Einleitung

 

Vorhaben


Entwicklung einer Kompakte Dampfturbine als zentrale Komponente eines Mikro-Blockheizkraftwerks

Problem

Die aktuelle Kraftwerkstechnik muss für Kleinanlagen vereinfacht werden. Die Kompakte Dampfturbine (KDT) ist ein integriertes Kleinkraftwerk für ca. 20 kW Feuerungsleistung. Sie besticht durch einen extrem einfachen Aufbau, bei dem das Arbeitsfluid gleichzeitig als Dichtung zwischen Verdampfer und Kondensator dient. Diese Konstruktion ermöglicht es, die für ein Kraftwerk notwendigen Druckdifferenzen zu realisieren und sinnvolle Leistungsabgaben zu erzielen. Damit ist die KDT als Kern für ein neuartiges Mikro-Blockheizkraftwerk (Mikro-BHKW) einsetzbar.

Technologie

Die Zentraleinheit dieses innovativen Mikro-BHKW mit einer thermischen Leistung von ca. 20 kW ist die kompakte Dampfturbine (KDT). Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgewandelt, wobei die Restwärme für Heizzwecke genutzt wird.

 

kdt_35cm_hochAbb. 1 Prototyp der KDT
Das Konzept der KDT wurde an der Hochschule Darmstadt entwickelt. Ihre wichtigsten Vorteile sind die geringe Größe und die Einfachheit der Kon­struktion.

 

Es gibt keine Ventile und keine Pumpen, und dennoch ist der vollständige Zyklus eines Kraftwerks realisiert.
Dieses Design ist besser als bestehende Lösungen für die kombinierte Wärme- und Stromerzeugung bei sehr kleinen Installationen im Bereich kleinster thermischer Leistungen geeignet. Im Vergleich zu bisherigen Mikro-BHKW-Systemen führt die einfache und robuste Konstruktion zu geringeren Herstellungs- und Wartungskosten.
Der thermische Eingang für die KDT beträgt typischerweise 10-20 kW. Der berechnete elektrische Wirkungsgrad beträgt etwa 10% für Arbeits­flüssigkeiten wie Toluol oder Xylol bei einer Temperaturdifferenz von etwa 200 °C zwischen Verdampfer und Kühler. Ein großer Vorteil der  organischen Flüssigkeiten ist, dass sie weniger Energie für den Verdampfungsprozess benötigen, somit bleibt mehr Energie für die Umsetzung in mechanische Arbeit übrig, was den Wirkungsgrad des Systems erhöht.
Die KDT besteht aus einem kleinen Zylinder (Abb.1), der um eine statische Achse rotiert. Es liegt die Anordnung einer herkömmlichen Turbine vor – nur sind die Rollen von Stator und Rotor vertauscht. Der rotierende Zylinder ist durch eine mit ihm verbundene Platte in Verdampfungs- und Kondensationskammer unterteilt. Zwischen dem Rand der Unterteilungs­platte und der Zylinderinnenwand besteht ein kleiner Spalt, durch den das Arbeitsfluid strömen kann. Düsen sind mit der Trennplatte verbunden. Der Schub des verdampften und beschleunigten Arbeitsfluids wirkt als erste Antriebsstufe. Weitere Stufen erlauben eine bessere Nutzung der thermischen Energie. Nachdem das Arbeitsmittel den Kühler verlassen hat, befördern es Zentrifugalkräfte zur Innenwand des Zylinders und durch den Spalt zwischen rotierender Scheibe und rotierendem Zylinder zurück in die Verdampfungskammer. Der Kraftwerkskreislauf ist somit geschlossen. Durch die Wahl der richtigen Menge an Arbeitsfluid in Kombination mit der richtigen Drehzahl ist der Spalt immer abgedeckt. Das Arbeitsfluid dient auch als Dichtung zwischen Verdampfungs- und Kondensationskammer.

Studie für eine kleine Gas- und Dampfturbinenkombianlage

Eine weitere Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads kann durch die Integration einer kleinen Gasturbine erreicht werden. Es wird das ca. 80 Jahre alte, bewährte Konzept der Kombination einer Gasturbine mit einer Dampfturbine genutzt. Fortschritte in der Technologie machen es nun möglich, dass dieser Ansatz auch bei sehr kleinen thermischen Energien genutzt werden kann.

 

gud_aa1Abb. 2: Designstudie zum Mikro-BHKW auf Basis einer Gas- und Dampfturbinenkombianlage.

 

Gas- und Dampfkombianlagen sind heutzutage im Bereich fossiler Verbrennung am effizientesten. Es wird zunächst der hohe Energiegehalt des Gases bei hohen Temperaturen zur effizienten Wandlung eines Teils der thermischen in mechanische Energie genutzt. Ein großer Teil Abwärme wird nachfolgend in der Dampfturbine in mechanische Energie gewandelt. Die restliche Abwärme wird dann für Heizzwecke genutzt. Eine Visualisierung der Design­studie ist in Abb. 2 dargestellt.

 

 

Ausblick

Die kostengünstige Produktion der Komponenten Verdichter und Expansionsstufe ist heutzutage Standard bei Turboladern im Automobil-Bau oder bei kleinen Gasturbinen im Modellbau. Es ist somit offensichtlich, dass eine preiswerte Produktion der KDT möglich ist.


Ziel ist eine Massenproduktion dieses preiswerten Mikro-BHKW mit über 100.000 Einheiten. Die Produktionskosten sind vergleichbar mit dem typischen Endverbraucherpreis für Automobil-Turbolader, der oftmals bei unter 1.000 € liegt. Dies ist eine wichtige Eigenschaft; denn nur preiswerte Technologien können am Markt Erfolg haben und auch bei der Reduktion der Netto-Kohlendioxid-Emissionen einen Skaleneffekt er­zielen. Beim Einsatz in einer Größenordnung von 1.Mio Mikro-BHKW nach dem Vorbild der KDT ist mit einer Reduktion der CO2- Emissionen von einigen Millionen Tonnen pro Jahr zu rechnen. Ausgangswert der Schätzung für den Nutzen eines Mikro-BHKW ist ein Vergleich von Erdgas-Blockheizkraftwerk zu Kohle-Kraftwerk. Für den Betrieb mit Biogas oder Biodiesel ist die Bilanz für Kohlendioxid-Emissionen sogar noch erheblich günstiger.

Bis 2024 sollen rund 500.000 Heizungen mit dieser neuen Technologie ausgestattet werden. Im Jahr 2025 wird die erste KDT Wärme und Strom mit Wasserstoff erzeugen:

  • Keine Emission von Kohlendioxid
  • Dezentrale Stromerzeugung
  • Wirtschaftlicher Betrieb in Einfamilienhäusern

 

 

 

 

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