Mikrogasturbinen: Mehr Energieeffizienz durch Eigenstrom

Energieeffizienz wird auch in kleinen und mittelständischen Unternehmen immer wichtiger. Wenn Unternehmen sich mit der Frage zur Energieeinsparung auseinandersetzen, können sie bares Geld sparen. Ein großer Schritt in Richtung Energieeffizienz kann mit der Capstone Mikrogasturbine (KWK-Anlage) gemacht werden. Sie ist die ideale Energieversorgungslösung für Unternehmen mit einem hohen Prozessenergiebedarf, der in den meisten Fällen teuer zugekauft werden muss.

Mikrogasturbinen sind kompakt, leicht und ruhig und bieten bei geringen Anschaffungskosten eine robuste und zuverlässige Lösung für den Energiebedarf.
Die Capstone Mikrogasturbine ist eine amerikanische Entwicklung, die seit dem Jahr 2000 kommerziell verfügbar ist. Die Turbine wird in der dezentralen Energieversorgung zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt. Durch die innovative und umweltfreundliche Technologie der Luftlagerung und des integrierten Wärmetauschers werden elektrische Wirkungsgrade von bis zu 33 % erreicht, wodurch die Mikrogasturbine für immer mehr Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten genutzt wird.

Capstone Mikrogasturbinen können mit einer Vielzahl von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen betrieben werden und verursachen sehr geringe Emissionen, wodurch sie eine saubere, grüne und verlässliche Energiequelle sind. Die Mikrogasturbine kann einzeln oder mehrfach installiert werden und funktioniert parallel zum oder unabhängig vom Leitungsnetz. Capstone Mikrogasturbinen sind kompakt, leicht und ruhig und sind eine robuste und zuverlässige Lösung für die anteilige Deckung des Energiebedarfs. Die Anwendungsmöglichkeiten sind extrem vielfältig. Wir möchten Ihnen nachfolgend drei Beispiele vorstellen. In allen drei Applikationen gibt es bereits mehrere erfolgreiche Referenzanlagen, die hohe Betriebsstundenzahlen erreichen und enorme Energieeinsparungen erzielen.

In Objekten, die ganzjährig Wärme, Kälte und Strom benötigen, ist es sinnvoll, den Einsatz und die Wirtschaftlichkeit dezentraler Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung zu überprüfen. Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung basiert auf der gleichzeitigen Gewinnung von Strom und Wärme, die für Heizzwecke und/oder für Produktionsprozesse genutzt werden können. Durch den Einsatz moderner Sorptionstechnik kann die erzeugte Wärme (Abwärme der Turbine) direkt zur Kälteerzeugung genutzt werden.

Die Nutzung der im Abgasstrom der Mikrogasturbine (circa 300 °C) anfallenden Wärmeenergie wird über einen Abgas-Wasser-Wärmeübertrager realisiert. Für den optimalen Betriebszustand einer Absorptionskältemaschine sind Vorlauftemperaturen von > 90 °C notwendig. Motorische Blockheizkraftwerke sind für die Kopplung mit Absorptionskältemaschinen weniger geeignet, weil sie den Kühlkreislauf des Motors nutzen, um damit Warmwasser zu erzeugen. Die erreichbaren Vorlauftemperaturen liegen in der Regel bei etwa 86 °C. Zudem sollte die Rücklauftemperatur nicht über 70 °C betragen, um einer Überhitzung des Motors entgegenzuwirken.

Die Absorptionskältemaschine wird zur Erzeugung von Kaltwasser (275 kW) genutzt und – abgesehen von der benötigten Hilfsenergie – durch Warmwasser angetrieben. Das dafür benötigte Warmwasser wird in dem Fall ausschließlich durch die Mikrogasturbine bereitgestellt. Die Mikrogasturbine bietet durch die simple Ankopplung einer Absorptionskältemaschine die Möglichkeit, die Gesamtenergieversorgung eines Gebäudes zu gewährleisten. Das beinhaltet Strom, Wärme und Kälte. Eine solche Installation erreicht Gesamt-Wirkungsgrade von bis zu 85 %. Diese Anwendung eignet sich vor allem für Gebäude mit einem hohen Bedarf an Prozessenergie (Strom, Kälte, Wärme).

Die Idee, überschüssige Abwärme aus der Stromerzeugung für Prozessdampf oder Heißwasser zu nutzen, ist nicht neu. Sie ist vielmehr ein logischer Schritt, weil heiße Abgase einer KWK-Anlage große Mengen wertvoller Energie enthalten. Während das heiße Ab­gas einer traditionellen KWK direkt über einen Wärmetauscher oder Abhitzekessel geleitet wird, speist es in dieser von SAACKE neu vorgestellten Lösung einen Gasturbinen-Abgas-Brenner. Saacke erschließt damit nicht nur Hochtemperatur-Prozesse für KWK-Anlagen, sondern macht die Produktion insgesamt flexibler und profitabler. Hier erzeugt eine Gasturbine 50 bis 1 000 kW elektrischen Strom und das Abgas wird als Verbrennungs(zu)luft für den Saacke-Gasturbinen-Abgas-Brenner verwendet, der in den nachgeschalteten Wärmeerzeuger feuert. Je nach Konfiguration dieses Wärmeerzeugers erzeugt eine solche KWK-Anlage Wärme, Dampf oder Heißwasser an konventionellen Wärmeerzeugern – und produziert wertvolle elektrische Energie.

Als Basis dient dabei die Capstone Mikrogasturbine und der Brenner der Firma Saacke aus der Serie DDZG-GTM. Die Brenner entwickeln max. bis 15 MW Feuerungsleistung, die direkt in den nachgeschalteten Wärmeerzeuger feuern. Prinzipiell arbeiten diese robusten Brenner mit nahezu allen flüssigen und gasförmigen Brennstoffen und eignen sich sogar für die thermische Verwertung problematischer Nebenstoffe. Turbine und Brenner können optional auch unabhängig voneinander betrieben werden.

Mikrogasturbine am Pulverofen: Das Abgas der Turbine wird direkt in den Pulverofen eingebracht. Die Temperatur beträgt ca. 200 °C. Der Abgasmassenstrom der Turbine beträgt 0,49 kg/s, woraus sich eine Wärmeleistung von 55 kW ergibt. Die Wärmeleistung der Turbine passt gut mit dem Leistungsbedarf des Pulverofens zusammen. Die Abgastemperatur liegt ebenfalls bei 200 °C. Der Wärmeinhalt des Ofenabgases wird anschließend mittels Wärmetauscher genutzt, um Warmwasser (ca. 90 °C) für Heizzwecke oder die Eloxalanlage zu erzeugen. „Seit 2013 betreiben wir zwei Mikrogasturbinen C65 (Turbine 1 am Pulverofen, Turbine 2 am Haftwassertrockner)“, erklärt Michael Nerbe, Geschäftsführer der Alucolor Oberflächenveredlung Verwaltungs GmbH in Chemnitz. „Es konnte eine 100 %ige Beheizung des Pulverofens durch die Mikrogasturbine erreicht werden. Nur bei Arbeits-/Schichtbeginn ist ein Zuschalten des Brenners im Pulverofen erforderlich.“ Wenn die Mikrogasturbine in einem Zeitabstand (Schaltuhr) vor Arbeitsbeginn zugeschalten wird, kann auf den Aufheiz- und Brennerbetrieb verzichtet werden und die Laufzeit der Turbine erhöht sich ebenfalls. Störungen der Mikrogasturbine haben keinen Einfluss auf den Produktionsablauf im Ofen, da bei einem Ausfall die Ofenregelung aktiviert wird. Als Erweiterung wurde im Ofen ein Temperaturfühler installiert, mit dem es möglich ist, über die Leistungsregelung der Turbine die Ofentemperatur zu regeln.