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6 | 2015

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EnergieForum Mikro-Gasturbine mit nachgeschaltetem Abgasbrenner Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung Bild 1 Schema der Gasturbine mit Zusatzfeuerung und Wärmeerzeuger. KWK | Die Bemühungen zur Erhöhung der Effizienz der Strom- und Wärmeerzeugung rücken das Konzept der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in den Fokus. Eine innovative Lösung für effiziente KWK, die auf neue und bestehende gasbefeuerte Wärmeerzeuger im Megawattbereich angewendet werden kann, ist die Verwendung von Mikro-Gasturbinen-Abgas als Verbrennungsluft für Industriebrenner, die beispielsweise an industriellen Kesseln installiert sind. Der Beitrag fasst grundlegende Ergebnisse von thermodynamischen und wirtschaftlichen Untersuchungen zusammen. Autoren Prof. Dr.-Ing. Christoph Kail, Jahrgang 1965 Studium des Maschinenbaus an der Universität Hannover. Von 1991 bis 1999 Tätigkeit bei der Siemens AG in Erlangen als Projektmanager bei der Entwicklung von fortschrittlichen Gas- und Dampfkraftwerken. Seit 1999 Professor für Energietechnik an der Fachhochschule Südwestfalen. i kail@fh-swf.de Bild: Saacke turbine wird dabei nahezu vollständig genutzt. Zunächst wird die Brennstoffenergie im Hochtemperaturbereich der Gasturbine zur Erzeugung von Strom verwendet. Die verbleibende Niedertemperaturwärme, die Abwärme der Gasturbine, wird zur Erzeugung von thermischer Energie genutzt. Aufgrund der niedrigen Abgastemperatur der Mikro-Gasturbine und des hohen Sauerstoffgehalts des Abgases (Verbrennung mit hohem Luftüberschuss) ist bei der Gasturbine ohne Zu- Die Erzeugung von Wärme und Dampf erfolgt in Industriebetrieben überwiegend mit gasbefeuerten Wärmeerzeugern. Ersetzt man bei diesen Anlagen den Brenner durch eine Kombination aus Mikro-Gasturbine mit Zusatzfeuerung (Bild 1), so wird aus dem Wärmeerzeuger eine Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage. Die eingebrachte Brennstoffenergie der Gassatzfeuerung die Effizienz der Abgaswärmenutzung, etwa an Wärmeaustauschern, grundsätzlich eher niedrig. Diese kann durch die zusätzliche Verbrennung von Erdgas im Abgasstrom der Gasturbine, genannt Zusatzfeuerung, erhöht werden. Die dabei zum Einsatz kommenden Mikro-Gasturbinen (Bild 2) sind mit einem Rekuperator ausgestattet, um in diesem für Gasturbinen eher kleinen Leistungsbereich akzeptable Wirkungsgrade zu erzielen. Im Rekuperator wird die aus dem Verdichter austretende Luft vor dem Eintritt in die Brennkammer durch Abgaswärme vorerhitzt. Hierdurch wird der Brennstoffverbrauch reduziert und der Wirkungsgrad erhöht. Die Abgastemperatur von Mikro-Gasturbinen ist daher niedrig und der Sauerstoffgehalt hoch. Der hohe Sauerstoffgehalt ermöglicht somit eine Nachverbrennung im Abgasstrom der Gasturbine ohne zusätzliche Luftzufuhr. Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse wurden unter Verwendung der Daten der Mikro-Gasturbine C800 von Capstone berechnet. Die Gasturbine C800, die aus vier Gasturbinen C200 besteht, erreicht bei ISO- Standard-Umgebungszustand (15 °C, 1,013 bar, 60 % relative Feuchte) eine elektrische Leistung von 800 kW, einen elektrischen Wirkungsgrad von 33 %, eine Abgastemperatur von 280 °C und hat aufgrund des etwa 6-fachen Luftverhältnisses bei der Verbrennung einen Sauerstoffgehalt im trockenen Abgas von rund 18 Vol.-%. Dipl.-Ing. (FH) Jens von der Brüggen, Jahrgang 1967, Studium der Elektrotechnik an der Fachhochschule Bremen. Seit 2013 Leiter der Fachgruppe für kleine und mittlere Prozessfeuerungsanlagen bei der Saacke GmbH i j.vonderbrueggen@saacke.com Dipl.-Ing. (FH) Claas Rohde, Jahrgang 1970, Studium des Maschinenbaus an der Fachhochschule Bremen. Seit 2003 Regional Director für Nordeuropa bei der Saacke GmbH. i c.rohde@saacke.com Bild 2 Prinzipielles Schnittbild (links) und Core (rechts) der Mikro-Gasturbine vom Typ Capstone C200. Bild: E-quad Power Systems 44 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6

EnergieForum Bild 3 Restsauerstoffgehalt im trockenen Abgas. Bild 4 Luftverhältnis der Verbrennung. Bild 5 Gesamtwirkungsgrad. Die Zusatzfeuerung (ZF) im Abgas der Gasturbine führt zu einer Abnahme des Sauerstoffgehaltes und zu einer Zunahme der Abgastemperatur. In Bild 3 ist der Verlauf des Sauerstoffgehalts für verschiedene Leistungen der Zusatzfeuerung dargestellt. Der Sauerstoffgehalt des trockenen Abgases sinkt mit zunehmender Zusatzfeuerung vom Ausgangswert 18 Vol.-% bis auf den Minimalwert 2 Vol.-%. Der Punkt, bei dem ohne die Zufuhr von Zusatzluft erstmals ein Sauerstoffgehalt von 2 Vol.-% erreicht wird, ist durch eine Zusatzfeuerungsleistung von 68 % gekennzeichnet. Die Leistung der Zusatzfeuerung kann über diesen Wert hinaus erhöht werden, wenn entsprechende Zusatzluft zugeführt wird. Die minimale Leistung der Zusatzfeuerung beträgt 30 % vom Maximalwert. Der Quotient aus Nutzwärmeleistung und elektrischer Leistung beträgt bei der Gasturbine ohne Zusatzfeuerung rund 1 und steigt durch die Zusatzfeuerung bis auf rund 25. Das Luftverhältnis der Verbrennung beträgt in der Mikro-Gasturbine rund 6. Die Zusatzfeuerung kann ab einem Luftverhältnis von rund 2 betrieben werden (Bild 4). Bei einer weiteren Erhöhung der Zusatzfeuerungsleistung sinkt dieser Wert bis zum Minimum 1,1. BWK Bd. 67 (2015) Nr. 6 Bild 6 Stromkennzahl der KWK-Anlage. Wirkungsgrade der Anlage Um die Effizienz und die Primärenergieeinsparung der KWK-Anlage zu bestimmen, muss die gesamte erzeugte Wärme um die mit der Zusatzfeuerung erzeugten Wärme vermindert werden, da der Brennstoff der Zusatzfeuerung nur für die Wärmeerzeugung und nicht für die KWK genutzt wird. Die mit der Zusatzfeuerung erzeugte Wärmeleistung wird hier aus der Brennstoffleistung der Zusatzfeuerung und einem repräsentativen Wirkungsgrad eines Wärmeerzeugers berechnet. Bei den hier gewählten Randbedingungen der Wärmeerzeugung mit einer Abgasabkühlung auf 120 °C und einem Sauerstoffgehalt von 2 Vol.-% wird ein repräsentativer Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers von 94,5 % angenommen. Der Gesamtwirkungsgrad (Brennstoffausnutzungsgrad, Nutzungsgrad) der Anlage ist der Quotient aus der Summe der nutzbaren Energien, thermischer und elektrischer Nutzleistung, und der Brennstoffleistung. Er ist ein Maß für die Anlageneffizienz. Der Gesamtwirkungsgrad kann zum einen in Bezug auf die komplette Nutzwärmeleistung und die komplette Brennstoffleistung und zum anderen in Bezug auf die KWK-Anteile der Nutzwärmeleistung und Brennstoffleistung bestimmt werden. In Bild 5 sind die Verläufe dieser beiden Gesamtwirkungsgrade dargestellt, wobei eine Abkühlung der Abgase auf 120 °C angenommen wurde. Der Gesamtwirkungsgrad in Bezug auf die gesamte Brennstoffleistung (KWK und Zusatzfeuerung) beginnt bei rund 70 %, dem Wert der Gasturbine ohne Zusatzfeuerung, und steigt dann kontinuierlich mit der Zusatzfeuerung bis auf rund 94 %. Der Gesamtwirkungsgrad in Bezug auf den KWK-Brennstoff, der in der Brennkammer der Gasturbine eingesetzt wird, verdeutlicht die Erhöhung der Effizienz der KWK-Anlage durch die Zusatzfeuerung. Der Wert startet bei rund 70 % und steigt dann bis auf rund 91 %. Der gering erhöhte Wirkungsgradverlust bei Zusatzfeuerungsleistungen über 68 % ist auf die www.aprovis-gmbh.de Abgaswärmetauscher Dampferzeuger-Systeme FriCon – Gaskühlung ActiCo – Aktivkohlefilter Katalysatoren Service Ornbauer Str. 10 · 91746 Weidenbach Tel.: +49 (0) 9826 / 6583 - 0 · info@aprovis-gmbh.de

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