DE20220621U1

DE20220621U1 - Mikrogasturbine

Info

Publication number: DE20220621U1
Application number: DE20220621U
Authority: DE
Original assignee: OEKO INSEL MASCHB GmbH; Oko-Insel Maschinenbau GmbH
Current assignee: OEKO INSEL MASCHB GmbH; Oko-Insel Maschinenbau GmbH
Priority date: 2002-04-27
Filing date: 2002-04-27
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2012-04-28

Abstract

Mikrogasturbine, umfassend
ein Arbeitsmedium, das in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird,
einen Brennraum zur kontinuierlichen Verbrennung eines Brennstoffes unter Bildung von Rauchgas, wobei der Brennstoff Holz, Stroh, Schilf, Gras oder andere Biomassen umfaßt;
einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird;
eine Einrichtung zur Führung des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine;
eine Gasturbine, in der das Arbeitsmedium expandiert wird;
eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird; und
eine Einrichtung zur Rückführung des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrogasturbinenanlage, bei der Biomasse als Brennstoff verwendet wird. Derartige Mikrogasturbinen werden zur Erzeugung von Elektroenergie und Wärme eingesetzt.
Als Mikrogasturbinen werden kleine, schnellaufende Gasturbinen bezeichnet, die niedrige Brennkammerdrücke und Brennkammertemperaturen aufweisen. Die Leistung dieser Turbinen beträgt weniger als 300 kW, in der Regel zwischen 25 und 100 kW. Bei Mikrogasturbinen handelt es sich um eine Abwandlung der konventionellen Industriegasturbine, wobei mit einer Mikrogasturbine im Vergleich zu einer Industriegasturbine ein deutlicher Anstieg des elektrischen Wirkungsgrades in dem genannten Leistungsbereich erreicht werden kann. Die Abwandlung in bezug auf die Industriegasturbine besteht im wesentlichen aus einem zusätzlichen Wärmeübertrager (Rekuperator), der der Turbine nachgeschaltet ist. Die Verwendung eines solchen Wärmeübertragers führt zu einer Reduzierung des Abgaswärmeverlustes durch Vorheizen der verdichteten Luft.
Grundlage beider Turbinenarten ist der Gasturbinenprozeß, dessen Hauptkomponenten Verdichter, Brennkammer und Turbine sind. Aus der Umgebung angesaugte Luft wird im Verdichter komprimiert und anschließend der Brennkammer zugeführt, wo unter der Zugabe von Brennstoff (beispielsweise Gas oder Öl) eine Verbrennungsreaktion stattfindet. Das durch die Verbrennung entstehende Rauchgas wird in einer Turbine entspannt. Die Turbine treibt einerseits den Verdichter und andererseits den für die Stromerzeugung notwendigen Generator an. Das Abgas verläßt mit einer Temperatur von ungefähr 400 bis 600 °C die Turbine und tritt beim einfachen Gasturbinenprozeß ohne weitere Nutzung ins Freie. Diese Wärme wird jedoch in der Regel mit Hilfe eines Wärmetauschers genutzt, der die Wärmeenergie des Abgases auf ein anderes Medium (meist Wasser) überträgt.
Der Arbeitsprinzip einer dem Stand der Technik entsprechenden Mikrogasturbine wird nachfolgend anhand einer Capstone-Turbine (Hersteller: Capstone Turbine Corp., Woodland Hills, US) erläutert. Die Verbrennungsluft tritt über einen Generator in die Mikroturbine ein und kühlt diesen dabei. Anschließend wird die Luft in einem Radialverdichter auf etwa 4 bar komprimiert. In einem Rekuperator wird sie durch die heiße Verbrennungsluft vorgewärmt, um einen guten elektrischen Wirkungsgrad trotz niedriger Spitzentemperaturen zu erzielen. In einer Brennkammer kommt das verdichtete Brenngas hinzu und wird gezündet. Die heißen Verbrennungsgase werden in der Turbine entspannt und treiben so Verdichter und Generator an. Nachdem die Abgase einen Teil ihrer Wärmeenergie im Rekuperator abgegeben haben, verlassen sie die Mikrogasturbine. In einem weiteren Wärmetauscher wird dann Prozeßwärme gewonnen.
Generator, Turbine und Verdichter einer solchen Mikrogasturbine sind in der Regel auf einer Welle montiert. Bei einer Drehzahl von etwa 96.000 U/min wird ein hochfrequenter Wechselstrom mit einer Frequenz von 1.600 Hz erzeugt. Die Leistungselektronik richtet diesen Strom gleich und liefert dann einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Spannung von 400 V.
Zum Start der Turbine dient der Generator als Motor, der die Turbine zunächst auf eine bestimmte Startdrehzahl antreibt. Er erhält seine Energie im Netzparallelbetrieb aus dem Stromnetz, im Inselbetrieb von den Akkus. Der Motorbetrieb erfolgt bis zum Erreichen der notwendigen Startenergie. Die Startenergie ist die Energie, die notwendig ist, um den Energieverbrauch des Verdichters zu kompensieren.
Bei herkömmlichen Industriegasturbinen erfolgt die Leistungsregelung über die zugeführte Gasmenge und dem erzeugten Moment, der Generator hinter dem Getriebe wird mit einer konstanten Drehzahl bedient. Im Gegensatz hierzu ermöglicht das elektronische Getriebe bei der Mikrogasturbine eine Leistungsregelung über die Drehzahl. Deshalb weist die Mikrogasturbine im Teillastverhalten auch nur geringe Wirkungsgradverluste auf, da die thermodynamisch wichtige Eintrittstemperatur in die Turbine in weiten Lastbereichen konstant gehalten werden kann.
Aufgrund der Möglichkeit, die Leistung der Mirkogasturbine über deren Drehzahl zu regeln, kann der Massenstrom geregelt und damit die Brennkammertemperatur über weite Lastbereiche im thermodynamisch optimalen Auslegungspunkt gehalten werden. Dies ist die Ursache für die höheren relativen Wirkungsgrade der Mikrogasturbine im Teillastbereich.
Ein besonderer Vorteil der Mikrogasturbinen ist die Möglichkeit, diese sowohl im Netzparallel- als auch im Inselbetrieb nutzen zu können. Beim Netzparallelbetrieb wird die Energie zum Starten der Turbine aus dem Netz bezogen. Im Inselbetrieb muß diese Energie in Form von Akkumulatoren bereitgestellt werden. Die Akkumulatoren werden dabei auch für den Betrieb des DC/AC/DC-Wandlers benötigt.
Als Brennstoffe zum Betreiben von Mikrogasturbinen werden Erdgas, Heizöl, Flüssiggas, Klärgas, Grubengas und Erdölbegleitgas verwendet, wobei in der Praxis weit überwiegend Erdgas eingesetzt wird, da dies mit sehr niedrigen Emissionswerten verbunden ist. Der NO_X-Gehalt liegt bei 25 ppm, der CO-Gehalt kann durch einen nachgeschalteten Katalysator weiter reduziert werden.
Es ist bisher nicht gelungen, Biomasse als Brennstoff für Mikorgasturbinen wirtschaftlich zu nutzen. Dies liegt im wesentlichen daran, daß bei der Verbrennung von Biomasse das sogenannte Teer-Öl-Feststoffprodukt („TÖF") als Vergasungsprodukt anfällt, wodurch die Steuerung von Prozessen im Leistungsbereich der Mikrogasturbinen unmöglich oder zumindest erheblich erschwert wird. Das Auftreten dieses Vergasungsproduktes ist die Ursache dafür, daß derzeit nur ein geringer Teil (ca. 0,8 %) der anfallenden Biomasse zur Energiegewinnung genutzt wird, wobei diese Nutzung nahezu ausschließlich großtechnisch erfolgt, was unter anderem mit hohen Transportkosten für die Biomasse verbunden ist.
Die großtechnische Nutzung von Biomasse beruht vor allem auf der Vergasung und Pyrolyse. Beim Vergasungsprozeß wird die Biomasse in den Gasgenerator (Thermolyse-Reaktor) eingebracht und dort im Festbett oder in der zirkulierenden Wirbelschicht entgast bzw. vergast. Bei der Vergasung/Entgasung entsteht ein Zwischenprodukt (der sogenannte Wärmeträger), das Rohgas und als Produkt aus der Entgasung in geringen Mengen Koks. Das Zwischenprodukt ist das oben erwähnte TÖF (Teer-Öl-Feststoff-Produkt). Dieses muß erneut aufbereitet werden. Dazu wird mit einem Stützfeuer aus Koks und gegebenenfalls aus einem Zusatzbrennstoff (z. B. Schwachgas aus dem Vergasungsprozeß) zusätzliche Wärme in den Reformer eingebracht. Im Reformer entsteht aus dem Rohgas und zum Teil dem Abgas aus dem Verbrennungsprozeß mit Dampf als Reaktionspartner Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und in geringen Teilen Methan. Die Konzentration der einzelnen Komponenten ist abhängig vom Systemdruck der Anlage.
Eine Nutzung für kleinere Anlagen zur Energiegewinnung wie beispielsweise in Verbindung mit einer Mikrogasturbine ist, absehen von der Verbrennung von Holz bei der sogenannten Kleinfeuerung, bisher nicht möglich, obwohl dies erhebliche Vorteile bieten würde. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Biomasse dort, wo sie anfällt, auch verwertet werden kann, was neben der Möglichkeit der Strom- und Wärmegewinnung, auch eine erhebliche Reduzierung der Kosten für Lagerung und Verwertung der lokal angefallenen Biomasse bedeutet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es solle insbesondere eine Mikrogasturbine angeben werden, bei der Biomasse als Brennstoff verwertet werden kann. Darüber hinaus sollen ein Verfahren zur Erzeugung von Strom und Wärme angegeben werden, daß den Einsatz von Biomasse ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüchen 1 und 2 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 13.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Mikrogasturbine vorgesehen, die ein Arbeitsmedium, das in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, einen Brennraum zur kontiniuierlichen Verbrennung eines Brennstoffes unter Bildung von Rauchgas, wobei der Brennstoff Holz, Stroh, Schilf, Gras oder anders Biomassen umfaßt;

einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird;
eine Einrichtung zur Führung des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine;
eine Gasturbine, in der das Arbeitsmedium expandiert wird;
eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird; und
eine Einrichtung zur Rückführung des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager umfaßt.

Alternativ ist erfindungsgemäß eine Mikrogasturbine vorgesehen, die ein Arbeitsmedium, das in einem halboffenen Kreislauf geführt wird, einen Brennraum zur kontinuierlichen Verbrennung eines Brennstoffes unter Bildung von Rauchgas, wobei der Brennstoff Holz, Stroh, Schilf, Gras oder andere Biomassen umfaßt;

einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird;
eine Einrichtung zur Führung des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine;
eine Gasturbine, in der das Arbeitsmedium expandiert wird;
eine Einrichtung zur Führung eines Teils des Arbeitsmediums, nach dessen Expansion in der Gasturbine, in die Brennkammer und
eine Einrichtung zur Rückführung des verbliebenen Teils des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager umfaßt.

Die Erfindung ermöglicht es somit als Brennstoff Biomasse zu nutzen, da dessen Verbrennungsprodukte nicht mehr in die Gasturbine geführt werden. Dadurch wird die Ablagerung unerwünschter Verbrennungsprodukte wie beispielsweise des sogenannten Teer-Öl-Feststoffproduktes in der Gasturbine verhindert. Statt dessen werden die bei der Verbrennung entstandenen heißen Abgase (sogenannte Rauchgase) verwendet, um ein fluides Arbeitsmedium zu erwärmen, wobei die Abgase selbst abgekühlt werden. Das Arbeitsmedium kann dabei in einem geschlossenen oder halboffenen Kreislauf geführt werden. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit die Trennung der Verbrennung von dem Antrieb der Gasturbine, d. h. die indirekte Befeuerung der Gasturbine.
Bei der Gasturbine handelt es sich, abgesehen von der Verwendung eines Arbeitsmediums, um eine übliche Konstruktion. Die Vorteile einer Mikrogasturbine (kompakte Bauweise; geringe Wartungskosten bei Wartungsintervallen von mindestens 8000 Betriebsstunden; einfache Installation; geringe Betriebsfläche; niederfrequente Schallemissionen) können daher erstmals genutzt werden, um vor Ort anfallende Biomasse zur Erzeugung von elektrischem Strom und von Wärme zu nutzen. Sie ermöglicht somit die Schaffung einer dezentralen Entsorgung von biologischen Materialien bei Versorgung mit elektrischem Strom und Wärme.
Aufgrund des unkomplizierten Aufbaus der erfindungsgemäßen Mikrogasturbine kann diese einfach an wechselnde Standortbedingungen angepaßt werden.
Zweckmäßigerweise umfaßt die Mikrogasturbine, bei der das Arbeitsmedium in einem halboffenen Kreislauf geführt wird, ferner eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird.
Als Arbeitsmedium können fluide Medien wie Luft, Stickstoff, Helium, Neon, Xenon, Argon oder Wasser verwendet werden. Ebenso geeignet sind Kältemittel wie R407 oder R134a. Im Falle der Gasturbine mit halboffenem Kreislauf des Arbeitsmediums sollte das Arbeitsmedium Luft sein.
Der Brennraum ist vorzugsweise eine Hochtemperaturanlage, so daß die Austrittstemperatur des in dem Brennraum aus dem Brennstoff erzeugten Rauchgases aus dem Brennraum 800 bis 1600 °C beträgt, wobei die Höhe der Temperatur in Abhängigkeit von dem Energiebedarf geregelt werden kann. Der Brennraum wird zweckmäßig mit Überdruck betrieben, wobei sich die Höhe des Überdrucks nach der Brennkammeraustrittstemperatur des Rauchgases richtet, die erreicht werden soll.
Der Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird, sollte ein Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager sein. In dem Wärmeübertrager wird das Arbeitsmedium vorzugsweise auf 700 °C aufgeheizt, während das Rauchgas annähernd auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Das derart abgekühlte Rauchgas kann den Wärmeübertrager anschließend durch eine Esse verlassen.
Vorzugsweise ist ein zweiter Wärmeübertrager im Anschluß an die Gasturbine vorgesehen, um die verbliebene Wärme des Arbeitsmediums (Restwärme) auf ein zweites Arbeitsmedium zu übertragen. Dieses zweite Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, kann zum Betreiben einer Heizung für die Warmwasserbereitung genutzt werden. Es können mehrere derartige Wärmeübertrager vorgesehen sein.
Die Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird, kann ein Verdichter oder eine Pumpe sein. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird für die Aufrechterhaltung des notwendigen Betriebsdruckes gesorgt. Eine solche Druckhaltung ist jedoch erforderlich, wenn Luft als Arbeitsmedium verwendet wird. Die Verwendung einer Pumpe ist dann erforderlich, wenn das Arbeitsmedium im Kreislauf, beispielsweise nach dem Passieren des zweiten Wärmeübertragers kondensiert. Dann muß eine statische, dynamische oder statisch/dynamische Druckhaltung erfolgen.
Als Brennstoff, der in dem Brennraum verbrannt wird, können Biomassen wie Holz, Stroh, Schilf, Gras oder Gemische dieser verwendet werden. Selbstverständlich können auch andere Brennstoffe wie Erdgas, Heizöl, Flüssiggas, Klärgas oder Grubengas eingesetzt werden. Ebenso kann Biogas, das in einem Gasreaktor aus Biomasse erzeugt wurde, beispielsweise Methan, als Brennstoff genutzt werden.
Die erfindungsgemäße Mikrogasturbine kann somit zur Gewinnung von elektrischem Strom und/oder Wärme genutzt werden, was dem Prinzip der Wärme-Kraft-Kopplung entspricht. Mit der Wärme, das dem Arbeitsmedium nach der Expansion in der Gasturbine entzogen wird, kann darüber hinaus eine Absorptionskälteanlage betrieben werden, die zur Klimatisierung von Räumen dient. Auf diese Weise kann eine Kälte-Kraft- oder Kälte-Wärme-Kraft-Kopplung erreicht werden.
Ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischen Strom und/oder Wärme unter Verwendung einer Mikrogasturbine umfaßt die Schritte

(a) kontinuierliche Verbrennung eines Brennstoffes in einem Brennraum unter Bildung von Rauchgas;
(b) Führen des Rauchgases in einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf ein Arbeitsmedium übertragen wird;
(c) Führen des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine;
(d) Expandieren des Arbeitsmediums in der Gasturbine;
(e) Führen des expandierten Gases in eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird; und
(f) Rückführung des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager und Wiederholen der Schritte (b) bis (f) umfaßt; wobei das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird.

Alternativ ist ein Verfahren zur Gewinnung von elektrischen Strom und/oder Wärme unter Verwendung einer Mikrogasturbine vorgesehen, das die Schritte

(a) kontinuierliche Verbrennung eines Brennstoffes in einem Brennraum unter Bildung von Rauchgas;
(b) Führen des Rauchgases in einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf ein Arbeitsmedium übertragen wird;
(c) Führen des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine;
(d) Expandieren des Arbeitsmediums in der Gasturbine;
(e) Führen eines Teils des Arbeitsmediums in die Brennkammer;
(f) Rückführung des anderen Teils des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager und Wiederholen der Schritte (b) bis (f) umfaßt, wobei das Arbeitsmedium in einem halboffenen Kreislauf geführt wird.

Das letztere Verfahren kann ferner den Schritt

(d1) Führen des expandierten Gases in eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird, im Anschluß an Schritt (d) umfassen.

Beide Verfahren können ferner den Schritt

(d2) Führen des Arbeitsmediums durch zumindest einen zweiten Wärmeübertrager zur Übertragung der verbliebenen Wärme des Arbeitsmediums auf ein zweites Arbeitsmedium umfassen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird;
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der das Arbeitsmedium in einem halboffenen Kreislauf geführt wird; und
3 ein Funktionsschema der erfindungsgemäßen Mikrogasturbine.
Nach 1 besteht die Mikrogasturbine, bei der das Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, aus einem Brennraum 1, der eine Einlaßleitung 4 zur Zuführung des Brennstoffes in den Brennraum 1 aufweist. In dem Brennraum wird der Brennstoff unter Bildung eines heißen Rauchgases verbrannt. Die Rauchgastemperatur beträgt ca. 1.100 °C. Über Leitung 2 wird das heiße Rauchgas aus dem Brennraum 1 in den Wärmeübertrager 3 geführt. In Wärmeübertrager 3 wird die Wärme des Rauchgases im Gegenstromprinzip auf das Arbeitsmedium übertragen. Das abgekühlte Rauchgas verläßt den Wärmeübertrager 3 über Leitung 5 und kann anschließend über eine Esse in die Umwelt abgegeben werden. Die Temperatur des abgekühlten Rauchgases beträgt ca. 40 °C.
Das Arbeitsmedium wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Es tritt über Leitung 6 mit einer Temperatur von ca. 65 °C in den Wärmeübertrager 3 ein und verläßt diesen mit einer Temperatur von ca. 1.150 °C über Leitung 7. Leitung 7 führt das Arbeitsmedium zu Gasturbine 8, wobei die Temperatur des Arbeitsmediums beim Eintritt in die Gasturbine ca. 1.100 °C beträgt. In Gasturbine 8 wird das Gas expandiert. Die so erzeugte mechanische Energie wird in einem Generator 9 in elektrische Energie überführt. Das expandierte Arbeitsmedium verläßt den Generator über Leitung 10 mit einer Temperatur von ca. 450 °C und gelangt mit einer Temperatur von ca. 430 °C zu einem zweiten Wärmeübertrager 11, wobei es einen Teil seiner Wärme nach dem Gegenstromprinzip auf ein zweites Arbeitsmedium, das in Leitung 13a geführt wird, überträgt. Das (erste) Arbeitsmedium verläßt den zweiten Wärmeübertrager 11 über Leitung 12 mit einer Temperatur von ca. 60 °C. Das zweite Arbeitsmedium verläßt den Wärmeübertrager 11 mit im Vergleich zur Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager 11 erhöhter Temperatur, versorgt unter Abkühlung einen Verbraucher 13 mit Wärme und tritt mit niedriger Temperatur wiederum in den Wärmeübertrager 11 ein.
Das (erste) Arbeitsmedium wird nach dem Austritt aus dem Wärmeübertrager 11 über Leitung 12 zu einem Verdichter 14 geführt, der den Druckverlust des Arbeitsmediums ausgleicht und für den notwendigen Betriebsdruck sorgt. Die Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums in den Verdichter 14 beträgt ca. 55 °C. Es verläßt den Verdichter 14 mit einer Temperatur von ca. 70 °C und wird über Leitung 6 erneut zu Wärmeübertrager 3 geführt, woraufhin es erneut die genannten Leitungen und Einrichtungen passiert.
Die Gasturbine 8 ist über Druckausgleichsleitung 15 mit dem Verdichter 14 verbunden.
Die Ein- und Austrittstemperaturen des Arbeitsmediums sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefaßt. Die Ein- und Austrittstemperaturen des Brennstoffes und des Rauchgases sind in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengefaßt. Die Temperaturmeßpunkte sind in 1 als eingekreiste Zahlen dargestellt. Tabelle 1
Tabelle 2
Nach 2 besteht die Mikrogasturbine, bei der das Arbeitsmedium in einem halboffenen Kreislauf geführt wird, aus einem Brennraum 1, der eine Einlaßleitung 4 zur Zuführung des Brennstoffes in den Brennraum 1 aufweist. In dem Brennraum wird der Brennstoff unter Bildung eines heißen Rauchgases verbrannt. Über Leitung 2 wird das heiße Rauchgas aus dem Brennraum 1 in den Wärmeübertrager 3 geführt. In Wärmeübertrager 3 wird die Wärme des Rauchgases im Gegenstromprinzip auf das Arbeitsmedium übertragen. Das abgekühlte Rauchgas verläßt den Wärmeübertrager 3 über Leitung 5 und kann anschließend über eine Esse in die Umwelt abgegeben werden.
Als Arbeitsmedium wird Luft in einem halboffenen Kreislauf geführt. Es tritt über Leitung 6 in den Wärmeübertrager 3 ein und verläßt diesen erwärmt über Leitung 7. Leitung 7 führt das Arbeitsmedium zu Gasturbine 8. In Gas turbine 8 wird das Gas expandiert. Die so erzeugte mechanische Energie wird in einem Generator 9 in elektrische Energie überführt. Das expandierte, abgekühlte Arbeitsmedium verläßt den Generator über Leitung 10 und gelangt zu einem zweiten Wärmeübertrager 11, wobei es einen Teil seiner verbliebenen Wärme nach dem Gegenstromprinzip auf ein zweites Arbeitsmedium, das in Leitung 13a geführt wird, überträgt. Das (erste) Arbeitsmedium verläßt den zweiten Wärmeübertrager 11 über Leitung 12. Das zweite Arbeitsmedium verläßt den Wärmeübertrager 11 mit im Vergleich zur Eintrittstemperatur in den Wärmeübertrager 11 erhöhter Temperatur, versorgt unter Abkühlung einen Verbraucher 13 mit Wärme und tritt mit niedriger Temperatur wiederum in den Wärmeübertrager 11 ein.
Das (erste) Arbeitsmedium wird nach dem Austritt aus dem Wärmeübertrager 11 über Leitung 12 zu einem Verdichter 14 geführt, der den Druckverlust des Arbeitsmediums ausgleicht und für den notwendigen Betriebsdruck sorgt. Ein Teil des Arbeitsmediums verläßt den Verdichter 14 über Leitung 6 und wird wiederum zu Wärmeübertrager 3 geführt, woraufhin es erneut die genannten Leitungen und Einrichtungen passiert. Ein anderer Teil des Arbeitsmediums verläßt den Verdichter 14 über Leitung 16 und wird dem Brennraum 1 zugeführt.
Die Gasturbine 8 ist über Druckausgleichsteitung 15 mit dem Verdichter 14 verbunden.
3 zeigt das Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Mikroturbine. Der Brennraum dient zur Bereitstellung thermischer Energie. Die thermische Energie wird auf die Mikroturbine mit Hilfe eines im geschlossenen oder im halboffenen Kreislauf (Sekundärkreis) geführten Arbeitsmediums übertragen. Die dort erzeugte mechanische Energie wird über den Generator in Elektroenergie umgewandelt. Dieser Prozeß wird mittels eines Leistungskontrollers gesteuert, der vom Benutzer mit Hilfe eines Control-Computers beeinflußt werden kann (Benutzerschnittstelle). Die erzeugte elektrische Energie kann zum Laden einer Batterie verwendet werden, die gegebenenfalls die notwendige Startenergie zum Start der Gasturbine bereitstellt.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1: Brennraum
2: Leitung zwischen Brennraum und Wärmeübertrager 3
3: Wärmeübertrager
4: Leitung zur Zuführung von Brennstoff in den Brennraum 1
5: Leitung zur Abführung von Rauchgas aus dem Wärmeübertrager 3
6: Leitung zwischen Verdichter 4 und Wärmeübertrager 3
7: Leitung zwischen Wärmeübertrager 3 und Gasturbine 8
8: Gasturbine
9: Generator
10: Leitung zwischen Gasturbine 8 und Wärmeübertrager 11
12: Leitung zwischen Wärmeübertrager 11 und Verdichter 14
13: Verbraucher
13a: Leitung für zweites Arbeitsmedium
14: Verdichter
15: Druckausgleichsleitung zwischen Gasturbine 8 und Verdichter 14
16: Leitung zwischen Verdichter 14 und Brennraum 1

Claims

Mikrogasturbine, umfassend ein Arbeitsmedium, das in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, einen Brennraum zur kontinuierlichen Verbrennung eines Brennstoffes unter Bildung von Rauchgas, wobei der Brennstoff Holz, Stroh, Schilf, Gras oder andere Biomassen umfaßt; einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird; eine Einrichtung zur Führung des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine; eine Gasturbine, in der das Arbeitsmedium expandiert wird; eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird; und eine Einrichtung zur Rückführung des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager.
Mikrogasturbine, umfassend ein Arbeitsmedium, das in einem halboffenen Kreislauf geführt wird, einen Brennraum zur kontinuierlichen Verbrennung eines Brennstoffes unter Bildung von Rauchgas, wobei der Brennstoff Holz, Stroh, Schilf, Gras oder andere Biomassen umfaßt; einen Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird; eine Einrichtung zur Führung des erwärmten Arbeitsmediums in eine Gasturbine; eine Gasturbine, in der das Arbeitsmedium expandiert wird; eine Einrichtung zur Führung eines Teils des Arbeitsmediums, nach dessen Expansion in der Gasturbine, in die Brennkammer und eine Einrichtung zur Rückführung des verbliebenen Teils des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager.
Mikrogasturbine nach Anspruch 2, wobei sie ferner eine Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird, umfaßt.
Mikrogasturbine nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsmedium Luft, Stickstoff, Helium, Neon, Xenon, Argon oder Wasser ist.
Mikrogasturbine nach Anspruch 2, wobei das Arbeitsmedium Luft ist.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasturbine mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom verbunden ist.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Austrittstemperatur des in dem Brennraum erzeugten Rauchgases aus dem Brennraum 800 bis 1600 °C beträgt.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Brennraum mit barometrischen Druck oder Überdruck betrieben wird.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wärmeübertrager, in dem die Wärme des Rauchgases auf das Arbeitsmedium übertragen wird; ein Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager ist.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsmedium in dem Wärmeübertrager auf 600 °C und mehr aufgeheizt wird.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rauchgas in dem Wärmeübertrager auf annähernd Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sie ferner zumindest einen zweiten Wärmeübertrager im Anschluß an die Gasturbine und vor der Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird, zur Übertragung der verbliebenen Wärme des Arbeitsmediums auf ein zweites Arbeitsmedium umfaßt.
Mikrogasturbine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung, mit der der Druckverlust des Arbeitsmediums ausgeglichen wird, ein Verdichter oder eine Pumpe ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen.