Skip to content


Werk maken van warmte

Een techniek die restwarmte kan benutten geniet een groeiende belangstelling. Professor Colonna’s tweejaarlijkse congres daarover is nu de TU aula ontgroeid. Wat is er aan de hand?

Klik voor tekstversie

Er gaat nogal wat warmte verloren. Bij de cementindustrie bijvoorbeeld vliegt 40 procent van de energie via de schoorsteen naar buiten. Andere sectoren met veel afvalwarmte zijn hoogovens, chemische industrie en raffinaderijen. En dan hebben we het nog niet over het wegverkeer. Verbrandingsmotoren zijn zo goed als mogelijk geoptimaliseerd, maar nog steeds gaat minimaal 60 procent van de energie verloren als warmte. En dat energieverlies wordt steeds minder als vanzelfsprekend beschouwd.

Te meer omdat er een techniek bestaat waarmee warmte omgezet kan worden in beweging en elektriciteit – een soort stoomturbine voor lagere temperaturen, vernoemd naar de veelzijdige Schotse ingenieur William Rankine (1820 – 1872): de organische Rankine cyclus of ORC (zie kader).

De eerste praktische demonstratie van een ORC-machine vond al rond 1880 plaats toen verschillende ingenieurs alternatieven voor stoommachines ontwikkelden. Bij een stoomschip moest er wettelijk een machinist aan boord van een schip zijn. Voor een machine die met nafta (een brandbare mix van koolwaterstoffen) werkte in plaats van water en stoom, was dat vreemd genoeg niet het geval. Een naftaschip bood gefortuneerde jachteigenaars zodoende de mogelijkheid te varen zonder bemanning. Het extra brandgevaar namen ze daarbij voor lief.

In de twintigste eeuw duikt de ORC techniek op in Italië (dertiger jaren), Rusland, VS en Israel (na de Tweede Wereldoorlog). Ten tijde van de energiecrisis van de jaren ’70 gaat professor Gianfranco Angelino ermee aan de slag aan de technische universiteit van Milaan. Het zou het begin worden van wat bekend werd als ‘de Italiaanse school’ van de ORC. Het bedrijf Turboden dat ORC-installaties maakt is daar uit voortgekomen. Daarnaast is er een Israelisch-Amerikaanse school met het bedrijf Ormat dat zich heeft toegelegd op exploitatie van aardwarmte. En sinds kort bestaat er ook het Nederlandse bedrijf Triogen dat een Finse turbine gebruikt om energie te winnen uit industriële restwarmte vanaf 350 graden. Het bedrijf is mede opgericht door emeritus TU hoogleraar prof.ir Jos van Buijtenen. Prof.dr.ir. Piero Colonna (leerstoel Power and Propulsion bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek)promoveerde bij Angelino in Milaan, en zet als het ware de Italiaanse school voort in Delft.Hij organiseert op 7 en 8 oktober het tweede internationale congres** over ORC in De Doelen. Twee jaar geleden vond de eerste editie plaats in de Aula, maar die is nu te klein. Dat is typerend voor een techniek die exponentieel stijgende lijnen vertoont – zowel in het aantal publicaties (van 7 in 2000 naar 196 in 2012) als in aantal installaties (400 in 2012) en geïnstalleerd vermogen (momenteel 1500 megawatt of drie kolencentrales). Binnen de huidige economie is ORC een van de weinige sectoren die in de lift zit.

 

Hernieuwbaar

 

William Rankine had niet kunnen vermoeden dat zijn gemodificeerde stoomcyclus anderhalve eeuw later vooral van pas zou komen bij hernieuwbare energiebronnen en bij terugwinning van energie. De verklaring daarvan ligt in de lagere werktemperatuur van ORC ten opzichte van de stoomcyclus; met fossiele brandstoffen wordt makkelijk een stoomtemperatuur van 500 graden of hoger bereikt, maar restwarmte of warmte van duurzame bronnen hebben in de regel een lagere temperatuur.

Neem biomassa. In Duitsland, Oostenrijk en Denemarken draaien kleine biomassagestookte buurtcentrales vaak met een ORC installatie. De temperatuur van de damp wordt niet hoger dan zo’n 320 graden en condenseert bij 90 graden. De thermodynamica leert dat het rendement van een thermische cyclus beter wordt naarmate het verschil tussen boven- en ondertemperatuur groter is. Het elektrisch rendement is hier met 18 procent dan ook relatief gering, maar als je de warmte ook gebruikt (wat bij een buurtcentrale meestal het geval is), bedraagt het totale rendement 88 procent. Het warmtevermogen van dergelijke buurtcentrales (de specialiteit van Turboden) ligt typisch tussen 6 en 10 megawatt, het elektrisch vermogen tussen 1 en 2 megawatt.

Aardwarmte is vanaf 80 graden Celsius geschikt voor elektriciteitsopwekking met ORC, stelt een recent overzichtsartikel*. Het vermeldt een Europees potentieel van maar liefst 34.000 megawatt, dus ongeveer 30 kolencentrales die dicht zouden kunnen. Dat klinkt wel heel rooskleurig en houdt geen rekening met de economische haalbaarheid. Vooral aardwarmtebronnen met lagere temperaturen hebben een laag elektrisch rendement en gebruiken zelf veel elektriciteit voor de pompen (tussen 30 en 50 procent van de eigen productie). Bij hogere temperaturen (vanaf 150 graden) stelt men de condensatietemperatuur vaak relatief hoog in op bijvoorbeeld 60 graden. Dat gaat weliswaar ten koste van de elektriciteitsproductie, maar houdt het water warm genoeg voor stadsverwarming. Je kunt het ook zo zien: als de aardwarmtebron een hogere temperatuur levert dan nodig is voor het warmtenetwerk, kan ORC het overschot afromen met elektriciteitsopwekking.

In principe zijn ORC-installaties ook te gebruiken voor zonne-energie, maar dat gebeurt weinig. Natuurlijk zijn bestaande zonnepanelen een goed alternatief, en bij zonthermische installaties bereiken parabolen en met spiegels omgeven zonnetorens temperaturen die hoog genoeg zijn voor een stoomcyclus. Alleen voor zonnetroggen (met een boventemperatuur van 300 tot 400 graden) is ORC een potentieel interessante techniek en dan met name voor kleinere installaties met een vermogen van enkele tot tientallen kilowatts.

 

Terugwinning

 

Het Nederlandse bedrijf Triogen in Goor, Twente, legt zich toe op winning van energie uit afvalwarmte. De meeste van de twintig tot nu toe geleverde apparaten staan achter gasmotoren die gestookt worden met biogas en gas uit stortplaatsen. De ORC-installatie levert daarbij ongeveer 10 procent extra van het elektrisch vermogen van de hoofdinstallatie. Elk systeem dat voldoende warmte levert met een temperatuur van 350 graden of meer is ervoor geschikt. Dus ook industriële installaties in staal-, beton- en (petro-)chemische industrie.

Het hart van de Triogen installatie is een kleine turbogenerator (25.000 rpm, 60 – 170 kilowatt elektrisch) van een meter hoog en een halve meter doorsnede. Maar om die generator te voeden is een grote gele kast vol pijpen, pompen en vaten nodig en warmtewisselaars om warmte te onttrekken aan de hoofdinstallatie. Verderop staat nog een grijze kast met vermogenselektronica om de opgewekte elektriciteit in het net te voeren.

Of het voor een bedrijf interessant is om de afvalwarmte te benutten hangt af van de stroomprijs, zegt Van Buijtenen. Hij schat dat een vergoeding van 11 cent per kilowattuur het minimum is. De terugverdientijd bij continu bedrijf is dan ongeveer vijf jaar en de levensduur van de installatie twintig jaar.

TU hoogleraar Piero Colonna werkt aan kleinere ORC-installaties voor vrachtwagens. “We moeten van megawatts naar tientallen kilowatts”, vat Colonna zijn missie samen, “en de installaties klein en licht maken.” Hij werkt daarvoor samen met grote namen in de truck-industrie: het Amerikaanse Dana-Spicer en het Duitse Bosch, waarbij Colonna’s groep zich richt op de ontwikkeling van een microturbine. De schatting is dat uit de 60 procent afvalwarmte van de motor ongeveer 10 procent van het mechanisch vermogen is terug te winnen. Die elektriciteit is aan boord te gebruiken voor koeling, communicatie en wat al niet. Maar echt interessant wordt het pas als die elektriciteit gebruikt kan worden voor het transport zelf. Colonna gelooft in de hybride truck die zich in de stad alleen elektrische voortbeweegt.

Op het congres zullen in de komende dagen alle toepassingen van de techniek ter sprake komen: van industrie tot slimme cv-ketels, en van biomassaovens via aardwarmte tot zonnetroggen. Colonna hoopt dat standaardisatie in de ORC-gemeenschap de techniek goedkoper en algemener toegankelijk zal maken. In plaats van een paar honderd bijzondere installaties zou ORC een heel gewone toevoeging moeten worden op iedere plek waar warmte ongebruikt ontsnapt.

 

KADER Hoe werkt ORC

 

Net als een stoomturbine werkt ook de Organic Rankine Cyclus met een vloeistof die verdampt, en in gasvorm onder hoge druk een turbine aandrijft. De turbine drijft een generator aan die elektriciteit opwekt. De damp condenseert tot vloeistof en gaat terug de cyclus in.

Het verschil zit ‘m in het werkmedium dat geen water is, maar een organische stof zoals koelmedia, koolwaterstoffen (pentaan, butaan, tolueen) of siliconenolie. Die keuze biedt de mogelijkheid om het kritische punt (gas is boven die temperatuur niet meer tot vloeistof samen te drukken) af te stemmen op de temperatuur van de afvalwarmte.

In de gesloten Rankine cyclus wordt de vloeistof opgepompt vanuit een reservoir en op druk gebracht. Een ‘recuperator’ verwarmt de vloeistof voor met heet uitstromend gas uit de turbine. Dan volgt verdamping met behulp van de afvalwarmte van het primaire proces. De hete damp drijft met enkele 10-tallen bar druk de turbine aan. Daarna volgt afkoeling in de recuperator (opwarming van opgepompte vloeistof) en condensatie tegen een koelmedium in de condensator waarna het werkmedium terugvloeit in het reservoir.

Achter wat hier aangeduid wordt als ‘werkmedium’ gaat nog een hele tak van wetenschap en industrie schuil waarin gewerkt wordt aan vloeistoffen met de instelbare werktemperatuur, hoge dampdichtheid, goede smerende eigenschappen, lage viscositeit, lage toxiciteit, betaalbaar en bovendien niet schadelijk voor ozongat of behept met een groot broeikaseffect.

(*)     Sylvain Quoilin e.a.: Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 22, 2013

(**) weblink orc congres: www.asme-orc2013.nl

Posted in Artikelen, Delta.

Tagged with , , , .