In einer extern befeuerten Mikrogasturbine liegt die heißeste und anspruchsvollste Stelle nicht in der Turbine, sondern davor. Der Hochtemperatur-Wärmetauscher bestimmt, wie heiß die Luft wird, wie viel Druck verloren geht und wie lange die Anlage ohne Reinigung läuft.
Was der Wärmetauscher aushalten muss
Auf der einen Seite strömt heißes Rauchgas aus der Feuerung, oft mit Asche und korrosiven Bestandteilen. Auf der anderen Seite strömt verdichtete Luft mit mehreren bar Überdruck. Dazu kommen Temperaturwechsel beim Anfahren und bei Lastwechseln. Die Lufttemperatur am Austritt ist zugleich die Temperatur am Turbineneintritt. Jedes Grad mehr bringt Wirkungsgrad, verlangt aber mehr vom Werkstoff.
Metall: Edelstahl und Nickelbasis
Ein Bericht des Oak Ridge National Laboratory ordnet die Werkstoffe für Rekuperatoren von Mikrogasturbinen ein: Edelstahl 347 eignet sich bis etwa 650 °C, fortgeschrittene austenitische Stähle und Nickelbasis-Legierungen bis etwa 750 bis 850 °C. Oberhalb von etwa 900 °C stoßen Metalle an ihre Grenzen (ORNL, 2000). Eine Dissertation der TU München kommt für die extern beheizte Mikroturbine zum gleichen Schluss: Über 850 °C werden kostspielige Speziallegierungen oder Keramik nötig (Zimmermann, 2010).
In der Praxis ist der Wärmetauscher der größte Kostenblock. Bei der Schweizer Anlage in Düdingen ist der Rauchgas-Luft-Wärmetauscher aus hitzebeständigem Edelstahl deutlich größer als ein Rauchgas-Wasser-Wärmetauscher. Der Fachbeitrag nennt ihn einen Hauptgrund für die relativ hohen Kosten (Vogel, 2017). In England zeigte ein Wärmetauscher aus Hochtemperatur-Edelstahl nach 4.000 Betriebsstunden meist nur 5 bis 20 Mikrometer Oxidation. Aus beschleunigten Tests leiteten die Autoren eine lange Lebensdauer ab, allerdings als Prognose (Pritchard, 2005).
Keramik: höhere Temperaturen, neue Fragen
Keramische Wärmetauscher versprechen höhere Temperaturen. Das DLR hat einen keramischen Platten-Rippen-Wärmetauscher entwickelt und mit einer Schutzschicht gegen aggressive Rauchgase versehen, ausgelegt für einen biomassebefeuerten Prozess im Megawatt-Bereich (Schulte-Fischedick u. a.). Laborversuche an Platten-Rippen-Wärmetauschern aus Aluminiumoxid zeigen, dass die Wärmeübertragung gut vorhersagbar ist, die mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen aber die eigentliche Herausforderung bleibt (de Mello u. a., 2017). Ein Langzeitbetrieb keramischer Wärmetauscher in kleinen Biomasse-Anlagen ist bisher nicht belegt.
Bauform, Druckverlust und Verschmutzung
Wie viel die Bauform ausmacht, zeigt eine Versuchsreihe an einem EFGT-Prüfstand: Der frühere Aufbau kam nur auf unter 700 °C Turbineneintritt, zu wenig für den selbsttragenden Betrieb. Nach der Neuauslegung als Ringspalt-Rohr-Wärmetauscher stieg die Temperatur auf nahezu 900 °C, und die Turbine lief aus eigener Kraft (Badshah u. a., 2020).
Ablagerungen senken den Wärmeübergang und erhöhen den Druckverlust (Zimmermann, 2010). In der englischen Demoanlage musste die Asche etwa alle zwei Wochen ausgetragen werden (Pritchard, 2005). Ein Reinigungskonzept gehört deshalb von Anfang an zur Auslegung.
Was das für die Entwicklung heißt
Wärmetauscher, Feuerung und Turbine lassen sich nicht getrennt optimieren. Eine kleinere Temperaturdifferenz bringt Wirkungsgrad, aber Fläche und Kosten. Ein geringerer Druckverlust hilft der Turbine, braucht aber größere Querschnitte. Genau diese Zusammenhänge haben Kautz und Hansen für eine 100-kW-Maschine untersucht (Kautz, Hansen, 2007). An der TU München wurde eine Wirbelschichtfeuerung mit integriertem Wärmetauscher für eine 100-kW-Mikroturbine entwickelt (Gallmetzer u. a., 2008). Diese Entwicklungsarbeit aus Deutschland zeigt, dass der Fortschritt bei der EFGT im Detail des Wärmetauschers entsteht.
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Quellen
- Omatete, Maziasz, Pint, Stinton (2000): Assessment of Recuperator Materials for Microturbines. Oak Ridge National Laboratory
- Zimmermann (2010): Anpassung einer Mikroturbine an einen indirekt beheizten Gasturbinenzyklus mit Pebble-Heatern. Dissertation, TU München
- Vogel (2017): Eine Turbine, die mehr bietet als heisse Luft. Bundesamt für Energie (BFE), Schweiz
- Pritchard (2005): Biomass Fuelled Indirect Fired Micro Turbine. UK Department of Trade and Industry
- Schulte-Fischedick, Dreißigacker, Tamme (DLR): An innovative ceramic high temperature plate-fin heat exchanger for EFCC processes. Applied Thermal Engineering 27
- de Mello u. a. (2017): Heat transfer, pressure drop and structural analysis of a finned plate ceramic heat exchanger. Energy 120
- Badshah, Al-attab, Zainal (2020): Design optimization and experimental analysis of externally fired gas turbine system fuelled by biomass. Energy 198
- Kautz, Hansen (2007): The externally-fired gas-turbine (EFGT-Cycle) for decentralized use of biomass. Applied Energy 84 (7-8)
- Gallmetzer, Gaderer, Volz, Scheffler, Spliethoff (2008): Biomass fired hot air gas turbine with fluidized bed combustion. TU München