 90 EUR/MWh verantwoord. Dit is gelijk aan de vermeden externe kosten.
2. Indien er geen klassieke steenkoolcentrales meer bestaan zonder rookgassenreiniging maar enkel met rookgassenreiniging, is op basis van de vermeden externe kosten een certificatenprijs van maximaal 13 tot 24 EUR/MWh verantwoord.
3. Wanneer de bovenstaande installaties volledig vervangen zijn door STEG’s, kan er enkel nog in het geval van turbines een certificatenprijs van maximaal 3 EUR/MWh worden verantwoord.
Om een goede match te hebben tussen de boeteprijs en de vermeden externe kosten, zou er dus jaarlijks een analyse moeten gemaakt worden van de gebruikte technologieën voor de elektriciteitsproductie. Afhankelijk daarvan, kan men dan de boeteprijs aanpassen zodat ze werkelijk de vermeden externe kosten vergoedt. Bekijken we nu de huidige situatie (data uit 2002), dan zien we dat we ons in de eerste situatie bevinden waar er nog gebruik wordt gemaakt van klassieke steenkoolcentrales zonder rookgassenreiniging. Op dit moment is een certificatenprijs van maximaal 90 EUR dus verantwoord. Om maatschappelijke ‘winst’ te bekomen ligt de boeteprijs best lager dan de externe kosten. Indien beide waardes gelijk zijn is er geen verbetering van de maatschappelijke welvaart. We kunnen dus concluderen dat de huidige prijs van 45 EUR/MWh te verantwoorden is, al zou ze ook nog iets hoger mogen liggen, bijvoorbeeld rond 60 EUR/MWh. Er zijn echter naast de externe kosten, ook nog verschillende andere redenen waarom warmtekrachtkoppeling gepromoot en dus gesubsidieerd kan worden. Deze redenen worden besproken in hoofdstuk 4.
Wanneer de prijs van de certificaten wordt afgestemd op de vermeden externe kosten, moeten we wel enkele opmerkingen maken. Met de jaren zullen de oude en vervuilende steenkoolcentrales worden vervangen door (onder andere) STEG’s. Daardoor zullen de vermeden externe kosten afnemen en bijgevolg zal de certificatenprijs ook afnemen wat de rendabiliteit van de warmtekrachtkoppeling-installaties niet ten goede komt. Dit principe zit min of meer ingebouwd in de huidige certificatenregeling waarbij het aantal certificaten waarop men recht heeft, degressief afneemt met de jaren. Een gegarandeerde certificatenprijs gedurende een langere periode zoals bij elektriciteit uit zonne-energie (20 jaar gegarandeerd) zou voor mogelijke investeringen meer garanties bieden, maar kan dus ook leiden tot ‘oversubsidiëring’.
5.5.5 Vergelijking van de certificatensteun voor warmtekrachtkoppeling en voor hernieuwbare energie
Wanneer elektriciteit wordt geproduceerd uit hernieuwbare energie, dan krijgen deze producenten groenestroomcertificaten voor elke geproduceerde MWh. Onder hernieuwbare energie verstaat met zonne-energie, windenergie, waterkracht en biomassa. De distributienetbeheerders zijn verplicht om deze groenestroomcertificaten op te kopen aan een vaste minimumprijs. Deze minimumprijs ligt meestal lager dan de marktprijs en verschilt van technologie tot technologie. Ook voor warmtekrachtcertificaten is er een minimumprijs waartegen de distributiebeheerders verplicht zijn deze op te kopen. In onderstaand overzicht worden deze minimumprijzen per technologie weergegeven. (VREG, 2008e; XXXX 0000x)
Tabel 13: Minimumprijzen voor de certificaten van HE en WKK
Technologie | Minimumprijs per certificaat (EUR/MWh) |
Zonne-energie | 450 |
Waterkracht, getijden- en golfslagenergie | 95 |
Onshore windenergie | 80 |
Biomassa | 80 |
Warmtekrachtkoppeling | 27 |
Hierbij valt vooral de hoge minimumprijs van de certificaten voor zonne-energie op. Deze is zelfs meer dan vijf keer zo hoog als deze voor windenergie. We kunnen deze prijzen echter niet goed beoordelen zolang we de vermeden externe kosten er niet bij betrekken. Deze worden besproken in een studie van het VITO (2005a) en werden reeds in hoofdstuk 4 behandeld. Om de maximale steun te bepalen op basis van vermeden externe kosten, moeten we een vergelijking opstellen ten opzichte van de meest ‘vervuilende’ technologie. In Vlaanderen is dit de klassieke steenkoolcentrale zonder rookgassenreiniging. Per geproduceerde MWh elektriciteit bedragen de externe kosten 102 EUR. Hiervan kunnen we de externe kosten van de beschouwde technologieën aftrekken om zo te komen tot de vermeden externe kosten. Zetten we deze vermeden externe kosten naast de minimumprijs voor de certificaten dan bekomen we volgend overzicht.
turbines energie
WKK
Wind-
Zonne-energie
WKK
motoren
Waterkracht
Biomassa
Maximale vermeden externe kosten (EUR/MWh)
150
100
50
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Minimumprijs per certificaat (EUR/MWh)
Figuur 19: Vergelijking van de maximale vermeden externe kosten met de minumumprijs van de certificaten voor HE en WKK
De diagonaal in deze figuur duidt het punt aan waarbij er geen maatschappelijke winst wordt bereikt. De steun is er even groot als de vermeden externe kosten en dus is dit punt voor de maatschappij indifferent. Links van deze diagonaal wordt er maatschappelijke winst gerealiseerd: de steun aan de producenten is lager dan de vermeden externe kosten en er blijft dus nog ‘winst’ over voor de maatschappij. Rechts van deze diagonaal is er feitelijk sprake van een te grote steun in verhouding tot de realiseerbare vermeden externe kosten. In deze zone is er dus maatschappelijk ‘verlies’ wanneer we enkel kijken naar de vermeden externe kosten.
Analyseren we deze figuur, dan blijkt hier dat zonne-energie te zwaar wordt gesubsidieerd. De certificatensteun (450 EUR/MWh) is vele male groter dan de vermeden externe kosten (+- 100 EUR/MWh). Bij windenergie, waterkracht en biomassa kunnen we zeggen dat er wel een goed evenwicht is tussen steun en vermeden externe kosten. Voor een warmtekrachtkoppeling liggen de minimumprijzen duidelijk lager in verhouding tot de andere technologieën, ondanks het beperkte verschil in vermeden externe kosten tussen de technologieën.
Naast het analyseren van de maximale vermeden externe kosten, is het ook interessant om een analyse te maken waarbij we vergelijken met een STEG centrale. Deze centrale heeft slechts een externe kost van 11,3 EUR/MWh. Voor deze vergelijking gaan we op dezelfde manier tewerk als hiervoor. De vermeden externe kosten worden in de volgende figuur uitgezet tegen de minimale certificatensteun.
WKK
(turbines)
Wind- energie
Zonne-energie
Waterkracht
WKK
(motoren)
Biomassa
100
Vermeden externe kosten tov STEG (EUR/MWh)
50
0
-50
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Minimumprijs per certificaat (EUR/MWh)
Figuur 20: Vergelijking van de vermeden externe kosten ten opzichte van een STEG met de minimumprijs van de certificaten voor HE en WKK
Uit deze figuur kunnen we afleiden dat elke technologie, behalve een warmtekrachtkoppeling met motoren, potentieel heeft om externe kosten te vermijden in vergelijking met een STEG. Opmerkelijker is het feit dat elke technologie, in termen van vermeden externe kosten, te zwaar gesubsidieerd wordt. Alle technologieën liggen namelijk rechts van de diagonaal. De steun voor warmtekrachtkoppeling scoort enerzijds nog het best van allemaal, daar ze het dichtste bij de diagonaal ligt. Anderzijds kunnen we zeggen dat motoren geen steun ‘verdienen’ aangezien ze meer externe kosten veroorzaken dan een STEG. We moeten hierbij wel opmerken dat er voor hernieuwbare energie ook andere redenen zijn die een verhoging van de subsidies verantwoorden, net zoals voor warmtekrachtkoppeling.
5.5.6 Combinatie van warmtekrachtcertificaten (WKC) en groenestroom-certificaten (GSC) voor een warmtekrachtkoppeling
Wanneer een warmtekrachtkoppeling gebruik maakt van een hernieuwbare energiebron als brandstof, dan kan zij naast de warmtekrachtcertificaten ook aanspraak maken op groenestroomcertificaten. Onder hernieuwbare energiebron verstaat de Vlaamse overheid onder meer de volgende bronnen:
- Biogas: ontstaat door vergisting van organisch materiaal;
- Stortgas: een gasmengsel van methaan en koolstofdioxide dat vrijkomt wanneer organisch materiaal door bacteriën wordt omgezet in een afvalstortplaats;
- Biomassa: het biologisch afbreekbare gedeelte van producten, afvalstoffen, plantaardig en dierlijk restmateriaal afkomstig van de land- en bosbouw, van industrieel en huishoudelijk afval.
Groenestroomcertificaten kan men bekomen volgens hetzelfde principe als de warmtekrachtcertificaten, namelijk één certificaat per MWh geproduceerde elektriciteit. De elektriciteitsleveranciers hebben dan ook een certificatenverplichting voor het aandeel groene stroom in hun totale leveringen. De boete voor de leveranciers per ontbrekend GSC ligt hier wel beduidend hoger dan bij de WKC. Ze bedraagt op dit ogenblik 125 EUR per ontbrekend certificaat. (VREG, 2008c)
Meestal hebben dit soort installaties echter lagere rendementen dan fossiel gestookte installaties. Hierdoor zou het kunnen dat het aantal certificaten laag uitvalt, ondanks het feit dat de installaties wel voldoen aan het label ‘hoogrenderende warmtekrachtkoppeling’. Om dit probleem op te lossen mag men voor een warmtekrachtkoppeling op hernieuwbare energie rekenen met aangepaste referentie rendementen, in plaats van de (hogere) Vlaamse referentierendementen (Tabel 11).
Voor elektriciteit zijn dit de referentie rendementen:
- 42% bij gebruik van biogas
- 42,7% bij gebruik van vloeibare biobrandstoffen
- 34% bij gebruik van hout of houtafval
- 25% bij gebruik van andere vaste biomassastromen
Het thermisch referentie rendement bij het gebruik van biogas bedraagt 70%.
5.6 Wallonië en Brussel
Wallonië en Brussel hanteren, in tegenstelling tot Vlaanderen, slechts één systeem van certificaten voor zowel de productie van energie uit hernieuwbare energiebronnen als met een warmtekrachtkoppeling. Dit biedt het voordeel dat er een grotere markt is voor de certificaten, met een hogere liquiditeit tot gevolg. Ook moeten er voor sommige installaties geen twee soorten certificaten worden aangevraagd en moet de regulator slechts één systeem opzetten en controleren.
In alle regio’s wordt er gewerkt met een principe waarbij een vergelijking wordt gemaakt ten opzichte van een gescheiden productie. Echter, de referentierendementen voor de gescheiden productie verschillen van regio tot regio. Zonder in detail te willen treden over de precieze berekeningen in Brussel en Wallonië, is er een belangrijk verschil op te merken in de wijze waarop de certificaten worden toegekend. In Brussel en Wallonië worden deze certificaten namelijk toegekend op basis van de CO2-emissiereductie, dit in tegenstelling tot Vlaanderen waar dit gebeurt op basis van de primaire energiebesparing. In Vlaanderen beschouwen we dus in feite enkel de efficiëntie waarmee een bepaalde brandstof wordt omgezet en niet de
brandstof zelf. In Wallonië en Brussel krijgen installaties die werken op brandstof met een hogere CO2-uitstoot per eenheid primaire energie (bijvoorbeeld diesel) dus wel minder certificaten. (COGEN, 2006)
Ook inzake beperkingen zijn er verschillen te noteren. Daar waar Vlaanderen een beperking van het aantal certificaten in de tijd oplegt, kent Wallonië een getrapte vermogensbegrenzing. Maar ondanks de vele verschillen, compenseren deze elkaar gedeeltelijk.
6 Mogelijkheden voor warmtekrachtkoppeling in de residentiële sector
Toepassingen voor warmtekrachtkoppeling kunnen worden opgedeeld naar verschillende sectoren. Het grootste potentieel situeert zicht in de industriële (of secundaire) sector. Ook in de primaire sector, voornamelijk in de glas- en tuinbouw, en in de tertiaire sector (klinieken, zwembaden,… ) is er potentieel voor een warmtekrachtkoppeling. Het aandeel van de residentiële sector (appartementen en woningen) blijft voorlopig eerder beperkt.
6.1 Aandeel van de residentiële toepassingen in België
In opdracht van het VEA stelde het VITO (2007) een inventaris op van het geïnstalleerd vermogen aan warmtekrachtkoppeling in Vlaanderen in 2006. Figuur 21 geeft de verdeling over de sectoren weer voor motoren. De tuinbouw blijkt er de grootste sector te zijn met 47% van het totaal opgesteld vermogen. De tuinbouw wordt gevolgd door de industrie met 38% aandeel. Het aandeel van afvalverwerking (8%), ziekenhuizen en rusthuizen (5%), sport/recreatie/ cultuur (1%) en kantoren/residentieel (1%) is eerder beperkt.
In dezelfde inventaris onderzocht men ook de verdeling van het opgesteld vermogen voor gasturbines en STEG’s voor 2006. Deze resultaten worden weergegeven in Figuur 22. Hier zien we dat de industrie veruit het grootste aandeel vertegenwoordigt (ruim 88%). Naast de industriële sector vertegenwoordigen de andere sectoren slechts een marginaal aandeel. De papier- en druksector vertegenwoordigt hier 4,7% aandeel, wat bijna gelijk is aan het aandeel van de kantoren en residentieel (4,6%). De voedingssector ten slotte staat in voor een kleine 2% aandeel.
In het algemeen wordt warmtekrachtkoppeling dus slechts weinig toegepast in de residentiële sector en in de kantoren.
73,2
58,3
11,8
8,1
2,1
1,6
Motoren
80
Opgesteld elektrisch vermogen [MWe]
70
60
50
40
30
20
10
0
Tuinbouw Industrie Afvalverwerking Ziekenhuizen en
rusthuizen
Sport/recreatie/ cultuur
Residentieel en kantoren
Figuur 21: Verdeling volgens elektrisch vermogen van motoren over de verschillende sectoren in 2006
STEG
Gasturbines
786,5
270,3
55,8
54,3
23,5
1200
Opgesteld elektrisch vermogen [MWe]
1000
800
600
400
200
0
Industrie
Papier en drukken Residentieel en
kantoren
Voeding
Figuur 22: Verdeling volgens elektrisch vermogen van STEG’s en gasturbines over de verschillende sectoren in 2006
6.2 De residentiële sector
Onder de noemer ‘residentiële sector’ verstaan we hier de private woningen en de appartementen. Aangezien elke woning of appartement nood heeft aan elektriciteit en aan warmte, lijkt een warmtekrachtkoppeling hiervoor een interessante oplossing. De warmte die de warmtekrachtkoppeling produceert kan worden gebruikt voor de verwarming van de ruimtes of voor het verwarmen van sanitair water. De geproduceerde elektriciteit kan de verlichting en allerlei (multimedia-)toestellen van stroom voorzien. Voor de residentiële sector heeft warmtekrachtkoppeling echter specifieke beperkingen, zoals geluidshinder en synchroniteitsproblemen tussen warmte- en elektriciteitsvraag. Deze beperkingen zullen verderop aan bod komen.
Aangezien de vereiste vermogens in deze sector (veel) lager liggen dan in de industrie, spreekt men hier ook wel over mini of micro warmtekrachtkoppeling, afhankelijk van het vermogen. Een eenduidige definitie hiervoor is er echter niet. Als richtlijn (Dexters, 2007) kunnen we wel de volgende waarden beschouwen:
• Mini warmtekrachtkoppeling: ≤ 200 kWe
• Micro warmtekrachtkoppeling: ≤ 10 kWe
6.2.1 Trias energetica
Wanneer de beslissing wordt gemaakt over de energievoorziening van een appartementsblok of een woning, volgt men best een strategie die bekend staat onder de term ‘trias energetica’. Dit begrip werd in 1996 geïntroduceerd door X. Xxxxx (Novem) en is later als strategie uitgewerkt door de TU Delft. De stappen die gevolgd moeten worden zijn opgesteld in volgorde van duurzaamheid. (SenterNovem, 2008)
Stap 1: Beperk de energievraag.
Dit kan door het toepassen van vraagbeperkende maatregelen zoals goed geïsoleerd en luchtdicht bouwen, warmteterugwinning.
Stap 2: Gebruik zoveel mogelijk duurzame energiebronnen. Stap 3: Gebruik de eindige energiebronnen efficiënt.
Zet efficiënte technieken met een hoog rendement in om het resterende energieverbruik op te wekken.
Alvorens men dus een warmtekrachtkoppeling gaat dimensioneren moet men best de voorgaande stappen overlopen. Daarbij is het zeer belangrijk dat de woning of het
appartementsgebouw goed geïsoleerd is. Isoleren is namelijk een eenvoudige en goedkope manier om het energieverbruik te beperken.
6.2.2 Technologieën
De belangrijkste technologieën die in aanmerking komen voor deze residentiële toepassingen zijn de volgende:
- Verbrandingsmotoren;
- Microturbines;
- Stirlingmotoren;
- Brandstofcellen.
Hoewel de interne verbrandingsmotor minder geschikt lijkt voor residentiële toepassingen dan andere technologieën (omwille van de hogere geluidshinder, de trage opwarming, de beperkte betrouwbaarheid en veel onderhoud) lijkt hij voorlopig de enige mogelijkheid die economisch, marktmatig en praktisch haalbaar is. De andere technologieën zijn ook nu nog volop in ontwikkeling. (Voorspools en D’haeseleer, 2001)
6.2.3 Haalbaarheid
Haalbaarheidsstudies tonen aan dat in koudere klimaten, met langere winterperiodes met een hoge warmtevraag, het gebruik van warmtekrachtkoppeling in de residentiele sector nu reeds economisch haalbaar is. In de Noord-Europese landen kent men dan ook al vele voorbeelden. In warmere klimaten (vb. Zuid Europa) met een lagere warmtevraag moet er ook koeling (trigeneratie) worden toegepast opdat het project economisch haalbaar zou zijn. (COGEN, 2006)
Voor projecten in België kan men de website van COGENchallenge (2008) raadplegen. Deze organisatie tracht alle kleinschalige warmtekrachtkoppelingtoepassingen in Europa in één database onder te brengen (er waren al 1303 installaties in maart 2008). De gegevens zijn vrij te raadplegen. Volgens deze database zijn er in België nog geen warmtekrachtkoppelinginstallaties geïnstalleerd in gezinswoningen, maar wel al drie in appartementsgebouwen:
• Residentie “Xx Xxxxxxxxxx” (xx 0000, xx Xxxx-Xxxxxxxxxx-Xxxxxx). Dit complex met 350 appartementen maakt gebruik van 2 warmtekrachtkoppelingen type ecoGEN-25AH (elk 25 kWe en 44 kWth; totale investering van 150 000 EUR) die werken op koolzaadolie, samen met 250 m² zonnecollectoren en een condensatieketel.
• “Xxx Xxxxxxx x'Xxxxxxxxx” (xx 0000, xx Xxxxxx). Dit complex bestaat uit 17 lofts en maakt gebruik van een warmtekrachtkoppeling type ecoGEN-25AH (25 kWe en 44 kWth) die op koolzaad werkt.
• Residentie "Chantebrise" (in 2008, te Luik). Dit appartementsblok beschikt over een warmtekrachtkoppeling type ecoGEN-48SG (48 kWe en 77 kWth) die op aardgas werkt.
In bepaalde Europese landen, zoals Nederland en het Verenigd Koninkrijk, heeft de beschikbaarheid van aardgas en gestandaardiseerde pakketten een impuls gegeven aan de implementatie van warmtekrachtkoppeling in de residentiële sector. Het gebruik van gestandaardiseerde pakketten heeft de volgende voordelen:
• Beschikbaar in elektrische vermogens van 10 kW tot 2 MW
• Lagere kost
• Hoge vermogensdichtheid per volume
• Snel en gemakkelijk te installeren (Alle aansluitingen zijn voorzien)
• Automatische werking, geen gespecialiseerd personeel vereist
Een bijkomende factor die bijdraagt tot de implementatie van warmtekrachtinstallaties in gebouwen is de mogelijkheid om de installatie op afstand te monitoren. De microprocessoren volgen de verschillende werkingsparameters (drukken, temperaturen, spanning, … ) op en kunnen deze verzenden via (bijvoorbeeld) een aparte telefoonlijn naar een centrale computer. Op die manier kan de machine op afstand worden gemonitord en gestuurd. Indien nodig kan een gespecialiseerd team alsnog ter plaatse gaan.
Deze pakketten maken voor kleinere vermogens meestal gebruik van een klassieke motor die op aardgas draait. Xxxxxxx heeft het voordeel van zuiver en relatief goedkoop te zijn. Ook belangrijk voor de kosten is het feit dat aardgas geen opslag vereist. Nadeel aan motoren is het lawaai dat ze produceren. Daarom worden deze motoren onder meer voorzien van akoestische omhulsels, akoestische dempers en geluidsabsorberende materialen om het geluid op een aanvaardbaar niveau te houden. Voor grotere vermogens bestaan er ook pakketten met gasturbines. (COGEN, 2006)
6.2.4 Lawaai en trillingen
Wanneer een warmtekrachtkoppeling wordt gebruikt in een woning of in appartementen, moet men bepaalde normen voor geluidsemissie specificeren om de bewoners te beschermen. Bij toekomstige technologieën zoals de brandstofcellen stelt zich dit probleem niet. Maar de huidige interne verbrandingsmotoren produceren bijvoorbeeld een geluid dat hoger is dan 95 dB(A).
Daarom moeten er maatregelen worden genomen om het geluidsniveau te beperken tot aanvaardbare limieten.
Onder meer aan de volgende aspecten moet de nodige aandacht worden besteed:
1. Het beperken van het lawaai in de kamer zelf met een akoestische afscherming zodat het geluid met minstens 25 dB(A) wordt verminderd. Er kan gebruik worden gemaakt van akoestische dempers op het inlaatkanaal en/of van geluidsabsorberende materialen.
2. Het limiteren van het lawaai in de naburige kamers. Men kan dus extra aandacht besteden aan de constructie van de muren, plafonds en vloeren.
3. Het verminderen van het geluid naar buiten toe. Hiervoor zijn akoestische dempers op de uitlaat het meest aangewezen.
Naast deze maatregelen voor het verminderen van het geluid moet er ook aandacht worden besteedt aan het vermijden van de transmissie van trillingen door de gebouwenstructuur. Daarvoor is het aangewezen om de installatie op een elastische fundering te plaatsen en eventueel nog bijkomend absorptiemateriaal te gebruiken om de trillingen te dempen. (COGEN, 2006)
6.2.5 Synchroniteit tussen elektriciteits- en warmtebehoefte: buffering
Een belangrijk aspect bij de dimensionering van een warmtekrachtkoppeling voor residentiële toepassingen, is de synchroniteit tussen de elektriciteits- en de warmtebehoefte. Het kan voorkomen dat perioden met een lagere warmtebehoefte samenvallen met perioden van hoge elektriciteitsvraag en omgekeerd. Als voorbeeld worden de profielen van een schoolgebouw beschouwd waarbij de synchronisatie tussen beide profielen niet optimaal is. De volgende figuren geven dit probleem duidelijk weer. (Stroobandt, 2007)
Figuur 23: Voorbeeld van een thermisch profiel voor een schoolgebouw
Figuur 24: Voorbeeld van een elektrisch profiel voor een schoolgebouw
Wanneer de warmtevraag op een bepaald moment kleiner is dan het thermisch vermogen van de warmtekrachtkoppeling, dan zijn er twee mogelijkheden: deellastwerking of het wegkoelen van de overtollige warmte. Beide mogelijkheden hebben echter nadelen. Bij deellastwerking daalt het elektrisch rendement en stijgen de onderhoudskosten per kWh. Het wegkoelen van het teveel aan warmte vermindert de energiebesparing. (Energik, 2004)
Een mogelijke oplossing voor het verschil van het thermische en het elektrisch profiel, is het opslaan van de overtollige warmte in een buffer. Dit vereist een slimme sturing waarbij de warmtevraag of de elektriciteitsvraag kan worden gevolgd, afhankelijk van de reeds opgeslagen warmte in de buffer. Wanneer er een grote warmtevraag is, wordt er dan op warmte gedimensioneerd. Wanneer er dan geen warmtevraag is en de buffer kan nog energie opslaan, dan kan er op elektriciteitsvraag worden gedraaid. In periodes met een grote warmtevraag kan deze warmte dan wel nuttig worden aangewend. Het inpassen van een buffer heeft meerdere voordelen:
- De warmtekrachtkoppeling kan een groter deel van de warmtevraag dekken;
- De aan-uit frequentie van de installatie kan worden verminderd. Dit komt de (technische) levensduur van de installatie ten goede;
- De vereiste synchroniteit tussen elektriciteits- en de warmtebehoefte wordt (gedeeltelijk) ontkoppeld.
Eén mogelijke configuratie van een micro-warmtekrachtkoppeling met een buffer (een boiler) en een ketel wordt weergegeven in Figuur 25.
Figuur 25: Voorbeeld configuratie van een buffer
De buffering kan echter op verschillende manieren worden geïmplementeerd:
- Buffering in een afzonderlijk buffervat
- Buffering in het leidingnet
- Buffering in de bestaande ketels
De grootte van deze buffers kan worden bepaald door middel van simulaties. Elke manier van buffering veroorzaakt echter ook verliezen (stilstandverliezen ketel, leidingverliezen …) waarmee rekening gehouden moet worden tijdens de dimensionering. Daarboven maakt de inpassing en regeling van een buffer de inpassing van een warmtekrachtkoppeling complexer. (Energik, 2004)
6.2.6 Netkoppeling
De technische en economische gevolgen van een netkoppeling mag men niet onderschatten. De regels waaraan men zich moet houden worden opgelegd door de distributienetbeheerders die verenigd zijn in Infrax en Eandis. Zij hebben namelijk een aantal verplichtingen. Zo moet de spanning onder alle omstandigheden binnen de normen gehouden worden. Daarvoor moeten verschillende parameters zoals netvervuiling, reactief vermogen en het evenwicht tussen elektriciteitsproductie en –afname goed opgevolgd worden. Het gebruik van warmtekracht- koppeling (en decentrale energieproductie in het algemeen) maken de exploitatie en het dimensioneren van het net ingewikkelder. (Dexters, 2007)
Ook de beschikking over een terugdraaiende meter is belangrijk. Hierdoor werkt het elektriciteitsnet als een buffer, wat het aantal draaiuren van de installatie alleen maar ten goede kan komen. Produceert de installatie meer dan de eigen elektriciteitsvraag en is er dus een overschot, dan moet dit overschot verkocht worden op de vrije markt. De verkoopprijzen hiervoor liggen vanzelfsprekend veel lager dan de aankoopprijzen.
6.3 Vergelijking van de residentiële sector met de tertiaire sector
Wanneer we de residentiële sector (meer specifiek de appartementsgebouwen) vergelijken met de tertiaire sector (meer specifiek de kantoorgebouwen en de scholen), dan zien we dat hun warmte- en elektriciteitsbehoefte grotendeels overeenstemmen. Zowel in appartements- gebouwen als in kantoorgebouwen bestaat de warmtevraag uit de behoefte aan ruimteverwarming en uit de behoefte aan warm tapwater. De elektriciteitsbehoefte bestaat in beide situaties uit de verlichting van de ruimtes en uit de aandrijving van allerlei kleine elektrische apparaten.
Toch is er een belangrijke factor die een beperking vormt in de residentiële sector en niet in de tertiaire sector. Dit betreft de ‘eigendomsregeling’ van de warmtekrachtkoppelinginstallatie. In een kantoorgebouw of een school/universiteit is het gebouw en alle installaties eigendom van één enkele eigenaar. De investerings-, werkings- en brandstofkosten zijn dan ook ten laste van deze eigenaar. Het is ook deze eigenaar die van de economische voordelen van een mogelijke installatie zal kunnen genieten. Dit alles in tegenstelling van een appartementsgebouw waar alle bewoners hun eigen appartement kunnen bezitten. Hier vormen zich dus administratieve en technische moeilijkheden omtrent de eigendom van de warmtekrachtkoppeling en de toewijzing van de kosten. De geleverde warmte en elektriciteit moet namelijk individueel worden opgemeten voor elk appartement. Dit vraagt om extra meters en installatiewerk. Dit is echter noodzakelijk om een correcte toewijzing van de verschillende kosten te kunnen maken.
Deze moeilijkheden staan een implementatie in principe niet in de weg, maar vormen toch een extra complexiteit ten opzichte van een verwarming met hoogrendementsketels. Tegenwoordig krijgt elk individueel appartement meestal zijn eigen verwarmingsketel zodat de toewijzingsmoeilijkheden zich hier niet voordoen. Hierbij is elke bewoner ook verantwoordelijk voor het onderhoud van zijn eigen ketel, daar waar bij een warmtekrachtkoppeling één van de bewoners zal moeten worden aangewezen als verantwoordelijke voor de jaarlijkse onderhoudsbeurt, de reparaties,… .
6.4 Toekomst
Het VITO (2005b) heeft in haar rapport ‘Prognoses voor hernieuwbare energie en warmtekrachtkoppeling tot 2020’ onder meer een potentieel uitgewerkt voor warmtekrachtkoppeling in de residentiële sector in België. De studie brengt wel enkel de installaties in rekening met een vermogen van 85kWe of meer. Dit betekent concreet het potentieel voor appartementen met minstens 50 wooneenheden. De studie geeft aan dat er voor de residentiële sector nog 48 MWe openstaand potentieel is voor motoren. Deze motoren zouden dan een vollastdraaitijd van 3000 uur per jaar moeten hebben.
Volgens Xxxxxx Xxxxxxx (KHLim, 2007) moeten we nog wat geduld hebben om warmtekrachtkoppeling in woningen te zien doorbreken. Eerst moeten er nog een paar technische en economische uitdagingen worden overwonnen. Schaalvergroting zal in de eerste plaats ervoor zorgen dat de prijzen zullen zakken. Hiertoe zijn pilootprojecten nodig. Daarnaast vraagt de problematiek in verband met de netaansluiting een eenvoudige oplossing. De consument zal warmtekrachtkoppeling ook enkel willen indien het een compact systeem is met weinig onderhoud en met hetzelfde gebruiksgemak als het huidige verwarmingssysteem. Aangezien nieuwe woningen een hoog isolatieniveau moeten hebben (EPB regelgeving) is een warmtekrachtkoppeling hiervoor minder geschikt. Het is dan ook in bestaande woningen waar er niet meer extra geïsoleerd kan worden dat warmtekrachtkoppeling meer potentieel heeft. (Dexters, 2007)
7 Gevalstudie voor een appartementsgebouw
7.1 Omschrijving van de gevalstudie
De behandelde gevalstudie werd voorgedragen door COGEN Vlaanderen. Elke jaar publiceren zij een aantal eindwerkvoorstellen op hun website. De gevalstudie zelf handelt over de mogelijkheid om de warmtevoorziening van appartementen te voldoen met behulp van een warmtekrachtkoppeling. Zoals in hoofdstuk 1 reeds werd aangehaald, werd hiervoor samengewerkt met studenten van de XIOS Hogeschool Limburg. Het beschouwde appartementsgebouw is echter nog niet gerealiseerd en dus zijn er enkel bouwplannen beschikbaar. Op basis van deze bouwplannen werd vervolgens een warmtevraagberekening gemaakt door de twee studenten van de XIOS Hogeschool Limburg. Het deel dat in deze eindverhandeling is opgenomen is dan ook (voortbouwend op de resultaten van de twee studenten) hoofdzakelijk een onderzoek naar de economische analyse van het project met behulp van diverse scenario’s.
Het project dat hier wordt behandeld is een appartementsgebouw met honderd appartementen, dat als onderdeel van het woonproject van C-Mine gelegen is te Genk. Het project bestaat uit twee delen, waarvan blok A 72 woningen bevat en blok B er 28 bevat.
7.2 Aanpak van de haalbaarheidsstudie
Om tot een correct besluit te komen in verband met de technische dimensionering en de economische haalbaarheid, steunen we in deze studie op de structuur van Figuur 26. De hoofdstappen die aan bod komen zijn de analyses van de energievraag, het opstellen van jaarbelastingsduurcurves, de bepaling van de technisch mogelijke installaties, de berekening van de primaire energiebesparing, de vermindering van de CO2-uitstoot en de berekening van de rendabiliteit onder verschillende scenario’s.
Figuur 26: Structuur van een haalbaarheidsstudie (Energik, 2004)
7.3 Technische dimensionering
7.3.1 Warmtevraag
De warmtevraag voor de appartementen werd uitgevoerd door de studenten Industrieel Ingenieur van de XIOS Hogeschool Limburg. Aangezien er enkel plannen van de appartementen beschikbaar waren hebben zij de warmtevraag berekend met behulp van de EPB software (Energie prestatieregelgeving) van de Vlaamse Overheid, rekening houdend met verschillende normen (K-peil en E-peil). Als uitkomst geeft dit programma een overzicht van de warmtevraag voor verwarming en tapwater per maand. Voor deze gevalstudie houden we enkel rekening met de energievraag voor verwarming. De warmtevraag voor tapwater wordt hier buiten
beschouwing gelaten als zijnde een niet-relevante warmtevraag. De resultaten van de software zijn terug te vinden in bijlage 1 (blok A) en bijlage 2 (blok B). Hieronder wordt een grafische weergave van de relevante warmtevraag (verwarming) weergegeven.
250.000
200.000
Warmtevraag (kWh)
150.000
100.000
50.000
Jan | Feb | Mrt | Apr | Mei | Jun | Jul | Aug | Sep | Okt | Nov | Dec | |
kWh | 235.162 | 194.619 | 170.197 | 96.537 | 19.582 | 67 | 0 | 0 | 2.675 | 72.505 | 168.356 | 231.289 |
0
Figuur 27:Maandelijkse warmtevraag voor verwarming (blok A + B)
7.3.2 Elektriciteitsvraag
Aangezien er voor dit theoretisch project geen opmeetbare cijfers zijn voor de elektriciteitsvraag, werken we hier met de gemiddelde elektriciteitsvraag voor een gezin. Voor dit gemiddeld elektriciteitsgebruik hanteert de VREG de waarde 3,5 MWh per gezin per jaar. Voor de 100 appartementen samen geeft dit dus een jaarlijkse elektriciteitsvraag van 350 MWh.
We hebben voor de elektriciteitsvraag dus ook geen specifiek profiel per dag of per maand. Daarom zullen we enkel rekening houden met het totaal verbruik aan elektriciteit. We veronderstellen daarbij dat we gebruik kunnen maken van een terugdraaiende elektriciteits- meter, zodat enkel de nettoproductie of het nettoverbruik in de economische analyse worden beschouwd. We beschouwen het elektriciteitsnet dus als buffer voor elektriciteit.
7.3.3 Jaarbelastingsduurcurve van de warmtevraag (jbdc)
Nu we een zicht hebben op de relevante warmtevraag, kunnen we de jaarbelastingsduurcurve opstellen. Deze curve wordt ook wel monotoondiagram genoemd. Hiervoor delen we de
maandelijkse warmtevraag door het aantal uren in de bepaalde maand om zo het maandelijks vermogen te verkrijgen. Vervolgens kunnen we het maandelijkse warmtevermogen rangschikken van groot naar klein. Op die manier toont de belastingscurve het aantal uren dat een bepaalde vermogen vereist is. De coördinaten worden in absolute waarden weergegeven.
350
300
Thermisch vermogen (kW)
250
200
150
100
50
0
0 744 1488 2160 2880 0000 0000 0000 5832 6552 7272 8016 8760
Tijd (uren)
Figuur 28: Jaarbelastingsduurcurve voor de warmtevraag
Voor de elektriciteitsvraag is het niet mogelijk om een jaarbelastingsduurcurve op te stellen omdat we niet over voldoende gegevens beschikken. We beschikken namelijk slechts over de totale jaarlijkse elektriciteitsvraag, en niet over een (maand)profiel. Een gedetailleerde meting bij een vergelijkbaar appartementsgebouw zou ons deze informatie wel kunnen bezorgen. Bij een gedetailleerde haalbaarheidsstudie is deze informatie noodzakelijk om tot een goed besluit te komen.
7.3.4 Keuze van de geschikte technologie
De keuze van de geschikte technologie is vooral afhankelijk van het gewenste temperatuurniveau waarop men de warmte wil recupereren. Globaal kan worden gesteld dat de volgende richtlijnen (Energik, 2004) gelden:
• Vereiste warmte < 120 °C: een interne verbrandingsmotor is de meest geschikte technologie.
• Vereiste warmte > 120 °C: een turbine is de meest geschikte technologie.
Naast deze technologieën zijn er ook andere, veelbelovende, technologieën zoals microturbines, stirlingmotoren en brandstofcellen. Deze zijn voorlopig nog veel duurder (en op kleinere schaal beschikbaar) dan de klassieke technologieën en worden in deze analyse dus niet beschouwd.
In deze situatie is er enkel de behoefte aan warm water voor de verwarming van de gebouwen. Dit betekent dat een interne verbrandingsmotor waarschijnlijk de interessantste optie is.
7.4 Dimensionering op warmtevraag
Om een installatie te kiezen die het grootste deel van de totale warmtevraag kan leveren maken we gebruik van een productiecurve waarbij de totale warmteproductie wordt uitgezet ten op zichten van het thermisch vermogen. Hierbij wordt rekening gehouden met het aantal uren dat een bepaalde installatie (met een bepaald vermogen) in vollast kan draaien. Des te groter het vermogen, des te korter is de duurtijd dat deze installatie op vollast kan draaien. Op Figuur 29 zien we dat de maximale jaarlijkse warmteproductie van 829 MWh geleverd kan worden door een warmtekrachtkoppeling met een thermisch vermogen van 229 kW. Dit onder de voorwaarde dat ze enkel wordt ingeschakeld wanneer ze op vollast kan draaien. Deellastwerking is in deze figuur buiten beschouwing gelaten omwille van de complexiteit.
1.000
800
Warmteproductie (MWh)
600
400
200
0
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325
Thermisch vermogen (kW)
Figuur 29: Productiecurve (warmte)