Entwicklung einer Mikro-Hybrid-Gas/ORC-Turbine

Im vorliegenden Projekt soll eine vorteilhafte und innovative Alternative zu Blockheizkraftwerken (BHKW) entwickelt und demonstriert werden: Die Verbrennung der Gase in einer Mikrogasturbine (mGT) und nachgeschaltete Nutzung der hohen Abgastemperaturen in einem Organic Rankine Cycle (ORC). Der Wirkungsgrad kann den eines BHKW erreichen und bietet entscheidende Vorteile der mGT gegenüber der klassischen Verbrennung. Dies sind vor allem eine sehr schadstoffarme Verbrennung (v.a. NOx) und die hohe Brennstoff-Flexibilität. Eine zentrale Komponente und gleichzeitig Herausforderung in einer solchen Kombination sind hochtemperaturbeständige keramische Wärmetauscher und weitere Komponenten, die im Projekt entwickelt werden. Im Projekt werden zwei Systemvarianten aufgebaut und getestet. Neu ist die Kombination von mGT und ORC auf einer gemeinsamen Antriebswelle zu einer Mikrohybridturbine (»MiHyT«) mit einem keramischen Koaxial-Wärmeübertrager. Bei der Entwicklung der keramischen Wärmeübertrager und Turbinenkomponenten werden verschiedene Fertigungsmöglichkeiten und Designs getestet und verglichen. Als Alternative zur Anwendung mit einer Verbrennung von Gasen wird geprüft, ob eine »solare Befeuerung« der mGT mit Solarturm-Technologie ökonomisch darstellbar sein kann. Weitere Anwendungen der entwickelten Technologien werden im Projekt evaluiert. 

Insbesondere für größere Leistungsklassen ist es aber auch möglich, mGT und ORC zu entkoppeln und parallel zu betreiben, wofür ein ORC-System mit Turbine zur Verwertung von Temperaturen bis 200-300°C basierend auf einem kommerziellen ORC-Aggregat entwickelt wird.

Ausgangslage

Kleine und mittlere BHKW werden breit eingesetzt, um Gase elektrisch und thermisch zu verwerten, etwa als Restgasverbrennung in der chemischen Industrie, von Synthesegasen oder biogenen Gasen. In diesen ist ein klassischer Verbrennungsmotor und nachgeschaltete Stromerzeugung idealerweise mit einer Nutzung der Abwärme kombiniert. Die innovative Mikrohybridturbine kann klassische BHKW ersetzen und verspricht eine schadstoffärmere Verbrennung sowie eine höhere Brennstoff-Flexibilität bei vergleichbarem Wirkungsgrad zur Bereitstellung von Strom und Wärme. 

Der Verbundpartner Orcan Energy baut aktuell ORC-Aggregate bis 100 kWel für die Verstromung von Abwärme bis ca. 130°C. Für größere Leistungsklassen bis in den MW-Bereich und höhere Abwärmetemperaturen ist nicht nur ein ‘Upscaling’, sondern auch ein Technologiewechsel von Schraubenexpandern zu Turbinen erforderlich, der im Projekt entwickelt, prototypisch aufgebaut und getestet wird. Zudem ermöglicht die Nutzung höherer Temperaturen auch einen Betrieb als Kraft-Wärme-Kopplung durch die höheren Abwärmetemperaturen.

Ziel

Das Gesamtziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung einer innovativen Kombination von Mikro-Gasturbine (mGT) und Organic Rankine Cycle (ORC) in einer Mikrohybridturbine »MiHyT« unter Verwendung neuartiger keramischer Teile für Rekuperator und Turbinenkomponenten zur effizienten und schadstoffarmen Verbrennung z.B. von Restgasen in der chemischen Industrie und der Aufbau als Prototyp der Leistungsklasse bis ca. 80 kWel, sowie eines ORC-Aggregats zur Abwärmenutzung bei 200-300°C in der MW-Leistungsklasse.

Ziele im Teilprojekt des Fraunhofer ISE sind, neben der Koordination des Verbundprojekts, der Test des ORC-Aggregats in der MW-Leistungsklasse sowie die Entwicklung und Optimierung eines »Koaxial«-Wärmeübertragers, die Bewertung von Wärmeübertragern in Simulationen, der Aufbau und Test von Modellsystemen aus Kunststoff sowie die Evaluierung der Möglichkeiten, Keramik-3D-Druck zur Herstellung des Wärmeübertragers einzusetzen. Das Fraunhofer ISE trägt zur Ausarbeitung von Anwendungsfällen für die »MiHyT« bei. Dabei soll unter anderem die solare Befeuerung der Mikrohybridturbine techno-ökonomisch bewertet werden. Für die am ISE untersuchten Varianten beteiligen wir uns an der Verwertungsplanung.

Der Verbundpartner Orcan Energy entwickelt und baut den ORC-Prototypen der MW-Leistungsklasse, die Hochschule Darmstadt entwickelt, baut und testet die Mikro-Hybridturbine »MiHyT«. Rauschert entwickelt und fertigt keramische Bauteile für die »MiHyT« und CeraFib entwickelt und fertigt faserverstärkte Keramikbauteile.

Das Projekt »MiHyT«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) ) unter dem Förderkennzeichen FKZ 03EE5171A gefördert. Die Teilvorhaben der Verbundpartner werden unter den Förderkennzeichen FKZ 03EE5171B, C, D, E gefördert.