Turbiny gazowe występują w różnych rozmiarach. Podczas gdy duże turbiny spalinowe wydają się otrzymywać większość rozgłosu, z takimi firmami jak Siemens, GE i Mitsubishi Hitachi Power Systems robiącymi najwięcej hałasu, kilka mniejszych firm odkryło nisze na rynku mikroturbin. Ich innowacyjne projekty znajdują szczególne zainteresowanie w segmencie komercyjnym i przemysłowym.
Gdy wiele osób myśli o mikroturbinach, często wyobraża sobie małe jednostki produkujące zaledwie 30 kW mocy. Chociaż takie jednostki są nowością, przemysł znacznie się rozwinął w ciągu ostatniej dekady, a jednostki wielopakietowe mogą obecnie osiągać łączną moc do 30 MW.
Firma konsultingowa ICF Inc. utrzymuje bazę danych instalacji skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej (CHP) dla Departamentu Energii USA. Jest ona uważana za najbardziej kompleksowe źródło informacji o instalacjach CHP w kraju. Firma ICF podała niedawno, że w latach 2013-2017 mikroturbiny zdobyły 25% udziału w rynku amerykańskich instalacji CHP o mocy od 100 kW do 5 MW. To ustanowiło nowy rekord.
Według bazy danych, całkowita moc zainstalowana systemów CHP o mocy mniejszej niż 5 MW wynosiła 2 631,4 MW na koniec 2017 roku. ICF prognozuje, że roczne instalacje mocy CHP w USA wzrosną z 561 MW w 2017 roku do nawet 1 400 MW w 2026 roku. Oczekuje się, że wzrost ten będzie napędzany przez mniejsze zastosowania komercyjne, które są zazwyczaj kompatybilne z technologią mikroturbin.
„Biorąc pod uwagę rekordowo niskie ceny gazu i ich stabilność w przewidywalnej przyszłości, rozwój projektów kogeneracyjnych stanowi atrakcyjną okazję z wieloma strumieniami przychodów – parą sprzedawaną gospodarzom do procesów przemysłowych i energią elektryczną sprzedawaną do sieci”, powiedział POWER Siraj Taj, dyrektor i właściciel ST Power Services Consultants. „Odbiorcy komercyjni i przemysłowi oceniają opłacalność ekonomiczną kogeneracji za ogrodzeniem w celu zmniejszenia kosztów operacyjnych, poprawy niezawodności, osiągnięcia celów efektywności energetycznej i zmniejszenia śladu węglowego” – dodał.
Powering Industrial Processes
Prawie dziesięć lat temu POWER informował o rozwoju systemów mikroturbinowych (patrz „Technologia mikroturbinowa dojrzewa” w wydaniu z listopada 2010). Firma Capstone Turbine Corp., która uważa się za światowego lidera w projektowaniu i produkcji mikroturbinowych systemów wytwarzania energii, już wtedy sprzedawała pojedyncze jednostki o mocy do 1 MW. Dzisiaj wszystkie jednostki Capstone mogą być połączone równolegle do 30 MW mocy.
Aby zrozumieć, gdzie te pakiety mogą być korzystne, rozważ Felsineo La Mortadella. Firma ta jest włoskim przetwórcą żywności, który produkuje drobno zmieloną, suszoną cieplnie kiełbasę wieprzową. Została ona przedstawiona w studium przypadku opublikowanym na stronie internetowej Capstone.
Felsineo chciało zmodernizować system wytwarzania energii w swoim głównym zakładzie produkcyjnym w Bolonii. Firma zdecydowała się na instalację mikroturbiny C1000 (rys. 1) zasilanej gazem ziemnym, wraz z kompresorem gazu i wytwornicą pary po spaleniu. W projekcie Felsineo Capstone po raz pierwszy zastosowała mikroturbinę wykorzystującą rozwiązanie z wytwornicą pary po spalaniu, która z powodzeniem zaspokoiła zarówno zapotrzebowanie zakładu na energię elektryczną, jak i cieplną. Ogólna wydajność zakładu produkcyjnego wzrosła o 30%, co według studium przypadku pozwoliło firmie Felsineo zaoszczędzić około 300 000 euro rocznie.
1. Capstone Turbine Corp. oferuje linię mikroturbin od 30-kW C30 (pokazano na zdjęciu) do 1-MW C1000S. Dzięki uprzejmości: Capstone Turbine Corp.
„Nowa linia produktów Capstone Signature Series czyni znaczące postępy na rynku CHP, który jest szczególnie skoncentrowany na rozwoju pionu rynku efektywności energetycznej i kontynuacji dywersyfikacji działalności Capstone” Jim Crouse, wiceprezes wykonawczy Capstone ds. sprzedaży i marketingu, powiedział w niedawnym komunikacie prasowym o wzroście na rynku CHP.
World’s Most Efficient Small Gas Turbine
Aurelia Turbines jest względnym nowicjuszem na rynku – firma powstała w 2013 roku – ale jej technologia jest rozwijana od dziesięcioleci. Główne biuro firmy i zakłady produkcyjne znajdują się w Lappeenranta, w Finlandii. Lokalizacja jest znacząca, ponieważ Aurelia współpracowała z Uniwersytetem Technologicznym w Lappeenranta w celu opracowania swojej nowej turbiny gazowej.
Według dyrektora generalnego firmy Aurelia, Matti Malkamäki, Lappeenranta jest „trochę jak Dolina Krzemowa dla technologii wysokich prędkości”. W ekskluzywnym wywiadzie dla POWER, Malkamäki powiedział, że specjalnie założył firmę w Lappeenranta ze względu na „know-how”, które istniało w tym obszarze. „We wczesnych fazach, było pięciu różnych profesorów z uniwersytetu i ich odpowiednie zespoły badawcze, w sumie ponad 30, które projektowały turbinę. Bez nich ten produkt nigdy nie ujrzałby światła dziennego” – powiedział.
Turbina gazowa Aurelia wykorzystuje to, co firma nazywa procesem IRG2 (intercooled and recuperated generator on two spools). Chociaż turbiny z wieloma szpulami i turbiny z rekuperacją/chłodzeniem istnieją w innych formach, turbina A400 firmy Aurelia jest pierwszą w swoim rodzaju, która wykorzystuje wszystkie te cechy w tym samym urządzeniu (rysunek 2).
2. Schemat przedstawia proces IRG2 (generator z chłodzeniem międzystopniowym i rekuperacją na dwóch szpulach). Główne komponenty projektu Aurelia to sprężarki nisko- i wysokociśnieniowe (LP), turbiny i generatory. Dzięki uprzejmości: Aurelia Turbines
Opłatą jest zwiększona wydajność. Aurelia twierdzi, że posiada najbardziej wydajne małe turbiny gazowe na świecie w oparciu o sprawność elektryczną.
„Nie czynimy tu żadnych cudów” – wyjaśnia Malkamäki. „Największą różnicą w porównaniu z innymi turbinami gazowymi podobnej wielkości jest fakt, że mamy dwa wały. Mamy wał niskociśnieniowy i mamy wał wysokociśnieniowy. Oznacza to, że mamy dwa generatory. Oba nie mają żadnych przekładni, więc są to wały wysokoobrotowe. I mamy sprężarkę niskiego ciśnienia, po której mamy intercooler, który sprawia, że reszta procesu konwersji jest znacznie bardziej wydajna, ponieważ powietrze jest wtedy bardziej gęste i chłodniejsze. Następnie mamy rekuperator – a więc jest to turbina z rekuperacją – ale mamy nieco wyższy współczynnik ciśnienia w komorze spalania niż wszystkie inne turbiny podobnej wielkości. To daje nam pewną korzyść.”
Podczas gdy projekt Capstone jest dobrze dostosowany do instalacji CHP, gdzie ciepło spalin może być wykorzystane do poprawy ogólnej sprawności, Aurelia celuje w zastosowania, gdzie energia elektryczna jest siłą napędową przy podejmowaniu decyzji o instalacji turbiny. Turbina Aurelia może być nadal używana w zastosowaniach CHP, ale w zależności od konkretnych wymagań miejsca, może być również potrzebny palnik kanałowy.
„Konkurujemy bardziej z silnikami gazowymi” – powiedział Malkamäki. W tej dziedzinie Aurelia oferuje większą elastyczność paliwową i niższe emisje. „Mamy o wiele większe okno dla różnych paliw. Możemy wykorzystywać bardzo chude biogazy, które nie są odpowiednie dla silników. To właśnie tutaj widzimy pierwszą niszę rynkową dla nas.”
Inną unikalną cechą zaprojektowaną w turbinie Aurelia są aktywne łożyska magnetyczne. Łożyska te nie wymagają oleju, co eliminuje możliwość wycieków i zmniejsza potrzebę konserwacji. Konstrukcja ta nie jest nowa. Firma Sulzer, która również jest obecna w Lappeenranta, stosuje podobne łożyska w niektórych swoich urządzeniach, takich jak wysokoobrotowe turbosprężarki dla oczyszczalni ścieków i kilku innych. Sukces w tych zastosowaniach dał firmie Aurelia pewność, że system łożysk zostanie użyty w projekcie turbiny.
„W tym biznesie chodzi o niezawodność i pokazanie, że jest się firmą godną zaufania”, powiedział Malkamäki. Aurelia stara się zrobić wszystko, co w jej mocy, „aby iść za głosem”, dodał.
Dodatkowe rozwiązania kogeneracyjne
Firma Centrax z siedzibą w Wielkiej Brytanii jest kolejnym dostawcą rozwiązań dla małych turbin gazowych. W październiku 2017 r. oddała ona do użytku projekt w Bolonii, również we Włoszech. Ten obiekt wykorzystuje dwa zespoły generatorów CX501-KB5 DLE, każdy zapewniający do 3,9 MW mocy elektrycznej, podłączone do kotłów przemysłowych, które mają zdolność do zapewnienia ogrzewania dla około 8000 gospodarstw domowych w mieście. Dwa pakiety są zasilane przez turbiny gazowe Siemens 501-K.
Hera, firma multi-utility, która jest właścicielem obiektu, zainwestowała ponad 17 milionów euro w projekt, który jest zlokalizowany w zakładzie, który działa od lat 90-tych. Impulsem do modernizacji było zwiększenie efektywności energetycznej i zrównoważenia środowiskowego, według firmy. Część starego zakładu została wyburzona w maju 2015 r., a elektrownia zaczęła zasilać sieć ciepłowniczą w niecałe 18 miesięcy.
„Zespoły prądotwórcze 501-KB5 DLE są dobrze dopasowane do tego projektu, zapewniając firmie Hera kompaktowe, a jednocześnie wydajne rozwiązanie, które umożliwia doskonałą elastyczność w miarę i w momencie zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną” – powiedział Chris Dumont, dyrektor wykonawczy ds. sprzedaży i marketingu w firmie Centrax, w komunikacie prasowym ogłaszającym otwarcie zakładu. „Dzięki nowej technologii, Hera jest w stanie kontrolować obiekty ze zdalnego centrum, co pozwala na minimalne wymagania personalne na miejscu.”
OPRA Turbines, holenderska spółka z grupy Dalian Energas, oferuje jeszcze jeden mały pakiet turbin gazowych. Jej turbina gazowa OP16 ma całkowicie promieniową konstrukcję. Mówi się, że jest ona wyjątkowa, ponieważ jej zaawansowane systemy spalania oferują zdolność do obsługi szerokiego zakresu paliw płynnych i gazowych. Umiarkowany stosunek ciśnień OP16 umożliwia pracę przy niskim ciśnieniu gazu, a także może być wyposażony w niskoemisyjne palniki lub palniki paliwowe o niskiej Btu. Według firmy, jej unikalna technologia spalania może przekształcić zanieczyszczony gaz paliwowy, który w przeciwnym razie zostałby spalony w pochodni, uwolniony lub po prostu zmarnowany, w „zieloną energię i czyste spaliny.”
Jeden przykład rozwiązania OPRA w działaniu można znaleźć w zakładzie produkcji płyt gipsowych Siniat w Holandii. Proces technologiczny firmy Siniat wymagał ciągłego dostarczania 5,8 MWth i 1,8 MWe. Po przeanalizowaniu możliwości firma zdecydowała się na zastosowanie turbiny gazowej OP16 w trybie wyspowym. Spaliny opuszczające turbinę o temperaturze 575C są kierowane bezpośrednio do suszarek i kalcynatorów. Dzięki temu łączna sprawność elektryczna i cieplna instalacji przekracza 85%. Gazy spalinowe zawierają 15% O 2, co pozwala na łatwe zastosowanie dopalania na wlotach do suszarni, jeśli potrzebna jest dodatkowa moc cieplna. Ponadto, urządzenie zostało zainstalowane w ciągu zaledwie dwóch tygodni na tym samym obszarze, co starsza, wcześniej istniejąca radialna turbina gazowa. ■
-Aaron Larson jest redaktorem wykonawczym POWER’a.