Elektrificatie

Technische beschrijving

Elektrificatie is de verzamelnaam voor alle technologieën die de warmtevraag van industriële processen elektrisch kunnen leveren in plaats van brandstoffen te gebruiken. Elektrificatie zorgt voor een shift van fossiele naar duurzame warmteproductie, op voorwaarde dat de gebruikte elektriciteit ook hernieuwbaar is. Diverse technologieën vallen onder de term elektrificatie en de meest relevante zijn:

• Warmtepompen voor proceswarmte: opwaardering van warmte op lage temperatuur tot 150 à 200°C.
• Warmtepompen voor warm water: water opwarmen tot 60 à 90°C op basis van laagwaardige (rest)warmte.
• Elektrisch drogen met infrarood-, UV-, of microgolfstraling: alternatief voor drogen met warme lucht of stoom.
• Elektrische boilers voor warm water, stoom en thermische olie en elektrische ovens: alternatief voor boilers en ovens op fossiele brandstoffen.

Investeringen en operationele kosten

De CAPEX richtwaarde voor een elektrische boiler is € 686/kW, O&M OPEX is jaarlijks € 0,3/kW (bron: Danish Energy Agency).

Techno-economische gegevens

Technologieën waarbij de elektrische input direct wordt omgezet in warmte hebben een rendement van nagenoeg 100%. Dit zijn bijvoorbeeld elektrische boilers, ovens en drogers.

Bij warmtepompen wordt het rendement bepaald door de COP, die typisch 3 à 4 is. Doorgaans hebben lage temperatuur warmtepompen een hogere COP dan warmtepompen die op hoge temperatuur werken.

Technische randvoorwaarden

Voor alle technologieën kan het aansluitvermogen een beperkende factor zijn. Het (lokale) net moet immers in staat zijn om voldoende vermogen te leveren.

De productie van proceswarmte is vaak geïntegreerd in de procesinstallaties waardoor elektrificatie een grote impact kan hebben op het gehele proces. Om bijvoorbeeld een droogproces om te bouwen van aardgas naar elektrische verwarming zal het gehele droogproces omgevormd moeten worden en dat beperkt zich niet tot enkel het verwarmingsgedeelte. Elektrische boilers kunnen wel makkelijker fossiel gestookte boilers vervangen omdat ze één op één vervangen kunnen worden.

Ruimtelijk potentieel

Het ruimtelijk potentieel voor elektrificatie energieopslag is quasi onbeperkt.

Warmtepomp

Technische beschrijving

Een warmtepomp waardeert laagwaardige (rest)warmte op tot hoogwaardige warmte. De meest toegepaste techniek is de mechanische warmtepomp, waarvan de werking gebaseerd is op het comprimeren en expanderen van een werkmiddel. Een warmtepompinstallatie bestaat uit vier hoofdcomponenten: verdamper, compressor, condensor en expansieventiel. De drijvende kracht is een compressor waarmee de druk van het werkmiddel wordt verhoogd.

De mogelijke warmtebronnen voor warmtepompen zijn de bodem, water en lucht. Verschillende factoren bepalen de keuze van warmtebron: de beschikbaarheid, gemiddelde temperatuur, minimum temperatuur en seizoensafhankelijkheid van de warmtebron, alsook de warmtebehoefte van de verbruikers.

Warmtepompen kunnen zowel voor ruimte- als procesverwarming ingezet worden.

Investeringen en operationele kosten

De investerinsgkosten en vaste OPEX is berekend op basis van de van open source rekentool: tools.industrialheatpumps.nl. De investeringskost omvat enkel het warmtepomp systeem. In het eindavies basisbedragen SDE++ 2021 worden investeringskosten geschat voor een volledig gesloten systeem, inclusief de kosten voor captatie van de restwarmte op 30^oC, op € 1140/kWth, Dit wordt door het consortium als hoog ingeschat.

Warmtepomp 2021
CAPEX    € 300-641/kW(th)
Vaste OPEX    € 10/kW jaar

Warmtepomp is een technologie waarbij mogelijk nog reducties in kostprijs mogelijk zijn. Verschillende studies schatten een reductie van ongeveer 18% in voor de investeringskost tegen 2030.

Warmtepomp 2030
CAPEX    € 246-526/kW(th)
Vaste OPEX    € 10/kW jaar

Techno-economische gegevens

Het energieverbruik van een warmtepomp is afhankelijk van het temperatuursverschil tussen de warmtebron en het warmteafgiftesysteem. Het energetisch rendement kan geoptimaliseerd worden door de combinatie van een zo hoog mogelijke brontemperatuur en een zo laag mogelijke afgiftetemperatuur.

Het rendement van een warmtepomp wordt uitgedrukt met een coefficient of performance (COP), die de verhouding weergeeft tussen het energieverbruik van de compressor en de nuttige hoeveelheid warmte. De COP ligt in de range van 4 tot 14 en is voornamelijk functie van de verdampings- en condensatietemperatuur, zoals op onderstaande grafiek te zien is.

Technische randvoorwaarden 

Warmtepompen worden doorgaans toegepast voor lage afgiftetemperaturen: van 30 tot maximum 90°C. Hogere temperaturen zijn wel mogelijk maar vereisen hogere werkdrukken, minder courante werkingmiddelen en bijgevolg duurdere componenten.

Voor sanitair warm water kunnen booster warmtepompen gebruikt worden die specifiek bedoeld zijn om hogere temperaturen te produceren.

Voor warmtepompsystemen met grondwater als warmtebron is de thermische balans van belang. Dat betekent dat ’s winters warmte uit de bodem gehaald wordt terwijl ’s zomers de grond geregenereerd wordt door er terug warmte in te steken.

Ruimtelijk potentieel

Het ruimtelijk potentieel voor warmtepompen met lucht of (lokale) restwarmte als warmtebron is quasi onbeperkt; zij kunnen doorgaans overal toegepast.

Voor systemen die warmte uit de bodem of water halen, is het potentieel afhankelijk van de geschiktheid en toegankelijkheid van de warmtebron.

Elektrische en elektrodeboilers

Technische beschrijving

Elektrische en elektrodeboilers gebruiken elektriciteit om warm water of stoom te produceren. Bij elektrische boilers gebeurt dit door middel van weerstandsverwarming.

Elektrodeboilers (onderstaande foto) bevatten een aantal elektrodes die het water rechtstreeks opwarmen door gebruik te maken van de intrinsieke elektrische weerstand van het (op te warmen) water.

Vanwege het werkingsprincipe hebben elektrische boilers over het algemeen een lager thermisch vermogen dan elektrodeboilers. Elektrische ketels gaan maximaal tot 5 MW(el), terwijl de range voor elektrodeboilers tussen 3 en 70 MW(el) is.

Investeringen en operationele kosten

Elektrische en electrode boilers
CAPEX    € 100-500/kW(th)
Vaste OPEX    € 10/kW jaar

Techno-economische gegevens

Het rendement van elektrische en elektrodeboilers bedraagt 95-99%.

Technische randvoorwaarden

Het aansluitvermogen kan een beperkende factor zijn. Het (lokale) net moet immers in staat zijn om voldoende elektrisch vermogen te leveren.

Elektrische en elektrodeboilers geven de mogelijkheid om fossiel gestookte boilers één op één te vervangen.
Ook retrofit is mogelijk op (bestaande) gasboilers. Hierbij wordt een weerstandelement geplaatst in het boilervat zodat men een elektrische boiler bekomt. Uit onderzoek blijkt dat enkel gasgestookte vlampijpketels met een thermisch vermogen van 5-20 MW hiervoor geschikt zijn. Ketels met een lager thermisch vermogen zijn te klein om een elektrisch element in te bouwen. Bij grotere vermogens is de lengte van de beschikbare weerstandselementen de limiterende factor.

Ruimtelijk potentieel

Het ruimtelijk potentieel voor elektrische en elektrode boilers is quasi onbeperkt.

Zonnethermie

Technische beschrijving

Een zonneboiler gebruikt de zon om water te verwarmen. In de collector van een zonneboiler wordt warmte, afkomstig van de zon, afgegeven aan een transportmedium (water of glycol). Dit transportmedium wordt langs een buffervat met water gestuurd dat vervolgens opwarmt.

Zonneboilers met een vlakkeplaatcollector zijn momenteel het meest in gebruik, met name voor residentiële toepassingen waarbij sanitair warm water geproduceerd wordt. De temperatuurrange is 50-80°C.

Voor industriële toepassingen zijn vacuümcollectoren meer aangewezen omdat hun temperatuurrange hoger is: 100-150°C. Industriële zonnethermie met parabolische zonnecollectoren kan warmte leveren tot 400°C (zie conceptadvies SDE++ 20221 zonne-energie).

Investeringen en operationele kosten

Zonneboiler
CAPEX    € 700/m² (vlakke plaat)  € 1.200/m² (vacuüm)
OPEX    1-2% of CAPEX €/jr

Techno-economische gegevens

De opbrengst van een zonneboiler is sterk afhankelijk van zijn oriëntatie en helling. Doorgaans houdt men rekening met een opbrengst van 400-500 kWh warmte per m² collector. Dit is in overeenstemming met het conceptadvies SDE++ 20221 zonne-energie, die uitgaat van een investeringskost van € 525/kWth voor een installatie tussen 140kWth en 1MWth.

Qua emissies heeft een zonneboiler geen directe uitstoot.

Technische randvoorwaarden

Het potentieel van zonneboilers voor gebouwverwarming is beperkt. De warmtevraag concentreert zich in de koudere wintermaanden en in die periode is de opbrengst van een zonneboiler net beperkt vanwege de beperkte zonuren.

Ruimtelijk potentieel

Het potentieel van zonneboilers is beperkt tot dakoppervlaktes die (bij voorkeur) zuidelijk gericht zijn. Westelijke en oostelijke oriëntaties zijn technisch gezien mogelijk maar geven een lagere warmte-opbrengst. Bovendien moet men rekening houden met eventuele beschaduwing.

De plaats die een zonneboiler in neemt kan niet gebruikt worden voor PV-panelen. Als de dakoppervlakte voor lokale energieopwekking beperkt is, staan beide technologieën in concurrentie met elkaar.

Biomassa

Technische beschrijving

Biomassa is een verzamelnaam voor al het plantaardige en dierlijke materiaal dat gebruikt kan worden voor de opwekking van elektrische en thermische energie. Die energie-omzetting kan op twee manieren gebeuren. Bij directe verbranding in een verbrandingsketel of kachel, wordt warmte geproduceerd, eventueel in combinatie met elektriciteitsproductie. Daarnaast kan biomassa ook dienen als grondstof voor de productie van biogas, door middel van anaerobe vergisting. Het resulterende biogas wordt vervolgens verbrand in een (bio)gasmotor om elektriciteit en warmte te produceren.

Voor de industriële warmtevraag in Vlaanderen zijn de volgende biomassa- waardeketens het meest relevant:

• Biogas-installaties op groenafval, organisch- biologische afvalstromen en gras
• Mest-pocketvergisters
• Biogas-installaties op basis van co-vergisting van mest en andere organische reststromen
• Houtverbranding (enkel voor warmteproductie).

Investeringen en operationele kosten

Voor een biomassaboiler (enkel voor warmteproductie) op houtsnippers kan € 450/kW als richtwaarde gehanteerd worden. In de PBL studie in Nederland worden de onderhoudskosten ingeschat op € 25/kW per jaar. Het Deense energie agentschap schat deze kost een stuk goedkoper in met € 220/kW investering en € 3.8/kW per jaar, echter de PBL resultaten worden verwacht dichter bij de Vlaamse situatie te liggen.

Voor biogas-installaties op basis van mest of organisch-biologische afvalstroom zijn de volgende richtcijfers van toepassing:

• € 4.250/kWe CAPEX en € 423/kWe vaste OPEX voor grotere installaties, inclusief WKK (> 5MWe);
• € 4.370/kWe CAPEX en € 457/kWe vaste OPEX voor kleinere installaties, inclusief WKK (> 5MWe).

Voor biogas-installaties op basis van groenafval kan een CAPEX van € 12.900/kWe en een vaste OPEX van € 783/kWe beschouwd worden.

De brandstofkost wordt bepaald door het type biomassa dat gebruikt wordt, de beschikbaarheid ervan en de actuele marktomstandigheden.

Techno-economische gegevens

Het rendement van een biomassa-gestookte ketel ligt meestal lager dan een traditionele (gasgestookte) installaties; richtwaarde 85%. Voor WKK’s op biogas ligt het thermische rendement in de range van 49-53%. De emissies worden bepaald door het type biomassa dat gebruikt wordt.

Technische randvoorwaarden

In veel gevallen is een voorbehandeling van biomassa vereist, bijvoorbeeld het vermalen van afvalhout. Bij gebruik van interne biomassastromen moet dit on-site kunnen gebeuren.

Ruimtelijk potentieel

Idealiter gebruikt men lokaal beschikbare biomassastromen die niet geschikt zijn voor consumptie voor mens of dier (om competitie met voeding te vermijden). Voor extern aangevoerde biomassa kunnen de transportkosten hoog oplopen. Hierbij zijn zowel de afstand als de volumes van belang. Grootte warmtebehoeftes vereisen grote volumes biomassa en daarom is lokale beschikbaarheid een beperkende factor.

Het volume biomassa heeft ook consequenties op het benodigd volume voor opslag. Een studie naar het potentieel van verschillende biomassastromen in Vlaanderen werd uitgevoerd door VITO in 2018. Dit toont aan dat het potentieel beperkt is, en het is ook belangrijk te noteren dat biomassa ook ingezet kan worden voor industriële processen zoals bijvoorbeeld Torrero project in Arcelor Mittal, of in de cementsector, en niet enkel voor het invullen van de warmtevraag.

Koude-warmteopslag (KWO)/ ondiepe geothermie
 
Technische beschrijving

Koude-warmteopslag is een technologie waarbij grondwater opgepompt wordt om thermische energie te leveren. Om een KWO-systeem te realiseren worden in een watervoerende laag (aquifer) twee of meer putten geboord op een onderlinge afstand van 100 tot 150 meter. De diepte van de bronnen bedraagt doorgaans 50 tot 150 m; daarom spreekt men van ondiepe geothermie.

In de zomer is er koelvraag en wordt koud grondwater (12°C) uit één van de putten opgepompt; de koude bron. Koude wordt onttrokken aan het grondwater door middel van een warmtewisselaar waardoor het grondwater opwarmt. Vervolgens wordt het in de tweede put geïnjecteerd; de warme bron. ’s Winters is er warmtevraag en wordt het proces omgedraaid. Grondwater wordt uit de warme bron opgepompt en over dezelfde warmtewisselaar gestuurd. Het grondwater geeft zijn warmte af en wordt (afgekoeld) teruggevoerd naar de koude bron. Merk op dat deze techniek dus relevant is voor ruimteverwarming met een zomer-winter profiel voor verwarming en koeling, maar niet voor proceswarmte met een constante warmtevraag doorheen het jaar.

Bij een KWO-systeem kan dus zowel de opgeslagen koude als de opgeslagen warmte worden gevaloriseerd. Het onttrokken grondwater wordt steeds weer geïnjecteerd, zodat er geen grondwater wordt verbruikt.

Investeringen en operationele kosten

Een richtwaarde voor CAPEX is € 640 per kW geïnstalleerd warmtevermogen. De CAPEX wordt in grote mate beïnvloed door het aantal bronparen alsook hun diepte. Deze CAPEX omvat ook de investeringskost voor de distributie van warmte. Die kost is afhankelijk van de afstand waarover de leidingen gelegd moeten worden. Als OPEX wordt ongeveer 6% van de CAPEX (per jaar) gehanteerd als richtwaarde.

Techno-economische gegevens

Het rendement van een KWO-systeem wordt uitgedrukt als een seizoensgebonden rendement (SPF) voor koeling en verwarming. Als algemene richtwaarde kan men 4,5 hanteren voor verwarming en 11 voor koeling. Dat betekent dat een KWO-systeem respectievelijk 4,5 kWh warmte of 11 kWh koeling produceert per kWh verbruikte elektriciteit.

Technische randvoorwaarden

KWO-systemen werken doorgaans in combinatie met warmtepompen vanwege de beperkte grondwatertemperaturen. Daarom gelden hier dezelfde technische randwaarden als voor andere warmtepompsystemen.

Bij de dimensionering en uitbating van een KWO- systeem is de thermische balans van belang. Dat betekent dat ’s winters warmte uit de bodem gehaald wordt terwijl ’s zomers de grond geregenereerd wordt door er terug warmte in te steken.

KWO-systemen zijn het best geschikt voor grotere thermische behoeftes, in vergelijking met BEO-systemen. BEO-systemen zijn meer beperkt in diepte waardoor hun thermisch vermogen ook beperkt wordt.

Ruimtelijk potentieel

KWO-systemen vereisen de beschikbaarheid van een geschikte watervoerende laag in de ondiepe ondergrond. Dit maakt dat de techniek bij uitstek geschikt is in de Kempen. In de rest van Vlaanderen zijn de mogelijkheden eerder beperkt en dient er plaatsafhankelijk een evaluatie te gebeuren.

Boorgat-energieopslag (BEO)

Technische beschrijving

Boorgat-energieopslag is een technologie waarbij warmte/koude in en uit de ondergrond gebracht wordt met behulp van een gesloten hydraulisch circuit en een aantal verticale warmtewisselaars. Deze laatste zijn kunststofbuizen die als een lus, verticaal, in een 20 tot 150 m diep boorgat worden ingebracht. Door meerdere wisselaars op korte afstand (2 tot 4 m) van elkaar aan te brengen, wordt een zeker opslagvolume gecreëerd.

BEO-systemen worden doorgaans met een grondgekoppelde warmtepomp uitgevoerd, met de mogelijkheid tot natuuurlijke koeling in de zomer. Dit zorgt enerzijds voor duurzame koeling en vermijdt anderzijds uitputting van de bodem door regeneratie. Hierbij wordt een BEO-veld gekoppeld aan een warmtepomp die warmte onttrekt aan de bodem tijdens het stookseizoen. Dit proces leidt tot een globale afkoeling van de ondergrond met een minimumtemperatuur aan het eind van het stookseizoen. Ook hier is deze techniek geschikt voor een zomer-winter profiel bv. ruimteverwarming, en in veel mindere mate voor proceswarmte met een constante warmtevraag.

Tijdens de zomer kan dit systeem de bodemkoude benutten. De condensorwarmte van de warmtepomp wordt dan naar de ondergrond gebracht. Dit systeem levert een dubbele energiewinst op. Enerzijds zal de natuurlijke koeling een belangrijke besparing opleveren, anderzijds zal de bodem geregenereerd worden voor het volgende stookseizoen.

Investeringen en operationele kosten

Een richtwaarde voor CAPEX is € 1.000 per kW geïnstalleerd warmtevermogen. De CAPEX wordt in grote mate beïnvloed door het aantal bronparen alsook hun diepte. Deze CAPEX omvat ook de investeringskost voor de distributie van warmte en warmtepompen.

Die kost is ook afhankelijk van de afstand waarover de leidingen gelegd moeten worden. Als OPEX wordt door VITO ongeveer 6% van de CAPEX (per jaar) gehanteerd als richtwaarde.

Techno-economische gegevens

Het rendement van een BEO-systeem wordt uitgedrukt als een seizoensgebonden rendement (SPF) voor koeling en verwarming. Als algemene richtwaarde kan men 4,5 hanteren voor verwarming en 11 voor koeling (zie het Deense energie-agentschap). Dat betekent dat een BEO-systeem respectievelijk 4,5 kWh warmte of 11 kWh koeling produceert per kWh verbruikte elektriciteit.

Technische randvoorwaarden

BEO-systemen gebruiken grondgekoppelde warmtepompen om de gewenste temperatuurniveaus te halen om te bieden aan de gebouwinstallaties. Dezelfde randvoorwaarden als voor warmtepompen zijn hier dan ook geldig.

Bij de dimensionering en uitbating van een BEO-systeem is de thermische balans van belang. Dat betekent dat ’s winters warmte uit de bodem gehaald wordt terwijl ’s zomers de grond geregenereerd wordt door er terug warmte in te steken.

KWO-systemen zijn het best geschikt voor grotere thermische behoeftes, in vergelijking met BEO-systemen. BEO-systemen zijn meer beperkt in diepte waardoor hun thermisch vermogen ook beperkt wordt.

Ruimtelijk potentieel

BEO-systemen zijn een alternatief voor KWO- systemen als de ondergrond minder geschikt is voor KWO. Bij een kleilaag is het bijvoorbeeld moeilijker om voldoende grondwaterdebiet te krijgen en is een BEO- systeem te verkiezen boven een KWO- systeem.

Diepe geothermie

Technische beschrijving

Diepe geothermie kan de warmte van de onderliggende aardlaag omzetten in bruikbare energie aan de oppervlakte. VITO heeft uitgebreide ervaring met diepe geothermie.

Op de Balmatt site in Mol werd een centrale gebouwd met 3 boorputten, die warmte van ~120-130^oC levert aan de oppervlakte. Vanaf 2021 zal de centrale integraal deel uitmaken van een testprogramma om geïnduceerde seismiciteit te onderzoeken.

Investeringen en operationele kosten

De investeringen in een geothermiecentrale zijn gelinkt aan verschillende processen, die bij het installeren van een geothermiecentrale worden doorlopen: Een initiële haalbaarheidsstudie, een seismische verkenning, een technische evaluatie, vergunningen, het boren van de putten, productie testen, injectietesten, kosten voor monitoring en constructie van de geothermische centrale aan de oppervlakte.

Het geheel wordt geschat op een investering van € 1000/kWth, gebaseerd op een conceptadvies in Nederland dat bestaande projecten vergelijkt. De operationele kosten O&M worden geschat op 6% van de CAPEX, ongeveer € 55/kWth jaarlijks. De brandstofkosten kunnen worden verwaarloosd.

Techno-economische gegevens

Belangrijk gegeven is de diepte van de boring, die is niet over alle aardlagen hetzelfde. Als we het VITO kostenmodel toepassen, is een boring op 1km ongeveer vier keer goedkoper dan een boring op 4km. In de range van projecten zie je ook een maximale bovengrens tot € 2250/kWth voor de investeringskost. We nemen voor deze studie een bovengrens van € 2000/kWth.

Technische randvoorwaarden

Het is technisch gezien mogelijk om elektriciteit te produceren via een ORC cyclus, maar met laag rendement. Rechtstreeks gebruik van de warmte is mogelijk in een warmtenet.

Ruimtelijk potentieel

Het ruimtelijk potentieel in België bevindt zich voornamelijk in de Antwerpse en Limburgse Kempenregio. Buiten deze regio’s is diepe geothermie ook mogelijk, maar dan wordt de vereiste diepte groter voor dezelfde temperatuur. Bovendien is er uiteraard beschikbare ruimte nodig voor de aanleg van de centrale. Een discussie over risico op aardbevingen wordt hier niet meegenomen. Voor een bespreking van de omgevingsaspecten van geothermie verwijzen we naar het Geoenvi project. In werkpakket 3 van dit project worden de ruimtelijke aspecten van diepe geothermie verder besproken.

Restwarmte

Technische beschrijving

In de meeste gevallen wordt warmte geproduceerd door installaties die hier specifiek voor bedoeld zijn, zoals bijvoorbeeld warmtepompen. Daarnaast zijn er vaak ook installaties die warmte genereren als een bijproduct. Enkele voorbeelden hiervan zijn naverbranders,    afvalverbrandingsovens, exotherme processen, koelinstallaties en andere.

In bepaalde omstandigheden kan deze restwarmte gerecupereerd worden voor nuttig gebruik. Restwarmterecuperatie kan zowel intern als extern ten opzichte van een bedrijf gebeuren.

Investeringen en operationele kosten

Gezien de grootte variatie in restwarmtebronnen en warmtetoepassingen, is het onmogelijk om een éénduidige range te geven voor de CAPEX en OPEX.

Techno-economische gegevens

Restwarmterecuperatie is dermate case- afhankelijk dat richtwaardes inzake rendementen niet te rapporteren zijn.
Technische randvoorwaarden

Bij restwarmterecuperatie is het belangrijk om de beschikbare warmte en de warmtevraag goed in kaart te brengen. Zowel het temperatuurniveau  als  de  hoeveelheid beschikbare warmte moet combineerbaar zijn met de warmtevraag.
De afstand tussen restwarmtestromen en potentiële afnemers dient best zo klein mogelijk gehouden te worden. Hoe groter de afstand, hoe minder rendabel en efficiënt warmterecuperatie wordt. Daarom is warmterecuperatie binnen eenzelfde bedrijf of installatie meestal interessanter dan extern aangeleverde warmte.

Warmteterugwinning moet ook technisch- economisch haalbaar zijn. Een kleine discontinue warmtestroom is bijvoorbeeld minder interessant dan een stabiele grote restwarmtestroom. Ook vervuiling (van bijvoorbeeld rookgassen) kan een beperkende factor zijn.

De gelijktijdigheid van warmtevraag en - aanbod moet ook in rekening gebracht worden. Warmtebuffering kan hierbij ook een rol spelen, maar zorgt uiteraard voor bijkomende kost.

Ruimtelijk potentieel

Het ruimtelijk potentieel voor restwarmtegebruik wordt bepaald door de beschikbaarheid van restwarmte en de warmtevraag in diezelfde omgeving. De warmtekaart biedt een overzicht van bedrijven die mogelijk restwarmte in de aanbieding hebben door de grote warmtevraag. Echter is tot op heden geen temperatuurinformatie bekend aan de vraagkant, waaruit het potentieel voor restwarmte verder kan verfijnd worden. Ook zijn geen data bekend rond de technische haalbaarheid van de uitkoppeling van restwarmte. Wel kan deze zaak kwalitatief bekeken worden door te kijken naar omliggende bedrijven en de sector (bijvoorbeeld, voedselverwerking is doorgaans op lage temperatuur).

Warmtenet

Technische beschrijving

Een warmtenet brengt via ondergrondse, geïsoleerde buizen warmte uit één of meerdere centrale warmtebronnen naar meerdere warmteverbruikers. Het is dus een collectief verwarmingssysteem op schaal van een wijk, stad of zelfs regio.

Diverse warmtebronnen kunnen warmte leveren aan een warmtenet:

• Fossiel  gestookte  installatie,  zoals WKK’s, warmwaterboilers.
• Restwarmte, zowel op lage als hoge temperatuur.
• Hernieuwbare energiebronnen, zoals biomassa.

Het transport en de verdeling van warmte gebeurt door middel van een aanvoer- en retourleiding. Afhankelijk van de werkingstemperatuur zijn de leidingen in staal of kunststof uitgevoerd.

De warmteklanten kunnen heel divers zijn: bedrijven, tertiaire sector, woningen, publieke gebouwen… Een warmtewisselaar bij de verbruikers levert de warmte aan de warmteafgiftesystemen, voor ruimteverwarming en sanitair warm water.

Investeringen en operationele kosten

De investering en operationele kosten voor de warmtebron(nen) is afhankelijk van de technologiekeuze en grootte van de installatie. Typische CAPEX en OPEX zijn niet rapporteerbaar door diversiteit aan warmtebronnen.

De investeringskost voor de transportleidingen wordt bepaald door het traject, de diameter, de isolatiedikte, het leidingmateriaal, de ondergrond en eventuele onderboringen. Investeringskosten zit meestal in de range van € 500-3.000 per lopende meter traject. De warmtekaart hanteert € 1000-2000/m voor de warmtenet scenario’s. Als onderhoudskost kan men als richtwaarde 2% van de CAPEX per jaar beschouwen.

De investering voor de warmtewisselaar bij de verbruikers is afhankelijk van het thermisch vermogen; richtwaarde € 200-500 per kW geïnstalleerd vermogen.

Techno-economische gegevens

Het rendement en de emissies van een warmtenet worden bepaald door de warmtebronnen die het warmtenet voeden.

Technische randvoorwaarden

De technische layout van een warmtenet wordt in de eerste plaats bepaald door de hoeveelheid warmte die het moet leveren aan de warmteafnemers, alsook hun piekvraag en de gewenste aanvoertemperatuur. Deze parameters bepalen de leidingdiameters en de grootte van de warmteproductie-installaties.

De locatie van de warmteverbruikers en warmtebronnen bepaalt de ligging van de transportleidingen. Hierbij dient men ook rekening te houden met bestaande infrastructuur zoals verkeerswegen, kanalen en dergelijke. Doorgaans streeft men naar een zo groot mogelijke warmtedichtheid voor het warmtenet en een zo klein mogelijke transportafstand.

Waterstofgestookte warmwaterketel

Technische beschrijving

Er is nog geen helder beeld over de kost van een waterstofgestookte warmwaterketel, aangezien deze nog niet op schaal uitgerust zijn. Een waterstofvlam heeft een aantal andere eigenschappen, zo is de vlam minder kegelvormig dan een aardgasvlam, en hierdoor is een aardgasketel niet geschikt voor waterstof.

Investeringen en operationele kosten

De kosten worden geschat op in studies geschat op:

HR-ketel
CAPEX    € 95.6/kW
Vaste OPEX    € 3.2/kW

Techno-economische gegevens

Een richtwaarde voor het rendement van een HR-ketel is 107%, er zou weinig verschil zijn in verschil in performantie tussen een waterstofketel en een aardgasketel.

Technische randvoorwaarden

Technische randvoorwaarden zijn vrij eenvoudig, maar de onzekerheden op energiesysteemniveau zijn groot. Vooral de kost van de levering van waterstof is niet evident. De lokale productie van groene waterstof vereist een overvloedige aanwezigheid van koolstofarme elektriciteit, en dit is in onze regio in de komende jaren nog schaars aanwezig.

Internationale spelers werken aan import, maar het wordt verwacht dat systeemwaarde van waterstof in de eerste plaats hoger zal zijn in sectoren die waterstof in moleculaire vorm inzetten (chemische industrie, staalindustrie...) dan als energiedrager. Waterstof voor verwarmingsdoeleinden wordt door het consortium in de komende jaren nog niet als een realistische optie verwacht, voornamelijk door de relatief hoge productiekost van waterstof zelf.

Echter op lange termijn wordt wel verwacht dat waterstof een cruciale rol zal spelen. Het kan dan ook relevant zijn om reeds te starten met waterstof voor warmte opdat dit ook effectief klaar is voor na 2030.

Ruimtelijk potentieel

Het is op dit moment absoluut niet zeker dat een waterstofnetwerk op distributieniveau zal beschikbaar zijn, dus veel hangt af van de kost van de laatste kilometers levering van waterstof aan het bedrijf in kwestie. De ‘hydrogen backbone’ in de federale waterstofstrategie zal in eerste instantie (en tot nader order) enkel de grote industrieclusters bevoorraden.

Warmtekrachtkoppeling (WKK)

Technische beschrijving

Warmtekrachtkoppeling (WKK) is het gelijktijdig opwekken van warmte en elektriciteit eenzelfde installatie op basis van dezelfde brandstof: aardgas, biogas of waterstof. Aangezien warmte moeilijk te transporteren is, bevindt deze installatie zich dicht bij de warmteverbruiker. De hoogwaardige warmte die vrijkomt bij het verbranden van de brandstof wordt dan eerst gebruikt voor het produceren van mechanische energie, die dan verder via een alternator wordt omgezet in elektriciteit. Hierna blijft laagwaardige warmte over, die wordt gebruikt om te voldoen aan de specifieke warmtevraag voor gebouw- of procesverwarming.

Het grote voordeel van WKK is dat bij gezamenlijke opwekking van warmte en elektriciteit de in de brandstof aanwezige energie beter wordt benut. Hierdoor is minder brandstof nodig dan bij een gescheiden productie van eenzelfde hoeveelheid warmte en elektriciteit. Door de efficiëntere productie bespaart men primaire energie. Dit vertaalt zich tevens in een lagere kost voor het verbruik van elektriciteit en warmte. Als gevolg van de primaire- energiebesparing zorgt een WKK er ook voor dat de CO₂-uitstoot gereduceerd wordt.

Investeringen en operationele kosten

De investering voor een gasgestookte WKK- installatie ligt in de range van 600 tot € 2.310 per kW geïnstalleerd elektrisch vermogen, respectievelijk voor grote installaties vanaf 6MWel en kleine installaties van 70kWe. De investering voor WKK’s op biogas en waterstof liggen hoger. Een biogas installatie op mest of organisch- biologisch afval wordt ingeschat op € 4370/kWhe voor een grote installatie van 7MWel. De kosten van de biogas bewerking zitten hierin vervat, het aandeel van de WKK in de CAPEX is € 935/kWhe. Voor houtafval worden gelijkaardige kosten geschat, een biogasinstallatie op groenafval is een stuk duurder, tot € 12.900/kWhe.

De operationele kost wordt in de eerste plaats bepaald door de energiekosten en deze zijn afhankelijk van de brandstofkeuze en het verbruik. De onderhoudskosten als functie van de geproduceerde elektriciteit worden geschat op € 0.0321/kWhe voor een kleine WKK van 70 kWe en € 0.0121/kWhe voor een grote WKK van 6MWel. In een UK referentie wordt de onderhoudskost iets lager ingeschat op € 4.7 – 8.3/MWh.

Techno-economische gegevens

Richtwaardes voor het elektrisch en thermisch rendement zijn respectievelijk 30% en 60%, maar bijvoorbeeld de verhouding tussen elektriciteitsproductie en thermische productie kan variëren per installatie. De efficiëntie varieert tussen 43.0% elektrisch en 60.9% thermisch voor een grote installatie van 6MWel, en 33.9% elektrisch en 54.4% thermisch voor een kleine installatie van 70kWel. Een meer nauwkeurige inschatting van het rendement kan gemaakt worden aan de hand van de technische specificaties van een installatie.

De emissies van een WKK-installaties zijn afhankelijk van gebruikte brandstof.

Technische randvoorwaarden

Hoewel een WKK kan functioneren op deellast, gaat dit ten koste van het rendement. In de praktijk wordt daarom vaak gekozen voor een combinatie van een WKK en een andere verwarmingstechniek. De WKK is dan afgestemd op de basislast (warmte) en de alternatieve techniek voor het opvangen van verbruikspieken. 

Ruimtelijk potentieel

Gasgestookte WKK’s zijn in principe overal toepasbaar mits toegang tot het aardgasnet. Bij grote installaties moet men nagaan of er voldoende vermogen beschikbaar is. Voor WKK’s op biogas en waterstof is de (lokale) beschikbaarheid van de brandstof een bepalende factor.