Dr. ing. J. Klimstra & ing. K. de Jong
Aangezien dit een vrij lang artikel is, kunt u via de snelkoppelingen hieronder direct bij de gewenste paragraaf komen. Onderaan elke paragraaf staat tevens een link om weer op het begin van deze pagina te komen.
Aardgasvelden hebben een heel hoge natuurlijke druk van 250 tot 350 bar. Deze druk is te hoog voor de transportleidingen. Daarom wordt de druk gereduceerd. Bij deze drukreductie kun je het gas arbeid laten verrichten. Dit wordt bij de gasvelden in Nederland door de NAM niet gedaan, al is hier in het verleden wel mee geëxperimenteerd door dit bedrijf.
Gasexpansie aan de bron heeft specifieke problemen. Het gas uit de bron is nat. Bij drukverlaging door smoren ontstaan vloeistofdruppels van water en bepaalde koolwaterstofverbindingen. Door bij de gasexpansie het gas arbeid te laten verrichten, ontstaat er nog meer condensaat. Dat is prettig voor het drogen van het gas, maar kan voor een expansieturbine lastig zijn. Verder daalt de druk van de gasbron geleidelijk naarmate er meer gas onttrokken is aan het veld. Op een bepaald moment wordt de druk zo laag, dat er een compressor wordt gebruikt om nog gas te kunnen winnen. Gewoonlijk stopt men de winning bij een brondruk van circa 30 bar.
Het aardgas uit de put wordt behandeld voordat het gas het transportnet ingaat. Koolwaterstofverbindingen, die makkelijk vloeibaar worden, worden verwijderd en het aardgas wordt gedroogd om te voorkomen dat er ergens in het leidingnet condenswater kan ontstaan. Daarna komt het gas in het transportnet. De druk in het transportnet is ongeveer 60 bar. Deze druk is destijds om economische redenen gekozen. De diameter van de transportleiding moet beperkt blijven, omdat door de hoge druk de wanddikte snel toeneemt bij vergroting van de diameter.
Door wrijvingsverliezen in de leidingen daalt de gasdruk geleidelijk over de lange afstanden. Compressorstations op enkele plaatsen zorgen er dan voor, dat deze leidingverliezen weer worden gecompenseerd door de druk te verhogen naar de beginwaarde. Het compenseren van deze leidingverliezen kost energie. Het energieverbruik van de compressorstations is sterk afhankelijk van de vraag naar aardgas. In de zomer gaat er relatief weinig gas door de leidingen en zijn de verliezen gering. Bij piekvraag in de winter nemen de verliezen sterk toe.
Gasunie verzorgt het aardgastransport door Nederland. Het aardgas wordt dan overgedragen aan de energiedistributiebedrijven en rechtstreeks aan een aantal industriële superverbruikers. Bij de ontvangstations van de distributiebedrijven komt het aardgas binnen met een druk van 40 bar en wordt de druk dan verlaagd naar 8 bar en in sommige gebieden naar 3 of 4 bar. Dit is een economische waarde voor de aanleg van regionale netten. Omdat uiteindelijk de meeste gebruikers het aardgas gebruiken op een minieme overdruk van 25 tot 100 millibar, wordt de druk op verschillende plaatsen in dit net nog eens verlaagd naar lage druk. Bij grote verbruikers wordt dit ter plekke bij de afnemer in het gasinkoopstation gedaan.
Verlaging van de aardgasdruk bij de gasinkoopstations is op een eenvoudige en betrouwbare manier, namelijk met een smoorklep, te realiseren. Bij het smoren van de druk wordt geen arbeid geleverd en wordt er ook geen warmte met de omgeving uitgewisseld. De enthalpie H blijft gelijk (isenthalpie). Op zich kun je niet spreken van energieverlies. Maar het vermogen om kracht te leveren vermindert wel. Er is sprake van verlies aan exergie.
Bij een ideaal gas verandert de temperatuur niet bij het smoorproces. Aardgas gedraagt zich niet als een ideaal gas en daalt bij het smoren in temperatuur. We noemen dit het Joule-Kelvin (Thomson) effect. Als vuistregel wordt een temperatuurdaling van 0,4 tot 0,5 °C per bar drukval gehanteerd. Een te sterke daling van de aardgastemperatuur in een ontvangstation kan leiden tot problemen door bevriezing en het vloeibaar worden van hogere koolwaterstofverbindingen in het aardgas. Daarom wordt het aardgas opgewarmd voordat men de druk verlaagt. Dit wordt in Nederland overal gedaan met een gasgestookte cv-ketel. Ten opzichte van het doorstromende volume is het gasverbruik van deze ketel natuurlijk maar gering, maar al met al is het gasverbruik van gasinkoopstations niet verwaarloosbaar.
 |
 |
De industriële revolutie is begonnen met de stoommachine. Water wordt in een stoomketel op hoge druk verdampt en oververhit. De stoom verricht arbeid en daalt daarbij in druk en temperatuur. Daarna wordt de stoom in een condensor weer vloeibaar gemaakt en terug gepompt naar de stoomketel. Dit is de Rankine-cyclus, genoemd naar de Schotse natuurkundige Rankine. Het energetisch rendement van de stoomcyclus is de arbeidsenergie (meestal elektriciteit) gedeeld door de toegevoerde energie, die door de stoomketel wordt verbruikt. Het omzettingsrendement van een stoomcyclus ligt in de orde van grootte van 40% voor grote elektriciteitscentrales met maximale stoomdruk en stoomtemperatuur. Door een gasturbine te combineren met een stoomturbine in een zogenaamde STEG-eenheid kan men sinds kort in de buurt van 60% komen.
Bij aardgasexpansie is er een gas beschikbaar op hoge druk maar met een lage temperatuur. We kunnen dit gas op dezelfde manier als bij stoom in een turbine of een zuigermachine benutten voor de aandrijving van een elektriciteitsgenerator of een werktuig. Omdat het gas arbeid verricht, daalt de temperatuur veel sterker dan bij het smoorproces. Om de vorming van hydraten te voorkomen, moeten we het aardgas dan ook verder voorverwarmen. Meestal volstaat een voorverwarming tot ca. 80 °C.
Er moet meer warmte toegevoerd worden dan er aan arbeid vrijkomt aan de as van de gasexpansiemachine. Dat komt doordat het niet mogelijk is om een ideaal (isentropisch) proces te realiseren. Als we het energetisch rendement weer definiëren als elektriciteitsproductie gedeeld door de warmtetoevoer, dan komen we in de praktijk op een rendement van ca. 80%. Dit uitzonderlijk hoge rendement in vergelijking tot de modernste elektriciteitscentrales is te danken aan de druk van het aardgas, die uiteindelijk van natuurlijke oorsprong is (geopressure).
 |
 |
Een interessant aspect van gasexpansie is, dat de benodigde warmte geen hoge temperatuur hoeft te hebben. De voorverwarming van het gas wordt meestal in meerdere stappen gedaan. In de eerste stap wordt het aardgas van bodemtemperatuur opgewarmd tot circa 30 °C. In de tweede stap naar circa 60 °C en in de derde naar 80 °C of hoger. Hierdoor kan de warmte uit een wkk bijvoorbeeld maximaal worden benut evenals de warmte van generator en smeerolie van de expansiemachine. Als de drukval van het gas plaatsvindt in meerdere expansietrappen met verwarming van het gas tussen elke trap kan met een nog lagere eindtemperatuur worden volstaan.
Dit is een groot verschil met de normale opwekking van elektriciteit, waarbij gebruik gemaakt wordt van de Rankine-cyclus. Daarbij is het rendement sterk afhankelijk van de temperatuur van de toegevoerde warmte. Naarmate de warmtebron lager van temperatuur is, daalt het vermogen om arbeid te leveren, ofwel de exergie neemt af. Met warmte van 90 °C kan uiteraard in een stoomcyclus geen elektriciteit worden opgewekt. Dit kan nog wel met een "Organic Rankine Cycle" (ORC), waarbij in plaats van water/stoom een organische verbinding wordt gebruikt, die bij lage temperatuur al verdampt. Het rendement ligt dan onder de 10%. Met aardgasexpansie kan met deze laagwaardige warmte met een heel hoog rendement van ca. 80 % arbeid worden geleverd.
Meestal wordt de warmte voor aardgasexpansie geleverd door een wkk. Door de warmte, die bij de elektriciteitsproductie van de wkk vrijkomt optimaal te benutten, kan de combinatie van wkk en aardgasexpansie elektriciteit opwekken met een rendement op de brandstoftoevoer van ca. 80 %. Bij een dergelijke minicentrale zijn de emissies van broeikasgassen en verzurende stoffen natuurlijk extreem laag per kWh elektriciteit. De energiebesparing is in feite nog groter dan het verschil tussen brandstofverbruik in een elektriciteitscentrale en energieverbruik van een gasexpansieproject per opgewekte kWh. Immers zonder gasexpansie moet het aardgas ook worden opgewarmd in verband met het Joule Thomson effect bij het smoren in een gasontvangstation. Ook dat kost aardgas. Voor de berekening van de besparing op energieverbruik en emissies van een gasexpansieproject moet dit verbruik ook worden meegerekend.
Aardgasexpansie leent zich ook uitstekend voor het gebruik van afvalwarmte uit de industrie. Praktisch gezien kunnen de emissies dan vrijwel tot nul worden teruggebracht. Ook door een deel van de opgewekte elektriciteit te gebruiken voor aandrijving van een warmtepomp kan een dergelijke situatie worden bereikt.
In principe kan de gasexpander ook als koelmachine dienst doen. Door het aardgas minder ver voor te verwarmen, komt het met een lage temperatuur uit de expansiemachine. Als de expansiemachine het toelaat, mag de temperatuur van het aardgas dalen tot min 11 °C. Het aardgas kan dan bij de uittrede van de expansiemachine weer opgewarmd worden in een koud-watercircuit. De hiermee geleverde koude bespaart energieverbruik in een koelmachine. Per kWh koude verbruikt een conventionele koelmachine ca. 0,3 kWh elektriciteit.
De arbeid, die het aardgas kan verrichten bij drukdaling is afhankelijk van
een aantal factoren:
• de massastroom
• de absolute temperatuur van het gas aan het begin van het expansieproces
• de drukverhouding ofwel de absolute druk voor expansie gedeeld door de
absolute druk na expansie
• de eigenschappen van het gas; deze zijn afhankelijk van de samenstelling
van het aardgas
• het rendement van de expansiemachine.
Het vermogen van de gasexpansiemachine neemt recht evenredig toe met de massastroom bij een gegeven temperatuur. Hoe groter de volumestroom is, des te meer vermogen kan er worden geleverd bij de drukdaling van het gas.
Het vermogen neemt ook recht evenredig toe met de absolute temperatuur van het aardgas. Aardgas, dat is opgewarmd tot 473 K levert dus 26,8 % meer vermogen dan bij opwarming tot 373 K alvorens het geëxpandeerd wordt. Dit is op zich een interessant gegeven, maar over het algemeen is warmte van hogere temperatuur ook duurder dan laagwaardige warmte. Als er warmte van hogere temperatuur beschikbaar is, dan is het interessant om dit effect optimaal te benutten.
In ontwikkeling zijn nieuwe technieken voor wkk, die restwarmte van hogere temperatuur kunnen leveren. Hierbij kunnen we denken aan de microturbine en bepaalde types brandstofcel. Het aardgas treedt ook met een hogere temperatuur uit de gasexpansiemachine bij hogere ingangstemperatuur. Door warmte uit te wisselen in een recuperator met het koude gas hoeft dit geen energieverlies te betekenen. Als het aardgas direct na expansie benut wordt in een brander is de hogere temperatuur evenmin een verlies.
Overigens zijn er beperkingen aan de opwarming van aardgas. Om het uiteenvallen van verbindingen in het aardgas te voorkomen, mag het niet verder worden opgewarmd dan tot 370 °C. Daarnaast is de maximum toelaatbare temperatuur afhankelijk van type en fabrikaat van de expansiemachine.
De verhouding tussen ingaande en uitgaande druk is verder maatgevend voor het vermogen om arbeid te leveren. We werken daarbij met de absolute druk van het gas en niet met de overdruk t.o.v. de atmosfeer. Belangrijk om in te zien, is dat het gaat om de drukverhouding en niet om het verschil van ingaande en uitgaande druk. Expansie van gas van 300 naar 100 bar levert minder vermogen dan expansie van 8 naar 2 bar! Het is dus van wezenlijk belang om de druk na de gasexpansiemachine zo laag mogelijk te houden. In een distributienet kan de gasdruk zelfs vraagafhankelijk geregeld worden. Bij minder gasverbruik daalt immers het drukverlies in het net.
Er zit ook verschil tussen het rendement van de verschillende types expander. Bij de ontwerpcondities onder volle belasting zijn deze verschillen niet zo groot. Voor een expansiemachine ten behoeve van bijvoorbeeld een continu werkende oven in een industrie is de variatie in massastroom gering. De keuze van de expansiemachine kan dan gemaakt worden op basis van het rendement bij vollast. In gasdistributienetten is de fluctuatie in massastroom groot. Het gasverbruik varieert met de buitentemperatuur en er is een behoorlijk verschil tussen dag- en nachturen. Het is dan van groot belang om ook het rendement bij deellast te vergelijken en de minimum gasstroom, waarbij de expansiemachine nog vermogen kan leveren. Een zuigermachine is over het algemeen beter regelbaar dan een turbo-expander. Bij de turbo wordt gewerkt met inlaatgeleideschoepen om een beter deellastgedrag te bereiken. Bij lage volumestromen zakt het rendement echter snel. Een interessante ontwikkeling is een turbo, die een generator met permanente magneet aandrijft, waarbij het toerental van turbowiel en generator met de gasstroom variëren.
Bij het ontwerp van een gasexpansieproject in een distributienet wordt de grootte van de expansiemachine(s) bepaald aan de hand van het verloop van de gasstroom over het jaar en de terugverdientijd. Naarmate de expansiemachine kleiner is t.o.v. de maximum gasdoorzet van het gasreduceerstation neemt het aantal draaiuren van de expansiemachine toe. De expansiemachine wordt parallel aan de bestaande regelstraten van een gasstation bedreven. De leveringszekerheid van aardgas blijft daardoor gegarandeerd.
Auteurs en copyright: dr. ing. J. Klimstra en ing. K. de Jong
Gebruikte literatuur + enkele grafieken zie lijst.