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Vortragsinhalt

· Funktion und Aufbau · Hersteller, Bauformen · Rekuperatorparameter · Besonderheit der Konstruktion · Regelung; Regelbarkeit · Vergleich mit anderen Systemen · Wirkungs- und Nutzungsgrade · Schadstoffemissionen · Nutzung in Kraft-Wärme-Kopplung · Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Herkunft der µTn

· Die Grundlagen für die Entwicklung der µTn kommen aus der Kraftfahrzeugbzw. der Luftfahrtindustrie

Die Form des Verdichters und der Turbine ähneln denen von Abgasturboladern.

Herkunft der µTn

· Die Grundlagen für die Entwicklung der µTn kommen aus der Kraftfahrzeugbzw. der Luftfahrtindustrie

Die Stromerzeugung über einen schnelllaufenden Permanentmagnet-Generator ist dem bei Flugzeughilfsantrieben ähnlich.

Herkunft der µTn

· Die Grundlagen für die Entwicklung der µTn kommen aus der Kraftfahrzeugbzw. der Luftfahrtindustrie

Bei der µT befindet sich diese zusammen auf einer Welle.

Funktionsprinzip (Beispiel Capstone-Turbine)

Die Abgase verlassen die Turbine in Richtung Kamin oder zum Wärmenutzer Vor dem Austritt aus der Turbine geben die Abgase ihre Wärme wiederum an die Verbrennungsluft ab.

Kamin

Die Verbrennungsluft tritt durch den Generator ein und kühlt diesen dabei.

In der Brennkammer wird der Brennstoff hinzugegeben und entzündet.

Im Radialverdichter wird die Luft auf etwa 4 bar verdichtet und im Rekuperator mit den heißen Abgasen vorgewärmt.

Die heißen Gase werden in der Turbine entspannt.

Mikroturbinen-Hersteller

Honeywell Power Systems

(75 kWel)

Mikroturbinen-Hersteller

Capstone

(30 kWel, 60 kWel )

Mikroturbinen-Hersteller

Elliott

(45 kWel, 80 kWel)

Mikroturbinen-Hersteller

ABB/ Volvo (Turbec)

(ca. 100 kWel)

Mikroturbinen-Hersteller

NREC

(70 kWel)

Das elektronische Getriebe

Brennstoff HochgeschwindigkeitsWechselstromgenerator Luft Brennkammer Abgas

G

Verdichter hochfrequenter Wechselstrom AC/DC-Wandler Hochspannungsgleichstrom DC/AC-Wandler Turbine

= =

Akkus

=

Bidirektionaler DC/DC Wandler Eigenstromversorgung

=

Verbraucher

Teillastverhalten von µT mit Drehzahlregelung, Ein- und Zweiwellen-Industriegasturbinen

100%

Relativer Wirkungsgrad

80%

60%

Drehzahlregelung

40%

Zweiwellen-GT, konstante Drehzahl Einwellen-GT, konstante Drehzahl

20% 20%

30%

40%

50%

60% Last

70%

80%

90%

100%

Schaltung von Gasturbinen

Gasturbine ohne Rekuperator Gasturbine mit Rekuperator

(,,nicht rekuperiert") bei Kraftwerks- und Industrieturbinen üblich

(,,rekuperiert")bei Mikroturbinen üblich

Brennkammer

Rekuperator

Brennkammer

Verdichter

Turbine

Verdichter

Turbine

Gasturbine mit Rekuperator

Turbinenwirkungsgrad

(ideal)

Besonderheiten der Technologie

· Elektronisches Getriebe keine Synchronisationseinrichtungen nötig · Inselbetriebsfähigkeit · Geringe Abgasemissionen (NOx < 30 mg/m3) · Geringe Wartungskosten · Geringe Schallemissionen (ca. 65 dB(A)) · Geringes Gewicht, kompakte Bauweise · Abgastemperaturen von etwa 280 °C für KW(K)K nutzbar · Verschiedene Brennstoffe möglich (Erdgas, Flüssiggas, Fackelgas, Klärgas, Kerosin und Heizöl)

Vergleich der Industriegasturbinen mit Mikroturbinen

Industriegasturbinen · · · · · · elektrische Leistung 0,5 - 10 MW Brennkammerdruck 9,0 - 16,0 bar Brennkammertemperatur > 1100°C Abgastemperaturen 450 - 550 °C Lambda-Werte ca. 3,2 - 4,5 mechanisches Getriebe, konstante Drehzahl, Teillast nur durch Brennkammertemperaturabsenkung ansprechende NOx-Emissionen hohe Schallemissionen Start- / Stop - Empfindlichkeit · · · · · · Mikrogasturbinen 30 - 200 kW 3,5 - 4,5 bar < 950 °C ca 250-300 °C nach Rekuperator bis ca. 8,5 "elektronisches Getriebe", Teillast durch Drehzahlregelung sehr niedrige NOx-Emissionen niedrige Schallemissionen bis zu 1.000 Starts im Jahr gewährleistet

· · ·

· · ·

Vergleich von Gasmotoren mit Mikroturbinen

Anlagengröße 30 - 75 kW Mikroturbine Gasmotor

spezifische Investitionskosten KWK-Anlage Wartungskosten Wartungsintervalle el. Wirkungsgrad Primärenergieausnutzung Abwärmetemperaturniveau Kühlwasser erforderlich benötigter Gasvordruck Abmessungen Gewicht NOx - Emissionen Schallemissionen Wertung: o gleich, + Vorteil, ++ großer Vorteil

DM/kWel Pf/kWhel Bh % %

2500 - 3000 1,0 - 1,5 ++ 8000 ++ 26 - 28 73 - 78 hoch + nein +

2500 ­ 3500 3,5 ­ 4,5 2000 28 ­ 31 +

85 ++ niedrig ja 0,03

barü

3,8 rel. klein + rel. gering +

g/MWhBr dB(A) in 1m

55 ++ 65 o

250 65 o

Relative Wirkungsgrade

100% 95% Relativer Wirkungsgrad 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 50% PAFC Capstone-MT Gasmotor Gasturbine

60%

70%

80%

90%

100%

Schadstoffe

Vergleich Emissionen Gasmotor - Gasturbine

Gasmotor Normalbetrieb Gasmotor Magerbetrieb Capstone Mikroturbine

CO Grenzwert Motor

600 500

NOx Grenzwert Motor

[mg/Nm³]

400 300 200 100 0

CO Grenzwert Turbine NOx Grenzwert Turbine

8

CO NOx

6

Wirkungs- und Nutzungsgrade

ISO-Bedingungen (Capstone-Daten)

Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 6 11 16 21 26 31 elektrische Leistung [kW]

Wärme (Abgasaustrittstemperatur 60 °C) Wärme (Abgasaustrittstemperatur 80 °C) Wärme (Abgasaustrittstemperatur 100 °C) elektrisch

Ökosteuergrenze

Absorptionskältemaschine

AKM York WFC 10

Schaltschema KWKK mit Mikroturbine

Technische Daten Absorptions-Kältemaschine

Kälteleistung, Q0 Kaltwassertemperaturen Kaltwasser- Volumenstrom Heizwasserleistung Heizwassertemperaturen Heizwasser-Volumenstrom Kühlleistung, Qc Kühlwassertemperaturen Kühlwasser-Volumenstrom

35 kW +7 / +12,5 °C 1,5 l/s = 5,4 m³/h 50 kW +93 / +87,7 °C 2,25 l/s = 8,1 m³/h 85 kW +26 / +31 °C 4 l/s = 14,5 m³/h

33 kW +7 / +12,3 °C 1,5 l/s = 5,4 m³/h 50 kW +93 / +87,7 °C 2,25 l/s = 8,1 m³/h 83 kW +28 / +32,9 °C 4 l/s = 14,5 m³/h

27 kW +7 / +11,3 °C 1,5 l/s = 5,4 m³/h 50 kW +93 / +87,7 °C 2,25 l/s = 8,1 m³/h 77 kW +30 / +34,6 °C 4 l/s = 14,5 m³/h

Messergebnisse : Wirkungsgrade

Vergleich Elektr. Wirkungsgrad Hersteller / Meßwerte Datenbasis vom 4.10.1999

ETA_el_ISO._Kor. [%] Herstellerangaben [%] Polynomisch (Herstellerangaben [%])

elektr. Wirkungsgrad [%]

30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 0 5 10 15 20 25 30 35 Elektrische Leistung (ISO) [kW]

Messergebnisse : Abgasdaten

Vergleich Hersteller / Meßwerte

Abgastemperatur [°C] Herstellerangaben [kg/h] Herstellerangaben [°C] Polynomisch (Herstellerangaben [kg/h]) Abgasmassenstrom [kg/h] Polynomisch (Herstellerangaben [°C])

300 280

1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 0 5 10 15 20 25 30 35

Abgastemperatur in °C

260 240 220 200 180 160 140 120 100 80

Elektrische Leistung (ISO) in kW

Abgasmassenstrom in kg/h

Fazit: · Eine interessante Technik mit einem großen Anwendungsfeld im kleinen Leistungsbereich · Eine Möglichkeit auch im kleinen Leistungsbereich den Ökosteuervorteil zu nutzen · Auf dem Markt verfügbar · Ein Zwischenschritt zur Brennstoffzellentechnik

Dipl.-Ing. Wolf Schieke

Ginsterweg 1 D- 52428 Jülich Tel. ++49-2461-99-3022 Fax: ++49-2461-99-3288 [email protected]

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