Gasturbiineja on erikokoisia. Suuret polttoturbiinit näyttävät saavan suurimman osan julkisuudesta, ja Siemensin, GE:n ja Mitsubishi Hitachi Power Systemsin kaltaiset yritykset pitävät eniten meteliä, mutta useat pienemmät yritykset ovat löytäneet markkinarakoja mikroturbiinimarkkinoilla. Niiden innovatiiviset mallit kiinnostavat erityisesti kaupallista ja teollista sektoria.
Kun monet ihmiset ajattelevat mikroturbiineja, he kuvittelevat usein pieniä yksiköitä, jotka tuottavat vain 30 kW:n tehon. Vaikka tällaiset yksiköt ovatkin uusia, ala on kehittynyt huomattavasti viime vuosikymmenen aikana, ja monipakkausyksiköiden kokonaiskapasiteetti voi nykyään nousta jopa 30 MW:iin.
Konsulttiyritys ICF Inc. ylläpitää yhdistetyn lämmön ja sähkön (CHP) asennustietokantaa Yhdysvaltain energiaministeriölle. Sitä pidetään kattavimpana tietolähteenä maan CHP-laitoksista. ICF raportoi hiljattain, että mikroturbiinit saivat 25 prosentin markkinaosuuden 100 kW:n ja 5 MW:n välisistä CHP-laitoksista Yhdysvalloissa vuosina 2013-2017. Tämä on uusi ennätys.
Tietokannan mukaan alle 5 MW:n CHP-järjestelmien asennettu kokonaiskapasiteetti oli 2 631,4 MW vuoden 2017 lopussa. ICF ennustaa, että Yhdysvaltojen CHP:n vuotuisen kapasiteetin asennukset kasvavat 561 MW:sta vuonna 2017 jopa 1 400 MW:iin vuonna 2026. Kasvun odotetaan johtuvan pienemmistä kaupallisista sovelluksista, jotka ovat tyypillisesti yhteensopivia mikroturbiiniteknologian kanssa.
”Kun otetaan huomioon ennätyksellisen alhaiset kaasun hinnat ja niiden vakaus lähitulevaisuudessa, yhteistuotantohankkeiden kehittäminen tarjoaa houkuttelevan tilaisuuden, jossa on useita tulovirtoja – höyryä, joka myydään isännille teollisia prosesseja varten, ja sähköenergiaa, joka myydään sähköverkkoon”, kertoi POWERille Siraj Taj, joka on johtava asiantuntija ja omistaja ST Power Services Consultants -yrityksessä. ”Kaupalliset ja teolliset kuluttajat arvioivat yhteistuotannon taloudellista kannattavuutta aidan takana käyttökustannusten alentamiseksi, luotettavuuden parantamiseksi, energiatehokkuustavoitteiden saavuttamiseksi ja hiilijalanjäljen pienentämiseksi”, hän lisäsi.
Powering Industrial Processes
Vähän kymmenkunta vuotta sitten POWER raportoi mikroturbiinijärjestelmien kasvusta (ks. artikkeli ”Mikroturbiiniteknologia kypsyy” marraskuun 2010 numerossa). Capstone Turbine Corp., joka väittää olevansa maailman johtava mikroturbiinivoimantuotantojärjestelmien kehittäjä ja valmistaja, kaupitteli jo tuolloin yksittäisiä yksiköitä, joiden kapasiteetti oli jopa 1 MW. Nykyään kaikki Capstonen yksiköt voidaan kytkeä rinnakkain jopa 30 MW:n tehoon asti.
Ymmärtääksemme, missä tapauksissa näistä paketeista voi olla hyötyä, tarkastellaan Felsineo La Mortadellaa. Yritys on italialainen elintarvikejalostaja, joka valmistaa hienoksi jauhettua, lämpökuivattua sianlihamakkaraa. Se oli esillä Capstonen verkkosivustolla julkaistussa tapaustutkimuksessa.
Felsineo halusi päivittää sähköntuotantojärjestelmää Bolognassa sijaitsevassa päätuotantolaitoksessaan. Se halusi sellaisen, joka pystyisi käsittelemään makkaranvalmistuksessa käytettävän kylläisen höyryn tuotannon lisäämistä.
Yhtiö päätti asentaa Capstonen maakaasukäyttöisen C1000-mikroturbiinin (kuva 1) yhdessä kaasukompressorin ja jälkipolttohöyrygeneraattoriratkaisun kanssa. Felsineo-projekti oli Capstonen ensimmäinen mikroturbiini, jossa käytettiin jälkipolttohöyryratkaisua, joka tyydytti onnistuneesti sekä laitoksen sähkö- että lämpövaatimukset. Tuotantolaitoksen kokonaishyötysuhde parani 30 prosenttia, mikä tapaustutkimuksen mukaan säästi Felsineolla noin 300 000 euroa vuodessa.
1. Capstone Turbine Corp. tarjoaa mikroturbiinimallistoa 30 kW:n C30-mallista (kuvassa leikkaus) 1 MW:n C1000S-yksikköön. Kohteliaisuus: Capstone Turbine Corp.
”Capstonen uusi Signature Series -tuotevalikoima edistyy merkittävästi CHP-markkinoilla, jotka keskittyvät erityisesti energiatehokkuusmarkkinoiden vertikaalin kasvattamiseen ja Capstonen liiketoiminnan monipuolistamisen jatkamiseen”, Capstonen myynti- ja markkinointijohtajan varatoimitusjohtaja Jim Crouse totesi hiljattain julkaisemassaan lehdistötiedotteessa, joka käsitteli CHP-markkinoiden kasvua.
Maailman tehokkain pieni kaasuturbiini
Aurelia Turbines on suhteellisen uusi tulokas markkinoilla – yritys perustettiin vuonna 2013 – mutta sen teknologiaa on kehitetty vuosikymmeniä. Yrityksen pääkonttori ja tuotantolaitokset sijaitsevat Lappeenrannassa. Sijainti on merkittävä, sillä Aurelia teki yhteistyötä Lappeenrannan teknillisen yliopiston kanssa kehittäessään uutta kaasuturbiiniaan.
Aurelian toimitusjohtajan Matti Malkamäen mukaan Lappeenranta on ”vähän kuin nopean teknologian Piilaakso”. POWERin yksinoikeushaastattelussa Malkamäki sanoi perustaneensa yrityksen nimenomaan Lappeenrantaan, koska alueella oli ”sitä osaamista”. ”Alkuvaiheessa turbiinia oli suunnittelemassa viisi eri yliopiston professoria ja heidän tutkimusryhmänsä, yhteensä yli 30. Ilman heitä tämä tuote ei olisi koskaan nähnyt päivänvaloa”, hän sanoi.
Aurelia-kaasuturbiini käyttää IRG2-prosessia (intercooled and recuperated generator on two spools), jota yhtiö kutsuu IRG2-prosessiksi. Vaikka monikierukkaturbiineja ja rekuperoituja/intercooled-turbiineja on olemassa muissakin muodoissa, Aurelian A400-turbiini on ensimmäinen laatuaan, jossa hyödynnetään kaikkia näitä ominaisuuksia samassa yksikössä (kuva 2).
2. Tässä kaaviossa on esitetty IRG2-prosessi (intercooled and recuperated generator on two spools). Aurelia-mallin tärkeimpiä komponentteja ovat matalapaine- (LP) ja korkeapaine- (HP) kompressorit, turbiinit ja generaattorit. Kohteliaisuus: Aurelia Turbines
Hyöty on parempi hyötysuhde. Aurelia väittää, että sillä on maailman tehokkaimmat pienet kaasuturbiinit sähköhyötysuhteen perusteella.
”Emme tee tässä mitään ihmeitä”, Malkamäki selitti. ”Suurin ero muihin samankokoisiin kaasuturbiineihin verrattuna on yksinkertaisesti se, että meillä on kaksi akselia. Meillä on matalapaineakseli ja meillä on korkeapaineakseli. Tämä tarkoittaa, että meillä on kaksi generaattoria. Molemmissa ei ole vaihdelaatikkoa, joten ne ovat suurnopeusakseleita. Lisäksi meillä on matalapainekompressori, jonka jälkeen meillä on välijäähdytin, ja se tekee muusta muuntoprosessista paljon tehokkaampaa, koska ilma on silloin tiheämpää ja viileämpää. Sitten meillä on rekuperaattori – tämä on siis rekuperoitu turbiini – mutta meillä on hieman korkeampi painesuhde polttokammiossa kuin kaikissa muissa samankokoisissa turbiineissa. Tämä antaa meille hieman etua.”
Kun Capstone soveltuu hyvin CHP-laitoksiin, joissa pakokaasun lämpöä voidaan hyödyntää kokonaishyötysuhteen parantamiseksi, Aurelia on pyrkinyt sovelluksiin, joissa sähkö on turbiinin asentamispäätöksen kantava voima. Aurelia-turbiinia voidaan edelleen käyttää CHP-sovelluksissa, mutta laitospaikan erityisvaatimuksista riippuen voidaan tarvita myös kanavapoltinta.
”Kilpailemme enemmän kaasumoottoreiden kanssa”, Malkamäki sanoi. Sillä saralla Aurelia tarjoaa enemmän polttoainejoustavuutta ja pienempiä päästöjä. ”Meillä on paljon suurempi ikkuna eri polttoaineille. Voimme hyödyntää hyvin laihoja biokaasuja, jotka eivät sovellu moottoreihin. Tässä näemme meille ensimmäisen markkinaraon.”
Aurelia-turbiiniin suunniteltu toinen ainutlaatuinen ominaisuus on aktiiviset magneettilaakerit. Laakerit eivät tarvitse öljyä, mikä eliminoi vuotojen mahdollisuuden ja vähentää huoltoa. Rakenne ei ole uusi. Myös Lappeenrannassa toimiva Sulzer käyttää vastaavia laakereita joissakin laitteissaan, kuten jätevedenpuhdistamoiden nopeissa turbokompressoreissa ja useissa muissa laitteissa. Menestys näissä sovelluksissa antoi Aurelialle luottamusta turbiinisuunnittelussa käytettävään laakerijärjestelmään.
”Tällä alalla on kyse luotettavuudesta ja sen osoittamisesta, että olet luotettava yritys”, Malkamäki sanoi. Aurelia yrittää tehdä kaikkensa ”kävelläkseen puheiden mukaan”, hän lisäsi.
Lisäisiä yhteistuotantoratkaisuja
Britannialainen Centrax on toinen pienten kaasuturbiiniratkaisujen toimittaja. Lokakuussa 2017 se otti käyttöön projektin myös Bolognassa Italiassa. Kyseisessä laitoksessa käytetään kahta CX501-KB5 DLE -generaattorikokonaisuutta, joista kumpikin tuottaa jopa 3,9 MW sähkötehoa ja jotka on liitetty teollisuuskattiloihin, joiden kapasiteetti riittää lämmittämään noin 8 000 kotitaloutta kaupungissa. Molempien aggregaattien voimanlähteenä toimivat Siemens 501-K -kaasuturbiinit.
Laitoksen omistava monialayhtiö Hera investoi yli 17 miljoonaa euroa hankkeeseen, joka sijoittuu 1990-luvulta lähtien toimineeseen laitokseen. Yhtiön mukaan päivityksen taustalla oli energiatehokkuuden ja ympäristön kestävyyden parantaminen. Osa vanhasta laitoksesta purettiin toukokuussa 2015, ja voimalaitos alkoi syöttää kaukolämpöverkkoon alle 18 kuukaudessa.
”501-KB5 DLE -generaattoriyhdistelmät sopivat hyvin tähän projektiin, sillä ne tarjoavat Heralle kompaktin mutta tehokkaan ratkaisun, joka mahdollistaa erinomaisen joustavuuden sitä mukaa, kun lämpöä ja sähköä tarvitaan”, Centraxin myynti- ja markkinointipäällikkö Chris Dumont sanoi tiedotteessa, jossa ilmoitettiin voimalaitoksen avaamisesta. ”Uuden teknologian ansiosta Hera pystyy ohjaamaan laitoksia etäkeskuksesta, mikä mahdollistaa minimaalisen henkilöstötarpeen paikan päällä.”
OPRA Turbines, Dalian Energasin alankomaalainen konserniyhtiö, tarjoaa vielä yhden pienen kaasuturbiinipaketin. Sen OP16-kaasuturbiinissa on täysin säteittäinen rakenne. Sen sanotaan olevan ainutlaatuinen, koska sen kehittyneet polttojärjestelmät tarjoavat mahdollisuuden käsitellä monenlaisia nestemäisiä ja kaasumaisia polttoaineita. OP16:n maltillisen painesuhteen ansiosta se voi toimia alhaisella polttoainekaasun paineella, ja se voidaan varustaa vähäpäästöisillä polttimilla tai matalan BTU:n polttoaineen polttimilla. Yrityksen mukaan sen ainutlaatuinen polttotekniikka voi muuttaa likaisen polttokaasun, joka muutoin soihdutettaisiin, tuuletettaisiin tai yksinkertaisesti hukattaisiin, ”vihreäksi energiaksi ja puhtaaksi pakokaasuksi.”
Yksi esimerkki OPRAn ratkaisusta käytännössä löytyy Siniatin kipsilevytuotantolaitokselta Alankomaissa. Siniatin prosessi vaati 5,8 MWth:n ja 1,8 MWe:n jatkuvaa syöttöä. Tutkittuaan vaihtoehtojaan yritys päätti käyttää OP16-kaasuturbiinia saarekekäytössä. Turbiinista 575 C:n lämpötilassa lähtevät pakokaasut johdetaan suoraan kuivaus- ja kalsinointilaitteisiin. Tämän ansiosta laitoksen sähkö- ja lämpöhyötysuhde on yli 85 prosenttia. Pakokaasuissa on 15 % O 2 -pitoisuutta, minkä ansiosta jälkipoltto voidaan helposti toteuttaa kuivausrumpujen sisäänmenoaukoissa, jos lisälämpötehoa tarvitaan. Lisäksi yksikkö asennettiin vain kahdessa viikossa samalle alueelle kuin vanhempi, aiemmin käytössä ollut säteittäinen kaasuturbiini. ■
-Aaron Larson on POWERin päätoimittaja.