Werk maken van warmte

Er gaat nogal wat warmte verloren. Bij de cementindustrie bijvoorbeeld vliegt veertig procent van de energie via de schoorsteen naar buiten. Andere sectoren met veel afvalwarmte zijn hoogovens, chemische industrie en raffinaderijen. En dan hebben we het nog niet over het wegverkeer; verbrandingsmotoren zijn zo goed als mogelijk geoptimaliseerd, maar nog steeds wordt minimaal zestig procent van de energie omgezet in warmte. En dat verlies aan rendement wordt steeds minder als vanzelfsprekend beschouwd.

Te meer omdat er een techniek bestaat waarmee warmte omgezet kan worden in beweging en elektriciteit – een soort stoomturbine voor lagere temperaturen, vernoemd naar de veelzijdige Schotse ingenieur William Rankine (1820–1872): de organische rankine cyclus of ORC (zie kader).

De eerste praktische demonstratie van een ORC-machine vond al rond 1880 plaats, toen verschillende ingenieurs alternatieven voor stoommachines ontwikkelden. Bij een stoomschip moest er wettelijk een machinist aan boord zijn. Voor een machine die met nafta (een brandbare mix van koolwaterstoffen) werkte in plaats van water en stoom, was dat vreemd genoeg niet het geval. Een naftaschip bood gefortuneerde jachteigenaars zodoende de mogelijkheid zonder bemanning te varen. Het extra brandgevaar namen ze daarbij voor lief.

In de twintigste eeuw dook de ORC-techniek op in Italië (jaren dertig), Rusland, Verenigde Staten en Israël (na de Tweede Wereldoorlog). Ten tijde van de energiecrisis in de jaren zeventig ging professor Gianfranco Angelino ermee aan de slag aan de technische universiteit van Milaan. Het zou het begin worden van wat bekend werd als ‘de Italiaanse school’ van de ORC. Het bedrijf Turboden dat ORC-installaties maakt, is daaruit voortgekomen. Daarnaast is er een Israëlisch-Amerikaanse school met het bedrijf Ormat dat zich heeft toegelegd op exploitatie van aardwarmte. En sinds kort bestaat er ook het Nederlandse bedrijf Triogen dat een Finse turbine gebruikt om energie te winnen uit industriële restwarmte vanaf 350 graden.

Triogen is mede opgericht door emeritus TU-hoogleraar prof.ir Jos van Buijtenen. Prof.dr.ir. Piero Colonna (leerstoel power and propulsion bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek) promoveerde bij Angelino in Milaan, en zet als het ware de Italiaanse school in Delft voort. Hij organiseerde het tweede internationale congres over ORC in Rotterdamse De Doelen op 7 en 8 oktober. Twee jaar geleden vond de eerste editie plaats in de aula, maar die is nu te klein. Dat is typerend voor een techniek die exponentieel stijgende lijnen vertoont – zowel in het aantal publicaties (van 7 in 2000 naar 196 in 2012) als in aantal installaties (400 in 2012) en geïnstalleerd vermogen (momenteel 1500 megawatt of drie kolencentrales). Binnen de huidige economie is ORC een van de weinige sectoren die in de lift zit.

Hernieuwbaar

William Rankine had niet kunnen vermoeden dat zijn gemodificeerde stoomcyclus anderhalve eeuw later vooral van pas zou komen bij hernieuwbare energiebronnen en bij terugwinning van energie. De verklaring daarvan ligt in de lagere werktemperatuur van ORC ten opzichte van de stoomcyclus; met fossiele brandstoffen wordt makkelijk een stoomtemperatuur van 500 graden of hoger bereikt, maar restwarmte of warmte van duurzame bronnen hebben in de regel een lagere temperatuur.

Neem biomassa. In Duitsland, Oostenrijk en Denemarken draaien kleine biomassagestookte buurtcentrales vaak met een ORC installatie. De temperatuur van de damp wordt niet hoger dan zo’n 320 graden en condenseert bij 90 graden. De thermodynamica leert dat het rendement van een thermische cyclus beter wordt naarmate het verschil tussen boven- en ondertemperatuur groter is. Het elektrisch rendement is hier met achttien procent dan ook vrij gering, maar als je de warmte ook gebruikt (wat bij een buurtcentrale meestal het geval is), bedraagt het totale rendement 88 procent. Het warmtevermogen van dergelijke buurtcentrales (de specialiteit van Turboden) ligt typisch tussen 6 en 10 megawatt, het elektrisch vermogen tussen 1 en 2 megawatt.

ROOSKLEURIG

Aardwarmte is vanaf tachtig graden Celsius geschikt voor elektriciteitsopwekking met ORC, stelt een recent overzichtsartikel*. Het vermeldt een Europees potentieel van maar liefst 34 duizend megawatt, dus ongeveer dertig kolencentrales die dicht zouden kunnen. Dat klinkt wel heel rooskleurig en houdt geen rekening met de economische haalbaarheid. Vooral aardwarmtebronnen met lagere temperaturen hebben een laag elektrisch rendement en gebruiken zelf veel elektriciteit voor de pompen (tussen 30 en 50 procent van de eigen productie). Bij hogere temperaturen (vanaf 150 graden) stelt men de condensatietemperatuur vaak relatief hoog in op bijvoorbeeld zestig graden. Dat gaat weliswaar ten koste van de elektriciteitsproductie, maar houdt het water warm genoeg voor stadsverwarming. Je kunt het ook zo zien: als de aardwarmtebron een hogere temperatuur levert dan nodig is voor het warmtenetwerk, kan ORC het overschot afromen met elektriciteitsopwekking.

In principe zijn ORC-installaties ook te gebruiken voor zonne-energie, maar dat gebeurt weinig. Natuurlijk zijn bestaande zonnepanelen een goed alternatief, en bij zonthermische installaties bereiken parabolen en met spiegels omgeven zonnetorens temperaturen die hoog genoeg zijn voor een stoomcyclus. Alleen voor zonnetroggen (met een boventemperatuur van 300 tot 400 graden) is ORC een potentieel interessante techniek en dan vooral voor kleinere installaties met een vermogen van enkele tot tientallen kilowatts. 

Terugwinning

Het Nederlandse bedrijf Triogen in Goor, Twente, legt zich toe op winning van energie uit afvalwarmte. De meeste van de twintig tot nu toe geleverde apparaten staan achter gasmotoren die gestookt worden met biogas en gas uit stortplaatsen. De ORC-installatie levert daarbij ongeveer tien procent extra van het elektrisch vermogen van de hoofdinstallatie. Elk systeem dat voldoende warmte levert met een temperatuur van 350 graden of meer is ervoor geschikt. Dus ook industriële installaties in staal-, beton- en (petro-)chemische industrie.

Het hart van de Triogen-installatie is een kleine turbogenerator (25 duizend rpm, 60–170 kilowatt elektrisch) van een meter hoog en een halve meter doorsnede. Maar om die generator te voeden is een grote gele kast vol pijpen, pompen en vaten nodig en warmtewisselaars om warmte te onttrekken aan de hoofdinstallatie.

Verderop staat nog een grijze kast met vermogenselektronica om de opgewekte elektriciteit in het net te voeren.

Of het voor een bedrijf interessant is om de afvalwarmte te benutten hangt af van de stroomprijs, zegt Van Buijtenen. Hij schat dat een vergoeding van elf cent per kilowattuur het minimum is. De terugverdientijd bij continu bedrijf is dan ongeveer vijf jaar en de levensduur van de installatie twintig jaar.

TU hoogleraar Piero Colonna werkt aan kleinere ORC-installaties voor vrachtwagens. “We moeten van megawatts naar tientallen kilowatts”, vat Colonna zijn missie samen, “en de installaties klein en licht maken.” Hij werkt daarvoor samen met grote namen in de truckindustrie: het Amerikaanse Dana-Spicer en het Duitse Bosch, waarbij Colonna’s groep zich richt op de ontwikkeling van een microturbine. De schatting is dat uit de zestig procent afvalwarmte van de motor ongeveer tien procent van het mechanisch vermogen is terug te winnen. Die elektriciteit is aan boord te gebruiken voor koeling, communicatie en wat al niet. Maar echt interessant wordt het pas als die elektriciteit gebruikt kan worden voor het transport zelf. Colonna gelooft in de hybride truck die zich in de stad alleen elektrische voortbeweegt.

Op het congres zullen alle toepassingen van de techniek ter sprake komen: van industrie tot slimme cv-ketels, en van biomassaovens via aardwarmte tot zonnetroggen. Colonna hoopt dat standaardisatie in de ORC-gemeenschap de techniek goedkoper en algemener toegankelijk zal maken. In plaats van een paar honderd bijzondere installaties zou ORC een heel gewone toevoeging moeten worden op iedere plek waar warmte ongebruikt wegstroomt.

Tweede internationale congres over ORC-techniek, 7 en 8 oktober, De Doelen Rotterdam.

www.asme-orc2013.nl 

(*) Sylvain Quoilin e.a.: ‘Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) Systems’, Renewable and Sustainable Energy Reviews 22, 2013