Mikrogasturbinen-BHKW

Auf dem Markt der Geräte, die das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung zur Erzeugung von Wärme und Strom nutzen, stellen Mikrogasturbinen eine interessante Alternative dar, da sie sehr wartungsarm sind. Grundlagen für ihre Entwicklung lieferten die Luftfahrtindustrie sowie die Turboladertechnik, also die Kombination aus komprimierter Luft und einer Turbine mit einer Welle. Diese Welle treibt einen Generator an, der Strom erzeugt. Die Abwärme aus dem Antrieb der Turbine kann vielfältig eingesetzt werden, etwa für die Heizung, zur Warmwasserbereitung oder zur Kühlung durch Absorptionskältemaschinen. Neben größeren Gasturbinenanlagen gibt es mittlerweile kleinere Geräte bis hinunter zu 1 kW elektrischer und 6 kW thermischer Leistung, die für Mehrfamilienhäuser, Hotels, Supermärkte oder ähnliche Bauten geeignet sind.

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Brennstoffe und Funktionsweise

Eine Mikrogasturbine benötigt immer Luft und einen Brennstoff für ihren Betrieb. Dabei kommen viele Brennstoffe infrage, etwa Erdgas, Flüssiggas, Biogas, Heizöl oder (in Zukunft auch) Wasserstoff. Wegen ihres einfachen Aufbaus können in Mikrogasturbinen im Grunde alle Brennstoffe verwendet werden, die sich in brennbares Gas umwandeln lassen.

Im Betrieb wird Umgebungsluft angesaugt und über den mit der Welle gekoppelten Verdichter komprimiert. Anschließend wird die komprimierte Luft im sogenannten Rekuperator, einer Art Wärmetauscher, vorgewärmt und gelangt dann in die Brennkammer, wo sie sich zusammen mit dem Brennstoff entzündet und ausdehnt. Dadurch steigen der Druck und die Temperatur. Die Ausdehnung treibt eine schnelllaufende Turbine an, die wiederum den Verdichter sowie einen stromerzeugenden Generator antreibt. Die heißen Abgase werden zurück durch den Rekuperator geleitet, wo sie die verdichtete Luft vorwärmen. Am Ende dieses Weges kann die Wärmeenergie der immer noch rund 200 °C heißen Abgase im Gebäude weitergenutzt werden.

Die Drehzahl der Welle liegt je nach Größe und Leistung zwischen 40.000 und 120.000 Umdrehungen pro Minute. Der so erzeugte hochfrequente Wechselstrom mit teils über 1.000 Hz wird in der Leistungselektronik der Turbine zunächst über Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und erst dann in Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz. Die Mikrogasturbine wird – wie jede Gasturbine – mit hohem Verbrennungsluftüberschuss gefahren (z. B. Lambda = 3,5).

Wirkungsgrad und Betrieb

Moderne Mikrogasturbinen erreichen heutzutage Gesamtwirkungsgrade bis zu 97 Prozent (Strom und Wärme). Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 25 bis 33 Prozent, je nach Einsatzbereich und Auslegung. Ihre spezielle Konstruktion ist dabei besonders wartungsarm, denn außer der zentralen Welle gibt es keine beweglichen Teile. Die Welle selbst ist oftmals sogar luftgelagert und arbeitet somit ohne Schmierstoffe. Damit ist der Betrieb sicher und kostengünstig, außerdem vergleichsweise leise und (je nach eingesetztem Brennstoff) emissionsarm. Auch eine zusätzliche Kühlung des Geräts etwa mit Wasser ist nicht notwendig, da der Generator über die angesaugte Luft gekühlt wird. Die Modulierung der Leistung schließlich ist bedenkenlos möglich, da der Wirkungsgrad nahezu konstant bleibt (Reduktion der Leistung um 50 Prozent = Reduktion des Wirkungsgrads um 4 Prozent).

Bei der Planung von Mikrogasturbinen wird jedoch vor allem die thermische Leistung ausschlaggebend sein. Überschüssiger Strom kann ins öffentliche Stromnetz eingespeist oder vor Ort in Batterien oder in Form von Wärme gespeichert werden. Im Vergleich zu Motor-BHKWs erreichen Mikrogasturbinen eine höhere Abwärme. Außerdem sind die Kohlendioxid-, aber auch die Kohlenmonoxid- und die Stickoxid-Emissionen deutlich geringer als bei Motor-BHKWs.

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