Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenanordnung, ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und Verwendungen der Turbinenanordnung.

Die Energieversorgung der Zukunft soll effizient, emissionsarm und dezentral gestaltet werden. Große Kraftwerke, die nukleare oder fossile Brennstoffe einsetzen, werden durch viele kleine und mittlere Anlagen (Windenergie, Photovoltaik, Biogas etc.) mit günstiger COs-Bilanz ergänzt und ersetzt. In den Stromnetzen entsteht dadurch eine hohe Volatilität und somit ein großer Bedarf, die Netzstabilität mittels flexibler Kraftwerks- Systeme und auch Energiespeicher zu gewährleisten. Gleichzeitig steigt der Bedarf an Strom durch die wachsende Elektromobilität, die ebenfalls zu Schwankungen und Verbrauchssteigerungen im Stromnetz führen wird.

Die höchste Energieeffizienz erreichen große Gas- und Dampfkraftkraftwerke, die aus der Kombination einer Gasturbine und einer Dampfturbine bestehen. Gasturbinen erreichen hier einen Wirkungsgrad von ca. 40 %. Die Stromgestehungskosten werden wesentlich über die Brennstoffkosten definiert.

Prinzipbedingt besitzen kleine Gasturbinen einen geringen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 30 %, daher sind diese häufig nur in einer Koppelung mit Wärmeprozessen sinnvoll einsetzbar. Ihr Vorteil liegt aber in der Vielstofffähigkeit und hohen Robustheit. Wartungsintervalle werden damit sehr groß. Erst durch die Kopplung einer oder mehrerer Kleingasturbinen mit nachgeschalteten Prozessen zur Stromerzeugung erreichen diese wirtschaftlich nennenswerte Stromgestehungskosten, soweit die Kraftstoffkosten vernachlässigt werden können. Eine Stromproduktion mittels Erdgas ist erst ab einem Wirkungsgrad von ca. 40 % wirtschaftlich sinnvoll.

Andere Systeme (Gasmotoren) sind für eine dauerhafte Energieversorgung nicht geeignet, da sie sehr schwer und zudem wartungsintensiv sind. Im Verhältnis zu Ihrer Größe liefern diese Systeme nur wenig Leistung, weisen also eine ungünstige Leistungsdichte auf.

Gattungsgemäße Turbinenanordnungen sind aus dem Stand der Technik daher an sich bekannt, bei denen entweder getrennte Anlagen oder großtechnische Anlagen vorliegen, diese mit großen Abständen und rein stationärem Betrieb. In großen Kraftwerkssystemen werden dabei Kombikraftwerke derart betrieben, dass entweder: eine (meist Erdgasbetriebene) Gasturbine direkt mit einer Dampfturbine gekoppelt ist, oder eine Gasturbine mit einem Generator und eine Dampfturbine mit einem zweiten Generator gekoppelt ist.

Die erstbeschriebene Variante funktioniert unter großtechnischen Bedingungen deshalb, weil die Abgaswärme der Gasturbine direkt dem Dampfprozess der nachgeschalteten Dampfturbine zugeführt wird. Der Dampfturbinenprozess arbeitet dabei mit Zwischenüberhitzung, wobei Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbinenstufen den Dampf bis an die Kondensationsgrenze entspannen. Die derart kombinierten Kreisläufe erreichen hohe Gesamtwirkungsgrade in der Stromerzeugung von mehr als 60 %.

Derartige Prozesse lassen sich nicht beliebig verkleinern, da bei geringeren Leistungen die Durchmesser der Turbinenräder kleiner werden müssen, was zu höheren Spalt- und Druckverlusten führt. Ebenso sinken die Möglichkeiten, die Turbinenschaufeln zu kühlen und die damit verbundenen Grenztemperaturen für die Materialien.

Kleine Gasturbinen kompensieren diesen Nachteil, indem sie Abgaswärme an die verdichtete Verbrennungsluft weitergeben, was die mögliche Wirkungsgradsteigerung durch einen nachgeschalteten Dampfprozess verhindert, da für einen effizienten Betrieb dieses Prozesses eine entsprechen hohe Überhitzung des Wasserdampfs benötigt wird.

Kombinierte Anlagen aus einem sog. „Organic-Rankine-Cycle“ (ORC) und einer Mikro- Gas-Turbine MGT (bevorzugt im Leistungsbereich von ca. 20 kW bis 400 kW, die üblicherweise über einen einstufigen Radialverdichter und eine einstufige Radialturbine verfügen) werden u.a. beschrieben in US 6,962,056 B2 und in der wissenschaftlichen Untersuchung: „Analysis of Design and Part Load Performance of Micro Gas Turbine/Organic Rankine Cycle Combined Systems“ von Joon Hee Lee und Tong Seop Kim, Journal of Mechanical Science and Technology, 2006.

In der letztgenannten Veröffentlichung kommen die Autoren zu dem Schluss, eine gekoppelte Anlage aus den beiden Prozessen führe zu einem Wirkungsgrad von 39 %. Dabei gehen die Autoren immer von zwei mechanisch entkoppelten Prozessen aus. Konkret wird eine mechanische Kombination von ORC-Turbine und Gasturbine ausgeschlossen, da die Systeme während der Lebensdauer meist in Teillast laufen würden.

Ausgehend von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenanordnung bereitzustellen und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie anzugeben, mit welchen die Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll eine Turbinenanordnung bereitgestellt werden, die geometrisch kompakt aufgebaut sowie hochintegriert ausgelegt und damit flexibel einsetzbar ist, während gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad mit deutlich reduzierten Emissionen erreicht wird, so dass die Turbinenanordnung eine hohe Leistungsdichte aufweist.

Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Turbinenanordnung gelöst, umfassend

- einen Verdichter (1 ) zum Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben in eine Verbrennungsluftzufuhr (31 ),

- einen in der Verbrennungsluftzufuhr (31 ) angeordneten Rekuperator (2) zum Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft,

- eine Brennkammer (3) mit der einlassseitig angeordneten Verbrennungsluftzufuhr (31 ) und einer auslassseitig angeordneten Brenngasabfuhr (33),

- eine Gasturbine (4), die einlassseitig mit der Brenngasabfuhr (33) der Brennkammer (3) verbunden ist und auslassseitig eine Abgasabfuhr (43) aufweist, wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist,

- einen Wärmetauscher (5, 21 ), der thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, zum Aufgeben von Abgaswärme auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, eine Expansionsturbine (6), die einlassseitig eine Arbeitsmedienzufuhr (61) aufweist, zum Expandieren des verdampften Arbeitsmediums, wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, wobei der Verdichter (1 ), die Gasturbine (4) und die Expansionsturbine (6) auf einer gemeinsamen Welle (1 1 ) angeordnet sind, die mit einem Generator (12) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist.

Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Verdichter handelt es sich vorzugsweise um einen einstufigen Radialverdichter (insbesondere mit einem Verdichtungsverhältnis von ca. 3 bis 8). Mit „Verbrennungsluft“ wird grundsätzlich die Luft aus der Umgebung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung bezeichnet.

Der Begriff „Rekuperator“ wird in der vorliegenden Erfindung für (denjenigen Wärmetauscher verwendet, der mittels Abgasenergie die verdichtete Frischluft aufheizt.

Unter der „Brennkammer“ wird im Sinne der vorliegenden Erfindung der Reaktionsraum verstanden, in dem die verdichtete, erhitzte Verbrennungsluft mit einem mit dem Luftsauerstoff reagierenden Brennstoff vermischt und (soweit technisch möglich) vollständig verbrannt wird.

Bei der erfindungsgemäß eingesetzten Gasturbine handelt es sich vorzugsweise um die Kombination einer üblicherweise einstufig radial verdichteten und radial entspannten Turbine mit einer Brennkammer (analog den auf dem Markt befindlichen und realisierten Systemen). Der wesentliche Unterschied zu diesen bekannten Turbinen ist die komplette Integration des als „bottoming cycle“ bezeichneten Rankine-Kreislaufs. Das gesamte System kann auch als „Mikrohybridturbine“ bezeichnet werden, um die Eigenständigkeit des Konzepts darzustellen.

Der Begriff „Wärmetauscher“ wird in der vorliegenden Erfindung für den Abgaswärmetauscher verwendet, der die im Prozess nicht nutzbare bzw. nicht genutzte Restenergie des Abgases an ein Arbeitsmedium abgibt und dieses verdampft. In diesen Prozess können zusätzliche Wärmequellen eingekoppelt werden.

Mit „Expansionsturbine“ wird eine einstufige Radialturbine oder einstufige Axialturbine oder auch eine Mischform aus beiden Typen bezeichnet. Mehrstufige Ausführungen sind denkbar für höhere Leistungen.

Das „verdampfbare Arbeitsmedium“ ist ein grundsätzlich niedrigsiedendes Medium, das aufgrund seiner Eigenschaft leichter zu verdampfen ist als Wasser. Ein solches Medium ist üblicherweise ein kurzkettiger Kohlenwasserstoff (Alkanole) oder eine Fluor- Kohlenwasserstoff. Andere Medien wie Ammoniak eignen sich ebenfalls, wesentlich ist hier die Verdampfungstemperatur und die Verdampfungsenthalpie.

Schließlich handelt es sich bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Generator vorzugsweise um einen Hochdrehzahlgenerator, der mittels Luftlagern und / oder Magnetlagern gelagert ist. Dabei ist die Generatorwelle direkt mit dem Turbinensatz / der ORC-Turbine gekoppelt. Die Generatorwelle ist dabei üblicherweise so ausgestaltet, dass Magneten auf die Welle aufgeschrumpft oder in ihr eingelassen und mittels einer Ummantelung aus Stahl oder eines hochfesten Faserwerkstoffs armiert sind.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung steht technisch im Gegensatz zu der vorstehend genannten Veröffentlichung von Lee et al., wo eine mechanische Kombination einer ORC-Turbine mit einer Gasturbine ausgeschlossen wird, da die Systeme während der Lebensdauer meist in Teillast laufen.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung umgeht das vorstehend von Lee et al. geschilderte Dilemma aber, indem entgegen dieser Lehre eine Mikrogasturbine, erfindungsgemäß die Gasturbine (4), mechanisch direkt mit einer ORC-Turbine, erfindungsgemäß als Expansionsturbine (6) bezeichnet, gekoppelt wird. Durch die erfindungsgemäße Turbinenanordnung ist es somit möglich, die Abwärme aus der Gasturbine (4) an ein niedrigsiedendes Medium, in der vorliegenden Erfindung das verdampfbare Arbeitsmedium, zu übertragen, welches wiederum die Expansionsturbine (6) antreibt.

Konkret wird durch die mechanische Kopplung der Expansionsturbine (6) und der Gasturbine (4) ein sich gegenseitig ergänzender Prozess ermöglicht und zur Stromerzeugung genutzt. Dieser Prozess unterscheidet sich von großen Gas- und Dampfkraftwerken (Leistungen größer 5 MW) maßgeblich durch die Verschaltung der Komponenten untereinander derart, dass zunächst der Rekuperator (2) Verbrennungsenergie an die verdichtete Frischluft abgibt und die verbleibende Abgasenergie (üblicherweise über 50 % der gesamten Brennstoffenergie) über einen integrierten zusätzlichen Wärmetauscher (5, 21 ) an ein weiteres Prozessmedium, nämlich das verdampfbare Arbeitsmedium, abgibt. Diese Kombination in einer Turbinenanordnung bzw. in einem Prozess ermöglicht Wirkungsgrade deutlich oberhalb bestehender Mikrogasturbinensysteme.

Entgegen der Lehre von Lee et al., wie vorstehend ausgeführt, soll die erfindungsgemäße Turbinenanordnung grundsätzlich möglichst lange in Volllast unter Nennbedingungen laufen. Aus diesem Grund kann die Turbinenanordnung daher auch als Kombination beider Systeme funktionieren. Hier entstehen weitere Vorteile, z.B. die Verringerung von Verlusten durch Lagerreibung und die funktionale Kombination von beiden Systemen derart, dass der Unterdrück des Verdichters die Medienversorgung (eigentlich die notwendige Kondensation) des ORC-Systems (Mediums) und die Lagerung unterstützen kann.

Die sogenannte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) spielt zwar in der Betrachtung häufig eine wichtige Rolle, Strom ist aber im Verhältnis zu Wärme eine wertvollere Energieform, da sie vielseitig einsetzbar ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird daher die Verbrennungsenergie so weit wie möglich in Strom umgewandelt. Dies ist im Rahmen einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ausgesprochen sinnvoll, da sich damit die Stromgestehungskosten drastisch reduzieren lassen. Die Stromgestehungskosten sind maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit und erweitern somit den Einsatzbereich einer erfindungsgemäßen Anlage auf viele Schwachgasquellen und niederkalorische Energiequellen, die zurzeit nicht wirtschaftlich zu erschließen sind. Damit wird die Anlage signifikant zur Reduktion klimaschädlicher Gase (u.a. Methan und Ammoniak) aus natürlichen Zersetzungsprozessen beitragen.

Mit anderen Worten technisch ausgedrückt ist die vorliegende Erfindung die Integration eines ORC-Prozesses in einen nach dem Joule-Prozess arbeitenden Gasturbine bzw. die Kombination der beiden genannten Prozesse in einem System.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kann in einem Leistungsbereich zwischen 20 kW und 400 kW skaliert werden.

Die gemeinsame Welle (11 ) kann insbesondere eine Hohlwelle sein, die den Transport eines Kühlmediums ermöglicht. Ferner kann die Expansionsturbine (6) luftgekühlt ausgeführt sein.

Aufgrund der hohen Leistungsdichte und des modularen Aufbaus kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung System vielseitig eingesetzt werden.

Die Integration externer Wärmequellen ermöglicht eine Nutzung von Restwärme aus Industrieprozessen und damit eine Reduktion von COs-Emissionen.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist die gemeinsame Welle (11 ) von Verdichter (1 ), Gasturbine (4) und Expansionsturbine (6) getriebefrei oder mechanisch entkoppelt mit dem Generator (12) gekoppelt. Insbesondere kann hier eine Magnetkupplung (13) verwendet werden. Diese besondere Anordnung ermöglicht einerseits eine schwingungsmechanische Entkopplung von Generator (12) sowie Gasturbine (4) und Expansionsturbine (6) und andererseits eine im Notfall bessere Redundanz.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher (5, 21 ) als Restabgas-Wärmetauscher (5) stromabwärts des Rekuperators (2) in der Abgasabfuhr (43) angeordnet ist. Dieser Aufbau ermöglicht aufgrund seiner Module eine einfache Kopplung und Adaption auf entsprechende Leistungsbedarfe oder sonstige Randbedingungen.

Eine zu der ersten Ausführungsform alternative zweite Ausführungsform sieht vor, dass der Wärmetauscher (5, 21 ) als Abgaswärmetauscher (21 ) in Kombination mit dem Rekuperator (2) in der Abgasabfuhr (43) angeordnet ist. Bei dieser Anordnungsform ist die kompakte Bauweise maßgeblich, hier ändert sich die Bauform von einem Gegenstrom zu einem Kreuzstromwärmetauscher]

In der zweiten Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, wenn der Verdichter (1 ) dazu ausgelegt ist, einen Unterdrück zu erzeugen, wozu der Verdichter (1 ) stromabwärts der Brennkammer (3) und der Gasturbine (4) angeordnet ist. Mit dieser Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Turbinenanordnung Somit wird das System nach dem sog. „inverted Brayton-Cycle“ betrieben, wobei der Verdichter (1 ) die Verbrennungsgase über den Rekuperator (2) / ORC-Wärmetauscher (21) und die Expansionsturbine (6) hinweg einen Unterdrück in der Brennkammer (3) erzeugt und somit die Verbrennungsgase erzeugt, die wiederum in der Expansionsturbine (6) entspannt werden. Anschließend werden die Verbrennungsgase im Rekuperator (2) / ORC-Wärmetauscher (21 ) heruntergekühlt, bis sie auf der Saugseite in den Verdichter (1 ) eintreten. Die im Wärmetauscher (21 ) abgegebene Verbrennungswärme kann dann wieder über ein Heizregister der Verbrennung und / oder über einen Verdampfer einem ORC-Prozess zugeführt werden.

Die Abdampfseite der Expansionsturbine (6) kann aus Gründen der Wirkungsgradsteigerung und Prozessabsicherung evakuiert werden, aus dem Prozess entweichende Stoffe (z.B.: Kondensat, Luft und darin enthaltene Aerosole, verdampfbare Arbeitsmedium) können so über den Verbrennungsprozess abgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Weiterbildung, kann der Generator (12) und ein die gemeinsame Welle (11 ) umgebendes Gehäuse evakuierbar auslegt sein. Somit wird die Luftreibung der Welle (11 ) reduziert, zudem wird ein Kühleffekt für den Generator (12) erzeugt, da nach der allgemeinen Gasgleichung (p=p*R*T] die Temperatur druckabhängig ist.

Um die Variabilität der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung zu erhöhen, können neben dem Wärmetauscher (5, 21 ) externe Wärmequellen thermisch eingekoppelt sein. Diese externen Wärmequellen können industrielle Abwärmeprozesse, solare Wärmequellen oder geologische Wärmequellen sein. Wesentlicher Vorteil ist die Steigerung von Leistung und bedingt Wirkungsgrad durch die Nutzung von Exergie. Damit können signifikante COs-Einsparungen erzielt werden.]

Für die Effizienz der vorliegenden Erfindung hat es sich als wichtig herausgestellt, wenn das Arbeitsmedium ausgehend von dem Wärmetauscher (5, 21 ) über die Expansionsturbine (6), einen Arbeitsmedien-Kondensator (7), eine Kondensat- Förderpumpe (8), einen Arbeitsmedien-Vorratsbehälter (9) und eine Arbeitsmedien- Speisepumpe (10) zurück in den Wärmetauscher (5, 21 ) im Kreis geführt wird. Das Arbeitsmedium soll mit möglichst geringem Aufwand für dessen Zustandspflege (Verhinderung von Kontamination oder Zerfall) lange im Betrieb genutzt werden und in minimalen Mengen verbraucht werden, um den Wartungsaufwand des Systems so gering wie möglich zu halten.

Als Arbeitsmedium sind bevorzugt ein niedrigsiedender Alkohol, ein niedrigsiedender Kohlenwasserstoff oder ein halogenierter Kohlenwasserstoff einsetzbar. Besonders bevorzugt werden Azeton, Methanol, Ethanol oder sogenannte Kältemittel wie z.B. Pentafluorpropan verwendet, auch Mischungen aus Ethanol mit Wasser oder Ammoniak und Wasser sind denkbar. Durch den niedrigen Siedepunkt und die dennoch hohe Verdampfungs-(Kondensations)-Enthalpie ermöglichen diese Stoffe gegenüber dem klassischen Gas-und Dampfprozess eine höhere Energieausbeute.

Wenn in der Beschreibung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf die erfindungsgemäße T urbinenanordnung.

Die vorstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf die erfindungsgemäße Turbinenanordnung gelten für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Ebenso gelten die nachstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren für die erfindungsgemäße Turbinenanordnung entsprechend.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung einer Turbinenanordnung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, gelöst, das die Schritte umfasst: a) Ansaugen von Verbrennungsluft und Verdichten derselben mittels eines Verdichters (1 ) in eine Verbrennungsluftzufuhr (31 ), b) Aufgeben von Wärmeenergie auf die Verbrennungsluft mittels eines in der Verbrennungsluftzufuhr (31 ) angeordneten Rekuperators (2), c) Einführen der erhitzten Verbrennungsluft über die Verbrennungsluftzufuhr (31 ) in eine Brennkammer (3), d) Abführen von Brenngas aus der Brennkammer (3) über eine Brenngasabfuhr (33), e) Einführen des Brenngases in eine Gasturbine (4) und Abführen des Abgases über eine Abgasabfuhr (43), wobei die Abgasabfuhr (43) durch den Rekuperator (2) geführt ist, f) Aufgeben von Abgaswärme des Abgases in einem Wärmetauscher (5, 21 ), auf ein verdampfbares Arbeitsmedium, wobei der Wärmetauscher (5, 21 ) thermisch mit der Abgasabfuhr (43) in Verbindung steht, und Einführen des verdampfbaren Arbeitsmediums in eine Expansionsturbine (6), g) Expandieren des verdampfbaren Arbeitsmediums in einer Expansionsturbine (6), wobei das expandierte Arbeitsmedium auslassseitig über eine Arbeitsmedienabfuhr (63) abgeleitet wird, h) Antreiben eines Generators (12) zur Erzeugung elektrischer Energie mit der mechanischen Energie zumindest der Expansionsturbine (6).

Das Verfahren weist grundsätzlich die vorstehend in Verbindung mit der Turbinenanordnung bereits angegebenen Vorteile auf. Als Brennstoffe für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Turbinenanordnung können viele unterschiedliche Stoffe verwendet werden, beispielsweise Erdgas, Biogase, organische Kraftstoffe oder synthetische Kraftstoffe.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist auch den Vorteil auf, dass die Abwärme aus der Gasturbine (4) an das das verdampfbare Arbeitsmedium übertragen wird, welches wiederum die Expansionsturbine (6) antreibt. Konkret wird also durch die mechanische Kopplung der Expansionsturbine (6) und der Gasturbine (4) ein sich gegenseitig ergänzender Prozess ermöglicht und zur Stromerzeugung genutzt.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung der Turbinenanordnung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, gelöst.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kann zunächst als stationäres System zur Stromerzeugung und Restwärmenutzung aus regenerativen und/oder industriellen und/oder synthetischen und/oder konventionellen Energiequellen eingesetzt werden. Zu den regenerativen Energiequellen zählen bevorzugt Biogas, Schwachgase und Deponiegase.

Eine weitere Verwendung lieht in der Zusammenschaltung mehrerer vor vorstehend beschriebener Turbinenanordnungen zu stationären Clustern oder virtuellen Kraftwerken.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kann darüber hinaus als mobiles System zum zumindest zeitweisen Antrieb von Fahrzeugen dienen. Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung deckt dabei mindestens den durchschnittlichen Energiebedarf des jeweiligen Fahrzeugs, während die Lastspitzen des Energiebedarfs gemeinsam mit und/oder mittels eines Stromspeichers abgedeckt werden.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung als mobiles System zur Stromerzeugung verwendet werden.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Verdichter 1 (Kompressor), der Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Die so aufbereitete Luft wird über eine Leitung 31 (Verbrennungsluftzufuhr) an einen als Rekuperator 2 ausgeführten Wärmetauscher geleitet. In diesem Rekuperator 2 wird die verdichtete Luft erwärmt, die Wärmeenergie entstammt dabei dem Abgas aus der Verbrennung. Die Luft wird nach dem Austritt aus dem Rekuperator 2 einer Brennkammer 3 zugeführt und dort mit Kraftstoff vermischt und verbrannt. Das entstehende heiße Abgas wird von dort über eine Leitung 33 (Brenngasabfuhr, gleichzeitig Brenngaszufuhr Turbine) der Expansionsturbine 4 (Gasturbine) zugeführt. In der Expansionsturbine 4 wird das Abgas expandiert, wobei es einen Teil seiner Energie abgibt. Das Abgas wird dann über den Abgaskrümmer 43 (Abgasabfuhr) in den Rekuperator 2 geleitet. Dort gibt das Abgas Wärmeenergie an die verdichtete Frischluft ab und strömt dann in den Wärmetauscher 5, der als Überhitzer bzw. ORC-Verdampfer ausgebildet ist.

Im Wärmetauscher 5 wird ein großer Teil der verbleibenden Abgasenergie an ein Arbeitsmedium (sog. ORC-Medium) abgegeben. Anschließend expandiert das Abgas in die Umgebung 53.

Das ORC-Medium wird aus dem Vorratsbehälter 9 mittels einer Arbeitsmedien- Speisepumpe 10 an den Wärmetauscher 5 (Überhitzer) gefördert, wobei es erhitzt wird und schließlich verdampft und dann über die Rohrleitung 61 (Arbeitsmedienzufuhr) in die Expansionsturbine 6 eintritt. Nach Durchströmen der Expansionsturbine 6 wird das ORC-Medium über eine weitere Rohrleitung 63 (Arbeitsmedienabfuhr) in den Kondensator 7 geführt, wo es kondensiert und dann flüssig über die Kondensat- Förderpumpe 8 und die Rückleitung 91 in den Vorratsbehälter 9 zurückgeführt wird. Figur 2 zeigt eine Variation des in Figur 1 dargestellten Aufbaus derart, dass Verdichter 1 , Expansionsturbine 6 und Gasturbine 4 gekoppelt auf einer Welle 1 1 angeordnet sind und diese mittels einer schwingungsentkoppelnden Vorrichtung 13 an einen Generator 12 angebunden sind. Die Schwingungsentkopplung 13 kann dabei ein eigenes Modul (z.B. eine Magnetkupplung) oder wahlweise / z.B. ein biegeweicher Teil der Gesamtwelle sein (Schwingungsdämpfer). Damit werden kritische Biegeschwingungen der Welle gedämpft.

Die Funktion der in Figur 2 gezeigten Variation ist identisch mit der in Figur 1 gezeigten Konfiguration. Besonderes Unterscheidungsmerkmal neben der Anordnung von Expansionsturbine 6 und Generator 12 auf der Welle 1 1 ist der als Hybridwärmetauscher ausgeführte Wärmetauscher 21 (kombinierter Wärmetauscher - Abgas / Frischluft - ORC-Verdampfer), der vom Abgas nach Austritt aus der Gasturbine 4 durch die Leitung 43 durchströmt wird in Richtung des Abgasaustritts 53. In diesem Wärmetauscher 21 wird zunächst die Frischluft aus dem Verdichter 1 über die Leitung (31 ) erwärmt und tritt dann wieder in die Brennkammer 3 ein. In einem dazu parallelen Schritt wird im gleichen Wärmetauscher 21 in einem nachgeschalteten Prozess das ORC-Medium überhitzt, sodass es über die Rohrleitung 61 in die Expansionsturbine 6 strömt.

Alle Stoffströme sollen unter normalen Betriebsbedingungen kontinuierlich und mit konstanten Mengen im Auslegungspunkt durch die Systeme gefördert werden, um einen hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen.

Die Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der guten Skalierbarkeit und der Option, verschiedenste Brennstoffe effizient zu nutzen. Als dezentrale Anlage oder in Form von Verbundanlagen (Koppelung mehrerer Anlagen) kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung vielfältige Einsatzgebiete abdecken. Als sogenannte Insellösung kann die erfindungsgemäße Turbinenanordnung kleinere Siedlungen komplett oder ergänzend mit Strom versorgen, als Zusammenschluss mehrerer erfindungsgemäßer Turbinenanordnungen kann ein virtuelles Kraftwerk mit sehr genau auf den Energiebedarf abgestimmter Leistung aufgebaut werden. Dazu kann ein Netzwerk aus beliebig vielen erfindungsgemäßen Turbinenanordnungen zusammengeschaltet werden und somit größere Kraftwerke effizient ersetzen. Der Einsatz von Biogas aus Landwirtschaft, Siedlungswasserwirtschaft, natürlichen oder industriellen Prozessen oder Grubengasen, auch die Nutzung von sogenannten Schwachgasen, Ammoniak, Alkanolen oder Synthesekraftstoffen ermöglicht eine nachhaltige Energiegewinnung.

Weitere Vorteile ergeben sich hier mittelbar durch die Senkung der Stickstoffkonzentration in landwirtschaftlichen Abfällen und die damit einhergehende Senkung des Nitratgehalts in Böden und Grundwasser durch die Verwertung von Ammoniak aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten. Wasserstoff, Synthesegase oder Erdgas aus fossilen Quellen können mit der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung verstromt werden und somit die Schwankungen in der Energieversorgung durch regenerative Quellen effizient und dezentral ausgleichen. Somit reduzieren sich Investitionskosten in überregionale Stromnetze.

Ein Einsatz der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung in mobilen Anwendungen ist denkbar und wünschenswert, insbesondere bei Fahrzeugen mit hoher Spitzenlastanforderung und geringer Gesamtlast (Entsorgungsfahrzeuge), aber auch in landwirtschaftlichen Systemen oder im öffentlichen Nahverkehr erscheint ein Einsatz sinnvoll. Fahrzeuge, die für Langstreckenbetrieb ausgelegt sind, sind eine mögliche Anwendung.

Funktionsbedingt ist die Nutzung einer subatmosphärisch arbeitenden Turbine nach dem Brayton-Zyklus eine mögliche Variation. Dabei wird die Anlage nach dem in Figur 2 gezeigten Funktionsprinzip derart modifiziert, dass der Verdichter 1 einen Unterdrück erzeugt, der Frischgas durch die Brennkammer 3 ansaugt. Das Frischgas wird dabei „rückwärts“ durch die Brennkammer 3 und Gasturbine 4 gesaugt und tritt erst danach durch den Wärmetauscher 5, 21 in den Einlass des Verdichters 1 ein.

Erfindungsgemäß verbindet die Turbinenanordnung die Stromproduktion einer Gasturbine 4 mit einer Dampfturbine auf einer Welle 1 1 in der Art, dass die nach dem Durchtritt der Abgase aus der Gasturbine 4 vorhandene Wärmeenergie im Abgas einem Rekuperator 2 zur Verbrennungsluftvorwärmung und einem Wärmetauscher 5, 21 zur Verdampfung eines verdampfbaren Arbeitsmediums zur Verfügung gestellt wird. Die Wärmeenergie wird dabei so auf beide Prozessmedien aufgeteilt, dass sich für das Gesamtsystem ein optimaler Wirkungsgrad ergibt. Dem Gasturbinenprozess wird dabei Energie aus der Verbrennung wieder zugeführt, um den Wirkungsgrad dieses Teilprozesses zu steigern. Das zu verdampfende Arbeitsmedium soll mit der verbleibenden Energie soweit aufgeheizt werden, dass es in einer Expansionsturbine 6 (auch Impulsturbine oder Reaktionsturbine) mit hohem Druckverhältnis expandiert wird.

Idealerweise handelt es sich bei dem Prozessmedium um ein sogenanntes ORC (Organic Rankine Cycle)-Medium, also ein Alkanol wie etwa Ethanol oder Methanol, auch Azeton, verschiedene Kältemittel (R134a etc.) sind denkbar. Der Einsatz von Wasser als verdampfbares Arbeitsmedium ist ebenfalls denkbar. Der Organic Rankine Prozess beschreibt den klassischen Dampfturbinenprozess unter Nutzung eines (meist) organischen Mediums, dass üblicherweise bereits unter geringeren Temperaturen als Wasser verdampft. So lässt sich Energie aus niederkalorischen Quellen noch mit entsprechendem Wirkungsgrad nutzen.

Die Systemkomponenten einer erfindungsgemäßen Ausführung sind modular miteinander gekoppelt und können jederzeit angepasst oder für Wartungsarbeiten oder Adaptionen an veränderte Umgebungsbedingungen ausgetauscht werden. Der modulare Aufbau des Systems ist spezifisch und somit Teil der Erfindung.

In einer vorteilhaften Ausführung dieser Anordnung ist die Verbrennungsluft bereits so hoch verdichtet, dass eine Rekuperation nicht notwendig oder nur in geringem Maße notwendig wird, sodass die Verbrennungsenergie weitgehend dem nachgeschalteten Dampfprozess zur Verfügung gestellt werden kann um den Gesamtwirkungsgrad der Anlage weiter zu erhöhen. Hier ist relevant, dass eine hohe Verdichtung durch Mehrfachverdichtung oder durch eine hochverdichtende Radialstufe erreicht werden kann, dann sind aber massive Überschneidungen mit herkömmlichen Gasturbinen zu befürchten.

Idealerweise sind Verdichter 1 und Gasturbine 4 als Radialläufer ausgestaltet und einstufig. Eine mehrstufige Anordnung dieser Komponenten ist für höhere Leistungen denkbar. Die ebenfalls einstufige Expansionsturbine 6 für den Dampf- oder ORC- Prozess ist dabei mittig zwischen beiden Systemen angebracht oder wahlweise zwischen Generator 12 und Gasturbine 4.

Die Lagerung eines erfindungsgemäßen Systems soll vorzugsweise über Luftlager gestaltet werden, weitere Lagerungsmöglichkeiten sind magnetische Lager oder Gleitlager. Als Brennkammern 3 können verschiedene Systeme zu Einsatz gelangen, um die Brennstoffe entsprechend Ihrer Qualität und Zusammensetzung emissionsarm zu verbrennen. Zu den relevanten Technologien gehören die sogenannten FLOX-Brenner („FLameless OXidation“) und Porenbrenner, die meist aus MetallOxid-keramischen Werkstoffen aufgebaut sind.

Die Kühlung von Gasturbine 4 und Generator 12 soll erfindungsgemäß mittels Wasser erfolgen, eine Kühlung über Ethanol oder ein Wasser-Ethanol-Gemisch ist anzustreben. Einen Teil der Kühlleistung übernimmt die aus den Luftlagern in Richtung Welle 11 und Gasturbine 4 austretende Luftmenge. Die Turbinenwelle 11 soll nach Möglichkeit hohl ausgestaltet sein, um eine hohe Drehsteifigkeit der Gasturbine 4 zu erzielen, zudem kann die hohle Welle Kühlmedien transportieren.

Weiterhin ist die Entnahme von Zapfluft nach dem Verdichter 1 oder aus einem zusätzlichen Kompressor zur Prozesssteuerung möglich. Dieser zusätzliche Kompressor kann auf der Turbinenwelle angeordnet sein.

Durch die Kombination von zwei Kreisläufen müssen die Energieflüsse, Massenströme und die Störgrößen so geregelt werden, dass die zwei Kreisläufe synchron arbeiten und Ihre Leistungen sich addieren. Hierfür ist der technische Anspruch auf Materialien, Steuerung, Regelung und betriebssicheres Auslegen der Komponenten unter allen Bedingungen enorm.

Die ORC Turbine erfordert sehr enge Toleranzen damit es nicht zur Arbeitsmediumleckage und somit zur Leistungsverlusten kommt. Leckagen an der Expansionsturbine 6 führen zu signifikanten Störungen und Ausfall der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung ist wahrscheinlich.

Diese Problematik wird massiv erschwert durch die kompakte Anordnung des Systems (eine Welle), durch thermische Wechselwirkungen zwischen benachbarten heißen (Gasturbine 4) und kalten (Expansionsturbine 6) Baugruppen kommt es zur Ausdehnung der eingesetzten unterschiedlichen Materialien und zu Veränderungen der Spalte an der Expansionsturbine 6und der Luftlager. Der Anspruch auf die Materialien ist ein weiteres Kriterium, welche die Systemrealisierung ermöglicht. In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wie vorstehend beschrieben, der Verdichter 1 dazu ausgelegt, einen Unterdrück zu erzeugen. Hierbei werden eine Verbrennung und eine Restwärmenutzung nach dem Prinzip des invertierten Brayton-Kreisprozesses ermöglicht.

Dieser invertierte Brayton-Kreisprozess ist insofern eine Abwandlung des Joule- Prozesses, als hier der Verdichter 1 „rückwärts“ die Verbrennungsluft durch die Gasturbine 4 und einen zwischengeschalteten Wärmetauscher 5, 21 saugt. Somit ist in Flussrichtung des Arbeitsmediums die Turbine vor dem Wärmetauscher 5, 21 und dem Verdichter 1 angebracht. Diese Anordnung lässt sich aus der erfindungsgemäß beschriebenen Turbinenanordnung durch einfache Modifikation darstellen. Ebenso lässt sich der Wirkungsgrad in dieser Prozessabwandlung durch einen erfindungsgemäß mechanisch direkt gekoppelten ORC-Prozess steigern.

Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung verfügt über ein im Detail ausgeklügeltes System von Lagerungen und Medienführungen, die eine effiziente thermische Entkopplung der Gasturbine 4 und der Expansionsturbine 6 untereinander erzielt.

Durch geeignete Kühlmedien und Kühlmedienführung in Kombination mit einer Werkstoffauswahl, die thermische und mechanische Anforderungen an das System erfüllt, wird gewährleistet, dass die einzelnen Komponenten sich weitgehend im Betrieb unterstützen und sowohl die Überhitzung des einen als auch die ineffiziente Abkühlung des anderen Prozesses ausgeschlossen sind.

Die Teilsysteme sind untereinander so ausgelegt, dass sie in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich laufen bzw. im Zusammenspiel den optimalen Wirkungsgrad des Systems erzeugen.

Erfindungsgemäß werden die Gasturbine 4 und die Expansionsturbine 6 synchronisiert. Mit anderen Worten ist es wesentlich, dass sich Gasturbine 4 und die Expansionsturbine 6 in Ihren Leistungen ergänzen, was im Wesentlichen über die Auslegung im Volllastpunkt derart erfolgt, dass die im ORC-Wärmetauscher 21 abgegebene Energie und der daraus resultierende Massenstrom, Druck und Temperatur des Arbeitsmediums genau so viel Energie aus dem Abgas des Gasturbinenprozesses entnehmen, dass dies in beiden Turbinen 4, 6 zu gleichen Drehzahlen führt. Bezugszeichen

1 Verdichter

2 Rekuperator

21 Wärmetauscher

3 Brennkammer

31 Verbrennungsluftzufuhr

33 Brenngasabfuhr

4 Gasturbine

43 Abgasabfuhr

5 Wärmetauscher (ORC-Verdampfer - Überhitzer)

6 Expansionsturbine (Impulsturbine)

61 Arbeitsmedienzufuhr (Dampfzuführung)

63 Arbeitsmedienabfuhr (Dampfrückführung)

7 Arbeitsmedien-Kondensator (Kondensator)

8 Kondensat-Förderpumpe

9 Arbeitsmedien-Vorratsbehälter

10 Arbeitsmedien-Speisepumpe

11 gemeinsame Welle

12 Generator

13 Kopplungselement