Capstone MicroTurbine Technology. Aufbau einer MicroTurbine

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1 MICROTURBINE

2 Capstone MicroTurbine Technology Die Capstone MicroTurbine ist eine innovative Technik mit sehr geringen Emissionen, die keine Schmieröle oder Kühlmittel benötigt und geringe Instandhaltungskosten aufweist. Es handelt sich um eine modulierbare Stromerzeugungsanlage, die mit Brennstoffen wie Erdgas, Flüssiggas, Heizöl, aber auch mit regenerativen Gasen, wie Bio-, Klär- und Deponiegas, betrieben werden kann. Das Konzept von Capstone mit seiner kleinen Grundfläche, kompakten Größe und Portabilität bietet verlässliche und hohe Qualität, kombiniert Strom und Wärme oder auch Notstrom für Unternehmen. Aufbau einer MicroTurbine MicroTurbinen sind in der Regel Einwellenmaschinen, bei denen Generator, Verdichter und Turbine auf einer Welle befestigt sind. Die Verbrennungsluft tritt über den Generator in die MicroTurbine ein und kühlt diesen dabei. Anschließend wird die Luft im Kompressor auf etwa 4 barü komprimiert. Im Rekuperator wird sie durch die heißen Abgase vorgewärmt. In der Brennkammer kommt der Brennstoff hinzu und wird verbrannt. Die heißen Verbrennungsgase werden in der Turbine entspannt und treiben so Verdichter und Generator an. Nachdem die Abgase einen Teil ihrer Wärmeenergie im Rekuperator abgegeben haben, verlassen sie die µ-turbine in Richtung Abgaswärmetauscher bzw. Kamin. Dank der Rekuperatortechnik können elektrische Wirkungsgrade von 26% bis 33% erreicht werden. Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz und es können höhere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden. Durch wartungsfreie Luftlager kann auf den Einsatz von Schmierstoffen vollständig verzichtet werden.

3 Temperaturen in der MicroTurbine Funktionsbeschreibung der MicroTurbine Basis für die Entwicklung der MicroTurbinen war die Turboladertechnologie und die Entwicklungen in der Luftfahrtindustrie. Ähnlich wie bei den Hilfsantrieben in Flugzeugen wird der Strom über einen schnell laufenden Permanentmagnet-Generator, der ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Getriebes gekoppelt ist, erzeugt. Der Permanentmagnet des Generators ist hierbei direkt auf der Antriebswelle der Turbine angeordnet, so dass der Generator mit der gleichen Drehzahl wie die Turbine (z. B U/min) betrieben wird. Der so erzeugte hochfrequente Wechselstrom mit einer Frequenz von Hz wird in der Leistungselektronik der Turbine zunächst gleichgerichtet und dann in Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 400 V gewandelt. Zum Start der Turbine dient der Generator als Motor, der die Turbine zunächst auf eine bestimmte Startdrehzahl antreibt. Jetzt synchronisiert sich die Maschine automatisch mit dem Netz. Im Netzparallelbetrieb übernimmt dann nach der Zündung der Turbine der Generator die Last. Im Gegensatz zu herkömmlichen Industriegasturbinen erfolgt die Leistungsregelung der Turbinen - bedingt durch das "elektronische Getriebe" - über die Drehzahl. Aus diesem Grund weist die Mikrogasturbine im Teillastverhalten nur sehr geringe Wirkungsgradverluste auf.

4 Besonderheiten der MicroTurbinen Technologie Elektronisches Getriebe keine externe Synchronisationseinrichtungen nötig Teillastfähig von 0 100% Geringe Abgasemissionen (NOx < 20 mg/m³) Geringe Wartungskosten Geringe Schallemissionen (ca. 65 db(a)) Keine Vibrationen (Körperschall, Gebäude) Geringes Gewicht, kompakte Bauweise Abgastemperaturen von etwa 300 C für Kraft-Wärme-(Kälte-) Kopplung nutzbar Inselbetriebsfähigkeit Verschiedene Brennstoffe möglich (Erdgas, Flüssiggas, Biogas, Klärgas, Kerosin und Heizöl) Einsatzgebiete von MicroTurbinen Eine optimale Nutzung der Energie bringt die Kraft- Wärme- Koppelung, die eine gekoppelte Erzeugung und Nutzung von Strom und Wärme darstellt. In KWK s wird die Abwärme der Stromerzeugung über Wärmetauscher ausgekoppelt und als Nutzenergie bereit gestellt. Über die Wärmeverteilung kann sie vom Kraftwerk aus an einzelne Verbraucher verteilt und zum Heizen genutzt werden. Die MicroTurbinen eignen sich durch die kleinen Leistungseinheiten und den hervorragenden Betriebseigenschaften (nahezu konstanter Wirkungsgrad über ein breites Lastspektrum) ideal für die geregelte dezentrale Energieversorgung. Durch den Einsatz der MicroTurbine in der Kraftwärmekopplung können Gesamtwirkungsgrade bis zu 85% bei Standardheizungsanlagen mit Temperaturen von 60/80 C erreicht werden. Höhere Wirkungsgrade sind durch Optimierung der Wärmetauscher auf die Anwendungsfälle möglich. Eine andere Möglichkeit ergibt sich aus Senkung der Betriebstemperaturen oder der Durchflussmengen, wenn die Wärmeträgertemperatur abgesenkt wird. Da die MicroTurbine mit einem Lambda von 6-9 betrieben wird, liegt auch der Abgastaupunkt sehr niedrig. Durch die hohe Abgastemperatur v. 309 C nach der T urbine ist die Nutzung von Prozesswärme (Vorlauftemperatur bis 98 C) möglich. Der Vorteil der hohen Abgastemperatur zeigt sich auch bei der Kopplung mit einer Absorptionskälteanlage, dazu sind Heißwassertemperaturen von C notwendig. Der Vorteil der Ankopplung einer Absorptionskälteanlage liegt in der Erhöhung der Jahresbetriebsstundenzahl des BHKW s. So kann die MicroTurbine sowohl im Sommer wie auch im Winter mit hohen Nutzungsgraden betrieben werden. Eine solche Anlage eignet sich dadurch zur Grundlastversorgung von Gebäuden mit Strom-, Wärme- und Kältebedarf. Daher ergeben sich als potenzielle Einsatzorte Büro und Verwaltungsgebäude, sowie Gewerbe und Industrie mit einem konstanten Wärme- oder Kältebedarf. MicroTurbine in Kraft-Wärme-Kopplung MicroTurbinen eignen sich für den BHKW-Betrieb im Leistungsbereich von 30 bis 200 kw elektrischer Leistung. Um die vorhandene Abgaswärme zu nutzen, wird ein höchst effizienter und kompakter Abgaswärmetauscher nachgeschaltet, der die thermische Energie für die Heizung bereitstellt. Diese Lösung bringt einen hohen energetischen Nutzungsgrad, große betriebliche Flexibilität, geringe Treibhausgasemissionen und einen sehr guten wirtschaftlichen Nutzen für den Endverbraucher mit sich.

5 thermische Nutzung der Abgaswärme mit geringem abgasseitigem Druckverlust Einbindung in moderne Heizungssysteme Optimierung des Jahresnutzungsgrades Anpassung an die Stromtarifstruktur (Reduzierung der Spitzenleistung, Vermeidung des Betriebs in Schwachlasttarifzeiten) Hängender Abgaswärmetauscher (120 kw) zur Wärmeauskopplung Stehender Abgaswärmetauscher (120 kw) Stehender Abgaswärmetauscher (480 kw)

6 MicroTurbine in Kraft-Kälte-Kopplung Die MicroTurbine bietet in Kombination mit einer Absorptionskältemaschiene die Möglichkeit, Kälte für die Klimakühlung zu erzeugen und somit die Gesamtenergieversorgung eines Gebäudes zu gewährleisten. So wird Strom, Wärme und Kälte bereitgestellt, eine solche Installation erreicht Wirkungsgrade von bis zu 80% und eignet sich besonders in: gewerblich genutzte Hochhäuser große Supermärkte Krankenhäuser Banken Gewerbeeinheiten Abgaswerte Capstone MicroTurbine Die Emissionen der MicroTurbinen sind extrem gering, da sie im Gegensatz zu Industriegasturbinen mit höheren Luftüberschüssen (Lambda 6-8) und relativ geringen Brennkammerdrücken betrieben werden. Dadurch werden die Brennkammertemperaturen ( C) abgesenkt und bewirken somit geringe NO x - Emissionen (<15 ppm bezogen auf 15% O 2 ), die mit keiner vergleichbaren Technologie erreicht werden. Bypassklappe geschlossen 60 kw Teillast Verbrennungsluft im Ansaugbereich 10 C Abgastemperatur 313 C Sauerstoff (O2) im Abgasstrom 17,8 % Vol. Kohlenmonoxyd (CO) parts per million 15,2 ppm Kohlenmonoxyd (CO) O2-Bezug 15,0% 19 mg/m³ Stickstoffmonoxyd (NOx) 5,4 ppm Stickstoffmonoxyd (NOx) O2-Bezug 15,0% 11 mg/m³ Luftüberschuss berechnet 6,56 Lambda gemessen an CR65 (Leoben) Wartung und Kosten Da die Capstone MicroTurbinen mit Luftlagern ausgestattet und relativ einfach aufgebaut sind, ergeben sich Wartungsintervalle von Bh. Im Vergleich zu Kolbenmotoren gleicher Leistung, bei denen Öl-, Kerzen- und Filterwechsel nach weniger als Bh nötig sind, ergeben sich deutlich niedrige Wartungskosten. Teil Filter Verbrennungsluft Filter Kühlung Elektronik Brennstofffilter Thermoelemente und Zündung Brennstoffdüsen Heißgasteil (Empfehlung des Herstellers) Intervall 8000 Std Std Std Std Std Std.

7 MicroTurbine für regenerative Gase Durch ihren einfachen Aufbau eignet sich die Turbine besonders auch zum Einsatz mit regenerativen Gasen, wie: Biogas Klärgas Deponiegas MicroTurbinen eigenen sich durch ihre kompakte Bauweise (mit Integration von Verdichter, Turbine, Brennkammer, Rekuperator und Generator) ausgezeichnet für den Einsatz mit Schwachgasen. Das einzige bewegte Bauteil ist der schnell laufende Rotor, in dem Verdichter- und Turbinenlaufrad sowie Generatorläufer integriert sind. Bei der Verbrennung von Biogas ist der Gehalt von Schwefelwasserstoff (H 2 S) ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer der Motoren bzw. deren Wartungsaufwand. Das Methan des Biogases reagiert im Motor u. a. zu Wasserdampf. Durch den Feuchteeintrag können verschieden Säuren entstehen, diese werden vom Ölfilm der Zylinderwände aufgenommen und gelangen in den Ölkreislauf. Da die Lager mit diesem Öl geschmiert werden, werden sie durch diese chemische Belastung schneller verschleißen. Bei der Capstone Turbine sind keine Schmiermittel nötig, da der Rotor luftgelagert ist. Dadurch wird die bei Verbrennungsmotoren auftretende Korrosionsproblematik durch Säure-Anteile im Biogas vermieden. Der Hersteller Capstone gibt an, dass <2.000 ppmv H 2 S von der MicroTurbine vertragen werden. Auf diese Weise werden die Belastungen auf ein Mindestmaß reduziert und die Lebensdauer der Maschine erhöht. Ein großer Vorteil der Capstone MicroTurbinen ist die Toleranz hinsichtlich der Brennstoffqualität. So können Schwachgase bis zu einem Mindestgehalt von 30 % CH 4 problemlos verarbeitet werden. Weitere Vorteile sind die stufenlose und sekundenschnelle Regelbarkeit der Leistung zwischen 55 und 100%, das sehr gute Teillastverhalten, die hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer, die geringen Wartungs- und Unterhaltskosten sowie die extrem tiefen Emissionswerte.

8 Abwasserverband Grazerfeld 3 x CR65 Kläranlage Detmold 3 x CR65 Kläranlage Warendorf 2 x C65

9 Kläranlage Bad Kreuznach 1x C65 Kläranlage Darmstadt 1x C65 Kläranlage Jennersdorf 2x C200

10 Technische Daten Capstone MicroTurbinen Grunddaten C30 C65 C200 Gewicht 405 kg 758 kg 2270 kg Dimensionen L x B x H 1516 x 762 x x 762 x x 1700x 2490 Lärm 65 db in 10 m 70 db in 10 m 65 db in 10 m Luft C30 C65 Verbrennungsluft 1020 m³/h 1640 m³/h m³/h Elektronik Kühlung 782 m³/h 850 m³/h m³/h Lufttemperatur -20 bis 50 C -20 bis 50 C -20 bis 50 C Brennstoff C30 C65 Erdgas 11,8 m³/h 23,3 m³/h 65 m³/h Energie kwh/h Hu 115 kwh/h Hu 224 kwh/h Hu 615 kwh/h Hu Biogas (65% Methangehalt) 18m³/h 36 m³/h 100 m³/h H 2 S Gehalt <2.000 ppmv <2.000 ppmv <2.000 ppmv Nenndaten C30 C65 Elektrische Leistung 30 kw 65 kw 200 kw Thermische Leistung (bei 60/80) 70 kw 120 kw 280 kw Elektrischer Wirkungsgrad 26 % 29 % 33 % Elektrik C30 C65 Spannung 3 / max. 528V 3 / max. 528 V 3 / max. 528 V Max. Dauerstrom 46 A RMS 100 A RMS 290 A RMS Nennstrom 46 A 100 A 290 A Maximalstrom 58 A 145 A 290 A Sicherung 63 A 125 A 315 A Ausgangsleistung 38,2 kva 83 kva 200 kva Frequenz 50 Hz 50 Hz 50 Hz elektr. Leistungsaufnahme beim Start 3,5 kw für 30sec. 6,8 kw für 42 sec. 20 kw für 70 sec Cool Down 2,8 kw für 5 min. 2 kw für 90 sec. 6 kw für 300 sec. Abgassystem C30 C65 Abgastemperatur Ausgang Turbine in WT 275 C 309 C 280 C Abgasstrom 17 m³/min 25 m³/min 62 m³/min Kamindurchm. mindest. 150 mm 200 mm 300 mm Abgasenergie 90,85 kw 159 kw 380 kw Abgas Massenstrom 0,31 kg/s 0,49 kg/s 1,33 kg/s Kaminanforderung Dichtung C > 380 C > 380 C > 380 C zulässiger Gegendruck 15 mbar *) 15 mbar 15 mbar *) Gegendruck Abgassystem incl. WT Stand /Änderungen vorbehalten VTA Technologie GmbH Umweltpark 1 A Rottenbach Tel +43 (0) 7732 / 4133 Fax +43 (0) 7732 / technologie@vta.cc Web