Warmtekrachtkoppeling met turbines


In grote WKK-installaties wordt vrijwel steeds gebruik gemaakt van de turbinetechnologie. Het gaat hierbij dan om een stoomturbine, een gasturbine of een gecombineerde cyclus van stoom- en gasturbine. Toch kunnen turbines ook voor middelgrote en kleine vermogens toegepast worden. Stoomturbines zijn er namelijk voor vrijwel elke vermogengrootte, en ook gasturbines zijn reeds beschikbaar vanaf een vermogen van ongeveer 1 MWe.


Stoomturbine

De stoomturbine is een van de oudste en meest verspreide technologieŽn om generatoren of machines aan te drijven. Ze wordt dan ook veelvuldig toegepast in de elektriciteitsproductie. Ook voor WKK-toepassingen zijn stoomturbines geschikt, en ze werden in het verleden dan ook veelvuldig toegepast in de industrie. Stoomturbines bestaan in diverse uitvoeringsvormen, zodat ze tegemoet kunnen komen aan een groot aantal specifieke behoeften en toepassingen.

De thermodynamische cyclus bij stoomturbines is gebaseerd op de rankine-cyclus. Met behulp van de warmte die vrijkomt bij de verbranding van een brandstof, wordt stoom op hoge druk geproduceerd in een ketel. Deze stoom wordt vervolgens door een turbine gestuurd, waar hij expandeert en de turbine aandrijft. De alternator zet de aldus bekomen draaiende beweging om in elektrische energie. Na de turbine wordt de stoom gecondenseerd en teruggebracht naar de ketel, waar de cyclus herbegint. Dit wordt geÔllustreerd in figuur 1. De verbranding gebeurt uitwendig; er is dus geen rechtstreeks contact tussen de vuurhaard en het procesfluidum (stoom). Dit betekent dat er geen specifieke kwaliteitseisen opgelegd worden aan de brandstof, en dat dus nagenoeg elke brandstof verstookt kan worden. Anderzijds houdt dit natuurlijk ook in dat er verliezen optreden bij de warmteoverdracht.



Figuur 1: Principeschema warmtekrachtkoppeling met stoomturbine

Stoomturbines voor WKK-toepassingen kunnen onderverdeeld worden in twee grote types: de tegendrukstoomturbine en de condensatieturbine met stoomaftap. In een tegendrukstoomturbine verlaat de stoom de turbine op een bepaalde druk, opgelegd door het nageschakelde proces. Op deze manier komt steeds stoom van een bepaalde kwaliteit ter beschikking van de warmtegebruiker. In de turbine wordt de stoom dus slechts ontspannen tot een druk die groter is dan atmosferische druk.

Bij een condensatieturbine met stoomaftap wordt de benodigde hoeveelheid stoom op de gewenste druk afgetapt tijdens het expansieproces in de turbine. Deze afgetapte stoom wordt gebruikt om te voldoen aan de warmtebehoefte. In de turbine zelf gaat de expansie door tot een zeer lage druk (lager dan atmosferische druk), waarbij de stoom condenseert in een condensor. Het aldus gevormde water wordt weer naar de stoomketel gestuurd. Het is tevens mogelijk om meerder stoomaftappen te voorzien. Indien men de keuze heeft uit verschillende aftapdrukken en/of de aftapdebieten kan variŽren, dan wordt de machine flexibeler, en ligt de verhouding tussen geproduceerde warmte en elektriciteit niet vast.

Bij een stoomturbine voor WKK-doeleinden ligt de nadruk op de warmteproductie. Het hoeft dan ook niet te verwonderen dat het thermisch rendement bij een dergelijke installatie eerder hoog is, en het elektrisch rendement eerder laag. De stoomturbine zelf (dus zonder de voorgeschakelde stoomketel) haalt een erg hoge beschikbaarheid, van meer dan 99%. De periodes van stilstand voor onderhouds- en inspectiebeurten kunnen meer dan een jaar uit elkaar liggen.


Gasturbine

De gasturbine is vooral gekend voor zijn toepassingen als vliegtuigmotor. Pas de laatste decennia zijn ook warmtekrachtkoppelingsinstallaties op basis van gasturbines volop tot ontwikkeling gekomen. Het gaat hierbij om middelgrote tot grote vermogens, vanaf ongeveer 1 MWe.

Het thermodynamisch proces in een gasturbine wordt gekenmerkt door de Brayton-cyclus. In tegenstelling tot bij stoomturbines, treedt bij deze cyclus een inwendige verbranding op. Dat maakt dat een WKK op basis van gasturbinetechnologie kieskeurig is op gebied van brandstof. Aardgas is de meest gebruikte brandstof, maar ook lichte stookolie kan gebruikt worden. De cyclus verloopt als volgt. Atmosferische lucht wordt aangezogen en samengedrukt in een compressor. In een verbrandingskamer wordt aan deze gecomprimeerde lucht een brandstof toegevoegd, en wordt deze ontstoken. De hete rookgassen op hoge druk worden vervolgens over een turbine ontspannen, waarbij arbeid geproduceerd wordt. Deze arbeid kan via een generator omgezet worden in elektriciteit. De rookgassen die de turbine verlaten hebben echter nog een aanzienlijke warmte-inhoud. Daarom worden deze naar een afgassenketel gestuurd, waar de warmte benut wordt om stoom te produceren. Deze stoom kan dan gebruikt worden voor bijvoorbeeld procesdoeleinden. Om aan grote warmtebehoeftes te voldoen, bestaat de mogelijkheid om bij te stoken in de ketel. Dit houdt dus in dat in de ketel nog een extra hoeveelheid brandstof wordt verbrand, die hierdoor een aanzienlijke hoeveelheid warmte vrijstelt en er zo voor zorgt dat er dus meer stoom geproduceerd kan worden. In figuur 2 wordt de configuratie geschetst.



Figuur 2: Principeschema warmtekrachtkoppeling met gasturbine

Traditioneel wordt met de term ďgasturbineĒ niet enkel de expansieturbine bedoeld, maar de combinatie compressor-verbrandingskamer-turbine. Er zijn twee belangrijke types: de heavy duty en de aeroderivative. Deze laatste is, zoals de naam al laat vermoeden, afgeleid van de vliegtuigmotoren. Dit type heeft het hoogste rendement, omdat het meerassig uitgevoerd wordt. De hogedrukturbine drijft dan de hogedrukcompressor aan, en de lagedrukturbine de lagedrukcompressor en de generator. Het hogedrukgedeelte kan hierdoor op een hogere snelheid draaien. De aeroderivatives zijn bovendien erg licht, maar zijn beperkt in vermogengrootte. De grootste gasturbines zijn van het heavy-duty-type. Deze zijn zwaarder, maar ook robuuster. Het interval tussen onderhoudsbeurten is langer, hetgeen hen ook meer geschikt maakt voor baseload-toepassingen.

Het elektrisch rendement van een WKK met gasturbine bedraagt 25 tot meer dan 40%, al naargelang het een kleinere dan wel grotere vermogens betreft. Ook de mate van bijstook speelt hierbij een rol. De totale brandstofbenuttiging, dus de som van het elektrisch en het thermisch rendement, is 70 tot 85 %. Naar beschikbaarheid toe scoort de gasturbine ook erg goed, namelijk 85% en meer. De frequentie van de onderhoudsbeurten hangt echter sterk af van het aantal starts en stops dat dient uitgevoerd te worden.


Gecombineerde cyclus (combined cycle)

Gasturbine en stoomturbines kunnen ook gecombineerd worden. Zoals eerder beschreven, wordt bij een gasturbine stoom opgewekt in een afgassenketel, al dan niet met bijstook. Hier wordt de in de rookgassen aaanwezige warmte benut om er stoom mee te maken. Deze stoom kan ook gebruikt worden om een stoomturbine aan te drijven, in plaats van voor procesdoeleinden. Indien een generator op de as van de stoomturbine wordt geplaatst, kan zo extra elektriciteit worden grproduceerd. De warmtebehoefte kan gedekt worden door tegendrukstoom of aftapstoom uit de stoomturbine.

Het hoeft geen betoog dat dergelijke configuraties een erg hoog elektrisch rendement halen, hetgeen uiteraard een lager thermisch rendement met zich meebrengt. Ze zijn vergelijkbaar met de STEGís, die gebruikt worden voor elektriciteitsproductie, en waarbij uiteraard geen stoomvraag bestaat. Figuur 3 toont een schema voor een warmtekrachtkoppeling met een gecombineerde cyclus.



Figuur 3: Principeschema warmtekrachtkoppeling met gecombineerde cyclus


Microturbines

Microturbines verschillen in feite weinig van de klassieke, grote gasturbine, die gebruikt wordt in vliegtuigmotoren en grote WKK-toepassingen. Ze werken dan ook volgens hetzelfde principe: de aangezogen lucht wordt eerst gecomprimeerd in een compressor en daarna verder verhit in een verbrandingskamer, waar een brandstof Ė meestal gas Ė wordt verbrand. De rookgassen die aldus ontstaan worden daarna geŽxpandeerd over een turbine. Op deze manier wordt arbeid geleverd, enerzijds voor de aandrijving van de compressor en anderzijds voor de productie van elektriciteit via de alternator.

Er zijn natuurlijk ook wel verschilpunten tussen microturbines en grote turbines. De vermogengroottes liggen uiteraard een stuk lager: de microturbine is beschikbaar voor elektrische vermogens van 25 tot 250 kWe. Een microturbine beschikt, om een voldoende hoog elektrisch rendement te halen, bovendien over een recuperator, waarin de gecomprimeerde lucht , alvorens naar de verbrandingskamer te stromen, wordt opgewarmd met behulp van de hete rookgassen die de turbine verlaten. Figuur 1 illustreert dit.



Figuur 4: Schematische voorstelling van een microturbine

In vergelijking met de klassieke technologie in het bereik van de kleine vermogens, namelijk de kleine gasmotor, biedt de microturbine enkele interessante voordelen. Alle warmte wordt in een microturbine immers via de rookgassen beschikbaar gesteld. Dit maakt dat er slechts ťťn warmtewisselaar nodig is, en dat het bovendien eenvoudiger wordt om de warmte te benutten. Een gasmotor stelt daarentegen warmte vrij op verschillende plaatsen en verschillende temperatuurniveauís. Dit maakt het benutten ervan veel complexer. Daarnaast scoort de microturbine op gebied van emissies ook beter dan de gasmotor. Dit komt door het continue verbrandingsproces in de turbine. Een derde voordeel van de microturbine is de lage onderhoudskost, veroorzaakt door het geringe aantal bewegende onderdelen. In veel gevallen zijn naast compressor en turbine immers ook de generatoren direct op de as gekoppeld. Sommige microturbines kunnen bovendien volledig olievrij werken. Daarnaast treden ook weinig trillingen op, en is het geluidsspectrum makkelijk te dempen.

Ook naar investeringskost heeft de microturbine het niveau van de gasmotor bereikt. Geen van beide technologieŽn is goedkoop, maar ze zijn onderling wel vergelijkbaar qua prijs.

Voor toepassingen met biogas is de microturbine eveneens een zeer interessante optie. In tegenstelling tot de klassieke gasmotor kan de microturbine immers goed overweg met brandstoffen met een lagere of niet constante energie-inhoud.
Als minpunt kunnen we vermelden dat het elektrisch rendement, en ook het totaal rendement van een microturbine een fractie lager ligt dan dat van een gasmotor van hetzelfde vermogen. Dit is zeker het geval indien de brandstof gecomprimeerd dient te worden alvorens ze in de verbrandingskamer kan gebracht worden. Daarnaast is de microturbine een relatief nieuwe technologie, die in Vlaanderen nog onvoldoende gekend is om in grotere getale toe te passen. Nochtans zijn de resultaten behaald met projecten in het buitenland erg positief.







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