Turbinele cu gaz sunt disponibile într-o varietate de dimensiuni. În timp ce turbinele mari cu combustie par să se bucure de cea mai mare parte a publicității, cele mai zgomotoase fiind companii precum Siemens, GE și Mitsubishi Hitachi Power Systems, mai multe companii mai mici au descoperit nișe pe piața microturbinelor. Proiectele lor inovatoare găsesc interes în special în segmentele comerciale și industriale.
Când mulți oameni se gândesc la microturbine, își imaginează adesea unități mici care produc doar 30 kW de putere. Deși astfel de unități sunt o noutate, industria a evoluat foarte mult în ultimul deceniu, iar unitățile multipack pot atinge în prezent o capacitate totală de până la 30 MW.
Firma de consultanță ICF Inc. menține o bază de date privind instalațiile de cogenerare (CHP) pentru Departamentul de Energie al SUA. Aceasta este considerată cea mai cuprinzătoare sursă de informații despre instalațiile de cogenerare din țară. ICF a raportat recent că microturbinele au acaparat o cotă de piață de 25% din instalațiile de cogenerare din SUA în intervalul 100 kW – 5 MW în perioada 2013-2017. Acest lucru a stabilit un nou record.
Potrivit bazei de date, capacitatea totală instalată a sistemelor CHP mai mici de 5 MW a fost de 2.631,4 MW la sfârșitul anului 2017. ICF preconizează că instalațiile de capacitate anuală de cogenerare din SUA vor crește de la 561 MW în 2017 la până la 1.400 MW în 2026. Se preconizează că această creștere va fi determinată de aplicațiile comerciale mai mici, care sunt de obicei compatibile cu tehnologia microturbinelor.
„Având în vedere prețurile scăzute record ale gazelor și stabilitatea acestora în viitorul previzibil, dezvoltarea proiectelor de cogenerare prezintă o oportunitate atractivă cu mai multe fluxuri de venituri – abur vândut către gazde pentru procese industriale și energie electrică vândută în rețea”, a declarat pentru POWER Siraj Taj, director și proprietar al ST Power Services Consultants. „Consumatorii comerciali și industriali evaluează viabilitatea economică a cogenerării în spatele gardului pentru a reduce costurile de operare, pentru a îmbunătăți fiabilitatea, pentru a atinge obiectivele de eficiență energetică și pentru a-și reduce amprenta de carbon”, a adăugat el.
Alimentarea proceselor industriale
Cu aproape un deceniu în urmă, POWER relata despre creșterea sistemelor de microturbine (a se vedea „Tehnologia microturbinelor se maturizează” în numărul din noiembrie 2010). Capstone Turbine Corp. care pretinde că este cel mai important dezvoltator și producător mondial de sisteme de generare a energiei electrice cu microturbine, vindea, încă de pe atunci, unități individuale cu capacități de până la 1 MW. Astăzi, toate unitățile Capstone pot fi puse în paralel cu o capacitate de până la 30 MW.
Pentru a înțelege unde pot fi benefice aceste pachete, luați în considerare Felsineo La Mortadella. Compania este un procesator italian de alimente care produce un cârnat de porc fin măcinat și tratat termic. Aceasta a fost prezentată într-un studiu de caz publicat pe site-ul web al Capstone.
Felsineo dorea să modernizeze sistemul de generare a energiei electrice la unitatea sa principală de producție din Bologna. Aceasta dorea unul care să poată face față unei creșteri a producției de abur saturat pentru fabricarea cârnaților.
Compania a decis să instaleze microturbina C1000 alimentată cu gaze naturale de la Capstone (Figura 1), împreună cu un compresor de gaz și o soluție de generator de abur post-combustie. Proiectul Felsineo a fost prima microturbină de la Capstone care a utilizat o soluție de abur post-combustie, care a satisfăcut cu succes atât cerințele electrice, cât și cele termice ale instalației. Eficiența generală a instalației de producție s-a îmbunătățit cu 30%, economisind Felsineo aproximativ 300.000 de euro pe an, conform studiului de caz.
1. Capstone Turbine Corp. oferă o linie de microturbine, de la modelul C30 de 30 kW (cutaway prezentat aici) până la unitatea C1000S de 1 MW. Prin amabilitate: Capstone Turbine Corp.
„Noua gamă de produse Capstone Signature Series înregistrează progrese semnificative pe piața CHP, care se concentrează în mod specific pe creșterea verticală a pieței de eficiență energetică și pe continuarea diversificării afacerii Capstone”, a declarat Jim Crouse, vicepreședinte executiv de vânzări și marketing al Capstone, într-un comunicat de presă recent despre creșterea pe piața CHP.
Cea mai eficientă turbină mică cu gaz din lume
Aurelia Turbines este un relativ nou venit pe piață – compania a fost înființată în 2013 – dar tehnologia sa este în curs de dezvoltare de zeci de ani. Biroul principal și facilitățile de producție ale companiei sunt situate în Lappeenranta, Finlanda. Locația este semnificativă deoarece Aurelia a lucrat în colaborare cu Universitatea de Tehnologie din Lappeenranta pentru a dezvolta noua sa turbină cu gaz.
Potrivit directorului general al Aurelia, Matti Malkamäki, Lappeenranta este „un pic ca un fel de Silicon Valley pentru tehnologia de mare viteză”. Într-un interviu în exclusivitate pentru POWER, Malkamäki a declarat că a înființat în mod special compania în Lappeenranta datorită „know-how-ului” care exista în zonă. „În primele faze, erau cinci profesori diferiți de la universitate și echipele lor de cercetare respective, în total peste 30, care proiectau turbina. Fără ei, acest produs nu ar fi văzut niciodată lumina zilei”, a spus el.
Turbina cu gaz Aurelia utilizează ceea ce compania numește un proces IRG2 (generator intercooler și recuperat pe două bobine). Deși turbinele cu mai multe bobine și turbinele recuperate/încălzite există și sub alte forme, turbina A400 de la Aurelia este prima de acest tip care utilizează toate aceste caracteristici în aceeași unitate (figura 2).
2. Această diagramă prezintă procesul IRG2 (generator intercooler și recuperat pe două bobine). Componentele principale din proiectul Aurelia includ compresoare de joasă presiune (LP) și de înaltă presiune (HP), turbine și generatoare. Prin amabilitate: Aurelia Turbines
Răsplata este o eficiență îmbunătățită. Aurelia susține că are cele mai eficiente turbine mici cu gaz din lume, pe baza eficienței electrice.
„Nu facem niciun miracol aici”, a explicat Malkamäki. „Cea mai mare diferență pentru noi față de alte turbine cu gaz de dimensiuni similare este pur și simplu faptul că avem doi arbori. Avem arborele de joasă presiune și avem arborele de înaltă presiune. Acest lucru înseamnă că avem două generatoare. Ambele sunt fără cutii de viteze, deci sunt arbori de mare viteză. Și avem compresorul de joasă presiune, după care avem intercoolerul, ceea ce face ca restul procesului de conversie să fie mult mai eficient, deoarece aerul este apoi mai dens și mai rece. Apoi avem un recuperator – deci aceasta este o turbină recuperată – dar avem un raport de presiune puțin mai mare la camera de ardere decât toate celelalte turbine de dimensiuni similare. Acest lucru ne oferă un mic beneficiu.”
În timp ce designul Capstone este bine adaptat pentru instalațiile de cogenerare în care căldura de evacuare poate fi utilizată pentru a îmbunătăți eficiența generală, Aurelia a vizat aplicațiile în care energia electrică este forța motrice care stă la baza deciziei de a instala o turbină. Turbina Aurelia poate fi utilizată în continuare în aplicații de cogenerare, dar, în funcție de cerințele specifice ale amplasamentului, poate fi necesar și un arzător în conductă.
„Concurăm mai mult cu motoarele pe gaz”, a spus Malkamäki. În acest domeniu, Aurelia oferă mai multă flexibilitate a combustibilului și emisii mai mici. „Avem o fereastră mult mai mare pentru diferiți combustibili. Putem utiliza biogazuri foarte sărace care nu sunt potrivite pentru motoare. Aici vedem prima nișă de piață pentru noi.”
O altă caracteristică unică proiectată în turbina Aurelia sunt rulmenții magnetici activi. Rulmenții nu necesită ulei, ceea ce elimină potențialul de scurgeri și reduce întreținerea. Designul nu este nou. Sulzer, care are, de asemenea, o prezență în Lappeenranta, utilizează rulmenți similari în unele dintre echipamentele sale, cum ar fi în turbocompresoarele de mare viteză pentru stațiile de tratare a apelor uzate și în alte câteva. Succesul în aceste aplicații a dat Aurelia încredere în sistemul de rulmenți utilizat în cadrul proiectului turbinei.
„În această afacere, totul se rezumă la fiabilitate și la a arăta că ești o companie de încredere”, a declarat Malkamäki. Aurelia încearcă să facă tot ce poate „pentru a merge pe drumul cel bun”, a adăugat el.
Soluții suplimentare de cogenerare
Centrax, cu sediul în Marea Britanie, este un alt furnizor de soluții pentru turbine cu gaz de mici dimensiuni. În octombrie 2017, acesta a pus în funcțiune un proiect și în Bologna, Italia. Instalația respectivă utilizează două grupuri electrogene CX501-KB5 DLE, fiecare furnizând până la 3,9 MW de energie electrică, atașate la cazane industriale care au capacitatea de a asigura încălzirea a aproximativ 8.000 de gospodării din oraș. Cele două grupuri sunt alimentate de turbine cu gaz Siemens 501-K.
Hera, compania multiutilități care deține instalația, a investit peste 17 milioane de euro în acest proiect, care este amplasat la o centrală care funcționează din anii 1990. Impulsul pentru modernizare a fost acela de a spori eficiența energetică și sustenabilitatea mediului, potrivit companiei. O parte din vechea centrală a fost demolată în mai 2015, iar centrala a început să alimenteze rețeaua de încălzire urbană în mai puțin de 18 luni.
„Grupurile generatoare 501-KB5 DLE sunt foarte potrivite pentru acest proiect, oferind Hera o soluție compactă, dar puternică, care permite o flexibilitate excelentă în funcție de necesitățile de energie termică și electrică”, a declarat Chris Dumont, director executiv de vânzări și marketing la Centrax, într-un comunicat de presă care anunță deschiderea centralei. „Datorită noii tehnologii, Hera este capabilă să controleze instalațiile de la un centru de la distanță, permițând cerințe minime de personal la fața locului.”
OPRA Turbines, o companie a grupului Dalian Energas cu sediul în Olanda, oferă încă un pachet mic de turbine cu gaz. Turbina sa cu gaz OP16 are un design complet radial. Se spune că este unică, deoarece sistemele sale avansate de combustie oferă capacitatea de a gestiona o gamă largă de combustibili lichizi și gazoși. Raportul de presiune moderat al OP16 face posibilă funcționarea la o presiune scăzută a gazelor combustibile și poate fi echipată cu arzătoare cu emisii reduse sau cu arzătoare de combustibil cu un nivel scăzut de Btu. Potrivit companiei, tehnologia sa unică de combustie poate transforma gazele combustibile murdare, care altfel ar fi arse, evacuate sau pur și simplu irosite, în „energie verde și gaze de eșapament curate.”
Un exemplu de soluție OPRA în acțiune poate fi găsit la o instalație de producție de plăci de gips-carton Siniat din Olanda. Procesul Siniat a necesitat alimentarea continuă cu 5,8 MWth și 1,8 MWe. După ce și-a studiat opțiunile, compania a decis să utilizeze turbina cu gaz OP16 în regim de insulă. Gazele de eșapament care părăsesc turbina la 575C sunt canalizate direct către uscătoare și calcinatoare. Ca urmare, eficiența electrică și termică totală a centralei depășește 85%. Gazele de eșapament conțin 15% O 2, ceea ce permite aplicarea cu ușurință a postcombustiei la intrarea în uscător, în cazul în care este necesară o putere termică suplimentară. În plus, unitatea a fost instalată în doar două săptămâni în aceeași zonă cu o turbină cu gaz radială mai veche, existentă anterior. ■
-Aaron Larson este editorul executiv al POWER.