De gezeefde rookgaspluim

Waterdamp wegvangen uit de rookpluim van kolencentrales: dat maakt die centrales efficiënter.

Margriet van der Heijden

Steenkolen liggen klaar voor gebruik in de kolencentrale van Borssele, Zeeland. foto siebe swart hh Nederland, Borssele, Zeeland, 22-06-2006; windmolenpark behorende bij kerncentrale en kolencentrale Borssele, links ligt de steenkool in bunkers te wachten op gebruik; drie manieren van elektriciteitsopwekking in een beeld; energiepark, milieu, energieopwekking, energievoorziening, electriciteit, elektriciteit, stroom, kernenergie, nucleair, radioaktiviteit, windenergie, landschap (zie ook andere (lucht)foto's van deze lokatie) foto Siebe Swart/Hollandse Hoogte Swart, Siebe;Hollandse Hoogte

Hoeveel er ook aan het proces is verbeterd en geïnnoveerd: wie kolen verbrandt, maakt rook. In aanzienlijke hoeveelheden. Een doorsnee kolencentrale, 450 megawatt, produceert per uur al gauw anderhalf miljoen kubieke meter rookgassen. Een nieuwe techniek, ontwikkeld door onderzoekers van KEMA in Arnhem in samenwerking met de Universiteit Twente, maakt die rookgassen niet schoner. Maar als de waterdamp wordt weggevangen en hergebruikt, kunnen de centrales wél iets efficiënter en minder belastend voor hun omgeving worden. En wellicht kan op termijn met een verwante techniek ook het broeikasgas CO2 nog uit de pluim worden weggevangen (Journal of Membrane Science, 8 april 2008).

De rookgassen uit kolenverbranding komen niet zomaar in de atmosfeer terecht. Tussen verbrandingsoven en schoorsteen zit nog een ‘wasstraat’. Met chemische reacties worden stikstofoxiden omgezet in stikstof en water, een slurrie van gips vangt zwaveldioxide weg en asdeeltjes worden daarna elektrostatisch afgevangen. Wat overblijft is een rookgaspluim die voor het leeuwendeel bestaat uit stikstof (72%), zuurstof (3,4%), CO2 (13,6%) en waterdamp (11,2%). Schadelijke restjes stikstofoxiden, zwaveldioxide, waterstoffluoride en zoutzuur maken samen iets minder dan een half promille van het volume uit.

De nieuwe techniek is eigenlijk een toevoeging aan de wasstraat. Het is een gordijn van holle vezels die aan de buitenkant zijn bedekt met een dun membraan. Daarmee wordt een deel van de waterdamp aan het gasmengsel onttrokken. “Zo kun je water besparen”, zegt onderzoeker Kitty Nymeijer van de Twentse membraantechnologie-groep.

Het weggevangen water kan hergebruikt worden in de centrale om, in de vorm van stoom, de turbines aan te drijven die de elektriciteit opwekken. Daardoor hoeven niet langer enorme hoeveelheden oppervlaktewater ingenomen te worden, om er stoom van te maken. “Dat is vooral voor landen met waterschaarste natuurlijk interessant.”

De waterdamp dringt door de membranen en de poreuze vezelwand de holle vezels binnen, legt Nymeijer uit. Een vacuüm boven de vezelslierten zorgt vervolgens voor ‘trek’, zoals in een schoorsteen. Zo komt de waterdamp aan de bovenkant de vezels uit, waar het wordt weggevangen. De gassen worden door het membraan tegengehouden en reizen langs de vezels verder naar de schoorsteen van de centrale.

De crux is dat het membraan selectief veel waterdamp doorlaat. Het is gemaakt van dicht op elkaar gepakte polymeren (gesulfoneerd polyetherether-keton, ofwel SPEEK). “Dat materiaal is niet poreus, het laat geen gas door”, zegt Nymeijer. Het is wél waterminnend; neemt watermoleculen gemakkelijk op en laat ze ook gemakkelijk diffunderen naar de andere kant van het membraan. Hoe dunner het membraan is, hoe sneller dat gaat – en snelheid is vereist bij het drogen van zoveel gas.

Tegelijk moet het dunne membraan (1 tot 2 micrometer) bestand zijn tegen de warme, snel passerende gassen. Dat lukt alleen als het kan rusten op een ander oppervlak. Juist daarom werden de membranen aangebracht op de dunne (0,8 millimeter doorsnee) holle vezels.

“Het teruggewonnen water moet nog wel ‘gepolished’ worden”, zegt projectleider Rob Heijboer van KEMA. Ofwel: kleine restjes zoutzuur, zwavelzuur en andere onzuiverheden moeten verwijderd worden, omdat die bij de heersende temperaturen de turbines aantasten. Heijboer: “Maar de kwaliteit van het water is intussen zo goed, dat het schoonmaken nog een kleine stap is.” De standaard schoonmaakinstallatie in oudere centrales voldoet.

wasstraat

In mindere mate leidt de techniek ook tot energiebesparing. Dat heeft te maken met de lengte van de ‘wasstraat’ in kolencentrales. De rookgassen koelen tijdens alle behandelingen zozeer af, dat de waterdamp in de schoorsteen in lauwe druppeltjes dreigt neer te slaan. Corrosieve stoffen zoals zoutzuur daarin, kunnen dan de schoorsteen aantasten. Nymeijer: “Het gaat om hele lage concentraties, maar óók om ontzettend veel rook.”

Om condensatie in de schoorsteen te voorkomen, worden de rookgassen momenteel opnieuw opgewarmd. En ook dát zou door het afvangen van waterdamp overbodig worden. Nee, de energiebesparing is niet enorm, geeft Heijboer toe, want voor het opstoken wordt meestal restwarmte uit de centrale gebruikt. “Maar die restwarmte zou je nu voor stadsverwarming kunnen gebruiken. En het is óók een economisch verhaal.”

In het gunstigste geval kan het wegvangen van waterdamp jaarlijks zo’n miljoen euro per centrale besparen, rekende hij met KEMA-collega’s uit.

In twee proefopstellingen, in de kolencentrale van Borssele en in een vuilverbrandingsinstallatie in Duitsland, werd zo respectievelijk anderhalve en vier liter water geoogst per uur en per vierkante meter membraan – en de efficiëntie was ook na 5.300 uur nog in orde. Een praktijkproef met een membraanoppervlak van 500 vierkante meter moet de stap naar de commerciële praktijk nu overbruggen.

    • Margriet van der Heijden