Projekt-Cluster

Mikro-Gasturbinen

Forschungsansatz

Mikrogasturbinen-Prüfstand des Instituts für Verbrennungstechnik ©DLR-VT

Die Mikrogasturbine ist eine Weiterentwicklung von Gasturbinenverbrennungssystemen im Leistungsbereich bis 200 Kilowattel.
Für einen gesteigerten elektrischen Wirkungsgrad soll die Turbineneintrittstemperatur von heute 950°C auf 1300°C erhöht werden. Dafür ist die Entwicklung keramischer Heißgaskomponenten erforderlich. Außerdem optimieren die Forscher die Leistungselektronik hinsichtlich Wirkungsgrad und Stabilität sowie die Effizienzen und Druckverluste einzelner Komponenten.

Im Fokus der Forschungsaktivitäten stehen hierbei die Schadstoffminimierung sowie die Analyse der Zuverlässigkeit von technischen Verbrennungssystemen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt stellt die Brennstoffflexibilität hinsichtlich konventionellen und alternativen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen dar. Die unter realen technischen Bedingungen gewonnenen experimentellen Daten werden zur Validierung der numerischen Simulation verwendet. Weiterhin dient die Mikrogasturbine beim DLR als eine zentrale Versuchsanlage zur Erforschung und Umsetzung verschiedener Anlagenkonzepte zur nachhaltigen dezentralen Energiebereitstellung sowie eines Hybrid-Kraftwerks bestehend aus Hochtemperaturbrennstoffzelle und Gasturbine.

Das Hybridkraftwerk, bestehend aus einer Mikrogasturbine (MGT) und einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), verfügt über das Potential, langfristig den höchsten denkbaren Wirkungsgrad bei der Stromproduktion zu erreichen. Bis zur Umsetzung eines Demonstrationskraftwerks besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf, da die Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten in ihrem heutigen Entwicklungsstand nur bedingt erfolgversprechend ist. 

Forschungsziele

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Energie Baden-Württemberg AG (EnBW) arbeiten an einem wärmegeführten, effizienten, schadstoffarmen und Gasturbinen-basierten Blockheizkraftwerks (BHKW) für die dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung mittels Erdgas. Sie entwickeln und bewerten verschiedene Gasturbinen-basierte Kraftwerkskonzepte, die Auslegung einer Demonstrationsanlage sowie die Optimierung eines effizienten und schadstoffarmen Brennkammersystems für verschiedene Erdgasqualitäten. Parallel erfolgt die Auswahl eines geeigneten Standorts für die Installation des Kraftwerks, die Umsetzung, der Versuchsbetrieb und der Dauerbetrieb des Demonstrationskraftwerks.

Das geplante Kraftwerkskonzept verfügt über ein hohes Potenzial zur Serienfertigung und kann sowohl in Deutschland installiert als auch exportiert werden. Ferner sind Kooperationen mit kleinen und mittelständischen Unternehmen in Deutschland angedacht, welche die entwickelten Anlagenkomponenten anschließend kommerziell fertigen und in das gesamte Energiesystem integrieren.

 

Das Vorhaben für die Erforschung und Entwicklung eines SOFC/MGT Hybridkraftwerksystems soll das dynamische Systemverhalten von SOFC/MGT Hybrid-Kraftwerkskonzepten untersuchen sowie Betriebs- und Regelungskonzepte erproben und optimieren. Hierzu wird die Laboranlage des DLR-Instituts für Verbrennungstechnik eingesetzt. Weitere Schwerpunkte bilden die Charakterisierung des druckaufgeladenen Betriebs von SOFC-Brennstoffzellen sowie die Erweiterung, Optimierung und Validierung der numerischen Modelle. Darüber hinaus soll basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen eine real gekoppelte Pilotanlage im unteren kW-Bereich (<60kW) ausgelegt werden.

Perspektiven

Die während der Untersuchungen zu Hybrid-Konzepten mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) und der Mikro-Gasturbine experimentell und numerisch generierten Datensätze werden zur technischen, ökonomischen und auch ökologischen Weiterentwicklung der einzelnen Anlagenkomponenten sowie des Kraftwerkskonzepts verwendet und wissenschaftlich publiziert. Weiterhin bilden die gewonnenen Erkenntnisse die Basis für die ab 2014 geplante Umsetzung eines real gekoppelten Hybridkraftwerksystems in Deutschland.

Hintergrund

Die Mikrogasturbine wurde zunächst nur zur Not- und Spitzenstromerzeugung ohne Abwärmenutzung eingesetzt. Für die Kraft-Wärme-Kopplung ist sie ein relativ neues Produkt. In den letzten 10 Jahren haben Techniker sie auf einen kommerziell nutzbaren Stand gebracht. Weltweit gibt es nur wenige kommerzielle Hersteller von Mikrogasturbinen. Im Leistungsbereich unter 100 kWel wurden bisher einige Tausend Anlagen installiert und in Betrieb genommen. Im Bereich von 100 kWel wurden einige Hundert Anlagen gebaut.

Im Jahre 2008 haben das DLR und die EnBW eine Forschungsplattform für dezentrale Energien initiiert. Als erstes Vorhaben wurde die Entwicklung einer Mikrogasturbine zur Nutzung von Biogas gestartet. Die Aufgaben bestehen dabei in der Anpassung der Brennkammer heutiger Mikrogasturbinen für den Einsatz von Biogas, der Optimierung der Anlage für bessere Ausnutzung des Brennstoffs sowie einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der dezentralen Energieerzeugung im kleinen Leistungsmaßstab. Für drei weitere Anlagenkonzepte mit Erdgas, Biogas und Holzgas sind konkrete Forschungsprojekte in Vorbereitung.

Forschungsvorhaben zu Miko-Gasturbinen

Mikrogasturbinen-Blockheizkraftwerk für Erdgas zur dezentralen Energiebereitstellung (MGT-BHKW)
Forschende Organisationen:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Standort Stuttgart - Institut für Verbrennungstechnik (EN-VT)
EnBW Energie Baden-Württemberg AG
Förderkennzeichen: 0327837B | 0327837C
Projektlaufzeit: 01/2010 - 04/2015

 

Systemverhalten von SOFC/MGT Hybrid-Kraftwerkskonzepten (SyHyKw)
Forschende Organisation:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Standort Stuttgart - Institut für Verbrennungstechnik (EN-VT)
Förderkennzeichen: 03ET2018
Projektlaufzeit: 03/2011 - 05/2014 (abgeschlossen)

Über 80% Brennstoffausnutzung

In Blockheizkraftwerken entfalten Mikrogasturbinen einen relativ geringen elektrischen Wirkungsgrad.

Abwärme nutzen

Wegen 18% Sauerstoffanteil kann das Abgas auch als CO2-Dünger und Heizung in Gewächshäusern genutzt werden. ©Turbec