VDI Vortrag Ausdruck 09.00 -...

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 Kraftfahrzeug-bzw. 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 Kraftfahrzeug-bzw. 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 Kraftfahrzeug-bzw. der Luftfahrtindustrie

Bei der µT befindet sich diese zusammen auf einer Welle.

Funktionsprinzip (Beispiel Capstone-Turbine)

und im Rekuperator mit den heißen Abgasen vorgewärmt.

Die heißen Gase werden in der Turbine entspannt.

Vor dem Austritt aus der Turbine geben die Abgase ihre Wärme wiederum an die Verbrennungsluft ab.Kamin

Die Abgase verlassen die Turbine in

Richtung Kamin oder zum Wärmenutzer

In der Brennkammer wird der Brennstoff hinzugegeben und entzündet.

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

Im Radialverdichter wird die Luft auf etwa 4 bar verdichtet

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

G

=

=

==

Luft

BrennstoffBrenn-

kammerAbgas

Verdichter Turbine

Hochgeschwindigkeits-Wechselstromgenerator

AC/DC-Wandler DC/AC-Wandler

BidirektionalerDC/DC Wandler

AkkusEigenstrom-versorgung

Verbraucher

hochfrequenterWechselstrom

Hochspannungs-gleichstrom

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

20%

40%

60%

80%

100%

20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Last

Rel

ativ

erW

irku

ng

sgra

d

Drehzahlregelung

Zweiwellen-GT, konstante Drehzahl

Einwellen-GT, konstante Drehzahl

Schaltung von Gasturbinen

Gasturbine ohne Rekuperator(„nicht rekuperiert“) bei Kraftwerks- und Industrieturbinen üblich

Gasturbine mit Rekuperator(„rekuperiert“)bei Mikroturbinen üblich

Verdichter VerdichterTurbine Turbine

Brennkammer

Brennkammer

Rekuperator

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)

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 der Industriegasturbinen mit Mikroturbinen

Vergleich von Gasmotoren mit Mikroturbinen

Anlagengröße 30 - 75 kW Mikroturbine Gasmotor

spezifische Investitionskosten KWK-Anlage DM/kWel 2500 - 3000 2500 – 3500

Wartungskosten Pf/kWhel 1,0 - 1,5 ++ 3,5 – 4,5

Wartungsintervalle Bh 8000 ++ 2000

el. Wirkungsgrad % 26 - 28 28 – 31 +

Primärenergieausnutzung % 73 - 78 85 ++

Abwärmetemperaturniveau hoch + niedrig

Kühlwasser erforderlich nein + ja

benötigter Gasvordruck barü 3,8 0,03

Abmessungen rel. klein +

Gewicht rel. gering +

NOx - Emissionen g/MWhBr 55 ++ 250

Schallemissionen dB(A) in 1m 65 o 65 o

Wertung: o gleich, + Vorteil, ++ großer Vorteil

Relative Wirkungsgrade

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

50% 60% 70% 80% 90% 100%

Rel

ativ

erW

irku

ng

sgra

d

PAFCCapstone-MTGasmotorGasturbine

Schadstoffe

8 60

100

200

300

400

500

600

CO NOx

[mg

/Nm

³]Gasmotor Normalbetrieb Gasmotor Magerbetrieb Capstone Mikroturbine

Vergleich Emissionen Gasmotor - Gasturbine

NOx Grenzwert Motor

CO Grenzwert Motor

CO Grenzwert Turbine

NOx Grenzwert Turbine

ISO-Bedingungen (Capstone-Daten)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 6 11 16 21 26 31

elektrische Leistung [kW]

Wir

kun

gs-

bzw

.Nu

tzu

ng

sgra

d[%

]

Wärme (Abgasaustrittstemperatur 60 °C)

Wärme (Abgasaustrittstemperatur 80 °C)

Wärme (Abgasaustrittstemperatur 100 °C)

elektrisch

Wirkungs- und Nutzungsgrade

Ökosteuergrenze

Absorptionskältemaschine

AKM York WFC 10

Schaltschema KWKK mit Mikroturbine

Technische Daten Absorptions-Kältemaschine

Kälteleistung, Q0 35 kW 33 kW 27 kW

Kaltwassertemperaturen +7 / +12,5 °C +7 / +12,3 °C +7 / +11,3 °C

Kaltwasser- Volumenstrom 1,5 l/s = 5,4 m³/h 1,5 l/s = 5,4 m³/h 1,5 l/s = 5,4 m³/h

Heizwasserleistung 50 kW 50 kW 50 kW

Heizwassertemperaturen +93 / +87,7 °C +93 / +87,7 °C +93 / +87,7 °C

Heizwasser-Volumenstrom 2,25 l/s = 8,1 m³/h 2,25 l/s = 8,1 m³/h 2,25 l/s = 8,1 m³/h

Kühlleistung, Qc 85 kW 83 kW 77 kW

Kühlwassertemperaturen +26 / +31 °C +28 / +32,9 °C +30 / +34,6 °C

Kühlwasser-Volumenstrom 4 l/s = 14,5 m³/h 4 l/s = 14,5 m³/h 4 l/s = 14,5 m³/h

Messergebnisse : Wirkungsgrade

Vergleich Elektr. Wirkungsgrad Hersteller / MeßwerteDatenbasis vom 4.10.1999

1012141618202224262830

0 5 10 15 20 25 30 35

Elektrische Leistung (ISO) [kW]

elek

tr.W

irku

ng

sgra

d[%

]

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

Messergebnisse : Abgasdaten

Vergleich Hersteller / Meßwerte

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

0 5 10 15 20 25 30 35

Elektrische Leistung (ISO) in kW

Ab

gas

tem

per

atu

rin

°C

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Ab

gas

mas

sen

stro

min

kg/h

Abgastemperatur [°C] Herstellerangaben [°C] Abgasmassenstrom [kg/h]

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

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

Ginsterweg 1D- 52428 Jülich

Tel. ++49-2461-99-3022Fax: ++49-2461-99-3288

Schieke@Umwelt.FH-Aachen.de

Dipl.-Ing. Wolf Schieke