Technische Innovationen und Optimierungsmöglichkeiten bei KWK - Anlagen

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1 Technische Innovationen und Optimierungsmöglichkeiten bei KWK - Anlagen Dr. Markus Blesl Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart Kraft-Wärme-Kopplung Förderung, Wirtschaftlichkeit, Anlageneffizienz 29. August 2007, Köln 1 / 25

2 Elektrische Leistung der KWK-Anlagen in Abhängigkeit der Altersstruktur und des eingesetzten Energieträgers in 2005 Installierte elektrische Leistung KWK-Anlagen in [MW] bis ca. 17 GW (58 %) ca. 10 GW (35 %) Steinkohle Braunkohle sonstiges Erdgas Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

3 KWK-Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen in Abhängigkeit der Altersstruktur und des eingesetzten Energieträgers in Erzeugung in [GWh] sonstiges Braunkohle Steinkohle Erdgas Strom Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom Wärme Strom Wärme bis Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

4 KWK-Anlagen der Kategorie Modernisierte KWK- Anlagen in Deutschland nach KWKG Anlage vor Modernisierung Anlage nach Modernisierung Anlagentyp Anzahl elektr. Leistung MW therm. Leistung MW KWK- Stromerzeugung GWh elektr. Leistung MW therm. Leistung MW Inv.Vol in Mio KWK- Stromerzeugung GWh BHKW 16 29,0 99,1 86,9 23,9 32,5 16,1 187,7 EK ,3 654,8 331,0 338,8 521,6 255,1 1026,6 GD 7 60,0 317,1 207,1 124,9 408,2 96,3 563,5 GT-AHK 7 104,0 296,4 250,0 91,3 169,1 84,1 441,0 GT-GuD 7 173,9 651,0 499,9 277,7 491,8 184,6 1521,7 GuD ,5 2205,5 2865,0 2192,3 2319,8 1208, ,8 Summe ( BHKW Blockheizkraftwerk; EK Entnahmekondensationskraftwerk; GD Gegendruck-KWK-Anlage; GT AHK Gasturbine mit Abhitzekessel; GT GuD Gasturbine mit Abhitzekessel und nachgeschalteter Dampfturbine GuD; Gas- und Dampfkraftwerk) Quelle: Bafa, IER Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

5 Optimierungsmöglichkeiten an bestehenden KWK-Anlagen basierend auf dem Dampfprozess Ertüchtigung durch die Integration zusätzlicher Gasturbinen - Topping: Die Gasturbine wird dem Dampfkraftprozess vorgeschaltet und liefert teilweise oder vollständig den Sauerstoff für die Feuerung des Dampfkraftprozesses. - Parallel Repowering (Verbund): Die Dampfturbine wird durch zwei parallel arbeitende Dampferzeugern mit Dampf versorgt. Die erste Dampfquelle entspricht dem ursprünglichen gefeuerten Dampferzeuger, die zweite Dampfquelle der der Gasturbine nach geschalteten Abhitzekessels. - Full Repowering: Wenn die Lebensdauer des Dampferzeugers des verbraucht ist, bietet es sich an diese durch eine oder mehrere Gasturbine-/Abhitzedampferzeuger-Einheiten zu ersetzen. Erneuerung der Dampfturbinenbeschauflung - Steigerung des elektrischen Wirkungsgrad und der elektrischen Leistung durch modifizierte Dichtungen und vergrößerte Strömungsquerschnitte. Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

6 Parallel Repowering als Retrofitmaßnahme Gas 188 MJ/s bar 538 C kg/s 41.6 bar 538 C kg/s 67.5 MW 350 MW G ~ 15 C GT 576 C 264 C DE Kohle 744 MJ/s HD 7 DT MD/ND G ~ Speisewasservorwärmung % bar Kondensatvorwärmung 4 62% C Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

7 Full-Repowering einer Dampfturbine-KWK-Anlage Gasturbine G ~ Dampfturbine mit ZÜ AHDE G ~ Kamin Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

8 Optimierungsmöglichkeiten an KWK- Anlagen basierend auf dem GT-Prozess Im Bestand: i. Ansaugluftkühlung: Durch Kühlung der Ansaugluft kann insbesondere die elektrische Leistung im Sommer erhöht und der Turbinenwirkungsgrad etwas verbessert werden. Neuanlagen i. Nutzung der Gasturbine gleichzeitig als Dampfturbine entweder durch direkte Induktion (STIG-Prozess) oder durch Integration eines Verdunsters (HAT-Prozess) Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

9 Prinzipschema Cheng-Prozess (auch STIG- Prozess Steam Injected Gas Turbine) Dampfeinspritzung 7 6 Q E =Q Fr -Q th Q Emax= Q Fr Q th 5 Q Fr Gasturbineneinheit 8 3 P el 1 2 G 4 1. Luftverdichter 5. Abhitzekessel 2. Gasturbine 6. Kaminanschluß 3. Brennkammer 7. Zusatzfeuerung 4. Generator 8. Speisewasserbehälter / Entgaser Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

10 Gasturbinen mit Dampfeinspritzung zur Leistungssteigerung P el,nenn η el,nenn P el,max η el,max Basisturbine System kw % kw % Kawasaki Cheng Cycle Serie Allison Cheng Cycle Serie Allison Cheng Cycle Serie GE STIG GE STIG GE STIG Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

11 Schaltbild für HAT-Prozess ND-Verdichter HD-Verdichter Turbine G Zusatzwasser z. B. Heizwärmeauskopplung Verdunster Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

12 Verschiedene HAT- Varianten Variante I II III Elektrischer Wirkungsgrad 50,7 51,6 55,5 % Elektrische Leistung MW Verdunstungsverhältnis 0,12 0,12 0,18 kg H2O /kg Luft Fernwärmeauskopplung MW Vorlauftemperatur C Rücklauftemperatur C Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

13 Vor- und Nachteile des Cheng- bzw. HAT- Prozesses Vorteile i. Durch die Dampfeinspritzung ergibt sich eine Entkopplung zwischen dem Elektroenergie- und dem Nutzwärmeangebot der Gasturbine. ii. iii. Die Elektroenergieerzeugung steigt mit der Dampfeinspritzung kontinuierlich um bis zu 60 % an. Die Bereitstellung von Wärme bzw. Elektroenergie kann weiter entkoppelt werden, wenn der Abhitzekessel mit einer Zusatzfeuerung ausgerüstet wird. Nachteile i. Der HAT-Prozess hat wie der Cheng-Prozess einen hohen Wasserverbrauch. ii. iii. Bei Rückgewinnung des im Abgas enthaltenen Wassers mit Rauchgaskondensator verteuert sich die Anlage. Angebotene Gasturbinen sind nicht ohne Anpassung für den HAT-Prozess geeignet. Insbesondere die notwendige Aufteilung des Verdichters steht der Anwendung der heute üblichen kompakten Einwellenanlagen entgegen. Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

14 Elektrische Wirkungsgrade neuerer KWK- Technologie Elektrischer Wirkungsgrad in [%] HT-Brennstoffzelle NT-Brennstoffzelle Gasmotor Stirlingmotor SOFC/GT STIG GT Biomasse - DT ORC HAT GuD 0 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW elektrische Leistung Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

15 Entwicklung des Bestand an KWK-Anlagen bis 20 MW el auf Basis biogener Brennstoffe und BHKW 4500 Installierte elektrische Leistung in [MWel] BHKW (fossil) Palmöl-BHKW Biogasanlagen Biomasse-(H)KW Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

16 Temperatur des Arbeitniveau neuerer KWK- Technologie Prozesstemperatur Temperaturzufuhr NT-Brennstoffzelle 80 C C Chem. Reaktion ORC 100 C C Wärmetauscher Stirlingmotor 200 C C Wärmetauscher Biomasse DT-HKW 300 C C Verbrennung Gasmotor 500 C C Verbrennung HT-Brennstoffzelle 600 C C Chem. Reaktion STIG/CHENG 1000 C C Verbrennung HAT 1000 C C Verbrennung GUD 1050 C C Verbrennung Gasturbine 1050 C C Verbrennung Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

17 Holzbefeuerte ORC-Anlagen in Deutschland Anlage Elektrische Leistung Status GMK, Biomasse-KW Friedland 500 kw IBS 2001 Heberndorfer Leistenfabrik, Wurzbach 500 kw IBS 2002 Zukunfts-Energie-Sauerlach 500 kw IBS 2002 Erdenwerk Ziegler, Plößberg kw IBS 2004 HKW Scharnhauser Park, Ostfildern kw IBS 2004 Stadtwerke Neckarsulm kw IBS 2004 Bezirksklinikum Mainkofen, Deggerdorf 500 kw IBS 2004 HKW Altötting 900 kw IBS 2005 Sägewerk Schwaiger, Hengersberg kw IBS 2005 Stadtwerke Oerlinghausen 500 kw IBS 2005 Holzwerke Gmach, Pösing kw IBS 2005 HKW Wolnzach 450 kw IBS 2005 Weitere ca. 10 Anlagen in Im Bau Weitere ca. 10 Anlagen in In Entwicklung/ Planung Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

18 KWK mit Organic Rankine Cycle (ORC)- Prozess Vorteile Robuste Technologie Geringer Wartungsaufwand Gutes Teillastverhalten Niedertemperaturwärme kann zur Stromerzeugung genutzt werden Biomasse Luft Kessel Verdampfer thermo-oil - cycle ORC Process Arbeitsmittelpumpe Turbine G Rekuperator Kondensator Generator (direkt betrieben) Nachteile Rauchgas Economiser Wärmeverbraucher Rel. hohe spez. Investitionen Langjährige Betriebserfahrungen mit Biomasse sind bisher nicht vorhanden Thermoöl ist brennbar und toxisch Beschränkte el. Wirkungsgrad < 20% aufgrund der geringen Drücke Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

19 Biomasse HKW mit einer ORC-Anlage auf dem Scharnhauserpark ThermischeLeistung Elektrische Leistung ORC-Module Jährliche gesamte Energieerzeugung Jährliche Stromerzeugung im ORC-Module Holzhackschnitzel Nachfrage 6.6 MW 1 MW 27 GWh/a 5,4 GWh/a Sm³/a Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

20 Biomasse-Heizkraftwerk im Detail Thermo-Öl Kessel Bunker Holzanlieferung Kessel hydraulic floor and wood feed Economiser Zyklon und Elektrofilter Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

21 Nahwärmeversorgung Scharnhauser Park Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

22 Bioenergiedorf Mauenheim Nahwärmeversorgung auf Basis Biogasanlage und BHKW Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

23 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Ein Modernisierungsbedarf des KWK-Anlagenbestandes von dem abgeschrieben und teilweise über 30-jährigen Bestand an Fernwärmeverteilungssystemen besteht in Deutschland. Mit steigenden Energieträgerpreisen gewinnen dampfinduzierte GT- KWK-Anlagen wirtschaftlich an Bedeutung, da sie auch in kleinen Leistungsbereichen hohe elektrische Wirkungsgrade erzielen können. Innovative KWK-Technologien wurden in den letzten Jahren überwiegend im kleinen Leistungsbereich und in überwiegendem Masse mit biogenen Energieträgern eingesetzt. Bei allen technischen Möglichkeiten der Optimierung von KWK- Anlagen bzw. dem Neubau neuer innovativer KWK-Anlagen sollten die Wärmesenken und deren Erschließung nicht außer acht gelassen werden. Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

24 Danke für ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

25 KWK-Stromerzeugung in Abhängigkeit der Altersstruktur und des eingesetzten Energieträgers im Jahr KWK-Stromerzeugung in [GWh] ca. 24 TWh (35 %) ca. 13,5 TWh (20 %) bis Steinkohle Braunkohle sonstiges Erdgas Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25

26 KWK-Stromerzeugung in KWK-Anlagen vor und nach der Modernisierung der jeweiligen Baualtersklasse KWK-Stromerzeugung in [GWh] zus. komplett Erdgas GuD ET spezifische Modernisierung sonstiges Braunkohle Steinkohle Erdgas 0 bis Dr.-Ing. Markus Blesl Technische Innovationen KWK 29. August / 25