Kleine, kostengünstige, hocheffiziente Gasturbinen bieten der Versorgungsindustrie eine Technologie der vierten Generation, die zahlreiche Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten bietet. Dazu gehören die sichere Stromversorgung von abgelegenen Gemeinden, Gewerbe- und Industriegebieten, Spitzenlastausgleich für Versorgungssysteme zur Senkung der zusätzlichen Kosten für zusätzliche Lasten, Spitzenlastausgleich für große Gewerbe- und Industriebetriebe zur Senkung der Stromverbrauchsgebühren sowie Notstromversorgung und unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV).
Erfolgsbilanz der Turbinen
Es ist wichtig zu wissen, dass kleine Gasturbinengeneratoren keine neue Technologie sind, sondern für die Stromversorgungsbranche auf der Grundlage von Technologien entwickelt werden, die auf mehr als 25 Jahren Erfahrung beruhen. Die in diesem Artikel beschriebenen Generatoren werden von International Power and Light in Zusammenarbeit mit Allison Engine Co. (ein Geschäftsbereich von Rolls Royce plc) und General Electric Co. Allison wird die Turbinengeneratoren entwickeln, General Electric wird die Steuerung und den Wechselrichter entwerfen und für die Konstruktion der Anlage, die Installation und die Wartung vor Ort verantwortlich sein.
Kleine Gasturbinenmotoren wurden von Allison in den 60er Jahren zunächst für den Bodentransport entwickelt. Der erste große Feldversuch begann 1971 mit dem Einbau von Allison GT404-Turbinenmotoren in sechs Greyhound-Bussen. Die 310-PS-Turbinenmotoren wurden als zweistufig beschrieben und verfügten über ein Zweifach-Regeneratorsystem, das die Wärme aus dem Gasweg zurückführte, um die einströmende Luft vorzuwärmen, während die Abgase auf höchstens 500 bis 600 Grad Celsius gekühlt wurden. Das Aggregat benötigte kein Wasserkühlsystem, hatte nur halb so viele bewegliche Teile wie ein Dieselmotor und eine Lebensdauer von mehr als 500.000 Meilen zwischen den Überholungen.
Bis 1978 hatten diese sechs Testbusse mehr als 1 Million Meilen zurückgelegt, und der Turbinenmotor wurde vom Greyhound-Management als technischer Durchbruch für den Überlandbusverkehr angesehen.1
1976 begann Allison mit der Entwicklung eines von der GT 404-Turbine angetriebenen Generators, der das Radargerät und die Einsatzleitstation des Patriot-Raketensystems der US-Armee mit Strom versorgen sollte. Zu den Hauptzielen dieses Programms gehörte die Unterbringung von zwei 150-kW-Generatorsätzen, die eine 100-prozentige Unterstützung boten, in einem einzigen Container, der auf einem 5-Tonnen-LKW der Armee transportiert werden konnte. Weitere Ziele waren die Minimierung des Kraftstoffverbrauchs durch den Einsatz von zwei rotierenden Keramikscheiben-Regeneratoren und die Entwicklung einer zuverlässigen Mehrstoffanlage ohne Nachjustierung. 1978 begann Allison mit dem Entwurf, der Entwicklung und dem Bau von fünf turbinenbetriebenen Generatorsätzen nach militärischen Spezifikationen für Feldtests. Die fertigen Generatorsätze wurden in Aberdeen, Belvoir, Elgin und White Sands mit folgenden Ergebnissen getestet:
z Der Kraftstoffverbrauch wurde im Vergleich zu früheren Generatoren von 48 auf 16 Gallonen pro Stunde gesenkt.
z Eine Frequenzstabilität von 0,1 Prozent bei Nennlast wurde erreicht.
z Der Start mit freier Welle bis zu minus 50 Grad Celsius wurde ohne Heizelemente erreicht.
z Die Mehrstofffähigkeit wurde mit Diesel, JP und Benzin demonstriert.
z Alle Zuverlässigkeitsanforderungen wurden erfüllt.
z Schallpegelstandards von weniger als 90 dBA wurden erfüllt.
Im Dezember 1981 lieferte Allison eine erste Bestellung von 200 Generatorsätzen an die US-Armee. Bis heute wurden mehr als 2.000 solcher Generatoren für das Patriot-System geliefert, das während des Golfkriegs eingesetzt wurde. Diese Generatoren haben mehr als 1 Million Betriebsstunden ohne größere Probleme absolviert.2
Micro-Turbine features
Die Turbine hat eine einzige rotierende Welle, wobei Generator, Luftkompressor und Turbine auf Luftlagern montiert sind, so dass keine Schmierung erforderlich ist. Das Kraftwerk ist luftgekühlt, wobei die Luft zur Kühlung des Generators über einen Einlass zugeführt wird. Die Luft wird dann verdichtet, bevor sie durch den Regenerator in die Brennkammer geleitet wird. Der Regenerator ist eine keramische Scheibe, die sich langsam vor dem Auspuff und dem Einlass zur Brennkammer dreht. Die Scheibe wird durch das heiße Abgas erhitzt, wodurch sich die Temperatur der komprimierten Einlassluft erhöht, was die Kraftstoffeffizienz weiter verbessert. Die Wellendrehzahl beträgt ca. 80.000 U/min, wobei der Generator hochfrequenten Wechselstrom liefert. Die installierte Leistungselektronik wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, wobei ein Gleichstrom-Wechselrichter entweder 480 V, dreiphasig, 60 Hz oder 230/400 V, dreiphasig, 50 Hz liefert.
Die geringe Größe und das geringe Gewicht der in Tabelle 1 dargestellten Gasturbinengeneratoren ermöglichen es einem Versorgungsunternehmen, solche Einheiten an fast jedem beliebigen Standort zu installieren. Alle Einheiten, die gewartet oder repariert werden müssen, können am Erzeugungsort ausgetauscht und in eine zentrale Werkstatt gebracht werden; selbst die 250-kW-Einheit kann in einem Pickup transportiert werden. Zum Vergleich sind die Abmessungen und Gewichte typischer 50- und 250-kW-Dieselaggregate in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 2 enthält für diese Anlagentypen geschätzte Anschaffungs- und Installationskosten pro kW. Darüber hinaus ist der Betrieb einfach, da die Anlagen von einer zentralen Betriebszentrale aus über eine beliebige Zwei-Wege-Kommunikationsverbindung gesteuert werden können, oder sie können vor Ort überwacht und gesteuert werden. Niedrige Wartungs- und Instandhaltungskosten – weniger als 0,005 $ pro kWh, was eine Generalüberholung alle 30.000 Stunden oder etwa alle drei bis vier Jahre einschließt – sind weitere Merkmale von Mikroturbinenkraftwerken.
Anwendungsbereiche
Es wurden zwei Fallstudien für diese Technologie entwickelt. Fall 1 basiert auf einer 250-kW-Last mit sechs 50-kW-Generatoren und Fall 2 basiert auf einer 750-kW-Last mit vier 250-kW-Generatoren. In beiden Fällen liegen die jährlichen Lastfaktoren bei 52 und 100 Prozent. Die geschätzten jährlichen Kosten und die Kosten pro kWh sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Fester Strom zu weniger als 5 Cent pro kWh aus mit Erdgas betriebenen Mehrfachaggregaten ist offensichtlich wettbewerbsfähig mit dem meisten Strom aus zentralen Stromerzeugungsanlagen, der über herkömmliche Übertragungs- und Verteilungseinrichtungen geliefert wird. Die Stromkosten für die vorgenannten Fälle steigen auf etwas mehr als 0,09 $/kWh, wobei Dieselkraftstoff mit 0,85 $/Gallone in vielen Gebieten immer noch wettbewerbsfähig ist.
Der Wirkungsgrad von kleinen Gasturbinen, die nur festen Strom liefern, nähert sich 30 %. Dieser Wirkungsgrad kann im Rahmen eines Kraft-Wärme-Kopplungsprojekts auf 75 % gesteigert werden, indem die Abwärme für die Warmwasserbereitung, Absorptionskälte oder Kühlung, Raumheizung und industrielle Verarbeitung genutzt wird. Als KWK-Anwendung kann das Projekt auch mit teureren Brennstoffen wie Diesel wirtschaftlich machbar sein.
Kleine Gasturbinengeneratoren ermöglichen es den Versorgungsunternehmen, Spitzenlasten wirtschaftlich abzufangen und gleichzeitig Kapazitäten für Notfälle bereitzustellen. Dadurch kann die Effizienz des Gesamtsystems gesteigert werden, was zu einer Verringerung der Investitionen in traditionelle Erzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungsanlagen führt. Die Spitzenlastreduzierung ermöglicht es einem Versorgungsunternehmen auch, ein zusätzliches Lastwachstum in Gebieten zu bedienen, in denen die Kapazität von Umspannwerken und/oder Verteilerleitungen knapp ist. Das Beispiel in Tabelle 4 enthält eine Schätzung der jährlichen Kosten für die Installation eines 250-kW-Turbinengenerators und die Bereitstellung von Brennstoff und Wartung für den täglichen dreistündigen Betrieb der Einheit.
Diese Kosten können mit denen des nachfrageseitigen Managements (DSM) verglichen werden. Die jährlichen Kosten eines großen Versorgungsunternehmens im Nordosten für die Installation und den Betrieb eines DSM-Systems zur Steuerung von Warmwasserbereitern, Klimaanlagen und Raumheizung sind in Tabelle 5 zusammengefasst und mit den Kosten einer Gasturbine für die Spitzenlastreduzierung verglichen.3
Kleinturbinen können Spitzenlastreduzierung für 30 bis 50 Prozent der Kosten von DSM bieten und Probleme im Zusammenhang mit der Steuerung von Kundengeräten beseitigen. Außerdem können kleine Generatoren in der Nähe von Lastzentren auch Notstrom liefern. Die Versorgungsunternehmen müssen die tatsächlichen Auswirkungen des Spitzenausgleichs mit dezentraler Erzeugung auf den Systembetrieb untersuchen. Die potenziellen Einsparungen sind jedoch sicherlich ausreichend, um eine eingehende Untersuchung zu rechtfertigen.
Überlegungen zum Kunden
Jeder Energieversorger erhebt Gebühren für seine großen Gewerbe- und Industriekunden. Kleine Turbinengeneratoren können von oder für diese Kunden eingesetzt werden, um die Verbrauchsgebühren zu senken. Tabelle 6 zeigt die Kosten für einen Kunden mit einer Spitzenlast von 250 kW bei zwei verschiedenen Leistungsentgelten. Kleine Gasturbinenkraftwerke sind aufgrund ihrer geringen Anschaffungskosten, ihres minimalen Wartungsbedarfs und ihrer hohen Zuverlässigkeit die ideale Wahl für USV und Notstromversorgung. Die Kraftwerke können als einzelne Generatoren installiert oder in mehreren Baugruppen angeordnet werden, um die von den Verbrauchern benötigte Leistung bereitzustellen.
Bei der Verwendung als Notstromaggregat kann eine kleine Turbinenanlage an Verteilerkreise angeschlossen werden, um Notstromverbraucher zu versorgen, wie z. B. Operationssäle in Krankenhäusern, Einrichtungen für die Intensivpflege, Notbeleuchtung, Kommunikationseinrichtungen, Kühl- und Gefrierschränke, Aufzüge, Sicherheitssysteme und Registrierkassen. Die elektronische Steuerung des Kraftwerks überwacht ständig die von der Hauptstromquelle gelieferte Leistung.
Wenn die Leistung unterbrochen wird, veranlasst die Steuerung, dass die sekundären Stromkreise von der Hauptstromquelle getrennt und an das Kraftwerk angeschlossen werden. Das Kraftwerk wird über die Systembatterie gestartet und versorgt die Sekundärkreise mit Strom, bis die zentrale Stromversorgung wiederhergestellt ist. z
Autor:
Walter G. Scott, P.E., erhielt seinen Bachelor of Science und Master of Science in Elektrotechnik von der University of Arizona. Er ist Seniormitglied des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Mitglied der National Society of Professional Engineers und eingetragener Ingenieur in Arizona, Michigan, Missouri und Ohio. Dieses Papier wurde ursprünglich auf der IEEE Rural Electric Conference 1997 vom 20. bis 22. April in Minneapolis, Minn, vorgestellt.
1 R. Rose, „Heavy-Duty Gas Turbine Upgrading and Commercialization: Gas Turbine Transit Bus Demonstration Program“, Symposium on Automotive Propulsion Systems, Dearborn, Michigan, Oktober 1980.
2 S.C. Laux, Allison Gas Turbine Division & R.N. Ware, U.S. Army, „Application of a Vehicular Designed, Heavy-Duty Gas Turbine Engine to a Military Generator Set“, Paper 85-GT-125, Association of Mechanical Engineers Gas Turbine Expo, Houston, Texas, March 18-21,1985.
3 H. Lee Willis und Rackliffe, G.B., „Introduction to Integrated Resource T&D Planning“, veröffentlicht von ABB Power T&D Co, 1984.
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Kleine Regenerativ-Turbinenmotoren wurden von der Allison Engine Co. in den 1960er Jahren zunächst für Anwendungen im Landverkehr entwickelt. Heute arbeitet das Unternehmen mit International Power und General Electric zusammen, um Gasturbinen mit 50 und 250 kW für die Stromerzeugung zu entwickeln. Auf dem Bild sind Don Frazier (links), stellvertretender Projektleiter bei Allison, und Duyane Parsons (rechts), Werkstattleiter, mit einem Gasturbinenmotor der 40-kW-Klasse für Kraftfahrzeuge zu sehen.
