Gasturbines zijn er in verschillende maten. Terwijl grote verbrandingsturbines de meeste publiciteit lijken te krijgen, waarbij Siemens, GE en Mitsubishi Hitachi Power Systems de meeste ophef maken, hebben verschillende kleinere bedrijven niches ontdekt in de markt voor microturbines. Hun innovatieve ontwerpen vinden vooral belangstelling in de commerciële en industriële segmenten.
Wanneer veel mensen aan microturbines denken, denken zij vaak aan kleine eenheden die niet meer dan 30 kW vermogen produceren. Hoewel dergelijke eenheden nieuw zijn, heeft de industrie zich de afgelopen tien jaar sterk ontwikkeld en multipack-eenheden kunnen tegenwoordig een totale capaciteit van 30 MW bereiken.
Het adviesbureau ICF Inc. onderhoudt een database met installaties voor warmtekrachtkoppeling (CHP) voor het Amerikaanse ministerie van Energie. Het wordt beschouwd als de meest uitgebreide bron van informatie over WKK-installaties in het land. ICF meldde onlangs dat microturbines in de periode 2013-2017 een marktaandeel van 25% veroverden van de WKK-installaties in de VS in de klasse van 100 kW tot 5 MW. Dat was een nieuw record.
Volgens de database bedroeg de totale geïnstalleerde capaciteit van WKK-systemen van minder dan 5 MW 2.631,4 MW aan het einde van 2017. ICF voorspelt dat de jaarlijkse installaties van WKK in de VS zullen groeien van 561 MW in 2017 tot maar liefst 1.400 MW in 2026. De groei zal naar verwachting worden aangedreven door kleinere commerciële toepassingen die typisch compatibel zijn met microturbine-technologie.
“Gezien de recordlage gasprijzen en de stabiliteit ervan voor de nabije toekomst, biedt de ontwikkeling van warmtekrachtkoppelingsprojecten een aantrekkelijke kans met meerdere inkomstenstromen – stoom verkocht aan gastheren voor industriële processen en elektrische stroom verkocht aan het net, “vertelde Siraj Taj, principal en eigenaar van ST Power Services Consultants, aan POWER. “Commerciële en industriële consumenten beoordelen de economische levensvatbaarheid van warmtekrachtkoppeling achter de omheining om de bedrijfskosten te verlagen, de betrouwbaarheid te verbeteren, energie-efficiëntiedoelstellingen te bereiken en hun koolstofvoetafdruk te verkleinen”, voegde hij eraan toe.
Powering Industrial Processes
Al bijna tien jaar geleden berichtte POWER over de groei van microturbinesystemen (zie “Microturbine-technologie wordt volwassen” in het novembernummer van 2010). Capstone Turbine Corp., dat beweert ’s werelds toonaangevende ontwikkelaar en fabrikant van microturbine systemen voor energieopwekking te zijn, leurde toen al met afzonderlijke eenheden met een vermogen tot 1 MW. Vandaag de dag kunnen alle eenheden van Capstone parallel worden geschakeld tot een vermogen van 30 MW.
Om te begrijpen waar deze pakketten voordelig kunnen zijn, kijk eens naar Felsineo La Mortadella. Het bedrijf is een Italiaanse voedselverwerker die een fijngemalen, warmtebehandelde varkensworst produceert. Het kwam aan bod in een casestudy die op de website van Capstone werd gepubliceerd.
Felsineo was op zoek naar een upgrade van het stroomopwekkingssysteem in zijn primaire productiefaciliteit in Bologna. Het bedrijf wilde een systeem dat de productie van verzadigde stoom voor de worstproductie kon opvoeren.
Het bedrijf besloot Capstone’s C1000 microturbine op aardgas (Figuur 1) te installeren, samen met een gascompressor en een naverbrandingsstoomgenerator. Het Felsineo project was Capstone’s eerste microturbine die gebruik maakte van een naverbrandingsstoomoplossing, die met succes zowel aan de elektrische als aan de thermische vraag van de fabriek voldeed. De algemene efficiëntie van de productie-eenheid verbeterde met 30%, waardoor Felsineo ongeveer €300.000 per jaar bespaarde, aldus de casestudy.
1. Capstone Turbine Corp. biedt een reeks microturbines aan, gaande van het 30 kW C30-ontwerp (hier afgebeeld) tot de 1 MW C1000S-eenheid. Met dank aan: Capstone Turbine Corp.
“Capstone’s nieuwe Signature Series-productlijn boekt aanzienlijke vooruitgang in de WKK-markt, die specifiek gericht is op de groei van de verticale energie-efficiëntiemarkt en de voortdurende diversificatie van Capstone’s activiteiten,” zei Jim Crouse, Capstone’s executive vice president Sales and Marketing, in een recent persbericht over de groei in de WKK-markt.
World’s Most Efficient Small Gas Turbine
Aurelia Turbines is een relatieve nieuwkomer op de markt – het bedrijf werd opgericht in 2013 – maar zijn technologie is al decennialang in ontwikkeling. Het hoofdkantoor en de productiefaciliteiten van het bedrijf bevinden zich in Lappeenranta, Finland. De locatie is belangrijk omdat Aurelia samenwerkte met de Lappeenranta University of Technology om zijn nieuwe gasturbine te ontwikkelen.
Volgens Aurelia’s CEO Matti Malkamäki is Lappeenranta “een beetje als een Silicon Valley voor hogesnelheidstechnologie.” In een exclusief interview met POWER zei Malkamäki dat hij het bedrijf specifiek in Lappeenranta heeft gevestigd vanwege “de know-how” die in het gebied aanwezig is. “In de beginfase waren er vijf verschillende professoren van de universiteit en hun respectieve onderzoeksteams, in totaal meer dan 30, die de turbine ontwierpen. Zonder hen zou dit product nooit het daglicht hebben gezien,” zei hij.
De Aurelia-gasturbine maakt gebruik van wat het bedrijf een IRG2-proces noemt (intergekoelde en geregenereerde generator op twee spoelen). Hoewel turbines met meerdere spoelen en teruggewonnen/gekoelde turbines in andere vormen bestaan, is de A400-turbine van Aurelia de eerste in zijn soort die al deze kenmerken in dezelfde eenheid gebruikt (figuur 2).
2. Dit diagram toont het IRG2-proces (intergekoelde en teruggewonnen generator op twee spoelen). Belangrijke onderdelen in het Aurelia-ontwerp zijn lagedruk- (LP) en hogedrukcompressoren (HP), turbines en generatoren. Met dank aan: Aurelia Turbines
De beloning is een verbeterde efficiëntie. Aurelia beweert dat het de meest efficiënte kleine gasturbines ter wereld heeft, gebaseerd op elektrisch rendement.
“We verrichten hier geen wonderen,” legde Malkamäki uit. “Het grootste verschil met andere gasturbines van vergelijkbare grootte is simpelweg het feit dat we twee assen hebben. We hebben de lagedrukas en we hebben de hogedrukas. Dit betekent dat we twee generatoren hebben. Ze hebben allebei geen versnellingsbak, dus het zijn hogesnelheidsassen. En we hebben de lagedrukcompressor waarna we de interkoeler hebben en die maakt de rest van het omzettingsproces veel efficiënter, omdat de lucht dan dichter en koeler is. Dan hebben we een recuperator – dit is dus een geregenereerde turbine – maar we hebben een iets hogere drukverhouding bij de verbrandingskamer dan alle andere turbines van vergelijkbare grootte. Dit geeft ons een beetje voordeel.”
Hoewel het Capstone-ontwerp zeer geschikt is voor WKK-installaties waar de uitlaatwarmte kan worden gebruikt om de algemene efficiëntie te verbeteren, heeft Aurelia zich gericht op toepassingen waar elektriciteit de drijvende kracht is achter de beslissing om een turbine te installeren. De Aurelia-turbine kan nog steeds worden gebruikt in WKK-toepassingen, maar afhankelijk van de specifieke eisen van de locatie kan ook een kanaalbrander nodig zijn.
“We concurreren meer met gasmotoren,” zei Malkamäki. Op dat gebied biedt Aurelia meer brandstofflexibiliteit en lagere emissies. “We hebben een veel groter venster voor de verschillende brandstoffen. We kunnen zeer magere biogassen gebruiken die niet geschikt zijn voor motoren. Dit is waar we de eerste marktniche voor ons zien.”
Een ander uniek kenmerk dat in de Aurelia-turbine is ontworpen, zijn actieve magnetische lagers. De lagers hebben geen olie nodig, waardoor de kans op lekken afneemt en het onderhoud vermindert. Het ontwerp is niet nieuw. Sulzer, dat ook aanwezig is in Lappeenranta, gebruikt soortgelijke lagers in sommige van zijn machines, zoals in hogesnelheidsturbocompressoren voor afvalwaterzuiveringsinstallaties en verschillende andere. Het succes van deze toepassingen gaf Aurelia vertrouwen in het lagersysteem dat in het turbineontwerp wordt gebruikt.
“In deze business draait het allemaal om betrouwbaarheid en laten zien dat je een betrouwbaar bedrijf bent,” zei Malkamäki. Aurelia probeert er alles aan te doen “to walk the talk,” voegde hij eraan toe.
Aanvullende warmtekrachtkoppelingsoplossingen
Het in het VK gevestigde Centrax is een andere leverancier van kleine gasturbineoplossingen. In oktober 2017 heeft het ook een project in Bologna, Italië, in gebruik genomen. Die faciliteit maakt gebruik van twee CX501-KB5 DLE-generatorsets, die elk tot 3,9 MW elektrisch vermogen leveren, gekoppeld aan industriële ketels die de capaciteit hebben om verwarming te leveren aan ongeveer 8.000 huishoudens in de stad. De twee pakketten worden aangedreven door Siemens 501-K gasturbines.
Hera, het multi-utiliteitsbedrijf dat eigenaar is van de faciliteit, investeerde meer dan 17 miljoen euro in het project, dat is gesitueerd in een fabriek die sinds de jaren 1990 in bedrijf is. De impuls voor de upgrade was volgens het bedrijf het verbeteren van de energie-efficiëntie en milieuduurzaamheid. Een deel van de oude centrale werd in mei 2015 gesloopt, en de centrale begon in minder dan 18 maanden het stadsverwarmingsnetwerk te voeden.
“De 501-KB5 DLE-generatorsets zijn zeer geschikt voor dit project, en bieden Hera een compacte maar krachtige oplossing die een uitstekende flexibiliteit mogelijk maakt als en wanneer warmte en stroom nodig zijn,” zei Chris Dumont, executive manager Sales en Marketing bij Centrax, in een persbericht waarin de opening van de centrale werd aangekondigd. “Dankzij de nieuwe technologie kan Hera de installaties vanuit een centrum op afstand besturen, zodat er ter plaatse zo weinig mogelijk personeel nodig is.”
OPRA Turbines, een in Nederland gevestigde groepsmaatschappij van Dalian Energas, biedt nog een ander klein gasturbinepakket aan. De OP16 gasturbine heeft een volledig radiaal ontwerp. Hij is naar verluidt uniek omdat zijn geavanceerde verbrandingssystemen de mogelijkheid bieden een breed scala van vloeibare en gasvormige brandstoffen te verwerken. De gematigde drukverhouding van de OP16 maakt het mogelijk te werken met een lage brandstof-gasdruk, en hij kan worden uitgerust met verbrandingsmotoren met een lage emissie of met brandstofverbrandingsmotoren met een laag Btu-gehalte. Volgens het bedrijf kan zijn unieke verbrandingstechnologie vuil brandbaar gas, dat anders zou worden afgefakkeld, geloosd of gewoon weggegooid, omzetten in “groene stroom en schoon uitlaatgas.”
Een voorbeeld van OPRA’s oplossing in actie is te vinden in een gipsplaatproductiefaciliteit van Siniat in Nederland. Het proces van Siniat vereiste de continue levering van 5,8 MWth en 1,8 MWe. Na bestudering van de opties besloot het bedrijf de OP16-gasturbine in eilandmodus te gebruiken. Uitlaatgassen die de turbine bij 575C verlaten, worden rechtstreeks naar de drogers en roosters geleid. Daardoor bedraagt het totale elektrische en thermische rendement van de installatie meer dan 85%. De uitlaatgassen bevatten 15% O 2, waardoor gemakkelijk naverbranding kan worden toegepast bij de inlaten van de drogers, indien extra thermisch vermogen vereist is. Bovendien werd de eenheid in slechts twee weken geïnstalleerd op dezelfde plaats als een oudere, eerder bestaande radiale gasturbine. ■
-Aaron Larson is uitvoerend redacteur van POWER.