Der Ersatz von Expansionsventilen in Dampfnetzen durch Turbinen bietet ein exergetisches Potenzial zur Stromerzeugung, das unterhalb einer Turbinenleistung von einem Megawatt aufgrund ökonomischer Restriktionen zumeist nicht genutzt wird. Gründe hierfür sind die in dieser Leistungsklasse geringen Effizienzen von Dampfturbinen und die hohen Investitionskosten von insbesondere elektrischen Generatoren und Getrieben. Durch einen Dampfturbolader – eine direkte Kopplung einer Axialturbine mit einem Radialverdichter – soll dieses Potenzial erschlossen und ohne den Umwandlungsschritt in elektrische Energie direkt Druckluft erzeugt werden. Diese Prozessoptimierungsoption wird in der vorliegenden Arbeit im Leistungsbereich von 50 kW bis 300 kW untersucht.

Hierzu wird ein Modell zur Auslegung und Untersuchung von Dampfturboladern entwickelt. Die typischen Randbedingungen für die betrachtete Dampfturbolader-Anwendung sind in Deutschland sehr heterogen, sodass zur individuellen Auslegung der Fokus bei der Modellierung auf Flexibilität, kurzen Rechenzeiten und einem hohen Detaillierungsgrad liegt. Neben der Stromfadentheorie und CFD-Simulationen werden CFD-basierte Surrogate-Models eingesetzt. Letztgenannte Methode wird in der vorliegenden Arbeit erstmalig in diesem Detaillierungsgrad für axiale Gleichdruckturbinen entwickelt und angewandt.

Die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die gewählten Turbomaschinenbauarten eine geeignete Kombination für einen Dampfturbolader dar-stellen. In der vorliegenden Arbeit werden insgesamt zwölf Dampfturbolader auf Basis eines Baukastensystems thermo- und aerodynamisch ausgelegt und untersucht. Die Turbinen erreichen dabei isentrope Wirkungsgrade zwischen 63 % und 71 %. Die polytropen Wirkungsgrade der Verdichterstufen betragen zwischen 76 % und 82 %. Die exergetischen Wirkungsgrade der zwölf Dampfturbolader-Designs liegen zwischen 40 % und 50 %. Der Einsatz eines Dampfturboladers bietet einen ökonomischen Mehrwert für Unternehmen. Es können jährlich zwischen 20.000 € und 62.000 € an Betriebskosten in der Drucklufterzeugung eingespart werden. Die maximalen spezifischen Investitionskosten für positive Bruttokapitalwerte liegen zwischen 1.500 €/kW und 1.800 €/kW. Darüber hinaus wurden in den betrachteten Fällen der Primärenergieaufwand um 34 % bis 42 % sowie der CO2-Ausstoß um 58 % bis 63 % gesenkt. Außerdem werden durch den Dampfturbolader Energiewandlungsverluste reduziert und zudem kann die Maschine in Kombination mit einem stromgetriebenen Kompressor netzdienlich zur Laststeuerung eingesetzt werden.

In weiterführenden Untersuchungen sollte ein Prototyp des Dampfturboladers konstruiert, gebaut und getestet werden, um Betriebserfahrungen zu sammeln und die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit anhand von Messdaten zu validieren.