Microturbine-generator voor binnenschip

Electric Ship Facilities uit Heeg heeft een hybride voortstuwingsinstallatie ontwikkeld voor binnen- en kustvaart. Het bedrijf legt de laatste hand aan een pilotsysteem dat is ingebouwd in een gerenoveerde 25 meter lange voormalige brandweerboot met elektrische aandrijving.

Doorsnede van een microturbine.

1/3

Gerelateerd nieuws

Crisis en milieu stimuleren maritieme innovatie

‘Steeds meer actie in olie- en gaswereld'

Zwavelarme brandstof prijst kustvaart in 2015 uit markt

De Rijn van A tot Z: Even op zoek naar schepen

Meer over

Techniek

Door Hans Heynen
De generator van het hybride systeem is een 30 kW microturbine-generator van de Capstone Turbine Corporation uit Chatsworth, Californië. Het schip kan volledig op het vermogen van de accubanken varen. Indien nodig springt de turbine bij voor aanvullend vermogen of om de accu's op te laden. Het is voor het eerst dat Capstone een microturbine levert voor een schip.

• ESF ontwikkelt hybride voortstuwingsinstallatie

• Luchtgesmeerde lagers maken smeerolie overbodig 

‘Een microturbine is te vergelijken met een vliegtuigmotor of zelfs de turbo van een dieselmotor, maar dan een kleine opgewerkte versie', zegt de Nederlandse applications manager Sven Fransen van Capstone. De microturbines kunnen op een breed scala aan brandstoffen draaien, waaronder aardgas, LPG, gasolie en kerosine. Wel zijn voor gas en vloeibare brandstoffen verschillende injectiesystemen nodig. De door microturbines aangedreven generatoren zijn leverbaar in vermogens van 30 kW tot 200 kW. Het is mogelijk meerdere sets in één systeem te combineren. Bijvoorbeeld vijf 200 kW sets, om efficiënt vermogens van 200 tot 1000 kW op te wekken.

Afhankelijk van het model halen de microturbines, volledig belast, een rendement tussen 26% en 33%. ‘Dankzij de omvormers kunnen ze echter ook goed in deellast draaien. De microturbine gaat bij een dalende energievraag langzamer draaien, waardoor het rendement minder sterk daalt', zegt Fransen. ‘Tot 30% belasting is de turbine zo redelijk efficiënt. Het is nog mogelijk de turbine langdurig tot 10% van het nominaal vermogen te laten draaien, zonder nadelige gevolgen voor de techniek.'

Hoog toerental
Bij de microturbines van Capstone zitten de compressorturbine, de expansieturbine en de rotor van de dynamo allemaal op dezelfde as. Er zit dus geen vertraging tussen turbine en generator. Het toerental van de generator loopt daardoor op tot 96.000 omwentelingen per minuut. De zeer hoogfrequente wisselstroom die dat oplevert wordt door een omvormer veranderd in regelbare gelijkstroom. Dat maakt een eenvoudige verbinding mogelijk met het batterijenpakket in het hybride system van Electric Ship Facilities. De gelijkstroom kan met een frequentieomvormer ook worden omgezet in een bruikbare wisselstroom. Frequentie en Voltage worden dan aangepast aan de waarden van het boordnet.

Accubuffer
Microturbine-generatoren beschikken altijd over een accubuffer die bij een stijgende vraag direct het gevraagde vermogen kan leveren. De turbine gaat vervolgens naar een hoger toerental en neemt het zo geleidelijk over. Wanneer de vraag naar stroom plotseling daalt, wordt het overschot aan energie aan de accubank teruggeleverd tot het toerental ver genoeg is teruggelopen.
Wanneer meerdere turbines in serie staan en een nieuwe turbine moet worden bijgezet, kan dat maximaal twee minuten duren. Het opstarten en aanpassen van de toerentallen aan de vraag gebeurt automatisch.

Euro 6
‘Een microturbine is in aanschaf duurder dan een dieselgenerator, maar dat verschil wordt door de strengere emissienormen steeds kleiner', zegt Fransen. ‘Een turbine kan aan Euro 5 en 6 normen voldoen zonder nabehandeling van de uitlaatgassen met een ureumkatalysator en roetfilter. Een turbine heeft een continu verbrandingsproces en werkt met een grote luchtovermaat. De verbranding is daardoor zeer volledig, zodat nauwelijks koolmonoxide en roet worden gevormd. Er zit bovendien geen smeerolie in het systeem. Smeerolie verhoogt bij dieselmotoren de roetuitstoot.'

De druk in de verbrandingskamer is 3,5 tot 4 bar. ‘Dat is, met een piektemperatuur van 1000 graden, te laag voor de vorming van NOx. Wanneer een turbine op aardgas of LPG draait, dalen de waarden van de uitstoot nog verder.'
De uitlaattemperatuur van de luchtgekoelde microturbine is vergelijkbaar met die van een dieselmotor. ‘Via een warmtewisselaar staat de uitlaatlucht veel van de hitte af aan de binnenstromende lucht. Die wordt tussen de compressor en de verbrandingskamer voorverwarmd voor een hoger rendement.'

Luchtgesmeerde lagers
Bijzonder is, dat de as van de turbine in luchtlagers ligt. Bij deze gepatenteerde lagers rust de as, stilliggend, op een soort folie. Wanneer de turbine start wordt er al snel zoveel lucht door het lager geblazen dat deze de folie plat tegen de lagerschalen drukt, waarna de as in een sterke luchtstroom zweeft. ‘Er is dus geen slijtage door wrijving en de turbine veroorzaakt geen trillingen. Het is muisstil aan boord en je hoeft nooit olie te verversen. De lucht wordt ook gebruikt om het systeem te koelen. Een apart koelwatersysteem is dus niet nodig.'

De Capstone heeft volgens de fabrikant nauwelijks onderhoud nodig. ‘Na 8000 draaiuren wordt aangeraden het luchtfilter te vervangen en vinden er enkele routinecontroles plaats. Een grote onderhoudsbeurt is na 40.000 uur nodig. Meestal wordt dan een aantal onderdelen eenvoudig verwisseld met nieuwe of gereviseerde en dan kan het weer 40.000 uur mee.'

Proefvaart
Electric Ship Facilities maakt binnenkort een eerste proefvaart met het pilotschip. Weekblad Schuttevaer zal daar bij zijn en dan ingaan op de andere aspecten van het hybride systeem.