Van warmte-kracht naar kracht-warmte

Door elektriciteitscentrales vlak bij de industrie te plaatsen kunnen bedrijven van de restwarmte van de centrale gebruik maken. Dat is gunstiger dan de huidige praktijk, waarbij van de restwarmte stroom wordt gemaakt

Door de hernieuwde discussie over een tweede centrale op de Maasvlakte is de belangstelling gericht op mogelijkheden om de elektriciteitsproduktie in warmte/kracht te vergroten. Daaronder verstaan we systemen waarbij van de restwarmte van een gasturbine gebruik wordt gemaakt om elektriciteit op te wekken.

Vooral voor grotere industriële complexen kan door een andere benadering van deze methode een potentieel aangeboord worden, dat bij de huidige werkwijze ongebruikt blijft. Dit kan gebeuren met gebruik van bekende technieken en commercieel verkrijgbare apparatuur.

In de afgelopen jaren hebben ingrijpende veranderingen plaatsgevonden bij de produktie en afzet van in warmte/kracht geproduceerde elektriciteit. Een goed voorbeeld is de centrale van Delesto in Delfzijl, een joint venture van het Energiebedrijf voor Groningen en Drenthe (EGD) en AKZO. Deze centrale, die in 1987 in bedrijf werd genomen, was in Nederland baanbrekend door de samenwerkingsvorm tussen een openbare nutsbedrijf en een industriële onderneming. Daarbij werd gebruik gemaakt van de nieuwe regeling voor teruglevering van elektriciteit aan het openbare net. Toch is de elektriciteitsproduktiecapaciteit van deze centrale bij de gegeven warmtevraag niet maximaal, omdat de toenmalige voorwaarden voor levering aan het openbare net dat niet mogelijk maakten.

Het voorbeeld van Delesto heeft op een aantal plaatsen in Nederland navolging gevonden. Inmiddels zijn we 5 jaar verder, en de situatie is zo veranderd dat de conceptie voor een centrale als Delesto er nu anders zou uitzien.

De twee belangrijkste redenen zijn de verbeterde afzetmogelijkheid voor elektriciteit aan het openbare net en de introductie van grote gasturbines, die gekoppeld aan afgassenstoomketel en een stoomturbine, een elektrisch vermogen hebben van 150-350 MW.

Dergelijke eenheden hebben de vereiste bedrijfszekerheid en produceren elektriciteit met een rendement van 50-52%. Daarbij is de investering per geïnstalleerde kW aanzienlijk lager dan bij kleinere eenheden zoals die in de industrie meestal toegepast worden.

Zelfs een naar Nederlandse maatstaven grote en zeer moderne warmte/kracht-centrale als Delesto, met een geïnstalleerd elektrisch vermogen van ca. 200 MW, bestaat uit produktie-eenheden die klein zijn gemeten naar de maatstaven van de openbare nutsbedrijven. De elektriciteitsbedrijven werken met centrales van 500 tot 1000 megawatt.

Omdat WK-eenheden voor de industrie worden gedimensioneerd op de warmtevraag, worden zij zo ontworpen, dat bij de laagste warmtevraag die regelmatig voorkomt een efficiënte bedrijfsvoering mogelijk is.

Een vraag boven dat minimum wordt beantwoord door op een minder efficiënte manier de gevraagde extra warmte te produceren. Bij de thans gebruikelijke gasturbinecentrales gebeurt dat door een "ondermaatse' gasturbine te installeren; de fluctuerende warmtevraag wordt opgevangen door het bijstoken van brandstof in de afgassenstoomketel. Het resultaat is, dat het theoretisch beschikbare warmte/kracht-potentieel slechts gedeeltelijk wordt gebruikt. Dat dergelijke "ondermaatse', relatief dure centrales toch economisch rendabel kunnen zijn, komt door het warmte/kracht-voordeel ten opzichet van de openbare centrales, en de subsidieregeling op warmte/kracht.

Nu is het mogelijk de warmte/kracht-filosofie in zekere zin om te keren. Dat wil zeggen dat in plaats van een warmte/kracht-centrale (WKC), zoals hiervoor omschreven, een kracht/warmte-centrale (KWC ) wordt geïnstalleerd. In de Verenigde Staten is de KWC al een bekende verschijning geworden.

Een dergelijke centrale bestaat uit een of meer eenheden met een elektrisch vermogen van 150 MW of groter, elk bestaande uit een gasturbine, afgassenstoomketel en een nageschakelde stoomturbine. De stoom voor de warmtegebruiker wordt op het juiste drukniveau afgetapt uit de stoomturbine. De rest van de geproduceerde stoom wordt verder geëxpandeerd in de stoomturbine, en ten slotte gecondenseerd.

In tegenstelling tot de "ondermaatse' gasturbine hebben we nu een "bovenmaatse' gasturbine, die in de afgassenstoomketel meer stoom produceert dan de warmtegebruiker nodig heeft. De regeling van de stoomafname vindt niet plaats door meer of minder stoom te produceren, maar door minder of meer stoom te condenseren. Dergelijke grote gasturbines hebben een soms aanzienlijk hoger rendement dan de thans in de industrie gebruikelijke turbines; in mindere mate geldt dit ook voor de stoomturbines.

De in warmte/kracht geproduceerde hoeveelheid elektriciteit is bij een KW-centrale ca. 20% groter dan bij een WK-centrale. De in totaal geproduceerde hoeveelheid elektriciteit is afhankelijk van de gekozen eenheidsgrootte, die om economische redenen niet kleiner dan 150 MW mag zijn.

De financiering van de KW-centrale moet tegen dezelfde voorwaarden kunnen plaatsvinden als bij een openbare centrale, om de prijs van de in condensatie opgewekte elektriciteit concurrerend te maken. Dit is mogelijk, omdat de KWC voor haar voortbestaan niet afhankelijk is van de warmte-afnemer. Als deze zijn poorten onverhoopt mocht sluiten, kan de KWC als een normale, efficiënte condensatiecentrale worden bedreven. Een WKC is daarentegen verbonden met het lot van de afnemer, wat kan leiden tot hogere financieringskosten.

Om landelijk gezien het warmte/kracht-potentieel zo goed mogelijk te gebruiken, en de vereiste schaalgrootte van de te plaatsen eenheden te bereiken, dienen KWC-eenheden zoveel mogelijk daar te worden geplaatst, waar grote industriële warmteverbruikers aanwezig zijn. Door versnippering van KWC-eenheden over een groot aantal kleine warmtegebruikers zou het totale aantal eenheden veel te groot worden.

Als ondergrens voor de per eenheid af te tappen hoeveelheid warmte kan gedacht worden aan ca. 65 MW thermisch. Het is ook mogelijk dit doel te bereiken door een rendementscriterium voor de KWC te hanteren, in analogie aan het criterium dat thans geldt voor de subsidie op warmte/kracht-installaties.

Naast deze critria zijn de gebruikelijke voorwaarden van toepassing als koppeling met het landelijke elektriciteitsnet, voldoende koelwater e.d.

Hoewel in dit artikel is uitgegaan van gasgestookte installaties, is het KWC-concept ook mogelijk voor centrales waarin op een andere manier stoom wordt geproduceerd, bijv. door het stoken van kolen. De economisch minimale schaalgrootte van dergelijke centrales is een factor 3 of 4 groter; het aantal vestigingsplaatsen zou hierdoor veel kleiner worden.

Een inventarisatie gericht op de KWC-mogelijkheden kan informatie geven over het extra warmte/krachtvermogen dat hiermee kan worden gerealiseerd. Een voorlopige schatting is dat enkele honderden MW extra in warmte/kracht kunnen worden geproduceerd, als bij de bouw van het elektriciteitsproduktievermogen in Nederland gebruik gemaakt wordt van de aanwezige mogelijkheden voor afzet van warmte aan de industrie door KWC-eenheden.

Kaartje: Schema's van de gebruikelijke warmte/kracht centrale (WKC, links), die in een fabriek elektriciteit opwekt en proceswarmte levert, en van de reeds in de VS toegepaste kracht/warmte centrale (KWC, rechts), die gevestigd op een industriegebied meerdere fabrieken van stroom en proceswarmte kan voorzien.

In beide centrales wordt met een gasturbine elektriciteit opgewekt en met de restwarmte stoom en opnieuw elektriciteit gemaakt. Het verschil is dat de KWC grotere vermogens kan leveren en ook bestaansrecht heeft als de vraag naar proceswarmte wegvalt.