Gasturbines: onmisbaar voor de transitie naar hernieuwbare energiebronnen

Foto: Ixefra, GettyImages

Gasturbines zijn vooral bekend als de straalmotoren die vliegtuigen voortstuwen. Maar ze zijn ook de werkpaarden van grote energiecentrales die elektriciteit leveren aan onze fabrieken en huizen. Bij de TU Delft, zowel aan de Faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek (LR) als aan de Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE), werken er onderzoekers aan dit onderwerp. Vanwege het belang voor de Nederlandse industrie draagt de Stichting Gasturbine Onderwijs (SGO), onderdeel van de Dutch Gas Turbine Association (DGTA), financieel bij aan het Delftse gasturbine-onderwijs en -onderzoek.

Op vrijdag 7 december tekenden de decanen van de twee faculteiten de overeenkomst waarmee de samenwerking tussen TU Delft, SGO en hogeschool InHolland verlengd wordt. Een uitgelezen moment voor een rondetafelgesprek over de veranderende rol van de gasturbine met drie experts betrokken bij de samenwerking. TU Delft onderzoekers Prof.dr.ir. Sikke Klein (Afdeling Process & Energy, 3mE), Prof.dr.ir. Piero Colonna and Dr.ir. Wilfried Visser (Afdeling Aerodynamics, Wind Energy, Flight Performance & Propulsion Department, LR) leggen uit waarom gasturbines onmisbaar zijn voor de transitie naar een hernieuwbare energiemix.

Prof. Sikke Klein
Dr. Wilfried Visser
Prof. Piero Colonna

De titel van de intreerede van Prof. Klein was “Make Gas Turbines Great Again”. Heeft de gasturbine een slecht imago?
Colonna: “Nee, ik ben ervan overtuigd dat dat niet zo is. Ik ben per definitie bevooroordeeld maar ik denk echt dat de gasturbine een modern wonder is. Spectaculair fantastisch voor wat betreft het technologische niveau. De efficiëntie die gasturbines kunnen behalen, is zelfs voor experts amper te bevatten. De betrouwbaarheid van vliegtuigmotoren is krankzinnig.”
Visser: “En ze bieden de schoonste manier om elektriciteit te produceren uit fossiele brandstoffen.”

En toch is de markt voor gasturbines aan het krimpen.
Visser: “Vooral in Europa worden er minder gasturbines verkocht voor energieproductie op de grond. Van een afstand lijkt het niet erg rooskleurig. Maar uiteindelijk zullen we betere en geavanceerdere turbines nodig hebben om een duurzame samenleving te realiseren, vanwege de onregelmatige beschikbaarheid van zonne- en windenergie.”
Klein: “Energiecentrales op basis van hoog-efficiënte gasturbines, die enkele jaren geleden gesloten werden, worden nu weer geopend, zoals de Clauscentrale in Maasbracht, omdat er vraag is naar flexibele energievoorziening, vooral nu kernenergie en kolen afgebouwd worden. Er zit een groot verschil tussen de energiebehoefte en het fluctuerende aanbod van zon en wind. En daarom zal er in de komende jaren een toenemende vraag zijn naar energie van hoog-efficiënte gasturbinecentrales.
Visser: “En ook naar onderhoud en reparatie.”
Klein: “Wind- en zonne-energie zijn onderdeel van de toekomst. We moeten er niet tegen vechten maar juist samenwerken. Doordat de gasturbinesystemen van nu een hoge brandstofefficiëntie halen, tot wel 63%, spelen ze een belangrijke rol in de transitie naar hernieuwbare energiebronnen.”

Nederland produceert geen volledige gasturbinesystemen, alleen componenten. Wat betekent dit voor jullie onderzoeksambities?
Visser: “Mijn werk voor de TU Delft wordt medegefinancierd door SGO/DTGA. Het is inderdaad zo dat de meeste leden voornamelijk geïnteresseerd zijn in onderhoud, bedrijfsvoering en reparatie. Ik voel me bij TU Delft altijd een beetje verantwoordelijk voor dit gebied. Toch moeten de ingenieurs die bij deze bedrijven werken getraind zijn in fundamentele en ontwerpaspecten, want dit is een vereiste om onderhoud, reparatie en revisie te kunnen optimaliseren.”
Klein: “We hebben een verantwoordelijkheid om goede ingenieurs af te leveren aan de industrie. Maar dit moet hand in hand gaan met universitair, innovatief onderzoek.”
Colonna: “Ik wil graag afrekenen met de suggestie dat universiteit en industrie tegenover elkaar staan. Kijk naar de feiten. Er zijn projecten waar we volledig betaald worden door het bedrijfsleven. Die zouden ons geen geld geven als ze niet dachten dat wat we doen van praktisch belang is. Ons maatschappelijk mandaat is om ingenieurs op te leiden én om grenzen te verleggen. We proberen een evenwicht te vinden tussen de verschillende vereisten.”

Waar staat Delft op het gebied van de gasturbine?
Klein: “Met twee faculteiten en een boel aangrenzende disciplines zijn we zeer goed verankerd in de bredere onderzoeksgemeenschap. Alle verbindingen zijn er: met andere landen, met bedrijven. We profiteren van zowel de universitaire als industriële zijde. Beide kanten inspireren ons en sturen ons onderzoek.”
Colonna: “We moeten zó goed zijn om turbineproducenten uit andere landen zover te krijgen dat ze naar ons toe komen. En ze komen naar ons toe.”
Visser: “Het helpt dat de Faculteit Lucht- en Ruimtevaartechniek behoorlijk uniek is, zelfs vanuit een internationaal perspectief.”

En de studenten die in Delft afstuderen?
Colonna: “Die vinden een baan, nog voordat ze zijn afgestudeerd.”
Klein: “Bedrijven waar onze studenten stage lopen, waarderen hen vanwege hun vaardigheden op het gebied van projectmanagement. Ze zijn proactief, managen zelf hun onderzoek, nemen verantwoordelijkheid, communiceren goed. Ze zijn in staat om onderzoek te doen van A tot Z. En toch moeten we niet vergeten dat de fundamentele wetten van de thermodynamica nog steeds gelden, en dat studenten ze moeten kennen.”
Colonna: “Mee eens. We leren ze beide soorten vaardigheden. Het evenwicht vinden we op een dynamische manier. Soms zitten we er net naast.”

Waar vinden de Delftse studenten een baan?
Klein: “Er zijn veel interessante banen voor onze studenten. Bij conventionelere bedrijven zoals ExxonMobil maar ook bij startup- en consultancybedrijven.”
Visser: “De grootschalige industrie stelt de hoogopgeleide ingenieurs uit Delft vaak aan op managementposities en niet in technologische rollen. Als voorbeeld, vliegtuigmotoronderhoud is big business en toch werken maar weinig universitair opgeleide ingenieurs op dat gebied.”
Colonna: “Nederland zou meer moeten durven investeren in universitair onderzoek naar onderhouds- en operationele aspecten. Wat we telkens weer zeggen, is: probeer ons. Als je dat doet, dan zorgen wij voor toegevoegde waarde voor je bedrijf. Maar de uitdagingen moeten wel moeilijk en riskant zijn, geen routine.”
Visser: “Er zijn Nederlandse bedrijven die nu langzaam ontdekken dat het waardevol is om universitair geschoolde ingenieurs aan te nemen op technische functies, omdat zij het voor elkaar kunnen krijgen om de kosten te drukken, de veiligheid te vergroten, en emissies te verminderen.”
Colonna: “Ook op het gebied van onderdelenproductie zijn er voorbeelden van Nederlandse bedrijven die van ‘blueprint manufacturing’ doorgroeien naar het leveren van originele technologie – dit is alleen mogelijk als je de juiste mensen aanneemt om de moeilijke problemen te lijf te gaan. Nederland zou dat meer moeten doen.”

Hoe zien de gasturbines van de toekomst eruit?
Visser: “Als de zon schijnt en er is wind, heb je minder turbines nodig. Maar als de zon weg is en de wind gaat liggen, dan moet je de energiecentrales snel opstarten. De zeer grote conventionele centrales kunnen wel een dag nodig hebben om op te starten. Dus, in plaats van gasturbines in continu-modus, waar voorheen de nadruk op lag, hebben we nu andere soorten turbines nodig die snel kunnen starten en stoppen, zonder dat dit hun operationele levensduur aantast.”
Klein: “En toch geloof ik dat we niet moeten investeren in nieuwe energiecentrales op basis van fossiele brandstoffen, maar in het verbeteren van de huidige centrales, zodat ze de schommelingen aankunnen. De bestaande gasturbines kunnen het; misschien niet allemaal maar 90%.”
Colonna: “Laten we niet vergeten dat deze krachtcentrales peperduur zijn, en dus is het geen makkelijke beslissing om de turbines allemaal weg te doen en nieuwe te kopen.”
Klein: “Ik heb gezien hoe turbines dankzij aanpassingen van nul naar volle kracht kunnen in slechts een half uur. Dat voor elkaar te krijgen is het soort onderzoek dat ik wil doen. In een samenwerking tussen de faculteiten 3mE en LR hebben we juist een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Energy over een innovatieve manier om de CO2-uitstoot te verminderen en de flexibiliteit te vergroten door middel van hitteopslag in een gasturbine-energiecentrale.”

En de turbines die gebruikt worden in vliegtuigen?
Visser: “Dat is een ander verhaal. De komende tientallen jaren zullen er geen alternatieven zijn voor deze gasturbines. Er wordt veel onderzoek gedaan naar hybride voortstuwing, waarbij de turbine niet efficiënt hoeft te zijn in alle vermogensinstellingen behalve in een enkele, continue instelling, en extra benodigde energie uit batterijen wordt gehaald. Als er minder vermogen nodig is, laadt de turbine de batterij op. Meerdere landen kijken naar dit type hybride voortstuwing, soms zelfs in overlappende studies. Een andere ontwikkeling draait om verregaand geïntegreerde vliegtuigmotoren: motoren die niet meer in aparte capsules zitten maar verwerkt zijn in de vliegtuigromp. Er is veel cynisme hierover maar het biedt ook kansen om vliegen efficiënter te maken.”
Colonna: “Ik heb de indruk dat de luchtvaart potentieel biedt voor baanbrekende innovaties maar dat het huidige succes van de vliegtuigindustrie de vijand is van zulke disruptie. Als fabrikanten hun orderportefeuilles vol hebben voor de komende 10 jaar, waarom zouden ze dan nog innoveren?”

Op wat voor innovaties zouden jullie mikken? Wat zouden jullie bijvoorbeeld doen met 10 miljoen euro?
Klein: “Allereerst zou ik een demonstratiefabriek bouwen voor waterstofverbranding in bestaande gasturbines. De Nederlandse gasturbine-industrie, met haar ervaring in retrofits, kan hier een belangrijke rol spelen. Door aardgas als brandstof van bestaande gasturbine-energiecentrales te vervangen door waterstof kunnen we zeer efficiënt, koolstofvrij, flexibel vermogen aan het netwerk leveren - nodig voor de integratie van wind- en zonne-energie.”
Colonna: “Zeer relevant!”
Klein: “Daarna zou ik kijken naar de combinatie van waterstof en zuurstof om emissievrije energiecentrales met een efficiëntie tot wel 75% te realiseren. Dat is meer fundamenteel en zou in een internationale samenwerking gedaan moeten worden.”
Colonna: “Ik zou nieuwe concepten ontwikkelen voor emissiearme vliegtuigmotoren. Of de allerbeste worden in het bouwen van micro-gasturbines voor drones.”
Visser: “Ik zou dolgraag langs de Nederlandse industrie willen gaan om te kijken waar we het geld kunnen gebruiken om het technologieniveau van componentfabrikanten dusdanig te verhogen dat ze betrokken worden bij het ontwerpproces. Dit zal meer productieactiviteiten opleveren en daarmee banen. Als onze huidige ‘build-to-print’ maakindustrie ontwerpverantwoordelijkheid kan nemen dan is dat een eerste stap naar onze eigen original equipment manufacturing (OEM) industrie. Er zijn al een aantal voorbeelden van het succes van deze aanpak.”

Foto Credits: W. C. Reynolds and P. Colonna. Thermodynamics: fundamentals and engineering applications. Cambridge University Press, 2018, Courtesy of Pratt&Whitney