Gasturbinen gibt es in verschiedenen Größen. Während die großen Verbrennungsturbinen die meiste Aufmerksamkeit auf sich ziehen und Siemens, GE und Mitsubishi Hitachi Power Systems den meisten Lärm machen, haben mehrere kleinere Unternehmen Nischen auf dem Markt für Mikroturbinen entdeckt. Ihre innovativen Entwürfe finden insbesondere im kommerziellen und industriellen Segment Interesse.
Wenn viele Menschen an Mikroturbinen denken, stellen sie sich oft kleine Einheiten vor, die nicht mehr als 30 kW Leistung erzeugen. Solche Anlagen sind zwar neu, aber die Branche hat sich in den letzten zehn Jahren stark weiterentwickelt, und Multipack-Anlagen können heute eine Gesamtleistung von bis zu 30 MW erreichen.
Das Beratungsunternehmen ICF Inc. unterhält für das US-Energieministerium eine Datenbank für Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK). Sie gilt als die umfassendste Informationsquelle für KWK-Anlagen im Land. ICF berichtete kürzlich, dass Mikrogasturbinen im Zeitraum 2013-2017 einen Marktanteil von 25 % an den KWK-Installationen in den USA im Bereich von 100 kW bis 5 MW erreicht haben. Das ist ein neuer Rekord.
Der Datenbank zufolge betrug die gesamte installierte Leistung von KWK-Anlagen unter 5 MW Ende 2017 2.631,4 MW. ICF prognostiziert, dass die jährliche KWK-Leistung in den USA von 561 MW im Jahr 2017 auf bis zu 1.400 MW im Jahr 2026 ansteigen wird. Es wird erwartet, dass das Wachstum von kleineren kommerziellen Anwendungen angetrieben wird, die typischerweise mit der Mikroturbinentechnologie kompatibel sind.
„In Anbetracht der rekordverdächtig niedrigen Gaspreise und ihrer Stabilität für die absehbare Zukunft stellt die Entwicklung von KWK-Projekten eine attraktive Gelegenheit mit mehreren Einnahmeströmen dar – dem Verkauf von Dampf an Gastgeber für industrielle Prozesse und dem Verkauf von Strom an das Netz“, sagte Siraj Taj, Direktor und Eigentümer von ST Power Services Consultants, gegenüber POWER. „Gewerbliche und industrielle Verbraucher prüfen die Wirtschaftlichkeit der Kraft-Wärme-Kopplung hinter dem Zaun, um die Betriebskosten zu senken, die Zuverlässigkeit zu verbessern, die Ziele der Energieeffizienz zu erreichen und ihren CO2-Fußabdruck zu verringern“, fügte er hinzu.
Strom für industrielle Prozesse
Vor fast einem Jahrzehnt berichtete POWER über das Wachstum von Mikrogasturbinen-Systemen (siehe „Microturbine Technology Matures“ in der Ausgabe vom November 2010). Capstone Turbine Corp., nach eigenen Angaben der weltweit führende Entwickler und Hersteller von Mikrogasturbinen-Stromerzeugungssystemen, ging schon damals mit einzelnen Anlagen mit einer Leistung von bis zu 1 MW auf den Markt. Heute können alle Einheiten von Capstone mit einer Leistung von bis zu 30 MW parallel geschaltet werden.
Um zu verstehen, wo diese Pakete von Vorteil sein können, betrachten Sie Felsineo La Mortadella. Das Unternehmen ist ein italienischer Lebensmittelverarbeiter, der eine fein gemahlene, hitzegetrocknete Schweinewurst herstellt. Das Unternehmen wurde in einer auf der Capstone-Website veröffentlichten Fallstudie vorgestellt.
Felsineo wollte das Stromerzeugungssystem in seiner Hauptproduktionsanlage in Bologna aufrüsten. Das Unternehmen entschied sich für die Installation von Capstones erdgasbetriebener C1000-Mikroturbine (Abbildung 1) zusammen mit einem Gaskompressor und einer Dampferzeugerlösung mit Nachverbrennung. Das Felsineo-Projekt war die erste Mikroturbine von Capstone, die eine Post-Combustion-Dampflösung einsetzte, die sowohl den elektrischen als auch den thermischen Bedarf der Anlage erfolgreich deckte. Die Gesamteffizienz der Produktionsanlage verbesserte sich um 30 %, wodurch Felsineo laut der Fallstudie etwa 300.000 € pro Jahr einspart.
1. Capstone Turbine Corp. bietet eine Reihe von Mikrogasturbinen an, von der 30-kW-Ausführung der C30 (hier im Schnitt) bis zur 1-MW-Einheit C1000S. Mit freundlicher Genehmigung: Capstone Turbine Corp.
„Die neue Produktreihe Signature Series von Capstone macht bedeutende Fortschritte auf dem KWK-Markt, der sich speziell auf das Wachstum des vertikalen Energieeffizienzmarktes konzentriert und das Geschäft von Capstone weiter diversifiziert“, sagte Jim Crouse, Executive Vice President of Sales and Marketing von Capstone, in einer kürzlich veröffentlichten Pressemitteilung zum Wachstum auf dem KWK-Markt.
World’s Most Efficient Small Gas Turbine
Aurelia Turbines ist ein relativer Neuling auf dem Markt – das Unternehmen wurde 2013 gegründet -, aber seine Technologie wird bereits seit Jahrzehnten entwickelt. Die Hauptniederlassung und die Produktionsanlagen des Unternehmens befinden sich in Lappeenranta, Finnland. Der Standort ist deshalb von Bedeutung, weil Aurelia bei der Entwicklung seiner neuen Gasturbine mit der Technischen Universität Lappeenranta zusammengearbeitet hat.
Laut Matti Malkamäki, dem CEO von Aurelia, ist Lappeenranta „ein bisschen wie das Silicon Valley für Hochgeschwindigkeitstechnologie.“ In einem Exklusivinterview mit POWER sagte Malkamäki, er habe das Unternehmen speziell in Lappeenranta gegründet, weil es in der Region ein großes Know-how“ gebe. „In der Anfangsphase waren es fünf verschiedene Professoren der Universität und ihre jeweiligen Forschungsteams, insgesamt mehr als 30, die an der Entwicklung der Turbine beteiligt waren. Ohne sie hätte dieses Produkt niemals das Tageslicht erblickt“, sagte er.
Die Aurelia-Gasturbine arbeitet mit einem Verfahren, das das Unternehmen als IRG2 (intercooled and recuperated generator on two spools) bezeichnet. Obwohl es auch andere Formen von Mehrspulenturbinen und rekuperierten/unterkühlten Turbinen gibt, ist die A400-Turbine von Aurelia die erste ihrer Art, die alle diese Merkmale in einer Einheit vereint (Abbildung 2).
2. Dieses Diagramm zeigt den IRG2-Prozess (zwischengekühlter und rekuperierter Generator auf zwei Spulen). Zu den Hauptkomponenten der Aurelia-Konstruktion gehören Niederdruck- (LP) und Hochdruckverdichter (HP), Turbinen und Generatoren. Mit freundlicher Genehmigung: Aurelia Turbines
Das Ergebnis ist eine verbesserte Effizienz. Aurelia behauptet, die effizientesten kleinen Gasturbinen der Welt zu haben, gemessen am elektrischen Wirkungsgrad.
„Wir vollbringen hier keine Wunder“, erklärt Malkamäki. „Der größte Unterschied zu anderen Gasturbinen ähnlicher Größe ist einfach die Tatsache, dass wir zwei Wellen haben. Wir haben die Niederdruckwelle und die Hochdruckwelle. Das bedeutet, dass wir zwei Generatoren haben. Beide sind getriebelos, also Hochgeschwindigkeitswellen. Nach dem Niederdruckkompressor folgt der Zwischenkühler, der den restlichen Umwandlungsprozess sehr viel effizienter macht, da die Luft dann dichter und kühler ist. Dann haben wir einen Rekuperator – es handelt sich also um eine rekuperierte Turbine – aber wir haben ein etwas höheres Druckverhältnis in der Brennkammer als alle anderen Turbinen ähnlicher Größe. Das verschafft uns einen gewissen Vorteil.“
Während sich die Capstone-Konstruktion gut für KWK-Anlagen eignet, bei denen die Abwärme zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads genutzt werden kann, zielt Aurelia auf Anwendungen ab, bei denen die Elektrizität die treibende Kraft hinter der Entscheidung für die Installation einer Turbine ist. Die Aurelia-Turbine kann auch in KWK-Anlagen eingesetzt werden, aber je nach den besonderen Anforderungen des Standorts kann auch ein Kanalbrenner erforderlich sein.
„Wir konkurrieren mehr mit Gasmotoren“, sagte Malkamäki. In diesem Bereich bietet Aurelia mehr Brennstoffflexibilität und geringere Emissionen. „Wir haben ein viel größeres Fenster für die verschiedenen Kraftstoffe. Wir können sehr magere Biogase verwenden, die für Motoren nicht geeignet sind. Hier sehen wir die erste Marktlücke für uns.“
Ein weiteres einzigartiges Merkmal der Aurelia-Turbine sind aktive Magnetlager. Die Lager benötigen kein Öl, was die Gefahr von Lecks beseitigt und den Wartungsaufwand verringert. Die Konstruktion ist nicht neu. Sulzer, das ebenfalls in Lappeenranta vertreten ist, verwendet ähnliche Lager in einigen seiner Anlagen, z. B. in Hochgeschwindigkeits-Turbokompressoren für Kläranlagen und anderen. Der Erfolg bei diesen Anwendungen gab Aurelia das Vertrauen in das in der Turbinenkonstruktion verwendete Lagersystem.
„In diesem Geschäft geht es vor allem um Zuverlässigkeit und darum, zu zeigen, dass man ein vertrauenswürdiges Unternehmen ist“, so Malkamäki. Aurelia versuche alles zu tun, „um das zu zeigen“, fügte er hinzu.
Zusätzliche Lösungen für die Kraft-Wärme-Kopplung
Das britische Unternehmen Centrax ist ein weiterer Anbieter von kleinen Gasturbinenlösungen. Im Oktober 2017 nahm es ebenfalls ein Projekt in Bologna, Italien, in Betrieb. In dieser Anlage kommen zwei CX501-KB5 DLE-Generatorsätze zum Einsatz, die jeweils bis zu 3,9 MW elektrische Leistung liefern und mit Industriekesseln verbunden sind, die etwa 8.000 Haushalte in der Stadt mit Wärme versorgen können. Die beiden Aggregate werden von Siemens-Gasturbinen des Typs 501-K angetrieben.
Hera, das Versorgungsunternehmen, dem die Anlage gehört, investierte mehr als 17 Millionen Euro in das Projekt, das in einer seit den 1990er Jahren in Betrieb befindlichen Anlage angesiedelt ist. Der Anstoß für die Modernisierung war nach Angaben des Unternehmens die Verbesserung der Energieeffizienz und der Umweltverträglichkeit. Ein Teil der alten Anlage wurde im Mai 2015 abgerissen, und das Kraftwerk wurde in weniger als 18 Monaten in das Fernwärmenetz eingespeist.
„Die 501-KB5 DLE-Generatorsätze eignen sich hervorragend für dieses Projekt, da sie Hera eine kompakte und dennoch leistungsstarke Lösung bieten, die eine hohe Flexibilität ermöglicht, je nachdem, wann Wärme und Strom benötigt werden“, sagte Chris Dumont, Executive Manager of Sales and Marketing bei Centrax, in einer Pressemitteilung zur Eröffnung der Anlage. „Dank der neuen Technologie ist Hera in der Lage, die Anlagen von einem entfernten Zentrum aus zu steuern, so dass der Personalbedarf vor Ort minimal ist.“
OPRA Turbines, ein in den Niederlanden ansässiges Unternehmen der Dalian Energas-Gruppe, bietet ein weiteres kleines Gasturbinenpaket an. Seine OP16-Gasturbine hat ein vollradiales Design. Sie gilt als einzigartig, weil ihre fortschrittlichen Verbrennungssysteme die Möglichkeit bieten, eine breite Palette von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen zu verarbeiten. Das moderate Druckverhältnis der OP16 ermöglicht den Betrieb mit niedrigem Brenngasdruck, und sie kann mit emissionsarmen Brennkammern oder Brennkammern für Brennstoffe mit niedrigem Btu-Wert ausgestattet werden. Nach Angaben des Unternehmens kann seine einzigartige Verbrennungstechnologie schmutziges Brenngas, das sonst abgefackelt, abgeleitet oder einfach verschwendet würde, in „grünen Strom und sauberes Abgas“ umwandeln.
Ein Beispiel für die OPRA-Lösung in der Praxis findet sich in einer Gipsplattenproduktionsanlage von Siniat in den Niederlanden. Das Verfahren von Siniat erforderte die kontinuierliche Bereitstellung von 5,8 MWth und 1,8 MWe. Nach Prüfung der Möglichkeiten entschied sich das Unternehmen für den Einsatz der Gasturbine OP16 im Inselbetrieb. Die Abgase, die die Turbine mit einer Temperatur von 575 °C verlassen, werden direkt zu den Trocknern und Kalzinierern geleitet. Dadurch liegt der elektrische und thermische Gesamtwirkungsgrad der Anlage bei über 85 %. Die Abgase enthalten 15 % O 2 , so dass eine Nachverbrennung an den Trocknereinlässen problemlos möglich ist, wenn zusätzliche Wärmeleistung benötigt wird. Außerdem wurde die Anlage in nur zwei Wochen auf demselben Gelände wie eine ältere, bereits vorhandene Radialgasturbine installiert. ■
-Aaron Larson ist der leitende Redakteur von POWER.