Trigeneratie gekoppeld met de vergisting van witloofwortels

Uit een eerder uitgevoerde studie concludeerde de Nationale Proeftuin voor Witloof dat een warmteoverschot de rendabiliteit van kleinschalige vergisting van witloofwortels in de weg staat. Met trigeneratie kan de opgewekte warmte ook omgezet worden naar koude. De Nationale Proefuin voor Witloof gaf de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek (VITO) de opdracht om de koppeling van de vergisting van witloofwortels en trigeneratie te berekenen.

Kleinschalige vergisting witloofwortels

In het artikel “Kleinschalige vergisting witloofwortels” in de e-zine van november 2014 werd een haalbaarheidsstudie beschreven die moest aantonen of het vergisten van witloofwortels rendabel kan zijn voor witloofbedrijven van gemiddelde omvang. Hieruit bleek dat de vergisting van witloofwortels niet rendabel is op dergelijk individueel bedrijf. De opgewekte warmte uit een biogas warmte-krachtkoppeling (WKK) wordt bij witloofbedrijven namelijk onvoldoende benut, de geproduceerde elektrische energie kan wel op voldoende wijze voor de koeling en de forcerie van witloofwortels ingezet worden. Zelfs indien verschillende witlooftelers in een coöperatie samenwerken lijkt het moeilijk haalbaar om er een meerwaarde uit te halen. Overtollige warmte wordt bij voorkeur afgevoerd naar een naburig bedrijventerrein of naar andere locatie met nood aan dergelijke nutvoorziening. Vermits de koudevraag niet volledig ingevuld is met op het bedrijf geproduceerde energie, is het nuttig na te gaan of  een deel van de door de WKK geproduceerde warmte rendabel omgezet kan worden naar koude voor de forcerie met behulp van absorptiekoeling. Voor deze berekening deed de Nationale Proeftuin voor Witloof beroep op VITO.

Koudebehoefte tijdens de forcerie

Bij de forcerie van witloof worden wortels in een donkere geklimatiseerde ruimte op een hogere temperatuur gebracht om de ontwikkeling van witloofkroppen te bevorderen. Kort na de rooi is verwarming van de voedingsoplossing nodig om die forcerietemperatuur te handhaven. Tijdens het forceerseizoen daalt de forcerietemperatuur dankzij een betere afrijping van de bewaarde witloofwortels. Bij latere forceriebeurten neemt de koudebehoefte in de forcerie toe en hoeft de voedingsoplossing niet meer verwarmd te worden. Dit betekent dat de warmte die uit een biogas WKK vrijkomt slechts een korte periode op het bedrijf kan gebruikt worden.

Principe trigeneratie

Trigeneratie is het gecombineerd opwekken van elektriciteit, warmte en koude. Hierbij wordt vaak gebruik gemaakt van een WKK in combinatie met een absorptiekoelmachine.

Een WKK is een systeem waarbij zowel elektriciteit als warmte gegenereerd wordt. Het is een efficiënte manier om primaire energie om te zetten in elektrische en thermische energie in vergelijking met gescheiden opwekking. Hoogwaardige warmte komt vrij bij de verbranding van brandstof, in dit geval biogas opgewekt door de vergisting van witloofwortels. Een gedeelte van deze warmte wordt omgezet in bewegingsenergie en wordt zo via een alternator omgezet in elektrische energie. De resterende warmte moet verder nuttig worden aangewend, in dit geval voor de aandrijving van de absorptiekoeling.

Het werkingsprincipe van absorptiekoeling (zie figuur 1) is voor een deel vergelijkbaar met dat van compressiekoeling. In plaats van een compressor te gebruiken bij compressiekoeling wordt er bij absorptiekoeling gebruik gemaakt van concentratieverschillen in het koelmedium om warmte te transporteren. Er wordt voor deze toepassing gebruik gemaakt van een water – lithiumbromide(LiBr) koelmedium.

Figuur 1: Schema werking absorptiekoeling (Bron: Agentschap NL)

In de generator wordt warmte toegevoegd (afkomstig van de biogas WKK). De meest vluchtige component, LiBr, verdampt en stroomt naar de condensor. Hier wordt net zoals bij compressiekoeling warmte afgevoerd om zo het koelmedium te condenseren. Vervolgens wordt via het expansieventiel de druk verlaagd zodat de vloeibare LiBr in de verdamper opnieuw kan verdampen en hierbij warmte onttrekt van het te koelen medium. Wanneer de LiBr verdampt is, wordt deze opnieuw afgekoeld in de absorber. In de absorber wordt het water met een laag LiBr gehalte afkomstig van de generator geïnjecteerd. De LiBr lost hierbij op zodat opnieuw een sterk geconcentreerd koelmedium gevormd wordt. Via een opvoerpomp wordt het sterk geconcentreerde koelmedium opnieuw naar de generator gepompt zodat er een gesloten cyclus ontstaat. Om het rendement van het systeem te verhogen wordt een warmtewisselaar voorzien tussen de generator en de absorber.

Rendabiliteit

In het haalbaarheidsonderzoek naar de mogelijkheden van WKK en absorptiekoeling, uitgevoerd door VITO in opdracht van de Nationale Proeftuin voor Witloof wordt nagegaan of het rendabel is om trigeneratie te gebruiken. Bij de berekening werd gebruik gemaakt van de resultaten van het Project ‘Kleinschalige vergisting van witloofwortels’, uitgevoerd in 2014 door de Nationale Proeftuin voor Witloof en Innova-Energy, in opdracht van provincie Vlaams-Brabant en Universiteit Gent in het kader van het Interreg IVB ARBOR project.

Bij het haalbaarheidsonderzoek wordt er uitgegaan van een fictieve installatie geschikt voor een grote witloofteler.

De vergister wordt in dit scenario gedimensioneerd op een input van landbouwreststromen van 5000 ton per jaar. Op basis van de geschatte biogasopbrengst van de vergister kan de optimale grootte van de biogas WKK bepaald worden, deze heeft volgende specificaties:

Tabel 1: Specificaties biogas WKK (Bron: Haalbaarheidsstudie VITO)

De WKK draait 8000 vollasturen op jaarbasis, waarvan de eigenverbruik van groene stroom 100% bedraagt en de restwarmte 100% nuttig gebruikt kan worden.

De gemiddelde koudevraag van de forcerie bedraagt ongeveer 62 kW met piekverbruiken van 250 à 300kW. Het koelvermogen van de absorptiekoelmachine wordt echter beperkt door de hoeveelheid hoogwaardige restwarmte die de WKK kan leveren. Volgens de specificaties van de biogas WKK kan deze ongeveer 70kW hoogwaardige warmte leveren (+88°C) die omzetbaar is naar koude door middel van de absorptiekoelmachine. De absorptiekoelmachine kan echter ook warmte op een lager temperatuurniveau omzetten naar koude, weliswaar op een hogere koelwatertemperatuur. De absorptiekoelmachine levert in referentiecondities koelwater op een temperatuur van 7°C, deze mag echter stijgen tot +/-10°C voor koeling van de forcerie. Op deze manier kan er meer warmte in koude omgezet worden en stijgt de thermische dekkingsgraad van de WKK.

De absorptiekoelmachine van Yazaki (WFC-SC20) met een koelvermogen van 70,3 kW heeft volgende eigenschappen:

Tabel 2: Specificaties absorptiekoelmachine 70,3 kW (Bron: Haalbaarheidsstudie VITO)

Vervolgens wordt er berekend of er wel primaire energie bespaard wordt ten opzichte van de referentiesituatie. Deze referentiesituatie heeft als kenmerken:

• Rendement van de elektrische referentiecentrale: 50%
• Rendement referentie gasketel: 0,9
• Coefficient of Performance (COP) compressiekoeling: 5 (volgens Energiebesluit artikel 6.2.10, paragraaf 7)

Er wordt vervolgens een primaire energiebesparing gerealiseerd van ongeveer 7% (wanneer de restwarmte van de WKK voor 100 % nuttig gebruikt is). Dit betekent dat  men recht heeft op WKK-certificaten (indien de primaire energiebesparing > 0 %).

Ten slotte is er een volledige economische analyse uitgevoerd. De totale prijs voor de aankoop en installatie van de WKK, vergister en absorptiekoelmachine bedraagt ongeveer 702 000 €. De totale onderhoudskosten van het gehele systeem bedragen 77 863 €/jaar. De opbrengsten - namelijk de groenestroomcertificaten, de warmtekrachtcertificaten en de elektriciteit - zijn samen goed voor een 138 125 €/jaar. Er werd verder  rekening gehouden met een gasprijs  van 30 €/MWh, een elektriciteitsprijs  van 100 €/MWh, de evolutie van de energieprijzen (+3%/jaar) en ten slotte de inflatie (1%).

Een overzicht van de cashflow is terug te vinden in figuur 2. Hieruit is af te leiden dat de eenvoudige terugverdientijd schommelt rond de 10 jaar met een intern rendement (project interne-opbrengstvoet, excl. financiering) van 5% op 15 jaar.

Figuur 2: : Overzicht van de cashflow van trigeneratie met biogas WKK ten opzicht van de referentie (Bron: Haalbaarheidsstudie VITO)

Besluit

We kunnen besluiten dat het vergisten van witloofwortels rendabel kan zijn voor witloofbedrijven, indien het geproduceerde biogas gebruikt kan worden om een trigeneratie aan te drijven. Zo zal de opgewekte warmte voldoende benut worden door een deel van deze warmte  om te zetten naar koude, om vervolgens de koude te gebruiken tijdens de forcerie van de witloofwortels.

Wel is op te merken dat er een zeer grote investering nodig is om het volledige systeem (vergister, WKK en absorptiekoeler) te installeren. Maar op 10 jaar tijd is deze volledig terugverdiend en met op 15 jaar een intern rendement van 5%. Ten slotte is het belangrijk dat de restwarmte van de WKK (in dit voorbeeld) voor meer dan 80 % nuttig gebruikt kan worden (zodat er een primaire energiebesparing gerealiseerd wordt), wil men recht hebben op WKK-certificaten.

Auteurs:

Somers Jasper en Van Ceulebroeck Christel, Nationale Proeftuin voor Witloof

Allaerts Koen en Al Koussa Jad, Energyville

EnergyVille is een Vlaamse samenwerkingsverband voor onderzoek naar duurzame energie en intelligente energiesystemen.  Onze onderzoekers van VITO werken samen met KULeuven en imec om expertise te leveren aan industrie en overheden op het vlak van intelligente energiesystemen voor een duurzame stedelijke omgeving – zoals smartgrids, geavanceerde warmtenetten en energie-efficiënte gebouwen.