Nieuws

Dr. ir. Co van Liere (1945), Swirlflash-technologie voor gasturbines

De SwirlFlash-technologie – hete lucht koelen met een nog hetere waternevel – is een gepatenteerde methode van waterinjectie in de inlaat van gasturbines, ter verbetering van vermogen, rendement en emissies.Is dit een optie of een bedreiging voor gas- turbine-bouwers?

Co van Liere leidt in de jaren negentig bij Kema het elektriciteitsonderzoek. Doel is verhoging van betrouwbaarheid en rendement, en verlaging van emissies en onderhoudskosten. Gasturbines worden in die tijd de werkpaarden van de elektriciteitsvoorziening.

Een probleem is dat tweederde van het opgewekte vermogen van een gasturbine naar de compressor gaat voor het comprimeren van lucht. Lucht wordt warm tijdens compressie en zet uit, en om het dan te comprimeren vraagt extra veel arbeid. Koude lucht laat zich veel gemakkelijker comprimeren. Het idee is om de lucht tijdens compressie te koelen, en de uitgespaarde arbeid als nuttige energie te gebruiken voor de productie van stroom.

Van Liere: ‘Koelen kan door het verdampen van water. Verdampend water onttrekt zeer veel warmte aan de omgeving, vanwege de hoge verdampingsenergie. Zoals zweet door verdamping warmte onttrekt aan de huid en het lichaam koel houdt. Het is een oplossing zo oud als Methusalem.’ Gasturbineproducent Brown Boveri Company (later opgegaan in het ABB/Alstom-concern) had in de jaren dertig al patenten op een dergelijke

koelmethode.

 

Verdampt

De kunst is echter het water zo fijn te verstuiven dat het in zeer korte tijd verdampt. De verblijftijd van lucht in de compressor is slechts 0,01 seconde. Stel dat men twee procent water wil injecteren in een luchtstroom van 100 kg/s (bij gasturbines niet ongebruikelijk), dan moet er 2 kg water per seconde worden verneveld en die moet in 0,01 seconde verdampen. Zet maar eens 2 liter water op het gas, dan duurt het een minuut of tien voor het kookt, en er gaat nog veel meer tijd heen voor het verdampt is.

Verdampen in de zeer korte verblijftijd in de compressorinlaat lukt alleen bij zeer fijn verdeelde druppeltjes. Met standaard technieken lukt het om grote hoeveelheden water in druppeltjes met een grootte van 20 micron te verstuiven. Maar daarmee duurt het verdampen te lang. Om in 0,01 seconde te verdampen moet, blijkt uit berekeningen, de druppeldiameter terug naar 2 micron.

Van Liere stuit in 1995 op het werk dat Kees van Paassen in 1973 in opdracht van Kema aan de TU Delft heeft gedaan. Hij deed daar onderzoek aan stoomturbines en zocht naar oplossingen voor het gelijkmatiger inspuiten van water in stoom. Lopende dat on derzoek is bij toeval een nieuw verstuivingsmechanisme ontdekt. Omdat de verstuiving gebruik maakt van heet water onder druk (dat bij het vrijkomen abrupt gaat koken = flashen), wordt de techniek SwirlFlash gedoopt. Deze techniek vernevelt grote hoeveelheden water op technisch eenvoudige en betaalbare manier in druppels van 2 à 3 micron.

Toch duurt het nog een hele tijd voor onderzoekers van gerenommeerde bedrijven accepteren dat het mogelijk is om hete lucht met nog heter water te koelen. Terwijl het toch elementaire natuurkunde is. Door verdampen kan meer warmte uit de lucht worden afgevoerd dan er door het warme water aan wordt toegevoegd

‘We hebben een test gedaan met een glazen buis van1m lang, en daar lucht doorheen geblazen van 100 °C met een snelheid van 100 m/s, net als in een compressor. In die lucht hebben we water met een temperatuur van 250 °C onder een druk van 180 bar geïnjecteerd en verneveld. Dertig cm verderop in de buis was de mist verdwenen en bedraagt de luchttemperatuur 60 °C (zie ook nevelbuis op foto).

 

Bewezen

Daarmee hebben we bewezen dat het mogelijk is om water heel fijn te vernevelen en in zeer korte tijd – 3 milliseconde – te verdampen, korter dan de verblijftijd van de lucht in de compressor (10 milliseconde).’

De techniek is als eerste getest op een kleine 400 kWe gasturbine van de Marine. De resultaten zijn zoals voorspeld. De temperatuur van de gecomprimeerde lucht gaat omlaag, evenals de compressorarbeid. Als gevolg daarvan loopt het vermogen van de gasturbine op en gaat de stikstofoxidenemissie omlaag.

Op basis van de resultaten van deze en andere testen richten Kema en TNO samen met twee initiatiefnemers, Van Liere en Meijer, het bedrijf Alpha Power Systems op. Met Kees Meijer als directeur wordt nu de markt ontsloten.

 

Beproeft

Essent is de launching customer, het beproeft de techniek op een 28 MW gasturbine in de elektriciteitscentrale Geertruidenberg. Ook hier zijn de resultaten naar verwachting: 10% meer vermogen, 43% minder NOx, en 0,25% beter rendement.

 

Gecharmeerd

Het principe van hete lucht koelen met nog heter water was aangetoond, de techniek had zich in de praktijk bewezen. En toen stonden de gasturbinefabrikanten op de stoep? ‘Ja en nee’, zegt Van Liere bedachtzaam. ‘Vertegenwoordigers van alle grote leveranciers – Siemens, Rolls Royce, ABB/Alstohm, General Electric – zijn hier geweest. Ze waren zeer gecharmeerd van het principe, en zagen de techniek ook zitten. Maar hun commerciële afdeling, of hun R&D-afdeling, hield het tegen. Wij leveren een systeem dat het vermogen van bestaande turbines met tien procent verhoogt. Dat kost ze omzet. Deze producenten zitten daar niet op te wachten. In dat spel zitten we nog steeds.’

‘Gasturbineproducenten zijn overigens zelf ook bezig met verstuiving, maar op een andere manier. Alpha Power Systems is de enige met hete verstuiving.’

SwirlFlash-technologie is een nieuw product van een nieuwe leverancier in een bestaande markt. Dat betekent dat men zich in moet vechten. Van Liere probeert bedrijven die onderhoud aan gasturbines plegen, en aanpassingen en verbeteringen uitvoeren, voor de techniek te interesseren. Maar als deze

bedrijven, of hun opdrachtgevers (de eigenaren van gasturbines), bij de producenten informeren hoe zij er tegen aan kijken, krijgen ze negatieve adviezen: ‘Dan geven wij geen garantie meer’. Of: ‘De tandwielkast kan geen tien procent extra vermogen aan’.

‘Het is powerplay’, zegt Van Liere. ‘Wij zijn maar een mugje in deze markt. Als de grote spelers dat willen, blazen ze ons zo omver.’ Hij begrijpt dat de tegenstanders het spel zo spelen, maar is wel teleurgesteld. De tegenwerking heeft hem ook persoonlijk geraakt, en heeft lichamelijk zijn weerslag gehad.

‘Ik vind het spel niet altijd leuk, maar wel boeiend.

 

Kinderziektes

Er zijn inmiddels acht installaties verkocht (vier zijn in aanbouw, vier in bedrijf), die aan de specificaties voldoen. Er hebben zich uiteraard kinderziektes voorgedaan: het in te spuiten water moet van goede kwaliteit zijn, maar ook weer niet té zuiver. Zeer zuiver water zorgt voor sterke slijtage van de nozzles, want het neemt uit haar omgeving – de wand van de nozzle – elk atoom ijzer op.

Een SwirlFlash-installatie voor een gasturbine van 40 MW kost zo’n 500.000 euro, de terugverdientijd is anderhalf tot drie jaar. De techniek is geschikt voor gasturbines van 20 – 250 MW. Onder de twintig is het financieel niet interessant. Gasturbines groter dan 250 MW zijn er niet; daarboven zou het ook niet praktisch zijn, want bij dat vermogen moet er veertig ton water per uur worden verneveld. Per 1 januari aanstaande krijgen eigenaren van gasturbines de NOx-uitstoot in rekening gebracht. Dat verbetert de financiële haalbaarheid van de SwirlFlashtechnologie.

Van Liere is gepensioneerd Kemamedewerker. Hij werkt twee dagen per week voor Alpha Power Systems.

Dit bedrijf heeft in 2003 voor het eerst in haar vierjarige bestaan winst gemaakt.

De SwirlFlash-technologie is onlangs genomineerd voor de World Technology Award in de categorie Energietechniek.