Warmte/Kracht-koppeling
bij PSG Sentinel te Wellen

PSG Sentinel (dochter van Tenneco packaging) is Europa’s marktleider en innovator in beschermende papieren en polyethyleen verpakkingsmaterialen zoals luchtkussenfolie. Als voornaamste grondstoffen onderscheidt men in de productie het kunstofgranulaat en het blaasmiddel. In 1990 besliste PSG om het blaasmiddel bestaande uit CFK’s te vervangen door butaan.

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Omwille van milieutechnische redenen heeft PSG beslist om een gedeelte van het verbruikte butaan uit het productieproces niet te verbranden maar te gebruiken als brandstof voor een WKK-installatie met dual-fuel motor (diesel en butaan-lucht). Vito (de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek) voerde in opdracht van de Afdeling Natuurlijke Rijkdommen en Energie (ANRE) van de Vlaamse Overheid een evaluatie van het project uit waarbij de technische en economische prestaties van de technologie, de bereikte energiebesparing en de reductie van de CO2-emissie over een periode van één jaar geanalyseerd werden.

WKK-installatie bij PSG Sentinel
De WKK-installatie bestaat uit een dual-fuel motor die een generator aandrijft (1.400 kWel) en geleverd werd door de firma ABC uit Gent. Het butaangas uit het productieproces wordt opgevangen in de butaangasrecuperator vervolgens gezuiverd in een scheidingsinstallatie en dan samen met de diesel gebruikt als brandstof voor de WKK-installatie. De geproduceerde elektriciteit wordt in het bedrijf gebruikt. Indien de vraag hoger is, dan koopt PSG elektriciteit van het net aan.

De warmte uit het motorblok, het smeeroliecircuit en de uitlaatgassen worden gerecupereerd voor verwarming van de productiehallen en voor aandrijving van een absorptiekoelmachine. De warmte van de interkoeler wordt niet gerecupereerd en afgevoerd in de koeltoren. De installatie bestaat uit twee circuits: een circuit op een temperatuursniveau van 90°C (hotrooms) en een circuit op een temperatuursniveau van 108-130°C (heetwatercircuit). De gerecupereerde warmte uit het motorblok, de smeeroliekoeler en de overgedragen warmte vanuit het 130°C-circuit (dumpkoeler) wordt gebruikt in het circuit van 90°C voor de luchtverhitters in de productiehallen. De gerecupereerde warmte uit de rookgassen wordt benut in het heetwatercircuit (108-130°C) voor de aandrijving van een absorptiekoelmachine (gebruikt voor koeling van het proces), voor de overdracht van warmte naar het 90°C-circuit en voor de overdracht van warmte naar de dumpkoeler bij onvoldoende afname van warmte door de absorptiekoelmachine.

Meten
Om de installatie te evalueren werden diverse warmtemeters in de verschillende kringen voorzien. Om het uur worden deze gegevens opgemeten en geregistreerd in een datalogger. Deze gegevens worden vervolgens geanalyseerd en verwerkt door Vito gedurende één jaar (september 1997 tot en met augustus 1998). Figuur 1 geeft het meetschema van het project weer.

Tijdens de registratieperiode van een jaar verbruikte de WKK 83.361 GJ diesel en 14.079 GJ butaan. De WKK draaide 7.747 uren waarbij in totaal 9.478 MWh elektriciteit geproduceerd werd. 89% van de elektriciteitsvraag werd gedekt door de WKK, de rest (11%) door het net. De WKK-installatie produceerde 28.828 GJ warmte waarvan gemiddeld 60% met de rookgaskoeler en 40% met motorkoeler en smeeroliekoeler. Ongeveer 9.795 GJ warmte van de WKK-installatie werd nuttig aangewend: 52% voor de absorptiekoelmachine (130°C-circuit), 1% voor de afname van de hotrooms en 47% voor de afname van het 90°C-circuit (verwarming productiehallen). Figuur 3 geeft de warmtevraag weer gedurende de maand september 1997 opgesplitst naar de warmteverbruikers (meetgegevens 23-24 september ontbreken).

De COP (=verhouding geleverde koeling/ opgenomen warmte) of rendement van de absorptiemachine bedroeg gemiddeld 0,8. Het gemiddeld thermisch vermogen geleverd aan de absorptiekoelmachine bedraagt 181 kW en de gemiddelde koudevraag bedraagt 146 kW. De totale geproduceerde koude door de absorptiekoelmacghine bedroeg 4.122 GJ. De WKK-installatie haalde een gemiddeld elektrisch rendement van 35% en een thermisch rendement van 32%. De warmte/kracht verhouding bedroeg 0,85.

Primaire energiebesparing
Voor de berekening van aangewende primaire energie en reductie van CO2-emissie wordt een vergelijking gemaakt tussen de situatie met en zonder WKK (de referentiesituatie). Bij de berekeningen zijn volgende veronderstellingen gemaakt:

· het gemiddeld rendement van een elektriciteitscentrale wordt op 44% aangenomen;

· voor de productie van warmte met een ketel wordt een gemiddeld rendement van 85% aangenomen. Het butaan wordt gebruikt als "verbrandingslucht" in een gasolieketel. Om het butaan te verbranden dient er extra gasolie toegevoegd te worden. Deze extra hoeveelheid gasolie wordt in rekening gebracht bij de bepaling van de primaire energie in de referentiesituatie.

In de huidige situatie wordt door de WKK-installatie 83.361 GJ/jaar primaire energie verbruikt. In de referentiesituatie bedraagt dit 120.939 GJ/jaar. Dit betekent dat 37.578 GJ/jaar bespaard werd of 31% vergeleken met de referentiesituatie.

Reductie van de CO2-emissie
Met de primaire energiebesparingen kan de reductie van de CO2-emissie bepaald worden. Voor de berekeningen worden volgende veronderstellingen gemaakt:

· de gemiddelde CO2-emissiefactor voor de productie van elektriciteit bedraagt 624 g/kWhel;

· de CO2-emissiefactor van diesel bedraagt 73 g/MJ of 263 g/kWhth.

De CO2-emissie van de huidige installatie bedraagt 6.110 ton/jaar en in de referentiesituatie 9.095 ton/jaar. De CO2-emissie verminderde met 2.985 ton/jaar of 32% vergeleken met de referentiesituatie.

Economische evaluatie van de installatie
De totale investeringskosten van de WKK bedragen 34 MBEF zonder subsidie van de Vlaamse overheid. De jaarlijkse onderhoudskost bedraagt 2,3 MBEF/jaar. Met de installatie wordt een netto energiekostenbesparing gehaald van 10,3 MEF/jaar wat een terugverdientijd van 3,3 jaar geeft (2,2 jaar met subsidie). Tabel 1 geeft een overzicht van de rendabiliteit van het project:
Met dank aan Johan Desmedt van VITO

La cogénération 
chez PSG Sentinel à Wellen

PSG Sentinel (la filiale de Tenneco packaging) est leader européen et innovateur en papier de protection et matériaux d’emballage en polyéthylène comme le film à coussin d’air. Comme principales matières premières, on distingue dans la production le granulat synthétique et le médium gazeux. En 1990, PSG décida de remplacer le médium gazeux à base de CFC par du butane.

Pour des raisons environnementales et techniques, PSG a décidé de ne pas brûler une partie du butane issu du processus de production mais de l’utiliser comme combustible pour une installation de cogénération équipée d’un moteur dual-fuel (diesel et butane-air). Le Vito (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek) a réalisé une évaluation du projet pour le Afdeling Natuurlijke Rijkdommen en Energie (ANRE) du gouvernement flamand en analysant les performances techniques et économiques de la technologie, le gain énergétique réalisé et la réduction du rejet de CO2 sur une période d’un an.

Installation de cogénération
L’installation de cogénération comprend un moteur dual-fuel qui entraîne un générateur (1.400 kWel). Ce moteur a été fourni par la société ABC de Gand. Le butane issu du processus de production est recueilli dans le récupérateur de butane. Il est ensuite épuré dans une installation de séparation et puis utilisé avec le diesel comme combustible pour l’installation de cogénération. L’électricité produite est utilisée dans l’entreprise. Si la demande est supérieure, PSG achète l’électricité au réseau. La chaleur du bloc moteur, du circuit de l’huile moteur et des gaz d’échappement sont récupérés pour chauffer les halles de production et entraîner une machine frigorifique à absorption. La chaleur du refroidisseur intermédiaire n’est pas récupérée. Elle est évacuée vers la tour de refroidissement. L’installation comprend deux circuits : un circuit à une température de 90°C (chambres chaudes) et un circuit à une température de 108-130°C (circuit d’eau chaude). La chaleur récupérée du bloc moteur, du refroidisseur de l’huile moteur et la chaleur récupérée du circuit à 130°C (dumpcooler) sont utilisées dans le circuit à 90°C pour les chauffeurs d’air dans les halles de production. La chaleur récupérée des gaz est utilisée dans le circuit d’eau chaude (108-130°C) pour entraîner la machine frigorifique à absorption (utilisée pour le refroidissement du processus), pour transmettre la chaleur au circuit à 90°C et pour transférer la chaleur au dumpcooler si la machine frigorifique à absorption ne diminue pas suffisamment la chaleur.

Mesure
Plusieurs jauges de température ont été prévues dans les différents circuits pour évaluer l’installation. Ces données sont mesurées et enregistrées toutes les heures dans un collecteur de données. Elles sont ensuite analysées et traitées par le Vito pendant un an (de septembre 1997 jusqu’à la fin du mois d’août 1998). La Figure 1 vous présente le schéma de mesure du projet. La Figure 2 vous donne la production mensuelle d’électricité de l’installation de cogénération pendant le mois de septembre 1997.

Pendant l’année de prise de mesures, la cogénération a consommé 83.361 GJ de diesel et 14.079 GJ de butane. La cogénération a fonctionné 7.747 heures produisant un total de 9.478 MWh d’électricité. 89% de la demande en électricité a été couverte par la cogénération, le reste (11%) par le réseau. L’installation de cogénération a produit 28.828 GJ de chaleur dont, en moyenne, 60% avec le refroidisseur de gaz et 40% avec le refroidisseur du moteur et le refroidisseur de l’huile moteur. Quelque 9.795 GJ de la chaleur produite par l’installation de cogénération ont connu une application utile : 52% ont été utilisés pour la machine frigorifique à absorption (circuit à 130°C), 1% pour évacuer la chaleur des chambres chaudes et 47% pour l’évacuation par le circuit à 90°C (chauffage des halles de production). La Figure 3 présente la demande en chaleur durant le mois de septembre 1997, répartie selon les consommateurs de chaleur (les données du 23-24 septembre manquent).

Le COP (= rapport refroidissement fourni / chaleur soutirée) ou le rendement de la machine à absorption s’élevait en moyenne à 0,8. La puissance thermique moyenne fournie à la machine frigorifique à absorption était de 181 kWth et la demande moyenne en froid de 146 kWfroid. Le froid total fourni par la machine frigorifique à absorption s’élevait à 4.122 GJ. L’installation de cogénération avait un rendement électrique moyen de 35% et un rendement thermique de 32%. Le rapport chaleur/puissance était de 0,85.

Gain d’énergie primaire
Pour calculer l’énergie primaire utilisée et la réduction du rejet de CO2, on établit une comparaison entre la situation avec ou sans cogénération (situation de référence). Les calculs tiennent compte des suppositions suivantes :

· On considère le rendement moyen d’une centrale électrique de 44%;

· La production de chaleur par chaudière donne un rendement moyen de 85%. Le butane est utilisé comme ‘air de combustion’ dans une chaudière au gasoil. La combustion du butane nécessite l’ajout supplémentaire de gasoil. Il a été tenu compte de cette quantité supplémentaire de gasoil pour déterminer l’énergie primaire dans la situation de référence.

Dans la situation actuelle, l’installation de cogénération consomme 83.361 GJ/an d’énergie primaire. Cette consommation s’élève à 120.939 GJ/an dans la situation de référence. Cela signifie donc un gain de 37.578 GJ/an ou 31% par rapport à la situation de référence.

Réduction du rejet de CO2
Les gains d’énergie primaire permettent de définir le rejet de CO2. Les calculs tiennent compte des suppositions suivantes :

· Le facteur de rejet de CO2 moyen pour la production d’électricité s’élève à 624 g/kWhel;

· Le facteur de rejet de CO2 du diesel s’élève à 73 g/MJ ou 263 g/kWhth.

Les rejets de CO2 de l’installation existante sont de 6.110 tonnes/an et dans la situation de référence de 9.095 tonnes/an. Les rejets de CO2 ont donc diminué de 2.985 tonnes/an ou de 32% par rapport à la situation de référence.

Evaluation économique de l’installation
Les coûts d’investissement totaux de la cogénération s’élèvent à 34 MBEF sans subside du gouvernement flamand. Les frais d’entretien annuels sont de 2,3 MBEF/an. L’installation permet une économie sur les coûts énergétiques de 10,3 MBEF/an ce qui représente un retour sur investissement de 3,3 ans (2,2 ans, si l’on tient compte du subside).
Avec nos remerciements à Johan Desmedt du VITO