Luchthoeveelheid als functie van de Stookwaarde
9.5 Warmte Kracht Koppeling
Een Warmte Kracht Koppeling, WKK, is een begrip dat men steeds vaker hoort. Nieuw is het echter niet. In de tijd van de stoommachine werd met de stoommachine een generator aangedreven, terwijl de afgewerkte stoom gebruikt werd voor verwarmingsdoeleinden. Later werd ditzelfde met stoomturbines gedaan, de turbine drijft een generator aan die op zijn beurt elektriciteit aan het net levert. De stoom die de turbine verlaat met een druk van circa 4 bar werd, en wordt gebruikt voor verwarmingsdoeleinden.
In de eerste plaats wordt bij een WKK altijd gedacht aan elektriciteit opwekking met behulp van grote gasmotoren en gasturbines, de dieselmotor is voor het gebruik in een WKK zeker in opmars. Ook de motoren die op biobrandstof draaien worden steeds meer toegepast in de Warmte Kracht Koppeling.
Het basisbegrip van WKK is dat een primaire energiebron, bijvoorbeeld aardgas, dieselolie, zware olie of biobrandstof, via een energiesysteem eindigt bij een energiefunctie. In principe zijn twee basisvormen van energie van belang, dit zijn, warmte voor procesverwarming, ruimte
Afbeelding 3. CO2 emissie bij verschillende systemen, uitgedrukt in gr/kWhe. De laatste twee (1 en 2) zijn uitgedrukt in gr/kWh totaal. (1) 7 bar verzadigde stoom productie, (2) warm water productie.
De Warmte Kracht Koppeling kunnen we ook grafisch weergeven, dit is te zien op afbeelding 4.
We zullen in een voorbeeld aangeven wat het verschil in primair energieverbruik is tussen een conventionele productie en een gecombineerde productie van kracht en warmte.
Bij de conventionele productie gaan we er van uit dat de elektriciteit wordt ingekocht en dat de warmte door een ketel wordt geleverd. Verder wordt uitgegaan van het feit dat er in beide gevallen 20 eenheden elektrische energie en 80 eenheden warmte energie nodig zijn.
Het rendement van het openbare net stellen we op 35%, het rendement van de ketel die voor verwarmingsdoeleinden wordt gebruikt stellen we op 85%.
Het rendement van de motor met generator wordt gesteld op 48%, dat van de afgassenketel met eventuele bijstook op 80%.
800 750 600 670 450 340 1 240 2 600 Kolen gestookte ketel Gasturbine met generator. Zware olie Gasturbine met generator Gasgestookt Gasmotor met generator Aardgas Diesel met generator Low NOx uitvoering Diesel met generator Zware olie Gasmotor WKK Aardgas
Afbeelding 4. De conventionele centrale en de Warmte Kracht Koppeling.
Op de bovenstaande afbeelding 4 is de conventionele centrale weergegeven, hier worden in totaal
57 + 94 = 151 eenheden brandstof aangevoerd.
Bij het gecombineerde proces worden er 41,5 + 78,5 = 120 eenheden brandstof aangevoerd.
Het verschil in brandstoftoevoer bedraagt dus: 151 – 120 = 31 eenheden brandstof.
Aangezien de brandstofkosten een aanzienlijke post zijn in de energieopwekking kan het gecombineerde proces een interessante optie zijn. Voorwaarde is wel dat er veel warmte geleverd moet kunnen worden.
De uitdrukking Warmte Kracht Koppeling kennen we in het duits als Kraft Wärme Kopplung en in het engels als Cogeneration.
Bij het gebruik van dieselmotoren in een WKK kennen we eigenlijk vier vormen, ze lijken allen op elkaar, zie de afbeeldingen 5, 6, 7 en 8.
Afbeelding 5. Systeem met elekriciteitsproductie en lage druk stoom voor industriële doeleinden. Bron Wärtsilä.
Aangezien de benamingen op de afbeeldingen in het engels zijn, is een vertaling bijgevoegd.
Steam generator : Stoomketel
Steam consumer : Stoomverbruiker
Hot water consumer : Warmwater verbruiker
Lube oil cooler : Smeerolie koeler
CAC en CAG : Spoellucht koeler
Electricity : Elektriciteit
Exhaust gas boiler : Uitlaatgassen ketel
District heating network : Stadsverwarmingssysteem
HT water : Hoge temperatuur water
LT water : Lage temperatuur water
Heat exchanger : Warmtewisselaar
Boiler : Ketel
Jacket water : Cilinder koelwater
Circulation pump : Circulatiepomp
Chilled water : Gekoeld water
Absorption chiller : Absorptie koelmachine
Op afbeelding 5 is een WKK opstelling weergegeven waarbij de motor een generator aandrijft die elektriciteit aan het net levert. De
uitlaatgassen van de motor geven in een stoomketel hun restwarmte af. De afgegeven warmte wordt gebruikt om het water in de ketel om te zetten in lage druk stoom, dit is stoom van circa 7 bar. Verder wordt de warmte van de spoelluchtkoelers en de smeeroliekoeler benut voor de warm water productie.
Afbeelding 6. Systeem met elekriciteitsproductie en warm water productie voor stadsverwarming. Bron Wärtsilä.
Op afbeelding 6 is het geheel wat uitgebreid. In dit systeem wordt in de uitlaatgassenketel warm water gemaakt met behulp van restwarmte uit de uitlaatgassen van de dieselmotor. Het warme water wordt gebruikt voor stadsverwarming. Op de afbeelding is te zien dat niet alleen de uitlaatgassen voor warmte zorgen maar dat hier tevens de warmte van de spoelluchtkoelers wordt gebruikt, deze staat in serie met de ketel.
Op afbeelding 7 wordt in de uitlaatgassenketel warm water gemaakt. Het warme water wordt hier gebruikt voor, stadsverwarming of voor airconditioning. De koude wordt hier geproduceerd door een absorptie koelmachine.
Afbeelding 8. Systeem met elekriciteitsproductie en maximale stoomproductie, in dit systeem wordt de ketel bijgestookt. Bron Wärtsilä.
Op afbeelding 8 is een andere variant weergegeven, bij dit systeem wordt gebruik gemaakt van een uitlaatgassenketel die ook een aparte bijstook brander heeft. Dit systeem is bedoeld voor maximale
9.5.1 Bouwvorm
Om een indicatie te geven van de grootte van een WKK installatie die bestaat uit een dieselmotor met een generator en een ketel zijn de afbeeldingen 9 en 10 opgenomen.
Afbeelding 9 is een bouwvorm waarbij men veel ruimte heeft, terwijl afbeelding 10 weergeeft hoe men bouwt in een industriepark, waar ruimte zeer belangrijk en schaars is.
Beide installaties leveren 11 MWatt aan elektriciteit en 10,4 MWatt aan warmte. We korten dit als volgt af, 11 MWe en 10,4 MWth.