De eerste elektriciteitscentrales gestookt op aardgas hadden aanvankelijk hetzelfde systeemontwerp als de hierboven geschetste steenkoolcentrale: in plaats van steenkool wordt dan aardgas verbrand in het fornuis (vergelijk het schema in figuur 6.8. In de jaren ’60 van de vorige eeuw deed echter een nieuwe techniek zijn intrede in elektriciteitscentrales: de gas turbine.
6.6.1 Gas Turbine
De gas turbine is afgeleid van de vliegtuig turbinemotor (zoals bekend van straalvliegtuigen) die al ontwikkeld is v ´o ´or de 2eWereldoorlog. Zoals aangegeven in figuur 6.9 bestaat een gas turbine uit
6.6. Moderne aardgascentrales
E
Figuur 6.9: Principe schema van een gas turbine
• een compressor: verbrandingslucht wordt aangezogen en gecomprimeerd
• een verbrandingskamer: hierin worden brandstof en lucht gemengd en verbrand. Daarbij treedt een sterke volume vergroting en temperatuurverhoging op
• een expansieturbine: een deel van de energie die vrijkomt bij de verbranding wordt hier omgezet in arbeid.
Aardgas wordt meestal al op druk aangeleverd.
Typisch werkcondities van een gas turbine zijn verbrandingskamerdruk P = 10-16 [bar], -temperatuur T = 1200◦C ; uitlaatgassen P = 1 [bar], T = 500◦C . Gas turbines5zijn er voor vermogens van 1[MWe] tot 375 [MWe].
Zoals de naam al aangeeft, werkt een gas turbine op gasvormige brandstoffen: aardgas, stadsgas, hoogovengas, biogas, synthesegas, LPG etcetera. Daarnaast is het, door toepassing van een speciale branders en hoge-druk brandstofpomp, mogelijk om vloeibare brandstoffen te gebruiken. Deze worden dan als zeer kleine druppeltjes in de verbrandingskamer gespoten. Op deze manier is het mogelijk om relatief lichte koolwaterstoffen (benzine, kerosine, huisbrandolie) te gebruiken. Wel dient de gas turbine daarop ontworpen te zijn om voldoende verblijftijd in de verbrandingskamer te garanderen. Is dat niet het geval, dan zullen deze brandstoffen onvolledig verbranden, met de vorming van grote hoeveelheden roet en koolmonoxide (CO) tot gevolg.
Uit tabel 6.2 is op te maken dat de effici¨entie η voor de omzetting LHVbrandstof→arbeid ligt tussen de 28 en 37%.
Vraag: Hoe is dat uit tabel 6.2 te berekenen?
Omdat het rendement van een gas turbine relatief laag is en de apparatuur relatief duur is ’stand-alone’ toepassing voor elektriciteitsproduktie meestal geen optie. Een uitzondering op deze regel is de toepassing van gas turbines voor het opvangen van piekvraag in het elektriciteitsnet: alle grote elek-triciteitsproduktiebedrijven hebben wel ´e´en of meer gas turbine eenheden voor dit doel ge¨ınstalleerd. Dit zijn zgn.
”Open Cycle Gas Turbines” (OCGT). Open Cycle geeft aan dat ze niet zijn uitgerust met een Rankine-cyclus. Het werkend medium is niet water/stoom zoals in een Rankine-cyclus, maar de hete gassen die in de verbrandingskamer ontstaan. In de OCGT worden de verbrandingsgassen na de expansie direct geloosd in de atmosfeer - Open Cycle6. Deze eenheden maken jaarlijks meestal maar enige tientallen tot honderden draaiuren - ze worden ingezet om pieken in vraag op te vangen en in te spelen op gunstige prijsschommelingen in de stroommarkt. Daarvoor zijn ze bij uitstek geschikt: een gas turbine die op ’stand-by’ staat, kan in zeer korte tijd op vol vermogen stroom aan het net leveren. Vanzelfsprekend moeten deze eenheden voldoen aan alle milieu-eisen (met name NOxen CO uitstoot),
5Zie bijvoorbeeld http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-generation/gas-turbines/ 6Ook een Open Cycle voldoen aan de Tweede Hoofdwet; er geldt nog steeds ηmax = 1 − Tc
Th
. This de temperatuur in de verbrandingskamer, Tcde omgevingstemperatuur
Hoofdstuk 6. Energieconversie
Tabel 6.2: Karakteristieken van General Electric Gas Turbines (bron: GE)
en zullen er voorzieningen moeten zijn om de restwarmte in de uitlaatgassen op een verantwoorde manier te lozen in de atmosfeer.
De nieuwe Sloecentrale7bij Vlissingen biedt vergelijkbare functionaliteit - deze nieuwe centrale kan binnen 30 minuten van stand-by naar vol vermogen (870 [MWe]) geregeld worden, en heeft een effici-ency tussen 55 en 60%.
6.6.2 Schadelijke uitstoot gas turbine
Vanwege de extreme condities in haar verbrandingskamer ´en de aanwezigheid van N2in lucht produ-ceert een gas turbine zonder verdere technische voorzorgsmaatregelen veel NOx. E´en oplossing om de uitstoot van NOx te beperken is de injectie van water of stoom in de verbrandingskamer - een stoom ge¨ınjecteerde gas turbine of STIG (niet te verwarren met een STEG-installatie (Stoom- En Gas Turbine - zie onder). Dit is een voorbeeld van een zogenaamde procesge¨ıntegreerde oplossing - door voorzie-ningen te treffen ´ın de technische installatie, wordt de vorming van NOx voorkomen. Een andere, ook in steenkoolcentrales toegepaste (zie §6.3.2)techniek is selectieve katalytische reductie (SCR) van NOx in het rookgas met behulp van NH3. Dat is een nageschakelde of “end-of-pipe” techniek waarmee zeer lage NOxconcentraties kunnen worden bereikt.
6.6.3 Moderne aardgascentrale
Moderne aardgascentrales zijn op hetzelfde principe gebaseerd als steenkoolcentrales. De ontwikkeling van grote, betrouwbare gas turbines bood echter de mogelijkheid deze juist in aardgascentrales te inte-greren en daarmee een flinke rendements verbetering te bereiken. In figuur 6.10 is dit aangegeven. De gas turbine wordt gebruikt om de verbrandingslucht voor het fornuis van de eenvoudige centrale te le-veren. Daarmee wordt in ´e´en klap het nuttige energieomzettingsrendement van de gas turbine verhoogd naar bijna 100 %.
Vraag: Waarom is het energieomzettingsrendement van een gas turbine in de centrale bijna 100 %? Deze configuratie is mogelijk omdat een gas turbine werkt met een grote overmaat (zie §4.3.7) ver-brandingslucht. Dat betekent dat in de uitlaatgassen van een gas turbine nog veel zuurstof aanwezig
7zie http://enipedia.tudelft.nl/wiki/Sloecentrale_Powerplant