Mikrogasturbine als BHKW: Preise & Brennstoffe
Geht es um die Kraft-Wärme-Kopplung mit einem BHKW, sind heute verschiedenste Technologien im Einsatz. Neben Verbrenner- und Stirling-Motoren stellen Mikrogasturbinen dabei eine interessante Alternative dar. Denn diese arbeiten konstruktionsbedingt wartungsarm. Die Geräte erreichen einen hohen Wirkungsgrad und lassen sich durch höhere Abgastemperaturen vielfältig einsetzen. Aber wie funktioniert eine Mikrogasturbine, welche Leistungsbereiche stehen zur Verfügung und welche Brennstoffe kommen infrage?
✅ Aktualisiert am 15.02.2021
Die Themen im Überblick
- Aufbau und Funktionsweise
- Vorteile der Mikroturbine
- Typische Einsatzbereiche
- Verschiedene Brennstoffe
- Preise und Hersteller
- FAQ: Häufige Fragen
Aufbau und Funktionsweise der Mikroturbine
Einfach beschrieben funktionieren Mikrogasturbinen wie Turbolader in der KFZ-Technik. Denn auch hier sitzen verschiedene Elemente auf einer Welle, um die chemische Energie der Brennstoffe in mechanische Energie umzuwandeln. Die Besonderheit: Abgase heizen die Verbrennungsluft vor, bevor sich diese zusammen mit den Brennstoffen in der Brennkammer entzündet und die Turbine antreibt. Die folgende Übersicht erklärt den Aufbau und die Funktionsweise einer Mikrogasturbine Schritt für Schritt.
Schritt 1: Verdichten der Verbrennungsluft
Im ersten Schritt strömt für die Verbrennung benötigte Luft durch einen Verdichter. Das Bauteil sitzt auf einer Welle mit der Turbine und wird von dieser angetrieben. Der Druck der Verbrennungsluft steigt.
Schritt 2: Vorwärmen der Verbrennungsluft
Mit höherem Druck strömt die Luft nun über einen sogenannten Rekuperator. Dabei handelt es sich um einen Wärmeübertrager, der auch von den heißen Abgasen der Verbrennung durchströmt wird. Letztere geben thermische Energie an die Verbrennungsluft ab, die sich dadurch erwärmt. Die Restwärme der Abgase lässt sich daraufhin an ein Heizsystem, an eine Sorptionskältemaschine oder sogar an eine Dampfanlage übertragen.
Schritt 3: Verbrennung des Gas-Luft-Gemischs
In der Brennkammer trifft die vorgewärmte Luft auf den Brennstoff. Die Mikrogasturbine entzündet das Gas-Luft-Gemisch und die heißen Abgase strömen durch die Turbine, bevor sie zum Rekuperator gelangen. Die Turbine setzt sich daraufhin in Bewegung und treibt den Verdichter sowie einen stromerzeugenden Generator an.
Mikrogasturbinen bieten zahlreiche Vorteile
Die spezielle Funktionsweise der Mikroturbinen bringt viele Vorteile mit sich. Ein wichtiger Punkt ist die luftgelagerte Welle, die ohne Schmierstoffe besonders wartungsarm arbeitet. Der Betrieb ist dadurch sicher und vergleichsweise günstig. Von Vorteil ist aber auch die Vorwärmung der Verbrennungsluft. Denn durch diesen Prozessschritt benötigt die Anlage weniger Brennstoff, um die gleiche Leistung zu erbringen.
Hohe elektrische Wirkungsgrade
Die elektrischen Wirkungsgrade liegen dadurch bei 29 bis 33 Prozent (bezogen auf den Brennwert). Die Gesamtwirkungsgrade in der Kraft-Wärme-Kopplung erreichen Werte von 85 Prozent (bezogen auf den Brennwert) und lassen sich durch eine optimale Planung des Heiz-Wärmeübertragers noch weiter steigern. Darüber hinaus arbeiten Mikrogasturbinen vergleichsweise leise und emissionsarm. Abgastemperaturen von 280 bis 300 °C ermöglichen viele Einsatzbereiche und die Bauweise ist durch die spezielle Konstruktion (keine Schmierung und Wasserkühlung erforderlich) besonders kompakt.
Die folgende Übersicht zeigt die wichtigsten Vorteile einer Mikrogasturbine:
- hohe elektrische Wirkungsgrade (29 bis 33 %) über den gesamten Leistungsbereich hinweg
- nahezu 100 Prozent modulierbare Leistung (großer variabler Leistungsbereich möglich)
- hohe Gesamtwirkungsgrade von 85 bis zu 97 %, je nach Einsatzbereich und Auslegung
- geringer Brennstoffverbrauch bei großen Leistungsbereich (über 200 kW elektrisch)
- wartungsarmer und kostengünstiger Betrieb ohne Schmierung der luftgelagerten Welle
- Betrieb ist vergleichsweise leise (ca. 65 dB(A)) und emissionsarm (NOx < 30 mg/m³)
- hohe Abgastemperaturen ermöglichen viele Einsatzbereiche (Heizung, KWK, Dampf)
- kompakte Bauweise durch spezielle Konstruktion ohne Schmierung und Wasserkühlung
Verschiedene Einsatzbereiche sind möglich
Die hohe Effizienz und die kompakte Bauweise der Mikrogasturbinen ermöglichen es, die Geräte in verschiedensten Bereichen einzusetzen. Ein Überblick lässt sich dabei nach Systemen und Anwendungsfällen geben.
Mikrogasturbinen in der KWK- und KWKK-Technik
Als stromerzeugende Heizung sind Mikroturbinen besonders gut für die Kraft-Wärme-Kopplung (kurz KWK) geeignet. Dabei geht die von der Turbine ausgehende mechanische Energie auf einen Generator über, der elektrische Energie erzeugt. Die heißen Abgase lassen sich außerdem nutzen, um Heizungswasser zu erwärmen und Gebäude oder industrielle Anlagen mit Energie zu versorgen. Die hohen Abgastemperaturen erlauben es dabei sogar, Dampf für Brauereien oder andere Anlagen zu erzeugen.
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung als Option
Interessant sind Mikrogasturbinen auch zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (kurz KWKK). Hierbei geben die Anlagen Wärme nicht nur an das Heizungsnetz, sondern auch an eine Absorptionskältemaschine ab. Letztere nutzt die Energie zur thermischen Verdichtung und zum Abführen von Wärme aus Gebäuden oder Prozessen.
Turbinen sind für viele Anwendungen geeignet
Mit den vorgestellten Systemen kommen Mikrogasturbinen in verschiedensten Anwendungen zum Einsatz. Typisch sind Gebäude oder Quartiere mit einem hohen Strom- und Wärmebedarf. So zum Beispiel Supermärkte, Hotels, Krankenhäuser oder Mehrfamilienhäuser. Aber auch in Industrieanlagen eignen sich die kompakten und flexiblen Turbinen. Hier versorgen Sie zum Beispiel Brauereien mit Wärme, Strom und Dampf. Weitere Einsatzbereiche sind Schwimmbäder, Trocken- und Kühl- sowie Tiefkühlanlagen.
Nanogasturbine als weitere Option
Darüber hinaus arbeiten Forscher auch an einer kleinen Nanogasturbine mit einer elektrischen Leistung von etwa 1 kW. Samt Spitzenlasttherme hätte diese die Größe eines Kühlschranks und könnte Wärme und Strom auch in Einfamilienhäusern zur Verfügung stellen. Durch die genannten Vorteile heben sich Nano- oder Mikrogasturbinen dabei deutlich von konventionellen BHKW ab.
Diese Brennstoffe treiben die Mikroturbine an
In puncto Brennstoff bieten Mikrogasturbinen eine große Flexibilität. Denn neben Erdgas und Biogas arbeiten die Anlagen auch mit Flüssiggas, Heizöl oder sogar Wasserstoff. Was die verschiedenen Brennstoffe auszeichnet, zeigt die folgende Übersicht.
Erdgas, LNG und Biogas für die Mikrogasturbine
Erdgas ist in vielen Regionen verfügbar. Es lässt sich ohne platzraubende Technik nutzen und auch für andere Systeme verwenden. Vor allem durch den Einsatz von Biogas ist die Versorgungslage gesichert. Es gibt allerdings auch Nachteile: So müssen Anlagenbetreiber für die Erdgasversorgung Gasleitungen häufig auf dem Werksgelände verziehen. Außerdem sind die Anschlusskosten oft höher als nötig, da sie hier vom RLM-Profil und damit vom Lastgang abhängen.
LNG Gas wird hier eine immer größere Alternative. Das tiefkalt gelagerte Erdgas (Methan) kann in großen LNG Tanks gelagert werden und die Mikrogasturbine dauerhaft mit Brennstoff versorgen. Hier entstehen einmalig hohe Kosten für die Infrastruktur. LNG kaufen kann sich aber lohnen wenn das Erdgasnetz nicht oder nicht ausreichend groß dimensioniert ist.
Flüssiggas und Bio-LPG flexibel einsetzen
Flüssiggas (Gemisch aus viel Propan und wenig Butan) ist ein flexibel einsetzbarer Rohstoff, der mit Bio-LPG auch als nachhaltige Variante verfügbar ist. Der große Vorteil liegt in der unabhängigen Versorgung mit einem Flüssiggastank. Diese lassen sich nahezu überall aufstellen und versorgen Verbrauchsanlagen direkt mit Brennstoff. Anders als bei Erdgas sind dabei keine langen Leitungen auf dem Betriebsgelände zu verziehen.
Flüssiggasverdampfer für hohe Lasten
Hohe Lasten bei der Brennstoffversorgung sind anders als beim Erdgas nicht mit höheren Grundgebühren verbunden. Die Aufstellung von Gastanks mit einem Gewicht von bis zu 2,9 Tonnen ist genehmigungsfrei und die Kosten hängen allein vom Verbrauch ab. Der Leistungsbedarf, wie es bei Erdgasanlagen der Fall ist, spielt dabei keine Rolle. Einzig ein Flüssiggasverdampfer kann bei größeren Mikrogasturbinen notwendig sein. Dieser verdampft das Gas aus der flüssigen Phase des Gastanks. Mit Verdampfer bestehen praktisch keine Grenzen bei der Entnahmeleistung.
Heizöl für die Kraft-Wärme-Kopplung
Heizöl ist ein flüssiger, überwiegend fossiler Rohstoff, der sich ebenfalls in Mikrogasturbinen einsetzen lässt. Während die Versorgung theoretisch auch hier leitungsungebunden möglich ist, hat der Brennstoff doch einige Nachteile. Der größte liegt in der gewässerschädigenden Wirkung, durch welche die Heizöllagerung teilweise verboten oder mit hohen Auflagen verbunden ist. Hinzu kommen Faktoren wie die Endlichkeit und die teils stark schwankenden Preise des Energieträgers. Zudem ist der Betrieb durch die vergleichsweise unsaubere Verbrennung so aufwendig, das diese Lösung in Europa praktisch nicht eingesetzt wird.
Wasserstoff als Energieträger der Zukunft
Geht es um eine nachhaltige Versorgung, spielt Wasserstoff für die Mikrogasturbine eine große Rolle. Der Energieträger lässt sich aus regenerativen Energien herstellen, speichern und sogar transportieren. Außerdem verbrennt Wasserstoff sauber und CO2-frei. Während Mikrogasturbinen heute bereits ein Gemisch aus Erdgas und Wasserstoff verarbeiten können, rechnen Experten damit, dass reine Wasserstoffturbinen bereits 2022 am Markt erhältlich sein werden.
Typische Preise und Mikrogasturbinen-Hersteller
Wie bei anderen Heizgeräten hängen auch bei Mikrogasturbinen die Preise von der Leistung ab. Kleine Anlagen, die sich etwa für Wohn- und kleinere Gewerbegebäude eignen, kosten hier etwa 30.000 bis 40.000 Euro. Wer eine größere Mikrogasturbine kaufen möchte, muss in aller Regel mit höheren Kosten rechnen. Die Preise hängen dabei sehr stark vom Einsatzbereich und den individuellen Anforderungen ab. In großen Leistungsbereichen sind Kosten von 1.500 bis 1.750 Euro pro kW elektrischer Leistung üblich. Hinzu kommen Ausgaben für Montage und Zubehör, die sich insgesamt auf 10.000 bis 30.000 Euro belaufen. Konkrete Angaben verschafft hier jedoch nur ein individuelles Angebot.
Namhafte Hersteller der Gasturbinen
Wer eine Mikrogasturbine kaufen möchte, sucht zunächst nach Herstellern mit effizienten und zuverlässigen Systemen im Angebot. Beispiele dafür sind Bilfinger, die Capstone Turbine Corporation, Dürr oder die MTT Micro Turbine Technology BV.
Häufig gestellte Fragen
Welche Vorteile bietet eine Mikrogasturbine?
Durch das Vorwärmen der Verbrennungsluft erreichen Mikrogasturbinen Wirkungsgrade von bis zu 33 Prozent (elektrisch) und über 95 Prozent (gesamt). Die Anlagen sorgen damit für spürbare Einsparungen der Verbrauchskosten. Durch die spezielle Konstruktion arbeiten sie außerdem wartungsarm und zuverlässig. Hinzu kommt der emissionsarme, leise Betrieb der kompakten stromerzeugenden Heizanlagen.
In welchen Bereichen können Mikroturbinen modulieren?
Durch den speziellen Aufbau können Mikrogasturbinen ihre Leistung über nahezu 100 Prozent modulieren, ohne merklich an Effizienz zu verlieren.
Welcher Brennstoff eignet sich für die Mikrogasturbine – Erdgas oder Flüssiggas?
Auch wenn sich Erdgas platzsparend beziehen lässt, bietet Flüssiggas einige Vorteile. So ist es möglich, Tanks mit einer Größe von bis zu 2,9 Tonnen genehmigungsfrei in der Nähe der Verbraucher aufzustellen, wodurch keine Gasleitungen auf dem Werksgelände zu verziehen sind. Flüssiggas ist außerdem nicht leitungsgebunden und günstiger. Denn anders als bei Erdgas spielen Lastgänge und RLM-Profile hier keine Rolle. Relevant ist allein der Brennstoffverbrauch.
Wie hoch sind die Preise der Mikrogasturbinen?
Kleine Anlagen mit geringer elektrischer Leistung kosten etwa 30.000 bis 40.000 Euro. Bei Großanlagen fallen Preise von 1,500 bis 1.750 Euro pro kW elektrische Leistung an. Hinzu kommen 10.000 bis 30.000 Euro für Montage und Zubehör. Ein individuelles Angebot schafft hier Gewissheit.
