Arbeitsgebiet

Subatmosphärische Mikrogasturbine



Subatmosphärische Mikrogasturbinen (MGTs) auf Basis des invertierten Brayton Kreislaufes (Inverted Brayton Cycle, IBC) stellen in besonderen Einsatzbereichen eine vielversprechende Lösung dar. Vorteilig gegenüber dem konventionellen Gasturbinenkreislauf ist, dass kein Brenngaskompressor benötigt wird und die eingesetzten Turbokomponenten größere Raddurchmesser und somit höhere Wirkungsgrade aufweisen als bei einer druckaufgeladenen Variante gleicher Leistung. Darüber hinaus verfügt die Leistungselektronik aufgrund der niedrigeren Wellendrehzahlen über eine höhere Effizienz. Ein weiterer Vorteil der subatmosphärischen Mikrogasturbine ist die Möglichkeit der Vorwärmung der Frischluft mit der Restwärme des über den Kamin abgeleiteten Abgases. Somit wird der thermische Wirkungsgrad verbessert. Zudem kann die Luftansaugung/Abgasleitung in einem Abgaskamin realisiert werden. Nachteilig wirkt sich hingegen der bei vergleichbarer Leistung größere und damit teurere Rekuperator aus.

Im Bereich von Mikro-Blockheizkraftwerken mit einer elektrischen Leistung von 1-3 kW ermöglicht dieses Kraftwerkssystem aufgrund des geringeren Luftmassendurchsatzes im Vergleich zur druckaufgeladenen Mikrogasturbine den Einsatz verfügbarer, kostengünstiger Turbokomponenten aus der Automobilindustrie. Erste Abschätzungen zeigen, dass somit prinzipiell ein technisch und wirtschaftlich sinnvoller Betrieb eines MGT-basierten Mikro-BHKWs erreicht werden kann.

Der Verzicht des Brennstoffkompressors wirkt sich insbesondere bei der Verwertung von Schwachgasen mit geringstem Heizwert und Schwachgasen mit Wasserstoffanteil vorteilhaft aus. Die erreichbaren Effizienzsteigerungen zeigen sich insbesondere bei Anlagen im unteren Leistungsbereich. Bei der Nutzung von wasserstoffhaltigen Schwachgasen spielen zudem Sicherheitsaspekte eine wesentliche Rolle, die die Auslegung und Fertigung und damit die Kosten des Brennstoffkompressors deutlich erhöhen.

Funktionsweise

Im Gegensatz zum konventionellen Gasturbinenkreislauf auf Basis des Brayton Kreislaufes wird bei der subatmosphärisch betriebenen Mikrogasturbine (siehe Bild 1) die Umgebungsluft zuerst durch den Rekuperator (4) geleitet.  Dort wird diese mittels der Abwärme der Verbrennungsabgase erwärmt. Anschließend wird die vorgewärmte Prozessluft der Brennkammer (3) zugeführt und mit dem Brennstoff vermischt. Die Verbrennung erfolgt hierbei unter atmosphärischen Bedingungen. Die heißen Verbrennungsabgase werden anschließend über die Turbine (2) in den Unterdruck entspannt und durch den Rekuperator (4) geführt. Um einen möglichst hohen Verdichterwirkungsgrad zu erreichen, muss das Rauchgas nach dem Rekuperator weiter abgekühlt werden. Hierzu wird dieses vor der Kompression (1) auf Umgebungsdruck durch einen Wärmetauscher und/ oder Kühler geleitet. Der größere Teil der abgegebenen Turbinenleistung wird zur Kompression der Prozessluft benötigt. Die überschüssige mechanische Leistung wird durch einen Permanentmagnetgenerator in elektrische Energie umgewandelt.

 Bild 1: Schematische Darstellung eines konventionellen (links) und subatmosphärischen (rechts) Mikrogasturbinenkreislaufs (1.Verdichter, 2.Turbine, 3.Brennkammer, 4.Rekuperator)
zum Bild Bild 1: Schematische Darstellung eines konventionellen (links) und subatmosphärischen (rechts) Mikrogasturbinenkreislaufs (1.Verdichter, 2.Turbine, 3.Brennkammer, 4.Rekuperator)

Mikrogasturbinen-basiertes Mikro-Blockheizkraftwerk

Aktuell erfolgt in Ein-, Zwei- und Mehrfamilienhäusern die Deckung des Wärme- und Strombedarfs überwiegend getrennt voneinander. Während der Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen wird, erfolgt die Raumwärme- und Warmwassererzeugung vor allem mittels Öl- oder Gaskesseln. Der Anteil des Wärmebedarfs am gesamten Endenergieverbrauch in Deutschland beträgt hierbei über 40%.

Ein großer Teil der Anlagen für die Erzeugung von Raumwärme und Warmwasserbereitung entspricht nicht mehr dem Stand der Technik. So verfügen z.B. aktuell nur 20% über eine Brennwertheizung. Eine zügige Sanierung des Heizungsbestandes ist somit unverzichtbar für das Erreichen der Klimaziele.

Eine Alternative zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme bieten sogenannte Mikro-Blockheizkraftwerke oder auch stromerzeugende Heizungen genannt im Leistungsbereich kleiner 3 kWel. Aufgrund der gekoppelten Strom- und Wärmebereitstellung wird der eingesetzte Brennstoff effizienter und somit wirtschaftlicher und umweltverträglicher genutzt. Im Vergleich zur getrennten Erzeugung von Strom und Wärme sind die CO2-Emissionen von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)-Systemen bis zu 50% geringer.

Neben Kolbenmaschinen und Brennstoffzellen bieten sich Mikrogasturbinen (MGT) als Basis für Mikro-BHKW-Systeme an. Allerdings sind mit derzeit verfügbaren, kostengünstigen Turbokomponenten aus der Automobilindustrie nur Mikrogasturbinen-basierte Mikro-BHKWs mit einer elektrischen Leistung von ca. 3kW und größer realisierbar.

Ein Einsatz z.B. in einem Einfamilienhaus ist deshalb wirtschaftlich schwer darstellbar, da die erzeugte elektrische Leistung und die bereitgestellte Wärme den tatsächlichen Bedarf bei weitem überschreiten. Dies führt zu kurzen Betriebszeiten und hohen, unwirtschaftlichen Einspeiseanteilen in das öffentliche Stromnetz.

Aufgrund des geringeren Luftmassendurchsatzes des subatmosphärischen Konzepts kann im Gegensatz zur druckaufgeladenen MGT bei gleicher Bauteilgröße ein MGT-basiertes BHKW für die Leistungsklasse < 3 kWel realisiert werden.

Forschungsthemen

  • Berechnung und Auslegung eines subatmosphärischen MGT-Kreislaufes
  • Bewertung von Abwärmenutzungskonzepten
  • Aufbau einer Demonstrationsanlage zur Abbildung einer subatmosphärisch betriebenen Mikrogasturbine
  • Entwicklung, Erprobung und Charakterisierung eines schadstoffarmen und zuverlässigen Brennkammersystems mit Abgasrückführung und Integration in die Mikrogasturbine

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