Plynové turbíny se vyrábějí v různých velikostech. Ačkoli se zdá, že největší publicitu získávají velké spalovací turbíny, o které se nejvíce zajímají společnosti jako Siemens, GE a Mitsubishi Hitachi Power Systems, několik menších společností objevilo mezery na trhu mikroturbín. Jejich inovativní konstrukce se těší zájmu zejména v komerčním a průmyslovém segmentu.
Když si mnoho lidí představí mikroturbíny, často si představí malé jednotky o výkonu pouhých 30 kW. Takové jednotky jsou sice novinkou, ale toto odvětví se za posledních deset let značně vyvinulo a multipack jednotky mohou v dnešní době dosahovat celkového výkonu až 30 MW.
Konzultační firma ICF Inc. vede pro americké ministerstvo energetiky databázi instalací kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP). Je považována za nejobsáhlejší zdroj informací o instalacích kogenerace v zemi. Společnost ICF nedávno uvedla, že mikroturbíny získaly v období 2013-2017 25% podíl na amerických instalacích kogenerace v rozmezí 100 kW až 5 MW. To představuje nový rekord.
Podle databáze činil celkový instalovaný výkon kogeneračních systémů s výkonem nižším než 5 MW na konci roku 2017 2 631,4 MW. ICF předpovídá, že roční kapacita instalací kogenerace v USA vzroste z 561 MW v roce 2017 až na 1 400 MW v roce 2026. Očekává se, že tento růst bude tažen menšími komerčními aplikacemi, které jsou obvykle kompatibilní s mikroturbinovou technologií.
„Vzhledem k rekordně nízkým cenám plynu a jeho stabilitě v dohledné budoucnosti představuje rozvoj kogeneračních projektů atraktivní příležitost s více toky příjmů – pára prodávaná hostitelům pro průmyslové procesy a elektrická energie prodávaná do sítě,“ řekl pro POWER Siraj Taj, ředitel a majitel společnosti ST Power Services Consultants. „Komerční a průmysloví odběratelé posuzují ekonomickou životaschopnost kogenerace za plotem, aby snížili provozní náklady, zvýšili spolehlivost, dosáhli cílů v oblasti energetické účinnosti a snížili svou uhlíkovou stopu,“ dodal.“
Powering Industrial Processes
Před téměř deseti lety POWER informoval o růstu mikroturbínových systémů (viz „Microturbine Technology Matures“ ve vydání z listopadu 2010). Společnost Capstone Turbine Corp., která o sobě tvrdí, že je předním světovým vývojářem a výrobcem mikroturbín, již tehdy prodávala jednotlivé jednotky s výkonem do 1 MW. Dnes mohou být všechny jednotky společnosti Capstone paralelní až do výkonu 30 MW.
Chcete-li pochopit, v čem mohou být tyto balíčky výhodné, vezměte v úvahu Felsineo La Mortadella. Tato společnost je italským zpracovatelem potravin, který vyrábí jemně mletou, tepelně upravenou vepřovou klobásu. Byla uvedena v případové studii zveřejněné na webových stránkách společnosti Capstone.
Felsineo chtěla modernizovat systém výroby energie ve svém hlavním výrobním závodě v Bologni. Chtěla takový, který by zvládl zvýšení výroby syté páry pro výrobu uzenin.
Společnost se rozhodla instalovat mikroturbínu C1000 společnosti Capstone na zemní plyn (obr. 1) spolu s plynovým kompresorem a řešením generátoru páry s následným spalováním. Projekt Felsineo byl první mikroturbínou společnosti Capstone využívající řešení páry po spalování, které úspěšně uspokojilo jak elektrické, tak tepelné požadavky zařízení. Celková účinnost výrobního závodu se zvýšila o 30 %, čímž společnost Felsineo podle případové studie ušetřila přibližně 300 000 eur ročně.
1. Společnost Capstone Turbine Corp. nabízí řadu mikroturbín od 30kW konstrukce C30 (na obrázku výřez) až po 1MW jednotku C1000S. S laskavým svolením:
„Nová produktová řada Signature Series společnosti Capstone dosahuje významného pokroku na trhu kogenerace, který je konkrétně zaměřen na růst tržní vertikály energetické účinnosti a na další diverzifikaci podnikání společnosti Capstone,“ uvedl Jim Crouse, výkonný viceprezident společnosti Capstone pro prodej a marketing, v nedávné tiskové zprávě o růstu na trhu kogenerace.
Nejúčinnější malá plynová turbína na světě
Aurelia Turbines je na trhu relativním nováčkem – společnost byla založena v roce 2013, ale její technologie se vyvíjí již desítky let. Hlavní kancelář a výrobní závody společnosti se nacházejí ve finské Lappeenrantě. Toto umístění je významné, protože společnost Aurelia při vývoji své nové plynové turbíny spolupracovala s Lappeenrantskou technickou univerzitou.
Podle generálního ředitele společnosti Aurelia Mattiho Malkamäkiho je Lappeenranta „něco jako Silicon Valley pro vysokorychlostní technologie“. V exkluzivním rozhovoru pro POWER Malkamäki uvedl, že společnost založil právě v Lappeenrantě kvůli „know-how“, které v této oblasti existuje. „V počátečních fázích se na návrhu turbíny podílelo pět různých profesorů z univerzity a jejich výzkumné týmy, dohromady více než 30 lidí. Bez nich by tento výrobek nikdy nespatřil denní světlo,“ řekl.“
Plynová turbína Aurelia využívá proces, který společnost nazývá IRG2 (intercooled and recuperated generator on two spools). Ačkoli vícespirálové turbíny a rekuperované/intercooled turbíny existují i v jiných formách, turbína Aurelia A400 je první svého druhu, která využívá všechny tyto funkce v jedné jednotce (obr. 2).
2. Toto schéma ukazuje proces IRG2 (intercooled and recuperated generator on two spools). Mezi hlavní součásti konstrukce Aurelia patří nízkotlaké (LP) a vysokotlaké (HP) kompresory, turbíny a generátory. S laskavým svolením: Aurelia Turbines
Výplatou je vyšší účinnost. Společnost Aurelia tvrdí, že má nejúčinnější malé plynové turbíny na světě na základě elektrické účinnosti.
„Neděláme tu žádné zázraky,“ vysvětlil Malkamäki. „Největší rozdíl oproti jiným plynovým turbínám podobné velikosti vidíme jednoduše v tom, že máme dvě hřídele. Máme nízkotlakou hřídel a máme vysokotlakou hřídel. To znamená, že máme dva generátory. Oba jsou bez převodovek, takže se jedná o vysokorychlostní hřídele. A máme nízkotlaký kompresor, za kterým máme mezichladič, a díky tomu je zbytek procesu přeměny mnohem účinnější, protože vzduch je pak hustší a chladnější. Pak máme rekuperátor – takže se jedná o rekuperovanou turbínu – ale máme o něco vyšší tlakový poměr ve spalovací komoře než všechny ostatní turbíny podobné velikosti. To nám přináší určitou výhodu.“
Zatímco konstrukce Capstone je vhodná pro kogenerační zařízení, kde lze využít teplo ze spalin ke zvýšení celkové účinnosti, společnost Aurelia se zaměřila na aplikace, kde je hnací silou rozhodnutí o instalaci turbíny elektřina. Turbína Aurelia může být stále použita v aplikacích kogenerace, ale v závislosti na konkrétních požadavcích místa může být zapotřebí také kanálový hořák.
„Konkurujeme spíše plynovým motorům,“ řekl Malkamäki. V této oblasti nabízí Aurelia větší flexibilitu paliva a nižší emise. „Máme mnohem větší okno pro různá paliva. Můžeme využívat velmi chudé bioplyny, které nejsou vhodné pro motory. V tom vidíme první mezeru na trhu.“
Dalším unikátním prvkem navrženým v turbíně Aurelia jsou aktivní magnetická ložiska. Ložiska nevyžadují žádný olej, což eliminuje možnost úniku oleje a snižuje nároky na údržbu. Tato konstrukce není nová. Společnost Sulzer, která má rovněž zastoupení v Lappeenrantě, používá podobná ložiska v některých svých zařízeních, například ve vysokorychlostních turbokompresorech pro čistírny odpadních vod a několika dalších. Úspěch v těchto aplikacích dodal společnosti Aurelia důvěru v ložiskový systém použitý v rámci konstrukce turbíny.
„V tomto oboru jde především o spolehlivost a o to, abyste ukázali, že jste důvěryhodná společnost,“ řekl Malkamäki. Dodal, že společnost Aurelia se snaží dělat vše, co je v jejích silách, „aby to dokázala“.
Další kogenerační řešení
Dalším dodavatelem řešení pro malé plynové turbíny je britská společnost Centrax. V říjnu 2017 uvedla do provozu projekt také v italské Bologni. Toto zařízení využívá dvě generátorová soustrojí CX501-KB5 DLE, z nichž každé poskytuje až 3,9 MW elektrického výkonu, připojená k průmyslovým kotlům, které mají kapacitu pro vytápění přibližně 8 000 domácností ve městě. Oba agregáty jsou poháněny plynovými turbínami Siemens 501-K.
Hera, společnost zabývající se poskytováním více služeb, která zařízení vlastní, investovala do projektu, který je umístěn v závodě fungujícím od 90. let minulého století, více než 17 milionů eur. Podnětem k modernizaci bylo podle společnosti zvýšení energetické účinnosti a ekologické udržitelnosti. Část staré elektrárny byla zbourána v květnu 2015 a elektrárna začala dodávat energii do sítě dálkového vytápění za necelých 18 měsíců.
„Generátorové soupravy 501-KB5 DLE jsou pro tento projekt velmi vhodné a poskytují společnosti Hera kompaktní a přitom výkonné řešení, které umožňuje vynikající flexibilitu podle potřeby tepla a energie,“ uvedl v tiskové zprávě oznamující otevření elektrárny Chris Dumont, výkonný manažer pro prodej a marketing společnosti Centrax. „Díky nové technologii je společnost Hera schopna řídit zařízení ze vzdáleného centra, což umožňuje minimální nároky na personál v místě.“
OPRA Turbines, nizozemská společnost ze skupiny Dalian Energas, nabízí další balíček malých plynových turbín. Její plynová turbína OP16 má celoradiální konstrukci. Je prý jedinečná, protože její pokročilé spalovací systémy nabízejí možnost zpracovávat širokou škálu kapalných a plynných paliv. Střední tlakový poměr turbíny OP16 umožňuje provoz s nízkým tlakem palivového plynu a může být vybavena nízkoemisními spalovacími zařízeními nebo spalovacími zařízeními s nízkým obsahem paliva. Podle společnosti dokáže její jedinečná technologie spalování přeměnit znečištěný palivový plyn, který by jinak byl spálen, vypuštěn nebo jednoduše vyplýtván, na „zelenou energii a čisté spaliny“.
Jeden příklad řešení OPRA v praxi lze nalézt v závodě na výrobu sádrokartonových desek Siniat v Nizozemsku. Proces společnosti Siniat vyžadoval nepřetržitou dodávku 5,8 MWth a 1,8 MWe. Po prostudování možností se společnost rozhodla použít plynovou turbínu OP16 v ostrovním režimu. Výfukové plyny opouštějící turbínu při teplotě 575C jsou vedeny přímo do sušáren a kalcinátorů. Díky tomu celková elektrická a tepelná účinnost elektrárny přesahuje 85 %. Výfukové plyny obsahují 15 % O 2, což umožňuje snadné dodatečné spalování na vstupech do sušáren, pokud je zapotřebí další tepelný výkon. Jednotka byla navíc instalována za pouhé dva týdny na stejném místě jako starší, dříve existující radiální plynová turbína. ■
-Aaron Larson je výkonným redaktorem časopisu POWER.