Gecombineerde-cycluscentrale: hoe je twee keer energie haalt uit dezelfde vlam
Een gecombineerde-cycluscentrale (ook wel STEG-centrale genoemd, naar 'stoom- en gasturbine') is een elektriciteitscentrale die twee technieken combineert om zoveel mogelijk energie uit brandstof te halen. Eerst drijft een gasturbine, in feite een soort straalmotor die op aardgas draait, een generator aan. De hete uitlaatgassen die daarbij ontstaan, en die bij een gewone gascentrale gewoon de schoorsteen uit zouden gaan, worden vervolgens gebruikt om water aan de kook te brengen. De stoom die daarbij ontstaat drijft op zijn beurt een stoomturbine aan, die weer een tweede generator aandrijft.
Het resultaat is te vergelijken met een fornuis waarvan je niet alleen de vlam gebruikt om te koken, maar ook de restwarmte die uit de oven ontsnapt opvangt om er een tweede maaltijd op te warmen. Waar een gewone gascentrale ongeveer 35 tot 40 procent van de energie in aardgas omzet in elektriciteit, komt een gecombineerde-cycluscentrale uit op 55 tot ruim 60 procent. Dat verschil is voor de energiesector enorm: minder brandstof, minder kosten en minder CO2-uitstoot per opgewekte kilowattuur.
Wat is het precies?
De naam 'gecombineerde cyclus' verwijst naar het combineren van twee thermodynamische kringlopen: de Brayton-cyclus (gasturbine) en de Rankine-cyclus (stoomturbine). Het proces verloopt in een aantal stappen.
Eerst wordt lucht aangezogen en samengeperst door een compressor. Die samengeperste lucht wordt gemengd met aardgas en verbrand in een verbrandingskamer, waarbij temperaturen kunnen oplopen tot boven de 1500 graden Celsius. De hete verbrandingsgassen zetten zo sterk uit dat ze de turbinebladen met grote kracht laten draaien. Deze as drijft zowel de compressor als een generator aan, die de eerste stroom levert.
De uitlaatgassen van de gasturbine zijn na deze stap nog altijd 500 tot 600 graden heet. In plaats van deze warmte te verspillen, wordt het gas geleid door een ketel die specifiek is ontworpen om restwarmte te benutten: de HRSG, kort voor 'heat recovery steam generator' (stoomketel voor warmteterugwinning). Daarin verwarmt het hete gas water tot stoom onder hoge druk.
Die stoom wordt vervolgens naar een aparte stoomturbine geleid, die op dezelfde manier werkt als in een klassieke kolen- of kerncentrale: de stoom zet de turbinebladen in beweging, en die drijft weer een generator aan voor een tweede stroom van elektriciteit. Na de stoomturbine wordt de stoom gecondenseerd (afgekoeld tot water) en teruggevoerd naar de ketel, zodat het watercircuit gesloten blijft.
Omdat beide generatoren tegelijk stroom leveren uit dezelfde oorspronkelijke brandstof, wordt de energie-inhoud van het aardgas veel efficiënter benut dan wanneer je alleen een gasturbine of alleen een stoomcentrale zou gebruiken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is een hoger rendement: meer elektriciteit uit dezelfde hoeveelheid brandstof. Dat is zowel economisch aantrekkelijk, minder brandstofkosten per geleverde kilowattuur, als relevant voor het klimaat: minder aardgas verbranden voor dezelfde hoeveelheid stroom betekent minder CO2-uitstoot per kilowattuur dan bij een enkelvoudige gascentrale of een kolencentrale.
Daarnaast spelen gecombineerde-cycluscentrales een specifieke rol in het elektriciteitsnet: ze kunnen relatief snel op- en afschakelen, sneller dan kolen- of kerncentrales, al zijn ze minder flexibel dan een gasturbine alleen. Dat maakt ze geschikt om schommelingen op te vangen die ontstaan doordat zon en wind niet altijd evenveel stroom leveren. In de energietransitie worden ze daarom vaak gezien als een 'brugtechnologie': een manier om het net stabiel te houden terwijl het aandeel hernieuwbare energie groeit, zonder terug te vallen op vervuilendere kolencentrales.
Tot slot is er ook gewoon een economische prikkel: een hoger rendement betekent voor exploitanten een gunstiger verdienmodel, vooral wanneer gasprijzen hoog zijn, zoals bleek tijdens de energiecrisis van 2022.
Voorbeelden uit de praktijk
Gecombineerde-cycluscentrales zijn geen toekomstplannen maar bestaande, operationele techniek. Enkele bekende voorbeelden:
- Magnum-centrale, Eemshaven (Nederland, in bedrijf sinds 2013): een grote STEG-centrale van energiebedrijf RWE, met een vermogen van circa 1,3 gigawatt, die ook wordt onderzocht op geschiktheid voor waterstofbijmenging.
- Enecogen, Rotterdam (Nederland, 2011): een joint venture van Eneco en Marubeni, met een elektrisch rendement van ruim 59 procent, destijds een van de efficiëntste centrales van Europa.
- Bouchain, Frankrijk (GE, 2016): deze centrale van General Electric behaalde een door Guinness World Records erkend rendement van 62,22 procent, lange tijd het wereldrecord voor dit type centrale.
- Nishi-Nagoya-centrale, Japan (2018): met een geavanceerde gasturbine van Mitsubishi Power (het JAC-model) werd hier een rendement van ruim 63 procent gerapporteerd, opnieuw een van de hoogste ter wereld.
- Irsching-centrale, Duitsland (Siemens, sinds 2011): gebruikt als testlocatie voor nieuwe turbinetechnologie en behaalde destijds eveneens recordrendementen boven de 60 procent.
Hoe ver is de techniek?
De gecombineerde cyclus is een volwassen, decennialang beproefde technologie. Sinds de jaren negentig van de vorige eeuw is het rendement gestaag gestegen, van rond de 50 procent naar de huidige recordwaarden van ruim 63 procent. Die vooruitgang kwam vooral door hittebestendigere materialen en coatings waardoor turbines op hogere temperaturen kunnen draaien zonder te smelten, en door betere aerodynamische ontwerpen van turbinebladen.
Fabrikanten naderen inmiddels de praktische grenzen die de thermodynamica stelt: veel experts schatten dat verdere verbeteringen slechts enkele tiende procentpunten per jaar zullen opleveren, in plaats van de sprongen van vroeger. Een belangrijk obstakel is dan ook niet zozeer de techniek zelf, maar de rol die deze centrales in de toekomst moeten spelen.
Door de groei van zonne- en windenergie draaien veel gecombineerde-cycluscentrales tegenwoordig minder uren per jaar dan vroeger: ze worden vaker ingezet als back-up bij weinig zon en wind, in plaats van continu. Dat verandert het verdienmodel en zet druk op investeringen in nieuwe centrales. Tegelijk wordt onderzocht in hoeverre bestaande installaties geschikt te maken zijn voor (gedeeltelijke) verbranding van waterstof in plaats van aardgas, als middel om de uitstoot verder te verlagen. Dit staat nog in een vroege, experimentele fase en brengt technische uitdagingen met zich mee rond onder meer vlamstabiliteit en materiaalslijtage.
Wie werken eraan?
Een klein aantal grote turbinefabrikanten domineert wereldwijd de markt voor gasturbines en de bijbehorende gecombineerde-cyclustechniek: General Electric (via GE Vernova), Siemens Energy (Duitsland), Mitsubishi Power (Japan) en Ansaldo Energia (Italië) behoren tot de belangrijkste spelers.
Op het gebied van exploitatie en toepassing zijn energiebedrijven zoals RWE, Uniper, Vattenfall en Engie actief in heel Europa; in Nederland zijn onder meer Eneco, RWE en Onyx Power eigenaar van dergelijke centrales. Onderzoek naar verdere efficiëntieverbetering en waterstofcompatibiliteit gebeurt vaak in samenwerking tussen deze fabrikanten, nationale energieonderzoeksinstituten en internationale organisaties zoals het Internationaal Energieagentschap (IEA), dat de ontwikkeling van de wereldwijde gascentrale-vloot volgt.