Besparen met WKK
Mogelijk, maar niet
vanzelfsprekend
Op het gebied van de energievoorziening wordt momenteel veel aandacht besteed aan het opstellen van REG-plannen en van scenario’s voor vermindering van de CO2-emissie. Hierbij wordt toepassing van de WarmteKracht-Koppeling (WKK) als één van de belangrijkste instrumenten beschouwd om aan de gestelde doelstelling te voldoen. Binnen het kader van REG dient daarom van WKK een maximale energiebesparing geëist te worden.
Het energiebesparend effect van WKK wordt meestal aangetoond aan de hand van de vergelijking tussen de ontwerprendementen van een WKK-installatie en de referentieinstallaties voor de gescheiden opwekking van beide energievectoren. Dergelijke vergelijkingen moeten echter met de nodige omzichtheid worden behandeld, vermits ze de realiteit van WKK op een sterk vereenvoudigde – en soms zelfs misleidende – manier weergeven.
De mate van energiebesparing en van CO2-vermindering door toepassing van WKK hangt namelijk sterk af van het WKK-systeem (rendementen, benutting elektriciteit en warmte, bedrijfstijd) en van de karakteristieken van de referentiesituatie bij gescheiden opwekking.
Het is derhalve onjuist te veronderstellen dat REG en CO2-emissievermindering inherent zijn aan toepassing van WKK.
Bepaling energiebesparing
De bepaling die hier wordt gebruikt is gemaakt op basis van de vergelijking van reële rendementen en bedrijfstijden en rekening houdend met reële werkingsregimes van WKK-systemen.
Bij het bepalen van de werkelijke energiebesparing die in een bedrijf wordt bereikt door toepassing van WKK is het noodzakelijk het werkingsregime van de WKK te kennen. Dit werkingsregime wordt vooral bepaald door het verloop van de elektriciteits- en warmtevraag (synchroniteit) van het bedrijf en van de dimensionering en bedrijfsvoeringstrategie van het WKK-systeem. Om de invloed van deze parameters op de energiebesparing te kennen is het noodzakelijk gebruik te maken van simulatieberekeningen. De structuur van het simulatiemodel is weergegeven in figuur 1.
Figuur 1 toont dat op basis van de invoergegevens (elektriciteits- en warmtevraagpatronen, rendementen situatie ‘met’ en ‘zonder’ WKK) voor een aantal bedrijfsvoeringsstrategieën van de WKK-systemen het effect op het energieverbruik wordt berekend. Per bedrijf worden 2 WKK-systemen doorgerekend: 1 WKK-systeem gedimensioneerd op de elektriciteitsvraag (E-volgend) en 1 WKK-systeem gedimensioneerd op de warmtevraag (Q-volgend). Tabel 1 geeft een overzicht van de 8 beschouwde bedrijfsvoeringsstrategieën. In de laatste kolom van deze tabel wordt de ‘code’ vermeld, zoals die in dit artikel wordt gebruikt. Tabel 1 toont dat voor beide WKK-systemen de invloed op het energieverbruik bekeken wordt voor 2 toegestane werkingsregimes: ‘continu’ en ‘normale uren’. In geval van ‘continu’ kan de WKK-installatie het gehele jaar, mits voldoende energievraag, in bedrijf zijn. Bij de situatie ‘normale uren’ wordt de WKK-installatie enkel in de normale tariefuren voor elektriciteit bij voldoende energievraag ingezet. Deze optie is doorgerekend omdat soms bij onafhankelijke zelfproducenten hiervoor uit kostenoverwegingen gekozen wordt. Ook vanuit de energiesector kan dit interessant zijn omdat de elektriciteitsbehoefte in de ‘normale uren’ groter is dan in de ‘stille uren’.
Vervolgens is bij E-volgend bedrijf onderscheid gemaakt in het wel of niet mogelijk zijn van wegkoelen van warmte en bij Q-volgend bedrijf worden de opties wel op niet terugleveren van elektriciteit bekeken.
Belangrijk hierbij is op te merken dat de optie ‘wegkoelen’ en ‘terugleveren’ niet volledig vergelijkbaar zijn: de weggekoelde warmte is volledig verloren, terwijl de teruggeleverde elektriciteit elders door andere elektriciteitsafnemers gebruikt wordt.
Figuur 2 toont een voorbeeld van het resultaat van een simulatieberekening, waarin per bedrijfsvoeringsstrategie de procentuele energiebesparing is weergegeven. In het voorbeeld is de maximale energiebesparing ruim 10% en wordt deze bereikt met een op de warmtevraag gedimensioneerde en gestuurde WKK-installatie. Ook blijkt uit figuur 2 dat behalve de dimensionering van de WKK-installatie ook de bedrijfsvoering een grote invloed heeft op de energiebesparing. Als bijvoorbeeld uit economische overwegingen de WKK-installtie enkel gedurende de ‘normale uren’ in bedrijf genomen wordt, wordt in het voorbeeld de energiebesparing meer dan gehalveerd.
Uit firguur 3 blijkt dat voor elke sector de maximaal te behalen procentuele energiebesparing bereikt wordt bij dimensionering en sturing op de warmtevraag van het bedrijf. Verder valt op dat de procentuele energiebesparing in geen enkele situatie meer dan 20% bedraagt.
Besluit
In de praktijk is de bepaling van de energiebesparing door WKK ten opzichte van ‘gescheiden opwekking’ enkel gebaseerd op een vergelijking van de onderwerprendementen en houdt men geen rekening met werkingsregimes en de benutting van elektriciteit en warmte van de WKK. Deze berekeningen tonen klassiek aantrekkelijke cijfers voor de energiebesparing door WKK.
Deze rekenmethode dient echter met de nodige voorzichtigheid gehanteerd te worden:
1. De mate van benutting van de warmte van WKK wordt bepaald door de warmtebehoefte (temperatuur en vraagregime) van het bedrijf. Het thermisch rendement van WKK hangt sterk af van het project en kan globaal variëren tussen 10 en 50%. Het is daarom onjuist om de status van WKK in een energievoorziening enkel te bepalen door het elektrich WKK-vermogen zoals in de praktijk maar al te dikwijls gebeurt. Het is beter om het gerealiseerd WKK-vermogen te beoordelen op basis van benut thermisch vermogen (kWt) of benutte warmte (GJ).
2. De mate van energiebesparing door WKK wordt in belangrijke mate bepaald door de karakteristieken van de gescheiden energielevering: de maximale energiebesparing (maximale benutting elektriciteit en warmte van WKK) te bereiken met op de markt beschikbare WKK-systemen met gasmotor en met gasturbine is voor de actueel realistische referentiesituatie (elektriciteitsproductie nE = 50% en warmteproductie nQ = 90%):
WKK met gasmotor: besparing 15 – 25%
WKK met gasturbine: besparing 0 – 20%
Uit berekeningen, waarbij behalve met rendementen ook met bedrijfstijden rekening wordt gehouden, blijkt dat om WKK energiebesparend te doen zijn ten opzichte van een STEG (rendement 50%, bedrijfstijd 7500 uren/jaar), de WKK-systemen met gasmotor een bedrijfstijd van 2500-3500 uur per jaar moeten realiseren, terwijl voor de meeste gasturbinesystemen een bedrijfstijd van 3000-5000 uur/jaar nodig is. Om een energiebesparing van 20% te bereiken moeten de WKK-systemen met gasmotor minimaal 7000 uur per jaar werken, terwijl dit met WKK-systemen met gasturbine nauwelijks of niet haalbaar is. De resultaten voor gasmotortoepassingen zijn niet te vergelijken met de resultaten voor gasturbinetoepassingen vermits de geleverde warmte zich niet op hetzelfde temperatuursniveau situeert. Om de werkelijke energiebesparing door WKK in een bedrijf te bepalen dienen simulatieberekeningen gemaakt te worden, die rekening houden met het fluctuerende verloop van de elektriciteits- en warmtevraag (synchroniteit) van het bedrijf, de dimensionering en het werkingsregime van het WKK-systeem. Uit simulatieberekeningen bij enkele voor WKK relevante subsectoren blijkt dat dimensionering en sturing van WKK op de warmtevraag leidt tot de maximale energiebesparing, onder de voorwaarde dat terugleveren van elektriciteit mogelijk is. Er wordt opgemerkt dat de grootste energiebesparing overeenstemt met WKK-installaties met een hoog elektrisch rendement, wat voor gasturbinetoepassingen neerkomt op aeroderivatieve technologie.
Hubert Lahaut
met dank aan VITO
Economiser avec cogénération
Possibles,mais pas évidentes
Au niveau des alimentations énergétiques, on attache aujourd’hui une attention particulière à l’élaboration de plans URE (Utilisation Rationnelle d’Energie) et de scénarios visant à réduire les émissions de CO2. L’application de la cogénération est considérée comme l’un des instruments principaux pour atteindre l’objectif posé. Une économie d’énergie maximale devra dès lors être exigée de la cogénération dans le cadre de l’URE.
L’effet d’économie d’énergie de la cogénération est généralement démontré au moyen de la comparaison entre le rendement conceptuel d’une installation de cogénération et les installations de référence pour la génération séparée des deux vecteurs d’énergie. De telles comparaisons doivent toutefois être abordées avec la circonspection nécessaire puisqu’elles reproduisent la réalité de la cogénération d’une manière très simplifiée et parfois même trompeuse.
Le degré d’économie d’énergie et de réduction des émission de CO2 d’une application de cogénération dépend, en effet, très fortement du système de cogénération (rendement, utilisation d’électricité et de chaleur, durée d’exploitation) ainsi que des caractéristiques de la situation de référence lors de génération séparée. Il n’est donc pas exact de supposer que URE et réduction des missions de CO2 soient inhérentes à l’application de la cogénération.
Détermination des économies
La détermination qui est utilisée ici, est réalisée sur base de la comparaison des rendements et des durées d’exploitation réels et compte tenu des régimes de fonctionnement réels des systèmes de cogénération. Lorsqu’on détermine la réelle économie d’énergie qui est atteinte dans une entreprise par l’application de la cogénération, il est indispensable de connaître le régime de fonctionnement de la cogénération. Ce régime de fonctionnement est déterminé au préalable par le déroulement des demandes en électricité et en chaleur (synchronisme) de l’entreprise et par les dimensions et la stratégie d’exploitation du système de cogénération. Pour connaître l’influence de ces paramètres sur l’économie d’énergie, il est indispensable d’avoir recours à des calculs de simulation. La structure d’un modèle de simulation est reproduite en figure 1. La figure 1 démontre comment l’effet sur la consommation d’énergie est calculé sur base des données d’entrée (patrons d’électricité et de chaleur, situation de rendement « avec » et « sans » cogénération) pour un certain nombre de stratégies d’exploitation des systèmes de cogénération. 2 types de systèmes de cogénération sont calculés par entreprise : 1 système de cogénération calibré sur la demande en électricité (axé sur E) et 1 système de cogénération calibré sur la demande en chaleur (axé sur Q). Le tableau 1 donne un aperçu des 8 stratégies d’exploitation considérées. La dernière colonne reproduit le « code » tel qu’il est utilisé dans cet article. Le tableau 1 démontre que, pour les deux systèmes de cogénération, l’influence sur la consommation d’énergie est observée pour 2 régimes de fonctionnement autorisés : « continu » et « heures normales ». Dans le cas du « continu », l’installation de cogénération peut fonctionner pendant toute l’année, moyennant une demande en énergie suffisante. Dans la situation des « heures normales », l’installation de cogénération n’est utilisée que pendant les heures tarifaires normales pour l’électricité et moyennant une demande en énergie suffisante. Cette option est calculée parce que certains auto-producteurs indépendants optent pour cette solution pour des raisons de coût. Cela peut également être intéressant pour le secteur énergétique puisque les besoins en électricité en « heures normales » sont plus importants que dans le cas « d’heures creuses ». Ensuite, on a différencié la possibilité ou non de refroidissement de chaleur dans le cas des entreprises axées sur E et, au niveau des entreprises axées sur Q, on a examiné les options de restitution d’électricité ou non. Il est important de noter que les options « refroidissement » et « restitution » ne sont pas totalement comparables : la chaleur refroidie est entièrement perdue tandis que l’électricité restituée est utilisée ailleurs par d’autres clients en électricité. La figure 2 montre un exemple du résultat d’un calcul de simulation dans lequel est reproduite l’économie d’énergie par stratégie d’exploitation sous forme de pourcentage. Dans l’exemple en question, l’économie d’énergie maximale atteint largement 10 % et elle est obtenue par une installation de cogénération dont les dimensions et la commande sont élaborées en fonction de la demande en chaleur. La figure 2 démontre également que, en-dehors des dimensions, l’exploitation d’une installation de cogénération a également une influence importante sur l’économie d’énergie. Si l’installation de cogénération ne peut fonctionner que pendant les heures normales » pour des raisons économiques, l’exemple démontre que l’économie d’énergie n’est plus que réduite de moitié. La figure 3 montre l’économie d’énergie maximale que l’on peut obtenir avec la cogénération par rapport à un STEG pour les 6 exemples d’entreprises suivants et l’option « axée sur E et Q » . La figure 3 démontre que, pour chaque secteur, le pourcentage maximal d’économie d’énergie est obtenu lorsque l’installation a les dimensions et la commande adaptées à l’entreprise. Il faut également remarquer que le pourcentage d’économie d’énergie n’excède 20 % dans aucune des situations.
Dans la pratique, la détermination de l’économie d’énergie par cogénération par rapport à la « génération séparée » n’est basée que sur la comparaison des rendements sans tenir compte des régimes de fonctionnement et de l’utilisation de l’électricité et de la chaleur de la cogénération.
Ces calculs démontrent des chiffres attractifs pour l’économie d’énergie par cogénération. Cette méthode de calcul doit toutefois être maniée avec la prudence qui s’impose. Le degré d’utilisation de la chaleur de la cogénération est déterminé par les besoins en chaleur (température et régime de demande) de l’entreprise. Le rendement thermique de la cogénération dépend en forte mesure du projet et peut globalement varier entre 10 et 50 %. Il est dès lors incorrect de déterminer le statut de la cogénération dans l’alimentation énergétique par la seule puissance électrique de cogénération comme cela ne se fait que trop souvent dans la pratique. Il vaut mieux juger la puissance de cogénération réalisée sur base de la puissance thermique utilisée (kWt) ou de la chaleur utilisée (GJ). Le degré d’économie d’énergie de la cogénération est déterminé en grande partie par les caractéristiques des alimentations énergétiques séparées : l’économie d’énergie maximale (utilisation maximale de l’électricité et de la chaleur de la cogénération), à obtenir grâce à des systèmes de cogénération disponibles sur le marché avec des moteurs à gaz et des turbines à gaz, représente pour la situation de référence actuelle réaliste (production d’électricité nE = 50 % et production de chaleur nQ = 90 %) : Cogénération avec moteur à gaz: économie de 15 - 25 %, cogénération avec turbine à gaz: économie de 0 - 20 %. Il ressort des calculs, qui tiennent compte des durées d’exploitations en plus des rendements, que, pour qu’une cogénération soit source d’économie d’énergie par rapport à un STEG (rendement 50 %, durée d’exploitation 7500 heures/an), les systèmes de cogénération avec moteur à gaz doivent réaliser une durée d’exploitation de 2500-3500 heures par an tandis que la plupart des systèmes à turbine à gaz nécessitent une durée d’exploitation de 3000-5000 heure/an. Afin d’obtenir une économie d’énergie de 20 %, les systèmes de cogénération avec moteur à gaz doivent fonctionner au moins 7000 heures par an alors que ce pourcentage est quasiment hors d’atteinte pour les systèmes de cogénération avec turbine à gaz. Les résultats des applications à moteur à gaz ne sont pas comparables à ceux des applications à turbine à gaz puisque la chaleur fournie ne se situe pas au même niveau de température. Pour déterminer les réelles économies d’énergie de la cogénération dans une entreprise, on doit procéder à des calculs de simulation qui tiennent compte des fluctuations de la demande en électricité et en chaleur (synchronisme) de l’entreprise ainsi que des dimensions et du régime de fonctionnement du système de cogénération. Des calculs de simulation dans quelques sous-secteurs intéressants pour la cogénération démontrent que les dimensions et la commande de la cogénération tentent vers les économies d’énergie maximales à condition que la restitution d’électricité soit possible. Il faut remarquer que la plus grande économie d’énergie correspond à des installations de cogénération qui ont un rendement électrique élevé ce qui implique la technologie aéro-dérivative dans le cas d’applications à turbine à gaz.
Hubert Lahaut
Avec nos remerciements à VITO
