Gasturbiner finns i olika storlekar. Medan stora förbränningsturbiner tycks få den största delen av publiciteten, där Siemens, GE och Mitsubishi Hitachi Power Systems gör mest väsen av sig, har flera mindre företag upptäckt nischer på marknaden för mikroturbiner. Deras innovativa konstruktioner är särskilt intressanta inom de kommersiella och industriella segmenten.
När många människor tänker på mikroturbiner tänker de ofta på små enheter som producerar så lite som 30 kW effekt. Sådana enheter är visserligen nya, men branschen har utvecklats mycket under det senaste decenniet och multipack-enheter kan numera nå upp till 30 MW i total kapacitet.
Konsultföretaget ICF Inc. upprätthåller en databas över installationer för kombinerad värme och kraft (CHP) för det amerikanska energidepartementet. Den anses vara den mest omfattande informationskällan om kraftvärmeanläggningar i landet. ICF rapporterade nyligen att mikroturbiner tog en marknadsandel på 25 % av de amerikanska kraftvärmeinstallationerna i intervallet 100 kW-5 MW under perioden 2013-2017. Det var ett nytt rekord.
Enligt databasen var den totala installerade kapaciteten för kraftvärmesystem på mindre än 5 MW 2 631,4 MW i slutet av 2017. ICF förutspår att den årliga installerade kapaciteten för kraftvärme i USA kommer att öka från 561 MW år 2017 till så mycket som 1 400 MW år 2026. Tillväxten förväntas drivas av mindre kommersiella tillämpningar som vanligtvis är kompatibla med mikroturbinteknik.
”Med tanke på de rekordlåga gaspriserna och dess stabilitet inom en överskådlig framtid utgör utvecklingen av kraftvärmeprojekt en attraktiv möjlighet med flera intäktsströmmar – ånga som säljs till värdar för industriella processer och elkraft som säljs till elnätet”, säger Siraj Taj, chef och ägare av ST Power Services Consultants, till POWER. ”Kommersiella och industriella konsumenter bedömer den ekonomiska lönsamheten för kraftvärme bakom stängslet för att minska driftskostnaderna, förbättra tillförlitligheten, uppnå energieffektivitetsmål och minska sitt koldioxidavtryck”, tillade han.
Powering Industrial Processes
För nästan tio år sedan rapporterade POWER om tillväxten av mikroturbinsystem (se ”Microturbine Technology Matures” i novembernumret 2010). Capstone Turbine Corp, som hävdar att det är världens ledande utvecklare och tillverkare av system för elproduktion med mikroturbiner, saluförde redan då enskilda enheter med en kapacitet på upp till 1 MW. I dag kan alla Capstones enheter parallellkopplas med en kapacitet på upp till 30 MW.
För att förstå var dessa paket kan vara fördelaktiga kan man tänka på Felsineo La Mortadella. Företaget är ett italienskt livsmedelsföretag som tillverkar en finmalet, värmebehandlad fläskkorv. Företaget presenterades i en fallstudie som publicerades på Capstones webbplats.
Felsineo ville uppgradera elproduktionssystemet vid sin primära tillverkningsanläggning i Bologna. Man ville ha ett system som kunde hantera en ökad produktion av mättad ånga för korvtillverkning.
Företaget bestämde sig för att installera Capstones naturgasdrivna C1000-mikroturbin (figur 1) tillsammans med en gaskompressor och en lösning för ånggenerator med efterförbränning. Felsineo-projektet var Capstones första mikroturbin som använde en lösning med efterförbränningsånga, som framgångsrikt uppfyllde både anläggningens el- och värmebehov. Tillverkningsanläggningens totala effektivitet förbättrades med 30 %, vilket enligt fallstudien innebar en besparing för Felsineo på cirka 300 000 euro per år.
1. Capstone Turbine Corp. erbjuder en serie mikroturbiner från sin 30 kW C30-konstruktion (här visas en utklippning) till sin 1 MW C1000S-enhet. Med vänlig hälsning: Capstone Turbine Corp.
”Capstones nya produktserie Signature Series gör betydande framsteg på kraftvärmemarknaden, som är särskilt inriktad på att öka den vertikala marknaden för energieffektivitet och fortsätta att diversifiera Capstones affärsverksamhet”, säger Jim Crouse, Capstones vice VD för försäljning och marknadsföring, i ett pressmeddelande om tillväxten på kraftvärmemarknaden.
Världens mest effektiva lilla gasturbin
Aurelia Turbines är en relativt nykomling på marknaden – företaget grundades 2013 – men dess teknik har varit under utveckling i årtionden. Företagets huvudkontor och tillverkningsanläggningar ligger i Lappeenranta, Finland. Platsen är viktig eftersom Aurelia arbetade i samarbete med Lappeenranta University of Technology för att utveckla sin nya gasturbin.
Enligt Aurelias vd Matti Malkamäki är Lappeenranta ”lite som ett Silicon Valley för höghastighetsteknik”. I en exklusiv intervju med POWER sade Malkamäki att han särskilt etablerade företaget i Lappeenranta på grund av ”det kunnande” som fanns i området. ”I de tidiga faserna var det fem olika professorer från universitetet och deras respektive forskargrupper, sammanlagt mer än 30, som konstruerade turbinen. Utan dem skulle den här produkten aldrig ha sett dagsljuset”, sade han.
Aurelias gasturbin använder vad företaget kallar en IRG2-process (intercooled and recuperated generator on two spools). Även om turbiner med flera spolar och återvunna/interkylda turbiner finns i andra former är Aurelias A400-turbin den första i sitt slag som utnyttjar alla dessa funktioner i samma enhet (figur 2).
2. Det här diagrammet visar IRG2-processen (intercooled and recuperated generator on two spools). De viktigaste komponenterna i Aurelias konstruktion omfattar lågtryckskompressorer (LP) och högtryckskompressorer (HP), turbiner och generatorer. Med vänlig hälsning: Aurelia Turbines
Det lönar sig att förbättra effektiviteten. Aurelia hävdar att man har de mest effektiva små gasturbinerna i världen baserat på elektrisk effektivitet.
”Vi gör inga mirakel här”, förklarade Malkamäki. ”Den största skillnaden för oss jämfört med andra gasturbiner av liknande storlek är helt enkelt det faktum att vi har två axlar. Vi har en lågtryckaxel och en högtryckaxel. Det innebär att vi har två generatorer. De är båda utan växellådor, så de är höghastighetsaxlar. Och vi har lågtryckskompressorn, varefter vi har en intercooler som gör resten av omvandlingsprocessen mycket effektivare eftersom luften då blir tätare och svalare. Sedan har vi en rekuperator – detta är alltså en rekupererad turbin – men vi har ett lite högre tryckförhållande i förbränningskammaren än alla andra turbiner av liknande storlek. Detta ger oss en liten fördel.”
Medan Capstone-designen är väl lämpad för kraftvärmeanläggningar där avgasvärmen kan utnyttjas för att förbättra den totala effektiviteten, har Aurelia inriktat sig på tillämpningar där elektricitet är den drivande kraften bakom beslutet att installera en turbin. Aurelia-turbinen kan fortfarande användas i kraftvärmeapplikationer, men beroende på de särskilda kraven på platsen kan en kanalbrännare också behövas.
”Vi konkurrerar mer med gasmotorer”, säger Malkamäki. På det området erbjuder Aurelia större bränsleflexibilitet och lägre utsläpp. ”Vi har ett mycket större fönster för de olika bränslena. Vi kan använda mycket magra biogaser som inte lämpar sig för motorer. Det är här vi ser den första marknadsnischen för oss.”
En annan unik funktion som utformats i Aurelia-turbinen är aktiva magnetlager. Lagren kräver ingen olja, vilket eliminerar risken för läckage och minskar underhållet. Konstruktionen är inte ny. Sulzer, som också finns i Lappeenranta, använder liknande lager i en del av sin utrustning, t.ex. i höghastighetsturbokompressorer för avloppsreningsverk och flera andra. Framgången i dessa tillämpningar gav Aurelia förtroende för det lagersystem som används i turbinkonstruktionen.
”I den här branschen handlar allt om tillförlitlighet och att visa att man är ett pålitligt företag”, säger Malkamäki. Aurelia försöker göra allt man kan ”för att föra talan”, tillade han.
Allmänna kraftvärmelösningar
Brittiska Centrax är en annan leverantör av lösningar för små gasturbiner. I oktober 2017 beställde det också ett projekt i Bologna i Italien. Den anläggningen använder två CX501-KB5 DLE-generatoraggregat, som var och en ger upp till 3,9 MW elkraft, kopplade till industripannor som har kapacitet att ge värme till cirka 8 000 hushåll i staden. De två paketen drivs av Siemens 501-K gasturbiner.
Hera, det multiutilitetsföretag som äger anläggningen, investerade mer än 17 miljoner euro i projektet, som är placerat vid en anläggning som har varit i drift sedan 1990-talet. Drivkraften bakom uppgraderingen var att öka energieffektiviteten och den miljömässiga hållbarheten, enligt företaget. En del av den gamla anläggningen revs i maj 2015 och kraftverket började mata fjärrvärmenätet på mindre än 18 månader.
”Generatoraggregaten 501-KB5 DLE är väl lämpade för det här projektet och förser Hera med en kompakt men ändå kraftfull lösning som möjliggör utmärkt flexibilitet när och när värme och kraft behövs”, säger Chris Dumont, verkställande direktör för försäljning och marknadsföring på Centrax, i ett pressmeddelande där man meddelar att anläggningen har öppnat. ”Tack vare ny teknik kan Hera styra anläggningen från en fjärrcentral vilket gör att det krävs minimalt med personal på plats.”
OPRA Turbines, ett nederländskt koncernbolag till Dalian Energas, erbjuder ännu ett litet gasturbinpaket. Dess gasturbin OP16 har en helt radiell konstruktion. Den sägs vara unik eftersom dess avancerade förbränningssystem ger möjlighet att hantera ett brett spektrum av flytande och gasformiga bränslen. OP16:s måttliga tryckförhållande gör det möjligt att arbeta med lågt tryck i bränslegasen, och den kan utrustas med förbrännare med låga utsläpp eller förbrännare för bränslen med låg Btu-halt. Enligt företaget kan dess unika förbränningsteknik förvandla smutsig bränslegas som annars skulle facklas, ventileras eller helt enkelt slängas till ”grön el och ren avgas”.
Ett exempel på OPRA:s lösning i praktiken finns vid en produktionsanläggning för gipsskivor från Siniat i Nederländerna. Siniats process krävde kontinuerlig tillförsel av 5,8 MWth och 1,8 MWe. Efter att ha studerat sina alternativ beslutade företaget att använda OP16-gasturbinen i ö-läge. Avgaser som lämnar turbinen vid 575 C leds direkt till torkarna och kalcinatorerna. Detta gör att anläggningens totala elektriska och termiska verkningsgrad överstiger 85 %. Avgaserna innehåller 15 % O 2, vilket gör att man enkelt kan efterförbränna dem vid inloppen till torkarna om ytterligare värmeeffekt behövs. Dessutom installerades enheten på bara två veckor i samma område som en äldre, tidigare befintlig radiell gasturbin. ■
-Aaron Larson är POWER:s chefredaktör.