Entwicklung und Untersuchung eines Turbo-Compound-Systems für ein innovatives Verfahren zur dezentralen Erzeugung elektrischer Energie aus bio-genen Rest- und Abfallstoffen erste Phase
Projektdurchführung
Technische Universität Dresden
Professur für Energieverfahrenstechnik (EVT)
George-Bähr-Str. 3 b
01062 Dresden
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Biomasse ist als erneuerbarer Energieträger zur Reduzierung der fossilen CO2-Emissionen und Ressourcenschonung anerkannt. Vom gesamten Spektrum fester Biobrennstoffe wird in thermochemischen Konversionsanlagen vor allem Holz als vergleichsweise qualitativ hochwertige Biomasse zur Wärme- und Strombereitstellung eingesetzt. Das Potential alternativer Einsatzstoffe, zu denen insbesondere biogene Rest- und Abfallstoffe zählen, die im Bereich der stofflichen Biomassenutzung (z. B. Möbelwerke, Brauereien, Molkereien, Papier- und Wellpappenverarbeitung, usw.) dezentral am Produktionsort anfallen und aufgrund ihrer Eigenschaften für eine weitere stoffliche Nutzung ungeeignet sind, bleibt hingegen bisher weitestgehend ungenutzt. Gleichzeitig suchen diese Industriezweige zunehmend nach Möglichkeiten, um ihre auf fossilen Brennstoffen beruhende Energieversorgung durch eigene biogene Rest- und Abfallstoffe zu substituieren und so auch steigende Kosten für fossile CO2-Emissionen einzusparen.
Zur energetischen Nutzung von vornehmlich biogenen Rest- und Abfallstoffen wurde von den Projektpartnern in Vorprojekten das sogenannte TC²-Verfahren entwickelt, patentiert und in einer Demonstrationsanlage umgesetzt. Dabei wird der Einsatzstoff in einem druckaufgeladenen Wirbelschichtreaktor in ein brennbares Vergasungsgas konvertiert und in einer nachgeschalteten Brennkammer verbrannt. Mittels eines Turbo-Compound-Systems (TCS) wird die Abgasenthalpie anschließend zum Antrieb des Luftverdichters und zur Stromerzeugung genutzt. Die ebenfalls anfallende thermische Energie kann zur Wärmebereitstellung (Prozesswärme, Gebäudeheizung) genutzt werden.
Um das Verfahrenskonzept in eine kommerzielle Gesamtanlage zu überführen, muss das TCS an die rauen Prozessbedingungen (partikelbeladenes heißes Abgas) adaptiert und unter diesen Bedingungen getestet werden. Das Ziel dieses Teilprojektes bestand daher in der Entwicklung und Integration einer Filmkühlung, die Partikelablagerungen auf den Schaufeln des TCS vermindern soll.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Integration der Filmkühlung wurden Schaufelschnitte aus der Anwendung des bestehenden TCS entnommen und Testschaufeln geschaffen, auf denen typische Ausführungen einer Filmkühlung generiert wurden. Eine Vorauswahl und Analyse der Strömungsmuster der Schaufeln wurde durch CFD-Studien vorgenommen. Aus den Erkenntnissen der CFD-Studien wurden die Schaufelsätze mit einem Umlenkwinkel von ?????=40,6° ausgewählt. Diese wurden anschließend experimentell untersucht. Dazu wurde ein Versuchsstand entworfen und aufgebaut, mit dem der Einfluss der Filmkühlung auf Partikelablagerungen unter prozesstypischen Betriebsbedingungen an Einzelschaufeln untersucht werden kann. Der Versuchsstand wurde so konzipiert, dass er relevante Parameter wie Gastemperatur, Gasgeschwindigkeit und Partikelkonzentration im Gasstrom der späteren Anwendung nachempfindet. Als Asche für die Versuchsdurchführung wurden anorganische Komponenten ausgewählt (Kalk, Gips, ????????2????3, ????2????????4, ????????????????, ????????????), die als typische Flugaschebestandteile gelten. Diese wurden in definierten Anteilen gemischt, in den Gasstrom des Versuchsstandes dosiert und mit einer definierten Massenkonzentration den Einzelschaufeln zugeführt. Die Bewertung der Ablagerungen erfolgte visuell, durch den Vergleich mit CFD-Simulationen und mittels REM-EDX-Analysen.
Ergebnisse und Diskussion
Die CFD-Studie hat gezeigt, dass die Ausbildung des Kühlfilms vor allem bei einer Umlenkung von ?????=40,6° begünstigt wird. Bei dieser Gegebenheit ist deswegen die beste Schutzwirkung zu erwarten. Zusätzlich zeigte die Variation mit gefächerter Bohrung die beste Schutzwirkung sowohl in den CFD-Simulationen als auch in den Versuchen gegenüber Partikelablagerung. Im Ergebnis der Experimente des Einzelschaufelversuchsstandes wurde festgestellt, dass Frontalbohrungen im Kontext einer Schutzwirkung kontraproduktiv sind, da sie eine verstärkte Durchmischung der Strömung hervorrufen und damit den Partikeltransport zur Oberfläche der Schaufel begünstigten. Auch zeigten in diesem Zusammenhang niedrige Impulsverhältnisse einen positiven Effekt auf die Reduzierung der Ablagerungstendenz auf der Druckseite der Turbinenschaufel.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Wunder, L.; Bernhardt, D.; Beckmann, M.: Comparison of Ash Deposition Models in Gas Turbine Blade Rows for Alternative Solid Fuels with Low Ash Melting Temperatures. In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2024: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT2024): June 24-28, 2024, London, United Kingdom. Little Falls, NJ, USA: The American Society of Mechanical Engineers, 2024
Wunder, L.; Bernhardt, D.; Beckmann, M.: Investigation of Ash Deposition Behaviour from Biogenic Solid Fuel Under Gas Turbine Conditions. ASME Turbo Expo 2025: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (GT2025): June 16-20, 2025, Memphis, USA (Noch nicht veröffentlichtes Journal Paper)
Fazit
Insgesamt ist die Filmkühlung eine vielversprechende Anwendung, um die Betriebszeit des TCS mit einem festen Brennstoff zu verlängern. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein finales TCS mit Filmkühlung entworfen und zur Fertigung vorbereitet. Dieses soll nun im Rahmen eines Folgeprojektes in die Demonstrationsanlage integriert und unter den realen Betriebs- und Prozessbedingungen getestet werden.