RCCTotalEnergy. RCC Total Energy Schoon & zuinig koelen en verwarmen

Transcriptie

1 door S. M. Ezzahiria, C. A. Infante Ferreira a, J. Krieg b, R. van Gerwen c a Technische Universiteit Delft, Afdeling Proces & Energie, b Unilever Food Health Research Institute, Vlaardingen, c Unilever Engineering Excellence Team, Vlaardingen Can solar energy deliver economically feasible system for sustainable cooling? Op weg naar 2020: kan zonne-energie duurzaam koelen en vriezen? In december 2008 heeft de Europese Unie besloten dat de CO 2 -emissie en het energiegebruik in 2020 met 20% gereduceerd moeten worden. Over diezelfde periode zou het percentage duurzame energie met 20% toegenomen moeten zijn. Recentelijk heeft Unilever in samenwerking met de TU Delft de haalbaarheid van de inzet van zonne-energie onderzocht ten behoeve van de aandrijving van koel- en vriessystemen. Voor twee locaties, namelijk Rotterdam en Barcelona, is onderzocht hoeveel brandstof er bespaard zou kunnen worden (met verminderde CO 2 -emissie als gevolg) wanneer er zonelektrische en/of zonthermische energie gebruikt zou worden bij twee specifieke productiefaciliteiten. De werkomstandigheden van de Unilever-fabriek, zoals besproken door Bassols e.a. (2002) zijn gebruikt als uitgangspunt voor de studie. Figuur 1 geeft een schets van de werkcondities van de koelinstallatie in deze specifieke fabriek. Zoals uit Figuur 1 blijkt, wordt er een warmtekrachtinstallatie gebruikt om elektriciteit te produceren. Het grootste gedeelte van de elektriciteit wordt gebruikt om een tweetraps ammoniak compressiekoelmachine aan te drijven (505 kw koelvermogen bij -23 C en 1135 kw bij -10 C). De warmte uit de warmtekrachtinstallatie wordt grotendeels gebruikt om een absorptiekoelmachine aan te drijven. De absorptiekoelmachine heeft een koelvermogen van 1400 kw bij -28 C. De totale koudevraag is dus 1,1 MW bij -10 C en Figuur 1: schematische weergave van de installatie die als referentie werd gebruikt, Bassols e.a. (2002) 7

2 1,9 MW bij -23 C. De absorptiekoelmachine wordt ingezet om de basiskoellast op het lage temperatuurniveau te verzorgen. Zonnecollectoren Zonnecollectoren kunnen worden ingezet om koelsystemen aan te drijven waarbij thermische energie nodig is om de systemen te laten functioneren. Fotovoltaïsche collectoren kunnen worden ingezet om koelsystemen aan te drijven waarbij een elektrische aandrijving nodig is. Uiteraard kan er ook een combinatie van thermische en fotovoltaïsche collectoren worden ingezet om hybride systemen (zoals het systeem in Figuur 1) aan te drijven. Een eerdere studie van De Cillis (2005) is gebruikt om het aantal kandidaat koelsystemen beperkt te houden. De Cillis heeft de prestaties van zeer uiteenlopende zongedreven koelinstallaties vergeleken voor Nederlandse omstandigheden. De meest belovende systemen zijn hier geselecteerd voor verdere studie en worden aangegeven in Tabel 1. Er zijn twee elektrisch aangedreven alternatieven (dampcompressie- en Stirling-koelmachine), twee thermisch aangedreven alternatieven (absorptie- en adsorptiekoelmachine) en een hybride oplossing (absorptie- en dampcompressiekoelmachine) onderzocht. Tabel 1: onderzochte koelsystemen die werd aangedreven door de warmte uit een warmtekrachtinstallatie. Hun model is als uitgangspunt genomen en is aangepast aan de specifieke configuratie en werkcondities van de referentiefabriek. De elektriciteit wordt nu gebruikt om de compressoren van de tweetraps dampcompressiekoelsystemen aan te drijven. Het processtroomschema van het resulterende trigeneratiesysteem wordt gegeven in Figuur 2. De thermische energie afkomstig uit de zonnethermische collectoren wordt bij mengpunt 30 toegevoegd aan de warmwaterstroom. De elektrische energie afkomstig uit de fotovoltaïsche collectoren wordt toegevoegd aan de elektrische energie die bij de warmtekrachtinstallatie wordt geproduceerd. In Figuur 2 wordt alleen het hybride systeem (systeem 1) getoond, maar ook de vier andere systemen uit Tabel 1 zijn onderzocht. De prestaties, die afhankelijk zijn van de werktemperaturen van het Stirlingkringproces, zijn berekend op basis van een relatie die door Kwon en Berchowitz (2003) werd gegeven. De prestaties voor de absorptiekoelmachines zijn afkomstig uit Bassols e.a. (2002), en de prestaties voor de adsorptiesystemen zijn genomen uit Wang e.a. (2009). De prestaties voor de dampcompressiesystemen volgen uit het CycleTempo-model. Seebregts en Volkers (2005) geven de gemiddelde energieconversie-rendementen voor Nederland. Deze waarden zijn waar nodig gebruikt. Zo heeft een warmtekrachtinstallatie een elektrisch rendement van 0,40 en een thermisch rendement van 0,45; een thermische elektriciteitscentrale is verondersteld een rendement van 0,40 te hebben en een ketel heeft een gemiddeld thermisch rendement van 0,86. Voorbeeld: voor de hybride absorptie/ dampcompressie-koelmachine wordt de primaire energievraag berekend met de volgende formule: Met kw, het brandstofvermogen in het elektrisch conversieren- Model Enkele jaren geleden hebben Colonna en Gabrielli (2003) een CycleTempomodel (2005) ontwikkeld voor een trigeneratiesysteem (warmte, kracht en koude). De koude werd opgewekt met behulp van een absorptiekoelmachine Figuur 2: processtroomschema van het hybride systeem in CycleTempo 8

3 dement, het thermisch conversierendement, VC het dampcompressiesysteem en ab het absorptiesysteem. De koudefactor of COP (Coefficient of Performance) geeft de verhouding tussen verdamperkoelvermogen en het benodigde vermogen om het systeem aan te drijven. De gerelateerde primary energy ratio (PER) wordt verkregen uit: Figuur 3: globale zonnestraling op het fabrieksdak in Rotterdam en Barcelona, afgeleid van Van Paassen (2007) De globale zonnestraling op het fabrieksdak is genomen uit Van Paassen (2007) en wordt gegeven in Figuur 3. Men heeft besloten om vacuüm zonnecollectoren in te zetten, zodat de watertemperatuur hoog genoeg is om de thermisch gedreven koelsystemen aan te kunnen drijven. Het rendement van de zonnecollectoren is voorspeld op basis van de prestaties gegeven door Henning (2004) voor zonnecollectoren type Sydney met concentrerend reflectieoppervlak. Hierbij is gebruikgemaakt van de stralingskrommen die in Figuur 3 worden gegeven. Er is verondersteld dat bewolking het gehele jaar overheerst, zodat zonnecellen uit amorf silicium een goede keuze zijn als elektrische zonnecellen. Deze cellen behouden ook een redelijk rendement bij bewolkt weer. Volgens Isabella (2008) hebben deze fotovoltaïsche collectoren een elektrisch rendement van circa 7,5%. De primary energy ratio van een door zonne-energie ondersteunde koelinstallatie wordt dan: met het rendement van de primaire energiebron (bijvoorbeeld een warmtekrachtinstallatie), de reductie van brandstofgebruik door de inzet van zonne-energie, en met de verticale zonnestraling in kwm 3 Resultaten In alle verdere berekeningen is rekening gehouden met de bedrijfstijd van de fabriek en de verandering van de zonnestraling met de seizoenen. Figuur 4 laat de primaire energievraag voor de verschillende oplossingen zien, links voor Rotterdam en rechts voor Barcelona. De verschillende kolommen geven de verschillende systemen aan. BM staat voor het hybride systeem met gecombineerde absorptie (thermisch aangedreven) en dampcompressie (elektrisch aangedreven). De andere symbolen worden verklaard in Tabel 1. Het meest efficiënte systeem (met of zonder zonondersteuning) voor zowel Rotterdam als Barcelona is het hybride systeem, waarbij zowel een absorptieals een dampcompressiesysteem wordt ingezet. Het tweede systeem voor wat betreft beperking van het energiegebruik voor beide locaties is het elektrisch aangedreven dampcompressiesysteem. De andere systemen presteren aanzienlijk slechter. De jaarlijkse besparingen aan primaire energie van de zonondersteunde systemen zijn ook uit Figuur 4 af te lezen. Het hybride systeem leidt tot een energiebesparing van 8% voor Rotterdam en van 16% voor Barcelona. De louter elektrisch aangedreven dampcompressiesystemen leiden tot een kleinere besparing, van respectievelijk 4% en 10%, en gebruiken in alle gevallen meer primaire energie. Het is duidelijk te zien dat het volledig thermisch aangedreven systeem 55,5 GWh/jaar gebruikt, terwijl het hybride thermisch en elektrisch aangedreven systeem maar 15,1 GWh/ jaar nodig heeft. De CO 2 -emissie van een koelinstallatie is evenredig met de brandstofvraag. Daarom is de relatieve CO 2 -emissie van elk van de onderzochte alternatieven gelijk aan de relatieve brandstofvraagvermindering die hiervoor is besproken. Economische aspecten De terugverdientijd van de investeringen in de verschillende systemen is bepaald voor huidige (Eurostat, 2007) en toekomstige (The Times, 2008) energieprijzen. Tabel 2 geeft een overzicht van deze prijzen. De kosten van de vacuüm zonnecollectoren zijn vastgelegd op 550 /m 2 en van de fotovoltaïsche collectoren op 700 /m 2. De resultaten worden weergegeven in Tabel 3. De terugverdientijden zijn extreem lang en vormen dus geen stimulans om investeringen te doen. Alleen voor Barcelona worden met de thermisch gedreven systemen in de toekomst terugverdientijden van 10 jaar bereikt. Uit Figuur 4 blijkt echter dat deze systemen niet zo 9

4 Tabel 2: huidige en toekomstige energieprijzen Tabel 3: terugverdientijd van de verschillende zonondersteunde systemen ondersteund hybride systeem heeft dan een terugverdientijd van 4,3 jaar met 373 als extra investeringskosten per ton bespaarde CO 2. Voor de toekomstige energieprijzen worden de terugverdientijden respectievelijk 1,6 en 2,8 jaar. Zonondersteuning van koelsystemen wordt alleen economisch aantrekkelijk in combinatie met een trigeneratie energieconversiesysteem. Als zelfstandige technologie zijn zonondersteunde systemen niet kosteneffectief ( 2086 extra investeringskosten per ton bespaarde CO 2 ). Het is duidelijk dat er een financiële stimulans van de Europese Unie nodig is om de afgesproken CO 2 -emissiereductie tegen 2020 te kunnen realiseren en om het aandeel aan duurzame energie te kunnen vergroten door de inzet van zonne-energie voor koelinstallatie-aandrijving. De terugverdientijden van zonondersteunde installaties dienen teruggebracht te worden tot waarden die voor de industrie acceptabel zijn (minder dan 5 jaar). Pas dan zullen we een toename van het aandeel aan duurzame energie zien. Referenties Bassols, J., Kuckelkorn, B., Langreck, J., Schneider, R., Veelken, H., Trigeneration in the food industry. Appl. Therm. Eng. 22, efficiënt zijn. Het hybride systeem, met een aanzienlijke besparing qua fossiele energie en CO 2 -emissie, heeft voor Barcelona een terugverdientijd van tussen de 25 en 40 jaar. De terugverdientijden in Tabel 3 zijn steeds berekend in vergelijking met hetzelfde systeem: het betreft de energiebesparing van bijvoorbeeld een hybride systeem met zonondersteuning ten opzicht van een hybride systeem zonder zonondersteuning. Voor de meeste fabrieken geldt dat elektrisch aangedreven dampcompressiesystemen zijn toegepast of worden overwogen. Ten opzichte van een dergelijk systeem heeft een niet-zonondersteund hybride systeem, met de huidige energieprijzen en voor Nederland, een terugverdientijd van 3,0 jaar, en de extra investeringen bedragen 267 per ton bespaarde CO 2. Een zon- Cillis, S. de, An evaluation of solar assisted refrigeration systems for commercial application, MSc Thesis, Process & Energy Department, Delft University of Technology, Delft. Colonna, P., Gabrielli, S, Industrial trigeneration using ammonia-water absorption refrigeration (AAR). Appl. Therm. Eng. 23, Cycle-Tempo, version 5.0, Software for cycle. Process & Energy Department, Delft University of Technology, Delft. Figuur 4: brandstofvraag van conventionele en zonondersteunde systemen. Locatie: links Rotterdam; rechts Barcelona. 10

5 Samenvatting Op twee fabriekslocaties van Unilever is onderzocht hoeveel brandstof er bespaard zou kunnen worden door toepassing van zonelektrische en/of zonthermische energie. Door deze besparing zal de CO 2 -emissie van de elektriciteitscentrale worden gereduceerd. Thermische energie wordt opgewekt door het toepassen van zonnecollectoren, terwijl elektrische energie wordt opgewekt door fotovoltaïsche collectoren. De combinatie van bovengenoemde systemen noemt men een hybride systeem. Er is een aantal zeer uiteenlopende zongedreven koelinstallaties met elkaar vergeleken die onder de Nederlandse klimatologische omstandigheden veelbelovend zouden kunnen presteren. Onderzoekers hebben enkele jaren geleden het CycleTempo-model ontwikkeld voor een trigeneratiesysteem, dat warmte, kracht en koude opwekt. De koude werd opgewekt met behulp van een absorptiekoelmachine die werd aangedreven door de warmte uit de WKK. Dit model is als uitgangspunt genomen en is aangepast aan de specifieke configuratie en werkcondities van de referentiefabriek. De elektriciteit wordt nu gebruikt voor aandrijving van de tweetraps dampcompressiekoelsystemen. De thermische energie, afkomstig van de zonnecollectoren, wordt toegevoegd aan de warmwaterstroom. De elektrische energie, afkomstig van de fotovoltaïsche collectoren, wordt toegevoegd aan de elektrische energie die bij de WKK wordt geproduceerd. Uit het onderzoek is gebleken dat het meest efficiënte systeem (met of zonder zonondersteuning) voor beide locaties het hybride systeem is, waarbij zowel een absorptie- als een dampcompressiesysteem wordt ingezet. Een goede tweede voor beide locaties, beoordeeld op de reductie van het energiegebruik, is het elektrisch aangedreven dampcompressiesysteem. Het hybride systeem leidt, afhankelijk van de locatie, tot besparingen van respectievelijk 8 en 16%. De uitsluitend elektrisch aangedreven dampcompressiesystemen leiden tot een kleinere besparing, van respectievelijk 4 en 10%, en gebruiken in alle gevallen meer primaire energie. De terugverdientijd van de investering in vacuüm zonnecollectoren en fotovoltaïsche collectoren is helaas extreem lang. Voor de meeste fabrieken geldt dat elektrisch aangedreven dampcompressiesystemen zijn toegepast of worden overwogen. Een toename van het aandeel aan duurzame energie zal pas plaatsvinden indien de terugverdientijd van zonondersteunende installaties zal zijn teruggebracht tot waarden die voor de industrie acceptabel zijn, en dat is meestal minder dan 5 jaar. Summary At two production factories of Unilever it has been examined how much fuel can be saved by applying solar electric and/ or solar thermal energy. As a result, the CO 2 emission of the electric power plant will also be reduced. Thermal energy is generated by means of solar collectors, while photovoltaic collectors generate electric power. Combinations of both systems are called hybrid systems. In this study, various types of solar driven refrigeration plants are compared. All these systems were suitable for the Dutch climatic conditions. A few years ago, scientists have developed the CycleTempo model for a trigeneration system which generates heat, power and refrigeration capacity. The refrigeration capacity is generated by the use of an absorption refrigeration plant, which was powered by the heat generated by the CHP-plant (combined heat and power plant). The CycleTempo model was used as a basic principle for the study. This model was adapted to the specific configuration and operating conditions of the reference factory. The electricity is used for powering the two-stage vapour compression refrigeration system. The thermal energy from the solar collectors is added to the warm water part of the system. The electric energy from the photovoltaic collectors is added to the electric energy that is generated by the CHP. For both locations of the Unilever factory, the study has shown that the most efficient system (with or without additional solar energy supply) is the hybrid system with both absorption and vapour compression. The electrically driven vapour compression system is, in terms of energy saving, for both locations second best. The hybrid system results, depending on the location, in savings of 8 and 16% respectively. The only electrically driven vapour compression systems result in smaller savings of 4 and 10% respectively. However, these systems consume more primary energy. The pay-out time for investments in vacuum solar collectors and photovoltaic collectors is extremely long. Most factories already use electrically driven vapour compression systems or are considering to implement these systems. An increase in the use of sustainable energy will only take place if the pay-out time for solar energy supported plants is reduced to values which are considered acceptable by the industry (mostly less than 5 years). NADERE INFORMATIE: C.A. Infante Ferreira Technische Universiteit Delft Afdeling Proces & Energie c.a.infanteferreira@tudelft.nl J. Krieg Unilever Food Health Research Institute Vlaardingen Jan.Krieg@unilever.com R. van Gerwen Unilever Engineering Excellence Team Vlaardingen Rene-van.Gerwen@unilever.com 11