Mikroturbína

Mikroturbíny představují zcela novou generaci spalovacích turbín. Používají vysokorychlostních generátory, které vydrží vysoké otáčky, které jsou pro turbínu typické. Tím není nutné používat převodovku, to znamená, že odpadá průběžná kontrola stavu oleje, jeho doplňování i výměna. Je to řešení vysoce ekologické, provozně jednoduché, bezproblémové, ekonomicky výhodnější. Bez převodovky a s malým generátorem je celé soustrojí značně menší a lehčí. Proto je takové uspořádání vhodné např. do vyšších podlaží budov a pro mobilní použití. Další novinkou mikroturbín je použití vzduchových ložisek, která vydrží vysoké otáčky (až 120 000/min), nevyžadují mazání olejem nebo tukem. Tím se zvyšuje spolehlivost zařízení, ekologické hledisko, zjednodušuje se obsluha soustrojí. Soustrojí mikroturbiny mívá jediný pohyblivý díl na rozdíl od plynového nebo dieslového motoru, které obsahují více než 100 pohyblivých dílů.

Účinnost soustrojí mikroturbíny se zvyšuje zavedením rekuperace tepla. Teplo vzniklých spalin je využito pro předehřev spalovacího vzduch ve výměníku tepla. Dál může být toto teplo spalin použito ve výměníku na ohřev topné vody pro vytápění objektů, vytápění skleníků, realizaci sušícíci pochodů, pro ohřev užitkové vody, pro transformaci na jiný druh energie, např. chladu nebo elektřiny.

​Na obr. 1 je uveden princip spalovací turbiny. Soustrojí je nejprve roztočeno startérem. Vzduchový kompresor po roztočení stlačuje vzduch do spalovací komory, kam je pod tlakem přiváděno i palivo. Výbušná směs paliva a vzduchu je jednorázově elektricky zapálena. Hořením se zvyšuje objem a dochází k expanzi přes oběžné kolo turbiny. Po velmi krátkém čase je hoření stabilizováno. Expandující spaliny roztáčejí oběžné kolo turbíny. Přidáváním paliva (plynu)se zvyšují otáčky a generátor vyrábí elektřinu. Elektronický řídící systém přifázuje generátor k rozvodné síti. Celý proces probíhá zcela automaticky.

Obr. 1 - Princip radiální mikroturbíny.

Alternativní řešení kogenerační jednotky - mikroturbíny

Současné kogenerační jednotky pracují s klasickými pohony – spalovacími pístovými motory, plynovými turbínami, Stirlingovým motorem, přičemž dominantní je především výroba elektřiny a poté výroba tepla. Se vzrůstající energetickou náročností lidské společnosti a s tím spojenými negativními dopady na životní prostředí, v souladu s hledáním nových energetických zdrojů a nízkoemisních technologií se hledá rovněž ekologické uplatnění „alternativních“ paliv, které by bylo možné spalovat v jiných nových zařízeních jinými, novými technologickými postupy. Alternativním přístupem pro lepší využití OZE je použití mikroturbíny, která pracuje jak s klasickými palivy (např. zemní plyn), tak může využívat a s úspěchem využívá i paliva alternativní, např. bioplyn, skládkový plyn, degazační apod.

Světové společnosti, které se zabývají konstrukčním vývojem mikroturbín, uvádějí v současnosti na trh typy těchto zařízení, která splňují výše uvedené předpoklady. Mikroturbíny, jakožto transformační jednotka kogenerace, jsou úspěšně instalovány ve vyspělých zemí světa (USA, Německo, Japonsko, apod.). V současné době je tento moderní trend zaváděn i v České republice.

První mikroturbínou v ČR je více jak 11 let fungující zařízení v Českém Brodě, společnosti MTH Kolín. Mikroturbína Capstone 30 byla instalována v původní výměníkové stanici a slouží k vytápění sídliště – obr. 2. Kogenerační jednotka spaluje zemní plyn, který je přiváděn do samostatně stojící budovy. Horkovodní soustava je provozována s teplotním spádem 80/60 °C. V budově jsou dva zásobníky teplé užitkové vody. Výfuk spalin je veden do komína. Kogenerační jednotka je přifázována k elektrické rozvodné síti a dodává 30 kWe do sítě.

Tato kogenerační jednotka je dálkově řízena z Kolína, což je výhodou, protože se tak snižují náklady na obslužný personál. Na dispečinku v Kolíně jsou požadovaná data o chování a stavu systému průběžně sledována. Pokud se vyskytne problém, řeší se operativně. Správcem zařízení bylo sděleno, že jednotka je bezproblémová, údržba je prováděna dle požadavků mikroturbíny. Při správném chodu je možné generální opravu provádět co cca 10 let. Z hygienického hlediska – i při vysokých otáčkách mikroturbíny je hlučnost velmi malá a emisní zatížení je velmi nízké. Emisní požadavky jsou splněny bez instalace přídavných technologií (čištění spalin, odhlučnění). Mikroturbína stejných parametrů je umístěna v laboratoři Katedry tepelné techniky VŠB–TU Ostrava.

​Obr. 2 - Pohled na kogenerační jednotku a sídliště v Českém Brodě.

Mikroturbína - výrobci a popis zařízení

Ve světě existují čtyři hlavní výrobci mikroturbín:

• CAPSTONE (USA)

• TURBEC (Itálie)

• INGERSOLD-RAND (USA)

• ELLIOTT POWER SYSTEM (USA-Japonsko)

Americká společnost CAPSTONE se intenzivně zabývá výrobou mikroturbín již od svého založení v roce 1988. Firma se zabývala 10 let vývojem konstrukčního řešení, než vyrobila první miktoturbínu o výkonu 24 kW. Vyrobila 37 prototypů stejného výkonu a dále se věnovala výzkumu, vývoji a aplikaci. V průběhu výzkumu vytvořila a zveřejnila 100 patentů v této oblasti. Tyto první mikroturbíny byly úspěšně vyzkoušeny a poté, co bezchybně v systému pracovaly 2000 hodin, bylo přistoupeno ke komerčnímu prodeji. Capstone tak byla první firmou, která začala dodávat mikroturbíny pro různá komerční využití a v současnosti již prodala více jak 3500 zařízení jak pro výrobu tepla a elektřiny (kogenerace), tak pro výrobu chladu, tepla a elektřiny (trigenerace), či jako záložní systémy při výpadku elektřiny.

Mikroturbína Capstone se skládá z vlastního turbínového soustrojí, magnetického generátoru, pokročilé výkonové elektroniky a vzduchových ložisek. Má jednu pohyblivou část, nemá převodovku jako většina mikroturbín, ani další mechanické části, nepoužívá maziva (olej, apod.) ani jiný ekologicky nebezpečný materiál, což je značně výhodné při provozu celého systému. Mikroturbína může spalovat různá plynná (CNG, LPG) a kapalná paliva (nafta, petrolej), rovněž odpadní plyny – bioplyny, skládkový plyn, plyn z ČOV, apod. s nízkými emisemi. Systém může být instalovaný samostatně, nebo paralelně propojen, rovněž může být instalovaný na pevnině či mimo pevninu, např. na ropné plošině v Mexickém zálivu jsou umístěny dvě mikroturbíny C30.

​Obr. 3 - Části mikroturbiny C 30.

Části mikroturbíny jsou uvedeny na obr. 3. Jedná se o jednohřídelový systém, jehož mechanický princip je stejný jako u spalovacích turbín, avšak mikroturbína Capstone je již novější generací turbín jak ve smyslu aplikačním, tak výrobním. Hlavní rozdíl je v konstrukci samotné mikroturbíny. Soustrojí mikroturbíny má jediný pohyblivý díl – není zde převodovka mezi hřídelí turbíny a generátorem, protože rotory rychloběžných generátorů snáší i vysoké otáčky (v tomto případě až 90 000 ot.min-1, oproti generátorům pomaloběžným – 20 000 ot.min^-1), čímž se provoz zjednodušuje. Na jedné hřídeli je kompresor spalovacího vzduchu, mikroturbína a generátor. Soustrojí má vzduchová ložiska, čímž odpadá mazání a olejové hospodářství. Zařízení je prakticky bezúdržbové, po 4000 hodinách provozu je potřeba vyčistit vzduchové filtry, doba do generální opravy je minimálně 20 tisíc hodin, ale ve většině případů instalací tato doba může být až 80 tisíc hodin. Mechanická jednoduchost miktorurbíny je konkurencí pro kogeneraci se stávajícími spalovacími motory s více jak stovkou pohyblivých dílů, olejovým hospodářstvím, náročností na údržbu a servis.

​Capstone vyrábí 3 typy mikroturbín o výkonu 30 kWe, 65 kWe a 200 kWe. Na obr. 4 je paralelní zapojení 3 mikroturbín Capstone o výkonu 65 kWe (celkem 195 kWe).

Kogenerační zařízení spaluje bioplyn, vznikající při čištění odpadních vod. Bioplyn se dříve využíval pro vytápění vyhnívacích nádrží a/nebo byl spálen klasickými hořáky.

V současnosti je takto vyráběna elektřina a teplo a pokrývá plně špičkové požadavky na elektřinu.

Obr. 4 - Mikroturbiny Capstone 65 v WWTP Rubi, Španělsko.

Italská firma TURBEC, založená roku 1998, vznikla na základě dlouhodobé spolupráce mezi firmou Volvo Aero, která se specializovala na návrhy mikroturbín a firmou ABB, která vyvíjela vysokootáčkový generátor a příslušnou silovou elektroniku. V současné době se firma TURBEC specializuje na vývoj, výrobu a prodej vlastní mikroturbíny T100 pro stacionární aplikace. Mikroturbína T100 (obr. 5) může vyrábět pouze elektřinu, nebo může být použita do kogenerační jednotky. První T100 byla uvedena do chodu v roce 2000 a následovala její sériová výroba.

​Jednotka T100 je složena z těchto hlavních součástí – elektrický systém, mikroturbína, spalovací komora, výměník tepla, řídicí systém. Tento typ může být dálkově řízen, dle nastavení v softwaru mikroturbíny.

Mikroturbína T100 se používá především pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny v různých variantách. Varianta T100P vyrábí pouze elektřinu. Odcházející horké spaliny se také mohou dále využít pro sušení, nebo chlazení. Varianta T100PH vyrábí jak elektřinu, tak teplo. Na rozdíl od varianty T100P má rekuperaci a výměník tepla, ve kterém se ohřívá voda.

Obr. 5 - Mikroturbína TURBEC T100.

​Firma INGERSOL-RAND,

má již více jak stoletou tradici v oblastech vytápění a klimatizace pro budovy a domy, chladicí technika pro prodejny, nebo mobilní chladicí zařízení (nákladní vozidla, železniční a lodní chladicí boxy), kompresorové vzduchové systémy, výroba čerpadel a dávkovacích zařízení, zdvihací a manipulační technika, bezpečnostní zařízení a v neposlední řadě výroba mikroturbín.

Obr. 6 - Zařízení INGERSOLD-RAND – schema prvků systému s mikroturbínou pro výkon 250 kWe.

Společnost má ve své nabídce dvě mikroturbíny – první o výkonu 70 kWe, druhou s výkonem 250 kWe. Obě mikroturbíny mají vestavěnou rekuperaci tepla s výměníkem, vlastní spalovací komoru a generátor, jak je patrno z obrázku 6.

Americko - japonská firma ELLIOTT POWER SYSTEM se zabývá různými oblastmi průmyslu - petrochemickým, olejářským, plynárenským, dále pak výrobou LNG, rafinací a výrobou elektrické energie. Mimo jiné dodává vysoce účinná zařízení vyrábějící elektrickou energii nejen z primárních zdrojů energie a jaderného paliva, ale také z obnovitelných zdrojů energie – tedy vody, větru, slunce, z geotermální energie, či komunálního odpadu. Firma vyrábí odstředivé a axiální kompresory, parní turbíny, mazací systémy pro rotační zařízení.

​Parní turbíny různých výkonů firma vyrábí od hodnoty 15 kWe jako jednostupňové zařízení nebo vyrábí parní oběhové turbíny do výkonu 100 MWe jako vícestupňová zařízení s několika ventily, tyto turbiny mají 20 000 otáček za minutu, vytvoří páru o tlaku cca 14 MPa a teplotě 576 °C.

Firma rovněž dodává generátory k těmto turbínám, které pak vytváří spolehlivý, efektivní a kompaktní celek pro požadavky výroby elektřiny a dle požadavků zákazníka.

Obr. 7 - ELLIOTT systém turbína-generátor.

Přestože firma ELLIOTT vyrábí turbíny malých výkonů – mikroturbíny (s výkonem do 200 kW), v současné době preferuje výrobu velkých zařízení. Na obr. 7 je praktická ukázka systému kondenzační turbíny a synchronního generátoru o výkonu 6 MW.

V České republice se vývojem a výrobou mikroturbín zabývala 1. Brněnská strojírna (PBS) ve Velké Bíteši, divize letecké techniky. Vývoj jejich zařízení byl spjat s vlastní investicí do výzkumu a byl rovněž závislý na státních dotacích formou veřejných soutěží ministerstev. V rámci finanční podpory MPO ČR bylo realizováno zařízení NETZ (nízkoemisní mikroturbínový zdroj elektrické energie) na bázi spalovací mikroturbíny spojené s vysokofrekvenčním generátorem, který dodával elektrickou energii do sítě, dále byla dodávána horká voda nebo sytá pára. Maximální elektrický výkon dodávaný do sítě byl 103 kW.

Palivem pro tuto mikroturbínu byl zemní plyn, nebo alternativně další plynná, nebo kapalná paliva. V současné době je výroba mikroturbín pozastavena a výrobní program PBS je založen na výrobě turbínových motorů pro startování leteckých motorů středních výkonů, či pro pohon nouzových zdrojů elektrické energie a hydrauliky.

Zpracováno dle publikace

KLEČKOVÁ, Z., MACHÁČKOVÁ, A. Minimalizace emisí při energetickém využití odpadů. 1. vyd. Ostrava: Marionetti Press, 2011. 147s. ISBN 978-80-260-1279-5.

• Animace mikroturbíny, 1.7 MB

• Start mikroturbíny, 100 MB

​Partneři

Asociace mikroturbín, o.s.

Sídlo: Pištěkova 10/1113, 149 00 Praha 4

info@mikroturbina.cz
www.mikroturbina.cz

Ing. Jan Šurovský, první předseda
jan.sur@seznam.cz
+420267910084, +420725385915

IČ: 22891803
DIČ: CZ22891803

• Vývoj v oblasti mikrokogenerace
  

• Testování, měření a analýzy

• Publikační činnost

• Poradenská a konzultační činnost

• Pořádání odborných seminářů