|
De gasmotor
De term gasmotor wordt algemeen gebruikt in de energiewereld, maar is misschien een wat ongelukkige benaming gezien de verscheidenheid aan motoren die met deze term worden aangeduid. Deze term geeft voornamelijk aan dat de machine een gasvormige brandstof gebruikt. Bijna alle gasmotoren werken volgens het principe van de Ottomotor. De Duitse uitvinder Otto begon in 1861 met de ontwikkeling van “Gaskraftmaschinen”. De doorontwikkelde viertaktmotor van Otto is als benzinemotor in enorme aantallen geproduceerd. De keus voor een vloeibare brandstof had natuurlijk vooral te maken met het gebruik in auto’s. Voor de historische eerste ritten per auto gebruikte Otto spiritus. Die brandstof was bij elke apotheker gemakkelijk te krijgen. De spiritus werd evenals naderhand de benzine verdampt in de aangezogen verbrandingslucht, zodat het eigenlijk toch een gasmotor is. De bouw van Ottomotoren startte in 1867 bij de Gasmotorenfabrik Deutz in Keulen.
De normale gasmotor, zoals die met name in wkk wordt toegepast, werkt evenals de benzinemotor volgens het viertaktprincipe, waarbij een zuiger in een cilinder vier werkslagen kent. Bij de aanzuigslag wordt een mengsel van brandstofgas en lucht aangezogen. De inlaatklep staat dan open. In de compressieslag zijn de kleppen gesloten en wordt het mengsel samengeperst. Vlak voor het eind van deze slag wordt het mengsel met de bougie ontstoken. Het mengsel verbrandt, waarbij druk en temperatuur snel stijgen. In de expansieslag wordt de arbeid geleverd. Daarna wordt het mengsel in de vierde slag van de zuiger bij geopende uitlaatklep afgevoerd naar het uitlaatsysteem. Moderne gasmotoren hebben vaak een turbocharger. De hete uitlaatgassen drijven dan via een expansieturbine een luchtcompressor aan. Daardoor kan de motor aanzienlijk meer vermogen leveren en neemt ook het rendement toe. Bij veel turbogasmotoren worden verbrandingslucht en brandstof gemengd, voordat de lucht door de turbo in druk wordt verhoogd. Daardoor behoudt men een belangrijk voordeel van de gasmotor. Dat is de geringe gasdruk, die nodig is om de motor te laten werken. Gasturbines en turbomotoren zonder mengseloplading hebben een hogere gasdruk nodig, wat vaak her gebruik van een gascompressor nodig maakt.
Het vermogen van de gasmotor wordt geregeld met een smoorklep in de inlaat van de verbrandingslucht. Door optimalisatie van het ontwerp heeft men het asrendement van een gasmotor steeds verder kunnen opvoeren. De modernste motoren halen bij een aandrijving van een generator een elektrisch rendement van 40% tot 45%. Dat geldt voor motoren met een vermogen van 1000 kW tot meerdere MW. Kleinere motoren halen rendementen van circa 35%. De kleinste in Europa toegepaste gasmotor voor wkk heeft een elektrisch vermogen van 5,5 kW en een rendement van 26%. De genoemde rendementen gelden voor bedrijf bij maximaal vermogen. Bij deellast daalt het asrendement en wordt er naar verhouding meer warmte geproduceerd. De warmte van het motorkoelwater, de oliekoeler, de uitlaatgassen en de eventuele intercooler bij een turbo kunnen weer benut worden voor verwarming, zodat het totaal energetisch rendement 85 tot bijna 100% kan zijn afhankelijk van de toepassing. Het rendement aan de as van de motor is wel afhankelijk van de brandstof.
Brandstofkwaliteit en methaangetalModerne gasmotoren zijn ontwikkeld voor aardgas. De hoofdcomponent van aardgas is methaan (CH4). De klopvastheid van de brandstof wordt dan ook uitgedrukt in een methaangetal, waarbij voor pure methaan het getal 100 geldt. Hoe hoger het methaangetal is, des te klopvaster is de brandstof en des te hoger is de druk waarbij het mengsel spontaan ontbrandt. De motor mag bij een hogere klopvastheid dus een hogere compressieverhouding hebben. Een hoge compressie is gunstig voor het asrendement van de motor. Omdat aardgas ook wat hogere koolwaterstoffen bevat, die makkelijker branden, haalt aardgas een methaangetal van ca. 78. Biogas uit waterzuiveringen en afvalstortplaatsen is een mengsel van pure methaan en CO2. De CO2 werkt vertragend op de verbranding, waardoor het methaangetal van biogas zelfs ruim boven de 100 ligt. Gassen met waterstof, zoals houtgas, ontsteken erg makkelijk en hebben een laag methaangetal. Motoren voor dergelijke gassen moeten een aanzienlijk lagere compressieverhouding hebben dan motoren voor aardgas en leveren daarmee ook minder kracht per toegevoerde eenheid energie. Ook op LPG of propaan levert de gasmotor op deze punten in t.o.v. een gasmotor op aardgas. Uiteraard moet de brandstof vrij van waterdruppels en stof zijn. Stoffen, die met name in biogas en stortgas voorkomen zoals H2S en Cl zijn afhankelijk van de motorfabrikant slechts in geringe concentraties toegestaan. Voor de slijtage veroorzakende siloxanen in deze gassen zijn wassers ontwikkeld.
EmissiesAardgas en biogas zijn mooie brandstoffen. Ze leveren relatief weinig CO2 en geen stofdeeltjes. Ook de emissie van NOx is veel lager dan bij een dieselmotor. Omdat gasmotoren gewoonlijk echter veel uren draaien, heeft de overheid hoge eisen gesteld aan de emissie van NOx. De gasmotorenfabrikanten hebben twee wegen gevolgd om de emissies te verlagen. De eerste oplossing is toepassing van een driewegkatalysator evenals in de benzinemotor van een auto. De tweede en meest populaire oplossing is het draaien op een arm mengsel. Door een forse overmaat aan verbrandingslucht te gebruiken, daalt de temperatuur bij de verbranding en daarmee wordt de vorming van NOx ook sterk verlaagd. De reactie tussen stikstof en zuurstof in de lucht komt alleen bij hoge temperatuur voor. Zogenaamde armmengselmotoren (lean burn) leveren meer kracht per eenheid brandstofenergie dan motoren met driewegkatalysator, die geen overmaat aan verbrandingslucht kunnen gebruiken vanwege de werking van de katalysator. Voordeel van de motor met driewegkatalysator is dat ook koolmonoxide en onverbrand gas worden omgezet in de katalysator.
In de glastuinbouw worden de rookgassen van gasmotoren gebruikt om de lucht in de kas te verrijken met CO2. Dat bevordert tot op zekere hoogte de groei van de planten. Bij deze CO2-bemesting moeten de rookgassen extreem schoon zijn. Daarvoor gebruikt men een katalysator met selectieve reductie en een oxidatiekatalysator. Ureum wordt ingespoten in de hete rookgassen. Het ureum wordt omgezet in ammoniak, die de NOx reduceert. Daarmee is een extreem lage emissiewaarde van NOx haalbaar. CO en koolwaterstofverbindingen worden door de oxidatiekatalysator omgezet, zodat de uitlaatgassen bijzonder schoon zijn.
Bijzondere uitvoeringenNiet alle gasmotoren werken volgens het principe van de Ottomotor. Er zijn ook grote gasmotoren die werken als een dieselmotor. Het gas wordt dan onder een hoge druk van meer dan 200 bar, op het moment dat de verbranding gewenst is, geïnjecteerd. Een dergelijke motor haalt door een hogere compressie, en het ontbreken van de weerstand van een smoorklep, een hoger rendement dan een Ottogasmotor. Een deel van dit voordeel gaat verloren door de energie die de gascompressor verbruikt. Sommige dieselgasmotoren werken wel met een normaal aangezogen mengsel van gas en lucht, maar ontsteken het mengsel door een beetje dieselolie te injecteren. Zogenaamde 'dual fuel' motoren kunnen vanaf een minimum aandeel olie voor ontsteking tot maximaal vermogen met dieselolie werken. Dat is aantrekkelijk als men, op momenten dat aardgas duur of niet beschikbaar is, toch over het volle vermogen wil beschikken. De ontwikkelingen bij het rijden op aardgas in Duitsland hebben
tot hernieuwde aandacht voor de gasmotor geleid. Een interessant ontwikkelingstraject
op dit terrein is de DING-motor (Directe Injectie Natuurlijk Gas).
Dit is een gasmotor voor vrachtauto’s met directe injectie van
aardgas volgens het dieselprincipe. Ruhrgas en de technische hogeschool
van Dortmund werken aan de bouw van een Mercedes Atego demonstratievoertuig
met een DING-motor die aanzienlijke milieuvoordelen zal hebben voor
bussen en vrachtvervoer in binnensteden. Deze ontwikkeling kan ook
voordeel bieden bij toepassing in wkk. Indien u meer informatie over de werking en toepassing van een gasmotor wilt, kunt u ook het boek 'Gasmotoren' van Friedemann Zacharias in onze webwinkel bestellen. Dit boek bevat omvangrijke kennis over techniek en functie van gasmotoren en op de bijgeleverde cd staan belangrijke tabellen en programma's voor berekening en experimentatie met bouw- en bedrijfsparameters van gasmotoren. Het boek behandelt onder andere de volgende onderwerpen:
Om het boek te bestellen kunt u hier naar de energietech.info winkel gaan. |
