Vormt Warmtekrachtkoppeling (WKK) een interessant alternatief voor een energiezuinige verwarming in zorginstellingen? Volgens de ingenieurs van studiebureau Ingenium is dat zeker het geval. Met dit artikel probeert Ingenium een aantal aandachtspunten op te geven waarmee rekening wordt gehouden bij de dimensionering en integratie van een WKK-installatie in een zorginstelling.
Vormt Warmtekrachtkoppeling (WKK) een interessant alternatief voor een energiezuinige verwarming in zorginstellingen? Volgens de ingenieurs van studiebureau Ingenium is dat zeker het geval. Met dit artikel probeert Ingenium een aantal aandachtspunten op te geven waarmee rekening wordt gehouden bij de dimensionering en integratie van een WKK-installatie in een zorginstelling.
Een warmtekrachtkoppelingsinstallatie (WKK-installatie) staat in voor de gelijktijdige productie van warmte en elektriciteit. De installatie levert een primaire energiebesparing ten opzichte van de situatie waarbij de energiestromen gescheiden geproduceerd worden in respectievelijk een ketel en een elektriciteitscentrale.
Zorginstellingen worden gekenmerkt door een grote energiebehoefte en bijgevolg een hoge energiefactuur. Ziekenhuizen hebben een grote warmte-, koude- en elektriciteitbehoefte. Bij woonzorgcentra (WZC) is de koelbehoefte minder groot. Om deze energiebehoefte in te vullen, kunnen de principes van de Trias Energetica gebruikt worden. Dit betekent in eerste instantie de energievraag beperken door o.a. een hoog isolatiepeil, benutting zonnewinsten,… Vervolgens probeert men zoveel mogelijk duurzame energie (bodemenergie, zonne-energie, windenergie,…) toe te passen. In de laatste stap wordt de resterende energiebehoefte zo efficiënt mogelijk ingevuld met fossiele brandstoffen. Een WKK-installatie is een voorbeeld van een installatie die een efficiënte invulling van de resterende energiebehoefte realiseert. Bij het doorlopen van de stappen moet telkens rekening gehouden worden met het comfort (in al zijn aspecten) van de gebruiker.
Invulling energiebehoefte zorginstelling
Voor de integratie van een alternatieve energietechniek, wordt de energiebehoefte bepaald en geanalyseerd. Bij nieuwbouwprojecten is dit niet evident. In deze situatie wordt een beroep gedaan op dynamische simulaties, kengetallen en ervaring bij gelijkaardige projecten. Bij projecten in een bestaande omgeving kan een combinatie van verschillende informatiebronnen worden gebruikt: metingen van de energievraag, energiefacturen,… Met behulp van de beschikbare informatie wordt een zo waarheidsgetrouw mogelijk energieprofiel (warmte, elektriciteit, koude) opgesteld. Onderstaande grafiek geeft een voorbeeld van een dergelijk energieprofiel.
Vervolgens volgt een onderzoek naar de mogelijke technieken om de energiebehoefte in te vullen. Dit gebeurt bij voorkeur aan de hand van een haalbaarheidsstudie die bovendien verplicht is voor nieuwe gebouwen groter dan 1.000 m². Door de langdurige en grote warmtevraag is het warmteprofiel van een zorginstelling zeer geschikt voor de integratie van alternatieve energietechnieken. Volgende technieken kunnen onderzocht worden: benutten van restwarmte, warmtepomp met boorgat energieopslag (BEO) of koude warmteopslag (KWO), freechilling, houtpelletketel, warmtekrachtkoppeling,… Afhankelijk van het project, energieprofiel, locatie, wensen van de klant en andere randvoorwaarden zal de technische en economische rendabiliteit van de installaties variëren. Voor het ene project kan een warmtepomp met boorgat energieopslag het gunstigst zijn, terwijl bij een ander project een WKK-installatie het meest aangewezen is.
WKK in zorgsector
Momenteel staat reeds in verschillende zorginstellingen een WKK-installatie opgesteld. In de zorgsector zijn WKK’s meestal voorzien van een gas- of dieselmotor. Andere technieken zoals micro-WKK en gasturbines worden (voorlopig) bijna niet toegepast. Voor woonzorgcentra starten de geïnstalleerde elektrische vermogens vanaf circa 30 kWe, terwijl in ziekenhuizen de vermogens meestal groter zijn dan 200 kWe.
Er zijn verschillende redenen waarom reeds zo veel WKK’s zijn toegepast in zorginstellingen en waarom er nog steeds een grote interesse is in deze techniek. Zorginstellingen hebben een interessant energieprofiel met een grote behoefte aan sanitair warm water gedurende het volledige jaar, het is een financieel rendabele investering, er is technisch personeel aanwezig voor het onderhoud,...
In het verleden zijn evenwel een aantal problemen geweest bij WKK’s in zorginstellingen die deze technologie in een slecht daglicht plaatsen. Deze problemen waren vooral te wijten aan overgedimensioneerde installaties en onvoldoende onderhoud. Een te grote installatie realiseert onvoldoende draaiuren omdat de warmtevraag gedurende lange tijd kleiner is dan het vermogen van de WKK-unit. Hierdoor wordt de vooropgestelde opbrengst niet behaald. Een goede dimensionering is dus cruciaal voor het slagen van een WKK-project.
Dimensionering van een WKK-installatie
Zoals hierboven reeds aangehaald, is een haalbaarheidsstudie noodzakelijk voor een correcte dimensionering en om de integratie van een WKK-installatie te onderzoeken. Deze studie wordt eventueel voorafgegaan door een pré-haalbaarheidsstudie. In de haalbaarheidsstudie wordt het vermogen van de WKK bepaald, rekening houdend met het thermische behoefteprofiel. De WKK dient zoveel mogelijk draaiuren te realiseren. Hierdoor zal het thermisch vermogen vaak het vermogen voor sanitair warm water benaderen daar dit ook in de zomer benodigd is. Met behulp van het elektriciteitsprofiel wordt nagegaan of elektriciteit moet verkocht worden. Indien dit een grote hoeveelheid blijkt te zijn, daalt de rendabiliteit en wordt het vermogen van de WKK bij voorkeur verlaagd.
De haalbaarheidsstudie beschrijft eveneens de elektrische en hydraulische integratie. Op elektrisch vlak is vooral de netkoppeling (op het distributienet), de integratie in het elektriciteitsnet van het gebouw en de eventuele combinatie met een noodstroomaggregaat belangrijk. Een WKK-installatie kan functioneren als noodstroomaggregaat maar uit praktische overwegingen wordt dit meestal niet weerhouden. Voor de hydraulische integratie wordt rekening gehouden met de ontwerptemperatuur van de afgifte-elementen in het gebouw. Een WKK werkt optimaal bij een regime van 90/70°C (vertrek-/retourtemperatuur). Dit betekent dat via een regeling de warmte op een lager temperatuurniveau moet gebracht worden (bijv. voor vloerverwarming). Bij sommige installaties is naast het hogetemperatuurcircuit een lagetemperatuurcircuit (ca. 10% van het vermogen) ter beschikking. Afhankelijk van het project kan de stralingswarmte van de installatie (afvoer via ventilatielucht) eveneens benut worden. De combinatie met een condensatieketel wordt geverifieerd want de WKK mag de condensatiewerking van de ketel niet negatief beïnvloeden. Door de integratie van een buffer voorkomt men dat de unit veelvuldig in- en uitschakelt, omdat dit een negatief effect heeft op de levensduur en de opbrengst van de installatie.
De praktische integratie wordt vaak over het hoofd gezien. Nochtans kan dit een struikelblok zijn in een WKK-project. De WKK-installatie is groter dan een gewone ketel en er moet voldoende ruimte voorzien worden voor onderhoud. Voor een grote revisie moet de WKK ook in en uit de stookplaats kunnen. Een akoestische omkasting en een trillingsdempende sokkel kunnen de overlast door geluid en trillingen beperken.
Ten slotte wordt ook de economische rendabiliteit bepaald. Op deze manier krijgt de bouwheer een zicht op de investeringskost en de opbrengsten. De opbrengsten bestaan enerzijds uit de lagere energiekost en anderzijds uit de warmtekrachtcertificaten. Deze certificaten ontvangt men per 1.000 kWh primaire energiebesparing en hebben een marktwaarde van circa € 40. De certificaten dragen in belangrijke mate bij tot de gunstige rendabiliteit van een WKK-project. De onderhoudskost mag niet ontbreken in de financiële analyse en is aanzienlijk groter dan de onderhoudskost van een ketel. Afhankelijk van het type WKK-installatie zal de grote revisie doorgevoerd worden na 60.000 tot 80.000 draaiuren.
De combinatie van een andere alternatieve techniek met een WKK-installatie, kan de rendabiliteit van de installatie in sommige gevallen negatief beïnvloeden. Als voorbeeld nemen we de combinatie WKK-installatie – PV-installatie. Bij de integratie van beide installaties kan het voorkomen dat een grote hoeveelheid elektriciteit moet verkocht worden, wat de rendabiliteit van beide technieken negatief beïnvloedt. Beide vermogens moeten op elkaar afgestemd worden.
Realisatie
De resultaten uit de haalbaarheidsstudie geven de zorginstelling een objectieve basis om te beslissen over de integratie van de WKK-installatie. Indien de instelling een positief gevolg geeft aan de haalbaarheidsstudie, kan het studiebureau de installatie in het voorontwerp en ontwerp nog verder in detail dimensioneren. Onder andere de vermogens, het buffervolume, de elektrische en hydraulische integratie moeten verfijnd worden. Een studie voor de netkoppeling wordt in deze fase aangevraagd bij de distributienetbeheerder. Bij de injectie van elektriciteit op het distributienet, wordt contact opgenomen met een elektriciteitsleverancier voor het afsluiten van een contract. De prijs van de te verkopen elektriciteit zal variëren afhankelijk van de hoeveelheid, de locatie, het elektriciteitsprofiel en andere factoren.
Indien de instelling de investering niet zelf wil dragen, kan ze derde partijfinanciering (bijv. PPS of DBFM) overwegen. Na de installatie zorgt commissioning op de installatie ervoor dat de installatie optimaal en conform de vooropgestelde prestaties werkt. Dit is, als het ware, de fine-tuning. Een onderhoudscontract zorgt ervoor dat het grote onderhoud periodiek wordt uitgevoerd en dat de herstelling van een eventueel defect spoedig gebeurt. Zo blijft het energetische rendement van de WKK gedurende de levensduur van de installatie hoog.
Conclusie
Het energieconcept van een zorginstelling is zeer projectspecifiek. Afhankelijk van het project en de randvoorwaarden kan een WKK-installatie een interessante toepassing zijn om een deel van de energiebehoefte van een zorginstelling in te vullen. Het vooraf uitvoeren van een goede dimensionering en een onderzoek van de technische en praktische integratie is cruciaal voor het slagen van een WKK-project. De warmtekrachtcertificaten verhogen de rendabiliteit. Na de installatie zorgt het onderhoud en commissioning op de installatie ervoor dat het energetische rendement behouden blijft.
Tot slot geven we u nog een praktijkvoorbeeld mee.
Warmtekrachtkoppeling in A.Z. St.-Dimpna in Geel
Het A.Z. St.-Dimpna in Geel is een algemeen ziekenhuis met 295 bedden. Circa 10 jaar geleden heeft het ziekenhuis zijn gebouwen gemoderniseerd en uitgebreid. Om het energieverbruik te beperken, is hierbij gebruik gemaakt van een duurzame energievoorziening. Hiertoe zijn de technieken van warmtekrachtkoppeling, koude-warmteopslag (KWO), omkeerbare koelmachine / warmtepomp (KM/WP) en condensatieketels toegepast. Door het energiezuinige en milieuvriendelijke karakter is dit project als demonstratieproject goedgekeurd. In dit kaderstuk kijken we naar de prestaties van de WKK-installatie die ondertussen 8 jaar in dienst is en 27.000 draaiuren gerealiseerd heeft.
Tijdens de eerste werkingsjaren waren een aantal kringen aangesloten met een zeer hoog temperatuurregime. Aangezien de WKK uitgeschakeld wordt bij te hoge retourtemperatuur, blijft het aantal draaiuren beperkt. Het aantal kringen met zeer hoge temperatuurregimes zijn ondertussen afgebouwd en bij verbouwing en renovatie wordt rekening gehouden met optimalere temperatuurregimes voor de WKK-installatie. We kunnen dus stellen dat de WKK de komende jaren meer draaiuren zal realiseren.
Technische eigenschappen:
Merk: Perkins
Elektrisch vermogen: 500 kWe
Thermische vermogen: 756 kWth
Bouwjaar: 2002
Energetische eigenschappen (2009):
Gasverbruik: 3.425.000 kWh
Elektriciteitsproductie: 995.700 kWhe
Warmteproductie: 1.800.000 kWhth
Elektrisch rendement: 29%
Thermisch rendement: 53%
Draaiuren: 3.036
CO2-besparing: 202 ton
Financiële eigenschappen (2009)
Extra brandstofkost voor WKK t.o.v. standaard warmteproductie: € 55.600 (excl. btw)
Financiële besparing via elektriciteitsproductie WKK: € 83.500 (excl. btw)
Onderhoudskost WKK-installatie: € 15.800 (excl. btw)
Financiële besparing door toepassing WKK: € 12.100 (excl. btw)
Bron: Ingenium
Gerelateerde dossiers
Onze partners