Warmte-kracht-koppeling (WKK)

Beschrijving maatregel

Proces/deelproces:

Verwarmen van baden, verwarmen van drogers

Beschrijving

Een WKK (Warmte-Kracht-Koppeling) is een systeem waarbij gelijktijdig warmte en elektriciteit wordt opgewekt, dit in tegenstelling tot een klassieke energievoorziening met een gescheiden productie van elektriciteit (elektriciteitsmaatschappij) en opwekking van warmte (klassieke stookinstallatie). De elektriciteit kan teruggeleverd worden aan het net of worden gebruikt voor een deel van de behoeftes van het bedrijf. Door een WKK in te passen in het verwarmingssysteem kan de restwarmte worden gebruikt voor de verwarming van procesbaden en drogers.

Er bestaan tal van uitvoeringsvormen voor WKK. Bij toepassing bij gebruik van de vrijkomende warmte in een oppervlaktebehandelingslijn komen in de praktijk volgende types in aanmerking:

• ­WKK op basis van een verbrandingsmotor (aardgas of diesel): dit is het meest klassieke en best gekende type dat hieronder verder besproken wordt;
• ­WKK op basis van microturbines (vnl. aardgas): een relatief recente type dat nog slechts weinig toegepast wordt en ingezet wordt daar waar kleinere capaciteiten vereist zijn.

Een WKK bestaat uit een verbrandingsmotor (aardgas of diesel), een generator, warmte­wisselaars en beveiligingen. Verder kan bij WKK ook een rookgascondensor (verhogen thermisch rendement) gemonteerd worden. Indien de geproduceerde warmte wordt ingezet in een droger, dan kan een deel van de warmtewisselaars wegvallen en is een rookgascondensor overbodig.

Het vermogen van een WKK wordt meestal uitgedrukt in kWelektrisch. WKK-installaties met een motor hebben een elektrisch vermogen tussen 200 kWe en 1000 kWe. Microturbines hebben een elektrisch vermogen van 30 tot 60 kW_e. Het thermisch vermogen is moeilijker eenduidig te bepalen en vereist inzicht in de diverse warmtebronnen van de motor en in de lokale verwarmingsnetten. Als vuistregel geldt dat het thermisch vermogen ongeveer 1,5 maal het elektrisch vermogen bedraagt voor gasmotoren, 1,2 voor dieselmotoren en 2 tot 3 voor microturbines.

De rendementen van een WKK kunnen verschillen per merk en type. Niet alle brandstof in een verbrandingsmotor wordt omgezet in nuttige energie. Er zijn ook verliezen. Het elektrisch rendement van de meeste WKK-installaties met een motor ligt tussen de 30 % en 42 %. In de praktijk is bij een goed werkende installatie een thermisch rendement haalbaar van 55 %. Het elektrisch rendement is afhankelijk van het mechanisch rendement van de motor. Dieselmotoren hebben vaak een hoger elektrisch rendement dan gasmotoren. Deze laatste hebben dan vaak weer een hoger thermisch rendement. Louter technisch bekeken is het mogelijk om een motor op halve kracht of op bijvoorbeeld 75 % van zijn vermogen te laten werken. Deellast heeft echter een slechte invloed op het rendement. Daarenboven worden onderhoudskosten doorgaans per draaiuur verrekend zodat bij deellast de onderhoudskosten even hoog blijven bij een lagere opbrengst aan elektriciteit en warmte.

Het totaal brandstofrendement hangt sterk af van de wijze waarop de warmte wordt toegepast. Indien de warmte enkel wordt gebruik voor de productie van warm water op 70 – 90 °C (voor verwarming van procesbaden), dan is het totaal brandstofrendement typisch 75 tot 85 %. Indien de rookgassen nuttig toegepast worden in een droger of indien een rookgascondensor wordt toegepast, kan het totaal brandstofrendement oplopen tot 85 tot 90 %.

Vooral toepassingen waarbij hete lucht of evt. alleen rookgas direct kan ingezet worden in een droger zijn interessant: alle warmte in het rookgas wordt nuttig gebruikt en tegelijkertijd is de WKK-installatie zelf ca. 10 % goedkoper omdat de warmtewisselaar op het rookgas niet moet aangekocht worden. De WKK-installatie levert de basis-warmtevraag van de droger. De bestaande aardgasbranders op de droger blijven behouden (levering van de warmte bovenop de basislast, snel reageren op wisselende warmtevraag, backup bij uitval of onderhoud van WKK-installatie).

Aard:

Preventie door aanpassing procesuitvoering

Toepasbaarheid

Een WKK is toepasbaar bij bedrijven waarbij er simultaan:

• een voldoende hoge warmtevraag is (voor motoren in de praktijk een basislast van minimaal ca. 0,5 MW_th);
• ­de warmtevraag een voldoende aantal uren continu bestaat (een typische vuistregel is minimaal ca. 5000 uur per jaar; dit komt overeen met bedrijven met 3-ploegenstelsel zonder weekenddienst)

 Concrete potentieel interessante toepassingen zijn te vinden bij simultane productie van warm water (voor badverwarming) en hete lucht (voor direct gestookte drogers) in grootschalige volcontinu werkende productieinstallaties.

 Milieu-aspecten

Bij een kwaliteitsvolle WKK-installatie wordt op macroschaal minder energie verbruikt dan het geval zou zijn bij gescheiden opwekking, m.a.w. bij aankoop van elektriciteit die in een klassieke centrale wordt opgewerkt en bij productie van warmte met branders of in een ketel.

Financiële aspecten

De financiële haalbaarheid van een WKK-installatie schommelt sterk van jaar tot jaar en is sterk afhankelijk van:

• de schommeling van de energieprijzen;
• ­subsidieregelingen, met name investeringssteun (Ecologiepremie) en subsidies van de werking in de vorm van WKK-certificaten.    
  WKK-certificaten worden toegekend per MWh brandstofbesparing in vergelijking met klassieke gescheiden opwekking en waren in 2006 ca. 40 EUR/MWh waard.

Zeer concreet leverde dit het volgende beeld op: bij de aankondiging van de WKK-certificaten in 2003/2004 was de financiële haalbaarheid van heel wat potentiële WKK-toepassingen plots zeer interessant. De sterke stijging van de brandstofprijzen in 2005 (zonder dat de elektriciteitsprijzen in gelijke mate stegen), zorgde er dan weer voor dat de financiële haalbaarheid scherp daalde. De kost voor aankoop van brandstof nam vooral voor dieselmotoren en in mindere mate ook voor WKK op aardgas immers zeer sterk toe, terwijl de inkomsten uit verkoop van elektriciteit en WKK-certificaten ongewijzigd bleven.

De investering in een WKK-installatie (motor + generator, warmtewisselaars, transfo en aansluiting op openbaar net, fundering en omkasting) is benaderend aangegeven in onderstaande tabel. De cijfers gelden voor aardgas. Voor bijkomende werkzaamheden (o.a. aanpassing aan bestaand verdeelnet voor warm water of stoom, aanpassing sturing productielijn, meetapparatuur registratie WKK-certificaten, …) moet nog 5 tot 10% extra gerekend worden.

 De werkingskosten bestaan vooral uit aankoop van brandstof. Daarnaast zijn ook de onderhoudskosten relevant. Deze bedragen ca. 7 EUR/MWh bij grotere motoren (400 – 2000 kW_e), maar lopen bij installaties < 200 kW_e snel op tot 10 tot 25 EUR/MWh (Belcogen, 2004).

Zeer specifieke bijkomende kosten zijn o.a. te wijten aan overbruggen van afstand (b.v. omdat de WKK niet in de onmiddellijke omgeving van de productielijnen mag staan en het risico op aanzuiging van mogelijks corrosieve lucht moet uitgesloten worden) en het verzwaren van aardgastoevoernet. Ook kunnen er uitzonderlijk specifieke baten zijn, b.v. het wegvallen van de investering in een noodgenerator, het wegvallen van een naverbrander indien met VOS beladen afgas als verbrandingslucht kan worden gebruikt, stabiliseren van de netspanning in bedrijven waar (b.v. door sommige metaal­bewerkings­machines) de spanning aan schommelingen onderhevig is.           

Kuntz, dat één van de grootste oppervlaktebehandelingsbedrijven van de USA uitbaat, past al meer dan 10 jaar WKK toe en produceert het grootste deel van de warmtebehoefte en ca. 50 % van de elektriciteitsbehoefte met 5 gasmotoren van elk 800 kW_e. Het totaal brandstofrendement is 90%. De terugbetaaltijd is ca. 5 jaar.

Analu investeerde in 1997 in een WWK van 822 kW_e. De warmte wordt toegepast voor de aanmaak van heet water en voor het aandrijven van een absorptiekoelmachine. De terugbetaaltijd werd op basis van de werking van het eerste jaar ingeschat op 3,9 jaar bij een werking gedurende 2 shiften/dag, 5 d/week. De installatie bleek op langere termijn onvoldoende rendabel te zijn (vnl. omwille van de koelmachine) en is stilgelegd op het moment dat een ingrijpend onderhoud nodig was.

Opmerkingen

De techniek wordt vermeld in LTL Ecologiepremie (1194).

Referenties

Analu, 1998. ANRE-demonstratieproject: WKK bij anodiseringsbedrijf ANALU, Machelen. VITO, 1998. In aug 2006 raadpleegbaar via https://emis.vito.be/nl/artikel/wkk-bij-anodiseringsbedrijf-analu-machelen

Kuntz Electroplating. Technische informatie over de WKK-groepen. Zie www.kuntz.com. 

Belcogen, 2004. Handboek Warmtekrachtkoppeling. Addendum 2004. In aug 2006 raadpleegbaar op www.belcogen.be.

SenterNovem, 2006. Kompas energiebewust wonen en werken: Cijfers en Tabellen 2006. SenternNovem in opdracht van VROM. Jan 2006.

Cogen Vlaanderen. Technische informatie van Cogen Vlaanderen, Vereniging voor de promotie van Warmtekrachtkoppeling (WKK) in Vlaanderen. Zie ook www.cogenvlaanderen.be.