Wat is WKK?


Wanneer het over energievoorziening gaat, wordt vaak in eerste instantie aan elektriciteit gedacht. Toch bestaat het overgrote deel van de energievraag niet uit elektriciteit, maar uit warmte.

Voor Vlaanderen kan men aannemen dat warmte een aandeel van 75 tot 85% heeft in de totale energievraag. Klassiek gebeurt de productie van elektriciteit en warmte gescheiden. Een gezamenlijke opwekking van deze twee energievormen met behulp van warmtekrachtkoppeling, biedt echter een aantal aanzienlijke voordelen, onder andere voor het milieu.

Zowel warmte als elektriciteit zijn vormen van energie, maar ze zijn niet gelijkwaardig. Voor een goede vergelijking dienen we rekening te houden met de omzetbaarheid van energie in een andere energievorm. Niet alle vormen van energie zijn immers volledig omzetbaar in andere. In dit kader moeten we de begrippen “exergie” en “anergie” vermelden.

Exergie is dat gedeelte van de energie dat volledig omzetbaar is in andere energievormen; anergie daarentegen is het gedeelte dat niet (meer) volledig omzetbaar is in andere vormen. Het is duidelijk dat aan exergie een grotere waarde dient gehecht te worden dan aan anergie, en dat met deze exergie dan ook zuinig omgesprongen moet worden.

Elektriciteit is volledig omzetbaar in andere vormen, zoals bijvoorbeeld mechanische energie, in warmte, ... en bestaat dus volledig uit exergie. Warmte is echter een energievorm met een lagere kwaliteit, die niet meer volledig kan omgezet worden in een andere energievorm. Warmte bevat dus naast exergie ook anergie, en het aandeel van de anergie neemt toe naarmate de warmte op lagere temperatuur beschikbaar is.

Meestal worden warmte en elektriciteit gescheiden geproduceerd, wat wil zeggen dat elke energievorm in een afzonderlijke installatie wordt opgewekt. Elektriciteit is, in tegenstelling tot warmte, gemakkelijk te transporteren. De opwekking gebeurt dan ook vaak op afstand, in grote centrales. Via het net wordt de elektriciteit dan naar de eindgebruiker gebracht. Warmte wordt meestal ter plaatse, bij de verbruiker, geproduceerd met behulp van een boiler of een ketel.

De chemische energie van de brandstof wordt daar via een verbranding omgezet in warmte. Deze warmte is meestal echter gevraagd op een niet al te hoge temperatuur. Dit betekent dat de energie uit brandstof wordt omgezet in warmte die een groot deel anergie bevat. In het kader van een zo efficiënt mogelijke benuttiging van brandstoffen is dit uiteraard een spijtige zaak, gezien kostbare exergie verloren gaat.

Warmtekrachtkoppeling (afgekort WKK) kan voor dit probleem een oplossing bieden. Hierbij wordt warmte en elektriciteit in eenzelfde installatie opgewekt. Gezien warmte zo moelijk te transporteren is, bevindt deze installatie zich dicht bij de warmteverbruiker.

De hoogwaardige warmte (1200°C) die vrijkomt bij het verbranden van de brandstof wordt dan eerst gebruikt voor het produceren van mechanische energie, die dan verder via een alternator wordt omgezet in elektriciteit. Hierna blijft de laagwaardige restwarmte (bijvoorbeeld 500°C) over, en deze wordt dan gebruikt om te voldoen aan de specifieke warmtevraag van een bedrijf, van een ziekenhuis, ...

Men kan dus stellen dat een WKK een slimme manier is om warmte te produceren, waarbij een veel hoger exergetisch rendement bekomen wordt. Warmte is inderdaad de belangrijkste factor, en het is dan ook essentieel dat de warmte nuttig aangewend wordt. Daarom wordt een warmtekrachtkoppelingsinstallatie ook bij voorkeur op de warmtevraag gedimensioneerd. De elektriciteitsopwekking wordt hierbij gebruikt om de warmte op de gewenste temperatuur te produceren, en zorgt daardoor voor minder exergieverlies en voor een meer rationeel energiegebruik.

Er bestaan verschillende technologieën om het bovenstaande principe van gecombineerde productie van elektriciteit en warmte te realiseren. Elke technologie heeft zijn specifieke toepassingsgebieden. De meest courante uitvoeringsvormen zijn de stoomturbine, de gasturbine en de inwendige verbrandingsmotor, die zowel gas als diesel als brandstof kan hebben. Daarnaast staan microturbines op de rand van een marktdoorbraak, en wordt onderzoek verricht naar nieuwe technologieën, zoals Stirlingmotoren en brandstofcellen.

Het principe van warmtekrachtkoppeling kan verder uitgebreid worden door ook trigeneratie te beschouwen. Naast elektriciteit en warmte produceert een dergelijke eenheid ook koude. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een absorptiekoelmachine. Sterk vereenvoudigd zou men dus kunnen stellen dat in een dergelijke machine warmte gebruikt wordt om koude te produceren. Wanneer de warmtevraag in de zomerperiode afneemt, kan de WKK toch nog blijven draaien, en zijn warmte nuttig aanwenden om te voldoen aan de vraag naar koude.

De troeven van WKK

Het grote voordeel aan warmtekrachtkoppeling is dus dat bij een gezamenlijke opwekking van warmte en elektriciteit de in de brandstof aanwezige energie veel beter wordt benut. Hierdoor is bij cogeneratie beduidend minder brandstof nodig dan bij een gescheiden productie van eenzelfde hoeveelheid warmte en elektriciteit. Zoals bekend zijn de reserves aan fossiele brandstoffen eindig, en dienen we er dus zuinig mee om te springen. In dit opzicht is warmtekrachtkoppeling natuurlijk een interessante techniek. 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 of biogas. Een dergelijke uitvoering biedt een dubbel voordeel: er wordt niet alleen een milieuvriendelijke brandstof gebruikt, maar deze wordt bovendien optimaal benut.

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. De vermelde stoffen komen in steeds hogere concentraties voor in lucht, water en bodem. De impact ervan op leefmilieu, atmosfeer en klimaat is aanzienlijk, denk maar aan het broeikaseffect en de ozonproblematiek. Het protocol van Kyoto bepaalt dat de uitstoot van broeikasgassen, waarvan CO2 het belangrijkste is, voor de periode 2008-2012 met 5% gereduceerd dient te worden ten opzichte van het referentiejaar 1990. Europa gaat een stapje verder, wat er voor België op neerkomt dat een daling van 7,5% gerealiseerd moet worden voor wat betreft de uitstoot van broeikasgassen. Warmtekrachtkoppeling kan hier een bijdrage leveren, maar het spreekt voor zich dat ook andere maatregelen nodig zijn.

Een toename van het aantal warmtekrachtkoppelingsinstallaties zorgt er bovendien voor dat de elektriciteitsproductie wat opschuift van een sterk centrale productie naar een meer gedecentraliseerde productie. Een dergelijke decentrale productie veroorzaakt minder transportverliezen, en maakt een klant minder afhankelijk van één centrale, waardoor de beschikbaarheid van elektrische energie vergroot.

Rationeel energiegebruik

Rationeel energiegebruik moet een bijdrage leveren tot duurzame ontwikkeling, wat betekent: een leefbare wereld doorgeven aan de generaties na ons, ze niet belasten met de negatieve gevolgen van onze huidige activiteiten. Rationeel energiegebruik dient echter te gebeuren op alle niveau’s: zowel de energiebronnen, de energieomzetting als de energieconsumptie dienen met de nodige omzichtigheid aangepakt te worden. Warmtekrachtkoppeling zorgt voor een efficiëntere omzetting van energie, en draagt in dat opzicht bij tot een rationeel gebruik van energie. Toch zal deze inspanning pas echt zinvol zijn, als ook op het niveau van de eindverbruiker zuinig wordt omgesprongen met energie.


Primaire energiebesparing van WKK tegenover gescheiden productie


Een bedrijf heeft een bepaalde behoefte aan warmte en elektriciteit, en kan aan deze behoefte voldoen via gescheiden productie of via warmtekrachtkoppeling. Bij een goed gedimensioneerde WKK, zal deze laatste optie voor een aanzienlijk kleiner totaal brandstofverbruik zorgen. Brandstof is primaire energie, zodat men voor WKK vaak spreekt over een primaire energiebesparing.

Nemen we als voorbeeld een bedrijf dat 45 eenheden elektriciteit en 50 eenheden warmte nodig heeft.

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 45/0,5 + 50/0,9 = 146 eenheden.



Een WKK, stel een gasmotor, met elektrisch rendement van 38% en een thermisch rendement van 42%, kan in theorie precies aan deze vraag voldoen, en heeft daarvoor 119 eenheden brandstof nodig. Dit zijn 27 eenheden minder dan bij gescheiden productie, of een relatieve primaire energiebesparing van 18,5%.



Voorgaande is natuurlijk een ideaal geval, waarbij de WKK op elk moment precies de behoefte aan zowel warmte als elektriciteit kan dekken. In de praktijk is dit niet altijd het geval, zodat de mogelijkheid om bijkomende energie te produceren op de klassieke wijze steeds moet voorzien worden. Dit zorgt er natuurlijk voor dat de primaire-energiebesparing ietwat kleiner zal zijn dan wat hiervoor werd berekend.


Eenheden van energie en vermogen


Eenheden van energie

Energie wordt uitgedrukt in de standaard-eenheid Joule (J). Dit is een vrij kleine eenheid, daarom worden vaak veelvouden ervan gebruikt.

• 1 J (1 Joule)
• 1 Kj (1 kiloJoule) = 103 J = 1000 J
• 1 MJ (1 megaJoule) = 106 J = 1 miljoen J
• 1 GJ (1 gigaJoule) = 109 J = 1 miljard J
• 1 TJ (1 teraJoule) = 1012 J = 1000 miljard J

Meestal drukt men energie echter uit met behulp van de gebruikseenheid kilowattuur (kWh) of een van zijn veelvouden. Kilowattuur en Joule kunnen echter eenvoudig naar elkaar omgerekend worden: 1 kWh = 3600000 J = 3,6 106 J

• 1 kWh (1 kilowattuur) = 3600 kJ
• 1 MWh (1 megawattuur) = 3600 MJ
• 1 GWh (1 gigawattuur) = 3600 GJ
• 1 TWh (1 terawattuur) = 3600 TJ

Eenheden van vermogen

Vermogen wordt uitgedrukt in Watt (W) en zijn veelvouden. Vermogen is energie per eenheid van tijd, vandaar dat geldt: 1 W = 1 J/s (Joule per seconde).

• 1 W (1 Watt)
• 1 kW (1 kiloWatt)= 1000 W
• 1 MW (1 megaWatt)= 106 W
• 1 GW (1 gigaWatt)= 109 W
• 1 TW (1 teraWatt)= 1012 W

Bijkomende letters als index worden gebruikt om aan te duiden over welke vorm van energie of vermogen (elektrisch, thermisch, mechanisch, ...) het gaat, bvb:

• 1 MWe = 1 megawatt elektrisch vermogen
• 1 MWth = 1 megawatt thermisch vermogen

Omrekenen naar primaire energie

Meestal kennen we de elektrische, thermische,.. energie die verbruikt wordt. De verbruikte hoeveelheid brandstofenergie is dan echter groter, want de omzetting gebeurt nooit met 100% rendement.
Volgens conventies bedraagt de omrekenfactor voor gescheiden productie van elektriciteit 2,5 à 3, en van warmte 1,11. Dit wil zeggen dat 1 kWh elektriciteit bij de eindverbruiker overeenkomt met 2,5 à 3 kWh primaire energie, en 1 kWh warmte bij de eindverbruiker met 1,11 kWh primaire energie.





[ Terug naar begin van de pagina ][ Terug naar de homepage ]