- Nederlands
- English
ORC-gebaseerde restwarmte-terugwininstallaties (WHRS) voor schepen
Restwarmte-terugwininstallaties (Waste Heat Recovery Systems, WHRS) op basis van de Organic Rankine Cycle (ORC) zetten beschikbare warmte uit bijvoorbeeld uitlaatgassen en motorkoelwater om in elektriciteit voor gebruik aan boord. Wanneer deze elektriciteit de met brandstof opgewekte elektriciteit van generatoren vervangt, kunnen het brandstofverbruik en de bijbehorende CO2-uitstoot dalen. Maritieme ORC-projecten en studies laten zien dat bij geschikte toepassingen brandstofbesparingen in de orde van circa 5–10% mogelijk zijn. De werkelijk haalbare netto besparing hangt af van het beschikbare warmteaanbod, de motorbelasting en bedrijfsuren, de koelcondities, het eigen systeemverbruik en het deel van de opgewekte elektriciteit dat aan boord daadwerkelijk kan worden benut. De ORC werkt met een organisch werkmedium dat in een gesloten kringloop verdampt. De damp drijft een expansiemachine aan die met een generator elektriciteit opwekt. De installatie verbindt de warmtebron met de ORC-module, de koeling en de elektrische voorzieningen van het schip. De modulegrootte en systeemopbouw worden afgestemd op het werkelijke vaar- of werkprofiel en de beschikbare inbouwruimte. Samen met een gespecialiseerde internationale partner ondersteunen wij reders, technisch managers en scheepswerven bij de beoordeling, selectie, engineering, integratie en implementatie van ORC-gebaseerde restwarmte-terugwinning voor bestaande schepen en nieuwbouwprojecten.
Hoe de ORC-kringloop elektriciteit opwekt
In de verdamper wordt restwarmte via een warmtewisselaar overgedragen aan het organische werkmedium. De vloeistof verdampt en stroomt als damp naar de expansiemachine, ook wel expander genoemd. De damp zet daarin uit en drijft zo een generator aan. Vervolgens wordt in de condensor warmte afgevoerd, zodat het werkmedium weer vloeibaar wordt. Een pomp brengt de vloeistof opnieuw op druk en voert haar terug naar de verdamper.
Het werkmedium blijft binnen de gesloten ORC-kringloop gescheiden van de warmtebron en het koelwater. De eigenschappen van het medium, de expansiemachine en de warmtewisselaars bepalen samen het werkgebied van de installatie. Daardoor kan ORC ook warmte benutten op temperatuurniveaus waarvoor een conventionele stoomcyclus minder praktisch is. Hoeveel elektriciteit de installatie kan produceren, hangt mede af van de temperaturen aan de warme en koude zijde.
Welke restwarmte is werkelijk beschikbaar?
Voor iedere warmtebron worden de temperatuur, het debiet en de beschikbare warmte bekeken in samenhang met de motorbelasting en bedrijfsuren. Uitlaatgassen, motorkoelwater en beschikbare water-, thermische-olie- of stoomcircuits stellen verschillende eisen aan de warmteoverdracht. Afhankelijk van de uitvoering wordt de warmtebron rechtstreeks op de warmtewisselaars van de ORC-installatie aangesloten of via een afzonderlijke tussenkring gekoppeld.
De warmtebalans laat zien welk deel van de motorwarmte beschikbaar is voor elektriciteitsproductie. Daarbij wordt afzonderlijk rekening gehouden met de bestaande warmtebehoefte voor verwarming, warmwaterproductie en andere processen. Het aandeel voor de ORC wordt bepaald op basis van de resterende bruikbare warmte en de toegestane afkoeling van de bron. Zo wordt de verdeling over de verschillende toepassingen afgestemd op het werkelijke warmteaanbod.
Voor de jaaropbrengst zijn de temperatuur, de hoeveelheid warmte en de beschikbaarheid over de tijd samen bepalend. Een warmtestroom op een lager temperatuurniveau die langdurig beschikbaar is, kan meer elektriciteit opleveren dan een hetere stroom die slechts kort beschikbaar is. Dit wordt berekend aan de hand van de prestaties van de gekozen ORC-uitvoering en de koelcondities tijdens de betreffende perioden.
Wanneer is ORC-restwarmte-terugwinning het onderzoeken waard?
ORC kan vooral interessant zijn wanneer motoren gedurende voldoende bedrijfsuren een bruikbare en redelijk voorspelbare hoeveelheid restwarmte leveren. Een hoge uitlaatgastemperatuur alleen zegt daarvoor te weinig. De combinatie van temperatuur, warmtestroom en de uren waarin deze gelijktijdig beschikbaar zijn, bepaalt hoeveel elektriciteit tijdens de werkelijke inzet kan worden opgewekt.
Ook de elektrische vraag aan boord geeft een eerste aanwijzing. ORC-elektriciteit levert de meeste directe waarde wanneer daarmee de elektriciteitsproductie van generatorsets kan worden verminderd. Daarom wordt gekeken in welke perioden van het vaar- of werkprofiel voldoende restwarmte en voldoende elektrische afname tegelijk beschikbaar zijn.
De beschikbare koeling vormt de andere zijde van de energiebalans. De ORC moet de resterende proceswarmte via de condensor kunnen afvoeren. De koelwatertemperatuur, het debiet en de beschikbare koelcapaciteit beïnvloeden daardoor hoeveel elektriciteit uit een warmtebron kan worden geproduceerd. Ook bij een ruim warmteaanbod kan de koude zijde de benutting beperken.
Bij retrofit speelt daarnaast de praktische inpassing een belangrijke rol. Warmtewisselaars, ORC-modules, leidingen, koeling en elektrische aansluitingen moeten een geschikte plaats krijgen binnen de bestaande scheepsinstallatie. De afstand tot de warmtebronnen, beschikbare machinekamerruimte en mogelijkheden voor leidingroutes beïnvloeden de omvang van het project. Bij nieuwbouw kunnen deze voorzieningen eerder in de energie- en machinekamerindeling worden opgenomen.
ORC kan daarmee relevant zijn voor uiteenlopende toepassingen in de zeevaart, kustvaart en binnenvaart. Denk aan schepen met langdurig draaiende hoofd- of hulpmotoren, zoals passagiersschepen, ferries, baggerschepen en offshorevaartuigen. Het scheepstype is op zichzelf echter niet doorslaggevend. De bruikbare restwarmte, bedrijfsuren, koelcapaciteit en elektrische afname bepalen hoeveel perspectief de toepassing biedt.
Een eerste beoordeling brengt daarom de motorbelasting en bedrijfsuren, de temperaturen en debieten van de warmtebronnen, bestaande warmtegebruikers, koelcondities en elektrische boordbelasting samen. Daarmee kan al in een vroeg stadium worden vastgesteld of voldoende restwarmte in bruikbare elektriciteit kan worden omgezet en of verdere technische en economische uitwerking van een ORC-installatie zinvol is.
Warmte onttrekken binnen de motor- en uitlaatgasgrenzen
Bij benutting van uitlaatgaswarmte worden de plaatsing van de extra warmtewisselaar en de hoeveelheid te onttrekken warmte afgestemd op de motor en de bestaande uitlaatgasinstallatie. Het drukverlies van de warmtewisselaar draagt bij aan de totale tegendruk en kan het motorverbruik beïnvloeden. Daarom wordt de tegendruk getoetst aan de toegestane motorgrenzen en meegenomen in de berekening van de netto brandstofbesparing.
Hoe ver het uitlaatgas mag worden afgekoeld, hangt onder meer af van de brandstof, de materiaalkeuze en de aanwezige uitlaatgasbehandeling. Bij motorkoelwater blijven de vereiste motortemperaturen, debieten en oorspronkelijke temperatuurregeling het uitgangspunt. De warmteoverdracht naar de ORC moet daarop aansluiten, zodat de motor zijn vereiste koeling en temperatuurregeling behoudt.
Wanneer verschillende warmtebronnen worden gecombineerd, worden hun temperaturen en debieten per bedrijfsstand bekeken. Uitlaatgaswarmte en koelwaterwarmte kunnen bij veranderingen in motorbelasting ieder een ander verloop hebben. De warmtewisselaars, tussenkringen en regeling worden op die verschillen afgestemd.
Modulegrootte en aantal afstemmen op het bedrijfsprofiel
De keuze van de modulegrootte begint bij de warmte die tijdens de werkelijke motorbelasting beschikbaar en bruikbaar is. Bij iedere vermogensopgave moet duidelijk zijn welk thermisch ingangsvermogen, welke brontemperaturen en welke koelcondities daarbij horen. Ook wordt vastgelegd of het opgegeven elektrische vermogen bruto is of dat bepaalde hulpverbruikers al zijn afgetrokken.
Bij meerdere motoren is van belang welke motoren tegelijk draaien en hoe zwaar zij worden belast. Op basis daarvan kan een grotere module of een combinatie van modules worden overwogen. De verdeling van de warmtebronnen, de leidingroutes, de beschikbare ruimte en de elektrische afname bepalen welke opbouw passend is. De gezamenlijke elektriciteitsproductie wordt berekend voor de bedrijfsstanden waarin de benodigde warmte, koeling en elektrische afname gelijktijdig beschikbaar zijn.
Ook het gedrag bij deellast telt mee in de modulekeuze. Kleinere en grotere uitvoeringen worden vergeleken op basis van de bruikbare elektriciteit die zij gedurende het werkelijke bedrijfsprofiel kunnen leveren. Daarbij worden de relevante motorbelastingen, opstartperioden en momenten met onvoldoende warmte voor zinvolle elektriciteitsproductie meegenomen.
Brandstofkeuze en veranderingen aan de motorinstallatie
Een ORC benut warmte die tijdens het motorbedrijf vrijkomt en zet deze via een afzonderlijke kringloop om in elektriciteit. Daardoor kan restwarmte-terugwinning worden onderzocht bij verschillende motor- en brandstofconfiguraties, waaronder motoren op mariene gasolie, zware stookolie, LNG, GTL, biobrandstoffen of methanol en dual-fuelmotoren.
De gebruikte brandstof beïnvloedt de uitlaatgascondities, de warmteverdeling en de eisen aan de warmtewisselaars. Daarom worden per toepassing de temperaturen en debieten vastgesteld bij de bedrijfsstanden waarin de installatie moet functioneren. Deze gegevens vormen de basis om de warmtebron en de ORC-uitvoering op elkaar af te stemmen.
Verandert de brandstof, wordt de motor vervangen of krijgt het schip een ander vaarprofiel, dan moeten de warmtebalans, de regeling en de verwachte elektriciteitsproductie opnieuw worden beoordeeld. Daarbij wordt vastgesteld welke productie onder de nieuwe omstandigheden mogelijk is en of de bestaande ORC-uitvoering aanpassingen nodig heeft.
Koelcapaciteit voor de condensor beoordelen
Na de expansie voert de condensor de resterende warmte af, zodat het werkmedium weer vloeibaar wordt. De koelwatertemperatuur en het beschikbare debiet beïnvloeden de condensatiecondities en daarmee het elektrische vermogen van de ORC. Warmer koelwater kan de productie beperken, zelfs wanneer aan de warme zijde voldoende warmte beschikbaar blijft.
Bij aansluiting op een bestaand koelcircuit blijven de overige aangesloten verbruikers meetellen. Pompen, centrale koelers en leidingwerk moeten de gezamenlijke belasting kunnen verwerken onder de relevante bedrijfs- en omgevingscondities. Terugwinning van warmte uit motorkoelwater kan bovendien de verdeling van de warmtelast over de koelcircuits veranderen. Daarom wordt die verdeling voor de volledige installatie doorgerekend.
Voor een representatieve opbrengstverwachting worden het warmteaanbod en de koelcondities per bedrijfsstand gecombineerd. De berekening gaat daarmee uit van warmteaanbod en koelwatertemperaturen die tijdens het werkelijke bedrijf gelijktijdig voorkomen.
Elektriciteitsproductie afstemmen op het boordnet
De elektrische aansluiting moet passen bij de spanning, frequentie, beveiligingen en regeling van het boordnet. Ook wordt bepaald hoe de ORC samenwerkt met generatorsets en eventuele batterijopslag, hybride systemen of andere energiebronnen. De verwachte productie wordt afgestemd op de elektriciteit die het schip tijdens de relevante bedrijfsstanden daadwerkelijk kan afnemen.
Met ORC-elektriciteit kunnen generatorsets worden ontlast. Of ook een complete generatorset kan worden uitgeschakeld, hangt af van de benodigde reserve, de toegestane motorbelasting en de bedrijfsstrategie van het schip. Bij een lage elektrische vraag wordt vastgesteld hoe de productie kan worden begrensd of de installatie veilig kan worden gestopt.
Wanneer de ORC warmte benut van dezelfde generatorsets die door de opgewekte elektriciteit worden ontlast, verandert ook de hoeveelheid beschikbare restwarmte. Daarom wordt de nieuwe generatorbelasting meegenomen in de warmteberekening. Zo wordt de verwachte ORC-productie gebaseerd op het warmteaanbod bij de uiteindelijke bedrijfsstand van de generatorsets.
Regeling en veiligheid bij normaal bedrijf en stilstand
De regeling stemt het warmteaanbod, de circulatie van het werkmedium, de expansie en de koeling op elkaar af. Tijdens het opstarten, bij belastingwisselingen en bij het stoppen moeten zowel de ORC als de aangesloten motor- en koelsystemen binnen hun bedrijfsgrenzen blijven. Ook moet vooraf zijn vastgelegd hoe de installatie veilig reageert bij uitval van de koeling, elektrische afname of andere noodzakelijke voorzieningen.
De oorspronkelijke motor- en koelfuncties moeten beschikbaar blijven wanneer de ORC buiten bedrijf is. Daarvoor worden de benodigde bypasses, afsluiters en regelvoorzieningen afgestemd op de installatie. Welke voorzieningen precies nodig zijn, hangt af van de gekozen warmtebron, de tussenkring en de aansluiting op de bestaande scheepssystemen.
De keuze van het werkmedium vraagt aandacht voor onder meer bedrijfsdruk, temperatuur, brandbaarheid, toxiciteit en milieueigenschappen. De eigenschappen van de geselecteerde vloeistof bepalen welke maatregelen nodig zijn voor lekkage, ventilatie, drukbeveiliging en veilige behandeling. Het veiligheidsconcept wordt vervolgens uitgewerkt voor de daadwerkelijke ORC-uitvoering en de plaatsing aan boord.
Inpassing en onderhoud bij retrofit en nieuwbouw
Voor de inpassing wordt niet alleen gekeken naar de ruimte voor de ORC-module. Ook warmtewisselaars, pompen, leidingwerk en elektrische apparatuur moeten een geschikte plaats krijgen, met voldoende toegang voor onderhoud. De positie van de module wordt daarom gekozen in samenhang met de warmtebronnen, de koeling en de elektrische aansluitingen.
Bij retrofit vormen de bestaande scheepsconstructie, beschikbare ruimten en aanwezige systemen het uitgangspunt. De afmetingen en het gewicht van de apparatuur, de toegang tot de installatieruimte en de routes voor leidingwerk en bekabeling bepalen welke werkzaamheden nodig zijn. Fundaties, montage en aansluitingen worden afgestemd op de beschikbare werfperiode. Bij nieuwbouw kunnen deze voorzieningen eerder samen met de overige scheepsinstallaties worden ontwikkeld.
Bij de keuze van de maritieme uitvoering wordt rekening gehouden met trillingen, scheepsbewegingen, omgevingstemperatuur en de belasting van de fundatie. De technische documentatie moet aansluiten op de toepasselijke scheeps-, classificatie- en vlagstaateisen. Bij een eventuele product- of ontwerpgoedkeuring wordt vastgesteld op welke uitvoering deze betrekking heeft. De inpassing op het betreffende schip vraagt daarnaast om een afzonderlijke beoordeling.
Warmtewisselaars moeten bereikbaar blijven voor inspectie en reiniging. Ook pompen, expander, generator, instrumentatie en regelapparatuur vragen voldoende onderhoudstoegang. Vervuiling van warmtewisselaars kan zowel de warmteoverdracht als het drukverlies beïnvloeden. Het onderhoudsplan wordt daarom afgestemd op de warmtebron, het werkmedium en de werkelijke bedrijfsuren.
Van modulevermogen naar netto jaaropbrengst
Voor het bepalen van de netto elektriciteitsproductie moet duidelijk zijn welke onderdelen binnen de vermogensopgave vallen. De generator levert elektrisch vermogen, maar werkmediumpompen, tussenkringpompen, koeling, regeling en andere hulpcomponenten kunnen zelf energie verbruiken. Dat eigen verbruik wordt eenmaal in de energiebalans verwerkt. Daarbij wordt onderscheid gemaakt tussen hulpverbruikers die al in het opgegeven nettovermogen zijn opgenomen en aanvullend verbruik buiten de module dat door de ORC ontstaat.
Vervolgens wordt berekend hoeveel van de netto elektriciteitsproductie aan boord kan worden benut. De opbrengst per bedrijfsstand wordt gekoppeld aan de uren waarin voldoende warmte, koeling en elektrische afname gelijktijdig beschikbaar zijn. Ook opstarten, stilstand, onderhoud en eventuele productiebegrenzing tellen mee. Zo wordt een vermogensopgave in kilowatt vertaald naar de verwachte energieopbrengst in kilowattuur over het vaar- of werkprofiel.
Voor de brandstofbesparing gaat het om de energie die de bestaande opwekking dankzij de ORC minder hoeft te leveren. Het brandstofverbruik van de betrokken motoren wordt daarom berekend bij hun gewijzigde belasting. Ook eventuele extra verliezen, zoals de invloed van uitlaatgastegendruk, worden meegenomen. Daarmee wordt duidelijk welke brandstofbesparing de netto elektriciteitsproductie voor het schip als geheel kan opleveren.
De verwachte CO2-reductie wordt vervolgens gekoppeld aan het berekende verschil in brandstofverbruik en de gebruikte brandstofsoorten. Daarbij worden de situatie zonder ORC en de situatie met ORC vergeleken bij overeenkomstige scheepsprestatie en bedrijfsvoering.
Prestaties tijdens bedrijf onderbouwen
Voor prestatieverificatie worden vooraf de meetpunten en beoordelingscondities vastgelegd. Temperaturen en debieten aan de warmte- en koelzijde worden bekeken in samenhang met de elektrische productie, het hulpverbruik en de bedrijfsstatus. Door deze gegevens over dezelfde periode te beoordelen, wordt duidelijk onder welke omstandigheden het gemeten vermogen is geleverd.
Een productiemeter laat zien hoeveel elektriciteit de ORC opwekt. Om de brandstofbesparing vast te stellen, worden die meetgegevens verbonden met het verbruik van de energiebronnen die door de ORC minder worden belast. Daarbij wordt rekening gehouden met veranderingen in motorinzet, elektrische belasting en de overige scheepssystemen.
De meetmethode en de bijbehorende onzekerheid worden afgestemd op het doel van de meting, bijvoorbeeld procesbewaking, technische acceptatie of contractuele prestatieverificatie. Een gemeten prestatie blijft verbonden aan de warmte- en koelcondities waaronder deze is vastgesteld. Voor een volledige jaarprognose worden de meetgegevens daarom aangevuld met berekeningen voor de overige relevante bedrijfsstanden.
Energieopbrengst en volledige projectkosten vergelijken
De economische beoordeling begint bij de elektriciteit die het schip tijdens de werkelijke inzet netto kan benutten en de brandstof- of energiekosten die daarmee worden vermeden. Hoeveel dit financieel oplevert, hangt mede af van de resterende inzetduur, de bedrijfsuren en de prestaties van de bestaande energieopwekking.
De investering omvat meer dan alleen de ORC-module. Ook warmtewisselaars, leidingwerk, pompen, elektrische voorzieningen, engineering, installatie en eventuele aanpassingen aan de koeling of scheepsconstructie brengen kosten met zich mee. Onderhoud, werkmediumbeheer en aanvullende werftijd worden eveneens meegenomen. Bij retrofit wordt onderscheid gemaakt tussen extra kosten voor de ORC en onderhoud of vervanging die ook zonder het project nodig zouden zijn.
Met verschillende scenario's voor warmteaanbod, elektrische afname, beschikbaarheid en energieprijzen wordt onderzocht hoe gevoelig de economische uitkomst is. Bij een beperkt resterend warmteaanbod, grote uitbreidingen van de koeling of beperkte elektrische afname kan een kleinere ORC-uitvoering of een andere benutting van de warmte beter passen. De beoordeling helpt zo bij de keuze om de onderzochte ORC-configuratie verder uit te werken of een andere route te volgen die beter aansluit op de beschikbare restwarmte.
ORC-prestaties binnen EEDI, EEXI en CII
Voor schepen binnen het toepassingsgebied kan elektriciteitsproductie uit restwarmte worden meegenomen in de Energy Efficiency Design Index (EEDI) of Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI). De toepasselijke IMO-methodiek bepaalt welke elektriciteitsproductie en welk eigen hulpverbruik onder de voorgeschreven referentiecondities worden gebruikt. De bijdrage aan de index wordt onderbouwd met gegevens over de gekozen ORC-uitvoering, de aangesloten warmtebronnen en de bijbehorende verificatie.
Voor de Carbon Intensity Indicator (CII) is de werkelijke operationele jaarprestatie van belang. Wanneer de ORC het brandstofverbruik daadwerkelijk verlaagt, kan dat bijdragen aan een lagere operationele CO2-intensiteit en een gunstigere CII. De uiteindelijke CII en rating worden bepaald aan de hand van de volledige jaargegevens, de voorgeschreven scheepscapaciteit, de afgelegde afstand en de toepasselijke berekeningsregels.
Energie-investeringsaftrek voor een ORC-installatie
Voor een investering in een ORC-installatie kan de Energie-investeringsaftrek (EIA) relevant zijn. Binnen deze regeling kunnen investeringen in energiezuinige bedrijfsmiddelen en technieken voor het benutten van afvalwarmte onder voorwaarden in aanmerking komen voor een aanvullende fiscale aftrek.
Of een concrete ORC-installatie en de bijbehorende investeringskosten binnen de regeling vallen, wordt per project getoetst aan de actuele Energielijst en de geldende voorwaarden. Ook het moment waarop de investeringsverplichting wordt aangegaan, is van belang voor de aanvraag. Daarom is het verstandig de actuele mogelijkheden en aanvraagvoorwaarden tijdig te controleren bij de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) en, waar nodig, met een fiscaal adviseur.
ORC-gebaseerde restwarmte-terugwininstallaties (WHRS) voor schepen
Samen met een gespecialiseerde internationale partner ondersteunen wij reders, technisch managers en scheepswerven bij de beoordeling, selectie, engineering, integratie en implementatie van ORC-gebaseerde restwarmte-terugwinning voor bestaande schepen en nieuwbouwprojecten.
Wat zijn ORC-gebaseerde restwarmte-terugwininstallaties (WHRS)?
Restwarmte-terugwininstallaties (Waste Heat Recovery Systems, WHRS) op basis van de Organic Rankine Cycle (ORC) zetten beschikbare warmte uit bijvoorbeeld uitlaatgassen en motorkoelwater om in elektriciteit voor gebruik aan boord.
Wanneer deze elektriciteit de met brandstof opgewekte elektriciteit van generatoren vervangt, kunnen het brandstofverbruik en de bijbehorende CO2-uitstoot dalen.
Maritieme ORC-projecten en studies laten zien dat bij geschikte toepassingen brandstofbesparingen in de orde van circa 5–10% mogelijk zijn. De werkelijk haalbare netto besparing hangt af van het beschikbare warmteaanbod, de motorbelasting en bedrijfsuren, de koelcondities, het eigen systeemverbruik en het deel van de opgewekte elektriciteit dat aan boord daadwerkelijk kan worden benut.
De ORC werkt met een organisch werkmedium dat in een gesloten kringloop verdampt. De damp drijft een expansiemachine aan die met een generator elektriciteit opwekt. De installatie verbindt de warmtebron met de ORC-module, de koeling en de elektrische voorzieningen van het schip.
De modulegrootte en systeemopbouw worden afgestemd op het werkelijke vaar- of werkprofiel en de beschikbare inbouwruimte.
Hoe de ORC-kringloop elektriciteit opwekt
In de verdamper wordt restwarmte via een warmtewisselaar overgedragen aan het organische werkmedium. De vloeistof verdampt en stroomt als damp naar de expansiemachine, ook wel expander genoemd. De damp zet daarin uit en drijft zo een generator aan. Vervolgens wordt in de condensor warmte afgevoerd, zodat het werkmedium weer vloeibaar wordt. Een pomp brengt de vloeistof opnieuw op druk en voert haar terug naar de verdamper.
Het werkmedium blijft binnen de gesloten ORC-kringloop gescheiden van de warmtebron en het koelwater. De eigenschappen van het medium, de expansiemachine en de warmtewisselaars bepalen samen het werkgebied van de installatie. Daardoor kan ORC ook warmte benutten op temperatuurniveaus waarvoor een conventionele stoomcyclus minder praktisch is. Hoeveel elektriciteit de installatie kan produceren, hangt mede af van de temperaturen aan de warme en koude zijde.
Welke restwarmte is werkelijk beschikbaar?
Voor iedere warmtebron worden de temperatuur, het debiet en de beschikbare warmte bekeken in samenhang met de motorbelasting en bedrijfsuren. Uitlaatgassen, motorkoelwater en beschikbare water-, thermische-olie- of stoomcircuits stellen verschillende eisen aan de warmteoverdracht. Afhankelijk van de uitvoering wordt de warmtebron rechtstreeks op de warmtewisselaars van de ORC-installatie aangesloten of via een afzonderlijke tussenkring gekoppeld.
De warmtebalans laat zien welk deel van de motorwarmte beschikbaar is voor elektriciteitsproductie. Daarbij wordt afzonderlijk rekening gehouden met de bestaande warmtebehoefte voor verwarming, warmwaterproductie en andere processen. Het aandeel voor de ORC wordt bepaald op basis van de resterende bruikbare warmte en de toegestane afkoeling van de bron. Zo wordt de verdeling over de verschillende toepassingen afgestemd op het werkelijke warmteaanbod.
Voor de jaaropbrengst zijn de temperatuur, de hoeveelheid warmte en de beschikbaarheid over de tijd samen bepalend. Een warmtestroom op een lager temperatuurniveau die langdurig beschikbaar is, kan meer elektriciteit opleveren dan een hetere stroom die slechts kort beschikbaar is. Dit wordt berekend aan de hand van de prestaties van de gekozen ORC-uitvoering en de koelcondities tijdens de betreffende perioden.
Wanneer is ORC-restwarmte-terugwinning het onderzoeken waard?
ORC kan vooral interessant zijn wanneer motoren gedurende voldoende bedrijfsuren een bruikbare en redelijk voorspelbare hoeveelheid restwarmte leveren. Een hoge uitlaatgastemperatuur alleen zegt daarvoor te weinig. De combinatie van temperatuur, warmtestroom en de uren waarin deze gelijktijdig beschikbaar zijn, bepaalt hoeveel elektriciteit tijdens de werkelijke inzet kan worden opgewekt.
Ook de elektrische vraag aan boord geeft een eerste aanwijzing. ORC-elektriciteit levert de meeste directe waarde wanneer daarmee de elektriciteitsproductie van generatorsets kan worden verminderd. Daarom wordt gekeken in welke perioden van het vaar- of werkprofiel voldoende restwarmte en voldoende elektrische afname tegelijk beschikbaar zijn.
De beschikbare koeling vormt de andere zijde van de energiebalans. De ORC moet de resterende proceswarmte via de condensor kunnen afvoeren. De koelwatertemperatuur, het debiet en de beschikbare koelcapaciteit beïnvloeden daardoor hoeveel elektriciteit uit een warmtebron kan worden geproduceerd. Ook bij een ruim warmteaanbod kan de koude zijde de benutting beperken.
Bij retrofit speelt daarnaast de praktische inpassing een belangrijke rol. Warmtewisselaars, ORC-modules, leidingen, koeling en elektrische aansluitingen moeten een geschikte plaats krijgen binnen de bestaande scheepsinstallatie. De afstand tot de warmtebronnen, beschikbare machinekamerruimte en mogelijkheden voor leidingroutes beïnvloeden de omvang van het project. Bij nieuwbouw kunnen deze voorzieningen eerder in de energie- en machinekamerindeling worden opgenomen.
ORC kan daarmee relevant zijn voor uiteenlopende toepassingen in de zeevaart, kustvaart en binnenvaart. Denk aan schepen met langdurig draaiende hoofd- of hulpmotoren, zoals passagiersschepen, ferries, baggerschepen en offshorevaartuigen. Het scheepstype is op zichzelf echter niet doorslaggevend. De bruikbare restwarmte, bedrijfsuren, koelcapaciteit en elektrische afname bepalen hoeveel perspectief de toepassing biedt.
Een eerste beoordeling brengt daarom de motorbelasting en bedrijfsuren, de temperaturen en debieten van de warmtebronnen, bestaande warmtegebruikers, koelcondities en elektrische boordbelasting samen. Daarmee kan al in een vroeg stadium worden vastgesteld of voldoende restwarmte in bruikbare elektriciteit kan worden omgezet en of verdere technische en economische uitwerking van een ORC-installatie zinvol is.
Warmte onttrekken binnen de motor- en uitlaatgasgrenzen
Bij benutting van uitlaatgaswarmte worden de plaatsing van de extra warmtewisselaar en de hoeveelheid te onttrekken warmte afgestemd op de motor en de bestaande uitlaatgasinstallatie. Het drukverlies van de warmtewisselaar draagt bij aan de totale tegendruk en kan het motorverbruik beïnvloeden. Daarom wordt de tegendruk getoetst aan de toegestane motorgrenzen en meegenomen in de berekening van de netto brandstofbesparing.
Hoe ver het uitlaatgas mag worden afgekoeld, hangt onder meer af van de brandstof, de materiaalkeuze en de aanwezige uitlaatgasbehandeling. Bij motorkoelwater blijven de vereiste motortemperaturen, debieten en oorspronkelijke temperatuurregeling het uitgangspunt. De warmteoverdracht naar de ORC moet daarop aansluiten, zodat de motor zijn vereiste koeling en temperatuurregeling behoudt.
Wanneer verschillende warmtebronnen worden gecombineerd, worden hun temperaturen en debieten per bedrijfsstand bekeken. Uitlaatgaswarmte en koelwaterwarmte kunnen bij veranderingen in motorbelasting ieder een ander verloop hebben. De warmtewisselaars, tussenkringen en regeling worden op die verschillen afgestemd.
Modulegrootte en aantal afstemmen op het bedrijfsprofiel
De keuze van de modulegrootte begint bij de warmte die tijdens de werkelijke motorbelasting beschikbaar en bruikbaar is. Bij iedere vermogensopgave moet duidelijk zijn welk thermisch ingangsvermogen, welke brontemperaturen en welke koelcondities daarbij horen. Ook wordt vastgelegd of het opgegeven elektrische vermogen bruto is of dat bepaalde hulpverbruikers al zijn afgetrokken.
Bij meerdere motoren is van belang welke motoren tegelijk draaien en hoe zwaar zij worden belast. Op basis daarvan kan een grotere module of een combinatie van modules worden overwogen. De verdeling van de warmtebronnen, de leidingroutes, de beschikbare ruimte en de elektrische afname bepalen welke opbouw passend is. De gezamenlijke elektriciteitsproductie wordt berekend voor de bedrijfsstanden waarin de benodigde warmte, koeling en elektrische afname gelijktijdig beschikbaar zijn.
Ook het gedrag bij deellast telt mee in de modulekeuze. Kleinere en grotere uitvoeringen worden vergeleken op basis van de bruikbare elektriciteit die zij gedurende het werkelijke bedrijfsprofiel kunnen leveren. Daarbij worden de relevante motorbelastingen, opstartperioden en momenten met onvoldoende warmte voor zinvolle elektriciteitsproductie meegenomen.
Brandstofkeuze en veranderingen aan de motorinstallatie
Een ORC benut warmte die tijdens het motorbedrijf vrijkomt en zet deze via een afzonderlijke kringloop om in elektriciteit. Daardoor kan restwarmte-terugwinning worden onderzocht bij verschillende motor- en brandstofconfiguraties, waaronder motoren op mariene gasolie, zware stookolie, LNG, GTL, biobrandstoffen of methanol en dual-fuelmotoren.
De gebruikte brandstof beïnvloedt de uitlaatgascondities, de warmteverdeling en de eisen aan de warmtewisselaars. Daarom worden per toepassing de temperaturen en debieten vastgesteld bij de bedrijfsstanden waarin de installatie moet functioneren. Deze gegevens vormen de basis om de warmtebron en de ORC-uitvoering op elkaar af te stemmen.
Verandert de brandstof, wordt de motor vervangen of krijgt het schip een ander vaarprofiel, dan moeten de warmtebalans, de regeling en de verwachte elektriciteitsproductie opnieuw worden beoordeeld. Daarbij wordt vastgesteld welke productie onder de nieuwe omstandigheden mogelijk is en of de bestaande ORC-uitvoering aanpassingen nodig heeft.
Koelcapaciteit voor de condensor beoordelen
Na de expansie voert de condensor de resterende warmte af, zodat het werkmedium weer vloeibaar wordt. De koelwatertemperatuur en het beschikbare debiet beïnvloeden de condensatiecondities en daarmee het elektrische vermogen van de ORC. Warmer koelwater kan de productie beperken, zelfs wanneer aan de warme zijde voldoende warmte beschikbaar blijft.
Bij aansluiting op een bestaand koelcircuit blijven de overige aangesloten verbruikers meetellen. Pompen, centrale koelers en leidingwerk moeten de gezamenlijke belasting kunnen verwerken onder de relevante bedrijfs- en omgevingscondities. Terugwinning van warmte uit motorkoelwater kan bovendien de verdeling van de warmtelast over de koelcircuits veranderen. Daarom wordt die verdeling voor de volledige installatie doorgerekend.
Voor een representatieve opbrengstverwachting worden het warmteaanbod en de koelcondities per bedrijfsstand gecombineerd. De berekening gaat daarmee uit van warmteaanbod en koelwatertemperaturen die tijdens het werkelijke bedrijf gelijktijdig voorkomen.
Elektriciteitsproductie afstemmen op het boordnet
De elektrische aansluiting moet passen bij de spanning, frequentie, beveiligingen en regeling van het boordnet. Ook wordt bepaald hoe de ORC samenwerkt met generatorsets en eventuele batterijopslag, hybride systemen of andere energiebronnen. De verwachte productie wordt afgestemd op de elektriciteit die het schip tijdens de relevante bedrijfsstanden daadwerkelijk kan afnemen.
Met ORC-elektriciteit kunnen generatorsets worden ontlast. Of ook een complete generatorset kan worden uitgeschakeld, hangt af van de benodigde reserve, de toegestane motorbelasting en de bedrijfsstrategie van het schip. Bij een lage elektrische vraag wordt vastgesteld hoe de productie kan worden begrensd of de installatie veilig kan worden gestopt.
Wanneer de ORC warmte benut van dezelfde generatorsets die door de opgewekte elektriciteit worden ontlast, verandert ook de hoeveelheid beschikbare restwarmte. Daarom wordt de nieuwe generatorbelasting meegenomen in de warmteberekening. Zo wordt de verwachte ORC-productie gebaseerd op het warmteaanbod bij de uiteindelijke bedrijfsstand van de generatorsets.
Regeling en veiligheid bij normaal bedrijf en stilstand
De regeling stemt het warmteaanbod, de circulatie van het werkmedium, de expansie en de koeling op elkaar af. Tijdens het opstarten, bij belastingwisselingen en bij het stoppen moeten zowel de ORC als de aangesloten motor- en koelsystemen binnen hun bedrijfsgrenzen blijven. Ook moet vooraf zijn vastgelegd hoe de installatie veilig reageert bij uitval van de koeling, elektrische afname of andere noodzakelijke voorzieningen.
De oorspronkelijke motor- en koelfuncties moeten beschikbaar blijven wanneer de ORC buiten bedrijf is. Daarvoor worden de benodigde bypasses, afsluiters en regelvoorzieningen afgestemd op de installatie. Welke voorzieningen precies nodig zijn, hangt af van de gekozen warmtebron, de tussenkring en de aansluiting op de bestaande scheepssystemen.
De keuze van het werkmedium vraagt aandacht voor onder meer bedrijfsdruk, temperatuur, brandbaarheid, toxiciteit en milieueigenschappen. De eigenschappen van de geselecteerde vloeistof bepalen welke maatregelen nodig zijn voor lekkage, ventilatie, drukbeveiliging en veilige behandeling. Het veiligheidsconcept wordt vervolgens uitgewerkt voor de daadwerkelijke ORC-uitvoering en de plaatsing aan boord.
Van modulevermogen naar netto jaaropbrengst
Voor het bepalen van de netto elektriciteitsproductie moet duidelijk zijn welke onderdelen binnen de vermogensopgave vallen. De generator levert elektrisch vermogen, maar werkmediumpompen, tussenkringpompen, koeling, regeling en andere hulpcomponenten kunnen zelf energie verbruiken. Dat eigen verbruik wordt eenmaal in de energiebalans verwerkt. Daarbij wordt onderscheid gemaakt tussen hulpverbruikers die al in het opgegeven nettovermogen zijn opgenomen en aanvullend verbruik buiten de module dat door de ORC ontstaat.
Vervolgens wordt berekend hoeveel van de netto elektriciteitsproductie aan boord kan worden benut. De opbrengst per bedrijfsstand wordt gekoppeld aan de uren waarin voldoende warmte, koeling en elektrische afname gelijktijdig beschikbaar zijn. Ook opstarten, stilstand, onderhoud en eventuele productiebegrenzing tellen mee. Zo wordt een vermogensopgave in kilowatt vertaald naar de verwachte energieopbrengst in kilowattuur over het vaar- of werkprofiel.
Voor de brandstofbesparing gaat het om de energie die de bestaande opwekking dankzij de ORC minder hoeft te leveren. Het brandstofverbruik van de betrokken motoren wordt daarom berekend bij hun gewijzigde belasting. Ook eventuele extra verliezen, zoals de invloed van uitlaatgastegendruk, worden meegenomen. Daarmee wordt duidelijk welke brandstofbesparing de netto elektriciteitsproductie voor het schip als geheel kan opleveren.
De verwachte CO2-reductie wordt vervolgens gekoppeld aan het berekende verschil in brandstofverbruik en de gebruikte brandstofsoorten. Daarbij worden de situatie zonder ORC en de situatie met ORC vergeleken bij overeenkomstige scheepsprestatie en bedrijfsvoering.
Prestaties tijdens bedrijf onderbouwen
Voor prestatieverificatie worden vooraf de meetpunten en beoordelingscondities vastgelegd. Temperaturen en debieten aan de warmte- en koelzijde worden bekeken in samenhang met de elektrische productie, het hulpverbruik en de bedrijfsstatus. Door deze gegevens over dezelfde periode te beoordelen, wordt duidelijk onder welke omstandigheden het gemeten vermogen is geleverd.
Een productiemeter laat zien hoeveel elektriciteit de ORC opwekt. Om de brandstofbesparing vast te stellen, worden die meetgegevens verbonden met het verbruik van de energiebronnen die door de ORC minder worden belast. Daarbij wordt rekening gehouden met veranderingen in motorinzet, elektrische belasting en de overige scheepssystemen.
De meetmethode en de bijbehorende onzekerheid worden afgestemd op het doel van de meting, bijvoorbeeld procesbewaking, technische acceptatie of contractuele prestatieverificatie. Een gemeten prestatie blijft verbonden aan de warmte- en koelcondities waaronder deze is vastgesteld. Voor een volledige jaarprognose worden de meetgegevens daarom aangevuld met berekeningen voor de overige relevante bedrijfsstanden.
Energieopbrengst en volledige projectkosten vergelijken
De economische beoordeling begint bij de elektriciteit die het schip tijdens de werkelijke inzet netto kan benutten en de brandstof- of energiekosten die daarmee worden vermeden. Hoeveel dit financieel oplevert, hangt mede af van de resterende inzetduur, de bedrijfsuren en de prestaties van de bestaande energieopwekking.
De investering omvat meer dan alleen de ORC-module. Ook warmtewisselaars, leidingwerk, pompen, elektrische voorzieningen, engineering, installatie en eventuele aanpassingen aan de koeling of scheepsconstructie brengen kosten met zich mee. Onderhoud, werkmediumbeheer en aanvullende werftijd worden eveneens meegenomen. Bij retrofit wordt onderscheid gemaakt tussen extra kosten voor de ORC en onderhoud of vervanging die ook zonder het project nodig zouden zijn.
Met verschillende scenario's voor warmteaanbod, elektrische afname, beschikbaarheid en energieprijzen wordt onderzocht hoe gevoelig de economische uitkomst is. Bij een beperkt resterend warmteaanbod, grote uitbreidingen van de koeling of beperkte elektrische afname kan een kleinere ORC-uitvoering of een andere benutting van de warmte beter passen. De beoordeling helpt zo bij de keuze om de onderzochte ORC-configuratie verder uit te werken of een andere route te volgen die beter aansluit op de beschikbare restwarmte.
ORC-prestaties binnen EEDI, EEXI en CII
Voor schepen binnen het toepassingsgebied kan elektriciteitsproductie uit restwarmte worden meegenomen in de Energy Efficiency Design Index (EEDI) of Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI). De toepasselijke IMO-methodiek bepaalt welke elektriciteitsproductie en welk eigen hulpverbruik onder de voorgeschreven referentiecondities worden gebruikt. De bijdrage aan de index wordt onderbouwd met gegevens over de gekozen ORC-uitvoering, de aangesloten warmtebronnen en de bijbehorende verificatie.
Voor de Carbon Intensity Indicator (CII) is de werkelijke operationele jaarprestatie van belang. Wanneer de ORC het brandstofverbruik daadwerkelijk verlaagt, kan dat bijdragen aan een lagere operationele CO2-intensiteit en een gunstigere CII. De uiteindelijke CII en rating worden bepaald aan de hand van de volledige jaargegevens, de voorgeschreven scheepscapaciteit, de afgelegde afstand en de toepasselijke berekeningsregels.
Energie-investeringsaftrek voor een ORC-installatie
Voor een investering in een ORC-installatie kan de Energie-investeringsaftrek (EIA) relevant zijn. Binnen deze regeling kunnen investeringen in energiezuinige bedrijfsmiddelen en technieken voor het benutten van afvalwarmte onder voorwaarden in aanmerking komen voor een aanvullende fiscale aftrek.
Of een concrete ORC-installatie en de bijbehorende investeringskosten binnen de regeling vallen, wordt per project getoetst aan de actuele Energielijst en de geldende voorwaarden. Ook het moment waarop de investeringsverplichting wordt aangegaan, is van belang voor de aanvraag. Daarom is het verstandig de actuele mogelijkheden en aanvraagvoorwaarden tijdig te controleren bij de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) en, waar nodig, met een fiscaal adviseur.
Praktijkervaring met ORC-restwarmte-terugwinning
Sinds 2016 ondersteunen wij de toepassing van ORC-gebaseerde restwarmte-terugwinning in de scheepvaart. Daarbij is ervaring opgebouwd met retrofit en nieuwbouw, onder meer bij binnenvaartschepen, passagiersschepen, kustvaartschepen en gespecialiseerde offshorevaartuigen.
Een concreet praktijkvoorbeeld is de Green Jade. Dit windturbine-installatieschip beschikt over meerdere motoren en acht ORC-modules. De installatie benut warmte uit de uitlaatgassen en het motorkoelwater voor elektriciteitsproductie aan boord.
Werkwijze voor de selectie en implementatie van een ORC-installatie
De eerste projectfase richt zich op de beschikbare warmtebronnen en de ORC-opbouw die daarbij past. De procesconfiguratie en de verwachte elektriciteitsproductie worden beoordeeld in samenhang met de beschikbare koeling en elektrische afname. Tegelijk wordt vastgesteld welke bestaande voorzieningen behouden kunnen blijven en waar aansluitingen of aanpassingen nodig zijn.
Voor de geselecteerde uitvoering worden de warmtewisselaars, de moduleopbouw, de koeling, de elektrische koppeling en de regeling verder uitgewerkt. De technische aanbieding maakt duidelijk welke onderdelen en werkzaamheden zijn inbegrepen, onder welke omstandigheden de opgegeven prestaties gelden en welke aanvullende gegevens of beoordelingen nog nodig zijn. De verwachte energieopbrengst en projectkosten worden daarbij op dezelfde configuratie gebaseerd.
Na een positief projectbesluit volgen de verdere engineering en de voorbereiding van de werkzaamheden aan boord. Documentatie, goedkeuringen en uitvoering worden afgestemd op het schip en de werfplanning. Tijdens de inbedrijfstelling worden de warmteoverdracht, koeling, elektrische aansluiting, regeling en afgesproken veiligheidsfuncties gecontroleerd. Wanneer prestatieverificatie onderdeel van het project is, worden de meetcondities en acceptatieafspraken vooraf vastgelegd.
Praktijkervaring met ORC-restwarmte-terugwinning
Sinds 2016 ondersteunen wij de toepassing van ORC-gebaseerde restwarmte-terugwinning in de scheepvaart. Daarbij is ervaring opgebouwd met retrofit en nieuwbouw, onder meer bij binnenvaartschepen, passagiersschepen, kustvaartschepen en gespecialiseerde offshorevaartuigen.
Een concreet praktijkvoorbeeld is de Green Jade. Dit windturbine-installatieschip beschikt over meerdere motoren en acht ORC-modules. De installatie benut warmte uit de uitlaatgassen en het motorkoelwater voor elektriciteitsproductie aan boord.
Contact over een ORC-configuratie voor uw schip
Wilt u onderzoeken welke restwarmte aan boord voor elektriciteitsproductie kan worden benut? Wij bespreken graag met u welke ORC-configuratie bij uw motorinstallatie en vaar- of werkprofiel kan passen. Voor een inhoudelijke beoordeling ontvangen wij graag gegevens over de motoren, gebruikte brandstoffen, belasting en bedrijfsuren, aangevuld met temperaturen en debieten van de beschikbare warmtebronnen.
Informatie over de bestaande warmtebehoefte, koelwatertemperaturen, koelcapaciteit en elektrische belasting helpt om de bruikbare opbrengst te bepalen. Ook is het van belang welke generatorsets per bedrijfsstand draaien en welke gegevens over hun vermogen en brandstofverbruik beschikbaar zijn. Vermeld deze informatie daarom waar mogelijk bij uw aanvraag. Een algemeen indelingsplan en schema’s van de warmte-, koel- en elektrische systemen helpen daarnaast om de benodigde aansluitingen te beoordelen.
Bij retrofit zijn de beschikbare inbouwruimte, leidingroutes, geplande werfperiode en voorgenomen wijzigingen aan de motor- of energie-installatie relevant. Bij nieuwbouw kan het beschikbare ontwerp als basis dienen. Tijdens de projectbespreking stemmen we graag met u af welke informatie nog nodig is en hoe de technische uitwerking op uw scheepsplanning kan aansluiten.