Soorten elektriciteitscentrales

In Nederland worden verschillende typen elektriciteitscentrales gebruikt met een gemiddeld landelijk rendement voor de elektriciteitsproductie van circa 42%. Tijdens het vak TB142E, Analyse van energiesystemen, is al kort ingegaan op de verschillende soorten elektriciteitscentrales (thermische centrales^w). In dit vak wordt uitgebreider ingegaan op de verschillen die er zijn en wordt ook ingegaan op brandstofcellen en zon-pV.

Veelvoorkomende typen (thermische) elektriciteitscentrales zijn:
• gasturbine-eenheid: een centrale gebaseerd op een gasturbine gebruikt (aard)gas als brandstof en heeft een elektrisch rendement van 20-35%.
• conventionele eenheid: de conventionele eenheid maakt gebruik van een stoomturbine. Als brandstof kan gas (aardgas/hoogovengas/...), steenkool/poederkool of bijvoorbeeld biomassa gebruikt worden, maar de benodigde stoom kan ook geproduceerd worden met warmte afkomstig van bijvoorbeeld kernreacties, zonne-energie en thermische energieopslag. Het rendement is 35-40%.
• gasgestookte combi-eenheid: hierbij is sprake van zowel een gas- als een stoomturbine. De stoomturbine is het grootst. In de gasturbine wordt (aard)gas verbrand, deze drijft een eigen generator aan. De hete uitlaatgassen van de gasturbine worden gebruikt als verbrandingslucht voor de verbranding van (aard)gas in de stoomketel. Het rendement is 40-45%.
• STEG (SToom En Gasturbine)-eenheid: bij een STEG-eenheid is de gasturbine het grootst. Mogelijke brandstoffen zijn (aard)gas en gereinigd synthesegas afkomstig van de vergassing van bijvoorbeeld biomassa, steenkool of een andere koolstofhoudende (afval)stroom. De verbrandingsgassen die de gasturbine verlaten worden gebruikt voor stoomproductie in de stoomcyclus. Er wordt dus geen aparte brandstof gebruikt voor de stoomcyclus. De stoom- en gasturbine drijven samen dezelfde generator aan. Het rendement is 50-60%. In onderstaande figuur zijn beide thermodynamische kringlopen van een STEG te zien. Tussen de punten 4 en 1 draagt het kringloopmedium van de Brayton-kringloop warmte over naar het kringloopmedium van de Rankine-kringloop, dat de warmte tussen de punten a en d opneemt.


Een belangrijk kenmerk van elektriciteitscentrales is het behaalde rendement voor elektriciteitsproductie. Bij de interpretatie van rendementen is het van groot belang te weten hoe het rendement precies gedefinieerd is.

Basis-, midden- en pieklast

De elektriciteitsbehoefte varieert per etmaal. Zo is er ‘s nachts minder elektriciteit nodig dan overdag. De lage elektriciteitsbehoefte ‘s nachts wordt basislast genoemd. Daarnaast worden midden- en pieklast onderscheiden. Op werkdagen is overdag sprake van middenlast. Van pieklast is sprake wanneer er overdag op werkdagen extra behoefte is aan elektriciteit. Aangezien elektriciteit moeilijk grootschalig opgeslagen kan worden, wordt de productie afgestemd op de vraag. Bij de vervulling van de verschillende elektriciteitsbehoeften (basis-, midden- en pieklast) wordt rekening gehouden met de eigenschappen (regelbaarheid) en kosten van de diverse elektriciteitscentrales. Voor basislastvermogen worden elektriciteitscentrales ingezet die langdurig op vol vermogen kunnen draaien, zoals kolencentrales. Deze centrales hebben relatief hoge vaste kosten en lage variabele kosten. Voor middenlastvermogen worden STEG- en combi-eenheden ingezet. Voor het pieklastvermogen worden eenheden ingezet die snel op te starten zijn, zoals gasturbines. Deze eenheden hebben relatief lage vaste kosten en hoge variabele kosten.

Warmtekrachtkoppeling

Bij warmtekrachtkoppeling (WKK) is sprake van elektriciteitsproductie gecombineerd met de productie van bruikbare warmte. Er bestaan vele verschillende uitvoeringsvormen van warmtekrachtkoppeling. Een veelgebruikte installatie voor de productie van elektriciteit en warmte is een STEG-eenheid. De Engelse benaming voor WKK is CHP (Combined Heat and Power).

De afkorting WKC staat voor WarmteKrachtCentrale. Volgens de Carnot-kringloop komt er bij de productie van elektriciteit uit warmte altijd een hoeveelheid restwarmte vrij. Bij een warmte-kracht¬centrale wordt deze restwarmte niet weggekoeld maar nuttig gebruikt, bijvoorbeeld als proceswarmte in de industrie. Deze nuttig te gebruiken (proces)warmte heeft een hogere temperatuur dan de weg te koelen restwarmte zou hebben. De hogere temperatuur van de geproduceerde warmte gaat ten koste van het elektrische rendement van de elektriciteits-productie. Het elektrische rendement van een WKC is lager dan van een elektriciteits¬centrale die alleen elektriciteit produceert.

Het voordeel van een WKC is dat de brandstof zo efficiënt mogelijk gebruikt wordt voor de productie van elektriciteit en warmte. Het ligt daarom voor de hand een WKC te bouwen op een plaats waar de warmte altijd nuttig gebruikt kan worden, bijvoorbeeld in de nabijheid van warmtevragende procesindustrie. Wanneer de warmte van een WKC weggekoeld zou moeten worden en men dus alleen de geproduceerde elektriciteit nuttig gebruikt, had een gewone elektriciteitscentrale efficiënter geweest.

Achtergrondinformatie

• Youtube-filmpje kolencentrale^w (conventionele kolencentrale incl rookgasreiniging)
• Youtube-filmpje STEG^w (uitleg principe)