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Vortragsinhalt
• Funktion und Aufbau
• Hersteller, Bauformen
• Rekuperatorparameter
• Besonderheit der Konstruktion
• Regelung; Regelbarkeit
• Vergleich mit anderen Systemen
• Wirkungs- und Nutzungsgrade
• Schadstoffemissionen
• Nutzung in Kraft-Wärme-Kopplung
• Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
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Herkunft der µTn
• Die Grundlagen für die Entwicklung der µTn kommen aus der Kraftfahrzeug-bzw. der Luftfahrtindustrie
Die Form des Verdichters und der Turbine ähneln denen von Abgasturboladern.
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Herkunft der µTn
• Die Grundlagen für die Entwicklung der µTn kommen aus der Kraftfahrzeug-bzw. der Luftfahrtindustrie
Die Stromerzeugung über einen schnelllaufenden Permanentmagnet-Generator ist dem bei Flugzeughilfsantrieben ähnlich.
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Herkunft der µTn
• Die Grundlagen für die Entwicklung der µTn kommen aus der Kraftfahrzeug-bzw. der Luftfahrtindustrie
Bei der µT befindet sich diese zusammen auf einer Welle.
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Funktionsprinzip (Beispiel Capstone-Turbine)
und im Rekuperator mit den heißen Abgasen vorgewärmt.
Die heißen Gase werden in der Turbine entspannt.
Vor dem Austritt aus der Turbine geben die Abgase ihre Wärme wiederum an die Verbrennungsluft ab.Kamin
Die Abgase verlassen die Turbine in
Richtung Kamin oder zum Wärmenutzer
In der Brennkammer wird der Brennstoff hinzugegeben und entzündet.
Die Verbrennungsluft tritt durch den Generator ein und kühlt diesen dabei.
Im Radialverdichter wird die Luft auf etwa 4 bar verdichtet
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Mikroturbinen-Hersteller
Honeywell Power Systems (75 kWel)
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Mikroturbinen-Hersteller
Capstone (30 kWel, 60 kWel )
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Mikroturbinen-Hersteller
Elliott (45 kWel, 80 kWel)
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Mikroturbinen-Hersteller
ABB/ Volvo (Turbec) (ca. 100 kWel)
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Mikroturbinen-Hersteller
NREC (70 kWel)
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Das elektronische Getriebe
G
=
=
==
Luft
BrennstoffBrenn-
kammerAbgas
Verdichter Turbine
Hochgeschwindigkeits-Wechselstromgenerator
AC/DC-Wandler DC/AC-Wandler
BidirektionalerDC/DC Wandler
AkkusEigenstrom-versorgung
Verbraucher
hochfrequenterWechselstrom
Hochspannungs-gleichstrom
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Teillastverhalten von µT mit Drehzahlregelung, Ein- und Zweiwellen-Industriegasturbinen
20%
40%
60%
80%
100%
20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Last
Rel
ativ
erW
irku
ng
sgra
d
Drehzahlregelung
Zweiwellen-GT, konstante Drehzahl
Einwellen-GT, konstante Drehzahl
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Schaltung von Gasturbinen
Gasturbine ohne Rekuperator(„nicht rekuperiert“) bei Kraftwerks- und Industrieturbinen üblich
Gasturbine mit Rekuperator(„rekuperiert“)bei Mikroturbinen üblich
Verdichter VerdichterTurbine Turbine
Brennkammer
Brennkammer
Rekuperator
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Gasturbine mit Rekuperator
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Turbinenwirkungsgrad
(ideal)
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Besonderheiten der Technologie
• Elektronisches Getriebe
� keine Synchronisationseinrichtungen nötig
• Inselbetriebsfähigkeit
• Geringe Abgasemissionen (NOx < 30 mg/m3)
• Geringe Wartungskosten
• Geringe Schallemissionen (ca. 65 dB(A))
• Geringes Gewicht, kompakte Bauweise
• Abgastemperaturen von etwa 280 °C
� für KW(K)K nutzbar
• Verschiedene Brennstoffe möglich (Erdgas, Flüssiggas, Fackelgas, Klärgas, Kerosin und Heizöl)
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Industriegasturbinen
• elektrische Leistung 0,5 - 10 MW• Brennkammerdruck 9,0 - 16,0 bar• Brennkammertemperatur > 1100°C• Abgastemperaturen 450 - 550 °C• Lambda-Werte ca. 3,2 - 4,5• mechanisches Getriebe, konstante
Drehzahl, Teillast nur durch Brennkammertemperaturabsenkung
• ansprechende NOx-Emissionen• hohe Schallemissionen• Start- / Stop - Empfindlichkeit
Mikrogasturbinen
• 30 - 200 kW• 3,5 - 4,5 bar• < 950 °C• ca 250-300 °C nach Rekuperator• bis ca. 8,5• “elektronisches Getriebe”, Teillast
durch Drehzahlregelung
• sehr niedrige NOx-Emissionen• niedrige Schallemissionen• bis zu 1.000 Starts im Jahr
gewährleistet
Vergleich der Industriegasturbinen mit Mikroturbinen
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Vergleich von Gasmotoren mit Mikroturbinen
Anlagengröße 30 - 75 kW Mikroturbine Gasmotor
spezifische Investitionskosten KWK-Anlage DM/kWel 2500 - 3000 2500 – 3500
Wartungskosten Pf/kWhel 1,0 - 1,5 ++ 3,5 – 4,5
Wartungsintervalle Bh 8000 ++ 2000
el. Wirkungsgrad % 26 - 28 28 – 31 +
Primärenergieausnutzung % 73 - 78 85 ++
Abwärmetemperaturniveau hoch + niedrig
Kühlwasser erforderlich nein + ja
benötigter Gasvordruck barü 3,8 0,03
Abmessungen rel. klein +
Gewicht rel. gering +
NOx - Emissionen g/MWhBr 55 ++ 250
Schallemissionen dB(A) in 1m 65 o 65 o
Wertung: o gleich, + Vorteil, ++ großer Vorteil
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Relative Wirkungsgrade
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
50% 60% 70% 80% 90% 100%
Rel
ativ
erW
irku
ng
sgra
d
PAFCCapstone-MTGasmotorGasturbine
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Schadstoffe
8 60
100
200
300
400
500
600
CO NOx
[mg
/Nm
³]Gasmotor Normalbetrieb Gasmotor Magerbetrieb Capstone Mikroturbine
Vergleich Emissionen Gasmotor - Gasturbine
NOx Grenzwert Motor
CO Grenzwert Motor
CO Grenzwert Turbine
NOx Grenzwert Turbine
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ISO-Bedingungen (Capstone-Daten)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 6 11 16 21 26 31
elektrische Leistung [kW]
Wir
kun
gs-
bzw
.Nu
tzu
ng
sgra
d[%
]
Wärme (Abgasaustrittstemperatur 60 °C)
Wärme (Abgasaustrittstemperatur 80 °C)
Wärme (Abgasaustrittstemperatur 100 °C)
elektrisch
Wirkungs- und Nutzungsgrade
Ökosteuergrenze
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Absorptionskältemaschine
AKM York WFC 10
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Schaltschema KWKK mit Mikroturbine
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Technische Daten Absorptions-Kältemaschine
Kälteleistung, Q0 35 kW 33 kW 27 kW
Kaltwassertemperaturen +7 / +12,5 °C +7 / +12,3 °C +7 / +11,3 °C
Kaltwasser- Volumenstrom 1,5 l/s = 5,4 m³/h 1,5 l/s = 5,4 m³/h 1,5 l/s = 5,4 m³/h
Heizwasserleistung 50 kW 50 kW 50 kW
Heizwassertemperaturen +93 / +87,7 °C +93 / +87,7 °C +93 / +87,7 °C
Heizwasser-Volumenstrom 2,25 l/s = 8,1 m³/h 2,25 l/s = 8,1 m³/h 2,25 l/s = 8,1 m³/h
Kühlleistung, Qc 85 kW 83 kW 77 kW
Kühlwassertemperaturen +26 / +31 °C +28 / +32,9 °C +30 / +34,6 °C
Kühlwasser-Volumenstrom 4 l/s = 14,5 m³/h 4 l/s = 14,5 m³/h 4 l/s = 14,5 m³/h
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Messergebnisse : Wirkungsgrade
Vergleich Elektr. Wirkungsgrad Hersteller / MeßwerteDatenbasis vom 4.10.1999
1012141618202224262830
0 5 10 15 20 25 30 35
Elektrische Leistung (ISO) [kW]
elek
tr.W
irku
ng
sgra
d[%
]
ETA_el_ISO._Kor. [%] Herstellerangaben [%] Polynomisch (Herstellerangaben [%])
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Messergebnisse : Abgasdaten
Vergleich Hersteller / Meßwerte
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
0 5 10 15 20 25 30 35
Elektrische Leistung (ISO) in kW
Ab
gas
tem
per
atu
rin
°C
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
Ab
gas
mas
sen
stro
min
kg/h
Abgastemperatur [°C] Herstellerangaben [°C] Abgasmassenstrom [kg/h]
Herstellerangaben [kg/h] Polynomisch (Herstellerangaben [kg/h]) Polynomisch (Herstellerangaben [°C])
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Fazit:
• Eine interessante Technik mit einem großen
Anwendungsfeld im kleinen Leistungsbereich
• Eine Möglichkeit auch im kleinen Leistungsbereich
den Ökosteuervorteil zu nutzen
• Auf dem Markt verfügbar
• Ein Zwischenschritt zur Brennstoffzellentechnik
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Dipl.-Ing. Wolf Schieke