Voorziening | Warmtekrachtkoppeling

Warmtekrachtkoppeling

(Bron: Geni / Wikimedia.org)

Met een warmtekrachtinstallatie worden tegelijk warmte (verwarming en sanitair warm water) en elektriciteit opgewekt op basis van dezelfde energiebron. In vergelijking met gescheiden installaties levert deze gecombineerde productie besparingen op qua primaire energie en een verlaging van de uitstoot van broeikasgassen. Dit document omvat basisinformatie om inzicht te krijgen in de werking van warmtekrachtinstallaties, hun afmetingen en de technische en financiële aandachtspunten.

Hoe werkt een warmtekrachtinstallatie?

Onderstaand schema licht de werking toe van een warmtekrachtinstallatie:

  • De motor (meestal inwendige verbranding) gevoed door een brandstof (gas, biomassa enz.) zet een generator in beweging die elektriciteit produceert , die vervolgens wordt geïnjecteerd in het net.
  • Warmtewisselaars maken het mogelijk om de warmte te recupereren van de rookgassen, van het koelvloeistofcircuit van de motor en soms van de smeerolie. Deze warmte wordt gebruikt voor verwarming en sanitair warm water.

Warmtekrachtkoppeling staat in voor de basisbehoeften aan warmte van een site. De rest wordt geproduceerd door een aanvullende verwarmingsketel. De geproduceerde elektriciteit moet grotendeels zelf worden verbruikt. De niet-ingevulde elektriciteitsbehoeften worden dan verstrekt via het net.

image02_nl

Onderdelen van een warmtekrachtinstallatie (bron: Confederatie Bouw )

In welke omstandigheden is warmtekrachtkoppeling aangewezen?

De warmtekrachtinstallatie wordt afgestemd op de warmtebehoeften van het gebouw en moet idealiter werken zonder dat de installatie vaak wordt uitgeschakeld en weer opgestart.

Om de rendabiliteit te verzekeren moet de geproduceerde elektriciteit bovendien maximaal zelf worden verbruikt, zodat de resterende behoefte aan warmte en elektriciteit beperkt is . Warmtekrachtkoppeling is dan ook het overwegen waard bij grote en vrij constante behoeften .

image01

(Bron : Cogengreen )

Voor welk type doeleinden is een warmtekrachtinstallatie geschikt?

Doeleinden die hiervoor in aanmerking komen (grote en constante behoeften) zijn:

  • residentieel:

    • collectieve huisvesting
    • individuele huisvesting (micro-wkk voor thuisgebruik)
  • tertiair (ziekenhuis, rvt, hotel, zwembad)
  • industrieel
  • gemengd (warmtenet)

Hoeveel primaire energie wordt bespaard met een wkk-installatie?

De gecombineerde productie van warmte en elektriciteit maakt het mogelijk om 15 tot 20% primaire energie te besparen in vergelijking met klassieke gescheiden installaties (bijvoorbeeld warmteproductie met een ketel en elektriciteitsproductie in een STEG-centrale).

De onderstaande figuur toont een cijfervoorbeeld op het vlak van primaire energie.

image03_nl

Vergelijking tussen wkk aardgas en gescheiden productie voor primaire energie (bron: ICEDD )

In dit voorbeeld zorgt de warmtekrachtkoppeling voor een besparing aan primaire energie van 18% (225 kWh / 1225 kWh) in vergelijking met klassieke gescheiden installaties.

Vergeleken met een gescheiden productie vergen wkk-installaties echter meer onderhoud, maatregelen om het lawaai van de installatie te beperken en een grotere oppervlakte van de technische ruimte.

Welke wkk-technologieën bestaan er?

Het rendement en het vermogen van de warmtekrachtinstallatie hangen af van de gebruikte technologie. Veruit de meeste installaties gebruiken een inwendige verbrandingsmotor. Ook uitwendige verbanding (stirlingmotor) is echter mogelijk, maar binnenkort zullen vooral de brandstofcellen hun intrede doen op de markt.

De meest gebruikte energiebron is aardgas, maar er bestaan ook wkk-installaties die draaien op plantaardige olie.

Voornaamste technologieënKenmerkenVoordelenNadelen

Inwendige verbrandingsmotor

  • Elektrisch rendement: 25-42%
  • Thermisch rendement: 45-60%
  • Zeer uiteenlopend elektrisch vermogen: 5 kW - 10 MW
  • Betaalbaar
  • Functioneert met variabele belasting
  • Beperkte levensduur (50.000 werkingsuren)
Uitwendige verbrandingsmotor (stirlingmotor)
  • Elektrisch rendement: 10-20%
  • Thermisch rendement: 80-90%
  • Elektrisch vermogen: 1 - 100 kW en meer
  • Zeer kleine vermogens mogelijk
  • Diverse brandstoffen (onder meer biomassa)
  • Betrouwbaarheid
  • Niet-optimale kijk op de technologie

Ook andere technologieën zijn het vermelden waard, zoals gasturbines, stoomturbines en ORC's (Organic Rankine Cycle). Deze worden echter minder vaak toegepast in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest (industriële toepassingen, warmtenet).

Wat wordt precies bedoeld met micro-wkk?

Op Europees niveau wordt de term micro-wkk gebruikt voor warmtekrachtinstallaties met een vermogen lager dan 50 kWe. Bij micro-wkk voor thuisgebruik ligt het vermogen nog lager (kleiner dan 5 kWe). Deze laatste installaties zijn dus geschikt voor gebouwen met een beperkte behoefte aan warmte (lager dan 15 MWh/jaar) en elektriciteit (lager dan 5 MWh/jaar), zoals afzonderlijke woningen.

De kostprijs voor een micro-wkk met interne verbranding van 5 kWe bedraagt (installatie niet meegerekend) € 20.000 tot 25.000. Voor de rendabiliteit is het hoofdzakelijk belangrijk dat de geproduceerde elektriciteit volledig zelf wordt verbruikt.

image04

Doorsnede van een micro-wkk (bron: Viessmann )

Hoe kan de relevantie van een warmtekrachtinstallatie worden beoordeeld?

Of het de moeite loont om gebruik te maken van warmtekrachtkoppeling wordt eerst nagegaan met behulp van een relevantiestudie. Is deze positief, dan zal een haalbaarheidsstudie vervolgens onderzoeken in hoeverre het project mogelijk is.

Relevantiestudie

Deze studie is snel en eenvoudig. Ze kan worden uitgevoerd door de opdrachtgever. Er moet dus geen beroep worden gedaan op de diensten van een betaalde deskundige. De antwoorden die de studie oplevert, kunnen bogen op een goede betrouwbaarheid, zodat daarna al dan niet de haalbaarheidsstudie kan worden uitgevoerd.

Voor dit onderzoek zijn de volgende parameters van belang:

  • bestemming van het gebouw,
  • jaarlijks brandstofverbruik,
  • jaarlijks elektriciteitsverbruik,
  • rendement van de bestaande verwarmingsinstallatie,
  • energieprijzen.

Aan de hand van de relevantiestudie kunnen de initiële afmetingen worden bepaald van de wkk-eenheid en het reservoir, evenals:

  • de installatie- en werkingskosten van de warmtekrachteenheid,
  • de besparing op de energiefactuur en het aantal groenestroomcertificaten,
  • de positieve impact op milieuvlak,
  • de financiële rendabiliteit.

De relevantiestudie biedt slechts een initieel beeld, en de resultaten moeten dus bevestigd worden door een haalbaarheidsstudie.

De tool COGENcalc openen om de relevantiestudie te doen.

Informatie over het inschatten van de relevantie van een wkk-installatie .

image05_nl

Thermisch dagprofiel voor collectieve huisvesting op basis waarvan de relevantie kan worden bepaald van een wkk-installatie (bron: COGENcalc )

Haalbaarheidsstudie

Aan de hand van de haalbaarheidsstudie , die de opdrachtgever heel betrouwbare resultaten biedt, kan nagegaan worden of de installatie inderdaad een goede oplossing is. Dit onderzoek wordt gedaan door een studiebureau met ruime ervaring op het vlak van warmtekrachtkoppeling.

In de haalbaarheidsstudie worden de volgende elementen onderzocht:

  • Technische integratie: Er wordt nagegaan of de warmtekrachtkoppeling mogelijk is in het gebouw (grootte van de technische ruimte, elektrische aansluitingen enz.).
  • Technisch-financiële impact: Er worden verschillende formaten en types wkk-installaties bestudeerd en de balans wordt opgemaakt op energie-, milieu- en financieel vlak. Op basis van deze analyse kan de opdrachtgever een beslissing nemen.

image06_nl

Type grafiek (financieel optimum) dat wordt aangemaakt bij een haalbaarheidsstudie (bron: COGENsim )

In deze fase zijn de volgende gegevens vereist:

  • exacte behoefte aan warmte en elektriciteit

    De behoeften kunnen worden geraamd op basis van de verbruiksgegevens. Hiertoe kunnen bij de energieleveranciers kwartuurpunten worden opgevraagd. Op basis van een meting per uurperiode kunnen eveneens de gegevens voor een volledig jaar worden berekend.
  • brandstofprijs
  • grootte van de investering
  • hoeveelheid elektriciteit die zelf wordt verbruikt
  • grootte van de financiële steunmaatregelen
  • aantal toegekende groenestroomcertificaten

De tool COGENextrapolation openen, waarmee het verbruik voor een volledig jaar kan worden berekend.

De tool COGENsim openen, waarmee tijdens de haalbaarheidsstudie de impact van de technologische oplossingen kan worden nagegaan.

Wat zijn de technische criteria voor de installatie van een wkk- systeem?

Werkingsprofiel

Algemeen gesproken wordt de wkk-installatie afgestemd op de vereiste thermische belasting . Hoe hoger en constanter deze thermische belasting (verwarming en sanitair warm water), hoe interessanter warmtekrachtkoppeling (beperking van aan- en uitschakelen, beter rendement, beperking van het onderhoud enz.). De rendabiliteit zal ook afhangen van de behoefte aan elektriciteit en van de samenhang tussen het elektrische en het thermische profiel.

Verbruikscurve

Ideaal gezien moet een wkk-installatie jaarlijks minstens 4000 uur werken bij volledige belasting. Op basis van de grafiek van de thermische belasting, ook warmteverbruikscurve genoemd, kunnen we nagaan hoeveel uur een wkk-installatie in de loop van het jaar warmte (en elektriciteit) kan leveren bij vol vermogen.

image07_nl

Voorbeeld van een verbruikscurve op basis waarvan het vermogen van de wkk-eenheid kan worden bepaald in functie van het aantal werkingsuren (bron: Leefmilieu Brussel )

De warmteverbruikscurve geeft de vraag weer naar warmte per uur, in dalende volgorde. Deze weergave toont het aantal uren waarin de wkk-eenheid op volle kracht draait wanneer deze afgestemd is op een bepaald percentage van de maximale vastgestelde vraag naar warmte.

De bovenstaande afbeelding is een voorbeeld van een warmteverbruikscurve. Ze toont bijvoorbeeld dat een wkk-eenheid met een vermogen van ongeveer 20% van het maximumvermogen +- 4000 uur op volle kracht zal draaien. Het gedeelte onder de belastingsduur (grijs) vertegenwoordigt het energieverbruik. Door deze oppervlakte te vergelijken met de totale oppervlakte onder de wkk-curve kan dus ingeschat worden dat de wkk-eenheid zal instaan voor ongeveer 40% van het jaarlijkse energieverbruik. De resterende 60% moeten dan worden ingevuld door een secundair systeem.

Dit secundaire systeem zal ook de warmtebehoeften invullen voor vermogens groter dan of gelijk aan 20% van het maximale vermogen.

Aanpassing van de technische ruimte

Voor de plaats en de afmetingen van de technische ruimte moet rekening worden gehouden met de volgende elementen:

  • Toegankelijkheid : plaatsing van de wkk-eenheid, van de reservoirs enz.
  • Type brandstof: De brandstofkeuze bepaalt of er al dan niet opslag nodig is en een eventuele aansluiting op de brandstofbron.

    Voor aardgas moeten de meter en het drukverlies in de gasleiding overeenstemmen met de norm NBN 51-003 (Binnenleidingen voor aardgas en plaatsing van de verbruikstoestellen - Algemene bepalingen) voor de bevoorrading van de ketels en de wkk-module (minimale druk van 20 mbar voor wkk).
  • Elektrische aansluiting : de technische ruimte moet zich in de buurt bevinden van het ALSB (algemeen laagspanningsbord), om extra kosten te vermijden voor de elektrische aansluiting.
  • Uitstoot van verbrandingsgassen : installatie van een luchtdicht rookgaskanaal.

De ruimte moet bovendien voldoende groot zijn om er alle apparatuur (en eventueel ook de brandstof) te kunnen plaatsen en onderhoudswerken uit te voeren.

Elektrische aansluiting

De elektriciteitskast omvat de stroomkring waarop de kabel wordt aangesloten met de door de wkk-eenheid geproduceerde elektriciteit. De installatie moet gebeuren conform het AREI (Algemeen reglement voor de elektrische installaties) en wordt uitgerust met ontkoppelingsbescherming.

De elektrische aansluiting moet ontworpen zijn om bescherming te bieden aan:

  • de personen
  • de elektrische installaties van de opdrachtgever
  • de wkk-installatie

Meer informatie over de elektrische aansluiting (op energie.arch.ucl.be)

Geluidsoverlast

Een wkk-eenheid maakt vrij veel lawaai, waardoor de volgende maatregelen moeten worden getroffen:

  • De installatie in een zone plaatsen waar lawaai weinig problemen oplevert .
  • De technische ruimte akoestisch isoleren .
  • Een geluidsdichte behuizing plaatsen over de wkk-eenheid, indien dat standaard niet het geval is.
  • Een demper plaatsen ter hoogte van de rookgassen .
  • Trillingsbescherming aanbrengen tussen de wkk-eenheid en de vloerplaat om de overdracht van geluiden en trillingen naar de structuur van het gebouw te beperken.

*** Calltoaction à ajouter avec lien vers dispositif correspondant: Meer informatie over de akoestische maatregelen voor de technische aspecten ***

Wat zijn de financiële criteria voor de installatie van een wkk- systeem?

Eigen verbruik en wederverkoop van elektriciteit

Een warmtekrachtinstallatie wordt financieel rendabel wanneer de elektriciteit maximaal zelf wordt verbruikt ter plaatse.

Bij micro-wkk-eenheden voor thuisgebruik gebeurt de aansluiting via een dubbele meter. Op het einde van het jaar wordt dan de berekening gemaakt. Zo wordt de in het net geïnjecteerde energie meteen gevaloriseerd. Het is mogelijk dat het systeem in de toekomst wordt aangepast.

Voor collectieve huisvesting wordt de wkk-eenheid meestal aangesloten op de meter voor de gemeenschappelijke delen. Om te vermijden dat de wkk-installatie thermisch te klein moet worden gehouden, heeft de Brusselse regering een systeem gecreëerd waarbij collectieve installaties extra groenestroomcertificaten krijgen. Wat de EPB-reglementering betreft, wordt de geproduceerde elektriciteit virtueel opnieuw geïnjecteerd in elke EPB-eenheid (de appartementen).

Groenestroomcertificaten

Elke door Brugel gecertificeerde productie-eenheid van groene stroom valt onder het mechanisme voor de toekenning van groenestroomcertificaten. Deze worden toegekend op basis van de jaarlijks geproduceerde energie door de installatie. Vervolgens worden ze verkocht aan de elektriciteitsleveranciers.

Om de certificaten te ontvangen moeten de volgende meters worden geïnstalleerd:

  • Meter voor de hoeveelheid warmte geproduceerd door de wkk-eenheid.
  • Meter voor de hoeveelheid elektriciteit geproduceerd door de wkk-eenheid.
  • Meter voor het brandstofverbruik.

Voor wkk-installaties op aardgas in collectieve huisvesting kan het aantal groenestroomcertificaten onder bepaalde voorwaarden worden verhoogd.

Meer informatie over groenestroomcertificaten

Financiering

Er bestaan verschillende manieren om de installatie van een wkk-eenheid te financieren. De financiering heeft ook een impact op de algemene rendabiliteit van de installatie. De meest courante methodes:

  • Financiering met eigen middelen of krediet: de exploitatie gebeurt intern of door een extern onderhoudsbedrijf met prestatiegarantie.
  • Financiering en beheer door een onderneming gespecialiseerd in energiediensten : voor grotere vermogens (enkele honderden kW) kan (een gedeelte van) de financiering gebeuren door een externe onderneming, die dan eigenaar is van de installatie. Deze onderneming staat dan in voor het onderhoud en verdient aan de verkoop van de elektriciteit, de warmte en de groenestroomcertificaten. Meestal wil de externe onderneming de wkk-eenheid zo lang mogelijk laten werken, wat soms indruist tegen een beleid voor rationeel energieverbruik. In dat geval moet de externe onderneming in het contract beloond worden bij energiebesparingen. Dat kan bijvoorbeeld door te kiezen voor contracten van het EPC-type (energieprestatiecontract). *** Lien "EPC-type" vers MAN/DC CPE ***

Meer informatie over de financiering vindt u in de Gids voor warmtekrachtkoppeling (pagina 17 tot 19)

Hoe kan de goede werking van een wkk-eenheid worden gegarandeerd?

Zie het vademecum De geslaagde integratie van een warmtekrachtinstallatie in een stookplaats

Distributieregime

De wkk-eenheid produceert warmte met een hoge temperatuur, wat ideaal is om te voorzien in een gedeelte van de productie aan sanitair warm water.

De terugkeertemperatuur van het distributiecircuit is een essentieel element voor de integratie van de wkk-module:

  • In het verleden vereisten wkk-installaties een hoge terugkeertemperatuur (meer dan 60 °C) om de condensatie te vermijden van de verbrande gassen in de warmtewisselaars. Deze technologie gaat niet samen met een beleid voor rationeel energiegebruik en wordt niet aanbevolen.
  • Condensatie-wkk-eenheden vereisen een lage terugkeertemperatuur (lager dan 60 °C). Hierdoor is het moeilijk om ze te installeren in bestaande, niet-geïsoleerde gebouwen (bv. een rvt, collectieve huisvesting enz.), die een hoog temperatuurregime vergen in de winter om het comfort te garanderen. Bij een te hoge terugkeertemperatuur valt de wkk-eenheid stil, waardoor de rendabiliteit daalt.

Bij integratie van een wkk-eenheid in een bestaande installatie zorgt een te hoog vermogen van de verwarmingsketels eveneens voor een hoge terugkeertemperatuur, wat niet bevorderlijk is voor de werking van condensatie-wkk-eenheden.

Reservoir

Een warmtereservoir is aanbevolen om:

  • de door de wkk-eenheid geproduceerde warmte op te slaan op momenten dat de vraag naar warmte laag is. Op die manier kan vermeden worden dat de wkk-eenheid moet worden uitgeschakeld of niet op volle kracht draait, met een slecht elektrisch rendement. Wanneer de vraag naar warmte toeneemt, wordt de opgeslagen warmte vrijgegeven in het circuit.
  • de werkingsuren van de wkk-eenheid te verhogen. Met een reservoir kan de wkk-eenheid bij een hogere temperatuur werken dan het circuit. Een driewegklep voor het reservoir volstaat om de temperatuur naar het reservoir te regelen.

De warmteopslag bedraagt het equivalent van één à twee uur bij nominaal thermisch vermogen.

Indien het net een grote capaciteit heeft (bijvoorbeeld bij een zwembad), kan het reservoir worden weggelaten.

Type aansluiting

AfbeeldingBeschrijving

Seriële aansluiting

image08_nl

Seriële aansluiting (bron: http://www-energie.arch.ucl.ac.be )

De wkk-eenheid verwarmt het ketelcircuit voor. De aansluiting wordt aangepast wanneer de ketels op hoge temperatuur werken, aangezien ze niet kunnen condenseren. Bij de analyse van de rendabiliteit van de wkk-installatie moet rekening gehouden worden met verliezen door het uitschakelen van ketels die permanent gevoed worden met het wkk-water. Om deze verliezen te vermijden moet een by-pass worden geplaatst met een gemotoriseerde klep per ketel.

De integratie is eenvoudig in een bestaande installatie.

Parallelaansluiting

image09_nl

Parallelaansluiting (bron: http://www-energie.arch.ucl.ac.be )

Deze parallelconfiguratie is aangeraden . Er is meer aansluitwerk voor de wkk-module, maar de condensatie van de ketels is mogelijk en verliezen door de aanvoer worden vermeden.

Er moet aandacht worden besteed aan:

  • de grotere belastingsverliezen in het hydraulisch net (zie ook de voorzieningen over de juiste dimensionering van de leidingen zodat de drukverliezen bepekt blijven)
  • het minimale en maximale debiet vereist door de wkk-installatie;
  • de minimale en maximale terugkeertemperatuur vereist door wkk-installatie (een mengklep of een fles met drukventiel of een opslagreservoir zijn oplossingen om de terugkeertemperatuur te controleren)

Kwaliteit van het distributiewater

Om beschadiging te vermijden van de warmtewisselaars van de wkk-eenheid wordt aangeraden om een verzachter te installeren. In bestaande installaties zal bovendien een slibvanger worden geïnstalleerd.

Regeling

De wkk-eenheid zal worden geïntegreerd in het algemene systeem voor de regeling van de productie van warmte. De wkk-eenheid zal voornamelijk draaien om de rendabiliteit ervan te verzekeren en om de milieuvoordelen. *** Liens "algemene systeem voor de regeling van de productie" vers ENE12 ***

Voor kleine wkk-installaties verhoogt de modulering van de motoren (50-100%) de prijs van de wkk-eenheid. Bovendien beïnvloedt de modulering het elektrische rendement (lichte daling), wat een impact heeft op de toekenning van groenestroomcertificaten en op de onderhoudskosten (berekend in functie van het aantal werkingsuren). De installatie van een opslagreservoir maakt het mogelijk om modulering en de bijbehorende kosten te vermijden.

Onderhoud

Om de prestaties van de installatie te garanderen zal een specifiek onderhoudscontract moeten worden afgesloten voor de verwarmingsinstallatie (inclusief wkk-eenheid).

De kostprijs voor het onderhoud varieert van € 2 tot € 3 per werkingsuur van een wkk-installatie.

Het onderhoud van een wkk-eenheid van meer dan 20 kW th valt onder de EPB-reglementering voor verwarming .

Welke administratieve stappen zijn nodig?

Afhankelijk van de configuratie van uw installatie zijn bepaalde administratieve stappen nodig wat betreft:

Waar vindt u hulp?

De Facilitator Duurzame Gebouwen helpt professionals uit de bouwsector gratis, onder meer bij vragen op het vlak van warmtekrachtkoppeling. Zo kunnen onder meer het bestek en de haalbaarheidsstudie worden doorgenomen.

Contact opnemen met de Facilitator Duurzame Gebouwen

Bestek

Het opstellen van het bestek is specialistenwerk en gebeurt bijvoorbeeld door het studiebureau dat de haalbaarheidsstudie heeft gedaan. Dit document moet onder meer het volgende omvatten:

  • het materiaal : de technologische keuze, het vermogen, de vereiste meters voor de groenestroomcertificaten, de regeling van/tussen de ketels, het eventuele gebruik van een opslagreservoir …
  • de installatie : de maximale belasting van de bodem, de gedetailleerde hydraulische integratie en elektrische aansluiting, de regeling met de ketels, de aansluiting voor de brandstof en de beveiliging, de afvoer van de rookgassen …
  • de naleving van de normen en de elementen gekoppeld aan de milieuvergunning : toegelaten uitstoot, geluidsniveau, trillingen …
  • het onderhoud : telemonitoring, onderhouds- en/of follow-upcontract.
  • de contractuele elementen : de criteria om de dienstverlener te selecteren, de voorwaarden voor de voorlopige en definitieve oplevering, de eventuele administratieve bepalingen ...

bijgewerkt op 07/11/2017

Code n° : G_ENE08 - Thema's : Energie - Andere thema's : Onderhoud | Keurmerken/certificering - Gerelateerde project components : Verwarming | Sanitair warm water