2.2 WKK met gasmotor

Van het WKK-systeem gebaseerd op een gasmotor worden in deze paragraaf de volgende aspecten toegelicht:

1. Thermodynamische grondslagen
2. Elektrische en thermische vermogens
3. Rendementen
4. Deellastgedrag

Thermodynamische grondslagen

De 'gasmotor' in WKK-toepassingen is gebaseerd op de thermodynamische Ottocyclus.

Bij de 4-takt Ottomotor worden vier afzonderlijke slagen onderscheiden :

· inlaatslag;
· compressieslag;
· arbeidsslag (expansieslag);
· uitlaatslag.

Figuur 2.2-1 toont het thermodynamische pV-diagram van de ideale Otto-cyclus.

Figuur 2.2-1 : Geïdealiseerd pV-diagram Otto-cyclus

In figuur 2.2-1 zien we dat de zuiger tijdens de slagen beweegt tussen het ODP (onderste dode punt) en het BDP (bovenste dode punt).

In het pV-diagram in figuur 2.2-1 worden de volgende deelprocessen onderscheiden:

0-1 : inlaatslag
1-2 : gasmengsel wordt adiabatisch gecomprimeerd
2-3 : gasmengsel wordt isochoor verbrand
3-4 : verbrandingsgassen expanderen adiabatisch
4-1 : de verbrandingsgassen worden isochoor afgevoerd
1-0 : de zuiger beweegt van "1" naar "0"

Door de ligging van ODP en BDP liggen de volumina Vc en Vs vast :

Vc : volume verbrandingsruimte (= volume boven zuiger als zuiger in BDP)
Vs : slagvolume (= volume tussen ODP en BDP).

Een zeer belangrijk begrip bij motoren (o.a. in verband met het rendement) is de compressieverhouding, e, die de verhouding tussen de genoemde volumina aangeeft.

Bij aardgasmotoren komen in praktijk compressieverhoudingen tussen 8 en 12,5 voor.

Zoals eerder opgemerkt toont figuur 2.2-1 het geïdealiseerde thermodynamische proces: in werkelijkheid bestaan geen adiabatische compressie, adiabatische expansie en isochore verbranding.

Elektrische en thermische vermogens

Elektrisch vermogen

Een gasmotor levert mechanisch vermogen, dat voornamelijk bepaald wordt door de constructiematen (boring en slag van cilinders, aantal cilinders), door het toerental en door de gemiddelde effectieve zuigerdruk.

Vanzelfsprekend is bij stationaire gasmotoren in WKK-toepassingen het toerental constant.
Een manier om bij een bepaalde motor (boring, slag, aantal cilinders, toerental) het motorvermogen te vergroten is het verhogen van de effectieve druk. Dit kan gebeuren door middel van 'drukvulling' (turbo), wat tegenwoordig bij veel motoren toegepast wordt.
Bij 'drukvulling' wordt door de wegstromende uitlaatgassen een turbine aangedreven, die op haar beurt een compressor aandrijft ('turbo-compressor', zie figuur 2.2-2): hierdoor kan de zuiger met een aanzienlijk hogere druk gevuld worden dan bij zogenaamde 'zelfaanzuigende' motoren: bij aardgasmotoren zijn met gebruik van een turbo-compessor absolute vuldrukken tot 2,5 bar mogelijk.

Toepassing van een turbocompressor kan voor een zelfde motorblok ongeveer het dubbele in mechanisch vermogen betekenen in vergelijking met een 'zelfaanzuigende' motor; dit verlaagt de investeringskosten per kW en de benodigde ruimte voor de motor.

Een turbocompressor verhoogt de compressie-einddruk en de compressie-eindtemperatuur. Deze verhoogde temperatuur kan leiden tot 'spontane ontbranding' (kloppen) van het mengsel. Om dit te vermijden wordt het opgewarmde mengsel, alvorens het de cilinder ingaat, gekoeld met een tussenkoeler (intercooler). Tussenkoeling verbetert ook het resultaat van de turbocompressie omdat de dichtheid van het mengsel toeneemt.
Bij de bespreking van het thermisch vermogen verderop in deze paragraaf komt de tussenkoeler nog aan bod.

Het mechanisch vermogen van de gasmotor wordt met behulp van een generator omgezet in elektrisch vermogen. Natuurlijk heeft de elektrische generator ook verliezen, waarbij typische rendementen circa 95% bedragen.

Momenteel zijn gasmotoren voor WKK-toepassingen op de markt met vermogens variërend tussen 5 kWe en 4 MWe.

Zoals verderop in deze paragraaf zal blijken, hebben de meeste motoren een elektrisch vermogen tussen 200 kWe en 1000 kWe. Het aantal motoren met een elektrisch vermogen kleiner dan 200 kWe en groter dan 1000 kWe is eerder beperkt.

Thermisch vermogen

In een WKK-systeem met gasmotor kunnen meestal de volgende warmtestromen onderscheiden worden:
· tussenkoeler
· oliekoeler
· motorblokkoeler
· uitlaatgassenkoeler

Figuur 2.2-2 toont de warmtebronnen van een WKK-installatie met gasmotor die uitgerust is met een turbo in combinatie met een tussenkoeler.

Figuur 2.2-2: Warmtebronnen in een WKK-installatie met gasmotor

Het aandeel van de genoemde warmtebronnen in de totale warmterecuperatie is afhankelijk van de constructie en uitvoering van de motor en van het gewenste temperatuurniveau in de WKK-toepassing.

Tabel 2.2-1 toont de temperatuurniveaus van de genoemde warmtebronnen van op de markt beschikbare gasmotoren; in deze tabel zijn bij tussenkoeling, oliekoeling en koelwaterkoeling de maximale inlaattemperaturen en bij rookgassen de gemiddelde rookgastemperatuur, zoals die door de leveranciers zijn opgegeven, weergegeven.

Tabel 2.2-1: Temperatuurniveaus warmtebronnen WKK met gasmotor

Warmtebron Temperatuur[°C]
TussenkoelerSmeerolieKoelwaterUitlaatgassen 30 - 8075 - 9575 - 120400 - 550

Het hangt dus van de specifieke toepassing af of, en zo ja, in welke mate de warmte van een bepaalde warmtebron gerecupereerd kan worden.

Zo kan bijvoorbeeld bij een WKK-toepassing in een ziekenhuis met een centrale verwarming werkend op een regime van 70/90 °C, in een aantal gevallen de warmte van de tussenkoeler niet gerecupeerd worden.

Als we daarentegen een tuinbouwbedrijf hebben, dat is uitgerust met twee verwarmingsnetten, nl. een net met regime 30/40 °C en een net met 70/90 °C, dan kan de maximale hoeveelheid warmte van alle warmtebronnen gerecupereerd worden.

Indien we een toepassing hebben in een industrieel bedrijf waar de WKK-installatie gekoppeld wordt aan een absorptiekoelmachine met een minimale temperatuur van 110 °C, dan is de mogelijkheid tot warmterecuperatie aanzienlijk kleiner. De beschikbare warmte in tussenkoeler en smeeroliekoeler komt niet in aanmerking voor recuperatie en dient dus integraal weggekoeld te worden. Voor een beperkt aantal gasmotoren is een intredetemperatuur bij het motorkoelwater van 110 °C nog toegelaten, en kan de warmte van het motorkoelwater dus gerecupereerd worden. Voor de meeste gasmotoren is een intredetemperatuur van 110 °C niet aanvaardbaar en moet dus ook deze warmte weggekoeld worden. Vanzelfsprekend kan de warmte van de rookgassen bij alle gasmotoren benut worden bij een retourtemperatuur van 110 °C.

Bovenstaande drie eenvoudige voorbeelden tonen aan dat het niet vanzelfsprekend is om over het thermisch vermogen van een gasmotor te spreken, maar dat het thermisch vermogen sterk afhangt van de temperatuur van het retourwater in het warmtenet.

Figuur 2.2-3 toont daarom voor enkele retourtemperaturen (70 °C, 90 °C en 110 °C) het thermisch vermogen van op de markt beschikbare gasmotoren.

Figuur 2.2-4 toont de warmtekrachtverhouding (kWt/kWe) die ook de afhankelijkheid van de retourtemperatuur ook duidelijk weergeeft.

Uit figuur 2.2-4 leiden we af dat in overeenstemming met figuur 2.2-3 de warmtekrachtverhouding meestal daalt bij een hogere retourtemperatuur, omdat het aantal recupereerbare warmtebronnen afneemt.
Bij een retourtemperatuur van 70 °C bedraagt de gemiddelde warmtekracht-verhouding bij motoren met een elektrisch vermogen kleiner dan 1 MWe circa 1,3 tot 1,7; voor de grotere vermogens daalt de warmtekrachtverhouding globaal tot waarden tussen 1,0 en 1,3.

Als we uitgaan van een retourtemperatuur van 90 °C, dan zien we dat voor een groot aantal motoren de warmtekrachtverhouding daalt tot waarden tussen 0,5 en 1,0; dit komt omdat bij deze temperaturen bij slechts enkele motoren de tussenkoelerwarmte gevaloriseerd kan worden en dat bij een relatief groot aantal motoren de olie- en koelwaterwarmte niet benut kunnen worden. Met een beperkt aantal configuraties, waarbij hogere intredetemperaturen voor olie en koelwater zijn toegelaten wordt een hogere warmtekrachtverhouding van 1,0-1,5 bereikt.

Indien de retourtemperatuur 110 °C bedraagt, blijkt er een duidelijke scheiding te bestaan tussen "hoge temperatuur motoren" en "lage temperatuur motoren". Uit de figuur blijkt dat, als we streven naar een warmtekrachtverhouding groter dan 1, we beperkt zijn in de keuze van de motoren; dergelijke motoren zijn momenteel verkrijgbaar in het segment 450-900 kWe en 1500-2000 kWe.

a. Retourtemperatuur 70 °C

b. Retourtemperatuur 90 °C

c. Retourtemperatuur 110 °C

Figuur 2.2-3: Thermisch vermogen van gasmotoren bij enkele retourtemperaturen

a. Retourtemperatuur 70 °C

b. Retourtemperatuur 90 °C

c. Retourtemperatuur 110 °C

Figuur 2.2-4:Warmtekrachtverhouding van gasmotoren bij diverse retourtemperaturen

Rendementen

Elektrisch rendement

Zuiver thermodynamisch gezien is het theoretisch mechanisch rendement van de Ottomotor voornamelijk afhankelijk van de compressieverhouding. Voor een gasmotor worden bij een courante compressieverhouding van 10 tot 12 theoretische rendementen van 55 tot 60% bereikt.

In de praktijk zijn echter de mechanische rendementen van Ottomotoren aanzienlijk lager, vanwege o.a.

· onvolledig benutte compressieverhouding
· warmteverliezen koelwater
· niet ideaal gasmengsel
· onvolledige verbranding
· wrijvingsverliezen
· smoorverliezen

Deze verliesposten zijn er de oorzaak van dat in de praktijk het rendement aanzienlijk lager is dan het theoretisch haalbare rendement.

Behalve de "mechanische verliezen" brengt ook de omzetting van mechanische energie in elektrische energie via een generator verliezen met zich mee: een richtwaarde voor het rendement van een generator is 95%.

In de praktijk wordt met het elektrisch vermogen van een WKK-installatie het vrijkomende vermogen aan de klemmen van de generator bedoeld; het aldus gedefinieerde elektrisch rendement houdt dus rekening met alle eerder besproken verliesposten.
Meestal wordt het elektriciteitsverbruik van de WKK-installatie zelf voor bv. waterpompen of besturingselektronica echter niet vermeld.

Figuur 2.2-5 toont het elektrisch rendement (= opgegeven klemvermogen van de generator als percentage van de aardgastoevoer op onderste verbrandingswaarde, excl. eigenverbruik) in functie van het elektrisch vermogen.
Deze specificaties, die door de leveranciers zelf werden gegeven, zijn gebaseerd op het gebruik van Gronings aardgas (onderste verbrandingswaarde 31,650 MJ/Nm³).

In figuur 2.2-5 zien we dat bij bijna alle gasmotoren het elektrisch rendement bij vollastbedrijf tussen 30 en 40% ligt, met uitzondering van drie kleine motoren die een elektrisch rendement van minder dan 30% hebben.

Figuur 2.2-5 : Elektrisch rendement WKK met gasmotor

Thermisch rendement

Zoals eerder vermeld is het niet vanzelfsprekend om over het thermisch vermogen van een WKK met gasmotor te spreken; het is bijgevolg evenmin mogelijk om over het thermisch rendement van een WKK te spreken.
Conform de figuren 2.2-3 en 2.2-4 werd daarom in figuur 2.2-6 het thermisch rendement van een aantal motoren berekend bij drie verschillende retourtemperaturen (70 °C, 90 °C, 110 °C).

Bij een "lage" retourtemperatuur van 70 °C ligt het thermisch rendement meestal tussen 45 en 55%. Voor een retourtemperatuur van 90 °C zien we dat voor relatief veel motoren het thermisch rendement daalt tot waarden tussen 20 en 30%; enkel de motoren met een warmtekrachtverhouding tussen 1,0 en 1,5 hebben nog een goed thermisch rendement van 40-50%. De situatie bij een retourtemperatuur van 110 °C is vergelijkbaar met die van 90 °C, met dit verschil dat nog minder configuraties thermische rendementen van 40-50% behalen.

In hoofdstuk 3 zal blijken dat in verband met het begrip 'kwaliteits-WKK' bovenstaande bemerkingen essentieel zijn.

Figuur 2.2-7 toont de combinaties van elektrisch en thermisch rendement voor de drie retourtemperaturen.

Als van een WKK het elektrisch en thermisch rendement opgeteld worden, komt men tot de 'totale brandstofbenuttingsgraad' bij de drie genoemde retourtemperaturen (figuur 2.2-8).


a. Retourtemperatuur 70 °C

b. Retourtemperatuur 90 °C

c. Retourtemperatuur 110 °C

Figuur 2.2-6: Thermisch rendement van gasmotoren bij enkele retourtemperaturen



a. Retourtemperatuur 70 °C

b. Retourtemperatuur 90 °C

c. Retourtemperatuur 110 °C

Figuur 2.2-7: Elektrisch en thermisch rendement bij enkele retourtemperaturen

a. Retourtemperatuur 70 °C

b. Retourtemperatuur 90 °C

c. Retourtemperatuur 110 °C

Figuur 2.2-8:Totale brandstofbenutting van gasmotoren bij enkele retourtemperaturen

We zien in figuur 2.2-8 dat bij een retourtemperatuur van 70°C de totale brandstofbenuttingsgraad globaal tussen 80 en 90% ligt.

Wanneer we uitgaan van een retourtemperatuur van 90°C, dan blijkt dat voor meer dan de helft van de beschouwde configuraties de totale brandstofbenutting aanzienlijk lager ligt, namelijk tussen 50 en 70%. Voor de motoren met hogere warmtekrachtverhoudingen (zie figuur 2.2-4) zijn totale benuttingsgraden van 70-80% bereikbaar.

Bij een retourtemperatuur van 110°C is voor een groot gedeelte de totale brandstofbenutting beperkt tot 50-60%. Met slechts enkele motoren is het mogelijk om een totale brandstofbenutting van 70-80% te realiseren.

Ter afsluiting van deze paragraaf over rendementen toont figuur 2.2-9 een 'ideaal' WKK-systeem, waarbij de beschikbare energiebronnen van de WKK maximaal benut worden.

Figuur 2.2-9:Voorbeeld valorisatie energiebronnen bij een WKK-systeem

Van de brandstof die in de motor gaat wordt 35% omgezet in elektriciteit.
Voor de warmterecuperatie zijn er in het voorbeeld twee gescheiden hydraulische circuits: een circuit met een retourtemperatuur van 30 °C en een circuit met een retourtemperatuur van 70 °C.
De retour van het warmtenet van 30 °C wordt eerst langs de turbokoeling geleid, waardoor het water wordt opgewarmd tot 32 °C; vervolgens warmt het water op via de recuperatie van de warmte van de oliekoeling tot 35 °C. Tenslotte is in de rookgassen een rookgascondensor geplaatst, waardoor het water tot 40 °C opgewarmd wordt.
Het hydraulische circuit met een retourtemperatuur van 70 °C wordt eerst geleid langs de recuperatie van het motorkoelwater, waardoor het water opgewarmd wordt tot 77 °C; vervolgens wordt het water langs de warmterecuperatie van de rookgassen geleid, waardoor het water uit de WKK vertrekt met een temperatuur 82 °C.

Deellastgedrag

Het is vanzelfsprekend dat bij deellastbedrijf van een WKK-systeem niet alle parameters evenredig met elkaar variëren. Het deellastgedrag is onder meer afhankelijk van de constructie van het WKK-systeem (bv. het al dan niet uitgerust zijn van een gasmotor met een turbo).

Op basis van een aantal systeemspecificaties geeft figuur 2.2-10 enkele indicatieve curves weer, die tonen hoe een aantal parameters variëren in functie van de belasting. Natuurlijk zullen voor ieder WKK-systeem de curves anders liggen, maar de figuren 2.2-10a en 2.2-10b, waarin de vollastwaarden op 100 zijn geïndexeerd, geven de meest interessante tendensen aan.

a. Vermogens en warmtekrachtverhouding in functie van het elektrisch vermogen

b. Conversiefactoren in functie van het elektrisch vermogen

Figuur 2.2-10: Gestileerd deellastgedrag WKK-systeem met gasmotor

Uit figuur 2.2-10a blijkt dat bij dalend elektrisch vermogen natuurlijk ook het thermisch en het brandstofvermogen dalen, maar dat deze laatste twee minder sterk afnemen dan het elektrisch vermogen. Dit resulteert in een stijgende warmtekrachtverhouding bij deellastbedrijf. Uit het voorbeeld van figuur 2.2-10a blijkt dat de warmtekrachtverhouding bij halflast 20% hoger is dan bij vollast.

Figuur 2.2-10b toont de effecten op de rendementen, waarbij we zien dat het elektrisch rendement het sterkst daalt in functie van de belasting: bij halflast bedraagt het elektrisch rendement iets meer dan 80% van het elektrisch rendement bij vollast.
Omdat bij deellastbedrijf het thermisch vermogen ten opzichte van het elektrisch vermogen minder sterk afneemt, is het logisch dat het thermisch rendement minder sterk daalt dan het elektrisch rendement.
Deze combinatie van het verloop van elektrisch en thermisch rendement in functie van de belasting leidt er toe dat de totale conversiefactor van het WKK-systeem nauwelijks verandert.

terug naar inhoudstabel