Ontwikkeling van decentrale oplossingen – stroomopwekking uit industriële restwarmte

GET® turbinesysteemgenerator (Foto: Universiteit Bayreuth) / GET turbine generator (Foto: Universiteit Bayreuth)

ORC-Versuchsanlage (Foto: Universität Bayreuth) / Onderzoeksysteem (Foto: Universität Bayreuth)

Met de voortgang van de energietransitie groeit de interesse in decentrale en regelbare opwek-eenheden. Het gebruik van restwarmte in industriële processen kan aanzienlijk bijdragen aan het verhogen van de energie-efficiëntie en het opwekken van CO2-arm stroom. De Organic Rankine Cycle (ORC) biedt hiervoor een technologische aanpak voor de omzetting van restwarmte in elektriciteit. Het Noord-Beierse consortium van de Universiteit Bayreuth, OTH Amberg-Weiden en het bedrijf DEPRAG houdt zich sinds nu 7 jaar succesvol bezig met de ontwikkeling van ORC-systemen en vooral van micro-expansieturbines in het kleine vermogensbereik onder 50 kW (elektrisch).  

Het terugwinnen van niet-gebruikte energiestromen zoals warmte in uitlaatgassen van verbrandingsmotoren of gasturbines, of ook de restwarmte van industriële processen, vormt een veelbelovende aanpak om de energie-efficiëntie te verbeteren. De bestaande technische oplossingen, zoals achtergeschakelde stoomkrachtprocessen of turbines als aardgasexpander, beperken zich tot energiestromen met temperaturen boven 500 °C en elektrische installatielasten boven 100 kW. Om een brede marktpenetratie te bereiken en een merkbaar positief effect op het huidige energiesysteem te realiseren, is het belangrijk om ook de aanzienlijke potenties op lage temperaturniveaus te ontsluiten. 

Het concept: efficiënte, kleinschalige ORC-turbine

De ORC biedt zich vooral aan voor warmtebronnen met temperaturen van 100 °C tot 500 °C als technologie voor energiewandeling. Het betreft in principe het bekende stoomkrachtproces, dat is genoemd naar de Schotse natuurkundige en ingenieur William John Macquorn Rankine (1820 – 1872). In tegenstelling tot conventionele krachtcentrales worden in ORC-systemen echter organische vloeistoffen in plaats van water als werkmedium gebruikt. Deze stoffen hebben het voordeel dat ze al bij relatief lage temperaturen verdampen. In het elektrische vermogensbereik onder 100 kW is deze technologie nog niet voldoende ingeburgerd. Dit wordt onder andere veroorzaakt door het gebrek aan economische micro-expanders met generatoren. Juist hier ligt een belangrijke invalshoek voor het intensieve onderzoeks- en ontwikkelingswerk van de samenwerkingspartners. Zo is een nieuwe, hoog geïntegreerde turbine-generator-eenheid ontwikkeld, bestaande uit een axiale gelijkdrukturbine met een hermetisch afsluitbare synchrongenerator (afbeelding turbine). Daarnaast is een innovatief warmtewisselaar-ontwerp (Plate & Shell warmtewisselaar) getest om het ORC-werkmedium direct met de uitlaatgassen te koppelen. Door deze maatregel worden kostbare tussencircuits vermeden.

Nauwe samenwerking: Bayreuth en Amberg

In het project ‘Ontwikkeling van een ORC-minikrachtcentrale voor restwarmtebenutting’, dat van 2011 tot 2013 werd gefinancierd door de Beierse Stichting voor Onderzoek, werden eerst de specifieke expertises van de drie projectpartners in verschillende ontwikkelingsfasen samengebracht: stationaire simulatie en vloeistofkeuze, ontwerp en fabricage van een directverdamper en een micro-expansieturbine met generator, conceptualisering van de demonstratie-installatie, evenals opbouw en werking van de installatie. Hierbij berekende en ontwierp Prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß van de OTH Amberg-Weiden de micro-expansieturbine. DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. met zetel in Amberg loste de technische uitdagingen bij de fabricage van de ORC-micro-expansieturbine op. Uiteindelijk werd een onderzoekscentrale gebouwd aan het Zentrum für Energietechnik (ZET) van de Universiteit Bayreuth onder leiding van Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggenmann (afbeelding onderzoekscentrale). “De intensieve en doelgerichte samenwerking tussen de turbine-ontwikkelaars uit Amberg en de thermodynamici uit Bayreuth heeft uiteindelijk geleid tot een elektrische capaciteit van 12 kilowatt met een turbinerendement van bijna 65 procent, waarbij uitlaatgastemperaturen tot 300 graden Celsius konden worden benut,” herinnert zich Dr.-Ing. Theresa Weith, die aan het project werkte en nu het thema Warmteoverdracht aan het ZET leidt.

Doorgedreven verdere ontwikkeling: bredere toepassing en flexibel gebruik

Het beschreven onderzoeksproject vormt de eerste stap in een consequente verdere ontwikkeling van de ORC-technologie door de projectpartners. Na de succesvolle bouw en test van de proefcentrale met directverdamping van cyclopentaan en een microturbine als expander, werd in het kader van het subproject ‘Micro-expansieturbines met snellopende generatoren voor het opwekken van elektriciteit uit restwarmte in warmtekrachtkoppeling of andere industriële processen’, dat van 2013 tot 2016 werd gefinancierd door het Beierse Ministerie van Onderwijs en Cultuur, Wetenschap en Kunst, een modulaire systeem voor micro-expansieturbine-generatoren ontwikkeld. Drie verschillende representanten van deze modulaire systemen werden in een tweede ORC-installatie met hexamethyldisiloxaan (MM) als werkmedium uitgebreid gemeten.

Door de zeer betrouwbare werking van de nieuwe ORC-proefcentrale konden de turbines niet alleen op de ontwerppunt, maar ook onder deelbelasting worden getest, waardoor de bedrijfs- en rendementkarakteristieken konden worden bepaald. De uitgevoerde metingen tonen verdere efficiëntieverbeteringen aan, zodat turbine-rendementen van bijna 75% konden worden gerealiseerd. Alle betrokkenen hebben er steeds op gelet om theoretische berekeningen te combineren met concrete bewijzen in het laboratorium. “Veel publicaties op dit gebied hebben zich beperkt tot berekeningen op de computer, maar hebben experimenteel bewijs achterwege gelaten. Deze kloof hebben wij kunnen dichten en laten zien welk groot potentieel er ook in kleine ORC-systemen voor elektriciteitsopwekking schuilt,” benadrukt Prof. Brüggenmann.

Dat de ambitieuze doelstellingen niet alleen op wetenschappelijk niveau werden bereikt, blijkt ook uit de ‘Green-Energy-Turbine (GET®)’ – een productfamilie van DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO., die in haar architectuur hoofdzakelijk op de genoemde projecten is gebaseerd. Met vijf verschillende bouwgroottes kan een elektrisch vermogensbereik van 3 kW tot 175 kW worden gedekt. Door de eenvoudige opbouw kan de GET-turbine-generator snel en kosteneffectief worden aangepast aan de in de praktijk gevraagde verschillende vermogens, werkvloeistoffen, drukken en temperaturen, en momenteel zijn al ongeveer 100 machines in gebruik.

Ondanks de reeds behaalde successen hebben de projectpartners nog verdere doelen voor ogen. In het nieuwe, door de BFS gefinancierde project, moet een adaptieve turbine met variabele geometrie worden ontwikkeld en getest in de bestaande onderzoekscentrale. “We willen bereiken dat de turbine zich op een intelligente en efficiënte manier aanpast aan vaak voorkomende deelbelastingsgebieden,” legt Prof. Weiß uit.