2.8 WKK met thermische opslag (TESSAS)

Samenvatting

TESSAS betreft een onderzoeksproject waarbij restwarmte van een elektriciteitscentrale tijdens de zomerperiode aan een hoge temperatuur in de bodem wordt opgeslagen via verticale bodemwisselaars. Deze warmte wordt ondergronds bewaard en in het stookseizoen nuttig gebruikt voor rechtstreekse verwarming van een kantoorgebouw. De warmte kan gerecupereerd worden met een rendement van 72%. De installatie kan tot 79% van de totale warmtevraag van het gebouw opnemen. De investering van het opslagsysteem wordt in dit project terugverdiend op 10 jaar.  Uiteraard hebben de energietarieven, het energiepatroon van het gebouw en de grootte van het opslagsysteem een grote invloed op deze terugverdientijd.

Deze opslagtechnologie heeft eveneens goede economische perspectieven in combinatie met een warmtekrachtinstallatie. Hierbij kan deze installatie jaarrond in bedrijf blijven en kunnen warmte-overschotten ondergronds opgeslagen worden. Deze installatie kan dan tevens instaan voor de volledige warmtelevering aan een gebouw zonder extra te installeren ketel. In vergelijking met een ketelinstallatie zal, toegepast op het kantoorgebouw, een primaire energiebesparing van 16% gerealiseerd worden en zal de meerinvestering van WKK + opslagveld op 4 jaar terugverdiend worden.

2.8.1. Inleiding

De voortdurende warmtestroom vanuit het centrum van de aarde naar onze leefomgeving vertegenwoordigt maar liefst 2,5 maal de huidige menselijke energieconsumptie. Er blijkt voldoende energie aanwezig te zijn in de aardkorst om te voorzien in de totale energiebehoefte van onze planeet voor de rest van z'n bestaan. Toch is het beschikbare temperatuursniveau, evenals de plaats en het ogenblik van de warmtevrijgave niet geschikt om tegemoet te komen aan de typische menselijke behoeftes voor verwarming van leef- en werkruimtes alsmede de ontwikkeling van industri‘le activiteiten. Dit voorbeeld illustreert de discrepantie tussen de beschikbaarheid en het gebruik van thermische energie. Elke dag opnieuw ontsnappen als gevolg van de menselijke activiteiten gigantische hoeveelheden energie in de atmosfeer, net zoals de warmte die uit onze aardmassa opstijgt.

Als vraag en aanbod van energie niet overeenstemmen, is er een opslagsysteem vereist. Lange termijnopslag van thermische energie is niet mogelijk in traditionele opslagvaten, energieopslag in de bodem kan wel een oplossing bieden wegens de quasi oneindige opslagcapaciteit. In Vlaanderen kan warmte of koude ondergronds opgeslagen worden via opslag in watervoerende lagen (koude-warmteopslag of KWO) of via verticale warmtewisselaars (boorgat-energieopslag of BEO). Bij deze laatste wordt energie overgedragen naar de geologische sedimenten via kunststofbuizen die als een lus, verticaal in een boorgat worden ingebracht.

2.8.2. Doelstelling

TESSAS is het acroniem van "high temperature Thermal Energy Storage in SAturated Sand layers with vertical heat exchangers". Het betreft een Europees gesteund 5de Kader-project met Vito als cošrdinator en als partners IF Technology uit Nederland en ZAE-Bayern uit Duitsland.

Het voornaamste objectief betreft de uitvoering van onderzoek op een ondergronds opslagsysteem op een re‘le schaal. Het betreft een BEO-systeem, ge•nstalleerd in een waterverzadigde zandbodem. Tijdens de zomerperiode zal de opslag warmte opnemen bij een temperatuur van 90ˇC, afkomstig van een nabijgelegen elektriciteitscentrale. Tijdens het stookseizoen kan deze warmte gerecupereerd worden voor de verwarming van een kantoorgebouw van 3.000 m2 bij Vito. Doordat warmte aan hoge temperatuur wordt opgeslagen is het mogelijk deze bij recuperatie direct in te zetten, zonder tussenkomst van een warmtepomp. De techniek opent mogelijkheden om schijnbaar 'verloren' thermische energie te bewaren en toch nog nuttig te besteden. Interessante warmtebronnen zijn restwarmte (industri‘le processen, centrales, ...), thermische zonnepanelen en warmtekrachtkoppeling. De effici‘ntie van deze laatste hangt mede af van het aantal bedrijfsuren op basis van de warmtevraag. In de zomerperiode is deze vraag meestal beperkt zodat de installatie noodgedwongen dient te worden stilgelegd. Een opslagsysteem in de bodem (aan een acceptabel rendement) kan zorgen voor een jaarrond bedrijf van de WKK, hetgeen economische haalbaarheid gunstig zal be•nvloeden.

2.8.3. Beschrijving

Het project startte met een vooronderzoek naar alle relevante ervaringen in de wereld. Aan de hand van een thermische respons test konden de thermische karakteristieken van de ondergrond in-situ bepaald worden. Een zorgvuldig ontwerp was mogelijk door een dynamische simulatie van het ondergronds hoog-temperatuur opslagsysteem in interactie met de specifieke noden van het kantoorgebouw.De ge•mplementeerde regelstrategie was gebaseerd op het gebruik van een WKK-installatie. Hierbij werd steeds uitgegaan van een bepaald maximum beschikbaar thermisch vermogen waarbij niet bruikbare warmte voor verwarming van het kantoor in de bodem kan worden opgeslagen. Tijdens de zomer kan de installatie continu ondergronds warmte bufferen. Begin 2002 gingen de installatiewerkzaamheden van start om te resulteren in een opstartfase in april 2002.
Nadien werden twee volledige bedrijfsjaren uitgebreid bemeten. EŽn werkingsjaar bestaat typisch uit een laad- en een ontlaadfase met een overgangsperiode waarin afwisselend beide fases mogelijk zijn.


Het ondergronds opslagveld bestaat uit 144 verticale warmtewisselaars, op 2 meter afstand van elkaar geplaatst tot op een diepte van 30 m. Op deze manier wordt een opslagvolume van 16.000 m3 waterverzadigd zand bereikt. Dit volume is thermisch equivalent aan een opslag van 10 miljoen liter water.
De wisselaars zijn per drie met elkaar in serie verbonden, per opslagsegment (volgens ori‘ntatie N-O-Z-W genaamd) zijn er zo twaalf circuits parallel gekoppeld. Elk opslagsegment heeft een aan- en afvoercollector waarvan ŽŽn in de centrale putbehuizing en telkens ŽŽn in de respectievelijke randputten. De randcollectoren enerzijds en de centrumcollectoren anderzijds zijn via een aan- en afvoerleiding verbonden met de technische ruimte. Hierbij opereert het opslagveld als een gigantisch opslagvat waarmee warmte-uitwisseling kan gebeuren. Bij het laadproces (opslaan van warmte) wordt de warmte aangevoerd bij de centrumput en worden de wisselaars vanuit het centrum naar de rand doorlopen met warm water. Omgekeerd zal een ontlaadproces (recupereren van warmte) de warmte opnemen vanaf de rand naar het centrum van het opslagveld toe. Om de temperatuursverdeling in de ondergrond op te volgen, zijn er 66 sensoren op verschillende locaties (M1...M12) en dieptes ingebouwd in het opslagveld en daarbuiten. Deze zijn zodanig geplaatst dat de impact van de natuurlijke grondwaterstroming op de opslag kan ge‘valueerd worden.

2.8.4. Evaluatie

De werking van de installatie werd uitgebreid bemeten gedurende twee bedrijfsjaren. Gegeven de integratie van dit systeem in een bestaand gebouw met een onaangepast verwarmingssysteem (nl. convectorelementen op hoge temperatuur), evolueerde het laad- en ontlaadproces volgens verwachting. Het opslagrendement tijdens het tweede bedrijfsjaar bedroeg ongeveer 30%, waarbij warmte werd aangeboden met een prestatieco‘ffici‘nt (rekening houdend met energieverbruik voor opslag Žn recuperatie) van 14.

 
 
Een meer effici‘nte ontlading van het opslagveld is onder de gegeven omstandigheden niet mogelijk met convectoren, toch zal een laag-temperatuurverwarmingsysteem als warmte-afgiftesysteem een beduidend hoger rendement halen. Een gemiddelde opslagtemperatuur van 35ˇC (met maxima van 40ˇC) aan het einde van maart bewijst dat nog steeds grote energiehoeveelheden onbenut achter blijven in het opslagveld. Anderzijds is er een niet onbelangrijke overgangsfase (van vijftal jaren) nodig om het opslagsysteem in een evenwichtsituatie te brengen waarbij vooral de eerste twee jaren gekenmerkt zijn door belangrijke warmteverliezen. Dit leidt tot de conclusie dat in steady-state-condities en bij ideale randvoorwaarden (bv. opslag in combinatie met vloerverwarming) een opslagrendement van 72% haalbaar is. Dit rendement is afhankelijk van de opslaggrootte en zal toenemen bij grotere opslagvolumes. Bij een klassieke verwarmingsinstallatie (HR-ketel) in het kantoorgebouw dient een jaarlijkse exploitatiekost van 19.000 Ű betaald te worden. Tijdens het tweede bedrijfsjaar van de TESSAS-installatie bedroeg de exploitatiekost 14.500 Ű. Deze kost neemt in steady-state en onder ideale omstandigheden af tot respectievelijk 9.000 en 5.000 Ű. Vertaald naar een procentuele waarde betekent dit een kostenbesparing van momenteel 23%, hetgeen oploopt tot 52% bij steady-state-condities en 74% indien ideale randvoorwaarden bereikt worden.  Onder ideale randvoorwaarden zal de TESSAS-installatie 79% van de totale warmtevraag van het gebouw opnemen. Hierbij zal de investering van het ondergronds opslagsysteem eenvoudig terugverdiend worden op 10 jaar. Uiteraard hebben de energietarieven, het energiepatroon van het gebouw en de grootte van het opslagsysteem een grote invloed op deze terugverdientijd.

2.8.5. WKK/BEO-combinatie

Deze techniek opent tevens goede perspectieven in combinatie met een warmtekrachtinstallatie, het opzet en het regelsysteem van het TESSAS-project was hier immers op gebaseerd. Ziekenhuizen, kantoorgebouwen en openbare gebouwen hebben vaak een belangrijk elektriciteits- en warmteverbruik. WKK is een effici‘nte technologie met aanzienlijke mogelijkheden in dergelijke gebouwen. Een goed gedimensioneerde warmtekrachtinstallatie draait op jaarbasis minstens 4.000 vollasturen. Veel meer draaiuren zijn in de praktijk niet evident wegens de lage warmtevraag tijdens de zomerdagen. Toegepast op het betreffende kantoorgebouw zou een WKK met een thermisch vermogen van 150 kW ingezet worden in een optimale situatie waarbij een maximale warmteproductie wordt nagestreefd. Deze installatie zal dan instaan voor ongeveer 45% van de totale warmtevraag van het gebouw. De rest van de warmtevraag dient via verwarmingsketels geleverd te worden. Indien een warmte-opslag voorzien wordt, dan kan gestreefd worden naar een situatie waarbij de warmtebehoefte volledig opgenomen kan worden door een dergelijke WKK/BEO-combinatie. In dat geval volstaat een warmtekrachtinstallatie met een thermisch vermogen van 140 kW gecombineerd met een ondergronds opslagveld met vergelijkbare grootte zoals in het TESSAS-project. Deze ongebruikelijke combinatie zorgt ervoor dat de WKK-eenheid ononderbroken in dienst kan blijven. Dit zorgt voor een belangrijke verbetering van de economische haalbaarheid van warmtekrachtkoppeling. De opgeslagen warmte kan aangewend worden tijdens het stookseizoen om tekorten wegens onvoldoende WKK-vermogen op te vangen.
Een vergelijking van de twee systemen (WKK met/zonder BEO) voor deze specifieke toepassing met een zelfde geproduceerde hoeveelheid warmte en elektriciteit (WKK zonder opslag met referentiecentrale STEG met rendement van 55% en referentieketel met globaal rendement van 90%) leidt tot een primaire energiebesparing van 8%. Een WKK-installatie zonder opslag zal in deze toepassing immers te weinig warmte en elektriciteit leveren om een vergelijking mogelijk te maken. De tekorten dienen bijgepast te worden door een referentieketel en een referentiecentrale. De relatieve energiebesparing van de WKK ten opzichte van gescheiden productie is 16%. Er is dan ook steeds sprake van een kwaliteitsvolle WKK-toepassing. Onderstaande tabel geeft voor deze toepassing een vergelijking van de energiehoeveelheden van WKK met/zonder warmteopslag en een klassieke gescheiden energieproductie.
   
Vergeleken met een standaard verwarmingsinstallatie met hoogrendement gasketel zal een gecombineerde WKK/BEO-installatie bij deze specifieke projectvoorwaarden eenvoudig terugverdiend zijn op 6 jaar. Indien een BEO-installatie later toegevoegd wordt aan een bestaande WKK-inrichting, dan zal na 5 jaar deze investering terugbetaald zijn. In deze berekening is geen rekening gehouden met verkrijgbare WKK-certificaten. Bij calculatie van de certificaten zullen de respectievelijke terugverdientijden 4 en 3 jaar worden.
 
 
Boren van boorgaten voor de warmtewisselaars  
 
 
  Het uitrollen van de warmtewisselaars
 
Warmtewisselaars  
 
 
  Het plaatsen van de warmtewisselaars in het boorgat