Warmte-krachtkoppeling
Produktie van electriciteit en warmte
Stirling motor
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Warmte-kracht koppeling
Men heeft het meer en meer over warmte-kracht koppeling (cogeneration in het engels en het frans). Met de stijgende energieprijzen moet men alle energie halen uit de beschikbare brandstoffen.
-

-

Een manier om meer energie uit fossiele brandstoffen te halen is een warmte-krachtkoppeling waarbij de overtollige warmte die bij bepaalde processen ontstaat omgezet wordt in electriciteit door middel van een stirling motor.

Stirlingmotor

De stirlingmotor is een motor met uitwendige verbranding. De traditionele benzine en dieselmotoren hebben een inwendige verbranding. Het voordeel is dat bijna om het even welke brandstof gebruikt kan worden (of men kan ook de restwarmte gebruiken). De stirlingmotor is een gesloten geheel met een inert gas die opgewarmd wordt, waardoor die uitzet en een zuiger wegduwt. Het gas wordt dan naar een koude zone geduwd en krimpt, het cyclus kan dan opnieuw beginnen. De stirlingmotor heeft geen onderhoud nodig.

Het rendement van de stirlingmotor is lager dan die van een dieselmotor (maar wat hoger dan die van een benzinemotor), maar kan met alle soorten brandstof werken. De motor heeft echter een grote thermische traagheid, waardoor die niet als aandrijfmotor in voertuigen gebruikt kan worden. De motor werkt enkel goed op een bepaald regime (toerental). Men zou de motor eventueel kunnen gebruiken als "range extender" in een electrische auto. De stirling motor laadt dan de batterijen opnieuw op tijdens het rijden.

Het hoofddoel van een verwarmingsketel met warmte-kracht koppeling (WKK) is om warmte te leveren om ruimtes te verwarmen, niet om electriciteit te leveren, al warmt de hoofdbrander eerst de motor en de nog hete verbrandingsgassen worden dan gebruikt om het circulatiewater op te warmen.

Het heeft geen zin de ketel in te schakelen om enkel electriciteit te produceren: het rendement is te laag, de ketel is daarop niet voorzien. De werking van de ketel wordt gestuurd door de warmtevraag.

Ketel met warmte-kracht koppeling

Een verwarmingsketel met warmte-kracht koppeling (WKK) staat rechts. De ketel bevat een stirlingmotor die mechanische energie levert uitgaande van een temperatuurverschil. Het temperatuurverschil is dat tussen de watertoevoer (koud water uit de radiatoren) en de temperatuur van de hoofdbrander. Met de warmte van de brander wordt eerst electriciteit geleverd en de restwarmte dient om het water op te warmen.

Om je een richtwaarde te geven: de ketel levert ongeveer 1kW als de hoofdbrander werkt. Om een voldoende hoog rendement te bekomen is het nodig dat de brander voldoende lang blijft werken (minstens 30 minuten). Nadat de brander gestopt is, moet de watercirculatie nog verder gebeuren om de motor af te koelen en beschadiging van de motor te vermijden.

De hoofdbrander levert een constant vermogen dat voldoende is om het huis op temperatuur te houden. De ketel heeft een hulpbrander die ingeschakeld kan worden als er extra warmte nodig is (opwarmen van een koud huis of productie van sanitair warm water).

De tweede voorstelling toont ons hoe zo'n ketel werkt, maar eerst moeten we de onderdelen aangeven.

  1. Luchttoevoer
  2. Gastoevoer
  3. Koud water toevoer (circulatiewater)
  4. Schakelkast voor de verbinding met het electriciteitsnet
  5. Generator (alternator)
  6. Sturing hulpbrander
  7. Sturing hoofdbrander
  8. Stirlingmotor
  9. Hoofdbrander
  10. Hulpbrander
  11. Uitgang warm water

Het koud water afkomstig van de radiatoren wordt gebruikt als "koude bron" in de stirlingmotor. Het water koelt de motor af en wordt warm.

De hoofdbrander warmt de stirlingmotor tot een temperatuur van 300 350. De restwarmte van de nog warme verbrandingsgassen wordt gebruikt om het water verder op te warmen. De brander levert dus eerst warmte aan de motor.

De tweede schema is wat duidelijker wat de plaatsing van de elementen betreft. Men ziet dat de hoofdbrander vooral de motor opwarmt en de restwartmte wordt gebruikt om het water op te warmen, eerst door de koeling van de motor, dan door het gebruik van de restwarmte van de warme uitlaatgassen in de warmtewisselaar (10).

Indien er een sterke warmtevraag is wordt een hulpbrander ingeschakeld. Deze werkwijze moet indien mogelijk vermeden worden, want hier wordt er geen electriciteit opgewekt (de motor werkt reeds op maximaal vermogen).

De ketels met WKK zijn interessant in situaties waar er constant een warmtevraag is zoals hospitalen, rust- en verzorgingstehuizen, sanitair van fabrieken, enz. Ook tuinbouw onder glas gebruikt vaak ketels met WKK. Door de bijna-permanente werking van de ketel wordt de installatie sneller rendabel. Maar ook bij de particulier is zo'n installatie interessant op lange termijn (met de prijs van de brandstoffen die maar blijft stijgen).

Voordelen

Alle energie uit de brandstof wordt gebruikt. In de industrie kan de restwarmte van bepaalde processen gebruikt worden. De WKK produceert een zeer bruikbare energie (electriciteit) op basis van een energie van mindere waarde (warmte).

De electriciteit wordt geproduceerd daar waar die ook nodig is (in het industriegebied, in de huizen), terwijl bij windmolens de geproduceerde energie nog over een lange afstand vervoerd moet worden (hetzelfde geld ook voor kerncentrales).

Er wordt electriciteit opgewekt op het ogenblik dat er een sterkere vraag is (automatische peak shaving): als de fabrieken draaien, bij particulieren 's morgens en 's avonds als er een piek in het electriciteitsverbruik is. De stroomproduktie is hoger in de winter en 's nachts, als de zonnepanelen niet produceren en de vraag naar electriciteit hoger is.

De stroomproduktie is beperkt (maar doorlopend) en het net moet niet verzwaard worden (kabels en teller). Zonnepanelen kunnen stroompieken van 10kW leveren op het einde van de lente en dit vergt een verzwaring van de electrische installatie.

Nagenoeg alle ketels kunnen aangepast worden om uitgerust te worden met een stirlingmotor, maar het is niet mogelijk een bestaande centrale aan te passen. De werking is het meest soepel met gas.

Nadelen

De stirlingmotor werkt aan een vast regime en heeft een constante warmtetoevoer nodig om efficient te werken. Een ketel met WKK produceert 1000W tijdens de werking. Indien de hoofdbrander onvoldoende warmte levert, dan moet een hulpbrander ingeschakeld worden.

Om constant in- en uitschakelen te vermijden moet de ketel soms voorzien worden van een warmwaterketel die opgewarmd wordt tijdens de produktie, om dan de warmte af te staan volgens de vraag.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's