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Intern oder extern befeuert: zwei Wege, eine Mikrogasturbine zu betreiben

Kollege bei der Arbeit an einer Mikrogasturbine mit Heißgasleitungen

Eine Gasturbine braucht heiße, verdichtete Luft. Woher die Wärme dafür kommt, entscheidet über fast alles: welche Brennstoffe gehen, wie hoch der Wirkungsgrad ist und wie lange die Turbine hält. Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Wege, und beide verlangen gute Ingenieurarbeit.

Intern befeuert: die Brennkammer sitzt in der Maschine

Bei der klassischen Mikrogasturbine verbrennt der Brennstoff in einer Brennkammer zwischen Verdichter und Turbine. Das heiße Abgas strömt direkt durch das Turbinenrad. Ein Rekuperator wärmt die verdichtete Luft mit dem Abgas vor. Ein Übersichtsartikel der Universität Stavanger nennt für solche Maschinen etwa 17 Prozent elektrischen Wirkungsgrad ohne und bis etwa 30 Prozent mit Rekuperator, Turbineneintrittstemperaturen bis rund 1.000 °C und einen typischen Leistungsbereich von 30 bis 250 kW (Banihabib, Assadi, 2022).

Die Voraussetzung: Der Brennstoff muss sauber sein. Erdgas, Biogas, Diesel oder Wasserstoff funktionieren. Asche, Staub oder Teer dagegen würden die Turbine beschädigen.

Extern befeuert: die Wärme kommt von außen

Bei der extern befeuerten Gasturbine, kurz EFGT für externally fired gas turbine, verbrennt der Brennstoff in einer separaten Feuerung. Ein Hochtemperatur-Wärmetauscher überträgt die Wärme auf die verdichtete Luft. Durch die Turbine strömt nur saubere, heiße Luft. Rauchgas, Asche und Partikel erreichen die Schaufeln nie.

Genau das macht die EFGT interessant: Sie kann Brennstoffe nutzen, die in keiner Brennkammer funktionieren, etwa Holzhackschnitzel, Rinde oder andere biogene Reststoffe. Die heiße Abluft der Turbine lässt sich zusätzlich als vorgewärmte Verbrennungsluft in die Feuerung zurückführen. Kautz und Hansen beschrieben diesen Prozess schon 2007 als Option für die dezentrale Biomassenutzung, ein späterer Übersichtsartikel ordnet Bauformen und Wärmequellen von der Biomasse bis zur Solarwärme (Kautz, Hansen, 2007; Al-attab, Zainal, 2015).

Der Preis: die Temperatur

Der Wirkungsgrad einer Gasturbine hängt stark von der Temperatur am Turbineneintritt ab. Bei der EFGT bestimmt diese Temperatur der Wärmetauscher, und der hat Werkstoffgrenzen. Mit metallischen Wärmetauschern liegen reale Anlagen typischerweise bei 700 bis 900 °C. Oberhalb von etwa 850 °C werden teure Speziallegierungen oder Keramik nötig (Zimmermann, 2010; ORNL, 2000).

Das spiegelt sich in den Messwerten: Demonstrationsanlagen mit Holz erreichten 13 Prozent (Düdingen, Schweiz) und 15 Prozent elektrischen Wirkungsgrad (Talbott’s, England). Eine optimierte Auslegung mit Synthesegas kommt rechnerisch auf 20,3 Prozent bei 77,9 kW elektrischer Leistung, eine Modellrechnung für 100 kW bei 900 °C auf 23,2 Prozent (Vogel, 2017; Pritchard, 2005; Bollas u. a., 2024; Pantaleo u. a., 2015).

Wann welcher Weg passt

  • Intern befeuert, wenn ein sauberer gasförmiger oder flüssiger Brennstoff da ist und der elektrische Wirkungsgrad im Vordergrund steht.
  • Extern befeuert, wenn feste Biomasse, feuchte Reststoffe oder staubhaltige Gase genutzt werden sollen. Die Schweizer Demoanlage in Düdingen verarbeitet Holz bis 55 Prozent Wassergehalt.
  • Extern befeuert auch dann, wenn die Wärme gar nicht aus einer Flamme kommt: Hochtemperatur-Abwärme aus der Industrie oder konzentrierte Sonnenstrahlung können die Luft ebenfalls aufheizen.

Engineering aus Deutschland

Beide Bauarten verlangen eine Auslegung des ganzen Systems: Kreisprozess, Verdichter und Turbine, Rotordynamik, Lager und Generator. Bei der EFGT kommen Wärmetauscher, Feuerung und Regelung dazu, und alles muss zusammenpassen. In Deutschland haben unter anderem die Universität Rostock, die TU München, das DBFZ in Leipzig und die BTU Cottbus an extern befeuerten Mikrogasturbinen gearbeitet. Aus dieser Entwicklungsarbeit ist die Technik entstanden, die heute in Anlagen läuft.

ClinX Energy Systems legt intern und extern befeuerte Mikrogasturbinen aus, von der Kreisprozessrechnung bis zum Abnahmelauf. Mehr zu extern befeuerten Mikrogasturbinen

Quellen

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