Hogetemperatuurturbine: meer energie uit dezelfde brandstof door extreme hitte
Wanneer aardgas of waterstof verbrandt in een energiecentrale, ontstaat een gloeiend hete gasstroom die met enorme kracht door een turbine raast. Die turbine – een soort windmolen met metalen schoepen, ingebouwd in een metalen huis – zet die hitte en druk om in beweging, en die beweging wordt vervolgens omgezet in elektriciteit. Een hogetemperatuurturbine is een turbine die is gebouwd om die gasstroom bij extreem hoge temperaturen te verwerken, vaak boven de 1600 graden Celsius: heter dan de temperatuur waarbij het metaal van de turbine zelf zou smelten.
Waarom zou je dat willen? Simpel gezegd: hoe heter de gasstroom die door de turbine gaat, hoe meer energie je eruit kunt halen per liter brandstof. Het is een beetje als koken met een snelkookpan in plaats van een gewone pan: door temperatuur en druk op te voeren, verloopt het proces efficiënter. Ingenieurs proberen daarom al decennia de temperatuur in turbines steeds verder op te voeren, met steeds geavanceerdere materialen en koeltechnieken om te voorkomen dat de turbine zelf smelt.
Wat is het precies?
Een turbine werkt volgens een simpel principe: een snel bewegende gasstroom duwt tegen schoepen (kleine, gebogen bladen) die aan een as vastzitten, waardoor die as gaat draaien. In een gasturbine – zoals in een elektriciteitscentrale of een straalmotor – wordt eerst lucht aangezogen en samengeperst door een compressor, daarna wordt er brandstof aan toegevoegd en verbrand in een verbrandingskamer. Het resultaat is een supersnelle, gloeiend hete gasstroom die de turbineschoepen aandrijft.
Hoeveel energie je uit die gasstroom kunt halen, hangt sterk af van het temperatuurverschil tussen het hete gas dat de turbine ingaat (de zogeheten turbine-inlaattemperatuur) en de omgevingslucht. Dat is een basisregel uit de thermodynamica, de natuurkunde van warmte en energie: hoe groter dat verschil, hoe hoger het theoretisch maximale rendement. Daarom proberen fabrikanten die inlaattemperatuur al tientallen jaren op te voeren – van rond de 1000°C in de jaren zeventig naar meer dan 1600°C in de nieuwste turbines nu.
Het probleem is dat gangbare metalen turbineschoepen, gemaakt van nikkellegeringen, al smelten rond de 1300 à 1400°C. Om toch bij hogere temperaturen te kunnen werken, gebruiken ingenieurs een combinatie van trucs. Ten eerste: speciale superlegeringen die als één enkel metaalkristal worden gegoten (single-crystal), zonder de zwakke korrelgrenzen van gewoon gegoten metaal. Ten tweede: een keramische beschermlaag van enkele tienden millimeters dik – een thermal barrier coating – die als een soort hitteschild werkt. Ten derde: inwendige koelkanaaltjes in de schoepen zelf, waar relatief koele lucht uit de compressor doorheen wordt geleid om de schoep van binnenuit te koelen, vaak aangevuld met piepkleine gaatjes waaruit een beschermend laagje koele lucht over het schoepoppervlak stroomt (filmkoeling).
De nieuwste stap is het gebruik van keramische composietmaterialen, ceramic matrix composites (CMC): keramische vezels ingebed in een keramische matrix. Dat materiaal kan aanzienlijk hogere temperaturen verdragen dan metaal, weegt minder en heeft minder koeling nodig. CMC wordt inmiddels toegepast in de hete delen van sommige vliegtuigmotoren en wordt onderzocht voor stationaire energiecentrales.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is simpel: meer elektriciteit of stuwkracht uit dezelfde hoeveelheid brandstof, en dus minder CO2-uitstoot per opgewekte kilowattuur of per gevlogen kilometer. Een moderne hogetemperatuurturbine in een gascentrale kan, gecombineerd met een stoomturbine die de restwarmte alsnog benut (een zogeheten combined cycle), rendementen van boven de 63 Ã 64 procent halen. Oudere gascentrales kwamen niet veel verder dan 35 tot 45 procent. Dat verschil scheelt enorm veel brandstofverbruik en uitstoot over de levensduur van een centrale.
Daarnaast spelen hogetemperatuurturbines een rol in de overgang naar waterstof als brandstof. Waterstof verbrandt heter en sneller dan aardgas, wat andere eisen stelt aan materialen, koeling en de manier waarop de vlam wordt beheerst om schadelijke stikstofoxiden (NOx) te beperken. Turbinefabrikanten ontwikkelen daarom varianten die op waterstof, of mengsels van waterstof en aardgas, kunnen draaien zonder dat de levensduur van de turbine drastisch afneemt.
Een derde motivatie is flexibiliteit van het elektriciteitsnet. Naarmate er meer zon- en windenergie op het net komt, is er behoefte aan centrales die snel kunnen bij- of afschakelen om schommelingen op te vangen. Efficiënte, snel regelbare gasturbines vervullen die rol, al is de wenselijkheid daarvan op lange termijn onderwerp van politiek debat vanwege de blijvende CO2-uitstoot bij gebruik van aardgas.
Voorbeelden uit de praktijk
Nishi-Nagoya, Japan (vanaf 2020). De Japanse energiereus Chubu Electric gebruikt hier JAC-turbines van Mitsubishi Power, die werken met een gasinlaattemperatuur in de klasse van 1650°C. Mitsubishi claimt hiermee een van de hoogste gecombineerde rendementen ter wereld te halen, ruim boven de 63 procent.
Bouchain, Frankrijk (2016). De Franse centrale van EDF, uitgerust met een 9HA-turbine van GE, haalde destijds een door Guinness World Records erkend rendement van ruim 62 procent en gold jarenlang als referentieproject voor deze nieuwe generatie hogetemperatuurturbines.
Eemshaven, Nederland. De Magnum-centrale, eigendom van RWE, wordt stapsgewijs onderzocht en aangepast om (deels) op waterstof te kunnen draaien. Het project geldt als een van de eerste grootschalige pogingen in Europa om een bestaande hogetemperatuurgasturbine geschikt te maken voor waterstofverbranding, al is een volledige overstap naar 100 procent waterstof technisch en economisch nog niet rond.
La Porte, Texas, VS (sinds 2018). Het bedrijf NET Power test hier een fundamenteel andere aanpak: in plaats van lucht wordt zuivere zuurstof gebruikt om aardgas te verbranden, in een gesloten kringloop met superkritisch kooldioxide (CO2 onder zulke hoge druk en temperatuur dat het zich gedraagt als een vloeistof én een gas). De turbine die deze hete, superkritische CO2-stroom verwerkt, moet eveneens extreme temperaturen en drukken aankunnen, en het proces levert als bijproduct een geconcentreerde CO2-stroom die relatief eenvoudig kan worden afgevangen.
GE9X-vliegtuigmotor (gecertificeerd in 2020). Deze motor, ontwikkeld voor de Boeing 777X, gebruikt keramische composietmaterialen (CMC) in de verbrandingskamer en in delen van de turbine. Dat maakt de motor lichter en efficiënter dan voorgangers die volledig op metalen onderdelen leunden.
Hoe ver is de techniek?
De basistechnologie van de hogetemperatuurturbine – metalen schoepen met keramische coating en interne luchtkoeling – is commercieel volwassen. Fabrikanten als GE Vernova, Siemens Energy en Mitsubishi Power verkopen dit soort turbines al jaren wereldwijd voor elektriciteitscentrales, en de rendementswinsten van de nieuwste turbinegeneraties zijn goed gedocumenteerd in draaiende centrales.
Minder volwassen is het gebruik van keramische composieten (CMC) in stationaire, zware industriële turbines voor energiecentrales. In vliegtuigmotoren, waar gewicht en compactheid extra belangrijk zijn, wordt CMC al operationeel toegepast, maar de overstap naar de veel grotere en langer draaiende turbines van energiecentrales vergt nog jarenlang testen, omdat deze turbines tienduizenden bedrijfsuren moeten meegaan zonder storing.
Waterstofverbranding in hogetemperatuurturbines bevindt zich in een tussenfase. Verbranding van mengsels met een beperkt aandeel waterstof is op meerdere plekken al gedemonstreerd of operationeel. Volledige verbranding van 100 procent waterstof is technisch lastiger, vooral omdat waterstof veel sneller en heter verbrandt, wat leidt tot meer stikstofoxiden en risico's op zogeheten flashback (de vlam die terugslaat de verbrandingskamer in). Fabrikanten werken aan aangepaste branders, maar grootschalige, langdurig bewezen 100 procent-waterstofcentrales zijn er nog niet.
De superkritische CO2-turbines voor de Allam-cyclus en vergelijkbare concepten staan nog vroeger in hun ontwikkeling. Demonstratieprojecten zoals de STEP-faciliteit in San Antonio, Texas – een proefinstallatie in de orde van 10 megawatt, ontwikkeld met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie – moeten aantonen dat de technologie op grotere schaal betrouwbaar en betaalbaar kan draaien. Commerciële opschaling naar centrales van honderden megawatts is aangekondigd, maar nog niet op grote schaal gerealiseerd.
Wie werken eraan?
Op het gebied van industriële gasturbines voor energiecentrales domineren drie grote fabrikanten: het Amerikaanse GE Vernova (voortgekomen uit General Electric), het Duits-gevestigde Siemens Energy en het Japanse Mitsubishi Power, onderdeel van Mitsubishi Heavy Industries. Ook het Italiaanse Ansaldo Energia levert dit type turbines.
In de luchtvaart werken Rolls-Royce (Verenigd Koninkrijk), GE Aerospace en Pratt & Whitney (beide Verenigde Staten) aan hogetemperatuurmaterialen en -koeltechnieken voor straalmotoren, vaak in samenwerking met ruimtevaartorganisatie NASA, dat al decennia fundamenteel materiaalonderzoek doet naar superlegeringen en keramische composieten.
Op het gebied van superkritische CO2-turbines en de Allam-cyclus zijn vooral Amerikaanse partijen toonaangevend: het bedrijf NET Power, het Amerikaanse ministerie van Energie via onder meer het National Energy Technology Laboratory (NETL), en onderzoeksinstellingen als Sandia National Laboratories en het Southwest Research Institute, die samen de STEP-demonstratiefaciliteit in Texas hebben gebouwd.
In Nederland en Europa is de rol vooral die van toepasser en tester: energiebedrijven zoals RWE (Eemshaven) werken samen met turbinefabrikanten om bestaande centrales geschikt te maken voor waterstof, terwijl onderzoeksinstellingen zoals TNO en Duitse instituten als DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) bijdragen aan onderzoek naar verbranding, materialen en systeemintegratie. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) volgt en rapporteert wereldwijd over de voortgang van deze technologieën in de context van de energietransitie.