Beschrijving maatregel
Proces/deelproces:
Elektriciteitsopwekking
Beschrijving
Bij energieproductie uitgaande van stoom, vindt er een overdracht plaats van de energie uit de verbrandingsgassen naar het water. Deze energie uitwisseling gebeurt volledig onder de vorm van warmteoverdracht. Dit proces is indirect en brengt een verlies aan omzettingsrendement met zich mee. Indien enkel processtoom of warm water als energie benut wordt, volstaat een stoom/warm waterketel. Voor elektriciteitsopwekking met of zonder warmtetoepassing is er een stoomturbine, stoommotor of Organic Rankine Cycle (ORC) noodzakelijk.
Stoomturbine
De stoomturbine is de meest toegepaste techniek in de grotere vermogensrange (0.1 – 100 MWe). Het principe van elektriciteitsproductie uit stoom is gebaseerd op de Rankine-cyclus, een thermodynamisch proces. In deze cyclus wordt in een stoomketel oververhitte stoom (d.w.z. verwarmd tot een temperatuur boven het kookpunt bij de keteldruk) onder hoge druk geproduceerd. Deze stoom expandeert vervolgens in een stoomturbine die een generator aandrijft. Daarna wordt de stoom gecondenseerd in een water- of luchtgekoelde condensor en wordt het condensaat teruggepompt naar de stoomketel. Bij deze water-stoomcyclus is het belangrijk om de stoom te oververhitten om de vorming van condensaatdruppels in de stoomturbine te vermijden.
De elektriciteitsopwekking gebeurt in de turbine-alternatorset, bijkomende warmte-energie kan ofwel uit de uitlaat van de turbine gerecupereerd worden ofwel uit een aftap van de turbine afhankelijk van het type turbine. Er bestaan 2 types stoomturbines: de tegendruk turbine (enkel gebruikt bij WKK-installaties) en de condenserende turbine (gebruik in elektriciteitscentrales en WKK-installaties) al dan niet met aftap. De tegendruk turbine laat de damp gedeeltelijk ontspannen tot een bepaalde druk (cfr. de vereiste druk en temperatuur nodig voor de nageschakelde warmtetoepassing). De condenserende turbine laat de hoge druk stoom volledig ontspannen (tot ca. 0.1 bar overdruk bij luchtcondensor, mogelijk tot lagere drukken bij watercondensor). De warmte die eventueel nodig is wordt gegenereerd door een deel van het stoomdebiet af te tappen uit de turbine. Naargelang de elektriciteit en warmtevraag moet de stoomcyclus uitgebalanceerd worden naar zijn meest optimale energetisch omzettingsrendement (geringe stoomaftap maar op hoge druk of groter (stoomdebiet op lagere druk). Typische dampdrukken voor vermogens tot 5 MWe liggen tussen de 40 en 60 bar.
Het rendement van dergelijke installatie wordt bepaald door de condities van de geproduceerde stoom (druk en temperatuur), het rendement van de turbine en de eigenschappen van de condensor. Gewoonlijk ligt het rendement tussen 15 en 40%. Het rendement ligt hoger bij hoge druk en temperatuur van de stoom en lagere temperatuur van het condensaat. In kleinere toepassingen wordt warmte-kracht-koppeling (WKK) toegepast. Hierbij wordt uitgegaan van een bepaalde warmtevraag (onder de vorm van stoom). Door de stoom onder hoge druk op te wekken, en in de turbine te laten expanderen tot de gewenste druk, wordt de elektriciteit als ‘bijproduct’ opgewekt. Het elektrisch rendement is vaak laag (10 – 15%), maar het thermische rendement bedraagt nog eens 60 – 70%.
Het voordeel van een stoomturbine is dat het een degelijke technologie is die reeds zijn strepen verdiend heeft en dat de grootte van de installatie zeker in de grootteorde van enkele MW, geen begrenzingen heeft. Aangezien verbranding en elektriciteitsproductie gescheiden zijn, vormt het gebruik van brandstof met veel as geen probleem. Nadelen van deze technologie kan de relatief lage elektrische efficiëntie door de beperkte stoomparameters zijn, een slecht rendement in deellast en bij kleine units, een hoge werkingskost en de noodzaak voor hoge kwaliteitsstoom.
Figuur 33 : schema stoomketel met turbine en condensor
Stoommotor
Stoommotoren worden voornamelijk ingezet voor de kleinere vermogens (van 20 kWe tot 1.5 MWe). Een stoommotor werkt volgens het principe dat de stoom in een cilinder wordt geëxpandeerd en zo arbeid verricht op een zuiger, deze arbeid wordt op zijn beurt omgezet in elektriciteit. Een stoommotor kan tot 40 t/h stoom aan, de inlaatdruk kan naargelang de bouwwijze variëren tussen de 6 en 60 bar, de uitlaatdruk kan variëren tussen de 0.5 en 25 bar.
Stoommotoren worden zowel voor elektriciteitsproductie als voor WKK-installaties gebruikt. De nuttige warmte wordt gegenereerd uit de uitlaat van de motor.
Voordelen van deze motoren zijn dat ze geschikt zijn voor kleinere ordegroottes, dat ze een goed rendement in deellast hebben, dat verzadigde stoom kan gebruikt worden, en dat het een marktrijpe technologie is. De nadelen zijn dan weer dat de afgassen met olie kunnen belast zijn, een lage elektrische efficiëntie (6 - 20%), een hoge onderhoudskost en de geluidsintensiteit.
Figuur 34: schema stoommotor
Organic Rankine Cycle (ORC)
Door een klassieke Rankine cyclus uit te voeren met een ander dikwijls organisch fluïdum (o.a. ammoniak, propaan, n-pentaan, n-hexaan, tolueen, silicone olie, …), in plaats van met water en stoom, zijn er belangrijke voordelen te behalen aangezien het proces met lagere temperaturen werkt (de organische stof verdampt en condenseert bij een lagere temperatuur dan water). De verdampingsenergie voor het organisch medium wordt gehaald uit een thermische olie ketel. In een thermische olie/organisch fluïdum verdamper wordt de energie overgedragen. De organische stof in de verdamper levert een hoge verdampingsdruk bij een veel lagere temperatuur dan stoom. De oververhitte damp wordt over een turbine gestuurd om elektriciteit te produceren. De resterende warmte van de nog oververhitte damp uit de turbine kan deels gebruikt worden om het condensaat naar de verdamper voor te verwarmen, te verdampen en ev. deels te oververhitten. De organische stof condenseert in de condensor. De condensorwarmte kan gebruikt worden voor de warmtetoepassing.
De verdampingsdruk verschilt naargelang welke organische stof wordt gebruikt, maar ligt rond de 10 bar bij een temperatuur tussen de 250°C en 300°C. Daarnaast hebben sommige organische stoffen zulke fysische eigenschappen dat oververhitting niet nodig is. Ten slotte is bij organische stoffen de verdampingswarmte minder hoog dan bij water (vanwege het ontbreken van waterstofbruggen) en is een groter aandeel van de warmte benutbaar voor opwarming van de vloeistof. Dat is een interessante eigenschap als het om benutting van restwarmte gaat. Deze eigenschappen maken het mogelijk om een Organic Rankine Cycle te gebruiken om met laagwaardige warmte elektriciteit op te wekken. De minimum temperatuur waarbij dit proces nog praktisch mogelijk is, bedraagt ongeveer 80 °C. Het rendement neemt toe naarmate de temperatuur van de beschikbare warmte hoger is. Bij lagere temperatuur kan ongeveer 10% van de warmte omgezet worden in elektriciteit. Bij hogere temperaturen neemt dit toe tot ruim 20%. Dan is het ook mogelijk om de condensor op een hogere temperatuur te houden, zodat de condensatiewarmte kan benut worden voor een warmtetoepassing. De afstemming van de condenstemperatuur voor de warmtetoepassing bepalen het thermisch rendement.
Figuur 35: schema Organic Rankine Cycle
Milieuvoordeel
-
Financiële aspecten
De inschatting van de financiële aspecten dient op het niveau van de individuele onderneming te gebeuren.
Opmerkingen
-