Turbinentechnologie: Anwendungsbeispiel zur Energierückgewinnung – Erdgasnetz

Anwendungsbeispiel zur Energierückgewinnung - Erdgasnetz (Copyright Bilder: DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.)
Anwendungsbeispiel zur Energierückgewinnung – Erdgasnetz (Copyright Bilder: DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.)

Turbinentechnologie zur Nutzung überschüssiger Energie

  • Umfangreiches Zubehör ergänzt den DEPRAG GET® Turbinengenerator
  • Ungenutzte energetische Potentiale warten auf ihre Verwertung

Hochwasserkatastrophen im vergangenen Jahr, ein milder Winter wie schon lange nicht mehr, Temperaturen im Januar wie im Frühling. Das Klima ändert sich, die Häufung von extremen Wettersituationen ist mehr als deutlich.

(WK-intern) – Klimaschutz und effiziente Energienutzung sind wichtiger denn je. Es ist höchste Zeit, Energie sinnvoll zu nutzen. In der Europäischen Union gab und gibt es Bestrebungen, die Emission des Klimakillers CO2 bis 2020 nicht nur um 20 Prozent, sondern um 30 Prozent zu reduzieren, und dieses Ziel verbindlich festzuschreiben. Forschung und Industrie sind aufgerufen, innovative Projekte zum Klimaschutz aufzulegen.

Und die Möglichkeiten sind vielfältig. Ungenutzte Potentiale warten auf ihre Verwertung. Bereits 2010 stand ein ehrgeiziges Forschungsprojekt auf dem Gebiet der Energierückgewinnung, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde bei der DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. kurz vor der Serienreife. Die zu Grunde liegende Idee: „In vielen industriellen Prozessen entweicht Prozessgas ungenutzt in die Atmosphäre. Der Ausgangspunkt war, diese Gase energetisch nutzbar zu machen.“ Dabei war die Rückgewinnung von Energie aus Prozessgasen nicht neu. Dr.-Ing. Rolf Pfeiffer erklärte dazu: „Neu ist aber, dass mit unserer Entwicklung in einer kleinen, kompakten, dezentralen Energierückgewinnungsanlage auch geringe Mengen von Restenergie im Leistungsbereich von 5 bis 20 Kilowatt in Strom umgewandelt werden können.“

Prof. Dr. Ing. A. P. Weiß von der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden sieht für dieses System in der Zukunft großes Potential: „Druckluftsysteme könnten zukünftig verstärkt Anwendung bei der dezentralen Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie finden. Mit dem innovativen GET® Turbinengenerator der DEPRAG könnte die CAES (Compressed Air Energy Storage) benannte Kurzzeitspeicherung von Wind- oder Sonnenenergie auch im kleinen kW-Bereich ein neues Anwendungsgebiet der Drucklufttechnik darstellen.“

Jetzt hat die DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. ihren damaligen Prototypen des innovativen DEPRAG GET® Turbinengenerators für den Leistungsbereich von 3 – 50 kW elektrisch in den Baugrößen 5 kW, 20 kW und 50 kW fertig entwickelt. Diese Baugrößen werden auf den jeweiligen Prozess individuell konfiguriert.

Zur strömungsmechanischen Auslegung und Konstruktion des Turbinengenerators ist es notwendig, die spezifischen Prozessparameter: Art des Mediums, Eingangsdruck, Ausgangsdruck, Massenstrom, Eingangstemperatur und Ausgangstemperatur zu definieren. Zudem benötigen die DEPRAG Fachleute eine Anwendungs- und Prozessbeschreibung zur Integration des GET® Turbinengenerators in den Prozess.

Der DEPRAG Turbinengenerator ist sowohl in einem offenen als auch in einem geschlossenen Prozess einsetzbar. Er kann für verschiedene Medien wie z.B. Druckluft, Erdgas, CO2, Wasserdampf, R245fa, SES36, Cyclopentan ausgelegt werden.

Dr.-Ing. Rolf Pfeiffer: „Unser Rückgewinnungssystem lässt sich für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen, um direkt Prozessgase zu verstromen oder bei Integration unserer GET®-Einheit in einen ORC-Prozess indirekt ungenutzte Abwärme zu verwerten.“

Bereits zu Beginn der ersten Studien legte sich das DEPRAG Team um Entwicklungsleiter Gerd Zinn fest: Das neue Energierückgewinnungssystem sollte ein kleines, einfaches und robustes System für den Bereich zwischen 5 und 20 kW sein, auf den Einsatz eines Getriebes wollte man aus Kosten- und Wartungsgründen verzichten. Das aber erwies sich für die Entwickler als die größte Herausforderung. Denn durch die physikalischen Gegebenheiten und den kleinen Durchmesser der Turbinenräder ergibt sich eine relativ hohe Drehzahl der Turbine und damit auch des Generators. Die Festigkeitseigenschaften der geeigneten Werkstoffe setzten hier deutliche Grenzen. Kein handelsüblicher Generator war klein genug und erfüllte dabei die Ansprüche an die Dauerfestigkeit, um der berechneten Drehzahl von ca. 40.000 Umdrehungen/Minute Stand zu halten. In der Folge war es notwendig, einen passenden elektrischen Generator selbst zu entwickeln. Die Dauerfestigkeit des Rotors stand dabei im Blickpunkt der Ingenieure. Intensive Forschungsarbeit mündete schließlich im Ergebnis in einem kompakten Gesamtsystem, basierend auf einer permanenterregten Synchronmaschine für die Stromerzeugung.

Der DEPRAG Turbinengenerator sieht so aus: Eine kompakte Einheit aus einer Mikro-Expansionsturbine mit einem elektrischen Generator erzeugt Strom aus Gas. Ohne den dazugehörigen elektrischen Schaltschrank ist der Turbinengenerator nicht viel größer als eine Schuhschachtel und kann dezentral dort eingesetzt werden, wo Gas von einem höheren Druckniveau auf ein niedrigeres gebracht wird. Die dabei frei werdende Druckenergie wird bisher in nur wenigen Fällen zur Gewinnung von Strom verwendet, ökologisch wertvolles Energiepotential damit sinnlos verschwendet. Der innovative DEPRAG GET® Turbinengenerator wandelt die im Arbeitsfluid enthaltene Energie in Strom um. Gas strömt in die Turbine ein, wird durch Düsen „gepresst“ und beschleunigt. Wenn es auf die Beschaufelung der Turbine trifft und umgelenkt wird, gibt es seine Energie ab. Die kinetische Energie wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. In diesem innovativen System stellen Turbine und elektrischer Generator eine kompakte Einheit dar, sie besitzen eine gemeinsame Welle. Die Folge: Dreht sich die Turbine, dreht sich gleichermaßen auch der Rotor des Generators.

Die Energierückgewinnung mit dem DEPRAG Turbinengenerator ist in vielen Anwendungsbereichen denkbar. Bei der Schmelze von Metallen – beispielsweise Aluminium oder Kupfer – werden die Schmelzwannen durch Druckluft gekühlt. Die Druckluft strömt durch Kühlkanäle und nimmt dabei Wärme auf. Anschließend wird sie normalerweise ungenutzt in die Atmosphäre entlassen. Mit der Mikroexpansionsturbine und dem integrierten Generator wird diese in elektrischen Strom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist.

Ein Berechnungsbeispiel für Druckluft veranschaulicht dies: Mit einem Eingangsdruck von 20 bar (abs.), einem Ausgangsdruck von 5 bar (abs.). und einer Eingangstemperatur von 180°C lässt sich mit einem entsprechenden Massenstrom dem GET® Turbinengenerator eine elektrische Leistung von ca. 20 kW zurückgewinnen.

Auch in Biogasanlagen und Blockheizkraftwerken ist auf Basis des ORC-Prozesses (Organic Rankine Cycle) der Einsatz des GET® Turbinengenerators zur Verstromung von Restenergie denkbar. Der elektrische Wirkungsgrad der Anlagen lässt sich mit dem neuen Turbinengenerator wirkungsvoll optimieren, indem auch kleinere Mengen Abwärme in einem ORC-Rückgewinnungsprozess effizient genutzt werden können.

Zur weiteren Effizienzsteigerung von Biogasanlagen kann Methan in das Erdgasnetz eingespeist und damit auch Energie gespeichert bzw. transportiert werden. Biogas besteht zum großen Teil aus Methan und Kohlendioxid. Voraussetzung für die Einspeisung ist daher, dass der Kohlendioxidanteil aus dem Biogas entfernt wird. In der Regel geschieht das in verfahrenstechnischen Anlagen, bei denen das Kohlendioxid am Ende mit relativ hohem Druck- und Temperaturniveau vorliegt. Auch die darin enthaltene Energie kann mit Hilfe des Turbinengenerators zum großen Teil zurück gewonnen werden.

Darüber hinaus wurde auch ein umfassendes Programm an Zubehör aufgebaut: Die Rückspeiseeinheiten bis 15 kW vereinen die Komponenten Gleichrichter, Wechselrichter und Ballastschaltung in einem kompakten Gehäuse. Ein externer Lastwiderstand wird durch diesen Aufbau direkt angesteuert. Liefert die Turbine keine Leistung, schaltet sich der Einspeiseumrichter ab und verbraucht keinen Strom aus dem Versorgungsnetz. Sobald der Turbinengenerator wieder Leistung liefert, schaltet sich die Rückspeiseeinheit wieder selbstständig ein.

Die Einspeisesysteme für 25-50 kW sind speziell für Hochgeschwindigkeitsgeneratoren entwickelte Leistungselektroniken. Neben spezifischer Abmessungen und Kühlungskonzepten, können zusätzliche Zusatzfunktionen und Sicherheitsfunktionen wie Netzüberwachung oder Bremswiderstände berücksichtigt werden.

Zur Verlängerung der Wartungsintervalle haben die Ingenieure nun auch eine Nachschmiereinheit entwickelt, die zur automatischen Nachschmierung der Turbinenlager verwendet wird. Die kompakte Schmierpumpe ist mit einer Batterie für den Einzelbetrieb konzipiert und benötigt keine externe Stromversorgung; kann jedoch an einen Leitstand mit 24V angeschlossen werden.

PM: DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO.

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