2.3 WKK met dieselmotor

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

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

Thermodynamische grondslagen

De 'dieselmotor' in WKK-toepassingen is gebaseerd op de thermodynamische dieselcyclus.

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

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

Figuur 2.3-1 toont het thermodynamische pV-diagram van de ideale diesel-cyclus.

Figuur 2.3-1 : Geïdealiseerd pV-diagram diesel-cyclus

In figuur 2.3-1 zien we dat de zuiger tijdens de slagen beweegt tussen ODP (onderste dode punt) en BDP (bovenste dode punt).

In het pV-diagram in figuur 2.3-1 worden de volgende deelprocessen onderscheiden:

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

In tegenstelling tot de Ottomotor, waarbij een gecomprimeerd brandbaar mengsel in de cilinder met behulp van een bougie wordt ontstoken, wordt bij de dieselmotor enkel lucht gecomprimeerd. Even voor het einde van de compressieslag wordt fijn verdeelde brandstof in de cilinder gespoten, waarbij ontbranding plaatsvindt.
Bij dieselmotoren is de compressieverhouding (12 - 24) aanzienlijk groter dan bij Ottomotoren (8 - 12,5).

Elektrische en thermische vermogens

Elektrisch vermogen

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

Voor verdere informatie over turbo-intercooler wordt terugverwezen naar paragraaf 2.2.

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

De vermogenrange van op de markt beschikbare dieselmotoren is zeer groot; deze varieert van motoren met enkele tientallen kWe tot zeer grote scheepsmotoren van tientallen MW.
In verband met WKK-toepassingen is het eenheidsvermogen in de praktijk niet groter dan 4 MW; indien grotere vermogens nodig zijn, wordt vaak geopteerd voor meerdere motoren in parallel.

Figuur 2.3-2 toont voor een aantal op de markt beschikbare dieselmotoren voor WKK-toepassingen het elektrisch vermogen in functie van het toerental.

Figuur 2.3-2 : Elektrisch vermogen WKK met dieselmotor in relatie met het toerental

Figuur 2.3-2 toont dat voor installaties met vermogens tussen 200 kW en 1,5 MW er de keuze is tussen motoren met 600 of 750 toeren per minuut ('traaglopers') en motoren met 1500 toeren per minuut ('snellopers').
Zoals bij de gasmotoren is ook bij de dieselmotoren het aanbod van motoren voor WKK-toepassingen het grootst tussen 200 kW en 1 MW.

Thermisch vermogen

Zoals bij een WKK met gasmotor (figuur 2.2-2) kunnen ook bij een WKK met dieselmotor meestal de volgende warmtestromen onderscheiden worden:

· tussenkoeler
· oliekoeler
· motorblokkoeler
· uitlaatgassenkoeler

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.

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

Een belangrijk aspect bij de warmterecuperatie bij de uitlaatgassen van dieselmotoren is dat men de rookgassen niet zo diep mag afkoelen als bij gasmotoren. Een minimale temperatuur van 180 °C moet gerespecteerd worden omdat, ten gevolge van het zwavelgehalte van de diesel, zwavelzuur gevormd wordt bij 173 °C (173 °C is het dauwpunt van zwavelzuur) wat corrosieproblemen geeft.

Figuur 2.3-3 toont voor enkele WKK-systemen met dieselmotor het thermisch vermogen van op de markt beschikbare dieselmotoren.

Figuur 2.3-4 toont de warmtekrachtverhouding (kWt/kWe) van op de markt beschikbare dieselmotoren.

Uit figuur 2.3-4 leiden we af dat in overeenstemming met figuur 2.3-3 de warmtekrachtverhouding bij WKK met dieselmotor (circa 1,0) lager ligt dan die bij WKK met gasmotor.

Dit wil zeggen dat indien een bedrijf een warmtevermogen van 1 MW nodig heeft bij een maximale retourtemperatuur van 70 °C, dat dan een WKK met dieselmotor met een elektrisch vermogen van 1 MWe geïnstalleerd kan worden (warmtekrachtverhouding van 1); indien geopteerd wordt voor een gasmotor komt men uit op een WKK met gasmotor met een elektrisch vermogen van circa 650 kWe (warmtekrachtverhouding 1,5).

Voor WKK met dieselmotoren met een elektrisch vermogen kleiner dan 1000 kWe, ligt de warmtekrachtverhouding tussen 1,0 en 1,2. Bij grotere motoren ligt de warmtekrachtverhouding nog lager.

Figuur 2.3-3: Thermisch vermogen van WKK met dieselmotoren

Figuur 2.3-4: Warmtekrachtverhouding van WKK met dieselmotoren

Rendementen

Elektrisch rendement

Eigen aan de thermodynamische grondslagen van de diesel- en de Ottomotor is dat de dieselmotor een beter mechanisch rendement heeft; in WKK-toepassingen is dus het elektrisch rendement van een WKK met dieselmotor hoger dan dat van een WKK met gasmotor.

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 niet vermeld.

Figuur 2.3-5 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.

Figuur 2.3-5 : Elektrisch rendement WKK met dieselmotor

In figuur 2.3-5 zien we dat bij bijna alle dieselmotoren het elektrisch rendement bij vollastbedrijf tussen 38 en 42% ligt.

Thermisch rendement

Zoals eerder vermeld is het niet vanzelfsprekend om over het thermisch vermogen van een WKK met motor te spreken; het is bijgevolg evenmin mogelijk om over het thermisch rendement van een WKK te spreken.

Figuur 2.3-6 toont het thermisch rendement van WKK-systemen met dieselmotor, uitgaande van een maximale retourtemperatuur van het water van 50 °C. De figuur toont dat het thermisch rendement, afhankelijk van de motor varieert tussen 40 % en 50%.

Figuur 2.3-6 : Thermisch rendement WKK met dieselmotor

Als van een WKK met dieselmotor het elektrisch en thermisch rendement opgeteld worden, komt men tot de totale brandstofbenuttingsgraad; deze is voor de diverse motoren weergegeven in figuur 2.3-7.

Figuur 2.3-7: Totale brandstofbenuttingsgraad WKK met dieselmotor

Figuur 2.3-7 toont dat de totale brandstofbenutting bij WKK met dieselmotoren 80 tot 90% bedraagt.

Deellastgedrag

Zoals bij de Ottomotor heeft ook bij de dieselmotor deellastbedrijf invloed op de karakteristieken van het WKK-systeem.

Toch dient opgemerkt te worden dat bij de dieselmotor de karakteristieken minder negatief worden beïnvloed dan bij de Ottomotor. Figuur 2.3-8 toont enkele gestileerde deellastkarakteristieken voor WKK-systemen met dieselmotor.

a. Vermogens en warmtekrachtverhouding in functie van het elektrisch vermogen

b. Conversiefactoren in functie van het elektrisch vermogen

Figuur 2.3-8: Gestileerd deellastgedrag WKK met dieselmotor

Uit figuur 2.3-8a blijkt dat bij dalend elektrisch vermogen het thermisch vermogen sterker daalt, zodat de warmtekrachtverhouding afneemt bij dalende belasting. Het brandstofverbruik neemt minder dan evenredig af, zodat de rendementen bij deellast afnemen.

Opgemerkt wordt dat vooral het elektrisch rendement van een dieselmotor in deellast tamelijk constant is; dit in tegenstelling tot de gasmotor. In vergelijking met het elektrisch rendement neemt het thermisch rendement sterker af bij deellast.