Effiziente Abwärmenutzung im ORC- und Kalina-Prozess

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1 Kolloquienreihe Nachhaltige Energieversorgung - Wunsch oder Wirklichkeit? im ORC- und Kalina-Prozess Universität der Bundeswehr München Thomas Eisebraun, Oktober 2013 Die ILF Gruppe Unternehmen 1967 Gründung durch P. Lässer, 1969 Beitritt von A.H. Feizlmayr ILF Heute international tätige, unabhängige Ingenieur- und Beratungsunternehmen, zu 100% im Privatbesitz Völlige Unabhängigkeit von Herstellerinteressen, Lieferanten und Banken Eingehen auf individuelle Kundenbedürfnisse Interdisziplinäre Ingenieur- und Managementleistungen für komplexe Industrie- und Infrastrukturprojekte ( one stop shopping ) Streben nach qualitativer Marktführerschaft Sicherheit, Gesundheitsschutz und Umweltverträglichkeit prioritär Umsatz Mio Mitarbeiter weltweit Seite 2 1

2 Die ILF Gruppe Unsere Leistungen: Energie-Management-System EnMS nach ISO das Management-Tool der Technik Ihre Vorteile: Kontinuierliche Einsparungen Energie- und Medienversorgung Steuern und Abgaben Emissionen und Umweltbelastung Energie-Effizienz-Projekte ILF weltweit, unabhängig und kompetent Consulting: Zertifizierung EnMS, CO2 Förderung, Abgaben und Steuern Strukturierte Energieanalyse Fit für zukünftige Energiethemen: CO 2 -Footprint EEG-2012,StromSt-Spitzenausgleich Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Ganzheitliche Betrachtung: Imagegewinn Finanzierungskriterium Marktstellung Energiewandel mitgestalten: Innovation Marktpräsenz Flexibilität Seite 3 Inhalt 1. Allgemeines zur Abwärmenutzung 2. Möglichkeiten der Stromerzeugung 3. Herausforderungen der Restwärmenutzung 4. Best-Practise ORC- Anlage 5. Referenzen und Kontaktdaten Seite 4 2

3 Allgemein Abwärmepotentiale am Beispiel der Metallerzeugung, Energiesituation 2007: Primär- und Sekundärenergieeinsatz : ~ GWh in D-gesamt Davon Abwärmepotential > 140 C : ~ GWh th 1 In Österreich > 50% in einem Bereich 140 C- 250 C 1 Zur Erzeugung von GWh th wären notwendig: Kosten: Wirkungsgrad Einheit Menge 1. Gas: ~2.600 Mio. 90% m³ 10,1 kwh ,50 2. Heizöl: ~4.400 Mio. 85% l 10,0 kwh ,80 3. Strom: ~3.760 Mio. 95% MWh Annahmen Brennwert pro Einheit Preis pro Einheit 1 Forschungsbericht Die Nutzung industrieller Abwärme, 2010, ifeu, Fraunhofer ISE, etc Seite 5 Allgemein Thermische Nutzung: Einspeisung Fernwärmenetz Vorwärmung von Betriebsstoffen Absorptions- Kältemaschinen Wenn nicht möglich oder nicht gewünscht, dann: Möglichkeit der Verstromung Abwärmeverluste Abwärmeverluste Weitere Wertschöpfung Seite 6 3

4 Stromerzeugung Übersicht Kreisprozesse < C 1000 Stirling 800 Temperatur [ C] Dampfturbine ORC Kalina-Prozess 0 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW Abwärmeleistung [MW] Seite 7 Stromerzeugung Funktionsweise Kalina Kreisprozess wurde speziell für die Nutzung von Ressourcen mit niedrigen Enthalpien entwickelt Ammoniak/ Wassergemisch als Arbeitsmedium Anwendungsbereich bei ~ C Komplexer Systemaufbau mit NT- und HT Rekuperator Seperator HT Rekuperator NT Rekuperator Hochkorrosive Medien Abwärmequelle Wärmeabfuhr (Kühler) Quelle: Vergleich binärer Kraftwerke, D.Szablinski, Pfalzwerke AG Seite 8 4

5 Stromerzeugung Bewertung des Kalina-Kreisprozesses Bei niedrigen Abgastemperaturen (<200 C) noch guter Wirkungsgrad (bis ~14%) Ammoniak/ Wassergemisch ist hochkorrosiv Komplexer Systemaufbau mit NT- und HT- Rekuperator Hohe spezifische Investitions- und Betriebskosten Immer individuelle Ausführung, da keine Standardlösungen auf dem Markt vorhanden sind. Geothermiekraftwerk Bruchsal (550kW el ) Quelle: Internetauftritt EnBW, Seite 9 Stromerzeugung Funktionsweise ORC Abwärmequelle Basierend auf dem Clausius- Rankine-Prozess mit organischen Medium ORC = Organic Rankine Cycle Anstelle von Wasser werden Flüssigkeiten wie z.b. R134a, n-butan, etc. verwendet Von ca. 90 bis 350 C anwendbar (NT: C und HT: C) Bis zu 22% Bruttowirkungsgrad Wärmeabfuhr (Kühler) Quelle: ORC-Erdwärme-Kraftwerke, Joemann, Megersa, Universität Kassel Seite 10 5

6 Stromerzeugung Bewertung ORC-Kreisprozess Bei niedrigen Abgastemperaturen (<200 C) eher geringe Wirkungsgrade (bis ~12%) Gute Teillastfähigkeit Hohe Effizienz und Lebensdauer Geringe Amortisationszeiten Stand der Technik Geringe spezifische Betriebs- und Investitionskosten ORC-Modul 700kW el Quelle: Turboden, Referenzliste 1 1 Weitere Anlagenhersteller z.b. Dürr, Ormat Technologies, GMK, u.v.m Seite 11 Stromerzeugung Übersicht Prozess Temperaturbereich Bruttowirkungsgrade Anmerkung Dampf C Bis ~ 40 % ORC- Hochtemperatur ORC- Niedertemperatur ~ C Bis ~ 22 % 80 ~150 1 C Bis ~ 12 % Hohes Temperaturniveau/ bedingt teillastfähig/ erprobte Technologie Gute Teillastfähigkeit/ erprobte Technologie Gute Teillastfähigkeit/ erprobte Technologie Im weiteren Verlauf Fokus auf ORC Kalina C Bis ~ 14 % Hohe Betriebskosten/ früher Entwicklungstand 1 Definition des Temperaturbereiches ist herstellerabhängig Seite 12 6

7 Herausforderungen der Abwärmenutzung Z. B. in der Metallindustrie: hohes Potential vorhanden bewährte ORC-Technologie für die Stromerzeugung aber : Vielfältige Herausforderungen Hohe Anforderungen an den Wärmetauscher bezgl. der Abgasqualität ggf. diskontinuierlicher Anfall der Restwärmemengen KWK-Vergütung Seite 13 Herausforderungen der Abwärmenutzung Wärmeauskopplung Stellenweise hohe Staubbeladung und/ oder hohes Korrosionspotential des Abgases Hohe Volumenströme und Leistungen Herangehensweise Erfassung der Abgaszusammensetzung und Abgasmenge Verwendung hochwertiger Wärmetauscher Abgasnutzung und Staubablagerung auf einem mit Luft gekühlten Test- Wärmeübertrager nach 43 h 1 Minderung der Korrosion Längere Laufzeit und geringere Wartungskosten idr erreichbar durch Graphit oder Keramik 1 Aus: Abwärme zu Strom veredeln, Experimentelle Untersuchung, Chr. Brandt, ZAE Bayern Seite 14 7

8 Herausforderungen der Abwärmenutzung Prozessschwankungen Bei einer Wärmequelle 1 Variierende Abwärmeleistung [%] Ungenutzte Anteile 100% 75% 50% 25% 0% 1 min 9 min 17 min 25 min 33 min 41 min 49 min 57 min Möglicher Auslegepunkt ORC-Anlage Minderleistung ORC 1 Beispielverlauf aus: Abwärme zu Strom verwandeln, Chr. Brandt, ZAE Bayern Seite 15 Herausforderungen der Abwärmenutzung Prozessschwankungen Lösung 1 Ringschluss und Koppelung von zwei (oder mehr) Abwärmequellen Weitere Prozesse einbinden, die sich gegenseitig unterstützen 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Variierende Abwärmeleistung [%] Abwärme Prozess 2 Abwärme Prozess 1 1 min 9 min 17 min 25 min 33 min 41 min 49 min 57 min Ungenutzte Anteile Möglicher Auslegepunkt ORC-Anlage Minderleistung ORC Seite 16 8

9 Herausforderungen der Abwärmenutzung Prozessschwankungen Lösung 2 Ringschluss und Koppelung wie vor Weitere Wirkungsgradverbesserung durch Latentwärmespeicher oder zeitlicher Prozessverlagerung: Variierende Abwärmeleistung [%] 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 1 min 9 min 17 min 25 min 33 min 41 min 49 min 57 min Ungenutzte Anteile Möglicher Auslegepunkt ORC-Anlage Minderleistung ORC Seite 17 Herausforderungen der Abwärmenutzung Zusammenfassung Prozessschwankungen Temperatur- oder volumenstrombedingt Mindern Wirkungsgrade und Auslastung der ORC-Anlage Vorgehensweise Zusammenschluss mehrerer Wärmequellen durch Ringnetzschluss Und/oder Verwendung von Wärmespeichern (z.b. Thermoöle Wasser Dämmung vorh. Speicher) Konstante Auslastung Höhere Effizienz Seite 18 9

10 Ökonomie von ORC-Anlagen Ökonomische Grundlagen Finanzieller Vorteil - Einsparung Stromkosten Förderung von hocheffizienten Anlagen durch KWK-Gesetz, idr nur dann, wenn nach dem ORC-Prozess in der Nahwärme oder dgl. genutzt werden kann dann gesicherte Einspeisevergütung / Einspeisevorrang Förderungsdauer sind 6 Jahre oder Vollbenutzungsstunden (KWKG-Zuschlag) Finanzierung über KfW-Bank möglich Seite 19 Ökonomie von ORC-Anlagen Referenz: ILF Projekt Hall in Tirol Komplette Planungs- und Beratungsleistungen Leistungsdaten Hauptsächliche Nutzung: Fernwärmeversorgung Thermische Leistung Heizkraftwerk: 27 MW th Im Vergleich: Projektbeispiel Abwärmenutzung Metallindustrie Nutzbares Potential: 8,5 MW th Temperaturniveau von 240 C Konstante Leistung durch Ringschluss und Koppelung mehrerer Abwärmequellen Wärmespeicher ORC- Anlage mit 1100 kw el Feuerungsleistung nicht konstant (Winter-/ Sommerlastgang) Seite 20 10

11 Ökonomie von ORC-Anlagen Vergleich der ORC- Projekte Parameter Maximal nutzbare Wärmeleistung Nutzungszeitraum Temperaturniveau Nettoleistung ORC Nettowirkungsgrad Stromerlöse durch Verringerung Strombezug Hall in Tirol (biomassebefeuert) 27 MW th ~ VBh 300 C kw el ~ 17 % 120 /MWh el Beispiel Metallindustrie (industrielle Abwärme) 8,5 MW th ~ VBh 240 C kw el ~ 13 % 80 /MWh el Seite 21 Ökonomie von ORC-Anlagen Amortisationszeit beider Anlagen (in Abhängigkeit der Amortisatzionszeit [a] Anlagenleistung bei unterschiedlichen Auslastungen) Anlagenleistung ORC [kw el ] Auslegungspunkt beider ORC- Anlagen 8000 VBh 80 /MWh 5000 VBh 120 / MWh 8000 VBh 120 /MWh Für Amortisationrechnung getroffene Annahmen: 1. Investitionskosten Kosten ORC-Anlage +Komponentenkosten 50% (Biomasse) bzw. 90% (Abwärme) der Anlagekosten +Planungskosten 15% der Anlagen- + Komponentenkosten) =Gesamtkosten 2. Betriebskosten pro Jahr 1 % des Gesamtinvest/a Seite 22 11

12 Ökonomie von ORC-Anlagen Projektbeispiel Abwärmenutzung Investitionskosten von ca. 3,7 Mio. 1,7 Mio. ORC- Anlage 1,5 Mio. sonstige Komponenten +15% Planung Es resultieren pro Jahr: Einsparungen an Stromkosten (80 / MWh) Unterhaltkosten Amortisation nach ca. 5,4 Jahren Und weiterhin Durchschnittlich 9,6 Jahre Restnutzungsdauer und entsprechende Erlöse Seite 23 Resumée Hohe und mittlere Einsparpotenziale sind in der deutschen Industrie weitestgehend ausgenutzt. Ein Baustein zur weiteren Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der stromintensiven Industrie kann die Verstromung der Restwärmemengen sein Die Technik ist erprobt - die kostenlose Abwärme kann sinnvoll genutzt werden ggf. entfallen sogar passive oder aktive Rückkühlkosten. Die ROI s sind im Bereich von ~ 6a Worauf warten?? Seite 24 12

13 Referenzen Seite 25 IEE Industrielle Energie-Effizienz Kontakt ILF-Kontakt ILF Beratende Ingenieure GmbH Werner-Eckert-Straße München Deutschland Tel.: +49 (89) Fax: +49 (89) iee@ilf.com Name Funktion Durchwahl Jürgen KERSCHER Abteilungsleiter Thomas EISEBRAUN Executive Consultant IEE Andrej von Hoyningen-HUENE Auditor Management Systeme Process Thomas PRÜFLING MSR-Technik Olaf RZECZEWSKY Elektr. Systeme und Beleuchtung Robert Große KWK Speicher Thermische Systeme Manuel GEIGER Steuern Abgaben Förderungen Seite 26 13

14 IEE Industrielle Energie-Effizienz Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 14