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Im Detail: Mit wenigen Anpassungen können Mikrogasturbinen KWK-Anlagen zu mehr Effizienz und weniger Emissionen verhelfen.
Konventionelle Energie

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Schritt für Schritt zur hocheffizienten Mikrogasturbine

Text: Ulrich Siller, AeroDesignWorks
Heute kennt man Mikrogasturbinen aus Nischenanwendungen wie Modellflugsport und aus vereinzelten industriellen Anwendungen der Energiewandlung. Mit einigen Modifika­tionen kann sie jedoch als hocheffizientes Herzstück dezentraler KWK-Anlagen künftig eine entscheidende Rolle spielen.

Ihre Komponenten hat so mancher Autofahrer unter der Haube, ohne es zu wissen: Insbesondere Verdichter und Turbine heutiger Mikrogasturbinen basieren auf Turboladertechnologie aus Pkw und Nutzfahrzeugen. Diese Komponenten sind jedoch nicht optimal für eine KWK-Anwendung abgestimmt. Daraus leitet sich ein Potenzial ab, die elektrische Effizienz durch Maßnahmen am Kreis­prozess und optimierte Komponenten um mehr als 10 Prozentpunkte auf über 40 Prozent anzuheben. Damit könnte die Mikrogasturbine in ihrer Effizienz zu modernen, hochaufgeladenen Kolbenmotoren aufschließen.

Notwendig hierfür sind einige tiefgreifende technologische Maßnahmen:

  • Erhöhung der Turbineneintritts­temperatur auf etwa 1400 K:
    Eine monolithische Hochtemperaturkeramik könnte dabei die aufwendigen Schaufelkühlkonzepte der großen Vorbilder in Flugtriebwerk und Gasturbine ersetzen. Projekte hierzu laufen beispielsweise beim Fraunhofer IFF (Projekt „Turbokeramik“).

  • Deutliche Steigerung des Druckverhältnisses im Verdichter.

  • Einbringung eines Rekuperators (Luft-Luft-Wärmetauscher zur Vorwärmung der Luft vor dem Brennkammereintritt) auf einem deutlich höheren Druck- und Temperatur­niveau.

Fluggasturbine für
Hubschrauberdrohnen

Im Rahmen einer derzeit laufenden Entwicklung eines Kleintriebwerks als Wellenleistungsantrieb für leichtes Fluggerät wie Helikopterdrohnen sind diese Überlegungen teilweise bereits umgesetzt. Deshalb wird diese Entwicklung als Basisdesign für eine Weiterentwicklung hinsichtlich der KWK-Anwendung dargestellt.

AeroDesignWorks hat die Triebwerks­entwicklung mit einem Partnerunternehmen seit 2012 betrieben. Noch in diesem Sommer soll ein Prototyp erste Tests durchlaufen. Die erste Abbildung zeigt den Gasgenerator des Wellenleistungstriebwerks für 75 kW Ausgangsleistung nach einer Drehzahluntersetzung von 85.000 rpm auf 850 rpm. Das Aggregat ist sehr kompakt: Der maximale Durchmesser beträgt 250 mm im Bereich des Brennkammergehäuses.

Von den genannten Maßnahmen ist ein hocheffizienter, kompakter Verdichter mit einem Druckverhältnis deutlich über dem bestehender Turbolader ein Schlüsselelement. Bei der Auslegung des Flugantriebs wurden zu Projektbeginn auf Basis mehrerer Flugmissionspunkte (Flughöhe und Leistungsbedarf) umfangreiche Kreisprozessstudien durchgeführt, um das beste Verdichterkonzept für eine Neuauslegung abzuleiten. Ein hochbelasteter, dreistufiger Verdichter mit zwei axialen Frontstufen und einer abschließenden Diagonalstufe stellt sowohl hinsichtlich der thermodynamischen Güte des Kreisprozesses als auch unter Bauraumgesichtspunkten ein Optimum dar. Die zweite Abbildung zeigt Beschaufelung und Gaspfad des Verdichters. Diese Konfiguration leistet bei Nenndrehzahl von 105.000 rpm ein Druckverhältnis von 6,25 im Arbeitspunkt mit einem Wirkungsgrad um 80 Prozent.

KWK-Derivat ohne
keramische Turbine

Für den rekuperierten Kreisprozess verschiebt sich das optimale Verdichter­druckverhältnis zu kleineren Werten verglichen mit dem nicht-rekuperierten Fall. Im vorliegenden Fall erfolgt eine Absenkung des Druckverhältnisses von 6,25 auf 5,25 über eine Reduktion der Drehzahl auf 92 Prozent der Nenndrehzahl. Das geht einher mit einer deutlichen Reduktion der mechanischen Belastung der rotierenden Komponenten für die geforderten, deutlich längeren Wartungsintervalle einer stationären Anwendung. Die Turbineneintrittstemperatur verbleibt auf 1100 K mit dem bestehenden Turbinenwerkstoff, dem Superalloy MAR M-247. Eine Skalierung der Maschine auf den doppelten Maximaldurchmesser des Brennkammergehäuses von 500 mm würde in einer elektrische Leistung von 335 kW resultieren bei einem leistungsspezifischen Brennstoffverbrauch (power-specific fuel consumption, PSFC) von 0,24 kg/kWh unter Verwendung von Erdgas mit 43 MJ/kg. Unter Annahme eines Generatorwirkungsgrads von 95 Prozent und einem Ausbrand von 98 Prozent wird ein elektrischer Bruttowirkungsgrad um 35 Prozent erreicht.

KWK-Derivat mit
keramischer Turbine

Die Einbringung einer keramischen Hochdruckturbine würde eine Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur auf 1400 K zulassen. Die Güte des Kreisprozesses kann hierdurch deutlich gesteigert werden: Unter Beibehaltung der obigen Annahmen verbessert sich der PSFC um rund 20 Prozent auf 0,19 kg/kWh, die elektrische Leistung kann bei gleichen Abmessungen auf 570 kW gesteigert werden und der elektrische Bruttowirkungsgrad beträgt nun 44 Prozent.

Weitere Informationen

  • Kreisprozess und Verdichterdesign: Kröger, G. et al. (2014) Towards a Highly Efficient Small Scale Turbo­shaft Engine. Part I: Engine Concept and Compressor Design. ASME Turbo Expo 2014, Düsseldorf.

  • Turbinenauslegung: Siller, U. et al. (2014) Towards a Highly Efficient Small Scale Turboshaft Engine. Aero-Mechanical Turbine Design and Optimization. ASME Turbo Expo 2014, Düsseldorf.

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