Beschrijving van een elektriciteitscentrale met (ook) een gasturbine

De eerste elektriciteitscentrales gestookt op aardgas hadden aanvankelijk hetzelfde systeemontwerp als de (steenkool)centrales met alleen een stoomcyclus, waarbij aardgas net als een vaste brandstof zoals steenkool of biomassa wordt verbrand in het fornuis om stoom te produceren waarmee een stoomturbine en generator aangedreven worden. In de jaren '60 van de vorige eeuw deed echter een nieuwe techniek zijn intrede in elektriciteitscentrales: de gasturbine.

Gasturbine

De gasturbine is afgeleid van de turbinemotor van een vliegtuig (zoals bekend van straalvliegtuigen). Een gasturbine-eenheid bestaat uit:
• een compressor: verbrandingslucht wordt aangezogen en gecomprimeerd
• een verbrandingskamer: hierin worden brandstof en lucht gemengd en verbrand waarbij een sterke volumevergroting en temperatuurverhoging optreedt
• een expansieturbine: waarin een deel van de energie die is vrijgekomen tijdens de verbranding wordt omgezet in arbeid.

Aardgas wordt meestal al op druk aangeleverd. Typisch werkcondities van een gasturbine-eenheid zijn 10-16 bar en 1200 °C in de verbrandingskamer en 1 bar en 500 °C van de uitlaatgassen. Gasturbines hebben elektrische vermogens van 1-375 MW. Het elektrisch rendement van gasturbine-installaties bedraagt zo'n 20 tot 35%.

Zoals de naam al aangeeft, werkt een gasturbine-eenheid op gasvormige brandstoffen: aardgas, stadsgas, hoogovengas, biogas, synthesegas, LPG etc. Daarnaast is het, door toepassing van speciale branders en een hoge-druk brandstofpomp, mogelijk om vloeibare brandstoffen te gebruiken die dan als zeer kleine druppeltjes in de verbrandingskamer worden gespoten. Op deze manier is het mogelijk om relatief lichte koolwaterstoffen (benzine, kerosine, huisbrandolie) te gebruiken. Wel dient de gasturbine-eenheid daarop ontworpen te zijn om voldoende verblijftijd in de verbrandingskamer te garanderen. Is dat niet het geval dan zullen deze brandstoffen onvolledig verbranden, met de vorming van grote hoeveelheden roet en koolmonoxide (CO) tot gevolg.

Het rendement van een gasturbine-eenheid is relatief laag en de apparatuur is relatief duur, daardoor is 'stand-alone'-toepassing voor elektriciteitsproductie meestal geen optie. Een uitzondering op deze regel is de toepassing van gasturbine-eenheden voor het opvangen van de piekvraag in het elektriciteitsnet: alle grote elektriciteitsproductiebedrijven hebben wel één of meer gasturbine-eenheden voor dit doel geïnstalleerd. Dit zijn zgn. 'Open Cycle Gas Turbines' (OCGT): de verbrandingsgassen worden na de expansie direct geloosd in de atmosfeer. Deze eenheden maken jaarlijks meestal maar enige tientallen tot honderden draaiuren doordat ze worden ingezet om pieken in de elektriciteitsvraag op te vangen en in te spelen op gunstige prijsschommelingen in de elektriciteitsmmarkt. Daarvoor zijn ze bij uitstek geschikt: een gasturbine-eenheid die op 'stand-by' staat kan in zeer korte tijd op vol vermogen elektriciteit aan het net leveren.

Vanzelfsprekend moeten gasturbine-eenheden voldoen aan alle milieu-eisen om luchtverontreiniging (met name NO_x- en CO-uitstoot) te beperken, en zullen er voorzieningen moeten zijn om de restwarmte in de uitlaatgassen op een verantwoorde manier in de atmosfeer te lozen.

Moderne gascentrale

De ontwikkeling van grote, betrouwbare gasturbines bood de mogelijkheid om gasturbine-eenheden te integreren in de conventionele gascentrales (waarbij aardgas net als een vaste brandstof verbrand wordt om stoom te produceren). De gasturbine-eenheid wordt bij deze gasgestookte combi-eenheden gebruikt om de verbrandingslucht voor het fornuis van de conventionele gascentrale te leveren. In de jaren '80 van de vorige eeuw zijn zo de bestaande aardgascentrales in Nederland aangepast, waarbij een rendementsverbetering van zo'n 4% werd bereikt en het elektrisch rendement op zo'n 40 tot 45% uitkomt.

Deze configuratie is mogelijk omdat een gasturbine-eenheid werkt met een grote overmaat verbrandingslucht. Dit betekent dat in de uitlaatgassen van een gasturbine nog veel zuurstof aanwezig is, meestal zo'n 10-12 vol.%, wat ruim voldoende is om in het nageschakelde fornuis nog eens een hoeveelheid brandstof om te zetten en met de vrijkomende warmte stoom te produceren. Deze hoge-drukstoom wordt vervolgens net als in een conventionele centrale naar een stoomturbine/generator-combinatie geleid om elektriciteit op te wekken.

Tegenwoordig wordt voor nieuw ontworpen aardgascentrales bijna zonder uitzondering het STEG (SToom En Gasturbine)-principe gebruikt, waarbij er voor de stoomcyclus geen extra brandstof meer wordt verbrand maar de hete uitlaatgassen van de gasturbine rechtstreeks worden gebruikt om stoom te produceren. Deze STEG-centrales halen elektrische rendementen van 55 tot 60%.

De Eemscentrale^w combineert beide systeemconcepten. In 1988 werd een bestaande aardgasgestookte eenheid aangepast door plaatsing van een aan het fornuis voorgeschakelde gasturbine-eenheid. Deze combi-eenheid heeft daarmee een vermogen van 675 MWe. In 2001 zijn vijf moderne STEG eenheden van elk 350 MWe in bedrijf gekomen. Met een gasturbine-eenheid van 17 MWe brengt dit het totale elektrisch vermogen van de centrale op 2442 MWe.