Workshop micro-wkk (< 50kWe) Van installatie tot goed gebruik

Transcriptie

1 Pagina 1 Workshop micro-wkk (< 50kWe) Van installatie tot goed gebruik Disseminatie van de projectresultaten van het TETRA-project: Richtlijnen voor een succesvolle integratie van kleinschalige micro-wkk in een veranderende energiecontext

2 Pagina 2 Van installatie tot goed gebruik Overzicht Voor de pauze Aandachtspunten bij een correcte elektrische installatie Na de pauze Hydraulische inkoppeling Case studies

3 Pagina 3 Van installatie tot goed gebruik Probleemstelling Warmtekrachtkoppeling: Reële situatie Soms inefficiënt gebruik Minder draaiuren dan voorzien bij ontwerp Meer onderhoud, storingen Efficiëntie bestaande installatie zakt Besparing niet gerealiseerd G WKK Buffer G Backup ketel D3 D1 Heat demand Power demand

4 Pagina 4 Van installatie tot goed gebruik Probleemstelling Warmtekrachtkoppeling: Reële situatie Soms inefficiënt gebruik Mogelijke oorzaken Bij ontwerp (studiebureau) Bij realisatie (installateur) Bij beheer (beheerder) PRAKTIJK! Geen goede afstemming verschillende fases G WKK Buffer G Backup ketel D3 D1 Heat demand Power demand

5 Pagina 5 Van installatie tot goed gebruik Aanpak Correcte hydraulische integratie van een WKK in de stookplaats Globale visie van het gehele ontwerp Stappenplan voor correct ontwerp (voor de pauze) Technologiekeuze Aandachtspunten bij componentkeuzes Hydraulisch concept Diverse configuraties kunnen werken, maar Aangepaste regeling

6 Van installatie tot goed gebruik Stirling Pagina 6 Brandstof Elektriciteit + Warmte + Verliezen verbrandingskamer 5,7 kw benutte warmte koelwater 7 kw 0,3 kw brandstof verloren warmte 1 kw elektriciteit Bron: Voobeeld: Stirling motor van Microgen Engine Corporation, normale werking

7 Pagina 7 Van installatie tot goed gebruik Stirling In combinatie met back-up ketel Voldoen aan warmtevraag Koelwater uit 70 C Afgekoelde rookgassen Koelwater eerst via Stirlingmotor: verhoging van elektrisch rendement Warme kant: verbranding Koude kant: afkoeling Groter temperatuurverschil groter elektrisch vermogen Lucht Gas Condensatieketel Warme rookgassen Daarna via condensatieketel Afkoeling rookgassen Grootste stijging van temperatuur Voorbeeld: C (Bron voorbeeld: Ulloa et al. 2014, schatting) Koelwater in 50 C Stirlingmotor 55 C

8 Thermisch rendement [kw/kw] Pagina 10 Van installatie tot goed gebruik Stirling Invloedsparameters Analyse werkingsregimes (stand-by/opstart/nom/afkoeling) Thermisch traag Tijd nodig elektrisch rendement Invloed retourtemperatuur Negatief op thermisch en elek. rendement 0,9 8,5 l/min 10,5 l/min 13,2 l/min 16 l/min 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0, Retourtemperatuur [ C]

9 Van installatie tot goed gebruik Stirling: praktijkvoorbeeld Huishoudelijke Installatie 1 verwarmingskring: Woning (radiatoren) Productie SWW Elektrisch vermogen Thermisch vermogen 0,6kW-1kW 3,6kW-26kW Bijstook geïntegreerd Pagina 11

10 Stirling Pagina 12

11 Verbruik vs. Productie Pagina 13

12 Gemiddeld aantal start-stops en draaiuren Pagina 14

13 Rendement Pagina 15

14 29/12/2014 (-5,7 C) Pagina 16

15 25/08/2016 (32,5 C) Pagina 17

16 Woensdag 4/11/2015 Pagina 18

17 Van installatie tot goed gebruik Stirling: besluit Aantal starts/stops beperken Pagina 19 Best uitzetten bij weinig draaitijd (bufferverliezen!) Algemeen beperkt rendement Enkel voor grote, constante warmtevraag Elektriciteit is restproduct Grootste voordeel te weinig benut Brandstofflexibiliteit Daar ligt wellicht de toekomst voor Stirling

18 Pagina 20 Van installatie tot goed gebruik Aanpak Correcte hydraulische integratie van een WKK in de stookplaats Globale visie van het gehele ontwerp Stappenplan voor correct ontwerp (voor de pauze) Technologiekeuze Aandachtspunten bij componentkeuzes Hydraulisch concept Diverse configuraties kunnen werken, maar Aangepaste regeling

19 Pagina 21 Van installatie tot goed gebruik Component: verbrandingsmotor (ICE) Aandachtspunten in lijn met Stirling Lage retourtemperatuur Volledige verbranding Geen te lage koelwatertemp. Min.retourtemp.: typisch C OF aangepast schema

20 Pagina 22 Van installatie tot goed gebruik Component: verbrandingsmotor (ICE) Aandachtspunten in lijn met Stirling Lage retourtemperatuur Volledige verbranding Geen te lage koelwatertemp. Min.retourtemp.: typisch C OF aangepast schema In de WKK-systeem zelf (kleine WKK) Of extern Condensatie (intern-extern) Ander afgiftecircuit mogelijk LET OP: droogstoken WKK Rookgas Condensor

21 Pagina 23 Van installatie tot goed gebruik Component: verbrandingsmotor (ICE) Aandachtspunten in lijn met Stirling Lage retourtemperatuur < C Elektrisch rendement Beperking deellast Goede werking/storing Startcyclus (5-15 min) Afschakel vs deellast (5-15 min) Veel start stop: Onderhoudsinterval wordt kleiner Beperking start stop 3-4 per dag (max 6 / dag) (noodoplossing interne begrenzing)

22 Van idee tot installatie ICE: praktijkvoorbeeld (goed) Pagina 24

23 ICE Installatie KMO 3 verwarmingskringen: Kring woning + bureel (radiatoren & vloerverwarming) Kring bureel (ventilo-convectoren) Productie SWW (in combinatie met zonneboiler) Geen proceswarmte Bijstook is uitgeschakeld Elektrisch vermogen 5,5kW (24%) Thermisch vermogen 12,5kW-15,5kW (55%-68%) Brandstof 22,8kW (79%-92%) Pagina 25

24 ICE Pagina 26 η th,bruto = Q WKK Q br 2 installaties: η th,netto = (Q WKK+Q SWW ) HT: boiler Q br LT: zwembadverwarming η buffer = (Q WKK+Q SWW ) Q WKK = η th,netto η th,bruto QCV QSWW QWKK

25 ICE: rendementscurve Pagina 27

26 Pagina 28

27 ICE Benutting WKK: Stookseizoen september-april: CV>>SWW Buiten stookseizoen: CV>SWW Weinig draaiuren #Start/stop>#Draaiuren per dag Draaiuur na start <2h Elektrische efficiëntie onafhankelijk van bedrijfsregime Omschakeling interessant? Pagina 29

28 Pagina 30

29 ICE Pagina 31 Prestaties: Technische fiche Bruto meting Netto meting Elektrisch rendement (%) 24% 21,8% 21,6% Thermisch Rendement (%) 55% 56,5% 53,4% Totaal Rendement (%) 79% 78,3% 75% Globaal: technische fiche = realistische weergave (aandacht voor buffer!) Bufferrendement: 94% Primaire energiebesparing

30 Brandstofcel Component: brandstofcel 2 installaties: HT: boiler Pagina 32

31 Brandstofcel Pagina 33 Case-studie bij KMO Elektrisch vermogen 1500W(54%) Thermisch vermogen 625W (22,5%) Brandstof 2,8kW (76,5%)

32 Brandstofcel Pagina 34

33 Brandstofcel Pagina 35 Degressiviteit van elektrisch rendement: Nieuwe stack, (sterke afname die stagneert) Studies tonen: Sterke degradatie eerste h Na 3500 draaiuren stagnatie rendementsafname Stack (2010) Stack (2011) Stack (meetinstallatie) uur ±4,5%/1000h - ±3,5%/1000h h ±2,2%/1000h - ±1,5%/1000h >3500h ±1%/1000h ±0,5%/1000h ±0,45%/1000h Laag thermisch vermogen Fuel cell basisverwarming voor SWW cfr, zonneboiler Hoog temperatuur regime

34 Brandstofcel Pagina 36 (Bron: Payne, R., 2011)

35 Pagina 37

36 Brandstofcel 2 installaties: HT: boiler LT: zwembadverwarming Omschakeling in zomer Pagina 38

37 Rendement (%) 80% 70% 60% 50% 46,3% 46,6% 46,15% 40% 47,30% 47,7% 47,3% 30% 20% 10% 0% mrt/16 apr/16 mei/16 jun/16 jul/16 aug/16 Netto thermisch rendement (%) Netto elektrisch rendement (%) Totaal nettorendement WKK (%) Pagina 39

38 Pagina 40

39 Brandstofcel Pagina 41 Degressief karakter Toename thermisch vermogen: Verlagen van retourtemperatuur Verhogen van debiet SWW-modus Zwembad-modus Gemiddelde retour ( C) ±39 C ±35 C Gemiddelde ΔT ( C) ±24 C ±7 C Gemiddeld vermogen (W) ±250W ±680W

40 Vermogen (W) Volumedebiet (l/min) Pagina , ,6 1,4 1, , ,6 0,4 0,2 0 31/03/16 10/04/16 20/04/16 30/04/16 10/05/16 20/05/16 30/05/16 9/06/16 19/06/16 29/06/16 9/07/16 Elektrisch vermogen (W) Thermisch vermogen (W) Volumedebiet (l/min) 0

41 Pagina 43 Brandstofcel Veldtest 1 (1,5kWe) Veldtest2 (1,5kWe) Veldtest 2 (1kWe) Veldtest 3 (1,5kWe) Elektrisch rendement (%) Thermisch rendement (%) Brandstofrendement (%) Elektriciteitsproductie (kwh) Primaire energiebesparing (kwh) 49,5% 47,3% 43,8% 46,9% 13,9% 16,8% 17,7% 17,7% 63,4% 64,1% 61,5% 64,4% Meetperiode (dagen)

42 Brandstofcel Pagina 44

43 Flexibiliteit Pagina 45 Brandstofcel is inzetbaar door modulatie: Bereik van 500We-1500We Maximale modulatie: ±130W/min Levensduur van stack verkort door flexibiliteit (Bron: Eguchi K.,2011)

44 Brandstofcel Pagina 46 Algemeen: Degressief karakter Elektrisch rendement onafhankelijk van retourtemperatuur Fuel cell in slimme netwerken: Profiel, niet de momentane vraag Fuel cell als WKK of centrale: Marginaal aandeel warmte (enkel LT-warmte) Kleine buffer Levensduur stack ηe>45% (CBW): ±1jaar.

45 Pagina 47 Van installatie tot goed gebruik Aanpak Correcte hydraulische integratie van een WKK in de stookplaats Globale visie van het gehele ontwerp Stappenplan voor correct ontwerp (voor de pauze) Technologiekeuze Aandachtspunten bij componentkeuzes Hydraulisch concept Diverse configuraties kunnen werken, maar Aangepaste regeling

46 Pagina 48 Van installatie tot goed gebruik Productietoestellen: algemeen Goede werking WKK Lange draaitijd Weinig start/stop Lage retourtemperatuur Buffervaten

47 Pagina 49 Van installatie tot goed gebruik Buffervaten - evenwichtsflessen Goede werking WKK Buffervaten Voordeel Garantie langere draaitijden Rendementsverlies Substantieel in zomer Buffervat werkt als evenwichtsfles WKK Hydraulische ontkoppeling (in principe een voordeel) Verhogen van retourtemperatuur bij foute Buffer

48 Van installatie tot goed gebruik Praktijkvoorbeelden (2): evenwichtsfles Pagina 50 OCMW WKK geplaatst in 2011 Hydraulisch integratie parallel met bijstook Aantal draaiuren sinds opstart 345h. Maximale retour WKK: 60 C

49 Pagina 51

50 Pagina 52 Kring Boiler 2x kring Radiatoren

51 Pagina 53 Installatie Arendonk 80,00 75,00 70,00 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 Retour opwekking Retour verbruikers 40,00 3/04/ :00 3/04/ :24 3/04/ :48

52 Installatie Arendonk Pagina 54

53 Pagina 55 Van installatie tot goed gebruik Aanpak Correcte hydraulische integratie van een WKK in de stookplaats Globale visie van het gehele ontwerp Stappenplan voor correct ontwerp (voor de pauze) Technologiekeuze Aandachtspunten bij componentkeuzes Hydraulisch concept Diverse configuraties kunnen werken, maar maak het ook niet te moeilijk Aangepaste regeling

54 Pagina 56 Van installatie tot goed gebruik Aanpak Hydraulisch concept moet vertaling zijn van een visie (KISS) op het totale systeem Je moet dus weten wat de verbruikers zijn EN hoe deze werken In vollast In deellast

55 Pagina 57 Van installatie tot goed gebruik Praktijkvoorbeeld Zwembad Later WKK bijgeplaatst Origineel te weinig aandacht voor het totale concept. Communicatie tussen installatie ontwerp (all-in!)

56 Pagina 58

57 Pagina 59

58 Pagina 60

59 Pagina 61

60 Primaire Warmte Pagina 62

61 Draaiuren Start/Stop Pagina 63 24,0 20,0 16,0 12,0 8,0 4,0 0,0 Draaiuren per dag #start/stops

62 Pagina 64

63 Primaire Warmte Pagina 65

64 Draaiuren Start/Stop Pagina 66

65 Besluit Correcte integratie van de WKK in de stookplaats vereist een overkoepelende visie tijdens ontwerp, realisatie en beheer Dimensioneer op warmtevraag! Grens maximale grootte van de WKK en optimaliseer op elektriciteitsvraag Maak functioneel ontwerp inclusief bufferwerking Hou rekening met alle relevante factoren Technische randvoorwaarden van de diverse componenten Optimaliseer het ontwerp en voorzie een overkoepelende regeling Minimaliseer retourtemperaturen Controleer debieten Pagina 67

66 IWT-TETRA project micro-wkk Pagina 68