Verbrandingsmotoren halen in de scheepvaart een nuttig rendement van 40 tot 50%. Dat betekent dat zeker de helft van de energie uit de brandstof via de uitlaat en het koelwater verloren gaat als restwarmte. Dat maakt de ontwikkeling van systemen die restwarmte omzetten in bruikbare energie interessant.

Deze systemen verhogen de efficiëntie van een verbrandingsmotor en verlagen het brandstofverbruik en de CO2-uitstoot.

Een manier om restwarmte om te zetten in bruikbare energie is de Organic Rankine Cyclus (ORC). Hierbij wordt een organische vloeistof met een veel lager kookpunt dan water (rond 60 graden) met warmte uit het koelwater of de uitlaatgassen in een ketel met een warmtewisselaar verhit tot stoom. De zo opgebouwde druk op de ketel wordt gebruikt om een turbine of schroefpomp aan te drijven. Achter de turbine expandeert de stoom, waarna deze in een condensor met een door koud water gevoede warmtewisselaar wordt afgekoeld en condenseert. Via een pomp stroomt de vloeistof vervolgens terug naar de ketel om opnieuw tot stoom te worden verhit.

Wanneer restwarmte uit minder heet koelwater wordt gebruikt zal de in de ketel opgebouwde druk (en dus het rendement) lager liggen dan bij restwarmte uit de veel hetere uitlaatgassen

Heter is beter
Bij gebruik van restwarmte uit het niet zo hete koelwater (90 graden) kan maximaal 10% van de daarin opgeslagen restwarmte worden omgezet in bruikbare energie. Bij gebruik van de veel hetere uitlaatgassen is dat al snel 20%. De hogere temperatuur van de uitlaatgassen (250 tot 350 graden) zorgt immers voor hetere stoom met een hogere druk.

Aangezien circa 30% van de energie uit de brandstof in de vorm van hitte de uitlaat verlaat, kan het motorrendement dan maximaal 6% stijgen. Omdat het systeem zelf ook energie verbruikt zal de netto rendementsverbetering een kleine 5% zijn (bijvoorbeeld van 40% naar 45%).

Meestal drijft de turbine of schroefpomp van een ORC-systeem een generator aan. Maar het is ook mogelijk het opgewekte vermogen via een tandwielkast direct aan de schroefas te leveren. Dan wordt de hoofdmotor minder belast en kan bij nieuwbouw zelfs voor een kleinere hoofdmotor worden gekozen.

Boegschroef
In Nederland rust rederij Doeksen twee nog in aanbouw zijnde LNG-aangedreven catamaran veerboten (70 x 17 meter) uit met op restwarmte draaiende generatoren. De nog in aanbouw zijnde veerboten gaan een lijndienst onderhouden tussen Harlingen en Terschelling en Vlieland.

In elke catamaran komen twee 1492 kW MTU 4000 V16 aardgasmotoren te staan, een in elke romp. Per motor wordt één ORC-generator van Orcan Energy uit München geplaatst door Visedo BV en het daaraan gelieerde Electric Power Conversion uit Heerenveen.

De restwarmte uit de uitlaatgassenstroom van de motoren wordt gebruikt voor het aandrijven van ORC-generatoren die een vermogen krijgen van ongeveer 65 kW elk. De generatoren leveren gelijkstroom, waardoor ze geen vast toerental hoeven aan te houden. Ze leveren stroom aan twee lithium-ion accubanken en via omvormers ook aan het boordnet, dat zo voor 30 tot 50% op restwarmte draait. De beide accubanken worden tijdens de oversteek opgeladen en leveren dan tijdens het aan- en weer afmeren van de veerboten, via omvormers, energie aan twee elektrische boegschroeven met een vermogen van 77 kW elk. ‘Anders zouden daar twee diesel- of gasgeneratoren voor nodig zijn geweest’, zegt directeur Pieter Dijkstra van Electric Power Conversion en Visedo BV. ‘De boegschroeven staan bij het aan- en afmeren steeds maximaal vijf minuten bij. De accubanken kunnen dat aan en zijn uitgelegd op zeven minuten per keer.’

Het door Visedo bedachte systeem levert zowel een energiebesparing als een gewichtsbesparing op. ‘In het ondiepe waddengebied is dat laatste ook van belang’, zegt Dijkstra. ‘De gewichtsbesparing komt overeen met het gewicht van vijf auto’s.’

De veren nemen straks maximaal 600 passagiers en 66 voertuigen mee.

Een bijkomend voordeel is dat de lithium-ion accubanken tijdens de vaart pieken in het stroomverbruik van het hotelbedrijf opvangen. ‘Dat is beter voor de aardgasgeneratoren. Die reageren toch iets minder snel dan dieselgeneratoren.’

Compressor
Het ORC-systeem van Orcan Energy drijft geen turbine aan, maar een schroefcompressor. Met een snelheid van zo’n 3000 toeren per minuut drijft die op de schepen van Doeksen een permanent magneet-generator aan. Omdat voor de veerboten is gekozen voor gelijkstroomgeneratoren, zijn ze bij elk toerental van de hoofdmotoren inzetbaar.

Electric Power Conversion is vorig jaar overgenomen door het Finse Visedo. De naam van Electric Power Conversion veranderde daarmee in Visedo BV.

Meer systemen
Het aantal producenten van met turbines werkende ORC-systemen voor de scheepvaart en industrie is de afgelopen jaren sterk gestegen. Andere producenten zijn Calnetix Technologies en ElectraTherm uit de Verenigde Staten en het Zweedse Opcon Marine.

Het Duitse DeVeTec gebruikt de ORC-cyclus voor een daarmee op restwarmte draaiende stoommachine met 8 tot 16 cilinders, die in een V8-, V12- en V16-versie worden gebouwd met vermogens tot 270 kW.

In Nederland bouwt Green Turbine uit Sprang-Capelle op restwarmte draaiende micro-stoomturbines met vermogens van 1,5 tot 15 kW. Bij dit systeem wordt normaal water in een vacuüm getrokken ruimte verhit, waardoor het al kookt bij 45 graden.

Bron: Schuttevaer