Wat is een microturbine?

De microturbine is een nieuwe ontwikkeling, waarbij gasturbines met heel gering vermogen en een relatief hoog rendement elektriciteit kunnen produceren. Daarbij is de verbranding erg schoon waardoor emissies van schadelijke stoffen als NO_x en CO laag zijn.

Beschrijving

In een gasturbine wordt buitenlucht aangezogen en gecomprimeerd. De lucht, die door de compressie al warm is, wordt verder verhit door verbranding van een vloeibare of gasvormige brandstof. De gecomprimeerde en hete rookgassen expanderen in een turbine en leveren daarbij kracht. In de microturbine wordt eenzelfde proces doorlopen. Het probleem van de gasturbine, dat het omzettingsrendement erg laag is bij kleine vermogens, is bij de microturbine ondervangen door een combinatie van technieken. Zo wordt de restwarmte in de rookgassen, nadat ze de expansieturbine verlaten hebben, voor een deel gebruikt om de gecomprimeerde lucht verder op te warmen voordat deze de verbrandingskamer ingaat. De warmte, die zo in een zogenaamde recuperator wordt teruggewonnen, helpt mee om kracht te leveren in de expansieturbine. Deze recuperatie van rookgaswarmte is wel wat te vergelijken met het proces in moderne STEG-centrales, waar de rookgaswarmte uit een gasturbine gebruikt wordt om stoom te maken voor extra vermogen in een stoomturbine. De constructie van een recuperator vergt hoogwaardige techniek. De wand moet de warmte van de hete rookgassen overdragen op de verbrandingslucht, waarbij de drukverliezen heel gering moeten zijn en de bouw toch compact. De recuperator moet bestand zijn tegen hoge temperaturen, vermoeiing door uitzetten en krimpen.

Bij de microturbine worden compressor, expansieturbine en generator op één as samengebouwd. De generator draait met hetzelfde toerental als de turbine, waardoor verliezen in tandwieloverbrengingen worden vermeden. Het toerental van de generator wordt daarmee wel extreem hoog. De kleine turbinewielen kunnen wel tot 100.000 omwentelingen per minuut komen! Het is duidelijk, dat de ontwikkeling van generatoren hiervoor om moderne technologie vraagt. De wisselstroom van de generator wordt door omvormers eerst omgezet naar gelijkstroom en vervolgens naar een wisselstroom, die past op het elektriciteitsnet. Door gebruik te maken van frequentie-omvormers mag het toerental van de generator ook variëren zonder dat dit problemen geeft voor de koppeling aan het elektriciteitsnet, dat een vaste frequentie heeft van 50 Hz. Daardoor kan de microturbine ook makkelijk in vermogen variëren en daalt het rendement bij deellast minder sterk dan normaal bij een gasturbine.

Terwijl bij grotere gasturbines de stroming van de verbrandingslucht in de compressor en de rookgassen in de expansieturbine evenwijdig aan de as is (axiaal) en compressor en expansieturbine meerdere rijen schoepen hebben, is bij de microturbine gekozen voor een radiale stroming. Compressor en expansieturbine zijn elk een wiel met waaiervormige schoepen net als de turbo in een automotor. Hierdoor blijft de constructie compact en eenvoudig.

Dankzij een uitgekiend ontwerp van de verbrandingskamer kan een zeer schone en volledige verbranding worden bereikt. Daardoor is de emissie van verbrandingsproducten als NO, NO₂ en CO en van onverbrande brandstofdeeltjes minimaal. Vanwege deze schone verbranding is in Zweden al een praktijkproef opgezet om de rookgassen direct een tuinbouwkas in te blazen, zodat de CO₂ in de rookgassen dienst kan doen als meststof. Dit kan bij gasmotoren alleen na reiniging van de rookgassen in een SCR-katalysator.
De rookgassen van een microturbine hebben door de recuperator een relatief erg lage temperatuur van circa 270 °C. De resterende warmte kan bij wkk-toepassing deels teruggewonnen worden met een warmtewisselaar voor c.v.water. Een energetisch aantrekkelijker oplossing is het gebruik van de rookgassen direct in een droger, oven of ketel. Dankzij de zeer grote luchtovermaat bij gasturbines is naverbranding in de rookgassen goed mogelijk.

Momenteel is er een handvol fabrikanten van microturbines, die nog in beperkte aantallen produceren. Verwacht wordt, dat bij massaproductie een gunstige prijs per kW vermogen bereikt wordt. Het elektrisch vermogen loopt momenteel van 30 tot 100 kW voor een microturbine. Het elektrisch rendement ligt in de buurt van 30% bij maximum vermogen. Een microturbine, die op aardgas moet lopen, heeft gas met een druk van ca. 5 bar nodig om toevoer naar de verbrandingskamer te kunnen realiseren. Als er alleen maar gas op lage druk beschikbaar is, dan moet een gascompressor worden gebruikt en daalt het elektrisch rendement wegens het verbruik van de compressormotor.

De eerste microturbines zijn inmiddels al in Nederland in bedrijf (zie http://www.microturbines.nl).

Milieuvoordelen

De microturbine levert in wkk-toepassing een forse energiebesparing op t.o.v. afzonderlijke opwekking van elektriciteit in centrales en warmte in een c.v.-ketel. Dat geldt natuurlijk ook voor wkk met gasmotoren. Het elektrisch rendement van de microturbine is nog wat lager dan van de gasmotor. Bij toepassing in een normale c.v.-installatie is ook het totaalrendement lager, omdat bij de microturbine meer warmte in de schoorsteen verdwijnt door de grote overmaat aan verbrandingslucht. Door die grote luchtovermaat is de temperatuur, waarbij condensatie van waterdamp in de rookgassen optreedt ook een stuk lager dan bij een gasmotor. Daar staat tegenover, dat de microturbine in tegenstelling tot de gasmotor erg geschikt is voor combinaties met drogers, ovens, etc. en in deze situaties evenals bij gebruik van de rookgassen voor naverbranding het rendement optimaal is. De microturbine levert ook zeer schone rookgassen, iets wat met de gasmotor alleen met kostbare katalysatorsystemen mogelijk is. De microturbine levert slechts heel weinig verzurende (NO_x) en giftige (CO) stoffen.

De microturbine heeft door het geringe aantal bewegende onderdelen naar verwachting weinig onderhoud nodig. Bij een prijsdaling door massaproductie kan de microturbine een belangrijke bijdrage leveren aan de groei van kleinschalige wkk en daarmee aan de reductie van de emissie van CO₂. Daarbij spelen ook andere voordelen mee zoals weinig onderhoud, compacte bouw, weinig trillingen en eenvoudig te dempen geluidsspectrum.

Aandachtspunten

Het vermogen van een microturbine varieert evenals dat van zijn grotere broers met de aanzuigluchttemperatuur. De compressor kan meer koude lucht verwerken dan warme. Het vermogen ligt daardoor ‘s winters wel 10% hoger dan in de zomer.

Om het vermogen te halen, moeten verder de weerstanden in het lucht-aanzuigsysteem en in de rookgassenafvoer minimaal zijn.
Als er aardgas met voldoende voordruk beschikbaar is kan het gebruik van een gascompressor worden vermeden. Informeer naar de minimum druk, omdat de druk in het gasnet daalt bij hoge afname in koude winterdagen.

Voor een maximale benutting van de warmte is bij gebruik voor C.V. een watercircuit met lage temperatuur, bijvoorbeeld voor vloerverwarming, voorverwarming van ventilatielucht, voorverwarmen van tapwater, enz. aantrekkelijk. De rookgassen bevatten bij afkoeling tot normale C.V.-watertemperatuur nog veel warmte.