Bio-energie in de gebouwde omgeving Bio-energie is net als zon, waterkracht en wind een duurzame vorm van energie. In Nederland komt biomassa bijvoorbeeld vrij als snoeihout, dunningshout, bermgras en resthout uit de houtverwerkende industrie. Jaarlijks wordt circa 2,7 miljoen ton biomassa (droge stof) geproduceerd, waarvan ongeveer 1,7 miljoen ton beschikbaar is voor energieopwekking. Een overzicht hiervan is weergegeven in onderstaande tabel. Potentieel Contracteerbaarheid Reststroom kton ds/jaar % kton ds/jaar PJ/jaar stro (granen, peulvruchten, handelsgewassen) 772 20 154 2,0 hooi van landbouwzaden 117 80 94 0,3 hout uit de fruitsector en boomkwekerij 274 80 219 3,5 reststromen uit bloembollensector 95 80 76 0,6 bermgras 187 80 150 1,2 hout uit bossen en beplantingen 181 50 145 1,6 idem, bij verhoogd productieniveau 52 70 36 0,6 resthout 100 80 80 1,4 plantsoenafval 230 80 184 3,0 sloophout 400 80 320 5,7 voedings- en genotmiddelenindustrie 150 80 120 2,4 pluimveemest 170 80 136 1,8 totaal 2.728 62 1.691 24,1 bron: NOVEM, 1998 Net als olie, kolen en gas kan biomassa worden omgezet in warmte en eventueel ook elektriciteit, daarvoor zijn verschillende technieken ontwikkeld. In tegenstelling tot deze fossiele brandstoffen echter halen planten, bomen, struiken en gewassen door de continue aanplant en groei op korte termijn evenveel CO 2 uit de lucht als dat er bij de conversie naar bruikbare energie weer vrijkomt. Hierdoor wordt een bijdrage geleverd aan een duurzame energievoorziening. Bovendien levert een bio-energiesysteem meer werkgelegenheid op dan een infrastructuur op basis van fossiele brandstoffen.
Een veelgenoemde brandstof is snoeihout afkomstig uit plantsoenen e.d. Op dit moment wordt snoeihout samen met ander plantsoenafval ingezameld en veelal gecomposteerd. Bij de inzet van snoeihout voor energie echter is het noodzakelijk om de houtfractie van te voren af te scheiden van ander groenafval alvorens het te versnipperen (zie foto). Tevens dient deze houtfractie zoveel mogelijk vrij te zijn van verontreinigingen, zand en stenen, om de energieopbrengst te verhogen en de emissies bij conversie laag te houden. Voor snoeihout geldt dat het op het moment van oogsten tamelijk nat kan zijn (50-60% vocht), maar door tijdelijke opslag kan de energieopbrengst aanzienlijk stijgen. Van een aantal gemeenten is reeds bekend dat bij de aanplant van plantsoenen al rekening wordt gehouden met de mogelijkheid om de houtsnippers in de toekomst in te zetten voor energiedoeleinden. Er zijn verschillende energietechnologieën beschikbaar voor de toepassing van bioenergie in de gebouwde omgeving. Zo kunnen voor de verwarming van één of meer huizen houtchips of geperste biomassapellets als brandstof worden gebruikt in een volautomatische ketel. Eind 2000 heeft het energiebedrijf Nuon in Lelystad een warmte/krachtcentrale in gebruik genomen, welke wordt gestookt wordt met houtsnippers. Deze zijn afkomstig van dunningshout uit de bossen van Flevoland en snoeihout uit plantsoenen van omliggende gemeenten. Er is bovendien een proef voorzien met maximaal 10% biomassa afkomstig uit energieteelt. In totaal zal 24.000 ton biomassa nodig zijn als brandstof per jaar. De brandstof levert maximaal 6,5 MW warmte en maximaal 1,3 MW elektrische energie beide voor ruim 3.000 huishoudens. De warmtelevering gaat via het stadsverwarmingnet Lelystad en de elektriciteit wordt aan het openbare elektriciteitsnet teruggeleverd. In Apeldoorn wordt onderzocht hoe vrijkomende sorteer- en composteerresiduen van de nabijgelegen Veluwse Afvalrecycling (VAR) kunnen worden vergast en ingezet voor de opwekking van elektriciteit en warmte voor twee te bouwen woonwijken en een bedrijventerrein. Warmtelevering De meest voor de hand liggende toepassing van bioenergie in de gebouwde omgeving is de verwarming van woningen, utiliteitsgebouwen, zwembaden, e.d. Als vuistregel kan worden aanhouden dat er voor de verwarming van 1.000 woningen gemiddeld 1 MW th nodig is (max 3 MW th ), wat overeenkomt met ongeveer 3-5 kton droge biomassa per jaar. Voor de economische haalbaarheid is de opbouw van de warmtevraag over het jaar en per dag essentieel. Hoe constanter de warmtevraag, des te hoger is de economische haalbaarheid van het project. Bij sterk gefaseerde aanleg van een stadsverwarmingsnet bijvoorbeeld, zal de haalbaarheid in gevaar kunnen
komen vanwege het niet volledig benutten van de bioenergie-installatie en het stadsverwarmingsnet 1 voor langere tijd. Het is dan ook belangrijk de installatie zo snel mogelijk na aanleg volledig in bedrijf te stellen. In het later genoemde voorbeeld van Apeldoorn wordt overwogen met decentrale gasmotoren toch een flexibele en aanpasbare infrastructuur te realiseren. Onderstaand is een indicatief voorbeeld gegeven voor de warmte- en elektriciteitsvraag van een woonwijk van duizend woningen bij een EPN van 1,0. De warmtevraag per woning bedraagt 20 GJ/jaar voor verwarming en 8 GJ/jaar voor warm tapwater. Eenheid Warmte Elektriciteit Gemiddeld per woning (EPN=1,0) GJ/j 28 12 wijk 1.000 woningen GJ/j 28.000 11.520 gevr. capaciteit, 1.000 woningen MW 0,9 0,4 Piek per woning kw 6,0 4,2 gelijktijdigheid, % % 50 21 gevr. capaciteit, 1.000 woningen MW 3,0 0,9 Dal per woning kw 0,25 (24h gem) 0,17 gevr. capaciteit, 1.000 woningen MW 0,25 0,2 In bovengenoemd voorbeeld zou een verbrandingsinstallatie voor houtsnippers gekozen kunnen worden van 3 MW th. Bij een rendement van 80% is dan ongeveer drie- tot vijfduizend ton gedroogde houtsnippers nodig op jaarbasis. De investering voor een dergelijke installatie (excl. warmtenet) bedraagt zo'n 700.000. Elektriciteitsopwekking Wanneer er voldoende vraag naar warmte is en er genoeg biomassa voorhanden is, kan overwogen worden om naast warmte ook elektriciteit op te wekken en aan het net te leveren. Hiervoor bestaan o.a. de volgende technologische opties: Verbranding van biomassa met een stoomturbine (vanaf 1 MWe) Verbranding van biomassa met een stoommotor (50-300 kwe) Vergassing van biomassa met een gasmotor (vanaf ca. 500 kwe). Anaërobe vergisting met gekoppelde gasmotor (vanaf ca. 500 kwe). Van bovengenoemde systemen zijn de eerste twee opties het meest bewezen. Vergassing met een gekoppelde gasmotor is momenteel nog in het demonstratiestadium. Bij een warmtevraag kleiner dan ca. 3 MW is het praktisch nooit economisch rendabel om naast warmte ook elektriciteit op te wekken. Wanneer in het bovengenoemde voorbeeld een warmtekrachtinstallatie wordt gekozen (bestaande uit een verbrandingsinstallatie met stoomturbine), kan er naast 3 MW warmte ook circa 1 MW elektriciteit worden opgewekt. De investeringskosten van de installatie alleen bedragen dan 2,3 miljoen, en het brandstofverbruik stijgt naar vijftot achtduizend ton hout per jaar. 1 De aanlegkosten van een stadsverwarmingsnet bedragen ca. 225-450 per meter. In veel gevallen is de investering in een warmtenet daarmee in dezelfde ordegrootte als die van de warmteopwekkingsinstallatie.
Conversietechnieken De conversie van biomassa naar bruikbare energie kan geschieden via een thermische route (verbranding of vergassing voor relatief droge materialen) of via een biologische route (anaërobe vergisting voor natte materialen). Afhankelijk van de beschikbare biomassa, de opbouw van de warmtevraag, de beschikbare ruimte en de wil om innovatieve technieken toe te passen dient per geval beoordeeld te worden wat de meest wenselijke conversieroute is. Verbranding Van de drie genoemde opties is verbranding de meest bewezen en toegepaste technologie. In het buitenland (Oostenrijk, Zwitserland, Duitsland, Denemarken) wordt dit al sinds lange tijd toegepast voor warmtelevering aan woningen. In Oostenrijk zijn momenteel al driehonderd van dergelijke installaties in bedrijf, met een totaal opgesteld thermisch vermogen van ca. 400 MW, zie Figuur 1. Figuur 1. Aantal opgestelde installaties en thermisch vermogen van biomassagestookte stadsverwarmingsinstallaties in Oostenrijk (bron: Obernberger, 1998). 400 350 300 aantal installaties thermisch vermogen (MW) 250 200 150 100 50 0 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Deze worden gestookt met resthout uit de houtverwerkende industrie, alsmede op houtsnippers afkomstig uit bosbouwactiviteiten. In Denemarken zijn reeds meer dan 85 biomassagestookte stadsverwarmingsinstallaties operationeel (ca. 60 met stro en ca. 25 met houtsnippers). Daarnaast zijn er in Denemarken 900 kleinschalige stroverbrandingsinstallaties in gebruik bij boerderijen voor ruimteverwarming. Ook in Duitsland, Zwitserland en Italië wordt biomassaverbranding steeds meer toegepast voor warmtelevering aan woningen en bedrijfsruimten. Een belangrijke drijfveer hier is de relatief hoge prijs van fossiele brandstoffen, een argument wat in Nederland momenteel minder zwaar telt door de beschikbaarheid van relatief goedkoop aardgas. In Nederland zijn wel een aantal projecten is het project in Lelystad net opgestart, en worden ook andere projecten voorbereid. Een voorbeeld van een grote verbrandingsinstallatie waarmee aan een dergelijke grote warmtevraag kan worden voldaan is weergegeven in Figuur 2. Ook op kleinere schaal zijn er veel mogelijkheden. Terwijl rendement en investeringskosten minder gunstig zijn bij kleinere schaal, is de aanvoer van brandstof veel eenvoudiger. Bovendien zijn er thans relatief goedkope rookgasreinigingstechnieken
beschikbaar waarmee ook op kleine schaal ruimschoots kan worden voldaan aan de geldende emissie-eisen voor stof, NO x, CO, etc. De techniek is daarmee ook geschikt voor toepassing dichtbij de gebouwde omgeving. Figuur 2: Grootschalige verbrandingsinstallatie voor houtsnippers (bron: Lior, 1999) Als alternatief voor een grote installatie kan worden overwogen om kleinschalige, volautomatische verbrandingsinstallaties voor houtsnippers of geperste houtpellets te plaatsen voor de verwarming van een klein aantal woningen. Een principeschets is weergegeven in Figuur 3. Figuur 3: Principe van een kleinschalige verbrandingsinstallatie voor houtsnippers (bron: Heizomat, 1998) Dergelijke installaties worden reeds veelvuldig toegepast in Oostenrijk en Zwitserland. Deze kachels zijn al leverbaar vanaf 15 kw waardoor ze ook in Nederland geschikt zijn om voor een cluster van slechts enkele woningen de warmteopwekking te verzorgen. De emissies zijn zeer laag waardoor plaatsing binnen de gebouwde omgeving geen probleem hoeft te zijn. Als voorbeeld voor de investeringskosten kan worden genoemd dat een installatie van 100 kw, waarmee ca. 25 woningen van warmte kunnen worden voorzien, ca. 32.000 bedragen (excl. bouwkundige voorzieningen).
De specifieke investeringskosten van een aantal verschillende biomassaverbrandingsinstallaties zijn indicatief weergegeven in onderstaande tabel. Type installatie Spec. investeringskosten ( /kw) Kleinschalige houtchipsverbranding 20-50 kw 270-640 Houtsnippers verbrandingsinstallatie 100 kw met voorvergassing 160-320 Houtsnippers verbrandingsinstallatie met stadsverwarming, MW-bereik 730-860 Kleinschalige stroverbranding 50-100 kw 320-730 Stroverbranding met stadsverwarming, MW-bereik 820-1000 Vergassing Vergassing heeft het potentieel tot hogere elektrische rendementen, maar er zijn nog verschillende technische problemen die bij verbranding niet aanwezig zijn of reeds lange tijd zijn opgelost. Voor vergassen mag het uitgangsmateriaal maximaal vijftien procent vocht bevatten. Wanneer er alleen een warmtevraag bestaat is vergassing geen aantrekkelijke optie. Het biedt echter wel zeer vernieuwende mogelijkheden voor een flexibele infrastructuur, wat voordelig is indien de woningbouw sterk gefaseerd geschiedt. Biomassavergassing voor stadsverwarming in Apeldoorn Bij de VAR bij Apeldoorn komt jaarlijks circa 140 kton aan organisch materiaal vrij als overkorrel van de composteerinstallatie, schoon en gemengd hout en een energierijke residustroom (hout, papier, kunststof en organisch materiaal) uit het sorteerbedrijf. Mogelijk wordt dit al binnen enkele jaren ingezet voor de levering van elektriciteit en warmte voor eigen gebruik van de VAR, aan toekomstige woonwijken Groot Zonnehoeve en Zuidbroek en aan het toekomstige bedrijvenpark De Ecofactorij. Volgens een voorkeursscenario zal in 2001 een gedeelte van de vrijkomende biomassa worden ingezet in een vergasser op het terrein van de VAR. Hierbij zal warmte en elektriciteit voor eigen gebruik worden opgewekt met drie gasmotoren van 0,6 MWe, 2,7 MWth. Tegelijkertijd zal NUON in de woonwijk Zonnehoeve een warmtenet aanleggen, dat aanvankelijk met een aardgasmotor van 0,6 MWth, 0,8 MWe, de woonwijk van warmte zal voorzien. Wanneer de stookgasleiding van de VAR naar Zonnehoeve gereed is, kan de aardgasmotor worden vervangen door een stookgasmotor. De dan vrijkomende aardgas- motor kan vervolgens worden ingezet voor warmtelevering in de wijk Zuidbroek, totdat ook daar stookgas beschikbaar is en er stookgasmotoren kunnen worden ingezet. De restwarmte van de gasmotoren bij de VAR zal aan het bedrijventerrein De Ecofactorij worden geleverd. Verder wordt overwogen om daar in de toekomst een tweede vergasser van 10 MWth, 5 MWe te plaatsen, welke het terrein van stookgas en/of warmte zal voorzien. De biomassa hiervoor zal dan rechtstreeks van de VAR worden betrokken. Het innovatieve van dit project is niet alleen gelegen in de verschillende technologieën, maar vooral in de combinatie ervan en de planologische en organisatorische consequenties van een geïntegreerde infrastructuur. Juist omdat er met meerdere vergassers, kleinschalige WKK-eenheden en een verplaatsbare aardgasmotor wordt gewerkt, ontstaat er veel flexibiliteit en is het scenario altijd nog aanpasbaar aan toekomstige ontwikkelingen. Vergisting Gras, bladeren en dergelijke hebben op het moment van beschikbaar-komen een hoge vochtigheid en zijn daardoor moeilijk direct via een thermische route om te zetten. Tenzij deze biomassa van tevoren wordt gedroogd, komt hier eigenlijk alleen vergisting in aanmerking. Vergisting van snoeihout gaat vrij moeizaam vanwege het hoge lignine gehalte. Deze techniek bevindt zich thans in het demonstratiestadium. Het resulterende productgas uit een vergistingsinstallatie bestaat hoofdzakelijk uit methaan (CH 4 ) en kan
rechtstreeks worden verbrand voor warmteopwekking in een ketel of in een gasmotor met gekoppelde generator worden omgezet naar warmte en elektriciteit. Met een vergistingsinstallatie met een input van 25 kton/jaar kan in een speciale gasmotor 600 kw elektriciteit en 2,5 MW warmte worden opgewekt. De investeringskosten voor een dergelijke installatie zijn ca. 1,5-2,25 miljoen. Een vergistingsinstallatie is in principe een gesloten systeem en door de ventilatielucht als verbrandingslucht te gebruiken kan de stankoverlast tot een minimum worden beperkt. Een andere overweging is het ruimtebeslag. Terwijl een verbrandingsinstallatie van 3 MW ongeveer 25x15 m nodig heeft, zal een vergistingsinstallatie van 25 kton/j al snel 50x100 m in beslag nemen. Emissies Bij de verbranding van schone biomassabrandstoffen vormen NOx, CO en stof de belangrijkste emissies welke teruggedrongen dienen te worden om aan de geldende emissie-eisen te voldoen. De emissies kunnen worden verlaagd door primaire proces maatregelen alsmede door secundaire rookgasreinigingstechnieken. NOx ontstaat door stikstof wat meegevoerd wordt met de brandstof of met de verbrandingslucht in de verbrandingsinstallatie. CO emissies ontstaan door slechte verbranding bij te weinig zuurstof. Stofemissies worden veroorzaakt door as en onverbrande deeltjes (roet) die met de vlammen mee worden gezogen de installatie uit. Door goede verbrandingscondities te creëren kunnen deze emissies aanzienlijk worden verlaagd. Tevens kunnen een aantal verschillende rookgasreinigingsmaatregelen worden toegepast, die deze emissies tot een minimum beperken. In Figuur 4 zijn deze schematisch weergegeven. Figuur 4: Principe van rookgasreinigingsmaatregelen welke toegepast kunnen worden bij een biomassaverbrandingsinstallatie(bron: LIOR, 1999) 1. Biomassa 2. Verbrandingslucht 3. As vanuit rooster, cycloon en electrostatisch filter 4. Verbranding 5. Warmtewisselaars 6. Cycloon filter 7. Chemische de-nox behandeling 8. Electrostatisch filter 9. Schoorsteen 10. Rookgassen Stimuleringsregelingen De overheid heeft verschillende subsidieprogramma s en fiscale faciliteiten ingesteld om de doelstellingen voor duurzame energie en bio-energie te bereiken. Zo kunnen de kapitaalslasten van de investering in een bio-energieinstallatie aanzienlijk worden
verlicht door de Energie-Investerings Aftrek, Willekeurige Afschrijving Milieuinvesteringen en de zogeheten groene financiering. De afnemer van groene elektriciteit betaalt minder Reguliere Energiebelasting (REB). Verder is het duurzame kenmerk van uit biomassa opgewekte elektriciteit verhandelbaar in de vorm van Groencertificaten, waarvan de prijs volledig wordt bepaald door de markt. Ook bij duurzame warmte wordt er thans voor gepleit groene labels in te voeren, dit zou de haalbaarheid van bio-energieprojecten ten goede kunnen komen. Per 1 juli 2003 geldt de regeling Milieukwaliteit Elektriciteitsproductie (MEP). Met deze subsidieregeling wordt de binnenlandse productie van duurzame elektriciteit gesubsidieerd. Meer informatie over de MEP is te vinden in het informatieblad Duurzame energie, Financiële stimuleringsregelingen, verkrijgbaar bij het Informatiecentrum Duurzame Energie. Of kijk op onze website: www.duurzameenergie.nl. Meer informatie? Voor meer informatie over bio-energie en andere vormen van duurzame energie, kunt u contact opnemen met het Informatiecentrum Duurzame Energie. Overige informatie over bio-energie Bio-energie: Algemene informatie Bio-energie op maat voor agrariërs Kerngegevens bio-energie Nederland 2000 Beschikbaarheid van biomassa en afval in Nederland Beschikbaarheid van biomassa uit import Informatiedocument zuiveringsslib Kleinschalige verbranding van resthout Emissies bij verbranding van resthout Leveranciers voor kleinschalige verbrandingsinstallaties Leveranciers voor vergistingsinstallaties Leveranciers vergistingsinstallaties Billy Bever en biomassa-energie (Stripverhaal) Overige informatie Aardwarmte Duurzame energie, algemeen Energie-opslag Groene elektriciteit Warmtepompen Waterkracht Windenergie Zon-PV: Elektriciteit uit zonlicht Zon-thermisch: Warmte uit zonlicht Projectbureau Duurzame Energie, december 2003 Overname door derden van (delen van) dit informatieblad is slecht toegestaan na schriftelijke toestemming van PDE. Dit informatieblad is met de grootste zorg samengesteld. Aan de inhoud kunnen echter geen rechten worden ontleend. Bestecode: BA009/01122003