Endlich war es soweit: Am 27.06.2023 hat unsere Niederdruck-Kleindampfturbine das erste Mal Strom erzeugt! Auch wenn die erzeugte elektrische Leistung noch gering war (ca. 1 kW), so verlief die Inbetriebnahme reibungslos. Im nebenstehenden Bild ist zu erkennen, wie eine Druckdifferenz von 0,23 bar auf 0,16 bar über der Kleindampfturbine ansteht und bei einer Drehzahl von 10000 U/min ein negatives Drehmoment von -1,14 Nm erzeugt. Ebenso konnte festgestellt werden, dass das patentierte Kühlkonzept der Turbine funktioniert. Hierbei kühlt der Sattdampf beim Überströmen des Generators die Statorwicklungen und die Lagerung. Später soll unsere Kleindampfturbine eine elektrische Leistung von bis zu 20kW bringen. Dem steht aus unserer Sicht nichts mehr im Wege.
Am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) in der Abteilung für Energie- und Verfahrenstechnik wird mit unserer Niederdruck-Kleindampfturbine ein "Offener Dampfkreislauf für autarke Wasseraufbereitung und Reinigung" betrieben. Hierbei handelt es sich prinzipiell um einen Dampfkraft-Kreisprozess (Clausius-Rankine-Kreisprozess) ähnlich eines großen Dampfkraftwerks. Die Wärmequelle wird durch eine Heizzentrale simuliert. Diese erwärmt das Wasser auf 80 bis 120°C, welches über Speisewasserpumpen in einen sogenannten Flash-Verdampfer eingespritzt wird. Im Verdampfer herrscht ein niedriger Druck (< 0,5 bar(a)). Durch die schlagartige Druckabsenkung verdampft ein Teil des Wassers. Dieser Dampf wird mit unserer Niederdruck-Kleindampfturbine auf einen Druck von ca. 120 mbar(a) entspannt. Dabei treibt der Dampf die Kleindampfturbine an, welche dann einen Teil der Energie des Dampfes in Strom umwandelt. Der Dampf wird im nachfolgenden wassergekühlten Kondensator verflüssigt, wodurch aufgrund der Volumenabnahme des Dampfes der Abdampfdruck gehalten wird. Im Unterschied zu einem geschlossenen Kreisprozess wird das Kondensat nicht zurück in den Prozess geleitet. Dies hat einen Grund: Das Institut möchte untersuchen, ob der offene Dampfkreislauf in der Lage ist, als Wasseraufbereitungsanlage zu fungieren. Dies kann beispielsweise die Aufbereitung von Trinkwasser, die Abwasserreinigung und die Aufkonzentration von gelösten Stoffen sein. Ebenso soll mit dieser Anlage die Nutzung von Abwärme untersucht werden.
Endlich ist es soweit: Wir haben am 27.02.2023 den ersten Prototypen unserer Niederdruck-Kleindampfturbine zu unserem ersten Testkunden, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), ausgeliefert! Nachdem die ersten Probeläufe in reinem Motorbetrieb der Turbine auf unserem eigenen Teststand ohne Probleme verliefen, wurde der Prototyp versandfertig gemacht und ausgeliefert.
Die Turbine wird in einen Niedertemperatur-Testkreislauf am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) eingebaut. Dieser Kreislauf dient zur Erforschung von geothermaler Stromerzeugung bzw. Niedertemperatur-Stromerzeugung. Hier wird die Niederdruck-Kleindampfturbine erstmals in den generatorischen Betrieb gehen. Mit Hilfe dieses Testkreislaufs erhoffen wir uns Langzeiterfahrungen unserer Turbine zu sammeln.
Wir haben die ersten Tests des Motorlaufs der Turbine durchgeführt. Die Turbine beschleunigt ohne Probleme auf ihre maximale Drehzahl von 40000 U/min. Dies bedeutet, dass das konstruierte Design bislang fehlerfrei ist und den Berechnungen entspricht. Die Tests wurden ohne Turbinenlaufrad durchgeführt, weil die Umgangsgeschwindigkeit so hoch ist, dass es zu Erwärmung durch Luftreibung kommt und die Lautstärke aufgrund Überschreitung der Schallgeschwindigkeit unerträglich hoch ist. Im späteren Turbinenbetrieb wird das Turbinenlaufrad im Unterdruck betrieben und es sind natürlich die Dampfrohrleitungen angeschlossen, wodurch die Lautstärke sehr viel geringer sein wird. Wir sind mit den bisherigen Ergebnissen äußerst zufrieden!
Der luftgekühlte Kondensator, oder auch kurz LuKo genannt, ist ein wichtiger Bestandteil in einem Dampfkraftwerksprozess. Er dient dazu, die nicht nutzbare Abwärme in die Umgebung abzuführen und gleichzeitig den Austrittsdruck hinter der Turbine möglichst klein zu halten. Durch die Wärmeabfuhr kondensiert der Abdampf der Turbine, wodurch sein großes Volumen durch Verflüssigung sehr klein wird. Infolgedessen entsteht ein sehr niedriger Druck (Vakuum) von nur einigen wenigen Millibar. Dieser Unterdruck beeinflusst somit das Druckgefälle über der Turbine und damit die Leistung. Es gilt: Je besser die Kühlung des LuKos, desto niedriger der Abdampfdruck, desto größer die Leistung der Turbine.
Ohne thermische Abfallbehandlung hätten wir ein echtes Müllproblem. Denn sie trägt dazu bei, dass schädlicher Abfall nicht in die Umwelt gelangt und somit die Entsorgungssicherheit für Siedlungs- und Gewerbeabfälle gewährleistet bleibt. Gleichzeitig kann die Wärme für technische und chemische Prozesse oder zur Verstromung und Fernwärme genutzt werden.
Hier kommen wir dann ins Spiel: Als Aussteller haben wir unsere Niederdruck-Kleindampfturbine präsentiert, mit der wir sowohl Abwärme als auch Niederdruckdampf noch im kleinen Leistungsbereich elektrisch verwerten können. Darüber hinaus konnten wir dem Fachpublikum unsere Engineering Dienstleistungen und unser Know-How rund um Dampfturbinen und den Wasser-Dampfkreislauf zeigen, mit denen wir unsere Kunden tagtäglich unterstützen.
Der Aufbau einer Testanlage für unsere Kleindampfturbine und dem Dampferzeugungsprozess hat begonnen. Mit dieser Anlage soll zum einen die Funktion der Turbine getestet werden, zum anderen soll die Dampferzeugung über einen Flash-Verdampfer erprobt werden. Das Fernziel ist, die Anlage autark über die von der Turbine erzeugten elektrischen Energie betreiben zu können. Dabei sollen alle Pumpen, ein Luftkondensator sowie weitere elektrische Peripheriegeräte von der Turbine gespeist werden, um den Wasser-Dampf-Kreislauf aufrecht zu erhalten. Überschüssige elektrische Energie soll später für externe Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. In einem letzten Schritt soll die Anlage mit salzhaltigem Wasser betrieben werden, um zu prüfen, dass mit dem Verdampfungs- und Kondensationsprozess in der Anlage entsalztes Wasser hergestellt werden kann.
Zum ersten Mal haben wir uns auf einer Tagung rund um Dampfturbinen als Fachaussteller präsentiert! Als besonderen Eye-Catcher haben wir unseren Prototypen der Kleindampfturbine mitgebracht. Denn unsere Dampfturbine lässt sich in einem Kleinwagen transportieren!
Den Besuchern der Tagung und der Fachausstellung haben wir über unser Konzept der Nutzung von Abdampf und Abwärme vorgestellt.
Weitere Infos zur Veranstaltung hier: vgbe-Fachtagung "Dampfturbinen und Dampfturbinenbetrieb" 2022
