ECN-RX--05-116 MICRO-WARMTEKRACHT: Hoe magisch is de Toverketel? G.J. Ruijg ECN colloquium 2 mei 2005 MEI 2005
Micro-Warmtekracht: Hoe magisch is de Toverketel? ECN colloquium 2 mei 2005 Gerrit Jan Ruijg Colloquium micro-warmtekracht Wat is micro-wk? Waarom micro-wk? Welke typen micro-wk zijn er? Hoeveel energie bespaart micro-wk? Hoe zit het met de economie? 2
Wat is micro-warmtekracht? Gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit Op de schaal van 1 huishouden Elektrisch vermogen tot 5 kwe Waarom micro-warmtekracht? Energiebesparing: doordat warmte die vrijkomt bij elektriciteitsopwekking benut wordt. 3 Huidige situatie: gescheiden opwekking Omgeving Elektriciteits net Energiesysteem Energievraag Elektriciteit Aardgas net (HR)-ketel Tapwater CV 4
Situatie Micro-WK: gecombineerde opwekking Omgeving Energiesysteem Energievraag Elektriciteits net Teruglevering/ Inkoop E Dekking eigen gebruik Elektriciteit Aardgas net Micro-WK W Tapwater CV 5 Typen Micro-WK systemen η el η th η tot W/K ratio Stirling 10-15% 80-95% 95-107% 9 Gasmotoren 20-25% 65-75% 90-100% 3 PEMFC ~30% ~60% ~90% 2 SOFC ~40% ~45% ~85% 1 6
Stirling Status: Enatec: Microgen (British Gas) Whispertech (NZ): 1.0 kw e vrije zuiger. Veldtesten 1.1 kw e vrije zuiger. lab tests 1.2 kw e kinematisch. Gasunie veldtest : 50 eenheden 7 Gasmotor 8 Status: Senertec: 5.5 kw e 12.5 kw th 100 in NL Ecopower: 4.7 kw e 12.5 kw th modulerend. Honda: 1 kw e beperkt beschikbaar in Japan
Polymere brandstofcel: PEMFC Status: Vaillant (+Plugpower, Ballard): 4.7 kw e Toshiba, Mitsubishi: 31 veldtesten, o.a. Gasunie 100 tal veldtesten in Japan 9 Vast oxide brandstofcel: SOFC Status: Sulzer-Hexis: 1 kw e 25/85% ± 100 veldtesten, o.a. ECN/Remu 10
Energiebesparingspotentieel voorbeeld PEMFC 25 MWh 15 MWh η e = 30% η th = 60% η th = 100% 7500 kwh e 15000 kwh th 15000 kwh th = 1700 m 3 18 MWh η e = 42% 7500 kwh e 11 Besparing 25 = 1 = 24% 18 + 15 Energiebesparingspotentieel elektrisch rendement (%) 100 80 60 referentierendement 40 20 besparing 40 % 30% 20% 10% 0% ontsparing Theoretisch maximum SOFC PEMFC Gasmotor Stirling CV-ketel 12 0 0 20 40 60 80 100 warmte rendement (%)
Energiebesparingspotentieel, hoger referentierendement 25 MWh η e = 30% η th = 60% 7500 kwh e 15000 kwh th 15 MWh η th = 100% 15000 kwh th = 1700 m 3 14 MWh η e = 54% 7500 kwh e 13 Besparing 25 = 1 = 13% 14 + 15 Energiebesparingspotentieel, hoger referentierendement elektrisch rendement (%) 100 80 besparing 40 % 30% theoretisch maximum Nieuwe centrale parkrendement 60 40 20% 10% 0% SOFC PEMFC Gasmotor 20 ontsparing Stirling CV-ketel 14 0 0 20 40 60 80 100 warmte rendement (%)
Energiebesparingspotentiëlen Besparing Besparing Referentierendement 42% 54% Stirling 12% 8% Gasmotor 22% 13% PEMFC 24% 13% SOFC 29% 16% 15 Dimensionering micro-wk systeem Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kwh/j Thermisch vermogen [kw th ] 18 16 14 12 10 8 6 4 2 16 kw th, geen warmtebuffer 10 kw th, 100 à 200 l warmtebuffer 5 kw th, warmtebuffer > 2000 l 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Uren/jaar 16
Elektriciteit vraag en productie 70 Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kwh/j 10 kwh th systeem met 100-200 ltr. buffer 60 50 5kW e PEMFC [kwh/dag] 40 30 20 10 0 17 Elektriciteitsvraag 1kW e Stirling j f m a m j j a s o n d [maand] Effect toenemende elektriciteitvraag 70 Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kwh/j 10 kwh th systeem met 100-200 ltr. buffer 60 50 5kW e PEMFC [kwh/dag] 40 30 20 10 0 18 Elektriciteitsvraag 1kW e Stirling j f m a m j j a s o n d [maand]
Effect afnemende warmtevraag 70 Rijwoning, 1800 m3/j, 3200 kwh/j 10 kwh th systeem met 100-200 ltr. buffer 60 50 5kW e PEMFC [kwh/dag] 40 30 20 10 0 19 Elektriciteitsvraag 1kW e Stirling j f m a m j j a s o n d [maand] Dimensionering 10 kw th systemen met 100 à 200 liter water als warmtebuffer kunnen de volledige warmtevraag dekken 10 kw th Stirling systemen hoeven niet veel terug te leveren 10 kw th systemen met hoog elektrisch rendement zullen veel aan het net moeten terugleveren 20
Economie Uitgaande van particuliere exploitatie Hoeveel kost een kwh elektriciteit uit micro- Warmtekracht? Wat is die kwh waard (vermeden inkoop en teruggeleverd)? Hoeveel bespaar je per jaar op je energierekening? Welke investering kan ik daarmee financieren? Hoe hoog moet de terugleverprijs zijn? 21 Marginale kostprijs elektriciteit Gasprijs 51 ct/m 3 = 5.8 ct/kwh NG. 3.3 kwh NG = 19.4 ct/kwh e 2 kwh NG = 11.6 ct/kwh e Kostprijs elektriciteit PEMFC: 19.4-11.6 = 7.7 ct/kwh e η e = 30% η th = 60% η th = 100% 1kWh e 2kWh th 2kWh th 22
Marginale kostprijzen elektriciteit uit micro-warmtekracht Aardgaskosten Waarde warmte MKP ct/kwh e ct/kwh e ct/kwh e Stirling 58.1 52.3 5.8 Gasmotoren 29.0 21.8 7.3 PEMFC 19.4 11.6 7.7 SOFC 14.5 6.5 8.0 MKP = marginale kostprijs elektriciteit 23 Waarde geproduceerde elektriciteit Bij vermeden inkoop Vermeden inkoop: 18.3 ct/kwh e Prijs elektriciteit - MKP = 10.3-12.5 ct/kwh e 24
Waarde geproduceerde elektriciteit Bij teruglevering Terugleververgoeding MKP = 0- -5 ct/kwh 25 /MWh Basislast Plateau Dal Alle jaren 37.84 47.15 19.24 1999 26.69 31.06 17.97 2000 48.31 59.69 25.53 2001 33.46 41.50 17.39 2002 29.99 38.53 12.91 2003 46.47 60.68 18.05 2004 31.58 37.55 19.63 www.apx.nl Termijnmarkt 26 Fri, 29 Apr 2005 17:09 /MWh Base Load Peak Load Product Price Price jun-05 42.99 52.71 jul-05 42.72 54.46 aug-05 42.88 54.19 sep-05 48.81 60.70 Oct-05 48.52 63.08 nov-05 50.03 64.35 Gemiddeld 45.99 58.25 Q3-05 44.82 56.90 Q4-05 48.55 63.96 Q1-06 49.36 65.40 Q2-06 42.38 57.13 Q3-06 43.09 58.08 Q4-06 47.41 65.09 Gemiddeld 45.94 61.09 Cal-06 45.38 61.75 Cal-07 43.04 57.58 Cal-08 42.37 56.03 Gemiddeld 43.60 58.45 BOM sep-04 35.09 48.12 www.endex.nl
Spotmarktprijzen versus Marginale kostprijzen Spot en termijnmarkten: 3 tot 6 ct/kwh Marginale kostprijs: 6 tot 8 ct/kwh Vermijden teruglevering pleit voor kleinere systemen (1 kwe), uitsluitend voor eigen elektriciteitsgebruik Energiebesparing en CO 2 reductie halveren. 27 Energiebesparingspotentieel bij gedeeltelijke warmtedekking m-wk elektrisch rendement (%) 100 80 besparing 40 % 30% theoretisch maximum Nieuwe centrale 60 referentierendement 40 20% 10% 0% PEMFC 20 ontsparing CV-ketel 0 0 20 40 60 80 100 warmte rendement (%) 28
Besparing energierekening Bovengrens opbrengst: eigen verbruik 3500 kwhe * 10.6 ct/kwhe = 370 /jr Praktijk: 50-80% van bovengrens 180 tot 300 /jaar Terugverdientijd 5 jaar Investeringsruimte 900 tot 1500. 29 Onrendabele top Minimaal nodig bij teruglevering: MKP (6 tot 8 ct/kwh) Toeslag om meerinvestering tov 1 kwe mogelijk te maken Investering exponent 0.6 Hulpketel vervalt: 1200 goedkoper Benodigde terugleverprijs: 13 ct/kwh Onrendabele top: 7 tot 10 ct/kwh. 30
Economie Marginale kostprijs 5.8 (Stirling) tot 8.0 ct/kwh e (SOFC) Marge op vermeden inkoop 10.3 tot 12.5 ct/kwh Terugleveren: opbrengst negatief Economie leidt tot kleine systemen (ca.1kw e ) Besparing energierekening 180-300 /j Investeringsruimte kleine systemen bij 5 jaar terugverdientijd 900-1500 Onrendabele top grotere systemen (netto terugleverend) 7 10 ct/kwh 31 Conclusies 1. Micro-Warmtekracht is een optie voor energiebesparing 2. Maximale besparing vraagt grote terugleverende systemen 3. Onrendabele top is hoog 4. 1 kwe creëert voldoende investeringsruimte voor marktconforme systemen 5. Bij 1 kwe energiebesparing 5-10% 6. Toverketel: alle beetjes helpen, maar verwacht er geen wonderen van. 32