Turboturbine

De aardgasprijs stijgt waardoor de belangstelling voor efficiënte energieopwekking stijgt. De Heron-installatie nadert zijn proeffase. Karel Knip

“Het is waanzinnig dat wij hier in Nederland zo’n goed idee hebben.” Dat zegt ir. P.J. Poolman in Waalre. Het is mooi dat hij het zegt, maar hij zegt het op persoonlijke titel, want Poolman is met pensioen. Hij kan niet meer spreken namens SenterNovem, waar hij tot voor kort in dienst was.

SenterNovem is een agentschap van het Ministerie van economische zaken dat een belangrijke rol heeft in verdeling van subsidies. Subsidies voor energiebesparing, alternatieve energie-opwekking en milieufrisse maatregelen. Jarenlang begeleidde Peter Poolman de ontwikkeling van de Heron-turbine waarover hij zo enthousiast is. “Op den duur dreigde ik te weinig afstand tot het idee te bewaren, dat werd een probleem.”

De Heron-turbine is een idee van ir. R. Hendriks in Velp. Rolf Hendriks is ook met pensioen, al een tijdje zelfs, maar dat belet hem niet links en rechts de deur plat te lopen om aandacht voor zijn vinding te vragen. Zo kwam de turbine de afgelopen twintig jaar al een paar maal in deze krant. Steeds was hij ingrijpend verbeterd. De Heron 1 werd de Heron 2 en die weer de Heron 3. De Heron 3 is een installatie die aardgas met een rendement van wel 88 procent kan omzetten in elektriciteit. Althans: op het geduldige papier. Maar de berekeningen zijn inmiddels zo uitputtend geweest dat de praktijk er niet ver onder kan blijven. Een zó hoog rendement lijkt te spotten met alle theorieën.

Deze zomer is een beslissend stadium bereikt. Met steun van SenterNovem is een haalbaarheidsstudie opgesteld en nu moet er een partner of mecenas komen die de circa honderd miljoen euro fourneert voor de bouw van een prototype. Hendriks heeft al contacten met de glastuinbouw en de bank die deze sector bedient. Zijn machine zou in de kassenteelt goede diensten bewijzen.

consultant

De Delftse werktuigbouwer Hendriks kómt uit de turbinebouw. Hij werkte bij Stork, belandde bij Thomassen in Rheden die gasturbines van General Electric ((Ge) bouwde en begon later voor zichzelf. Nu is hij consultant van het bedrijf ee¢t in Strijen dat de Heron-gasturbine marktrijp moet maken. Of liever gezegd: de gasturbines, want de installatie van Hendriks bestaat uit twee gasturbines.

Een gasturbine is in principe een as met schoepen die binnen een nauwe omhulling aan het draaien wordt gebracht door gas van hoge druk en temperatuur over het schoepenstelsel te laten ‘expanderen’. Het hete gas-onder-druk dat de turbine wordt ingeblazen is vaak het verbrandingsproduct van gasolie, kerosine of aardgas. Het wordt verbrand in een verbrandingskamer (combustor) en krijgt de benodigde lucht in grote hoeveelheid en hoge druk aangeleverd door een compressor. Dat is alweer een stel schoepen binnen een koker, gemonteerd op de verlengde as van de turbine en ook door die turbine aangedreven (als die eenmaal loopt). Veel van het vermogen dat de turbine ontwikkelt wordt verbruikt door de compressor. De rest is beschikbaar voor een generator (dynamo) als de gasturbine voor elektriciteitsopwekking wordt gebruikt.

Gasturbines zetten de energie-inhoud van hun brandstof voor zo’n 40 à 42 procent om in mechanische energie, dus elektriciteit. Deze grens wordt mede bepaald door het zogenaamd Carnot-rendement, het theoretisch maximum dat de Fransman Sadi Carnot al rond 1830 vaststelde. Voor een temperatuur van 800 graden Celsius is het theoretisch maximum ongeveer 72 procent, voor 1200 graden is het 80 procent. In praktijk wordt maar tweederde van dit maximum gehaald, omdat het ideale Carnot-proces niet te benaderen blijkt.

Er zijn een paar mogelijkheden om de energie uit aardgas toch beter te benutten. Zo kun je de restwarmte van de gasturbine gebruiken om ergens een warmtevragend proces te bedienen. Je kunt er woningen mee verwarmen. Mooier is het om met de afvalwarmte van de gasturbine stoom op te wekken en daarmee een stoomturbine te laten draaien die ook weer een dynamo aandrijft. STEG, heet dat in Nederland: stoom en gas. De moderne Eemscentrale bereikt dankzij de STEG-kunstgreep een rendement van ongeveer 52 procent.

De grote gasturbinebouwers (Siemens-Westinghouse, GE , Mitsubishi, Rolls-Royce) proberen het rendement van hun nieuwe gasturbines vooral te verbeteren door die bij steeds hogere temperaturen te laten werken. Er zijn al turbines die een temperatuur van 1400 graden verdragen, maar daarbij moeten de schoepen gekoeld worden. Het zijn zware machines voor hoog vermogen en een hoge prijs.

Hendriks bedacht rond 1988 een rendementsverbetering die vooral gebaseerd is op een betere benadering van het ideale Carnot-proces. Hij combineerde twee turbines. De eerste turbine, de hogedrukturbine, werkt zoals hierboven beschreven, de tweede, grotere lagedrukturbine (die de generator aandrijft) wordt ‘volgeblazen’ door de afvoerstroom van de eerste, aangevuld met heet verbrandingsgas van een eigen combustor. Dit heet herverhitting. De Heron 1 heeft pas twee rendement-verbeterende trucs. De compressor van de hogedrukturbine is in twee trappen uitgevoerd. De warme, samengeperste lucht die uit het eerste compressordeel komt wordt (met koelwater) gekoeld in een ‘intercooler’ en afgekoeld aangeboden aan het tweede deel van de compressor. Dat verbetert het compressorrendement. Vervolgens wordt de warme, samengeperste lucht die uit het tweede compressordeel stroom extra bijverwarmd in een recuperator waarin de hitte van de verbrandingsgassen uit de twee turbine kunnen worden opgenomen. Dat verhoogt het turbinerendement. Herverhitting, intercooler en recuperator gaven de Heron 1 destijds een rendement van wel 40 procent, wat voor een kleine installatie heel bijzonder was.

waterinjectie

Op papier is er later een nieuwe verbetering aan toegevoegd met behulp van waterinjectie. Blaas stoom in de combustors en het rendement stijgt opnieuw. Heron 2, was dat. Daar is het niet bij gebleven. In een briljante laatste stap zijn de twee combustors grotendeels vervangen door pakketten brandstofcellen van het SOFC-type (zie kader) die, met lichte ondersteuning van nu sterk verkleinde combustors, niet alleen gas van voldoende druk en temperatuur leveren, maar al doende ook al zèlf elektriciteit produceren. Het mooie is dat de SOFC -cellen voor de productie van de gewenste brandstof uit aardgas net die stoom nodig hebben die in de Heron 2 al zo'n gunstig effect had. Bij een juiste procesregeling stroomt uit de SOFC-cellen nagenoeg zuiver ¢o2 dat uiterst makkelijk is af te vangen. Alle vliegen in één klap. Er komt nog bij dat juist hier in Nederland gewerkt wordt aan SOFC-cellen die aanmerkelijk goedkoper zijn te produceren dan elders gebeurt. Door wie mag hier niet gezegd worden, van belang is dat ook deze vinding, net als die van Hendriks waterdicht is gepatenteerd. Een huwelijk tussen beide unieke Nederlandse vindingen lag dan ook voor de hand. Helemaal zorgeloos ziet de toekomst er niet uit, want de hier beschreven ‘SOFC -gasturbine -hybride’ is ook door anderen (zoals Rolls-Royce) als zeer begeerlijk ontdekt. Maar Hendriks denkt de kapers met de patenten op afstand te houden. De vraag is: waar komt het geld vandaan.

    • Karel Knip