HOE WARMTE-KRACHTKOPPELING TOEPASSEN IN RESIDENTIELE PROJECTEN?

Deel 1: basisprincipes en -technologieën

Woningen en gebouwen kunnen vandaag op tal van manieren verwarmd worden. Een van de huidige oplossingen is warmte-krachtkoppeling of wkk (in residentiële projecten: micro-wkk), een technologie die niet alleen bijdraagt tot het verduurzamen van onze verwarming, maar tevens de efficiëntie van de elektriciteitsproductie opdrijft. En toch klinkt wkk bij slechts weinig installateurs bekend in de oren. In deze artikelreeks maken we daarom nader kennis met de technologie en de belangrijkste overwegingen bij het kiezen, ontwerpen en plaatsen van een wkk-installatie voor residentiële (of kleinschalige) toepassingen.

WAT IS WKK?

Gecombineerde productievan warmte en elektriciteit

De energiebehoefte van een bedrijf of gebouw bestaat klassiek uit warmte en elektriciteit. Meestal worden deze gescheiden geproduceerd, waarbij belangrijke verliezen optreden. In het geval van een warmte-krachtkoppeling (of wkk) worden warmte en elektriciteit echter gelijktijdig en in eenzelfde installatie opgewekt. Bij stroomproductie komt namelijk ook altijd warmte vrij en in een wkk wordt deze nuttig gebruikt voor tal van toepassingen, waaronder sanitair warm water, proceswarmte, verwarming, injectie in warmtenetten ...

Primaire-energiebesparing

Door de gecombineerde productie van warmte en elektriciteit zal een goed gedimensioneerde wkk, die op een correcte manier wordt uitgebaat, een primaire-energiebesparing realiseren.

We nemen als voorbeeld een gebouw dat 30 eenheden elektriciteit en 60 eenheden warmte nodig heeft (zie Figuur 1). We veronderstellen dat bij gescheiden opwekking de elektriciteitsproductie een rendement heeft van 50% en de warmteproductie (ketel) een rendement van 90% haalt. Deze configuratie leidt dan tot een brandstofverbruik van 127 eenheden.

Wanneer we de energiebehoefte van het gebouw willen dekken met een wkk met een elektrisch rendement van 30% en een thermisch rendement van 60%, dan zijn hiervoor 100 eenheden brandstof nodig. Dit zijn 27 eenheden minder dan bij gescheiden productie, wat overeenkomt met een relatieve primaire-energiebesparing (RPE) van 21% ({2/127}*100). Door het beter benutten van de aanwezige energie is er ook een fikse lagere uitstoot van CO2.

Let wel: de werkelijke grootte van de primaire-energiebesparing is afhankelijk van de gehanteerde rendementen van zowel de gescheiden productie als de wkk-installatie. Bovenstaand scenario is een ideaal geval, waarbij de wkk-installatie de warmte- en elektriciteitsbehoefte steeds precies kan dekken. In de praktijk is dit echter niet altijd het geval, waardoor de mogelijkheid om bijkomend energie te produceren op de klassieke wijze steeds moet worden voorzien.

WANNEER EEN WKK?

Een wkk wordt al decennialang met succes toegepast in een waaier aan sectoren (industrie, glastuinbouw, ziekenhuizen …), maar de mogelijkheden breiden almaar verder uit. Vandaag is een wkk in tal van situaties toepasbaar, al zijn er uiteraard verschillende criteria waarom er voor de ene technologie wordt gekozen in plaats van voor de andere: duurzaamheid, lokaal verbruik, financieel plaatje … Finaal is de beslissing bovendien vaak projectafhankelijk.

Grote én kleine vermogens

Hoewel de wkk-technologie oorspronkelijk enkel voor grote vermogens beschikbaar was, heeft de opkomst van de micro-wkk (met een vermogen < 50 kWe) ervoor gezorgd dat quasi elke warmtevraag vandaag met een warmte-krachtkoppeling ingevuld kan worden. Dankzij de introductie van de brandstofcel-micro-wkk horen bovendien niet alleen kmo's, hotels, zwembaden, woon-zorgcentra, studentenhomes en wellnesscentra tot de mogelijkheden, maar kunnen ook eengezinswoningen van de technologie gebruikmaken.

Warmteafgiftesysteem

Een wkk is geschikt voor alle vormen van warmteafgiftesystemen, zowel op hoge als op lage temperatuur.

Complementaire technologieën

In een sterk verstedelijkt gebied waar het niet altijd mogelijk is om voor pv of geothermie te kiezen, biedt een wkk een duurzaam alternatief, maar ook als aanvulling op dergelijke duurzame energietechnologieën heeft ze belangrijke voordelen. De wkk-installatie draait immers op de momenten dat er vraag is naar warmte, en produceert op dat moment ook elektriciteit. Op die manier is een wkk perfect complementair met warmtepompen op bijvoorbeeld wijk- of straatniveau, die op datzelfde moment elektriciteit afnemen. Deze complementariteit heeft ook het voordeel dat de toenemende elektrificatie van de warmteproductie door warmtepompen en de toename van het aantal elektrische wagens geen al te ingrijpende investeringen in het elektriciteitsnet zou vereisen.

WELK TYPE WKK?

Het principe van een warmte-krachtkoppeling is mogelijk met verschillende technologieën, elk met hun eigen karakteristieken en toepassingsgebieden. Voor de grote, industriële vermogens – waarop we in dit artikel niet dieper ingaan – worden doorgaans gas- en/of stoomturbines gebruikt; voor micro-wkk's zijn er drie mogelijke technologieën.

Inwendige verbrandingsmotor

De inwendige verbrandingsmotor is in feite de meest gebruikte wkk-technologie. Hierbij wordt de motor benut om arbeid te verrichten, waarmee vervolgens een generator aangedreven wordt die elektriciteit produceert.

Verschillende warmtewisselaars recupereren daarnaast warmte uit de thermische circuits die instaan voor de koeling van de motor (en eventueel de generator). Bij de grotere motoren betreft dit de motorolie, het koelwater en de koeling van de turbo('s); bij kleinere motoren is dit meestal beperkt tot de warmte van het koelwater. Tenslotte zit er ook in de uitlaatgassen van de motor nog warmte die via een uitlaatwarmtewisselaar gerecupereerd wordt.

Inwendige verbrandingsmotoren hebben een elektrisch rendement van 30 à 45% en een thermisch rendement van 40 à 65%. Deze wkk's zijn beschikbaar in een breed gamma van vermogens gaande van enkele kWe tot tientallen MWe. Ze zijn bijgevolg geschikt voor veel toepassingen met een variërende warmtevraag en hebben als voordelen een grote beschikbaarheid en hoge flexibiliteit, een relatief lage investeringskost en brede brandstofmogelijkheden. In vergelijking met andere technologieën hebben ze wel een relatief hogere onderhoudskost en een hogere NOx-emissie.

In de (semi)residentiële context vinden wkk's met inwendige verbrandingsmotor vooral toepassing bij relatief grote warmtegebruikers zoals appartementsgebouwen, hotels of woon-zorgcentra. Voor eengezinswoningen of kleinschalige cohousingprojecten, bijvoorbeeld, wordt eerder gebruikgemaakt van een van de volgende technologieën:

Stirlingmotor

De stirlingmotor is een uitwendige verbrandingsmotor. Hij werkt volgens het principe van één of meerdere cilinders met een vast volume gas dat langs één zijde opgewarmd en langs een andere zijde afgekoeld wordt. Het gas zet uit en krimpt weer, waardoor een zuiger in de cilinder wordt bewogen. Een displacer zorgt ervoor dat het gas telkens naar de andere zijde verschoven wordt, zodat de beweging zich kan blijven herhalen.

Terwijl het gas van de warme naar de koude zijde verplaatst wordt en omgekeerd, wordt er respectievelijk warmte afgegeven en opgenomen in een regenerator. Vermits de efficiëntie van de regenerator bepaalt hoeveel warmte er in de volgende cyclus toegevoegd of onttrokken moet worden, zal deze grotendeels de efficiëntie van de stirlingmotor bepalen. De beweging van de zuiger drijft een elektrische generator aan.

Doordat de verbranding uitwendig gebeurt, kan de technologie in principe gebruikmaken van quasi alle brandstoffen. Ze vergt weinig onderhoud, veroorzaakt lage emissies, beperkt trillingen en lawaaihinder, en heeft goede prestaties bij deellast.

Stirlingmotoren zijn vandaag in België enkel beschikbaar voor kleine vermogens van enkele kWe en maken gebruik van houtpellets als brandstof.

Brandstofcel

Een brandstofcel is een systeem dat via een elektrochemisch proces waterstof en zuurstof omzet in elektrische energie, zonder tussenstappen van verbranding en mechanische arbeid. Door deze rechtstreekse omzetting behaalt de technologie zeer hoge elektrische rendementen. Bij de reactie komt daarnaast ook warmte vrij.

Figuur 2 illustreert de werking van de brandstofcel. Aan de ene zijde wordt zuurstof in de cel gebracht, aan de andere zijde waterstofgas. Het waterstofgas beweegt zich naar de anode waar het opgesplitst wordt in elektroden en protonen. De protonen bewegen door de elektrolyt naar de kathode. De elektroden bewegen door een geleider en vormen op die manier elektrische stroom (gelijkspanning). In de kathode komen de elektroden aan, samen met de protonen en de zuurstof. Via een chemische reactie wordt hieruit water gevormd. Gelijkspanning wordt door een DC/AC-omvormer omgezet in wisselspanning. Brandstofcellen kunnen volgens verschillende principes werken:

• Polymer Electrolyte Membrane: het meest gekende type is de PEM-brandstofcel, waarbij de elektrolyt bestaat uit een vast membraan van polymeer dat gespannen wordt tussen twee poreuze elektroden, met platina als katalysator. De PEM-brandstofcel werkt op lage temperatuur, met als voordeel dat start-stops (bijvoorbeeld dag-nacht) mogelijk zijn.
• Solid Oxide Fuel Cells: bij de SOFC-brandstofcel wordt gebruikgemaakt van een keramisch materiaal als elektrolytische laag. Deze brandstofcel werkt op hoge temperatuur, wat zorgt voor een trage opstartsnelheid. Frequente start-stops zijn daarom niet mogelijk. SOFC's hebben een zeer hoge elektrische efficiëntie en leveren relatief veel elektriciteit in verhouding tot de warmte.

De brandstofcel zelf is zeer modulair, waardoor wkk's op basis van brandstofcellen in principe geproduceerd kunnen worden in een zeer breed gamma van vermogens. Omdat waterstof in België nog niet rechtstreeks beschikbaar is, wordt het doorgaans in de wkk-module zelf geproduceerd, door middel van een reactie van stoom met aardgas in de reformer.

EEN WKK VERDUURZAMEN?

De meeste wkk's zijn aangesloten op het gasnet en draaien op aardgas. Dat zal naar alle verwachtingen ook de komende decennia nog zo blijven, al zal de samenstelling van het gas wel steeds verder vergroenen door de injectie van groen gas. Dat kan enerzijds biomethaan zijn (uit reststromen organisch afval) en anderzijds synthetisch gas zoals waterstof (zie ook Sanilec 2019-06). Een studie naar het potentieel van waterstof in Vlaanderen, uitgevoerd in opdracht van VEA, wijst uit dat een waterstofaandeel tot mogelijk 20% mogelijk is en geen te ingrijpende investeringen in het gasnet vereist. Conventionele wkk-toestellen zouden bij een dergelijke samenstelling geen hinder ondervinden.

Op die manier zullen wkk's die op het gasnet zijn aangesloten, dus ook op (deels) groen gas kunnen draaien en zo op een energie-efficiënte manier groene stroom en groene warmte opwekken.

EN HET KOSTENPLAATJE?

Wanneer men het vermogen van de wkk op de (basis)warmtevraag dimensioneert, zal deze in principe ruim voldoende draaiuren halen en naast een korte terugverdientijd ook een belangrijke milieuwinst genereren. In dat opzicht is een wkk een economisch en ecologisch interessante investering, die men ofwel zelf draagt, ofwel via een derde partij laat verlopen die de investering recupereert via de gerealiseerde besparingen.

Steunmechanismen

Toch is het financieel niet altijd evident om tot rendabele projecten te komen. De verschillende overheden hebben daarom een aantal steunmechanismen voorzien, met als doel een kans te geven aan projecten die een energiebesparing realiseren ten opzichte van de klassieke gescheiden productie van elektriciteit en warmte, maar die zonder steun economisch niet rendabel zijn.

Op het federale niveau vermelden we hier de verhoogde investeringsaftrek (enkel voor bedrijven). Micro-wkk's met een vermogen t.e.m. 10 kWe kunnen in Vlaanderen een investeringssteun aanvragen; voor wkk's met een groter vermogen is er een exploitatiesteun in de vorm van de warmte-krachtcertificaten. Ook de Brusselse en Waalse overheden voorzien een exploitatiesteun, de zogenaamde 'Certificats verts', waarbij Brussel bijkomend een multiplicator hanteert om wkk's in appartementsgebouwen rendabel te maken.

Dimensionering doorslaggevend

Toch is en blijft de eerste stap naar een profitabel project, zoals reeds vermeld, een goede dimensionering. Dat cruciale aspect behandelen we dan ook uitvoerig in dit artikel. 

WKK IN BELGIË: ENKELE KERNCIJFERS

• Het huidig vermogen aan warmte-krachtkoppeling (wkk) in België bedraagt 2.700 MWe. Dat is bijna evenveel als de volledige nucleaire capaciteit in Doel (centrales Doel 1, 2, 3 en 4).
• 18% van de totale Belgische elektriciteitsvraag wordt met deze installaties gedekt. In Vlaanderen loopt dat cijfer zelfs op tot 21%.
• Ten opzichte van een gescheiden productie wordt daarbij 11,4 TWh aan brandstof of primaire energie bespaard, het equivalent van het gasverbruik van 800.000 gezinnen of 28% van alle gezinnen aangesloten op het gasnet.
• Van alle wkk’s in België draait vandaag zo’n 14% op biobrandstof. Dat aandeel neemt jaarlijks verder toe.

Met dank aan COGEN Vlaanderen, Elugie, E. Van Wingen en Viessmann

Lees hier deel 2 van de reeks