Hocheffiziente KWK-Technik für Wärmeerzeuger in mittelständischen Unternehmen

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1 Hocheffiziente KWK-Technik für Wärmeerzeuger in mittelständischen Unternehmen Referent: Dipl.-Ing. (FH) Ralph von der Hagen Leiter der Niederlassung West der SAACKE Service GmbH in Erkrath 1

2 Felderfahrungen Der Bereich Kraft-Wärme-Kopplung ist seit ca. 30 Jahren ein Industriezweig, den SAACKE mit seinen speziell dafür entwickelten Produkten bedient. Waren es in der Vergangenheit die Kombinationen aus großen Turbineneinheiten (ab 2MW el ), mit Abgastemperaturen > 500 C und einem O 2 -Gehalt im Turbinenabgas zwischen 12 bis 15%, so sind es jetzt die Kombinationen aus der MGT und dem nachgeschalteten Turbinenabgasbrenner DD(Z)G-GTM, der speziell für die neuen Anwendungsbereiche weiterentwickelt wurde. Die Felderfahrungen aus den letzten 30 Jahren bis zum heutigen Tag, lassen keinen Zweifel daran, dass die Symbiose zwischen der MGT und dem DD(Z)G-GTM die ideale Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb einer solchen KWK bilden können. 2

3 Einleitung Themen: Erklärung der Kraft-Wärme-Kopplung Energieströme im Vergleich Vorteile / Potentiale / Ziele und Nutzen der KWK Die Mikrogasturbine (MGT) Das Brennersystem für MGT-KWK-Anlagen Emissionsbewertung Anwendungsmöglichkeiten Anlagenbeispiel Bruno Bock Wirtschaftlichkeit und Förderung 3

4 Erklärung der Kraft-Wärme-Kopplung mit Mikrogasturbinen (MGT) Schaltbild KWK-Anlage mit Mikrogasturbine MGT Wärme Wärmeerzeuger HGE, Kessel G Strom 4

5 Energieströme im Vergleich Was bringt die Kraft-Wärme-Kopplung? 5

6 Vorteile / Potentiale / Ziele und Nutzen der KWK Welches Potential gibt es in Deutschland? 6

7 Vorteile / Potentiale / Ziele und Nutzen der KWK Politische Ziele KWK ist eine der wirksamsten Maßnahmen zur Einsparung von Primärenergie und zur Vermeidung von klimaschädlichen Kohlendioxid. Bundesminister für Umwelt und Reaktorsicherheit Juli 2008 Die Bundesregierung hat das Ziel, den Anteil von KWK-Anlagen an der Gesamt-Stromproduktion bis 2020 auf 25 % zu erhöhen. 7

8 Energieströme im Vergleich Umsetzung der Kraft-Wärmekopplung 8

9 Vorteile / Potentiale / Ziele und Nutzen der KWK Vorteile für den Betreiber Niedrigere Stromkosten durch eigene Stromerzeugung Erhöhung der Versorgungssicherheit für den Produktionsprozess durch eigene Stromerzeugung Nutzung des vorhandenen Wärmeerzeugers Staatliche Förderung in Deutschland (auch in Österreich und der Schweiz) Kurze Amortisationszeiten 9

10 Die Mikrogasturbine Die Mikrogasturbine von CAPSTONE Stromerzeugung von kw el. MGT Grundmodule sind kaskadierbar Brennstoffenthalpie wird bis zu 33 % in elektrische Energie umgewandelt ca. 65 % thermische Energie im Abgasstrom, ca. 2 % Verluste Abgastemperatur: ca. 230 bis 300 C (C C) Sauerstoffgehalt: ca. 18 % (tr.) Verwendung des Abgasstroms direkt als Verbrennungsluft für Nachverbrennung 10

11 Die Mikrogasturbine (MGT) MGT-Abgas Blockschaltbild der MGT Rekuperator Zuluftfilter Entspannungsventil Eingangs- Temperatur- Sensor Brennkammer Brennstoff Generator Kompressor Turbine Turbinenaustritts- Temperatur-Sensor 11

12 Die Mikrogasturbine Das Herzstück der MGT: kompaktes Stromerzeugungsaggregat, elektrische Leistungen (je Einzelmodul) 30, 65 oder 200 kw thermische Abgasleistung der MGT C200 (200 kw el.) 395 kw extrem niedrige Emissionen im MGT- Abgas Bei der C200 bis zu 20 Einzelmodule im Parallelbetrieb zentral ansteuerbar 12

13 Anlageneffizienz KWK-Anlagen mit MGT Abgasverlust Berechnung nach der Siegert schen Formel Abgasverlust n. SIEGERT A2 = (TAbgas TLuft )* ( + B) 21% O 2 Beiwert Heizöl naturbelassenes Pflanzenöl Erdgas Kokereigas Flüssiggas und Flüssiggas-Luft Gemische A2 = 0,68 0,68 0,66 0,6 0,63 B = 0,007 0,007 0,009 0,011 0,008 MGT / mit Abwärmenutzung / mit Nachverbrennung - MGT ohne Abwärmenutzung MGT mit Abwärmenutzung MGT mit Abgasnachverbrennung T Luft T Abgas / /100 O 2 -Gehalt Abgas ,5 Abgasverlust 60,7 24,0 / 19,5 4,7 /3,8 13

14 Die Mikrogasturbine (MGT) Vorteile Luftlagerung keine Schmier- und Kühlmittel notwendig (bei CAPSTONE-Turbinen) kompakte Bauweise, geringes Gewicht 100 % Modulierbarkeit der el. Leistung bei sehr gutem Teillastverhalten geringer Einfluss wechselnder Energieinhalte der Brennstoffe hoher elektrischer Wirkungsgrad geringe Schadstoffemissionen geringe Wartungskosten im Netzersatz- und Inselbetrieb einsetzbar 14

15 Die Mikrogasturbine (MGT) Umweltfreundliche Stromerzeugung Geringe Emissionsfracht im Abgasstrom der Turbine NO x < 18 mg / Nm³ CO < 50 mg / Nm³ O 2 -Bezugswert 15 % Hinweis: Die NO x -Werte entsprechen < 54 mg/nm³ (3 % O 2, tr. ) Die NO x -Fracht der Gasturbine muss bei der Nachverbrennung berücksichtigt werden! 15

16 Das Brennersystem für MGT-KWK-Anlagen Der Brenner zur effizienten KWK Speziell entwickelt für die Kombination mit Mikrogasturbinen: Typ: DD(Z)G GTM Aufbau: 2-flutig mit zentraler Gaslanze Brennstoffe: Erdgas, Heizöl EL, Biogasnutzung möglich Maximale Feuerungsleistung zwischen: 1,5 bis 20 MW Optimale Auslegung: Gesamter Abgasstrom der MGT wird über den Brenner geführt 16

17 Das Brennersystem für MGT-KWK-Anlagen Vorteile Direkte Nutzung des MGT-Abgas Im Turbinenabgasbetrieb unter idealen Bedingungen keine zusätzliche Frischluftbeimischung notwendig kompakte Bauweise Als Kombibrenner für die Brennstoffe leichtes Heizöl und Erdgas geeignet erweiterbar auf Biogasbetrieb, je nach Anlagentyp Hoher Regelbereich geringe Schadstoffemissionen geringe Wartungskosten 18

18 Emissionsbewertung Emissionsbewertung der KWK an Kesselanlagen Für die Turbine: 13. BImSchV( 6 und 7) Für die Feuerungsanlage: 120 kw bis < 20 MW 1. BImSchV(Kleine und mittlere Feuerungsanlagen) 20 MW bis < 50 MW 4. BImSchV(TA-Luft) 50 MW 13. BImSchV(GFAVO, Großfeuerungsanlagenverordnung) "erweiterte" Niedersachsenformel: E AK -> Gleitender Emissionswert im KWK-Betrieb [mg/nm³] [3% O 2 ] Q GT -> Zugeführte Wärmeleistung der Turbine zum Zusatzfeuer [MW] Q ZF -> Zugeführte Wärmeleistung des Zusatzfeuer [MW] E GT -> Emissionsgrenzwert für die Gasturbine im Solobetrieb [mg/nm³] [15% O 2 ] E ZF -> Emissionsgrenzwert für die Feuerung im Frischluftbetrieb [mg/nm³] [3% O 2 ] 19

19 Anwendungsmöglichkeiten 21

20 Anwendungsmöglichkeiten Nachrüstung und Neubau kombinierter Strom-/Wärmeerzeugung: Feuerungswärmeleistung bis zu 20 MW (Leistungsbegrenzung gilt nur in Verbindung mit MGT) Wärmeerzeuger wie Heißwasserkessel, Thermalölerhitzer und Heißgaserzeuger Grundlagen für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit: Anzahl Volllaststunden Bezugspreis für Strom und Gas, sowie Jahresstrombedarf Deckung der Strom- und Wärmekennlinien Abgastemperatur 22

21 Wirtschaftlichkeit und Förderung Die KWK-Förderung für Energieeffizienz 1) KWK-Zuschlag gemäß KWK-Gesetz Leistungsanteile bis 50 kw el. > 5,41 Cent / kwh von 50 bis 250 kw el. > 4,00 Cent / kwh von 250 bis 2000 kw el. > 2,40 Cent / kwh gilt für Vollbenutzungsstunden für fabrikneue KWK-Anlagen und modernisierte Anlagen mit 50 % der Neukosten, sowohl für eingespeisten als auch selbstgenutzten Strom 2) Rückerstattung Erdgassteuer für Brennstoffeinsatz an der MGT (0,55 ct/kwh) 3) Diverse regionale und bundesweite Förderprogramme Quelle: Zwischenüberprüfung des Kraft-Wärme- Kopplungsgesetzes, 2011, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit 28

22 Zusammenfassung Schlussbetrachtung KWK für mittelständische Unternehmen ist hocheffizient, umweltfreundlich und äußerst wirtschaftlich Hohes Potential für Kraft-Wärme-Kopplung viele Anwendungsmöglichkeiten Hervorragende Energieeffizienz Kosteneinsparungen für Anlagenbetreiber Schutz der Umwelt Nachrüstung an vorhandenen Wärmeerzeugern ist möglich Geringe Amortisationszeiten Förderung durch den Staat 31

23 Kontaktmöglichkeiten Ihr Ansprechpartner Niederlassung West: Ralph von der Hagen Bremen Erkrath Tel.: +49 (0) Dornstadt Mobil: +49 (0) Berlin und alle SAACKE- Niederlassungen weltweit 32