is, meestal zo’n 10-12 [vol.%]. Dat is ruim voldoende om in het nageschakelde fornuis nog eens een hoeveelheid brandstof om te zetten. Daarbij wordt de latente warmte van de uitlaatgassen van de gas turbine benut om stoom te maken. Deze hoge-druk stoom wordt vervolgens net als in een steenkoolge-stookte centrale naar een stoomturbine/generator combinatie geleid om elektriciteit te maken.
E
(a) zonder gas turbine
E
E
(b) met gas turbine
Figuur 6.10: Principe schema’s elektriciteitscentrale
In de jaren ’80 van de vorige eeuw zijn zo de bestaande aardgascentrales in Nederland aangepast, waarmee een rendements verbetering van ± 4 procentpunt werd bereikt. Daarmee ontstaat een zoge-naamde combi-eenheid (in het engels: Combined Cycle Gas Turbine of CCGT). Tegenwoordig wordt voor nieuw ontworpen aardgascentrales bijna zonder uitzondering het STEG – SToom En Gasturbine – principe gebruikt, waarmee bij de huidige stand der techniek omzettingsrendementen van 55-60% kunnen worden gehaald.
De Eemscentrale van Electrabel in de Eemshaven8combineert beide systeemconcepten. In 1988 werd een bestaande aardgasgestookte eenheid aangepast door plaatsing van een een aan het fornuis voorge-schakelde gas turbine conform figuur 6.10. Deze combi-eenheid heeft daarmee een vermogen van 675 [MWe]. In 2001 zijn vijf moderne STEG eenheden van elk 350 [MWe] in bedrijf gekomen. Met een gas turbine eenheid van 17 [MWe] brengt dit het totale elektrisch vermogen van de centrale op 2442 [MWe]. Daarmee kan Electrabel vanuit deze locatie alleen in ± 15% van de Nederlandse elektriciteitsbehoefte voorzien (bron: Electrabel).
6.7 Nuttige toepassing restwarmte
Hierboven is aangegeven dat een moderne steenkoolgestookte centrale een rendement heeft van zo’n 45 %, terwijl in een moderne aardgascentrale een rendement van 60 % haalbaar is. Dat betekent dat 55 resp. 40 % van de energieinhoud van de brandstof verdwijnt als restwarmte! Meestal wordt deze actief weggekoeld. Sinds de ontwikkeling van grootschalige E-productie, vanaf 1900-1920, is er dan ook niet alleen gezocht naar mogelijkheden om deze verhouding te veranderen, maar ook naar mogelijkheden om de restwarmte nuttig te gebruiken.
Grosso modo zijn hier twee mogelijkheden voor:
(a) afzet van warmte in de industrie t.b.v. industri¨ele processen
(b) afzet van warmte voor ruimteverwarming, in de gebouwde omgeving en de glastuinbouw
Hoofdstuk 6. Energieconversie
Figuur 6.11: De Eemscentrale van Electrabel in de Eemshaven, Groningen (I.Nikolic, 2006)
6.7.1 Warmte-Kracht centrale
In de jaren ’60 van de vorige eeuw is als eerste door Dow Chemical ingezien dat de gas turbine moge-lijkheden bood voor effici¨ente warmtevoorziening in de industrie. Hun industri¨ele processen vragen juist veel warmtetoevoer bij een temperatuur van 400◦C . Men zag in dat dit mogelijkheden bood voor een inzet van de gas turbine, met haar uitlaattemperatuur van 450-550◦C . De gas turbines, onder meer van General Electric, werden gekoppeld aan afgassenketels waar middendruk stoom (20-40 bar) en la-gedruk stoom (5-10 bar) kon worden gemaakt, drukniveau’s waarop ook het stoomnet in fabrieken was uitgelegd. Zo was de eerste WKC een feit – elektriciteit werd gebruikt voor aandrijven van pompen en compressoren, de warmte in de fabriek. Nagenoeg alle energie in de brandstof werd zo opeens nuttig gebruikt - het nuttig rendement van een industri¨ele WKC is typisch 80-90%.
In 2005 was ongeveer ´e´envierde van het opgestelde elektriciteitsproduktievermogen in Nederland WKK-vermogen (zie tabel 6.3)
Jaar Elektriciteitscentrales WKK’s Duurzaam Totaal
2005 14592 5145 1912 21651
Tabel 6.3: Opgesteld produktie vermogen elektriciteit, Nederland [MW] (bron: AER)
6.7.2 Stadsverwarmingsnet
De afzet van restwarmte als warmteproduct wordt interessant als deze een temperatuur heeft van zo’n 130 ◦C of hoger; mogelijk is afzet vanaf 80 ◦C interessant. Op dit moment wordt voor een aantal locaties onderzocht of dit technisch en economisch haalbaar is. Dan kan een stadsverwarmingsnet wor-den gevoed, eventueel met bijverwarming. Deze temperatuurniveau’s vragen echter om een aangepast ontwerp van de centrale.
Met de formule voor het Carnotrendement is het eenvoudig te berekenen dat het rendementsverlies van een elektriciteits centrale (brandstof → elektriciteit) bij afzet van warmte bij 80 of 130◦C beperkt is. Daarentegen neemt het totaal nuttig rendement (brandstof → elektriciteit + nuttige warmte) dramatisch toe.
Bij de huidige stand der techniek is een (stads)verwarmingsnet met een te overbruggen afstand tussen leverancier en afnemer van ± 20-30 [km] technisch prima te realiseren. In de jaren ’70 is het
6.7. Nuttige toepassing restwarmte
stadsverwarmingsnet gekoppeld aan de Amercentrale al gerealiseerd; dit net verbindt Geertruidenberg verbindt met Breda (15 kilometer) en Tilburg (22 kilometer). Of een dergelijk systeem concurrerend is hangt vooral af van de brandstofprijzen. Op het Amersysteem zijn ook tuinbouwkassen aangesloten.
Overigens zijn de ervaringen met warmtenetten aangesloten op grootschalige E-centrales wisselend. Direct na de liberalisering van de elektriciteitsmarkt leek het voor operators van zulke systemen aantrek-kelijk om de productie van zoveel mogelijk elektriciteit na te streven ten koste van de warmteproductie. Dit wordt ingegeven door ontwikkelingen op de spotmarkt voor elektriciteit (APX). Deze kunnen zo zijn dat de opbrengst van warmte in het niet valt bij de opbrengst van eventueel geproduceerde elektriciteit, zelfs als bijvoorbeeld 10 [MWh] restwarmte van 130◦C wordt omgezet in weg te koelen restwarmte en zeg slechts 1 [MWh] elektriciteit. Anderzijds is het dossier ’warmte’ en warmtenetten in beweging. Door de sterk verhoogde energieprijzen en de zorg om klimaatverandering is de belangstelling om dit soort systemen te realiseren aan het toenemen. Recent heeft bijvoorbeeld het Warmtebedrijf Rotterdam een nieuwe start gemaakt.
In de zomer is er weinig of geen vraag naar stads- cq. kaswarmte (alleen tapwatervraag, geen ruim-teverwarming). Echter, omdat er tapwater geleverd moet worden, zal er altijd een beperkte circulatie in het systeem plaatsvinden. Daarbij blijft het systeem dus enigszins warmte opnemen.
Tegenwoordig worden deze systemen vaak ook aangesloten op seizoensopslag - ondiepe warmte-koude opslag. De investeringskosten van zo’n systeem zijn hoog, maar over langere tijd bij de huidige energieprijzen (bijna) rendabel.
Hoofdstuk 7
Duurzame Energie
7.1 Inleiding
Nog niet zo lang geleden gebruikten mensen vrijwel uitsluitend hernieuwbare energiebronnen. Hoewel turf, steenkool en aardolie al duizenden jaren geleden zijn ontdekt, maakten mensen echter vooral ge-bruik van biomassa dat jaarlijk werd geoogst – gras, hout, gedroogde mest –, van waterkracht, van de zon (voor het drogen van bijvoorbeeld aarde/leem tot adobe stenen) en van de wind.
In veengebieden komt vanaf ±1100 het gebruik van turf in zwang, vooral voor ruimteverwarming en het stoken van ovens (broodbakkerijen, bierbrouwerijen) - onder meer Nederland, Duitsland, het Verenigd Koninkrijk, Rusland bezitten uitgestrekte veengebieden die zich lenen voor winning van turf. Daarnaast heeft Nederland een lange traditie waar het gaat om de ontwikkeling en verbetering van windmolens, die niet alleen werder gebruikt voor droogmakerijen en polders, maar ook voor het ma-len van graan, het aandrijven van houtzagerijen en het maken van papier - in het het engels heet een papierfabriek nog altijd een paper mill, een houtzagerij een saw mill.
De industri¨ele revolutie begon met de vondst van grote voorraden winbare steenkool, en de uitvin-ding van de stoommachine door James Watt, in 1763-1775 - in feite een”doorbraak” op de door Newco-men in 1712 ontwikkelde stoommachine. De combinatie steenkool/stoommachine had grote voordelen: de energieintensiteit van steenkool is groot en er konden grote hoeveelheden relatief gemakkelijk wor-den gewonnen. Steenkool kon goed worwor-den opgeslagen (geen bederf of rotting), het ruimtebeslag was bijna nihil en ook kon het daarom goed worden getransporteerd. Daarmee kon de stoommachine vrijwel overal geplaatst worden waar vraag was naar
”arbeid”, het vermogen geleverd door de stoommachine. Daarmee was de combinatie steenkool/stoommachine een
”killer application”, en in relatief korte tijd werden wind- en watermolens vervangen in een steeds sneller verlopend proces van industrialisatie.
Nu, bijna 300 jaar later aan het begin van de 21e eeuw, is onze samenleving een industri¨ele samenle-ving, die is ingericht op de beschikbaarheid van grote hoeveelheden fossiele energiedragers. Op korte, middellange en lange termijn is dit een onhoudbare situatie vanwege security-of-supply, grenzen aan de dagelijkse produktiecapaciteit van olie en gas, de eindigheid c.q. tijdshorizon van fossiele voorraden en klimaatverandering.
Security-of-supply: De energievoorraden zijn geografisch ongelijk verdeeld over de aarde. Dat bete-kent dat aanvoer van aardolie, aardgas, steenkool en uranium-235 afhankelijk is van geopolitieke situa-tie.
De dagelijkse produktiecapaciteit van steenkool- en uraniummijnen, van olie- en gasvelden kan op korte termijn niet zomaar vergroot worden.
De horizon voor aardolie respectievelijk aardgas is bij de huidige wereldconsumptie respectievelijk ±45 en 65 jaar (R/P -ratio). Voor steenkool is de horizon 110-200 en voor uranium-235 ±60 jaar (bij de huidige stand van techniek van uranium winning en als we de zgn. kweekreacties buiten beschouwing laten).
Klimaatverandering stelt een grens aan de hoeveelheid broeikasgassen die wij kunnen uitstoten. In-ternationaal is geaccepteerd dat de CO2-concentratie beneden de 450 [ppm] moet blijven om de zoge-naamde 2-graden grens niet te overschrijden.
Deze vier factoren maken dat wereldwijd de urgentie om over te gaan op ander, duurzame bronnen, toeneemt. De daadwerkelijke benutting van duurzame bronnen komt eveneens in een