1. Procesbeschrijving
1.1. Inleiding
Warmtekrachtkoppeling (afgekort WKK) is de gecombineerde, gelijktijdige productie van warmte en elektriciteit. Hierbij worden warmte en elektriciteit in eenzelfde installatie opgewekt. Gezien warmte moeilijk te transporteren is, bevindt deze installatie zich dicht bij de warmteverbruiker. De hoogwaardige warmte die vrijkomt bij het verbranden van de brandstof wordt eerst gebruikt voor het produceren van mechanische energie, welke vervolgens via een alternator wordt omgezet in elektriciteit. Hierna blijft de laagwaardige restwarmte over. Deze wordt dan gebruikt om te voldoen aan de specifieke warmtevraag van een bedrijf.
Het grote voordeel van warmtekrachtkoppeling is dat bij een gezamenlijke opwekking van warmte en elektriciteit de in de brandstof aanwezige energie beter wordt benut. Hierdoor is bij cogeneratie beduidend minder brandstof nodig dan bij een gescheiden productie van eenzelfde hoeveelheid warmte en elektriciteit. Minder brandstofverbruik houdt bovendien ook in dat de CO2-uitstoot en de uitstoot van andere schadelijke stoffen (roet, NOx, SO2, CO, ...) in belangrijke mate gereduceerd wordt. Het nadeel van een WKK installatie is dat er een permanente en vrij constante afname van warmte van een voldoende capaciteit noodzakelijk is (Goovaerts et al., 2009).
1.2. Werkingsprincipe
Wanneer men over een WKK op hernieuwbare brandstoffen spreekt, denkt men bijna automatisch aan biogas. Maar warmtekrachtinstallaties werken niet enkel op biogas, maar ook op vloeibare en vaste hernieuwbare brandstoffen. Vaste brandstoffen worden doorgaans direct verbrand, en worden daarom eerder gebruikt voor warmteproductie. Met behulp van stoomturbines kan echter ook aan elektriciteitsproductie en aan warmtekoppeling gedaan worden. Zoals reeds aangegeven wordt de hoogwaardige warmte die vrijkomt bij verbranding van de hernieuwbare brandstof omgezet in stoom, en deze stoom wordt geëxpandeerd over een turbine. Hierdoor krijgt de turbine een draaiende beweging, die via een alternator in elektriciteit wordt omgezet. Om de kunnen spreken van WKK dient de stoom na het verlaten van de turbine nog nuttig gebruikt te worden om een warmtevraag in te vullen (tegendrukstoomturbine). Anderzijds kan een deel van de stoom ook afgetapt te worden uit de turbine om eveneens nuttig aangewend te worden, terwijl de rest van de stoom enkel voor elektriciteitsopwekking wordt gebruikt (aftapcondensatiestoomturbine). Bij vloeibare hernieuwbare brandstoffen denken we in eerste instantie aan de bio-olie en biodiesel welke rechtstreeks gebruikt worden in licht omgebouwde dieselmotoren.
In principe kan WKK toegepast worden aan de hand van elke technologie die zowel kracht als warmte produceert. In de praktijk zijn de meest voorkomende technologieën de motor (op gas of diesel) en de gasturbine. Het elektrisch vermogen ligt voor motoren typisch tussen 5kWe en 4MWe. Voor gasturbines varieert de vermogensrange tussen 1 en 250MW. Bij verbanding van vaste brandstoffen dient gebruik te worden gemaakt van een stoomcyclus. Wegens hun relatief laag rendement en hoge kostprijs worden stoomturbines minder frequent gebruikt in kleinschalige toepassingen.
Binnen de afvalbrandstoffen is houtafval de meest gebruikte brandstof in dit type toepassingen. De verbranding van vaste afvalstoffen op relatief kleine schaal maakt gebruik van dezelfde installatietypes als deze op grote schaal. Omwille van het schaalverschil treden mogelijk kleine conceptwijzigingen op. Keuze van de meest geschikte techniek wordt bepaald door de vorm en korrelgrootte van het te verbranden materiaal. Voor verwerking van biomassa en houtafval bestaan er in Vlaanderen verschillende installaties in een ruime capaciteitsrange. Systemen worden geleverd door Vlaamse en buitenlandse leveranciers.
Er bestaan verschillende technologieën om het principe van gecombineerde productie van elektriciteit en warmte te realiseren. Elke technologie heeft zijn specifieke toepassingsgebieden. De meest courante uitvoeringsvormen zijn de stoom- en de gasturbine voor grote vermogens en de inwendige verbrandingsmotor voor kleinere vermogens. Voor deze kleinere vermogens zijn ook microgasturbines beschikbaar, maar worden nog niet veel toegepast. Daarnaast is micro-WKK op basis van een Stirlingmotor beschikbaar op de markt en wordt onderzoek verricht naar nieuwe technologieën, zoals brandstofcellen. Een overzicht van de verschillende technologieën en hun toepassingsgebieden is weergegeven in Figuur 1. De meeste WKK’s werken op fossiele brandstoffen, maar het is ook mogelijk om hernieuwbare energiebronnen als brandstof te gebruiken, denken we maar aan biomassa, bio-olie of biogas. Een dergelijke uitvoering biedt een dubbel voordeel: er wordt niet alleen een milieuvriendelijke brandstof gebruikt, deze wordt bovendien optimaal benut (COGEN, 2012). Voor een gedetailleerde beschrijving van de verschillende technologieën verwijzen we naar de BBT studie voor verbranding van hernieuwbare brandstoffen (Goovaerts et al., 2009).
Figuur 1. De verschillende technologieën en hun toepassingsgebieden (COGEN, 2012).
2. Milieuaspecten en energie
Bij het verbranden van hernieuwbare brandstoffen worden voornamelijk emissies naar lucht gevormd. Deze emissies worden bepaald door:
- De chemische samenstelling en de aard van de brandstof;
- De installatie (zowel ontwerp als eventuele rookgasreiniging);
- Het gebruik van de installatie.
Bij de verbranding van hernieuwbare brandstoffen moet rekening worden gehouden met enerzijds emissies die bepaald worden door de samenstelling van de brandstof en anderzijds door de verbranding zelf (door het concept van de installatie en de verbrandingsvoorwaarden). De vorming van emissies bij verbranden in stookinstallaties (branders) verloopt anders dan bij het gebruik ervan in motoren. Bij motoren spelen, naast het type brandstof, de luchtvochtigheid en belasting ook de motorkarakteristieken een belangrijke rol. Hierbij zijn de (homogene) verbrandingstemperatuur en het ontwerp van de verbrandingskamer van belang. Dit maakt dat voornamelijk NOx-emissies bij motoren een pijnpunt vormen (Goovaerts, 2009).
Wanneer een hernieuwbare brandstof een hoge concentratie Cl bevat, kan een deel hiervan tijdens de verbranding worden omgezet in HCl. Het chloorgehalte in onbehandeld hout is zeer laag. Sommige hernieuwbare brandstoffen, zoals grassen en stro, kunnen wel significante hoeveelheden chloor bevatten. Het grootste deel reageert met Na en K tot de zouten NaCl en KCl die achter blijven na de reactie, sporen worden geëmitteerd als dioxines en organische chloorcomponenten.
In vergelijking met stookolie en aardgas bevatten vaste brandstoffen, zoals biomassa en steenkool, aanzienlijke hoeveelheden asvormende elementen. Er moet een onderscheid gemaakt worden tussen deze elementen. Sommige zijn niet-vluchtig bij biomassaverbranding (Ca, Si, Mg, Fe, Al) en andere zijn vluchtige elementen zoals K, Na, S, Cl en vluchtige metalen (e.g. Zn en Pb). De vluchtige elementen zullen gedeeltelijk vrijgegeven worden in de gasfase (vervluchtigen) tijdens het verbrandingsproces terwijl de niet-vluchtige elementen in de vaste fase blijven.
Andere mogelijk emissies naar lucht zijn CO, zware metalen, PAK’s, PCDD/F en ammoniak.
In de meeste gevallen kunnen de NOx-emissies aanzienlijk gereduceerd worden door gebruik van primaire maatregelen of inzet van secundaire reductietechnieken. Emissies van SOx kunnen gereduceerd worden door secundaire maatregelen, en in sommige gevallen door primaire maatregelen. Voor vele verbrandingsinstallaties op hernieuwbare brandstoffen zijn de emissiereductietechnieken zeer duur daar het hierbij vaak kleinere installaties betreft dan bij fossiele verbranding. Hoe groter de installatie hoe kosteneffectiever de maatregelen worden. Hoewel de grootte van de installatie vaak van lokale beschikbaarheid van hernieuwbare brandstoffen afhangt.
Er kunnen verschillende, doch beperkte, afwaterwaterstromen vrijkomen bij het verbranden van hernieuwbare brandstoffen:
- afvalwater afkomstig van de afwatering van de hernieuwbare brandstofopslagplaats;
- oppervlaktewater van het bedrijfsterrein;
- condensaat van de drooginstallatie;
- condensaatstromen van rookgascondensatie;
- afvalwater uit de boiler.
De verontreinigingen in deze afvalwaterstromen geven geen problemen.
Voor een overzicht van mogelijke milieubeschermende maatregelen verwijzen we naar Goovaerts (2009) en naar de LUSS-tool (luchtzuiveringstechnieken) op de EMIS website.
3. Kosten
De werkings- en onderhoudskosten hangen in zekere mate af van de beslissingen die genomen worden in de ontwerp- en constructiefase van het systeem. Het is mogelijk dat acties die de investeringskost verminderen, kunnen leiden tot verhoogde werkings- en onderhoudskosten, met een negatieve impact op de totale economische prestatie van het project. Brandstof is gewoonlijk de belangrijkste werkingskost, tot ca. 80% van de totale werkingskost. Bij kleinschalige WKK moet men rekening houden met een duurdere aanschafkost van de brandstof dan bij grote, industriële klanten. Dit is te wijten aan de grotere afnamevolumes. De brandstof kan bovendien een bijproduct zijn van een bepaald proces of een afvalstroom (COGEN, 2006).
Bij energieopwekking door warmte-krachtinstallatie wordt energie bespaard. Deze energiebesparing op zich volstaat niet om de investering in WKK rendabel te maken. Daarom voorziet de Vlaamse Overheid steun in de vorm van warmte-krachtcertificaten. De eigenaar deze kan verkopen aan een energieleverancier of de netbeheerder.
4. Referenties
- COGEN Vlaanderen VZW, www.cogenvlaanderen.be
- COGEN, 2006. Basishandboek Warmtekrachtkoppeling. COGEN Vlaanderen VZW.
- COGEN, 2012. WKK Wegwijzer 2012. COGEN Vlaanderen VZW.
- Goovaerts, L., Van der Linden, A., Moorkens, I., Vrancken, K., 2009. Beste Beschikbare Technieken (BBT) voor verbranding van hernieuwbare brandstoffen. VITO, mol, 313 p.
- VREG, De Vlaamse Regulator van de Elektriciteits- en Gasmarkt, www.vreg.be