Gasturbiner findes i mange forskellige størrelser. Mens store forbrændingsturbiner synes at få størstedelen af omtalen, hvor Siemens, GE og Mitsubishi Hitachi Power Systems er de mest omtalte, har flere mindre virksomheder fundet nicher på markedet for mikroturbiner. Deres innovative design finder især interesse i de kommercielle og industrielle segmenter.
Når mange mennesker tænker på mikroturbiner, forestiller de sig ofte små enheder, der producerer så lidt som 30 kW strøm. Selv om sådanne enheder er nye, har industrien udviklet sig meget i løbet af det seneste årti, og multipack-enheder kan i dag nå op på op til 30 MW i samlet kapacitet.
Konsulentfirmaet ICF Inc. vedligeholder en database over kraftvarmeanlæg (CHP) for det amerikanske energiministerium. Den anses for at være den mest omfattende kilde til oplysninger om kraftvarmeanlæg i landet. ICF har for nylig rapporteret, at mikroturbiner har indtaget en markedsandel på 25 % af de amerikanske kraftvarmeanlæg på mellem 100 kW og 5 MW i perioden 2013-2017. Det satte en ny rekord.
I henhold til databasen var den samlede installerede kapacitet af kraftvarmesystemer på under 5 MW 2 631,4 MW ved udgangen af 2017. ICF forudser, at den årlige installerede kraftvarmekapacitet i USA vil stige fra 561 MW i 2017 til hele 1 400 MW i 2026. Væksten forventes at blive drevet af mindre kommercielle applikationer, der typisk er kompatible med mikroturbineteknologi.
“I betragtning af de rekordlave gaspriser og deres stabilitet i en overskuelig fremtid udgør udviklingen af kraftvarmeprojekter en attraktiv mulighed med flere indtjeningsstrømme – damp solgt til værter til industrielle processer og elektrisk strøm solgt til nettet”, sagde Siraj Taj, principal og ejer af ST Power Services Consultants, til POWER. “Kommercielle og industrielle forbrugere vurderer den økonomiske levedygtighed af kraftvarmeproduktion bag hegnet for at reducere driftsomkostningerne, forbedre pålideligheden, nå energieffektivitetsmål og reducere deres CO2-fodaftryk”, tilføjede han.
Powering Industrial Processes
For næsten et årti siden rapporterede POWER om væksten i mikroturbineanlæg (se “Microturbine Technology Matures” i november 2010-udgaven). Capstone Turbine Corp. som hævder at være verdens førende udvikler og producent af mikroturbinesystemer til elproduktion, solgte allerede dengang enkeltstående enheder med kapaciteter på op til 1 MW. I dag kan alle Capstones enheder parallelkobles med en kapacitet på op til 30 MW.
For at forstå, hvor disse pakker kan være fordelagtige, kan man se på Felsineo La Mortadella. Virksomheden er en italiensk fødevarevirksomhed, der producerer en fintmalet, varmebehandlet svinekødspølse. Virksomheden blev præsenteret i en casestudie, der blev offentliggjort på Capstones websted.
Felsineo var på udkig efter at opgradere elproduktionssystemet på sit primære produktionsanlæg i Bologna. De ønskede et system, der kunne håndtere en stigning i produktionen af mættet damp til pølsefremstilling.
Selskabet besluttede at installere Capstones naturgasdrevne C1000-mikroturbine (figur 1) sammen med en gaskompressor og en løsning med en dampgenerator efter forbrænding. Felsineo-projektet var Capstones første mikroturbine, der benyttede en løsning med efterforbrændingsdamp, som med succes opfyldte både de elektriske og termiske krav fra anlægget. Den samlede effektivitet i produktionsanlægget blev forbedret med 30 %, hvilket ifølge casestudiet sparede Felsineo omkring 300 000 EUR om året.
1. Capstone Turbine Corp. tilbyder en serie af mikroturbiner fra 30 kW C30-designet (her vist som et udsnit) til 1 MW C1000S-enheden. Med venlig hilsen: Capstone Turbine Corp.
“Capstones nye Signature Series-produktserie gør betydelige fremskridt på markedet for kraftvarmeproduktion, som er specifikt fokuseret på vækst i det vertikale marked for energieffektivitet og fortsat diversificering af Capstones forretning”, sagde Jim Crouse, Capstones executive vice president for salg og marketing, i en nylig pressemeddelelse om vækst på markedet for kraftvarmeproduktion.
Verdens mest effektive lille gasturbine
Aurelia Turbines er en relativ nybegynder på markedet – virksomheden blev etableret i 2013 – men dens teknologi har været under udvikling i årtier. Virksomhedens hovedkontor og produktionsfaciliteter er beliggende i Lappeenranta, Finland. Placeringen er betydningsfuld, fordi Aurelia arbejdede sammen med Lappeenranta University of Technology for at udvikle sin nye gasturbine.
Lappeenranta er ifølge Aurelias administrerende direktør Matti Malkamäki “lidt som et Silicon Valley for højhastighedsteknologi”. I et eksklusivt interview med POWER sagde Malkamäki, at han specifikt etablerede virksomheden i Lappeenranta på grund af “den knowhow”, der fandtes i området. “I de tidlige faser var der fem forskellige professorer fra universitetet og deres respektive forskningshold, i alt mere end 30, der var i gang med at designe turbinen. Uden dem ville dette produkt aldrig have set dagens lys”, sagde han.
Aurelia-gasturbinen anvender det, som virksomheden kalder en IRG2-proces (intercooled and recuperated generator on two spools). Selv om multispoleturbiner og rekuperede/interkølede turbiner findes i andre former, er Aurelias A400-turbine den første af sin art, der udnytter alle disse funktioner i den samme enhed (figur 2).
2. Dette diagram viser IRG2-processen (intercooled and recuperated generator on two spools). De vigtigste komponenter i Aurelia-designet omfatter lavtrykskompressorer (LP) og højtrykskompressorer (HP), turbiner og generatorer. Med venlig hilsen: Aurelia Turbines
Det giver sig udslag i forbedret effektivitet. Aurelia hævder, at det har de mest effektive små gasturbiner i verden baseret på elektrisk effektivitet.
“Vi udfører ikke nogen mirakler her”, forklarede Malkamäki. “Den største forskel for os i forhold til andre gasturbiner af lignende størrelse er simpelthen, at vi har to aksler. Vi har lavtryksakslen og vi har højtryksakslen. Det betyder, at vi har to generatorer. De er begge uden gearkasser, så de er højhastighedsaksler. Og vi har lavtrykskompressoren, hvorefter vi har intercooleren, og det gør resten af konverteringsprocessen meget mere effektiv, da luften så er mere tæt og mere kølig. Så har vi en rekuperator – det er altså en rekupereret turbine – men vi har et lidt højere trykforhold i forbrændingskammeret end alle de andre turbiner af samme størrelse. Det giver os en lille fordel.”
Mens Capstone-designet er velegnet til kraftvarmeanlæg, hvor udstødningsvarmen kan udnyttes til at forbedre den samlede effektivitet, har Aurelia sigtet mod applikationer, hvor elektricitet er den drivende kraft bag beslutningen om at installere en turbine. Aurelia-turbinen kan stadig anvendes i kraftvarmeapplikationer, men afhængigt af de særlige krav på stedet kan der også være behov for en kanalbrænder.
“Vi konkurrerer mere med gasmotorer,” sagde Malkamäki. På det område tilbyder Aurelia større brændstoffleksibilitet og lavere emissioner. “Vi har et meget større vindue for de forskellige brændstoffer. Vi kan udnytte meget magre biogasser, som ikke er egnede til motorer. Det er her, vi ser den første markedsniche for os.”
En anden unik funktion, der er designet i Aurelia-turbinen, er aktive magnetiske lejer. Lejerne kræver ingen olie, hvilket eliminerer risikoen for lækager og reducerer vedligeholdelsen. Designet er ikke nyt. Sulzer, som også har en tilstedeværelse i Lappeenranta, anvender lignende lejer i en del af sit udstyr, f.eks. i højhastighedsturbokompressorer til spildevandsrensningsanlæg og flere andre. Succesen i disse applikationer gav Aurelia tillid til det lejesystem, der anvendes i turbinedesignet.
“I denne branche handler det hele om pålidelighed og om at vise, at man er en troværdig virksomhed”, sagde Malkamäki. Aurelia forsøger at gøre alt, hvad det kan, “for at leve op til kravene”, tilføjede han.
Dertil kommer andre kraftvarmeløsninger
Det britiske Centrax er en anden leverandør af små gasturbineløsninger. I oktober 2017 bestilte det også et projekt i Bologna, Italien. Det anlæg anvender to CX501-KB5 DLE-generatorsæt, der hver leverer op til 3,9 MW elektrisk effekt, og som er tilsluttet industrielle kedler, der har kapacitet til at levere varme til ca. 8.000 husstande i byen. De to pakker drives af Siemens 501-K gasturbiner.
Hera, det multiforsyningsselskab, der ejer anlægget, har investeret mere end 17 millioner euro i projektet, som er placeret på et anlæg, der har været i drift siden 1990’erne. Ifølge selskabet var drivkraften bag opgraderingen at øge energieffektiviteten og den miljømæssige bæredygtighed. En del af det gamle anlæg blev revet ned i maj 2015, og kraftværket begyndte at forsyne fjernvarmenettet i løbet af mindre end 18 måneder.
“501-KB5 DLE-generatorsættene er velegnede til dette projekt og giver Hera en kompakt, men kraftfuld løsning, der giver en fremragende fleksibilitet, når der er behov for varme og strøm,” sagde Chris Dumont, executive manager for salg og marketing hos Centrax, i en pressemeddelelse, der annoncerede åbningen af anlægget. “Takket være ny teknologi er Hera i stand til at styre anlæggene fra et fjerncenter, hvilket giver minimale personalekrav på stedet.”
OPRA Turbines, et hollandsk baseret koncernselskab under Dalian Energas, tilbyder endnu en lille gasturbinepakke. Dens OP16-gasturbine har et helt radialt design. Den siges at være unik, fordi dens avancerede forbrændingssystemer giver mulighed for at håndtere en bred vifte af flydende og gasformige brændstoffer. OP16’s moderate trykforhold gør det muligt at operere med lavt tryk på brændselsgassen, og den kan udstyres med lavemissions- eller lav-Btu-brændselsbrændselsbrændselsbrændere. Ifølge virksomheden kan dens unikke forbrændingsteknologi forvandle snavset brændselsgas, der ellers ville blive brændt op, udluftet eller simpelthen spildt, til “grøn strøm og ren udstødningsgas.”
Et eksempel på OPRA’s løsning i praksis kan findes på et produktionsanlæg for gipsplader fra Siniat i Nederlandene. Siniats proces krævede en kontinuerlig forsyning af 5,8 MWth og 1,8 MWe. Efter at have undersøgt sine muligheder besluttede virksomheden at bruge OP16-gasturbinen i ø-tilstand. Udstødningsgasser, der forlader turbinen ved 575 °C, ledes direkte til tørre- og kalcineringsprocesserne. Som følge heraf er anlæggets samlede elektriske og termiske effektivitet på over 85 %. Udstødningsgasserne indeholder 15 % O 2 , hvilket gør det nemt at efterbrænde dem ved indgangen til tørretumblerne, hvis der er behov for yderligere termisk effekt. Desuden blev anlægget installeret på kun to uger i samme område som en ældre, tidligere eksisterende radialgasturbine. ■
-Aaron Larson er POWER’s executive editor.