Kolenvergassing heeft in principe grote voordelen. Een elektriciteitscentrale met een gasturbine heeft een hoger rendement dan een steenkolencentrale. En schadelijke uitstoot kan worden beperkt door het kolengas voor verbranding te reinigen. De Nederlandse elektriciteitsbedrijven besloten derhalve tot een demonstratieproject om het rendement, de milieueffecten en de economische haalbaarheid van kolenvergassing te onderzoeken.
Zo verrees vanaf 1993 aan de Maasoevers van het Limburgse Buggenum (gemeente Haelen) de eerste Nederlandse elektriciteitscentrale op basis van kolenvergassing. Deze Demkolec-centrale - overigens pas sinds vorig jaar volledig operationeel - bezit een stroomopwekkend vermogen van 250 megawatt en is daarmee in zijn soort de grootste centrale ter wereld.
De centrale is een volledig geïntegreerd proces waarvan naast de kolenvergasser en de gasturbine een stoomturbine, een luchtscheidingsinstallatie (zuurstof voor vergassing en stikstof voor koeling) en een koel- en zuiveringsinstallatie (voor onder meer ontzwaveling) deel uit maken.
Sintels
De vergasser zet poedervormige steenkool om in kolengas. Het gas - vooral bestaand uit koolmonoxide en waterstof - wordt gekoeld en gereinigd en vervolgens in de gasturbine verbrand. De gasturbine drijft de generator aan waarmee de stroom wordt opgewekt. Ook stoom uit een stoomketel na de gasturbine drijft via een stoomturbine die generator aan. Afvalproducten - sintels, zouten en zwavel - worden afgevoerd en verkocht.
De proefcentrale in Buggenum draait op dit moment met behulp van een gasturbine die voor kolengas geschikt is gemaakt. De opgedane ervaringen moeten op termijn leiden tot een grotere versie van 600 à 1000 megawatt. Voor deze nieuwe centrale - uitgesteld omdat er momenteel een overschot is aan stroom - moet echter nog veel gemeten en gemodelleerd worden.
Louis ontwikkelde in zijn door de NOVEM (Nederlandse Organisatie voor Energie en Milieu) gefinancierde promotieonderzoek aan een theoretisch model dat de verbranding van kolengas in de verbrandingskamer van de turbine in detail beschrijft. Het onderzoek was er vooral op gericht om de nog steeds optredende emissies van zure regengassen als stikstofoxiden en van koolmonoxide precies te voorspellen en te kunnen reduceren.
Stroming
Louis reduceerde het verbrandingsproces tot drie variabelen: de menging van brandstof en lucht, de verbranding van waterstof en die van koolmonoxide. Voor een tiental andere stoffen werden veilige aannames gehanteerd. Louis vulde zijn model aan met een standaard-turbulentiemodel om de stroming van het gas tijdens het proces te berekenen. Zo wist hij de verbranding bij verschillende temperaturen in drie dimensies te berekenen.
Om de temperatuurvoorspellingen te verbeteren breidde Louis het verbrandingsmodel in tweede instantie uit met de stoffen HO2 en H2O2. Verder verdisconteerde hij het effect van de koeling van de verbrandingskamer: via de gekoelde wanden lekt immers veel warmte weg en dat heeft invloed op de schadelijke uitstoot van stikstofoxiden en koolmonoxide.
Louis testte zijn model via metingen aan een proefopstelling in de hallen van WB: een 50 kilowatt verbrandingskamer in de vorm van een gekoelde cylinder van een meter lengte en tien centimeter diameter. Het waren de eerste metingen aan een 'groot' schaalmodel: de meeste metingen in de literatuur betreffen schaalmodellen van hooguit 2 kilowatt. Later is het model ook toegepast op een gasturbine van General Electric.
Uitstekend
Tijdens de metingen nam Louis met een sample probe (afzuigsonde) op een aantal plekken in de verbrandingskamer gas weg en analyseerde dat op de gehaltes aan koolmonoxide, zuurstof, kooldioxide en stikstofoxiden. Zo achterhaalde hij precies hoeveel stoffen op elke plaats in de kamer aanwezig zijn. De meetresultaten strookten uitstekend met het model.
De conclusies van het onderzoek zijn duidelijk. De emissie van stikstofoxiden (en koolmonoxide) is afhankelijk van de temperaturen in het verbrandingsproces: hoe ongelijkmatiger dat proces en hoe hoger de temperatuur, kortom hoe meer piektemperaturen, hoe meer stikstofoxiden.
De inlaattemperatuur van het kolengas is tot op zekere hoogte te bepalen, maar in de verbrandingskamer lopen de temperaturen helaas hoog op. Voor een maximale verbranding van koolmonoxide en een minimale productie van stikstofoxiden moet het verbrandingsproces zelf dus worden beheerst.
Schoepen
Het proces valt volgens Louis te controleren door tijdens de verbranding op een aantal plaatsen in de verbrandingskamer koude lucht aan te voeren. Deze gerichte koeling resulteert in stapsgewijze verbranding met gelijkmatige gematigde temperaturen tot circa 1600 Kelvin (1300 graden Celsius). Overigens moet ook de uitlaattemperatuur van het gas fors worden verlaagd om te voorkomen dat de metalen turbineschoepen smelten of breken.
Promovendus Louis heeft intussen goede hoop dat zijn model tot schonere en efficiënter 'getrapte' verbrandingskamers zal leiden. 'Met zo'n ontwerp is het rendement het hoogst en de schadelijke uitstoot het laagst. Die kant zal het zeker opgaan. Mijn model is dan heel bruikbaar.'
Overigens is het model volgens Louis ook geschikt om vergassing van biomassa - organisch afval of gewoon hout, dat chemisch weinig van steenkool verschilt - mee te beschrijven. 'Biomassa kan een interessante energiebron zijn. Tijdens de Tweede Wereldoorlog reden er al auto's op.'
