Warmtekrachtkoppelingen genereren tegelijkertijd warmte en elektriciteit. Dit lost twee problemen in het huishouden op. De staat promoot ook moderne, ecologische verwarming. Maar voor wie is een warmtekrachtkoppeling de moeite waard? In onze gids leggen we uit hoe het werkt, installatievereisten en kosten.
Warmtekrachtcentrale als verwarming: de belangrijkste zaken in één oogopslag
- Een warmtekrachtcentrale wekt gelijktijdig elektriciteit en warmte op volgens het principe van warmtekrachtkoppeling, waarbij de warmte van de elektriciteitsproductie in het verwarmingscircuit stroomt. Om deze reden is de efficiëntie van het systeem ongeveer 90 procent. Ter vergelijking: een gemiddelde gasgestookte elektriciteitscentrale komt uit op ongeveer 40 procent.
- De compacte systemen bestaan uit een aandrijving (motor, turbine of brandstofcel), een generator en een warmtewisselaar.
- Afhankelijk van de geïnstalleerde technologie kunnen warmtekrachtcentrales worden gebruikt met gas, olie, houtpellets of kolen. Met biogas of hout als brandstof kunt u volledig CO2-neutraal werken.
- Afhankelijk van de grootte en het rendement worden de warmtekrachtkoppelingssystemen onderverdeeld in nano-, micro-, mini- en standaard warmtekrachtkoppelingseenheden. Nano-warmtekrachtcentrales zijn ook zuinig voor gezinnen.
- Of een warmtekrachtcentrale de moeite waard is, hangt af van de bezettingsgraad. Naast een lange looptijd is ook de elektriciteitsprijs van de netbeheerder bepalend voor een korte afschrijvingstermijn.
- Het Federaal Bureau voor Economie en Controle (BAFA) ondersteunt de installatie van warmtekrachtkoppelingscentrales met vaste subsidies en toeslagen op het elektriciteitstarief. De Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) en enkele deelstaten bieden ook financiële prikkels en goedkope leningen.
Hoe werkt een warmtekrachtcentrale?
Een warmtekrachtkoppeling is een systeem dat zowel elektriciteit als warmte opwekt. Het maakt gebruik van het principe van gecombineerde warmte en kracht, waarbij de mechanische energie van een motor (kracht) wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken en de hete uitlaatgassen warmte leveren. Dit betekent dat warmtekrachtkoppelingsinstallaties hoge rendementen behalen van 90 procent en meer. De opgewekte energie bestaat uit gemiddeld een derde van elektriciteit en twee derde van warmte. Deze aantallen variëren echter afhankelijk van het systeem en het ontwerp. De technologie van een warmtekrachtkoppeling past in een behuizing die ongeveer zo groot is als een koelkast. De naam thermische centrale van het bloktype is afgeleid van de compacte afmetingen.
Sommige kolen- en gascentrales gebruiken ook warmtekrachtkoppeling. In 2017 bedroeg hun aandeel in de netto elektriciteitsopwekking in Duitsland 21 procent. In een grote energiecentrale transporteren pijpleidingen de warmte echter naar de plaats van verbruik, omdat woonwijken en bedrijven ver weg zijn. Verliezen zijn onderweg onvermijdelijk. De specialiteit van thermische centrales van het bloktype is dat zowel de elektriciteit als de warmte lokaal en decentraal worden opgewekt. Dit verhoogt hun efficiëntie aanzienlijk in vergelijking met gecentraliseerde systemen.
Door hun geringe verliezen en de mogelijkheid om ze op biobrandstof te laten draaien, vormen warmtekrachtcentrales een pijler van de energietransitie. Sinds 2000 promoot de federale overheid eigenaren van thermische centrales van het bloktype met verschillende vergoedingsmodellen. In de afgelopen jaren is het aantal zogenaamde nano- en microwarmtekrachtkoppelingen op de markt toegenomen. De systemen met een vermogen tot 15 kilowatt zijn onder bepaalde voorwaarden ook voor particulieren de moeite waard.
Het proces in één oogopslag
Een warmtekrachtcentrale werkt door de volgende volgorde:
- Een gas-, diesel- of stoommotor drijft een generator aan met behulp van een as. Grotere warmtekrachtcentrales gebruiken ook gasturbines in plaats van motoren. Het gas wordt gecomprimeerd en bereikt hoge temperaturen. Het hete gas drijft vervolgens kleinere turbines aan, die de mechanische energie overbrengen naar een generator.
- De generator produceert elektriciteit. Het wordt ofwel in het huishouden of in het bedrijf verbruikt of stroomt naar het openbare elektriciteitsnet.
- Een warmtewisselaar geeft de uitlaatgaswarmte af aan het verwarmingswater.
- Het koelwater van de motor en de hete motorolie geven ook via een warmtewisselaar warmte af aan het verwarmingswater.
Bouw van een warmtekrachtcentrale
De verwarmingsmethode bestaat uit de volgende elementen:
- Motor
De motoren die het meest worden gebruikt voor warmtekrachtcentrales zijn gas-, diesel-, stoom- en Stirlingmotoren. Elk type motor heeft voor- en nadelen. Benzinemotoren op gas worden als efficiënt en duurzaam beschouwd, maar hebben regelmatig onderhoud nodig. Dieselmotoren hebben de beste efficiëntie, maar zijn duurder dan benzinemotoren. In het geval van Stirling-motoren wordt, in tegenstelling tot Otto- en dieselmotoren, de warmte van buitenaf aangevoerd. Ze kunnen worden gebruikt met hout of pellets en zijn daarom bijzonder milieuvriendelijk en vergen ook weinig onderhoud. Het elektrisch rendement is echter lager dan dat van benzinemotoren. - Gasturbine (als alternatief voor de motor)
Een compressor comprimeert omgevingslucht tot een hoge druk. Het lucht-gasmengsel brandt in een verbrandingskamer en bereikt hoge temperaturen. Het hete gas drijft de generator aan. Vanwege de hoge kosten is een gasturbine alleen de moeite waard voor grotere warmtekrachtcentrales. - Brandstofcel (als alternatief voor de motor)
In brandstofcellen reageren waterstof en zuurstof tijdens de zogenaamde koude verbranding. Daarbij wekken ze elektriciteit en warmte op. Warmtekrachtkoppelingsinstallaties met brandstofcelaandrijving vormen een relatief nieuwe technologie: omdat ze CO2-neutraal werken, verspreiden ze zich steeds meer, vooral in nano- en micro-warmtekrachtcentrales. - Generator
De generator voor het opwekken van elektriciteit kan zowel synchroon als asynchroon zijn. Hij wekt driefasige wisselstroom op en is meestal aangesloten op het laagspanningssysteem van het gebouw. Eigenaren van een thermische centrale van het bloktype gebruiken de elektriciteit zelf of leveren deze aan het openbare net. In het tweede geval ontvangen zij een vergoeding van de netbeheerder en een extra vaste opslag op grond van de Warmtekrachtkoppelingwet.
Hoe een motoraangedreven warmtekrachtkoppeling werkt.
- Warmtewisselaar
De warmtewisselaar heeft als taak de warmte van de uitlaatgassen, motorkoelwater en motorolie over te dragen aan het bedrijfswater in het verwarmingscircuit. De meest gebruikte warmtewisselaars zijn buizenwarmtewisselaars en platenwarmtewisselaars. - Regeling
De regeling stelt operators van een warmtekrachtcentrale in staat om verschillende parameters te configureren. Je gebruikt hem onder andere om de bedrijfsmodus in te stellen. Moderne warmtekrachtcentrales zijn te bedienen via een app op de laptop of zelfs op de smartphone. - Pieklastketel
De pieklastketel behoort niet tot de blokthermische centrale. Indien nodig vindt de werking echter parallel plaats om piekbelastingen in het verwarmingsverbruik op te vangen. Het dimensioneren van een thermische centrale van het bloktype op basis van de piekbelastingen is economisch niet zinvol omdat het aantal draaiuren te laag zou blijven. Een warmtekrachtkoppelingcentrale die de basislast dekt, is veel efficiënter. Alle typen ketels zoals gas- en oliecondensatieketels zijn geschikt als aanvulling op de warmtekrachtkoppeling. - Bufferopslag
Een bufferopslag is niet verplicht in een warmtekrachtcentrale van het bloktype, maar is economisch zinvol, zeker voor particulieren, aangezien het warmwaterverbruik sterk fluctueert in de loop van de dag. De container bevat verwarmingswater en wordt gebruikt om overtollige warmte op te slaan. Als het systeem tijdens piekbelastingen niet aan de vraag kan voldoen, stroomt het warme water naar het verwarmingscircuit. Voor een warmtekrachtkoppeling met een vermogen van 50 kilowatt is de bufferopslag idealiter 3.000 liter, voor een nano warmtekrachtkoppeling in een eengezinswoning is 1.000 liter doorgaans voldoende.
Brandstof voor verwarming
In een thermische centrale van het bloktype worden de volgende brandstoffen gebruikt, afhankelijk van de aandrijftechniek:
- Aardgas, inclusief vloeibaar gas
- Biogas van boerderijen
- Olie verhitten
- Plantaardige olie zoals koolzaadolie of palmolie (alleen voor bepaalde dieselmotoren)
- Houtpellets (alleen voor Stirling- en stoommachines)
- Houtsnippers / houtgas (alleen voor grote warmtekrachtcentrales)
- Steenkool of bruinkool
Houtpellets zijn een milieuvriendelijke manier om warmtekrachtkoppelingen te laten draaien.
Classificatie van warmtekrachtkoppelingsinstallaties op basis van prestaties
De volgende tabel geeft een overzicht van de typen warmtekrachtkoppelingseenheden:
|
aanwijzing |
kracht |
gebruik |
technologie |
|---|---|---|---|
|
Nano |
Tot ongeveer 2,5 |
Eengezinswoningen |
Stirlingmotor, stoommachine, |
|
Thermische |
2,5 tot 15 |
Flatgebouwen |
Stirlingmotor |
|
Mini |
15 tot 50 |
Kleine productiebedrijven, |
Gasmotor, stoommachine, |
|
Warmtekrachtkoppelingseenheden |
50 tot 250 |
Grote fabrieken, |
Gasturbines, diesel- en |
interpretatie
Warmtekrachtkoppelingsinstallaties kunnen worden ontworpen met elektriciteit of warmte. In de eerste variant is de elektriciteitsproductie doorslaggevend. Omdat de systemen echter meer warmte produceren dan elektriciteit en er geen warmteopslag is, blijft een groot deel van de warmte ongebruikt. Daarom worden de meeste WKK-eenheden gedimensioneerd op basis van de warmtevraag.
Distributie en toekomst van warmtekrachtkoppelingsinstallaties
De meeste componenten van een warmtekrachtkoppeling zijn geen nieuwe uitvindingen. De Stirlingmotor bestaat al sinds 1816. Generatoren produceren sinds de tweede helft van de 19e eeuw ook elektrische energie. Ook het principe van warmtekrachtkoppeling is al lang bekend. Al in 1902 produceerden stoomturbines elektriciteit in de stadsverwarmingscentrale van Beelitz-Heilstätten, terwijl de warmte van de stoom het gebouw verwarmde.
Lange tijd was er echter geen manier om de technologie te verkleinen, zodat compacte systemen voor particuliere energieopwekking de moeite waard waren. Halverwege de jaren tachtig kwamen de eerste warmtekrachtcentrales op de markt. In 2000 trad de eerste versie van de Warmtekrachtkoppelingswet in werking. Voor het eerst verstrekte het subsidies aan eigenaren van warmtekrachtkoppelingseenheden. In 2009 en 2016 zijn aanpassingen gedaan.
Denemarken speelt een leidende rol bij de installatie van warmtekrachtkoppelingsinstallaties in heel Europa. Al in 2005 was 50 procent van de daar opgewekte energie afkomstig van warmtekrachtcentrales.
Ook in Duitsland is het aantal WKK-eenheden voor privégebruik de afgelopen jaren toegenomen. Dit type verwarming is echter nog steeds niet een van de meest voorkomende. Daar zijn vooral historische redenen voor. Met name de gedecentraliseerde elektriciteitsopwekking kwam pas rond de millenniumwisseling op gang dankzij de Wet hernieuwbare energiebronnen. In het kader van de energietransitie zullen waarschijnlijk ook warmtekrachtcentrales een steeds belangrijkere rol gaan spelen.
Vereisten voor het plaatsen van de verwarming
- Als je een warmtekrachtkoppeling wilt installeren, moet de retourtemperatuur van je verwarmingssysteem lager zijn dan 70 graden Celsius. Als deze hoger is, kan de warmtewisselaar de warmte van de motor niet meer volledig afvoeren. In dit geval werkt het systeem oneconomisch. Als de motor te warm wordt, schakelt het systeem zichzelf ook uit.
- Een andere vereiste is een aansluiting op de lokale gasleiding als een gasmotor de generator aandrijft. Sommige thermische centrales van het bloktype kunnen echter ook met vloeibaar gas worden bedreven.
- Bij het plaatsen van een warmtekrachtcentrale zijn twee extra elektriciteitsmeters nodig. Terwijl de eerste de opgewekte elektriciteit meet, registreert de tweede het aandeel dat naar het openbare net stroomt. Dit is onder meer van belang zodat u van de netbeheerder een feed-in tarief ontvangt.
Extra elektriciteitsmeters voor uw warmtekrachtkoppeling vraagt u aan bij uw netbeheerder.
Rendement en toepassingsgebieden van een warmtekrachtkoppeling
Warmtekrachtkoppelingcentrales worden toegepast in een- en meergezinswoningen, bedrijven en openbare voorzieningen zoals scholen en zwembaden. Omdat de afschrijvingstijd afneemt met de grootte van het systeem, worden in veel ziekenhuizen, kantoorgebouwen en scholen systemen met een vermogen van 50 kilowatt of meer geïnstalleerd.
Door de combinatie van warmte- en elektriciteitsopwekking behaalt een warmtekrachtcentrale in principe een hoger rendement dan alle andere vormen van verwarming. Als je alleen naar stroomopwekking kijkt, ligt het elektrisch rendement tussen de 25 en 40 procent. Een warmtekrachtcentrale gebruikt echter maar een deel van de energie om elektriciteit op te wekken. Datasheets en statistieken geven daarom de algehele efficiëntie aan.
Warmtekrachtkoppelingcentrales wekken elektriciteit veel efficiënter op dan conventionele kolen- of gascentrales. Een gemiddelde thermische centrale haalt een rendement van 45 tot 50 procent. 50 tot 55 procent van de energie gaat verloren als warmte. Verdere energetische verliezen van 3 tot 6 procent ontstaan door het elektriciteitstransport.
Met kolen gestookte en gasgestookte elektriciteitscentrales met warmtekrachtkoppeling behalen een algemeen rendement van 86 procent en meer. Wel gaat 10 tot 15 procent van de teruggewonnen warmte verloren in de lange leidingen.
Onderstaande grafiek laat zien waarom de combinatie van elektriciteits- en warmteopwekking zo efficiënt is. Met 100 eenheden energie, in het voorbeeld met een thermische centrale van het bloktype, krijg je 36 eenheden elektriciteit en 51 eenheden warmte. Voor dezelfde hoeveelheid elektriciteit zou je 80 energie-eenheden moeten berekenen met een conventionele energiecentrale met een rendement van 45 procent. Een decentrale gasverwarming met een rendement van 84 procent vereist 60 extra energie-eenheden voor de warmte. Het totaal is 140 energie-eenheden. Dankzij de warmtekrachtkoppeling bespaar je in dit voorbeeld 40 procent energie.
Een warmtekrachtcentrale gebruikt de energie optimaal met minimale verliezen.
Vanuit ecologisch oogpunt kan een thermische centrale van het bloktype volledig CO2-neutraal of CO2-arm worden bedreven als er brandstoffen als biodiesel, biogas of houtpellets worden gebruikt. Een warmtekrachtkoppelingcentrale is ook bij gebruik met fossiele brandstoffen milieuvriendelijk vanwege het hoge rendement.
Wanneer is een warmtekrachtkoppeling de moeite waard? Vergelijking met andere kachels
Bij conventionele verwarmingssystemen zoals gasverwarming is het rendement van een warmtekrachtkoppeling op het eerste gezicht slechts iets hoger. Moderne ketels halen een rendement van 90 procent en meer. Als het alleen om verwarming gaat, zijn warmtekrachtkoppelingseenheden niet per se efficiënter. Het voordeel is dat ze tegelijkertijd ook goedkope elektriciteit produceren. Eigenaren besparen kosten door goedkopere netspanning te gebruiken.
Of een aankoop voor u de moeite waard is, hangt af van uw warmte- en elektriciteitsverbruik. Vanwege de hogere aanschafkosten in vergelijking met een conventionele ketel, zijn warmtekrachtkoppelingen vooral de moeite waard voor huishoudens en installaties die het hele jaar door een constante warmtevraag hebben. Een thermische energiecentrale van het micro- of minibloktype moet minimaal 5.000 uur per jaar in bedrijf zijn om economisch te kunnen werken.
Andere factoren die van invloed zijn op het rendement van een warmtekrachtcentrale zijn de investeringskosten, de technologie, de huidige prijzen voor netelektriciteit en brandstoffen en wijzigingen in subsidieprogramma's. Als u van plan bent een warmtekrachtkoppeling te installeren, raden wij u onafhankelijk, professioneel advies aan. De energieadviseur maakt samen met u een vergelijkingsberekening die rekening houdt met alle parameters.
Tip: vergelijk in ons compacte verwarmingsoverzicht het rendement en de kosten van de warmtekrachtkoppeling met andere soorten verwarming.
Kosten van een warmtekrachtkoppeling
De kosten voor een thermische centrale van het bloktype variëren afhankelijk van de grootte van het systeem en de geïnstalleerde technologie. Voor een nano-warmtekrachtcentrale beginnen ze bij 15.000 euro. Voor een micro-warmtekrachtkoppelingseenheid moet u 20.000 tot 25.000 euro verwachten. Niet alleen de aankoopprijs is doorslaggevend. Ook de aansluiting op het gas- en elektriciteitsnet en accessoires zoals de bufferopslag kosten enkele duizenden euro's.
Naast de investeringskosten moet u bij het berekenen van de winstgevendheid van een warmtekrachtkoppeling ook rekening houden met de onderhoudskosten. Voor thermische elektriciteitscentrales van het nano- en microbloktype wordt tussen de 500 en 1.000 euro of 3 cent per kilowattuur elektriciteit per jaar opgewekt. Producenten van warmtekrachtcentrales bieden vaak volledige onderhoudscontracten aan.
De exploitatiekosten van een warmtekrachtkoppelingcentrale zijn afhankelijk van de brandstof. Met een op aardgas aangedreven nano-warmtekrachtkoppeling is het verbruik vergelijkbaar met dat van een conventionele gasverwarming, afhankelijk van uw behoeften. Daarbij komen nog de bedrijfskosten van de pieklastketel.
Wettelijke voorschriften en financiering
De huidige versie van de Warmtekrachtkoppelingwet uit 2016 regelt de bevordering van warmtekrachtkoppelingen. Het omvat zowel de vaste subsidies voor de installatie als de vergoeding voor de elektriciteit die door de verwarming wordt opgewekt.
Kleine thermische centrales van het bloktype met een vermogen tot 20 kilowatt (elektrisch vermogen) ontvangen een gespreide subsidie van de BAFA. Een systeem van 10 kilowatt kost bijvoorbeeld 3.400 euro. Bijzonder efficiënte warmtekrachtcentrales met een tweede uitlaatgaswarmtewisselaar voor benutting van de verbrandingswaarde krijgen 25 procent van de basissubsidie extra. De staat beloont systemen met een hoog elektrisch rendement met 60 procent van de basissubsidie.
Tip:Dien de financieringsaanvraag voor uw warmtekrachtkoppelingseenheid in voor 31 december 2020, want dit financieringsprogramma loopt aan het einde van het jaar af!
De Kreditanstalt für Wiederaufbau ondersteunt ook de aankoop van warmtekrachtkoppelingsinstallaties. Met programma's 271 en 281 voor grote thermische centrales van het bloktype en 270 voor kleine systemen, verstrekt het leningen met lage rentetarieven en terugbetalingsvrije jaren die de volledige aankoopkosten kunnen dekken. Programma 433 kan worden gebruikt voor minisystemen met brandstofcelaandrijving. Er is een subsidie van maximaal 28.200 euro per brandstofcel.
Naast eenmalige aflossingen en laagrentende leningen bij inkoop voorziet de Warmtekrachtkoppeling ook in subsidies voor de gehele looptijd van de WKK. Naast de vergoeding van de netbeheerder ontvangen eigenaren een extra bonus voor de geleverde elektriciteit op het openbare net. Afhankelijk van het elektrisch vermogen van het systeem varieert het van 8 cent per kilowattuur voor systemen tot 50 kilowatt tot 4,4 cent per kilowattuur voor grote warmtekrachtcentrales met een vermogen van meer dan 250 kilowatt. De subsidie is beperkt tot een bepaalde periode. Met mini-warmtekrachtkoppelingseenheden tot 50 kilowatt is dit 60.000 volledige gebruiksuren.