4.4. Mikrogasturbine

 

Die Mikrogasturbine ist eine kleine Gasturbine mit einer elektrischen Leistung unter 300kW und gehört zu den thermischen Strömungsmaschinen.^[1] Sie basiert auf der Turboladertechnologie aus dem Fahrzeugbau. Die Hauptbestandteile einer Mikrogasturbine sind der Verdichter, der Rekuperator, der Brenner, die Turbine und der Generator.
In Abbildung 24 ist der Aufbau einer Mikrogasturbine grafisch dargestellt.^[2]

Abb. 24: Aufbau einer Mikrogasturbine^[3]

Bei der Mikrogasturbine befinden sich alle drehenden Teile, also der Generator, der Verdichter und die Turbine auf einer Welle. Da diese Welle luftgelagert ist, werden keine Kühl- oder Schmierflüssigkeiten benötigt, was zu einer erheblichen Reduktion der Wartungskosten sowie zu Platzeinsparungen führt. Zudem verfügt die Mikrogasturbine über einen Rekuperator, der den eintretenden Luftstrom durch die heißen Abgase vorwärmt. Zudem verfügt sie über Hochgeschwindigkeitsgeneratoren mit Permanentmagneten.^[4]
Das Funktionsprinzip einer Mikrogasturbine lässt sich anhand von Abbildung 25 erklären.

 

Abb. 25: Schematische Darstellung eines Mikrogasturbinenkreislaufs^[5]

Zunächst wird die Prozessluft der Maschine angesaugt und durch einen Kompressor verdichtet (1). Anschließend wird die Luft durch den Rekuperator vorgewärmt (2). Da der Rekuperator die Abwärme der Turbine nutzt um die Luft vorzuwärmen wird eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades erreicht. In (3) wird die vorgewärmte Luft der Brennkammer zugeführt, dort mit dem Kraftstoff vermischt und verbrannt. Als Kraftstoffe werden überwiegend Erd- und Biogas verwendet, auch der Betrieb mit Biodiesel ist möglich.^[6] Dadurch entstehen heiße Abgase, welche sich ausdehnen und die Turbine antreiben (4). Die Verbrennungsabgase werden dann wieder zum Rekuperator geleitet (5). Da Turbine und Generator auf derselben Welle montiert sind, führt jede Umdrehung der Turbine auch zu einer Umdrehung des Generators. Dies führt dazu, dass der Generator mit 70.000 – 100.000 U/min arbeitet und einen hochfrequenten Strom erzeugt.^[7]
Aufgrund ihrer Funktionsweise ist die Gasturbine für die Anwendung im seriellen Hybridantrieb geeignet. Hier wird der von der Mikrogasturbine erzeugte Strom zum Laden der Batterie für den Elektromotor verwendet. Optional ist es auch möglich, den Strom direkt an die elektrische Maschine weiterzugeben. Dadurch kann die Batterie entweder kurzzeitig entlastet, oder die Leistung des Elektromotors gesteigert werden. Wird die Mikrogasturbine als Range-Extender verwendet, spricht man häufig von einem Turbo-Range-Extender (TRE). Abbildung 26 zeigt die möglichen Energieflussrichtungen des Systems.^[8]

Abb. 26: Mögliche Energieflussrichtungen beim seriellen Hybridantrieb zwischen TRE (links), Batterie (Mitte) und Elektromotor (rechts)¹²

Mit der Batterie als Zwischenspeicher werden jedoch niedrigere Ansprüche an die Mikrogasturbine gestellt, weshalb dieses Konzept zu empfehlen ist. Die niedrigeren Ansprüche ermöglichen den Einsatz der zuvor erläuterten Einwellenbauweise. Diese ist deutlich kompakter und kostengünstiger. Zudem kann so auf ein mechanisches Getriebe verzichtet werden. Da es sich bei der Welle um das einzige bewegliche Bauteil handelt, hat die Mikrogasturbine den Vorteil, dass sie sehr laufruhig ist. Diesen Vorteil machte sich die Firma DesignLine, welche Linienbusse vertreibt, zu nutze. Das Modell „EcoSaver IV“, welches mit einer Mikrogasturbine ausgestattet ist, konnte die Schallemissionen um ca. 75% gegenüber herkömmlichen Bussen mit Dieselmotor reduzieren. Zudem kann eine Mikrogasturbine aufgrund der großen Vielfalt an möglichen Treibstoffen sehr schadstoffarm betrieben werden. Die CO_2-Emissionen liegen ca. 99% unter den gesetzlichen Grenzwerten. Sie ist zudem für den Betreib mit schwankenden Brennstoffzusammensetzungen geeignet.
Weiterhin sind Mikrogasturbinen aufgrund ihrer einfachen Bauweise und den wenigen Verschleißteilen sehr wartungsarm. Ihre Lebensdauer liegt bei ca. 80.000 Stunden. Ein Kaltstart verringert die Laufleistung zwar um ca. fünf Stunden, da im Fahrzeugbereich jedoch nur Laufleistungen von ca. 5.000 Stunden gefordert werden stellt dies kein Problem dar. Ein Kritikpunkt ist, das die Herstellungskosten einer Mikrogasturbine derzeit bei ca. 700-850€/kW und somit deutlich über denen eines konventionellen Kolbenmotors liegen. Dies ist allerdings auch auf die niedrigen Produktionszahlen zurückzuführen. Laut Capstone, einer Firma die sich auf die Herstellung von Mikrogasturbinen spezialisiert hat, wird ab einer Produktionsmenge von 100.000 Mikrogasturbinen jährlich, dass Kostenniveau eines Hubkolbenmotors erreicht. Es wurden auch schon einige Konzept- und Serienfahrzeuge mit einer Mikrogasturbine als Range-Extender vorgestellt. Die meisten davon setzen auf den C30- bzw. den C65 Range Extender von Capstone.
Die technischen Daten dieser Range-Extender sind nachfolgend in Tabelle 8 zu sehen.^[9]

 

Tabelle 8: Technische Daten Capstone TRE Systeme^[10]

Auch hier ist zu erkennen, dass Mikrogasturbinen mit verschiedenen Treibstoffen betrieben werden können. Beide Module weisen einen elektrischen Wirkungsgrad von knapp unter 30% auf. Zum Vergleich, ein Verbrennungsmotor hat einen Wirkungsgrad von ca. 30%.^[11] Aufgrund neuer Entwicklungen im Bereich der Rekuperation werden hier jedoch noch deutliche Steigerungen erwartet. Die Rekuperationseffizienz ist jedoch stark von Größe und dem Gewicht des Rekuperators abhängig.^[12]
Abbildung 27 stellt die Abhängigkeit von Volumen und Gewicht zur Effizienz grafisch dar.

 

Abb. 27: Zusammenhang zwischen Effizienz, Größe und Gewicht des Rekuperators^[13]

Hier ist deutlich zu erkennen, dass sich Effizienzsteigerungen nur auf Kosten der Erhöhung des Volumens und des Gewichtes realisieren lassen. Das ansonsten kleine und leichte Packaging würde dann beeinflusst. Es wäre auch möglich, Regeneratoren anstatt Rekuperatoren zu verwenden um eine höhere Effizienz zu erreichen. Forscher gehen jedoch davon aus, dass sich der Wirkungsgrad auf 35% steigern lässt.¹² Die Tatsache, dass eine Mikrogasturbine nur in einem eng begrenzten Drehzahlbereich ein vernünftiges Drehmoment liefert, spielt hier keine weitere Rolle, da sie als Range-Extender nur mit ihrer optimalen Drehzahl läuft. 
In Abbildung 28 werden einige der bisher vorgestellten Serien- und Konzeptfahrzeuge mit einem TRE-System gezeigt.

 

Abb. 28: Fahrzeuge mit Mikrogasturbinen als Range-Extender^[14]

Der „EcoSaver IV“ der Firma Designline zeigt, dass auch Nutzfahrzeuge mit den TRE-Systemen betrieben werden können. Beim Jaguar C-X75, welcher im Herbst 2012 vorgestellt wurde, handelt es sich um ein Konzeptfahrzeug, welches mit zwei jeweils 75 kW leistenden Gasturbinen ausgerüstet ist, die für die on-board Stromproduktion verantwortlich sind. Angetrieben wurde er durch einen 1,6-Liter Vierzylindermotor und 2 Synchron-Elektromotoren an Vorder- und Hinterachse mit einem Lithium-Ionen-Akku.
Seine rein elektrische Reichweite liegt bei ca. 60 km.^[15] Auch die Firma Capstone arbeitet an einer Eigenentwicklung, dem Konzeptfahrzeug „CMT380“, welches mit ihrem TRE-System C30 ausgestattet ist. Tabelle 9 zeigt nochmal die Eckdaten der Mikrogasturbine.

 

Eckdaten Mikrogasturbine:

Sehr laufruhig Diverse Kraftstoffe nutzbar Hohe Kosten, aber wartungsarm Lange Lebensdauer Wirkungsgrad knapp unter 30% Begrenzter Drehzahlbereich mit vernünftigen Drehmoment

Tabelle 9: Eckdaten Mikrogasturbine