Gasturbine: het werkpaard achter flexibele stroom en de waterstofbelofte
Een gasturbine is een machine die de energie uit brandende gas omzet in een draaiende beweging, waarmee vervolgens elektriciteit wordt opgewekt. Het principe lijkt sterk op dat van een straalmotor in een vliegtuig: lucht wordt aangezogen en samengeperst, er wordt brandstof ingespoten en ontstoken, en de hete, snel uitzettende gassen jagen een as met bladen (de turbine) rond. Bij een vliegtuig levert dat stuwkracht op; bij een gasturbine in een energiecentrale is die as verbonden met een generator, die de draaibeweging omzet in elektrische stroom.
Gasturbines staan al decennia in elektriciteitscentrales over de hele wereld, maar ze krijgen de laatste jaren extra aandacht. Ze kunnen namelijk razendsnel worden op- en afgeschakeld, wat ze geschikt maakt om de onregelmatige productie van zonne- en windenergie op te vangen. Tegelijk wordt onderzocht of ze in de toekomst (deels) op waterstof kunnen draaien in plaats van aardgas, zodat ze passen in een klimaatneutraal energiesysteem. Die combinatie van flexibiliteit en een mogelijke waterstofroute maakt de gasturbine een terugkerend onderwerp in het nieuws over de energietransitie.
Wat is het precies?
Een gasturbine werkt volgens een cyclus die natuurkundigen de Brayton-cyclus noemen, vernoemd naar de negentiende-eeuwse ingenieur George Brayton. Die cyclus bestaat uit drie hoofdstappen die continu na elkaar plaatsvinden, niet in aparte slagen zoals bij een autoauto-motor.
Eerst zuigt een compressor grote hoeveelheden lucht aan en perst die samen. Samenperst lucht wordt heter en krijgt meer energie-inhoud, vergelijkbaar met hoe een fietspomp warm wordt als je hem snel gebruikt. Vervolgens komt de lucht in de verbrandingskamer, waar brandstof (meestal aardgas, maar steeds vaker ook een mengsel met waterstof) wordt ingespoten en ontstoken. Hierbij ontstaan temperaturen van 1400 tot soms boven de 1600 graden Celsius.
Die hete, snel uitzettende gasstroom wordt vervolgens door de turbine geleid: een reeks schoepen (bladen) op een as, vergelijkbaar met een heel geavanceerde windmolen die wordt aangedreven door hete gas in plaats van wind. Een deel van de energie uit die gasstroom drijft de compressor aan de voorkant aan, de rest drijft de generator aan die stroom opwekt.
Omdat de uitlaatgassen van een gasturbine nog erg heet zijn (rond de 600 graden Celsius), wordt in moderne centrales die restwarmte vaak hergebruikt om water te verdampen en een tweede, stoomturbine aan te drijven. Dit heet een combined cycle-centrale (STEG, oftewel stoom-en-gasturbine-centrale) en haalt daarmee een rendement tot ongeveer 63 à 64 procent, veel hoger dan een gasturbine alleen (rond de 40 procent).
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van gasturbines in elektriciteitscentrales is al jaren flexibiliteit: in tegenstelling tot een kolen- of kerncentrale kan een gasturbine binnen enkele minuten worden opgestart en weer uitgeschakeld. Dat maakt ze geschikt als aanvulling op zonne- en windenergie, die afhankelijk zijn van het weer. Op een bewolkte, windstille dag kunnen gasturbines snel bijspringen om stroomtekorten te voorkomen.
Daarnaast draait veel van het huidige onderzoek om verduurzaming. Aardgas is een fossiele brandstof en de verbranding ervan stoot CO2 uit. Fabrikanten en energiebedrijven onderzoeken daarom of gasturbines (gedeeltelijk) op waterstof kunnen draaien, een brandstof die bij verbranding geen CO2 uitstoot maar alleen water. Zulke 'waterstofklare' of 'hydrogen-ready' turbines moeten centrales een tweede leven geven binnen een klimaatneutraal energiesysteem, in plaats van dat ze vervroegd buiten gebruik worden gesteld.
Een derde doelstelling is efficiëntie: elke procent meer rendement scheelt brandstofverbruik en uitstoot. Fabrikanten proberen daarom voortdurend hogere verbrandingstemperaturen te bereiken, wat weer vraagt om nieuwe materialen die tegen die hitte bestand zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
De Magnum-centrale in de Eemshaven (Groningen) is een van de bekendste Nederlandse voorbeelden. Deze STEG-centrale, gebouwd in 2013 en momenteel eigendom van RWE, bestaat uit drie grote gasturbines. In de plannen rond het NortH2-initiatief (samenwerking van onder meer RWE, Shell, Equinor en Gasunie) wordt onderzocht of (een deel van) de centrale op groene waterstof kan gaan draaien, gevoed door windenergie uit de Noordzee. De exacte tijdlijn van die omschakeling is nog niet vastgelegd en hangt af van de beschikbaarheid van voldoende (groene) waterstof.
In de Verenigde Staten draait de Long Ridge Energy Terminal in Ohio sinds 2021 een gasturbine van GE (het type 7HA.02) op een mengsel met ongeveer 5 procent waterstof, met het doel dit percentage de komende jaren stapsgewijs te verhogen richting 100 procent rond 2030.
Ook het Intermountain Power Project in Utah is een veelgenoemd voorbeeld: in het kader van het project IPP Renewed worden kolengestookte centrales vervangen door gasturbines die vanaf de start (rond 2025) al gedeeltelijk op waterstof kunnen draaien, met als streven 100 procent waterstof in 2045.
In Japan test Mitsubishi Power sinds enkele jaren zijn JAC-turbines op de eigen testlocatie in Takasago met waterstofverbranding, onder meer om het probleem van verhoogde stikstofoxide-uitstoot (NOx) bij waterstofverbranding aan te pakken.
Tot slot draaien in Rotterdam en op de Maasvlakte al langer gasturbines die aardgas omzetten in elektriciteit en industriële stoom, een voorbeeld van hoe gasturbines niet alleen stroom maar ook proceswarmte voor de industrie leveren (warmtekrachtkoppeling).
Hoe ver is de techniek?
De gasturbine zelf is een volwassen technologie: de basisprincipes worden al meer dan honderd jaar toegepast en de industrie heeft decennia ervaring met het bouwen van betrouwbare, efficiënte machines. Combined cycle-centrales naderen inmiddels de theoretische bovengrens van wat met deze technologie haalbaar is qua rendement.
Wat nog volop in ontwikkeling is, is de omschakeling naar waterstof. Waterstof verbrandt anders dan aardgas: de vlam plant zich veel sneller voort, wat het risico op 'terugslag' (flashback) van de vlam in de verbrandingskamer vergroot, en de hogere verbrandingstemperatuur leidt tot meer schadelijke NOx-uitstoot. Fabrikanten moeten daarom nieuwe verbrandingskamers en regelsystemen ontwikkelen. Momenteel kunnen de nieuwste turbinemodellen doorgaans mengsels van 30 tot 50 procent waterstof aan; volledige verbranding op 100 procent waterstof is technisch aangetoond in testopstellingen, maar grootschalige, commerciële toepassing bevindt zich nog in een vroeg stadium.
Een minstens zo groot obstakel als de techniek zelf is de beschikbaarheid van voldoende groene waterstof tegen een betaalbare prijs. Zolang die productie beperkt blijft, zal de praktische impact van waterstofklare gasturbines voorlopig bescheiden blijven, ook al is de turbinetechniek zelf al verder dan de waterstofmarkt.
Wie werken eraan?
Een klein aantal grote fabrikanten domineert de wereldmarkt voor zware industriële gasturbines. GE Vernova (voortgekomen uit het Amerikaanse General Electric) bouwt de populaire HA-serie, waaronder de 7HA en 9HA. Siemens Energy uit Duitsland levert onder meer de SGT-serie. Mitsubishi Power uit Japan is met de JAC-turbines een van de fabrikanten die zich nadrukkelijk profileert op het gebied van waterstofverbranding. Daarnaast spelen het Italiaanse Ansaldo Energia en het Britse Rolls-Royce (vooral met kleinere, op straalmotoren gebaseerde 'aeroderivative' turbines) een rol.
Op onderzoeksgebied werken instituten als het Duitse DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) en het Amerikaanse NREL (National Renewable Energy Laboratory) mee aan verbrandingsonderzoek voor waterstof. In Nederland volgen onder meer TU Delft en TNO de ontwikkelingen rond waterstofturbines en de rol van gasturbines in het toekomstige energiesysteem. Op beleidsniveau brengt het Internationaal Energieagentschap (IEA) regelmatig rapporten uit over de rol van gasturbines en waterstof binnen de wereldwijde energietransitie, en financiert de Europese Unie via haar Horizon-programma's onderzoek naar waterstofverbrandingstechnologie.