De l'énergie propre produite dans la cave

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Nouvelle génération de microturbines
De l'énergie propre produite dans la cave

Un concept entièrement nouveau de production d'électricité décentralisée permet de mieux utiliser les ressources naturelles. L'électricité écologique ainsi produite est par ailleurs bon marché. ABB Corporate Research Ltd. à Baden-Dättwil a, en collaboration avec ABB Industrie SA et ABB Motors, développé une microturbine qui se présente comme une installation de couplage force-chaleur (CFC). La production d'électricité décentralisée peut être exploitée de manière encore plus économique et écologique si les microturbines sont reliées entre elles par une technologie de télécommunication et d'information et sont commandées par un seul gestionnaire. Neue Mikroturbinen
Saubere Energie aus dem eigenen Keller Effizientere und ökologische Nutzung natürlicher Ressourcen sowie preisgünstigerer Strom: Ein völlig neues Konzept zur dezentralen Stromerzeugung ermöglicht die Realisierung dieses Szenarios. Darin spielt eine Mikroturbine die zentrale Rolle. Mit Telekommunikationssystemen lassen sich solche Kraftwerke ausserdem zu Netzen zusammenschalten, welche die Art der Stromerzeugung und -verteilung revolutionieren werden.

Marco Suter

Dezentrale Energieversorgung
In einem deregulierten Strommarkt wird dezentrale Energieversorgung füir den Verbraucher eine interessante Alternative. Denn sie macht es möglich, mit geringer Abhängigkeit vom Netz die Kosten der Energie zu kontrollieren. Die Deregulierung des Energiemarktes bringt daher immer mehr dezentrale Stromerzeugungseinheiten auf den Markt, wie zum Beispiel Blockheizkraftwerke. Diese müssen aber bestimmte Anforderungen erfüllen, damit dezentrale Stromversorgung für einen Kleinverbraucher überhaupt interessant wird:
· Einhaltung der neuesten Emissionsgrenzwerte,
· kompakte und leichte Bauweise, so dass sie durch Normtüren passen,
· niedriger Geräuschpegel,
· minimaler Wartungsbedarf,
· Fernbedienung, damit der Betrieb ohne Aufsicht möglich ist,
· niedrige Erstinvestition bei künftiger Serienfertigung und einfache Ausführung,
· Brennstoffflexibilität,
· hoher Wirkungsgrad.

Bild 1 Erste als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (KWK) funktionierende Mikroturbine im ABB-Forschungszentrum Baden-Dättwil.

Neue Generation von Mikroturbinen
Mit dem Ziel, eine neue Generation von Mikroturbinen zu entwickeln, die solchen Anforderungen gerecht werden, gründete ABB im Jabre 1998 zusammen mit der Volvo Aero Corporation ein Geimeinschaftsunternehmen. Dabei brachte Volvo seine Erfahrungen mit hybriden Elektrofahrzeugen mit Gasturbinenantrieb und ABB seine Fachkenntnisse auf dem Gebiet der Hochfrequenz - Stromerzeugung und -umwandlung in die Partnerschaft ein [1, 2].
Erst vor kurzem hat ABB Corporate Research Ltd. in Baden-Dättwil in der Schweiz zusammen mit der ABB Industrie AG und ABB Motors die Entwicklung einer als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage (KWK) ausgeführte Mikroturbine beendet. Sie liefert im dezentralen Einsatz Elektro- und Wärmeenergie. Die Anlage mit einer Lebenserwartung von 60'000 Stunden produziert im weltweit einmaligen Leistungsbereich von 100 kW Strom und Warmwasser füîr gut 40 Normalhaushalte.

Die Mikroturbine ist in einem kleinen Gehäuse (0,9 x 1,9 x 2,9 Meter) untergebracht und für die Aufstellung in Innenräumen vorgesehen. Die Luft saugt sie von aussen an. Sie besteht aus folgenden Hauptteilen (Bild 2):
· Gasturbine und Rekuperator
· Generator
· Elektrisches System
· Abgas-Wärmetauscher
· Überwachungs- und Regelungssystem

Bild 2 Komponenten der Mikroturbine. 1 Generator, 2 Gasturbine, 3 Rekuperator, 4 Abgas-Wärmetauscher, 5 Kühlluftaustritt, 6 Abgasaustritt, 7 Wassereintritt, 8 Warmwasseraustritt, 9 Leistungselektronik, 10 Regelungssystem, 11 Brennkammer, 12 Lufteintritt

Bild 3 Innenleben der Mikroturbine: Mikroturbine (links), Wärmetauscher (oben rechts) und Leistungselektronik (unten rechts).

Generator mit Turbinenwelle gekuppeit
In der Milutoturbine treibt ein Turbinenlaufrad ein auf die gleiche Welle montiertes Verdichterrad an. Der Verdichter fördert Verbrennungsluft in die Brennkammer, in der zur kontinuierlichen Verbrennung Brennstoff beigemischt wird. Der Heissgasstrom expandiert in der Turbine. Sie wandelt einen Grossteil der Wärmeenergie in mechanische Energie um, die den Verdichter und die Last antreibt. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken ist bei der Mikroturbine ABB MT100 der hochtourige Generator direkt mit der Turbinenwelle gekuppelt, und ein Umrichter passt die Drehzahl elektronisch an.
Am Ende des Ausdehnungsprozesses leitet ein Kamin die restliche Wärmeenergie der Gasturbine ab. Solche Anlagen hätten allerdings schlechte Wirkungsgrade, es sei denn, es würden mehrere Verdichter- und Turbinenstufen vorgesehen. Die ABB MTl00 umgeht dieses Problem durch einen Rekuperator. Er gewinnt die Abhitze zurück und nutzt sie zum Vorheizen der verdichteten Verbrennungsluft vor deren Brennkammereintritt. Vorteilhaftes Ergebnis: die gewünschte Betriebstemperatur wird mit weniger Brennstoff erreicht. Ein weiterer Wärmetauscher hinter dem Rekuperator erhitzt das Wasser im äusseren Kreislauf.

Saubere Energie
Tiefe Emissionswerte zu erreichen, waren eine Grundvoraussetzung bei der Entwicklung der Mikroturbine. Weil sich die kontinuierliche Verbrennung genau regeln lässt, entstehen in der Gasturbine sehr wenig Emissionen [3][4]. Der NO_x-Ausstoss der Mikroturbine ist mit 15 Partikel pro Million Luftmoleküle (ppm) - Zielwert: 5 bis 9 ppm - rund 20-fach geringer, verglichen mit den 200 bis 300 ppm von Gasmotoren (Zielwert: <100 ppm). Der Grenzwert für Lastwagen mit Dieselmotor (Euro3, Norm 2001) liegt bei rund 4000 ppm und damit etwa tausendmal höher als die Mikroturbinenwerte.
Der Gesamtwirkungsgrad der ABB-Mikroturbine liegt bei 80%; der entsprechende Wert der in Europa (elektrisch und thermisch) produzierten Energie liegt bei 40%. Daher schneidet die Mikroturbine im Bereich dezentrale Stromerzeugung auch gegen die bereits umweltfreundlichen Blockheizkraftwerke wesentlich besser ab. Wer sich also eine Mikroturbine in seinen Keller holt, hat den umweltfreundlichsten Energieerzeuger im Haus, den es momentan auf dem Markt gibt.

Hochtouriger Generator
Kleine Gasturbinen arbeiten vor allem dann effizient, wenn das Getriebe entfällt, das die Drehzahl der Turbinenwelle auf die Drehzahl der konventionelien elektrischen Maschinen reduziert. Ohne Getriebe wird die Maschine kompakter und zuverlässiger. Bei einem solchen hochtourigen System besteht der Vorteil darin, dass sich die Grösse der Generatoren fast direkt proportional mit steigender Drehzahl reduziert. Die Drehzahlerhöhung führt zu sehr kleinen Einheiten, die gut mit der Gasturbine integriert werden können. Dank ihrer kompakter Bauweise ist die Mikroturbine für einen Einsatz in Hotels, Spitälern, Wohnüberbauungen oder auch in Kleinfabriken prädestiniert.
Allerdings erfordern hochtourige elektrische Maschinen den Einsatz besonderer Werkstoffe. Permanentmagnete und hochfeste Materialien haben sich bestens bewährt und gehören zum Stand der Technik. Eine weitere Voraussetzung für hochtourige Anwendungen mit direkter mechanischer Kupplung ist eine sehr effiziente Frequenzumformung. ABB hat sich für den Einsatz so genannter IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) entschieden. Sie arbeiten nicht nur mit der nötigen Effizienz, sondern lassen sich auch mit entsprechend hoher Frequenz schalten.

Netzanalysen erlauben stabilen Betrieb
In einem typischen Anwendungsfall mit Mikroturbine kann eine unbekannte Netztopologie zu Schwierigkeiten bei der Regelung der Netzstabilität führen. Müssen mehrere dezentrale Stromerzeugereinheiten koordiniert werden, so kann die Gefahr der Netzinstabilität sehr ausgeprägt sein. Da es in solchen Fällen mehr als ein Überwachungs- und Regelungssystem gibt, können innere Schwingungen auftreten, wie Versuche an einer KwK-Prototypanlage [6] im ABB-Konzernforschungszentrum in Baden-Dättwil gezeigt haben.
Um diese Art der Instabilität zu untersuchen, hat ABB verschiedene Simulationsmodelle erstellt. Abgeleitet wurden sie von früheren Arbeiten am Hybridbus [5], der Topologie der KWK-Anlage und von Messungen. Es versteht sich von selbst, dass die ABB MTl00 alle möglichen Probleme beherrschen muss, ohne dass dabei sie selbst oder Einrichtungen ausserhalb des Mikroturbinensystems Schaden nehmen. Die Untersuchungen basieren auch auf Erfahrungen mit Bahnnetzen, in denen Instabilitäten vor einigen Jahren zu Abschaltungen geführt hatten [7].

Virtuelles Energie-versorgungsunternehmen
Die dezentrale Stromerzeugung mit Mikroturbinen bietet eine wirtschaftlich und ökologisch interessante Alternative zu konventionellen Lösungen. Das ABB-Forschungszentrum in Baden-Dättwil positioniert sich mit dieser Entwicklung nachdrücklich im wachsenden Markt der Alternativenergien.
Strom kann jedoch noch optimaler und umweltfreundlicher erzeugt werden, wenn die Mikroturbinen untereinander mit Telekommunikations- und Informationstechnologie verbunden und von einem Betreiber gesteuert werden. Ein virtuelles Energieversorgungsunternehmen wäre in diesem Fall für den sicheren und gesamthaft optimalen Betrieb ohne Aufsicht zuständig.

Bild 4 Versuche an einer KWK-Anlage im ABB-Forschungszentrum in Baden-Dättwil.

Gekonntes Energiemanagement
Bei der dezentralen Energieversorgung spielt eine professionelle Betriebsführung eine wichtige Rolle. Dank eines optimierten Betriebes einer Mikroturbine können die Energiekosten bis zu 15% gesenkt werden. Die ABB Energie Services Schweiz (Paul.van_Trigt@ch.abb.com) ist im Gebiet der Energiedienstleistungen tätig. Sie bietet komplette Energie-Lieferverträge an: Die Anlage wird für den Kunden finanziert, installiert und betrieben.

Literatur
[1] P. Chudi, A. Malmquist: Hybridantrieb für Automobile der Zukunft. ABB Technik 9/93, 3-12.
[2] G. Lagerström, A. Malmquist: Advanced hybrid propulsion system for Volvo ECT. Volvo Technology Report no 2, 1995.
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[3] A. Malmquist, O. Aglén, E. Keller, M. Suter, J. Wickström: Mikroturbinen als Wegbereiter der dezentralen Wärme- und Stromversorgung. ABB Technik 3/2000, 22-30.
[4] D.K. Mukherjee: Stand der Gasturbinentechnik. ABB Technik 2/97, 4-14.
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[5] A. Malmquist: Analysis of a gas turbine driven hybrid drive train for heavy vehicles. Ph. D. thesis, The Royal Institute of Technology. KTH 1999.
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[6] M. Suter: Do it yourself. Akzent, ABB Schweiz, 2/2000.
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[7] M. Meyer, J. Schöning: Netzstabilität in grossen Bahnnetzen, «Eisenbahn-Revue», Juli-August 1999.
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[8] Saubere Energie «homemade». ABB Schweiz, Umweltbericht 2000, 10-11.

Adresse des Autors
Marco Suter
Bereich Susteme und Komponenten
ABB Corporate Research Ltd.
5405 Baden-Dättwil
marco-suter@ch.abb.com