Schonere gasturbines door UT-onderzoek

Dankzij het onderzoek van UT-promovendus Anton Verbeek wordt de NOx-uitstoot van gasturbines beperkt. NOx (stikstofoxiden) is schadelijk voor het milieu en kan smog en zure regen veroorzaken. Gasturbines worden gebruikt in aardgasgestookte energiecentrales. Deze zijn wereldwijd nog altijd verantwoordelijk voor een groot deel (dertig procent, in Nederland 54 procent) van de elektriciteitsvoorziening, maar stoten ook veel NOx uit. De eisen worden echter steeds strenger.

Verbeek focust zich op de toepassing van zogenaamde low-swirl branders in deze gasturbines. Deze nieuwe branders worden gekenmerkt door de extreem lage NOx-uitstoot en zijn vijftig procent schoner dan de huidige branders in gasturbines. Met het gebruik in gasturbines heeft Verbeek een manier ontwikkeld om het enorme potentieel van deze low-swirl branders te benutten. Low-swirl staat voor een nieuw soort vlamstabilisatiemechanisme.

De NOx-uitstoot is in veel landen gereguleerd door de wet, naast bijvoorbeeld broeikasgasemissies zoals koolstofdioxide. In zijn proefschrift getiteld Efficiently generated turbulence for an increased flame speed kijkt Verbeek naar het aanbrengen van efficiënte turbulentie in een stroming.
Verbeek: “Dit kan vervolgens gebruikt worden om de verbrandingssnelheid van een low-swirl brander te verhogen. Door de verbrandingssnelheid te verhogen met efficiënt gegenereerde turbulentie kunnen deze branders dus gebruikt worden in gasturbines. Pas dan wordt de schone capaciteit van deze brander echt goed benut. Veertig procent van ons aardgas wordt gebruik in gasturbines, dus dit kan een grote doorbraak zijn.”

Verbeek voerde zijn experimenten uit in het lab van Thermische Werktuigbouwkunde op de Universiteit Twente. Hij beschrijft in zijn proefschrift hoe turbulentie wordt aangebracht in de stroming wanneer het mengsel van gas en lucht door een rooster stroomt. Achter het rooster ontstaan wervels. Deze wervels zorgen ervoor dat de vlam sneller kan branden. In zijn onderzoek zijn twee alternatieve methoden bekeken om turbulentie te maken: een actief rooster en een fractaal rooster. Beide methode zijn bekend uit de wetenschappelijke literatuur en worden vooral onderzocht in windtunnels, maar worden niet gebruikt in daadwerkelijke toepassingen.

Tijdens test liet het fractale rooster een flinke toename in verbrandingssnelheid zien. “Een fractaal rooster wordt gevormd door een aantal iteraties van een zelfgelijkend patroon”, legt Verbeek uit. “Zo bestaat het rooster dus uit grote, kleine en nog kleinere objecten van dezelfde vorm. De sterke toename in turbulentie wordt bereikt zonder dat het extra energie kost. De drukval over deze roosters is nagenoeg gelijk aan de standaard rooster. Wanneer de bijbehorende vlammen worden bekeken, is te zien dat het vlamfront (het interface tussen onverbrand mengsel en verbrand mengsel, dus daar waar de verbranding daadwerkelijk plaatsvind) veel meer kleine structuren bevat. Het vlamoppervlak is als het ware meer opgefrommeld, zodat er meer verbranding in dezelfde ruimte plaats vindt."

De conclusie in het proefschrift is dan ook dat de fractale roosters niet alleen een meer praktische aanpak vormen, maar dat het ook erg effectief is. De lage emissie van NOx blijft gehandhaafd wanneer fractale roosters gebruikt worden. Verbeek heeft plannen om de fractale roosters verder te testen onder meer realistische gasturbinecondities.

Anton Verbeek voerde zijn onderzoek uit binnen de vakgroep Thermische Werktuigbouwkunde (faculteit CTW) aan de Universiteit Twente. Hij promoveerde begin oktober. Zijn promotor is prof. Theo van der Meer. Een digitale versie van het proefschrift is op te vragen.