Warmtekrachtkoppeling of WKK

Wat is WKK, en wat doet het?

Warmtekrachtkoppeling (WKK) is de gelijktijdige opwekking van warmte en elektriciteit. De kracht in warmtekrachtkoppeling staat voor de elektrische energie die opgewekt wordt. Vroeger werden ook warmtekrachtkoppelingssystemen met mechanische arbeid (kracht) ontwikkeld, maar dat komt heden ten dage nog weinig voor. 

Het grote voordeel van warmtekrachtkoppeling is dat zij energie bespaart t.o.v. de gescheiden opwekking van evenveel elektrische en thermische energie. Dit wordt toegelicht aan de hand van onderstaande figuur: 

 

warmtekrachtkoppeling versus gescheiden productie

Figuur 1: Gescheiden productie (links) versus warmtekrachtkoppeling (rechts)

 

Om 30 eenheden elektriciteit, en 50 eenheden warmte te produceren, is er bij gescheiden productie een totaal van 115 eenheden primaire energie nodig: de centrale met een globaal rendement van 50% zet 60 eenheden primaire energie (bvb. gas) om in 30 eenheden elektriciteit, de stookketel met een rendement van 90% zet 55 eenheden primaire energie om in 50 eenheden nuttige, bruikbare warmte. Een WKK, bijvoorbeeld op basis van een gasmotor, kan 30 eenheden elektriciteit en 50 eenheden bruikbare warmte opwekken vanuit 100 eenheden primaire energie. De WKK bespaart in dit geval dus 15 eenheden energie op een totaal van 115, of 13%. 
De precieze rendementen kunnen variëren, maar een WKK kan op die manier tot zelfs meer dan 20% primaire energie besparen. 

Wanneer is een WKK interessant? 

Een WKK moet in de eerste plaats beschouwd worden als een installatie die warmte levert. De warmte wordt steeds lokaal vebruikt, al dan niet via een warmtenet. De geproduceerde elektriciteit wordt bij voorkeur ook lokaal gebruikt, maar overschotten kunnen via het net verkocht worden, en tekorten kunnen via het net aangekocht worden. Met warmte is dit niet mogelijk: de warmte die geproduceerd wordt moet nuttig gebruikt kunnen worden. Indien de installatie zou draaien wanneer er geen nuttig gebruik is voor de warmte (bijvoorbeeld om elektriciteit op te wekken), dan wordt er elektriciteit opgewekt met een rendement dat lager ligt dan dat van een moderne elektriciteitscentrale. Er gaat bijgevolg primaire energie verloren. Het is dus duidelijk dat een WKK alleen maar zinvol kan zijn wanneer er een warmtevraag is die voldoende groot is.

 

Warmte dient lokaal verbruikt te worden, elektriciteit kan uitgewisseld worden via het net

Figuur 2: De geproduceerde warmte wordt lokaal verbruikt, de geproduceerde elektriciteit kan worden uitgewisseld via het net

 

Een grote warmtevraag is op zich niet voldoende: ook het warmtevraagprofiel - het verloop van de warmtevraag in functie van de tijd - is erg belangrijk. Een WKK heeft immers een bepaald nominaal vermogen, zowel elektrisch als thermisch. Wanneer aan een WKK een thermische vraag opgelegd wordt die veel lager is dan het nominaal thermisch vermogen - de WKK draait dan op deellast - zal zowel het thermisch als het elektrisch rendement dalen. En wanneer de rendementen te sterk dalen verdwijnt de primaire-energiebesparing als sneeuw voor de zon. Er zijn dus grenzen aan het opleggen van een deellastregime.

Een tweede mogelijkheid om een beperkte warmtevraag in te vullen met een te groot vermogen is het frequent aan- en uitschakelen van de installatie. Omwille van de thermische inertie van de meeste WKK's, is dit echter geen goede optie. Daarnaast is veelvuldig aan- en uitschakelen van een  WKK (in de meeste gevallen een motor) nefast voor de levensduur van de installatie, en ook voor het rendement.

Dit betekent dat een WKK slechts een zeker gedeelte van de totale warmtevraag kan invullen: het gedeelte waar de vraag niet veel kleiner is dan het nominaal thermisch vermogen van de installatie. Anderzijds kan de WKK de vraag ook niet volledig invullen wanneer die groter is dan haar nominaal thermisch vermogen. Voor het gedeelte dat niet ingevuld kan worden door de WKK (te grote en te kleine vraag), wordt dan ook een conventionele installatie voorzien, bijvoorbeeld een condenserende ketel.
 

Opdat een WKK-installatie voldoende primaire energie bespaart om de meerkost te verantwoorden, zal ze voldoende draaiuren moeten halen. Dit hangt af van het warmtevraagprofiel. Voor een gekend warmtevraagprofiel kan vooraf nagegaan worden welk thermisch vermogen hoeveel draaiuren zal realiseren. Dit gebeurt via een jaarbelastingsduurcurve: een monotoon dalende rangschikking van de 8760 uurlijkse warmtevragen over een volledig jaar.

jaarbelastingsduurcurve: een monotoon dalende rangschikking van de uurlijkse warmtevragen over een gegeven jaar
   Figuur 3: Een jaarbelastingsduurcurve

 

De jaarbelastingsduurcurve geeft weer hoeveel uren aan een bepaald vermogen gedraaid kan worden. In onderstaande figuur geeft de blauwe rechthoek weer dat een installatie met een vermogen X kan draaien gedurende Y uren. De groene rechthoek geeft dan weer dat een installatie met een vermogen X/2, half zo groot, kan draaien gedurende 3xY uren. In totaal produceert deze installatie dus anderhalf keer zoveel thermische energie (vermogen x uren), en bespaart ze ook anderhalf keer zoveel primaire energie indien beide installaties gelijke rendementen hebben. Daarenboven zal een installatie met een kleiner vermogen ook goedkoper zijn...

 

Figuur 4: De rechthoek met de grootste oppervlakte komt overeen met de grooste primaire-energiebesparing. Het deel onder de curve dat niet ingevuld wordt door de WKK-installatie (rechthoek), wordt ingevuld door een conventionele installatie.