Die Mikrogasturbine

Zünder der Brennkammer gewechselt. Die Lebensdauer der Mikrogasturbine beträgt ca. 80.000 Stunden, was 10 Jahren Betriebszeit entspricht. Alle 20.000 Stunden sollten interne Filter, Injektoren und Thermoelement erneuert werden und nach ca. 5 Jahren (bei 40.000 Stunden) sollte die Mikro-gasturbine einer Rekonditionierung (Turbinencore) unterzogen werden.

Die Mikrogasturbine kann vom Anzeigefeld aus konfiguriert und gesteuert werden. Es befindet sich vorne über dem Lufteintritt und enthält einen Tastenblock, ein Anzeigefenster, Navigationstasten und Systemsteuerungstasten.

Mikrogasturbinen sind Einwellenmaschinen. Alle Aggregate der Turbine wie Permanent-Magnet-Generator, Verdichter oder Turbinenrad sitzen hintereinander auf einer Welle.

Diese Antriebswelle Bild 3.19 dreht sich mit bis zu 100.000 U/min. Zum Start der Turbine dient der Generator als Motor, der die Turbine zunächst auf eine Startdrehzahl von ca. 25.000 U/min antreibt. Er erhält seine Energie im Netz-parallelbetrieb aus dem Stromnetz, im Insel-betrieb von Akkus. Nach der Zündung übernimmt der Generator die Last und erzeugt einen

Wechselstrom mit einer Frequenz von 1.600 Hz. Bild 3.19 Antriebswelle der Mikrogasturbine [E-quad Power Systems GmbH]

Der erzeugte hochfrequente Wechselstrom 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. Der niederfrequente Wechselstrom wird ins öffentliche Netz netzsynchron eingespeist.

Auf Bild 3.20 ist die Turbine mit Brennkammer und Luftfilter abgelichtet. Die Capstone CR 65 saugt etwa 0,5 kg/s (2300 Nm³/h) Luft an, sodass sie bei einem hohen Luftüberschuss (Luftverhältnis λ liegt zwischen 6 und 9) betrieben wird. Die Luft wird über den Generator geleitet, der dabei abgekühlt wird.

Die angesaugte Luft wird anschließend im Verdichter, der auf der Antriebswelle angebracht ist, auf etwa 3,8 bar komprimiert. Die verdichtete Luft wird im Rekuperator (Gegenstrom-Wärmetauscher) auf etwa 550°C vorgewärmt. Dadurch erhöht sich der elektrische Wirkungsgrad der Mikrogasturbine von ca. 26%

auf bis zu 30% bei idealen Betriebsbedingungen.

Der aufbereitete und in einem externen Verdichter auf ca. 5,5 bar komprimierte Brennstoff wird durch Einspritzdüsen (Injector) der Brennkammer zugeführt. Es entsteht ein Gas-Luft-Gemisch, welches in einer konstanten Flamme in der Brennkammer verbrannt wird. Die kontinuierliche Verbrennung in der

1 Brenngaszufuhr (Injector) 2 Brenngaszufuhr (Injector) 3 Zünder (Ignitor)

4 Brenngaszufuhr (Injector) 5 Ventilblock

6 Papierfilter (Luftzufuhr)

Bild 3.20 Brennkammer der Mikrogasturbine

7 Abgasrohr 1

2

3 4 5 6

7

Mikrogasturbine ist eine weitere Besonderheit in Vergleich zum Gasmotor, bei dem in jedem Arbeitsvorgang eine Zündung erfolgen muss. Die heißen Rauchgase zünden in der Rückströmung das eingeleitete Biogas und gewährleisten somit eine durchgängige Verbrennung. Dadurch kann die Mikrogasturbine besser mit Qualitätsschwankungen des Brenngases zurechtkommen als herkömmliche Gasmotoren.

3.4.2.1 Technische Daten der Mikrogasturbine

Die Tabelle 3.10 des Anlagenherstellers gibt einen Überblick über die technischen Daten der Mikrogasturbine CR 65, die sowohl mit als auch ohne externen Verdichter bezogen werden können.

Kennwerte Hochdruck Externer Verdichter

Elektrische Nennleistung 65 kW 61 kW

Elektrischer Wirkungsgrad 29% 27%

Thermische Leistung 126 kW 126 kW

Gesamtwirkungsgrad 85% 83,4%

Spannung / Frequenz 400VAC / 50 Hz 400VAC / 50 Hz

Anschlussart 3 - Phasen, 4 - Adern 3 - Phasen, 4 - Adern Maximaler Ausgangsstrom 100A im Netzparallelbetrieb

125A im Inselbetrieb

100A im Netzparallelbetrieb 125A im Inselbetrieb Brennstoffdaten

Erdgas (Hs) 9,2 – 14,2 kW/m³ 9,2 – 14,5 kW/m³

LPG (Flüssiggas) (Hs) 26,0 – 30,5 kW/m³ 26,0 – 30,5 kW/m³

Brennstoffeinsatz (Hj) 224 kW 224 kW

Eingangsdruck 4,8 - 5,2 bar 0,02 – 1 bar

Über die Turbinenschaufeln erzeugt der Volumenstrom des verbrannten Gas-Luft-Gemischs mit ca. 3,5 bar ein Drehmoment, durch das die Welle angetrieben wird. Das heiße Abgas entspannt sich dabei auf Umgebungsdruck und wird von 850 °C auf 600°C abgekühlt. Dieses Abgas wird erneuert in den Rekuperator eingeleitet, wo es sich auf etwa 300°C abkühlt.

Die heißen Abgase können zu Trocknungs-zwecken, zur Warmwasser- und Dampfer-zeugung oder sogar zur zusätzlichen Stromer-zeugung in einer ORC-Anlage (Organic-Rankine-Cycle) genutzt werden.

Bild 3.21 Skizze der Turbine (Greenvironment GmbH)

Luft- / Abgaswerte

Verbrennungs- / Kühlluft 2.400 m³/h 2.400 - 3.600 m³/h

Abgasmassenstrom 0,49 kg/sec 0,49 kg/sec

Abgastemperatur 309 °C 309 °C

Abgasleistung / Direkttrocknung 148 kW 148 kW

Ausmaße und Gewicht

Breite / Tiefe / Höhe inkl.

Wärmetauscher 770 x 1.960 x 2.800 mm 770 x 1.960 x 2.800 mm

Gewicht Netzparallel 958 kg 958 kg

Gewicht Inselbetrieb 1.068 kg 1.068 kg

Lautstärkeemission

Akustische Emissionen bei

Vollleistung 65 dBA in 10m 65 dBA in 10m

Tabelle 3.10 Technische Daten Capstone CR 65

Laut Hersteller hat die Mikrogasturbine C 65 eine elektrische Leistung zwischen 45,7 und 65 kW und Wirkungsgrad von 24,7 bis 30,4 % bei der thermischen Verwertung von Erdgas. Diese Werte ändern sich in Abhängigkeit von der Temperatur der zugeführten Luft und sind bei optimalen Bedingungen, also bei konstantem Gasdruck und hohem Methangehalt, gemessen worden. Des Weiteren spielt der Luftdruck eine wichtige Rolle, bei Aufstellungsorten nahe dem Meeresspiegel sind bessere Wirkungsgrade zu erwarten als in höher gelegenen Regionen. Das Bild 3.22 stellt die elektrische Leistung und den elektrischer Wirkungsgrad der Mikrogasturbine C 65 in Abhängigkeit von der Lufttemperatur dar. Da Biogas im Vergleich zu Erdgas einen niedrigen und eher schwankenden Methangehalt aufweist können die im Diagramm dargestellten Werte beim Betrieb der Turbine mit Biogas eher unterschritten werden.

Elektrischer Wirkungsgrad und elektrische Leistung der Mikrogasturbine Capstone C 65

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

Lufttemperatur [C]

el. Wirkungsgrad [kW]; el. Leistung [kW] el. Wirkungsgrad

el. Leistung

Bild 3.22 Elektrischer Wirkungsgrad und elektrische Leistung der Mikrogasturbine C 65

3.4.2.2 Verfügbarkeit der Mikrogasturbine

Die in diesem Projekt eingesetzten Mikrogasturbinen sind die Capstone Mikrogasturbinen CR 65. Diese Mikrogasturbinen werden von einem führenden Hersteller der BHKW (www.capstoneturbine.com) hergestellt. Auf dem deutschen Markt werden die Mikrogasturbine von Capstone durch Firmen Greenvironment GmbH und E-quad Power Systems GmbH vertrieben.

Die Firma Greenvironment GmbH bietet den Biogasanlagenbetreibern ein innovatives Konzept zur Ver-wertung von Biogas in den Mikroturbinen. Es handelt sich hier um ein angebotenes brennWERT Konzept, bei dem ein Biogasanlagenbetreiber das Biogas an die Greenvironment verkauft. Die Greenvironment GmbH betreibt die Mikrogasturbinen und kümmert sich um die optimale Verstromung und Wärmeanwendung des gekauften Biogases.

Nach der Insolvenz der SOLO Stirling und der nachfolgenden Absprache mit dem Projektträger wurde in Rahmen dieses Projektes zwischen der Universität Hohenheim und der Firma Greenvironment GmbH eine Kooperationsvereinbarung für die Zusammenarbeit abgeschlossen. Die Universität Hohenheim hat in Rahmen abgeschlossener Kooperation eine Möglichkeit erhalten die Messdaten bzw. Betriebs-parameter der Mikrogasturbinen an der Biogasanlage in Kupferzell aufzunehmen.