In kleinen Gasturbinen geht viel Energie mit dem Abgas verloren. Wie viel davon zurück in den Prozess kommt, ist eine Frage guter Wärmetechnik.
Eine einfache Gasturbine ohne Wärmerückgewinnung hat in kleinen Leistungsklassen einen geringen elektrischen Wirkungsgrad. Ein großer Teil der Brennstoffenergie verlässt die Maschine als heißes Abgas. Es gibt zwei Wege, diese Wärme besser zu nutzen: den Rekuperator in der Maschine und einen nachgeschalteten Kreisprozess.
Der Rekuperator
Ein Rekuperator ist ein Wärmetauscher, der mit dem Abgas der Turbine die verdichtete Luft vor der Brennkammer vorwärmt. So braucht die Brennkammer weniger Brennstoff für dieselbe Turbineneintrittstemperatur. Ein Übersichtsartikel der Universität Genua vergleicht die Bauarten: Primärflächenrekuperatoren schneiden besser ab als Platten-Rippen- und Rohrbauarten. Keramische Rekuperatoren könnten Mikrogasturbinen in Richtung 40 Prozent elektrischen Wirkungsgrad bringen (Ferrari u. a., 2017).
Nachgeschalteter ORC-Prozess
Ein Organic-Rankine-Cycle (ORC) nutzt die verbleibende Abgaswärme in einem zweiten Kreisprozess mit organischem Arbeitsmittel. In einer Studie der Universität Neapel steigerte ein ORC die elektrische Leistung einer 30-kW-Anlage mit Mikrogasturbine um 36,4 Prozent (De Robbio u. a., 2023). Dafür steigen Aufwand, Bauraum und Kosten.
Oder die Wärme direkt nutzen
In der Kraft-Wärme-Kopplung wird die Abgaswärme als Heiz- oder Prozesswärme genutzt. Die ASUE nennt für Mikrogasturbinen in der Kraft-Wärme-Kopplung Stickoxide unter 30 mg/m³ ohne Katalysator und eine Lebensdauer von etwa 80.000 Stunden (ASUE, 2021). Welcher Weg sinnvoll ist, hängt davon ab, ob Strom oder Wärme den größeren Wert hat.
Auslegung im Gesamtsystem
Ein Rekuperator verändert Druckverluste, Temperaturen und das Teillastverhalten der ganzen Maschine. Wärmetauscher, Turbine und Regelung müssen deshalb gemeinsam ausgelegt werden. Hohe Temperaturen und wechselnde Lasten belasten Werkstoffe und Fügestellen, die Lebensdauer gehört von Anfang an in die Rechnung.
Wärmetechnik hat hier Tradition
Wärmetauscher, Kreisprozesse und Kraft-Wärme-Kopplung gehören seit Jahrzehnten zu den Kernthemen der Energietechnik in Deutschland. In der Lausitz, einer Region mit langer Kraftwerksgeschichte, ist dieses Wissen bis heute vorhanden. Es lohnt sich, es für die nächste Generation kleiner und effizienter Anlagen einzusetzen.
ClinX Energy Systems legt Hochtemperatur-Wärmetauscher abgestimmt auf den Gesamtprozess aus. Mehr zu Wärmetauschern