Ook kleine centrale heeft hoog rendement

Na de eerste oliecrisis in 1973, toen Nederland als een man achter Israel had gestaan, en zeker na de tweede crisis in 1979, toen de sjah zijn kroon verloor, kwam veel technisch speurwerk in de energiesector in het teken van energiebesparing en alternatieve energiebronnen te staan. Nooit weer zouden wij ons door die Bedoeienen in de luren laten leggen. Diversificatie, heette het voortaan. Het kolenverbruik steeg al in 1974 en later wilde de overheid zelfs weer kerncentrales plaatsen. Tsjernobyl voorkwam dat.

De animo voor energie-onderzoek liep terug door het dalen van de olieprijs. Zure regen en het Duitse Waldsterben, bij nader inzien ook hier zichtbaar, verschoven de belangstelling naar het milieu. De energie-sector kreeg de taak vooral op de uitstoot van SO en NOx te letten en deed dat ook: er kwam rookgasreiniging en er kwamen vuurhaard-technische maatregelen.

Toen was daar opeens het broeikaseffect. Het kooldioxyde-gehalte van de atmosfeer bleek onder invloed van het verstoken van fossiele brandstoffen te stijgen en men kreeg het gevoel dat de aarde warmer werd. Goede raad was duur want zolang uranium wordt versmaad en een waterstof-economie nog buiten bereik is valt aan kolen, olie en gas niet te ontkomen.

Het eind van het liedje is dat de belangstelling voor energiebesparing opeens weer toenam. Het streven is nu fossiele brandstoffen zo efficient mogelijk te verbranden: wel CO maken, maar minder. De brandstof die per geleverde energie de minste CO levert is aardgas en inderdaad voelt men links en rechts het verlangen ontstaan meer aardgas in te zetten, ook voor het opwekken van elektriciteit. Sommige overheden, zoals de West-Duitse, vinden dat verwerpelijk. Aardgas is te schoon voor grootschalige, industriele verbranding, vinden zij. Men moet het reserveren voor huisverwarming en de industrie (die de rookgassen reinigen kan) kalm kolen of olie laten stoken.

Anderen houden voor elektriciteitsproduktie toch vast aan aardgas en concentreren zich op rendementsverhoging. Het toverwoord is STEG: Stoom En Gas. Een STEG-installatie verbrandt aardgas over een gasturbine en weet met de restwarmte van die turbine ook nog zoveel stoom te produceren dat daarop een stoomturbine draaien wil. Het rendement (van aardgas naar elektriciteit) kan zo oplopen tot wel 52 procent.

Het andere toverwoord is W/K: warmte-kracht-koppeling. Daaronder verstaat men het streven de afvalwarmte van de gasturbine (of een gasmotor) nuttig te gebruiken voor de verwarming van instellingen of industriele processen.

Wie alle afvalwarmte van gasverbranding nuttig aanwendt verbrandt zijn gas natuurlijk met een rendement van 100 procent. Praktisch is dat niet haalbaar omdat warmtetransport met veel verlies gepaard gaat, het streven moet dus zijn de afvalwarmte in de directe omgeving van de elektriciteit-opwekking te benutten. Dat gaat alleen in kleine installaties (bijvoorbeeld met een vermogen van 100 tot 2000 kilowatt), dat is: met decentrale energie-opwekking. Ook de Nederlandse overheid verwacht veel van W/K. We zijn er, we zijn er. Er zijn het laatste decennium erg veel verschillende warmtekracht-installaties bedacht. Ze verschillen in de aard van de krachtbron (gasmotor of gasturbine), in het totale vermogen en in de verhouding waarin ze warmte en elektriciteit (de 'kracht') aanbieden. Voor elke nuttige toepassing is nu zo langzamerhand wel een optimale warmte-kracht installatie te verkrijgen. Interessant is dat de W/K vraagverhouding van veel bedrijven en industrieen (die soms wel meer dan 10 was) in de loop van de jaren is gezakt omdat naar verhouding steeds meer elektriciteit en steeds minder warmte wordt gevraagd. Inmiddels is men al op een verhouding 1-op-1 aangekomen. Van een bedrijfstak als de glastuinbouw wordt een W/K vraag van zelfs minder dan 1 gemeld. Dat komt door de assimilatie-verlichting.

Hoe het zij; er gaapte een gat in de markt voor W/K installaties met een W/K verhouding van ongeveer 1 en een elektrisch vermogen van ongeveer 1 megawatt. De NOVEM, de Nederlandse Maatschappij voor Energie en Milieu, die geld van EZ in de vorm van subsidies uitgeeft, heeft het gat ontdekt en de tip doorgegeven.

Voor een decentraal vermogen van ongeveer 1 megawatt werd tot nu toe meestal een gasmotor neergezet maar die heeft een W/K van zo ruwweg 1,3. Te hoog, haha. Wel, hoe het precies ging blijft hier onbesproken, maar de jonge onderneming Heron Turbines in Velp, opgericht in 1988 en nu vijf man sterk, zette zich aan de taak een W/K-installatie van de gevraagde specificatie te ontwerpen. Die is er nu: de Heron-turbine 'type 1'. Hij werd deze week tijdens een symposium in de Amsterdamse RAI ter gelegenheid van de beurs 'Energy Economy' geintroduceerd en is hier op het plaatje afgebeeld. Een prototype wordt binnenkort in gebruik genomen.

Heron Turbines treedt op als project-team. Men ontwikkelt, doet construeren en verkoopt en 'type 1' is samengesteld uit bestaande onderdelen, onder meer geleverd door Hollansche IJssel, Van Rietschoten en Houwens en HCG. Kern van de installatie is de krachtige powerturbine (rechtsonder) heeft zijn as gemeen heeft met de generator die de elektriciteit opwekt. Een gasturbine is in principe een as-met-schoepen in een koker die aan het draaien komt als aan de ene kant gas van hoge druk en temperatuur in de koker wordt geblazen. Dat gas komt normaalgesproken van de brand in de verbrandingskamer waar brandbaar gas en lucht, die er met kracht wordt ingeblazen, samen in vlammen opgaan. De lucht dankt zijn druk aan een compressor die ook al op de turbine-as is gemonteerd en dus ook door de turbine wordt aangedreven. De turbine blaast om zo te zeggen zichzelf vol.

Nu, type 1 zit anders in elkaar. De compressor die de lucht onder druk zet wordt door een aparte 'compressoraandrijfturbine' aangedreven. Er zijn dus twee turbines, type 1 is twee-assig. Sterker nog: er is ook niet een compressor maar er zijn er twee: het benodigde compressorvermogen wordt geleverd door twee kleine compressoren die achter elkaar zijn geplaatst. Met de 'intercooler' die de hitte van de door de eerste compressor samengeperste lucht afvoert wordt zo 20 procent op compressor-vermogen bespaart, zegt technisch directeur ir. R. Hendriks. Wie wil en kan mag de warmte van de intercooler nuttig aanwenden.

Als de lucht de tweede compressor verlaat heeft hij, in ronde cijfers, een druk van 9 bar en een temperatuur van 150 graden. In de 'recuperator' (een warmtewisselaar) wordt hij aan de uitlaatgassen van de powerturbine verder opgewarmd tot 580 graden. Door verbranding van aardgas in de hoge-druk verbrandingskamer (volgt de pijlen!) wordt dit nog opgevoerd tot 880 graden.

Voort gaat het! Het hete mengsel lucht-met-verbrandingsgassen laat men over de eerste turbine expanderen tot 3 bar en 650 graden. Wat er die turbine uitstroomt wordt in een tweede lage-druk verbrandingskamer opnieuw door het verbranden van aardgas (er is lucht-overmaat dus nog voldoende zuurstof) verhit, nu tot zo'n 850 graden. Reheating. (Sla niet aan het rekenen, lezer, want Hendriks heeft, om de concurrentie zand in de ogen te strooien, de echte cijfers allemaal een beetje veranderd). Het is dit hete mengsel lucht-en-rookgas dat de 1250 kilowatt powerturbine aan het draaien brengt. Het eind van het verhaal is de al genoemde recuperator. Desgewenst kan ook de warmte van het gas dat uit de recuperator stroomt nog voor verwarming gebruikt worden.

Het prototype 'type 1' heeft volgens Hendriks een elektrisch rendement van 40 procent. (Vergelijkbare gasmotoren die een generator aandrijven komen op 36 procent.) De verslaggever rekent uit dat daarmee een W/K overeenstemt van 1,5 terwijl 0,9 wordt opgegeven. Dat komt omdat niet alle warmte is terug te winnen. Hoe dan ook: het rendement is erg hoog en kan, zegt Heron, nog verder worden opgevoerd, tot wel 60 procent. Tot nu werd vaak beweerd dat alleen in de reuze-turbines van de grote centrales zulke rendementen te behalen zijn. De Heron-turbine dankt zijn rendement aan de twee-traps verbranding. Je zou ook kunnen zeggen aan de combinatie vanm intercooler, reheating en recuperator binnen een machine. Of, voor de technici, omdat de optimale Carnot-cyclus dichter wordt benaderd dan gebruikelijk is.

Heron ziet een belangrijke toepassing voor haar machine in de glastuinbouw. Het aardige is namelijk dat de machine, dankzij de twee trappen en de relatief lage temperaturen in de turbines, extreem weinig NOx produceert. De uitlaat van de powerturbine kan daarom rechtstreeks de kas in worden geblazen, dan is het CO voor koolzuurbemesting te gebuiken. Hoeft geen Braziliaans oerwoud aan te pas te komen. Andere toepassingen zien de onwerpers in ziekenhuizen, de voedingsindustrie en blokverwarming.