ANRE-DEMONSTRATIEPROJECT: WKK BIJ INVRIESBEDRIJF D'ARTA, ARDOOIE

Transcriptie

1 ANRE-DEMONSTRATIEPROJECT: WKK BIJ INVRIESBEDRIJF D'ARTA, ARDOOIE Eindrapport J. Van Bael VITO Oktober 1996

2 SAMENVATTING In het kader van de bevordering van nieuwe energietechnologieën (KB van 1983) heeft de Vlaamse overheid een subsidie toegekend aan het invriesbedrijf D'Arta in Ardooie voor een gasmotor die een compressor aandrijft waarbij de warmte gebruikt wordt voor de opwarming van boorputwater en gezuiverd water. De subsidie bedraagt BEF zijnde 35% van de geraamde kostprijs. VITO voert in opdracht van de Afdeling Natuurlijke Rijkdommen en Energie (ANRE) een evaluatie van dit demonstratieproject uit, waarbij de prestaties van de technologie, de bereikte besparing op primaire energie en de vermindering van de CO 2 -emissie over de meetperiode geanalyseerd worden. Het project kent reeds een hele geschiedenis die begint op het einde van 1992 wanneer het invriesbedrijf D'Arta besloten heeft tot een uitbreiding van de koelcapaciteit met een bijkomende compressor aangedreven door een gasmotor. De eerste gasmotor bleek aanleiding te geven tot problemen die zelfs zover gingen dat de motor eind 1994 na draaiuren vervangen moest worden omwille van het vastlopen van de lagers. De constructeur S.K.T. heeft toen geopteerd voor het installeren van een andere gasmotor met een mechanisch vermogen van 340 kw. Omwille van een defect aan een debietmeter, kon de evaluatieperiode pas van start gaan in juni Gezien het project reeds liep sinds eind 1992 werd beslist om de evaluatieperiode te beperken tot 3 meetmaanden in plaats van een volledig jaar. In deze registratieperiode lopende van 28 juni 1996 tot 26 september 1996 heeft de gasmotor 1145 uren gedraaid (52% van de beschikbare tijd) waarbij kwh mechanische energie geleverd werd en 1301 GJ aan warmte voor opwarming van boorputwater en gezuiverd water. Het mechanisch rendement bedraagt 33% en het thermische rendement circa 38%. De besparing op primair energieverbruik door het installeren van deze WKK in plaats van een elektromotor en een stookolieketel bedraagt over de 3 meetmaanden 710 GJ (17%) indien de opwarming van het gezuiverde water mee in rekening gebracht wordt en 442 GJ (11%) indien deze opwarming niet als nuttig beschouwd wordt. De CO 2 -emissie van de WKK gedurende de meetperiode bedraagt 193 ton. Ten opzichte van de situatie zonder WKK werd een CO 2 -reductie bekomen van 124 ton of 104 ton afhankelijk of de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt of niet. Dit komt overeen met een daling van de CO 2 -uitstoot van respectievelijk 39% en 35%. Dit hoge percentage wordt niet alleen bereikt door de energiebesparing maar ook door de keuze van de brandstof.

3 INHOUDSOPGAVE 1 INLEIDING HISTORIEK TECHNISCHE BESCHRIJVING MEETPROCEDURE VERWERKING VAN DE MEETRESULTATEN Opdeling van de meetperiode Mechanisch vermogen en gerecupereerde warmte PRIMAIRE ENERGIEBESPARING EN CO 2 -VERMINDERING Besparing op primaire energie Reductie van de CO 2 -emissie BESLUIT... 15

4 4 1 INLEIDING Voor de koeling van de invriestunnels en de diepvriesopslagkamers beschikt de firma D'Arta over een koelinstallatie met een koelcapaciteit van kw. Omwille van een tekort aan koelcapaciteit heeft deze firma besloten tot een uitbreiding met een bijkomende compressor. Gezien de aandrijving van deze machine met een elektromotor relatief duur is op gebied van energieverbruik, heeft D'Arta besloten tot de aankoop van een gasmotor (340 kw mechanisch) die gekoppeld wordt met de schroefcompressor. De warmte van deze motor wordt gebruikt voor het opwarmen van boorputwater en gezuiverd water. In het kader voor de bevordering van REG-demonstratietechnieken (KB van 10/02/1983) heeft de Vlaamse overheid aan dit bedrijf een subsidie toegekend ten belope van 35% (maximum BEF) van de investeringskosten voor de installatie van deze WKK. VITO voert in opdracht van de Afdeling Natuurlijke Rijkdommen en Energie (ANRE) van de Vlaamse Gemeenschap een evaluatie van dit demonstratieproject uit. Op basis van metingen wordt een evaluatie gemaakt van de technische prestaties van de technologie, de bereikte energiebesparingen en de vermindering van CO 2. Gezien het complexe verloop van dit project (zie hoofdstuk 2) wordt de evaluatieperiode herleid tot 3 maanden lopende van 28 juni 1996 tot 26 september In hoofdstuk 3 wordt de technische beschrijving weergegeven van het project. Vervolgens wordt de meetprocedure beschreven waarna de resultaten van de metingen weergegeven worden. Hoofdstuk 6 geeft de energiebesparing en de reductie op CO 2 -emissie weer. Tenslotte worden de besluiten geformuleerd.

5 5 2 HISTORIEK Dit demonstratieproject kent reeds een hele geschiedenis die begint eind 1992 bij de beslissing tot uitbreiding van de koelinstallatie met een compressor aangedreven door een gasmotor. Hiervoor werd geopteerd voor een tot gasmotor omgebouwde dieselmotor van 340 kw bij een toerental van t/min. De verstuivers werden hierbij vervangen door ontstekingskaarsen en in de plaats van een gasoliepomp werd een aardgasverdeelsysteem in de luchtinlaat geplaatst. Na installatie van deze omgebouwde motor bleken al vrij vlug problemen op te treden: o.a. problemen bij koude start, problemen bij de regeling van het toerental, defect raken van de turbo omwille van te hoge drukken voor de inlaatlucht. Na ongeveer effectieve draaiuren (eind 1994) bleek de motor volledig verloren door het stukdraaien van de lagers. De reden van dit stukdraaien bleek de smeerolie hoewel het aantal bedrijfsuren voor de smeerolie opgegeven door de leverancier op dat ogenblik evenwel nog niet overschreden was. Door de constructeur S.K.T. werd besloten om na dit serieuze probleem de motor te vervangen door een gasmotor van het merk Caterpillar geleverd door de firma Treco. Rond april 1995 was de nieuwe gasmotor operationeel. Na een monitoringperiode van een aantal maanden bleek uit de gegevens dat een debietmeter in het circuit van het boorputwater defect was. De meter werd door S.K.T. uitgebouwd en teruggestuurd naar de leverancier. Na herhaaldelijk aandringen door S.K.T. werd de meter gerepareerd door de leverancier en teruggestuurd. In juni 1996 werd de meter opnieuw ingebouwd en kon de evaluatieperiode waarop dit rapport betrekking heeft, van start gaan.

6 6 3 TECHNISCHE BESCHRIJVING In figuur 1 wordt het principeschema weergegeven van de installatie bij de firma D'Arta. gasmotor Caterpillar G 3412 SiTa schroefcompressor luchtkoeler motorblokkoeler boorputwater gezuiverd water Figuur 1: Principeschema van de installatie bij D'Arta De gasmotor (Caterpillar G3412 SiTa) drijft een schroefcompressor aan (1700 toeren per minuut) waarbij de warmte gebruikt wordt voor opwarming van boorputwater en gezuiverd water. Het boorputwater wordt opgewarmd via de luchtkoeling en via de motorblokkoeling tot een temperatuur van ongeveer 75 C. Het water wordt vervolgens opgeslagen in een reservoir met een inhoud van 35 m³ om enerzijds gebruikt te worden voor het vullen en het reinigen van de blancheerinstallatie en anderzijds om omgezet te worden tot stoom voor het blancheerproces van de groenten. De opwarming van het gezuiverd water (van 30 C tot 68 C) onttrokken uit een reservoir van 20 m³ gebeurt eveneens met de warmte van het motorblok. Het gezuiverd en opgewarmde water wordt vervolgens naar een waterzuiveringsbekken gepompt om het biologisch afbreekproces in optimale condities te laten verlopen. Indien de temperatuur van dit bekken lager wordt dan 30 C, dan verloopt dit proces trager. Bijverwarming van het water in het bekken gebeurt echter nooit rechtstreeks met gas of stookolie.

7 7 4 MEETPROCEDURE Voor de regeling van de installatie worden door de installateur S.K.T. reeds heel wat parameters gemeten. Hieronder ook de parameters die (minimaal) nodig zijn voor een energetische evaluatie van dit project. In tabel 1 wordt weergegeven welke grootheden gemeten werden door S.K.T. voor de opvolging. Tabel 1: Gemeten grootheden voor de opvolging Grootheid gasverbruik verwarming boorputwater via intercooler verwarming boorputwater via motorblokkoeling verwarming gezuiverd water via motorblokkoeling toerental van de motor Eenheid Nm³/uur kwh kwh kwh toeren per minuut Figuur 2 is een schematische weergave van de installatie met de meetapparatuur voor de opvolging. G Tr gasmotor schroefcompressor luchtkoeler motorblokkoeler T D T T D T T boorputwater gezuiverd water T: temperatuurmeter D: debietmeter G: gasmeter Tr: toerenteller Figuur 2: Schematische weergave van de installatie met ingebouwde meetapparatuur Deze grootheden worden om de 5 minuten gelogd door S.K.T. en opgeslagen in het beheerssysteem. De betreffende gegevens werden verzameld over een periode van 3 maanden en werden VITO toegestuurd. Gezien het direct meten van het mechanisch vermogen duur en moeilijk is, wordt voor de bepaling van deze grootheid beroep gedaan op de technische gegevens van de leverancier Treco. Deze gegevens bevatten een verband tussen het mechanisch vermogen en het gasverbruik en dit bij een toerental van respectievelijk 1500 en 1800 toeren per minuut. Figuur 3 geeft dit verband weer voor de gasmotor die geïnstalleerd werd bij de firma D'Arta.

8 Gasverbruik (MJ/h) Mechanisch vermogen (kw) 1500 toeren/minuut 1800 toeren/minuut Figuur 3: Verband tussen mechanisch vermogen en gasverbruik Daar het toerental van de gasmotor meestal rond 1700 gelegen is, wordt een lineaire interpolatie toegepast tussen de respectievelijke curves. Gezien het gasverbruik en het toerental opgetekend wordt door S.K.T. kan het mechanisch vermogen met behulp van deze curves en via interpolatie bepaald worden. Voor de omzetting van het gasverbruik (Nm³) naar energie wordt gebruik gemaakt van de onderste calorische verbrandingswaarde van 38,88 MJ/Nm³ of 10,8 kwh/nm³. Doordat de hoeveelheid warmte gerecupereerd voor de opwarming van boorputwater en gezuiverd water gemeten wordt, is ook de bepaling van het thermisch rendement mogelijk.

9 9 5 VERWERKING VAN DE MEETRESULTATEN 5.1 Opdeling van de meetperiode Gezien dit project reeds een aantal jaren geleden opgestart is en gezien de problemen die gedurende die tijd opgetreden zijn, werd de meetperiode beperkt tot 3 meetmaanden lopende vanaf 28 juni 1996 tot en met 26 september In tabel 2 wordt de indeling van de periode weergegeven: Tabel 2: Indeling van de meetperiode meetmaand periode aantal dagen 1 28/06/96-27/07/ /07/96-27/08/ /08/96-26/09/ Mechanisch vermogen en gerecupereerde warmte In figuur 4 wordt het vermogendiagramma voor de week van zondag 21/07/96 tot en met zaterdag 27/07/96 weergegeven Vermogen (kw) /07/96 22/07/96 23/07/96 24/07/96 25/07/96 26/07/96 27/07/96 1 mechanisch vermogen; 2 opwarming gezuiverd water via motorblokkoeling; 3 opwarming boorputwater via motorblokkoeling; 4 opwarming boorputwater via interkoeler; 5 verlies Figuur 4: Vermogen van de WKK van 21/07/96 t.e.m. 27/07/96 Gedurende de getoonde week heeft de WKK 91 uren gedraaid (of 54% van de totale tijd) en werd kwh mechanische energie geleverd (met een gemiddeld mechanisch vermogen van 325 kw en met een mechanisch rendement van 34%). De hoeveelheid warmte die gerecupereerd werd, bedraagt kwh. wat overeenstemt met een gemiddeld vermogen van 369 kw (of 39% van de energietoevoer) zijnde 92 kw voor het verwarmen van het

10 10 gezuiverde water via motorblokkoeling, 244 kw voor het verwarmen van het boorputwater via de motorblokkoeling en 32 kw voor het verwarmen van het boorputwater via de interkoeler. In figuur 5 wordt de geleverde mechanische energie en warmte weergegeven voor meetmaand Geleverde energie (kwh) /07/96 30/07/96 1/08/96 3/08/96 5/08/96 7/08/96 9/08/96 11/08/96 13/08/96 15/08/96 17/08/96 19/08/96 21/08/96 23/08/96 25/08/96 27/08/96 mechanische energie warmte Figuur 5: Mechanische energie en warmte voor meetmaand 2 Uit deze grafiek blijkt dat het aantal draaiuren van de gasmotor en compressor erg afhankelijk is van dag tot dag. Gedurende de weekdagen en op zaterdagen draait de motor meestal gedurende een aantal uren gaande van 2 uren tot zelfs 24 uren (19/08 en 20/08). 's Zondags (28/07, 04/08, 11/08, 18/08) draait de WKK niet. Gedurende deze meetmaand heeft de gasmotor 308 uren gedraaid waarbij kwh mechanische energie geleverd werd en kwh aan warmte. Tabel 3: Aantal draaiuren en geleverde energie over de meetperiode Meetmaand aantal draaiuren totaal gasverbruik [Nm³] mechanische energie [kwh] gerecupereerde warmte: warmte gezuiverd water (mbk) [kwh] warmte boorputwater (mbk) [kwh] warmte boorputwater (lk) [kwh] mbk: motorblokkoeling lk: luchtkoeler

11 11 Tabel 3 geeft het aantal draaiuren, de geleverde mechanische energie en warmte weer van de 3 betreffende meetmaanden. Uit deze tabel blijkt dat er weldegelijk verschillen zijn van meetmaand tot meetmaand voor wat het aantal draaiuren betreft. De verhouding van het aantal draaiuren over het totaal aantal beschikbare uren varieert van 41% tot 66%. In tabel 4 worden de gemiddelde vermogens weergegeven voor de meetperiode en de rendementen. Tabel 4: Gemiddelde vermogens voor de meetperiode Meetmaand kw % kw % kw % Mechanisch vermogen Warmte voor gezuiverd water (mbk) Warmte voor boorputwater (mbk) Warmte voor boorputwater (lk) Verlies Totaal mbk: motorblokkoeling lk: luchtkoeler Uit deze tabel blijkt dat het gemiddelde mechanische rendement rond 33% gelegen is. Het thermisch rendement bedraagt 38% en het verlies (rookgasverlies, stralingsverlies,...) is ongeveer 29%.

12 12 6 PRIMAIRE ENERGIEBESPARING EN CO 2 -VERMINDERING 6.1 Besparing op primaire energie Uitgaande van de gemeten waarden voor het gasverbruik en de recuperatie van warmte tezamen met de berekening van de geleverde mechanische energie wordt bepaald tot welke energiebesparing deze WKK-installatie leidt. Voor deze berekeningen worden volgende veronderstellingen gemaakt: voor de elektriciteitsproductie in een centrale wordt een gemiddeld rendement van 44% aangenomen; voor de productie van warmte met een ketel wordt een gemiddeld rendement van 85% aangenomen; voor de elektromotor die normaal gezien een dergelijke schroefcompressor aandrijft wordt een rendement van 97% aangenomen. In tabel 5 wordt als voorbeeld de volledige berekening uitgevoerd voor meetmaand 1. Tabel 5: Besparing op het primaire energieverbruik voor meetmaand 1 geleverd met WKK primaire energie hiervoor nodig zonder WKK besparing kwh kwh kwh Mechanische energie Warmte voor gezuiverd water (mbk) Warmte voor boorputwater (mbk) Warmte voor boorputwater (lk) Onbenutte warmte WKK Totaal Uit deze tabel blijkt dat de besparing op primair energieverbruik kwh of MJ is. Gezien voor het op temperatuur houden van het waterzuiveringsbekken normaal gezien geen stookolie of aardgas zou verbrand worden, mag eigenlijk de warmte van het motorblok voor opwarming van het gezuiverd water niet mee in rekening gebracht worden. De besparing op primair energieverbruik is dan voor de eerste meetmaand kwh of MJ. In tabel 6 wordt de besparing op primair energieverbruik samengevat voor de 3 meetmaanden. In de eerste kolom wordt het energieverbruik weergegeven van de WKK. De tweede kolom geeft de besparing weer inclusief voor de opwarming van het gezuiverde water, de derde kolom exclusief voor de opwarming van het gezuiverde water. Tabel 6: Besparing op primair energieverbruik voor de 3 meetmaanden

13 13 verbruik WKK besparing incl. opwarming gezuiverd water besparing excl. opwarming gezuiverd water kwh kwh kwh meetmaand meetmaand meetmaand Totaal Gedurende de 3 meetmaanden is het verbruik van de WKK kwh of GJ. De besparing op primair energieverbruik die hierdoor gerealiseerd werd, bedraagt kwh (710 GJ) wanneer de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt en kwh of 442 GJ exclusief de opwarming van dit water. Figuur 6 geeft het primair energieverbruik weer gedurende de meetperiode van enerzijds de WKK en anderzijds de referentietoestand. Primair energieverbruik (GJ) wkk zonder wkk incl. gezuiverd water zonder wkk excl. gezuiverd water gas elektriciteit stookolie Figuur 6: Primair energieverbruik gedurende de meetperiode

14 Reductie van de CO 2 -emissie Uitgaande van de besparingen op primair energieverbruik kan de reductie van de CO 2 - emissie bepaald worden. Voor de berekening worden de volgende veronderstellingen gemaakt: de CO 2 -factor voor de productie van elektriciteit bedraagt 624 g/kwh el ; voor de productie van warmte wordt een stookolieketel gebruikt met een CO 2 - emissiefactor van 73 g/mj of 263 g/kwh th ; voor het aardgas dat verbruikt wordt door de WKK wordt een CO 2 -emissiefactor van 55 g/mj of 198 g/kwh aangenomen. Figuur 7 geeft een vergelijking weer tussen de situatie met WKK en zonder WKK op gebied van CO 2 -emissie. Uit deze figuur blijkt dat de CO 2 -emissie van de WKK gedurende de 3 meetmaanden 193 ton bedroeg. Ten opzichte van de situatie zonder WKK werd een reductie bekomen van 124 ton of 104 ton afhankelijk of de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt of niet. Dit komt overeen met een daling van de CO 2 -uitstoot van respectievelijk 39% en 35% enerzijds omwille van de energiebesparing en anderzijds omwille van de keuze van de brandstof. 350 emissie van CO2 (ton) wkk zonder wkk incl. gezuiverd water zonder wkk excl. gezuiverd water aardgas elektriciteit stookolie Figuur 7: CO 2 -emissie gedurende de 3 meetmaanden

15 15 7 BESLUIT Op het einde van 1992 heeft het invriesbedrijf D'Arta besloten tot een uitbreiding van de koelcapaciteit met een bijkomende compressor aan gedreven door een gasmotor. De eerste gasmotor bleek aanleiding te geven tot problemen die zelfs zover gingen dat de motor vervangen moest worden eind 1994 na draaiuren. De constructeur S.K.T heeft toen geopteerd voor het installeren van een andere gasmotor met een mechanisch vermogen van 340 kw. Omwille van een defect aan een debietmeter, kon de evalutieperiode pas van start gaan in juni In deze registratieperiode (28 juni september 1996) werden de gegevens nodig voor een evaluatie elke 5 minuten geregistreerd door S.K.T. Gedurende deze periode heeft de gasmotor 1145 uren gedraaid waarbij 318 MWh mechanische energie (gemiddeld 277 kw) geleverd werd en 1301 GJ aan warmte voor opwarming van boorputwater en gezuiverd water. Het mechanisch rendement bedraagt 33% en het thermische rendement is circa 38%. De besparing op primair energieverbruik door het installeren van deze WKK in plaats van een elektromotor en een stookolieketel bedraagt gezien over de 3 meetmaanden 710 GJ (17%) indien de opwarming van het gezuiverde water mee in rekening gebracht wordt en 442 GJ (11%) indien deze opwarming niet als nuttig beschouwd wordt. De CO 2 -emissie van de WKK gedurende de meetperiode bedraagt 193 ton. Ten opzichte van de situatie zonder WKK werd een CO 2 -reductie bekomen van 124 ton of 104 ton afhankelijk of de opwarming van het gezuiverde water inbegrepen wordt of niet. Dit komt overeen met een daling van de CO 2 -uitstoot van respectievelijk 39% en 35%. Dit relatief grote percentage is toe te schrijven aan de energiebesparing en aan de verandering van brandstof. Gezien de meetperiode 3 maanden bedraagt is een economische evaluatie niet mogelijk.

16 16 BIJLAGE 1: RENDEMENT EN CO 2 -EMISSIEFACTOR ELEKTRICITEITSPARK De afleiding van de gehanteerde CO 2 -emissiefactor voor elektriciteit (624 g/kwh) en het rendement wordt in deze bijlage meer specifiek beschreven. Volgens [1] zijn de aandelen brandstof in de elektriciteitsvoorziening in 2000 als volgt: 15,9% steenkool; 26,4% aardgas (voornamelijk STEG). Het rendement van een steenkoolcentrale bedraagt volgens [1] 36,5%; dit leidt tot een CO 2 -emissiefactor van 962 g/kwh el. Voor aardgas wordt verondersteld dat in 2000 het conversierendement gemiddeld 48% bedraagt, wat leidt tot een CO 2 -emisie van de elektriciteitsproductie met deze primaire energievorm van 420 g/kwh el. Het rendement en de CO 2 -emissiefactor worden dan als volgt bepaald: rendement: (0,159*36,5+0,264*48)/(0,159+0,264) = 44% CO 2 -factor: (0,159*962+0,264*420)/(0,159+0,264) = 624 g/kwh.

17 17 REFERENTIES 1. P. Bulteel en F. Vandenberghe, Elektriciteitsproduktie en CO 2 -emissies, Informatiedag CO 2, Laborelec, Lindebeek, mei 1993.