Warmtekrachtkoppeling met zuigermotoren


Een van de meest bekende aandrijftechnologieŽn is natuurlijk de zuigermotor. Er bestaan verschillende types zuigermotoren, maar voor WKK-toepassingen worden vrijwel uitsluitend Dieselmotoren en Ottomotoren gebruikt. De Ottomotoren werken bovendien vrijwel steeds met gas als brandstof, zodat we ook spreken van gasmotoren. Qua vermogengrootte bestrijken de zuigermotoren een spectrum van enkele kW tot enkele tientallen MW.

Beide motortypes hebben cilindervormige verbrandingskamers, waarin een zuiger heen en weer beweegt. Deze zuiger is via een krukstang en een drijfstang verbonden met een roterende as, zodat de lineaire beweging van de zuiger omgezet kan worden in een roterende beweging. Deze roterende beweging kan op zijn beurt door een generator omgezet worden in elektriciteit.

Bij de werking van de motor komt ook heel wat warmte vrij op diverse plaatsen en diverse temperaturen. De voornaamste warmtebronnen zijn de rookgassen en de motorblokkoeling. Daarnaast zijn er ook nog de oliekoeling en, indien de motor voorzien is van een turbo-oplading, de intercooler. Het nuttig aanwenden van de warmte is een hele opgave, zeker gezien de verschillende temperatuurniveauís. Bovendien is de warmte beschikbaar op relatief lage temperaturen, zodat de warmte meestal geproduceerd wordt onder de vorm van warm water. Stoomproductie is bij motoren niet uitgesloten, maar houdt een daling van de totale brandstofbenuttiging in. Figuur 1 illustreert een warmteterugwinning bij een zuigermotor.



Figuur 1: Warmteterugwinning bij een zuigermotor

Essentieel zijn de temperatuur waarop de warmte gewenst wordt en de temperatuur van het retourwater dat naar de motor terugkomt. Deze bepalen immers welke warmtebronnen gebruikt kunnen worden om nuttige warmte te produceren, en in welke volgorde ze geschakeld moeten worden. Figuur 1 illustreert dit. Het spreekt dan ook voor zich dat het thermisch rendement van een motor sterk kan verschillen naargelang de gewenste temperatuur en de retourtemperatuur. Een totale brandstofbenuttiging van 80 tot 90 % is toch mogelijk.

Motoren hebben als belangrijk nadeel dat er veel bewegende onderdelen aanwezig zijn (kleppen, zuiger, Ö). Dit zorgt er niet alleen voor dat de zuigermotor vrij veel lawaai maakt, maar bovendien ook dat hij veel onderhoud vergt. De onderhoudskosten liggen hoger dan bij concurrrerende technologieŽn met dezelfde vermogens, en zijn dan ook een niet te verwaarlozen factor in een economische analyse. Zuigermotoren zijn in staat om vrij snel op te starten en elektriciteit te produceren, denken we maar aan het gebruik van diesels als noodaggregaten. Thermisch reageren de motoren echter veel trager, zodat zij in veel gevallen slechts gebruikt worden om een basisbehoefte aan warmte op te vangen, terwijl ketels zorgen voor de pieken in de warmtevraag.

Bij beide motortypes moet men aandacht besteden aan de emissies. Rookgasreiniging met behulp van katalysatoren is noodzakelijk om te voldoen aan de strenge eisen. Bij dieselmotoren moet men bovendien extra letten op het beperken van de uitstoot van roetdeeltjes.


Gasmotoren

Gasmotoren zijn verkrijgbaar met vermogens vanaf enkele kilowatt tot ongeveer 10 MW. Bij dit type motoren wordt een mengsel van brandstof en lucht aangezogen in de cilinder en vervolgens gecomprimeerd. De ontsteking gebeurt naar het einde van de compressie toe door een extern opgewekte vonk. Door de voortschrijdende verbranding stijgt de druk in de cilinder, en wordt de zuiger achteruitgedreven. Tijdens dit deel van de cyclus wordt arbeid geleverd. De laatste fase van de cyclus is de uitdrijving van de rookgassen uit de cilinder. Men spreekt hierbij van een viertakt-motor, omdat er vier slagen zijn in een cyclus, namelijk inlaat, compressie, expansie door verbranding en uitlaat.

Het elektrisch rendement van een gasmotor begraagt 30 tot 40%. Opdat het brandstofmengsel zou kunnen ontstoken worden, is het belangrijk dat het mengsel niet te veel maar ook niet te weinig lucht bevat. Voor het rendement zou een arm mengsel, dus meer lucht, nochtans gunstig zijn. Daarom wordt geprobeerd om, eens de verbranding goed op gang is, een armer mengsel te hebben in de cilinder. Technieken hiervoor zijn bijvoorbeeld voorkameronsteking of diesel pilot ontsteking. Op deze manier kan men het rendement verbeteren.

Gasmotoren kunnen ook als WKK aangewend worden voor kleinschalige toepassingen, tot zelfs de verwarming en elektriciteitsproductie in particuliere woningen. De geluidshinder kan hierbij een probleem zijn, maar ook de kostprijs vormt een hinderpaal. Hoe kleiner het vermogen van de gasmotor immers is, hoe hoger de specifieke investeringskost (= de kostprijs per vermogeneenheid) wordt.


Dieselmotoren

Ook bij de dieselmotor vinden we de vier slagen in de cyclus terug. Hier wordt echter enkel lucht samengedrukt in de cilinder, en wel tot een temperatuur wordt bereikt die hoger is dan de onstekingstemperatuur van de brandstof. Vervolgens wordt deze brandstof ingespoten en onsteekt ze. Door de drukstijging ten gevolge van de verbranding wordt de zuiger teruggedrongen: er wordt arbeid geleverd. Ook hier wordt deze arbeid eerst in een roterende beweging en vervolgens in elektriciteit omgezet. De laatste fase is opnieuw de uitdrijving van de rookgassen uit de cilinder.

Dieselmotoren halen een ietwat hoger elektrisch rendement dan Ottomotoren. Het thermisch rendement is dan weer lager. Bij een dieselmotor kan men immers geen rookgascondensatie toepassen, gezien de zwavelinhoud van de brandstof. Dieselmotoren situeren zich ook meer richting de grotere vermogens, en zijn verkrijgbaar in het spectrum van 100 kW tot enkele tientallen MW. Momenteel worden dieselmotoren als WKK niet zoveel meer toegepast, de nadruk ligt op de gasmotoren.





[ Terug naar begin van de pagina ][ Terug naar de homepage ]