2.7 Nieuwe WKK-technologieën

2.7.1 Microturbines

Thermodynamica

Microturbines zijn technologisch gezien het kleinere broertje van de gasturbine. Zij werken thermodynamisch gezien volgens dezelfde cyclus als de grote gasturbines: de Braytoncyclus. Dit houdt in dat de binnenkomende lucht in een roterende compressor op druk gebracht wordt. Vervolgens wordt de gecomprimeerde lucht door toevoeging van warmte en brandstof verhit. Hierdoor neemt het volume van de lucht sterk toe. De hete lucht zal vervolgens een belangrijk deel van zijn energie vrijgeven aan de turbine welke de lucht ontspant.

Zoals de naam al laat vermoeden, zijn microturbines veel kleiner dan de gewone gasturbines: 30…250 kWe in plaats van enkele MW_e. Opdat de microturbines economisch interessant zouden zijn, moet er dan ook op gelet worden dat de microturbine qua constructie veel eenvoudiger is dan een grote gasturbine. Daarom opteert men ervoor om de microturbines met heel lage drukverhoudingen te laten werken, typisch 3…5. Bij het hoofdstuk over de gasturbines werd aangetoond dat het rendement van de gasturbine toeneemt bij stijgende drukverhouding[1]. Daarom zal een microturbine zonder speciale maatregelen een eerder laag elektrisch rendement bezitten: typisch 12…15%.

Figuur 1: Principeschema en T-s-diagram van microturbine

Door een slimme ingreep is het elektrisch rendement van de microturbine echter sterk op te drijven. Wanneer de drukverhouding laag is, zal de lucht die de compressor verlaat relatief koud zijn, typisch 200 °C. De lage drukverhouding maakt bovendien dat de expanderende rookgassen niet ver afkoelen: ze verlaten de turbine op meer dan 550 °C! Het is nu mogelijk om een deel van de warmte die in rookgassen vervat zit via een warmtewisselaar over te dragen op de lucht die de compressor verlaat. Figuur 1 geeft dit schematisch weer. De compressorlucht wordt door de recuperatie voorverwarmd zodat er minder brandstof nodig is om de lucht tot de maximale temperatuur (750…950 °C) op te warmen. Dankzij de recuperatie stijgt het elektrisch rendement tot 25…30%.

Figuur 2 laat het effect van de recuperatie op het rendement zien voor een bepaald ontwerp van microturbine. Als de drukverhouding groter dan 12 zou zijn, dan draagt de recuperatie niet meer bij tot het rendement aangezien in dat geval de lucht die de compressor verlaat warmer is dan de rookgassen die de turbine verlaten. Recuperatie is niet meer mogelijk in dat geval. De figuur geeft ook aan dat naarmate de drukverhouding lager wordt, het elektrisch rendement van de microturbine toeneemt, totdat een kantelpunt wordt bereikt waarop het rendement volledig in elkaar stuikt. Het verloop van de figuur verklaart tevens waarom de meeste microturbines een drukverhouding van 3…5 hebben.

Figuur 2: Verloop van het rendement van een niet-gerecupereerde microturbine en een wel-gerecupereerde microturbine in functie van de compressordruk

Technologie

Verbranding & emissies

Microturbines werken in tegenstelling tot motoren met een continu verbrandingsproces. Hierdoor hebben microturbines geen last van kloppen, en zijn ontstekingsproblemen veel minder relevant. Microturbines kunnen dan ook een breed spectrum aan gasvormige brandstoffen verwerken. Zo kan een Capstone-turbine “Medium-Btu” werken met laagcalorisch biogas of stortgas vanaf een methaangehalte van 35% en draait deze turbine even soepel op aardgas. Gasmotoren vergen een methaangehalte van minstens 50%.

Het continue verbrandingsproces zorgt er tevens voor dat de wanden van de verbrandingskamer continu heet zijn. Hierdoor is een goede verbranding verzekerd. De emissies van onverbrande koolwaterstoffen en CO veel lager dan bij motoren.

Bovendien werkt de gerecupereerde microturbine met zeer grote luchtovermaat. De rookgassen bevatten nog 14…18% O₂. De vlamtemperatuur blijft hierdoor beperkt zodat microturbines zeer weinig NO_x uitstoten.

De rookgassen van microturbines zijn voldoende zuiver om direct in een serre toegepast te worden. De rookgassen moeten dus niet meer gereinigd worden. Een aandachtspunt is wel het lage CO₂-gehalte van de rookgassen (1,5…2,5%).

Brandstoftoevoer

Omdat de verbrandingskamer van de microturbines op een hoge druk staat, moet de brandstof eveneens op druk gebracht worden (typisch 4…8 bar). Voor vloeibare brandstoffen is dit niet echt een probleem aangezien brandstofpompen ook in andere systemen courant gebruikt worden. Voor gasvormige brandstoffen echter moet er echter een speciale compressor aangeschaft worden, tenzij het aardgas op hoge druk beschikbaar is. De gascompressor vergt doorgaans ca. 8…10% van het geproduceerde elektrisch vermogen van de microturbine. Het netto elektrisch rendement van het totale systeem neemt daardoor met 2…3 %-punten af. Een gascompressor kost doorgaans 5000…10.000 €.

Onderhoud

De meeste microturbines bevatten uiterst weinig bewegende delen: enkel de rotor waarop zowel de compressor, de turbine als de rotor van de generator gemonteerd staan. In sommige microturbines zijn er twee rotoren aanwezig: één hoge toerenrotor met de compressor en een eerste turbinetrap en een lage toerenrotor met daarop de tweede turbinetrap en de rotor van de generator. Desalniettemin blijft het aantal bewegende delen ver onder dit van de zuigermotoren wat de betrouwbaarheid en het onderhoud ten goede komt.

Capstone heeft zelfs geen oliesmering van de lagers: deze turbines werken met luchtlagering. Dit maakt dat deze turbines ook geen oliewisseling nodig hebben. Capstoneturbines vergen één kleine onderhoudsbeurt elke 8000 uren. Het “klein” onderhoud vergt minder dan 30 minuten inspanning.

Onderhoudscontracten worden aangeboden vanaf 7 €/MWhe, inclusief de grote onderhouds­beurt na 20.000 tot 40.000 h (al naargelang het merk van de turbine).

Commercieel beschikbare microturbines

Op de Europese markt zijn Capstone, Bowman en Elliot momenteel actief. Tot september 2003 was tevens Turbec, een consortium van ABB en Volvo actief. In de Verenigde Staten is er tevens een de dubbelassige turbine van Ingersoll Rand (Powerworks). Onderstaande tabel geeft typische vermogens en rendementen van de turbines.

Voor biogastoepassingen heeft Capstone een speciale versie van de 30 kW-turbine op de markt gebracht. Deze turbine kan tot 7% H₂S in de brandstoftoevoer zonder extra reinigingsstappen verwerken.

Een microturbine kan aangekocht worden voor 850…1100 €/kWe voor de standaardversies en 1500…2000 €/kWe voor de biogasversies. Totale projecten (turbine, gascompressor, gaswassing, gasbuffer, warmtewisselaar, engineering, …) kunnen voor 1500…3500 €/kWe gerealiseerd worden.

Microturbines in WKK-toepassingen

Net zoals bij gewone gasturbines komt alle warmte van de microturbines vrij onder de vorm van hete uitlaatgassen (250…350 °C). De warmte kan door middel van 1 warmtewisselaar op de rookgassen gevaloriseerd worden. Het is tevens mogelijk om stoom te produceren.

Teneinde een goed thermisch rendement van de microturbine in een klassieke wkk-toepassing te bekomen, is het noodzakelijk dat de rookgassen ver afgekoeld worden. Een lage retourtemperatuur van het water naar de warmtewisselaar is dan de boodschap. Het thermisch rendement bedraagt in dat geval 40…65% bij een totale brandstofbenutting van 74…91%.

Omdat de microturbine alle warmte in de vorm van hete en zuurstofrijke rookgassen vrijgeeft, is het echter ook mogelijk om de hete gassen direct te gebruiken om de inlaatlucht van een oven voor te verwarmen of om de branderlucht van een ketel voor te verwarmen. De rookgassen kunnen verder verwarmd worden door gas in de het uitlaagassenstroom bij te stoken. Het thermisch rendement kan hierdoor oplopen van 60% tot meer dan 70% zodat de totale brandstofbenutting tot meer dan 100% kan oplopen (condenserende ketel nageschakeld).