Met de ontwikkeling van concrete plannen voor de opwekking is het de vraag in welke mate de industrie klaar is voor de toepassing voor waterstof. Jeroen Breggeman heeft voor BlueTerra onderzoek gedaan naar één van de mogelijke toepassingsgebieden: De inzetbaarheid van waterstof in bestaande WKC’s.

Het onderzoek van Jeroen Breggeman gaat over de inzetbaarheid van waterstof in bestaande Warmte-Kracht Centrales (WKC) in de Nederlandse industrie. Zowel de technische aspecten voor het (deels) opereren op waterstof, als de operationele consequenties op het gebied van opwerk efficiëntie en emissies worden onderzocht. Dit is een technisch onderzoek waarbij wordt aangenomen dat waterstof een potentiële toekomstige brandstof is. Om de resultaten van het onderzoek zo relevant mogelijk te maken voor de gehele Nederlandse industrie is het onderzoek gebaseerd op de meest voorkomende WKC configuratie. Op basis van de opgestelde gasturbine vermogens in Nederland, is de Siemens SGT-600 (24 MWe) casus geselecteerd.

Aanleiding van het onderzoek

De Nederlandse industrie heeft een gezamenlijke warmtevraag van ruim 550 PJ per jaar. Een groot deel hiervan wordt opgewekt in zogenoemde Warmte-Kracht Centrales (WKC), waarbij zowel kracht (elektriciteit) als warmte wordt geproduceerd. Voor de industrie bestaat deze WKC’s vaak uit een gasturbine met afgassen ketel. Deze installaties opereren primair door de verbranding van (fossiel-) aardgas waarbij CO₂ wordt uitgestoten.

Nederland heeft als doel om de CO₂-uitstoot voor 2030 met 50% te reduceren en voor 2050 met 95% te reduceren, zoals gesteld in het klimaatakkoord [1]. Om deze doelen te behalen zal het gebruik van aardgas als energiebron voor de industrie moeten worden uitgefaseerd. Waterstof wordt als een potentiële toekomstige brandstof gezien door vele organisaties. Er is echter er nog weinig bekend over de operationele inzet van waterstof in WKC’s. Bedrijven met een WKC’s kunnen hierdoor moeilijk een afgewogen keuze maken tussen herinvestering van bestaande assets of de aanschaf van nieuwe assets.

Technische uitdagingen

De grootste technische uitdagingen van het inzetten van waterstof in een WKC hebben betrekking tot het verbrandingskamer van de gasturbine. Enkele van deze uitdagingen zijn de hogere vlamsnelheid en vlamtemperatuur, ten opzichte van aardgas, waardoor het risico op vlamterugslag en NO_X-productie toeneemt. Voor DLE-verbrandingskamers zijn de uitdagingen groter dan voor conventionele- en WLE-verbrandingskamers. Toch heeft DLE-technologie over het algemeen de voorkeur omdat de NO_X-productie gereduceerd wordt zonder het injecteren van stoom of water.

Gasturbine leveranciers, en andere bedrijven, zijn constant bezig met het ontwikkelen van verbrandingskamers voor deel- of volledige inzet van waterstof. De huidige verbrandingskamers kunnen veelal tot 30 vol% waterstof stoken. Sommige DLE-verbrandingskamers, van onder andere Siemens, zijn al in staat tot 60 vol% waterstof in te zetten, en sommige gasturbines met WLE-technologie kunnen al op 100% waterstof draaien.

Daarnaast zijn er ook aftermarket fabrikanten bezig met de ontwikkeling van brandstof-flexibele verbrandingskamers voor de inzet van waterstof. Zo heeft bijvoorbeeld het bedrijf PSM als doel om in 2023 100% waterstof in te zetten met hun FlameSheet™ technologie. Op dit moment kan de technologie al tot 40 vol% waterstof inzetten.

Operationele effecten

De effecten van het inzetten van waterstof op o.a. de efficiëntie en CO₂-reductie zijn onderzocht door middel van een rekenmodel. Dit model is gemaakt in Microsoft Excel en omvat een gasturbine-module en afgassenketel-module. Het model is gebaseerd op een SGT-600 WKC zoals eerder geselecteerd. De parameters van deze WKC zijn ontvangen van Avebe en DS Smith. De hoofdvariabele van het model is het volumepercentage waterstofbijmenging in aardgas.

Uit de resultaten van het model blijkt dat het totaal rendement met 0,5% stijgt bij de volledige inzet van waterstof. Dit komt omdat de rookgassamenstelling verandert en daardoor de warmtecapaciteit van de rookgassen stijgt en de massastroom van de rookgassen daalt. Voor de afgassen ketel is dit nadelig omdat daarmee de stoomproductie met ongeveer 3% daalt. De CO₂-emissie neemt niet lineair af bij het verhogen van het volumepercentage waterstof in het brandstofmengsel. Als de bijmenging van waterstof energetisch wordt uitgedrukt is er wel een lineair verband zichtbaar.

Conclusie

Er kan worden geconcludeerd dat het inzetten van waterstof in bestaand gasturbine-WKC’s mogelijk is. De meeste huidige gasturbines met moderne DLE-technologie kunnen tot 30 vol% waterstof inzetten zonder het overschrijden van de NO_X-emissiegrenswaarde. Op korte termijn volstaat dit omdat duurzame waterstof de komende jaren nog niet in grote mate aanwezig zal zijn. In de toekomst zal het mogelijk zijn om meer dan 30 vol% tot 100% waterstof in te zetten. Als waterstof wordt ingezet zal er maatwerk moeten worden verricht aan het bestaande systeem vanwege de grotere volumestroom brandstof en de grotere kans op lekkage in appendages.

De effecten van de inzet van waterstof op de efficiëntie van de WKC zijn minimaal. Daarentegen is er wel een effect op de emissies; bij het inzetten van 25 vol% waterstof kan de CO₂-uitstoot met ongeveer 10% worden gereduceerd. Bij 50 vol% waterstofbijmenging is de CO₂-reductie ongeveer 26% en bij 75% waterstofbijmenging is de reductie ongeveer 49%. Boven de 75 vol% waterstofbijmenging neemt de CO₂-productie sneller af tot 100% bij de volledige inzet van waterstof, zie ook onderstaand grafiek:

Voor meer informatie over de toepassing van waterstof in bestaande WKC’s kunt u contact opnemen met Thijs Hoek.