Mikroturbine

Eine Mikroturbine (MT) ist eine kleine Gasturbine mit ähnlichen Zyklen und Komponenten wie eine schwere Gasturbine. Das Leistungsgewicht der MT ist besser als das einer schweren Gasturbine, da die Reduzierung des Turbinendurchmessers eine Erhöhung der Wellendrehzahl bewirkt. Schwere Gasturbinengeneratoren sind für dezentrale Energieanwendungen zu groß und zu teuer, daher werden MTs für die Kleinerzeugung entwickelt, beispielsweise zur reinen Stromerzeugung oder als Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen (KWKK). ^{[ 1 ]} Die MT sind Gasturbinen mit einer Leistung von 25 bis 250  kW (34 bis 335  PS ), die aus Turboladern von Kolbenmotoren , Hilfsaggregaten (APU) von Flugzeugen oder kleinen Strahltriebwerken – etwa so groß wie ein Kühlschrank – entwickelt wurden . ^{[ 2 ]} Frühe Turbinen mit 30–70 kW (40–94 PS) wurden auf 200–250 kW (270–340 PS) weiterentwickelt. ^{[ 3 ]}

Sie bestehen aus einem Verdichter , einer Brennkammer , einem Laufrad / einer Turbine und einem Generator auf einer oder zwei Wellen. Sie können einen Rekuperator zur Abwärmenutzung zur Verbesserung des Verdichterwirkungsgrades, einen Zwischenkühler und eine Nacherhitzung aufweisen . Sie rotieren mit über 40.000 U/min , während eine gängige einwellige Mikroturbine üblicherweise 90.000 bis 120.000 U/min erreicht. ^{[ 2 ]} Sie verfügen häufig über einen einstufigen Radialverdichter und eine einstufige Radialturbine . Rekuperatoren sind aufgrund der hohen Druck- und Temperaturdifferenzen, unter denen sie arbeiten, schwierig zu konstruieren und herzustellen.

Fortschritte in der Elektronik ermöglichen den unbeaufsichtigten Betrieb, und die elektronische Leistungsschalttechnik macht die Synchronisierung des Generators mit dem Stromnetz überflüssig. Dadurch kann er in die Turbinenwelle integriert werden und gleichzeitig als Anlassermotor dienen. Gasturbinen können mit den meisten handelsüblichen Kraftstoffen wie Benzin , Erdgas , Propan , Diesel und Kerosin sowie mit erneuerbaren Kraftstoffen wie E85 , Biodiesel und Biogas betrieben werden . Für den Start mit Kerosin oder Diesel kann ein leicht entzündlicherer Kraftstoff wie Propangas erforderlich sein. Mikroturbinen können die Mikroverbrennung nutzen .

Gasturbinen in Standardgröße verwenden häufig Kugellager. Die Temperaturen von 1000 °C (1270 K; 1830 °F) und die hohen Drehzahlen von Mikroturbinen machen Ölschmierung und Kugellager unpraktisch; sie benötigen Luftlager oder gegebenenfalls Magnetlager . ^{[ 4 ]} Sie können mit Folienlagern und Luftkühlung so konstruiert werden, dass sie ohne Schmieröl, Kühlmittel oder andere Gefahrstoffe auskommen. ^{[ 5 ]}

Um den Teillastwirkungsgrad zu maximieren , können in einem integrierten System mehrere Turbinen je nach Bedarf gestartet oder gestoppt werden . ^{[ 3 ]} Hubkolbenmotoren reagieren schnell auf Änderungen des Leistungsbedarfs, während Mikroturbinen bei niedrigen Leistungsstufen an Effizienz einbüßen. Sie weisen ein höheres Leistungsgewicht als Kolbenmotoren auf, emittieren weniger Schadstoffe und besitzen wenige oder sogar nur ein bewegliches Teil. Hubkolbenmotoren können effizienter und insgesamt kostengünstiger sein und verwenden typischerweise einfache, mit Motoröl geschmierte Gleitlager .

Mikroturbinen können zur Kraft -Wärme-Kopplung und dezentralen Energieerzeugung als Turbogeneratoren oder zur Stromversorgung von Hybridfahrzeugen eingesetzt werden . Der Großteil der Abwärme ist im relativ heißen Abgas enthalten, was die Nutzung vereinfacht. Im Gegensatz dazu verteilt sich die Abwärme von Verbrennungsmotoren auf Abgas und Kühlsystem. ^{[ 6 ]} Die Abgaswärme kann zur Warmwasserbereitung, Raumheizung, Trocknung oder für Absorptionskältemaschinen genutzt werden , die Kälte für Klimaanlagen aus Wärmeenergie anstatt aus elektrischer Energie erzeugen.

Mikroturbinen erreichen ohne Rekuperator einen Wirkungsgrad von etwa 15 %, mit Rekuperator 20 bis 30 % und können im Kraft-Wärme-Kopplungsbetrieb einen kombinierten thermisch-elektrischen Wirkungsgrad von 85 % erzielen. ^{[ 2 ]} Die rekuperierte 300-kW-Maschine (400 PS) RGT3R von Niigata Power Systems erreicht einen thermischen Wirkungsgrad von 32,5 %, während die nicht rekuperierte 360-kW-Maschine (480 PS) RGT3C einen Wirkungsgrad von 16,3 % aufweist. ^{[ 7 ]} Capstone Turbine gibt für seine 200-kW-Maschine (270 PS) C200S einen elektrischen Wirkungsgrad von 33 % am unteren Heizwert an. ^{[ 8 ]}

1988 startete NEDO im Rahmen des japanischen New Sunshine Project das Projekt „Keramische Gasturbine“ . 1999 erreichte die rekuperierte Zweiwellen-Gasturbine CGT302 von Kawasaki Heavy Industries mit 311,6 kW (417,9 PS) einen Wirkungsgrad von 42,1 % und eine Turbineneintrittstemperatur von 1350 °C (1620 K; 2460 °F) . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Im Oktober 2010 erhielt Capstone vom US-Energieministerium den Auftrag zur Entwicklung einer zweistufigen, zwischengekühlten Mikroturbine . Diese sollte auf Basis der bestehenden 200-kW- (270 PS) und 65-kW-Motoren (87 PS) entwickelt werden und eine 370-kW-Turbine (500 PS) mit einem angestrebten elektrischen Wirkungsgrad von 42 % ergeben. ^{[ 11 ]} Forscher der Technischen Universität Lappeenranta entwickelten eine 400 kW (540 PS) starke, zwischengekühlte und rekuperierte Zweiwellen-Mikroturbine mit einem Wirkungsgrad von 40,2 %, was zur Gründung der Aurelia Technologies LLC und schließlich zur Kommerzialisierung der kleinen Gasturbine A400 führte. ^{[ 12 ]}

Forecast International prognostiziert für Capstone Turbine einen Marktanteil von 51,4 % nach Produktionsmenge im Zeitraum von 2008 bis 2032, gefolgt von Bladon Jets mit 19,4 %, MTT mit 13,6 %, FlexEnergy mit 10,9 % und Ansaldo Energia mit 4,5 %. ^{[ 13 ]}

Das MIT begann Mitte der 1990er-Jahre mit seinem Projekt für eine Millimeter-Turbine. Professor Alan H. Epstein, Experte für Luft- und Raumfahrttechnik , erwog die Entwicklung einer persönlichen Turbine, die den gesamten Strombedarf eines modernen Menschen decken könnte, ähnlich wie eine große Turbine den Strombedarf einer Kleinstadt deckt. Bei diesen neuen Mikroturbinen traten Probleme mit der Wärmeableitung und den Hochgeschwindigkeitslagern auf. Zudem liegt ihr erwarteter Wirkungsgrad bei lediglich 5–6 %. Laut Professor Epstein liefern handelsübliche Lithium-Ionen-Akkus derzeit etwa 120–150 Wh/kg (200–240 kJ/lb). Die Millimeter-Turbine des MIT soll kurzfristig 500–700 Wh/kg (820–1140 kJ/lb) und langfristig 1200–1500 Wh/kg (2000–2400 kJ/lb) erreichen. ^{[ 14 ]}

Eine ähnliche Mikroturbine, die von der belgischen Katholischen Universität Leuven gebaut wurde , hat einen Rotordurchmesser von 20 mm und soll voraussichtlich etwa 1000 W (1,3 PS) erzeugen. ^{[ 4 ]}

Das von Safran unterstützte französische Startup Turbotech entwickelt einen 73 kW (98 PS) starken Turboprop-Motor mit Rekuperator. Dieser soll den Wirkungsgrad um 10 bis 30 % steigern und einen ähnlichen spezifischen Kraftstoffverbrauch wie ein Kolbenmotor ermöglichen. Der Motor soll jedoch mit nur 55 kg 30 kg leichter sein und keinen Kühlwiderstand aufweisen. Laut Turbotech sollen die direkten Betriebskosten durch die Verwendung vielfältigerer Kraftstoffe und einen geringeren Wartungsaufwand dank eines halbierten Überholungsintervalls von 4.000 Stunden um 30 % sinken. Der Motor ist für hochwertige, ultraleichte Zweisitzer und unbemannte Flugzeuge konzipiert und wird etwas teurer sein als der konkurrierende Rotax 912, dürfte aber über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg genauso wettbewerbsfähig sein. Für einen VTOL -Zweisitzer würde ein 55 kW (74 PS) starker Turbogenerator mit Treibstoff für eine Flugdauer von 2,5 Stunden nur 85 kg wiegen – anstelle von einer Tonne Batterien. Ein Demonstrationsflugzeug lief 2016/17, Bodentests begannen in der zweiten Jahreshälfte 2018, Flugtests folgten in der zweiten Jahreshälfte 2019 und die erste Auslieferung in der ersten Jahreshälfte 2020. Die Endmontagelinie wurde am Flughafen Toussus-le-Noble bei Paris errichtet und soll bis 2025 eine Jahresproduktion von 1.000 Triebwerken erreichen. ^{[ 15 ]} Ein Wirkungsgrad von 30 % entspricht einem Kraftstoffverbrauch von 281 g/kWh bei einer Energiedichte von 42,7 MJ/kg. Das 64 kg leichte Turboprop-Triebwerk TP-R90 bzw. der Turbogenerator TG-R90 leistet 90 kW (120 PS) und verbraucht im Reiseflug 18–25 l Kerosin pro Stunde. ^{[ 16 ]}

Der tschechische Flugzeughersteller PBS Velká Bíteš bietet sein 180 kW (240 PS) starkes Turboprop-Triebwerk TP100 mit einem Gewicht von 61,6 kg für Ultraleichtflugzeuge und UAVs an . Der Treibstoffverbrauch liegt bei 515 g/kWh (5,05 oz/MJ). ^{[ 17 ]} Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 16,4 % bei einem Treibstoffverbrauch von 42,7 MJ/kg.

Das in Miami ansässige Unternehmen UAV Turbines entwickelte seinen 40 PS (30 kW) starken, rekuperativen Turboprop-Antrieb Monarch RP (ehemals UTP50R) für Flugzeuge mit einem Bruttogewicht von ca. 600 kg, der auf einer TigerShark -Drohne getestet werden sollte. ^{[ 18 ]} Am 10. Dezember 2019 stellte das Unternehmen seinen Monarch Hybrid Range Extender vor, einen 33 PS (25 kW) starken Hybrid-Elektro- Demonstrator, der auf der im September vorgestellten Monarch 5-Turbine basiert. Das Triebwerk wiegt 27 kg, das Gesamtsystem 54 kg. ^{[ 19 ]}

Bei Elektrofahrzeugen mit erweiterter Reichweite ist der Nachteil des statischen Wirkungsgrades weniger relevant, da die Gasturbine mit maximaler oder nahezu maximaler Leistung betrieben werden kann und einen Generator antreibt, der je nach Geschwindigkeit und Batterieladestand Strom entweder für die Radmotoren oder für die Batterien erzeugt. Die Batterien dienen als Energiespeicher und liefern die benötigte Leistung an die Radmotoren, wodurch das Ansprechverhalten der Gasturbine keine Rolle mehr spielt.

Darüber hinaus ist kein aufwendiges oder stufenloses Getriebe erforderlich; der Betrieb des Generators mit vergleichsweise hohen Drehzahlen ermöglicht einen kleineren und leichteren Generator. Das überlegene Leistungsgewicht der Gasturbine und ihres stufenlosen Getriebes ermöglicht einen deutlich leichteren Antriebsmotor als beim Toyota Prius (1,8-Liter-Benzinmotor) oder Chevrolet Volt (1,4-Liter-Benzinmotor). Dadurch können schwerere Batterien verwendet werden, was eine größere rein elektrische Reichweite ermöglicht. Alternativ kann das Fahrzeug auch schwerere, kostengünstigere Blei-Säure-Batterien oder sicherere Lithium-Eisenphosphat-Batterien nutzen .

Bei Elektrofahrzeugen mit erweiterter Reichweite , wie sie beispielsweise von Land Rover/Range Rover in Zusammenarbeit mit Bladon oder von Jaguar, ebenfalls in Partnerschaft mit Bladon, geplant werden, spielt das sehr träge Ansprechverhalten (aufgrund des hohen Trägheitsmoments) keine Rolle, da die Gasturbine, die mit bis zu 100.000 U/min rotieren kann, nicht direkt mechanisch mit den Rädern verbunden ist. Genau dieses träge Ansprechverhalten war es, das dem 1950 entwickelten, gasturbinenbetriebenen Rover-Prototyp so große Probleme bereitete, da ihm der Vorteil eines elektrischen Zwischenantriebs fehlte, der bei Bedarf vom Fahrer plötzliche Leistungsspitzen hätte bereitstellen können.

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