In einer Nachbarstadt kam es durch Siloxane in deren BHKW-Anlage zu einem kapitalen Maschinenbruch.

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1 Technische und wirtschaftliche Entscheidungsfindung für den Einsatz einer Mikrogasturbine zur energetisch-innovativen Klärgasnutzung auf der Kläranlage Warendorf Das anfallende Klärgas wurde auf der Kläranlage in Warendorf bis 1986 ausschließlich für die Beheizung der beiden Faultürme und der Betriebsgebäude genutzt wurde von den Entsorgungsbetrieben der Stadt Warendorf ein Strom- und Wärmelieferungsvertrag mit der Fa. Ebitec abgeschlossen. Das anfallende Klärgas wurde der Firma zur Verfügung gestellt, die es in 4 sogenannten TOTEM-Anlagen verstromten. Der Strom wurde in das Stromnetz des Klärwerks eingespeist und vergütet. Die anfallende Wärme wurde kostenlos dem Heizkreislauf zugeführt. Es handelte sich bei dieser Anlage um vier gleich große umgebaute Fiat-Benzinmotoren, mit einer elektrischen Leistung von jeweils 15 kw. Das Klärgas wurde nicht aufbereitet und verursachte ständig Probleme an den Maschinen. Der Wartungsaufwand war hoch und der wirtschaftliche Erfolg für die Fa. Ebitec eher gering. Nach ca. 3 Jahren wurde die Anlage abgebaut. Es folgten Überlegungen und Studien, das Klärgas für eine maschinelle Klärschlammtrocknung zu nutzen. Bei den damaligen sowie den aktuellen Entsorgungskosten konnte jedoch keine Wirtschaftlichkeit erzielt werden. In einer Nachbarstadt kam es durch Siloxane in deren BHKW-Anlage zu einem kapitalen Maschinenbruch. Da sich auch im Faulgas der Kläranlage Warendorf eine erhebliche Menge an Siloxanen befindet, wurde die Überlegung angestellt, zusammen mit der Firma pro 2 einen überdimensionierten Motor aufzustellen wurde diese Idee durch Aufstellung einer BHKW- Kompaktanlage umgesetzt und auch ein Strom- und Wärmelieferungsvertrag abgeschlossen. Der wirtschaftliche Erfolg war wiederum gering. Die BHKW-Kompaktanlage wurde 2000 demontiert wurde bei drei Ingenieurbüros für Siedlungswasserwirtschaft angefragt, ob sie für ein geringes Honorar (2.000 ) bereit seien, sich an einem Ideenwettbewerb zu beteiligen und den Entsorgungsbetrieben mögliche Optimierungen für die Klärgasnutzung zu erarbeiten. Die vorgelegten Studien waren sehr aufschlussreich und die verschiedensten Möglichkeiten der Klärgasnutzung wurden untersucht. Das Ingenieurbüro Frilling GmbH aus Vechta ( schlug eine energetische Klärgasnutzung mit einer Mikrogasturbine vor, die innerhalb der Studie mit einem BHKW verglichen wurde. Diese Technik war den Entsorgungsbetrieben bis dahin völlig unbekannt. Zu diesem Zeitpunkt gab es in Deutschland lediglich Mikrogasturbinen, die mit Erdgas betrieben wurden. Eine Versuchsanlage für Biogas befand sich auf dem Eichhof in Bad Hersfeld. Die Südhessische Energie AG (HSE) in Darmstadt plante die erste Aufstellung einer Mikrogasturbine auf einer deutschen Kläranlage in Darmstadt-Eberstadt. In kommerziellen Bereichen laufen ca Mikrogasturbinenanlagen für die dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung, insbesondere in Hotels, Kaufhäusern, Altenheimen und Freizeitzentren.

2 Die Mikrogasturbine wurde erst 1993 entwickelt wurde die tausendste Anlage ausgeliefert. Mikrogasturbinen können sowohl mit Erdgas als auch mit Heizöl betrieben werden. Eine Besonderheit der Mikrogasturbine ist die Möglichkeit, durch die Einbindung einer Absorptionskältemaschine nicht nur gleichzeitig Strom und Wärme, sondern auch Kälte zu erzeugen. Weiteres Recherchieren ergab, dass in der Schweiz zwei und in Österreich zu dieser Zeit drei Mikrogasturbinen zur Klärgasnutzung auf Kläranlagen eingesetzt werden. Im Deponiebereich war diese Technik 2006 schon deutlich stärker verbreitet. Umfangreiche Internetrecherchen, ein Besuch auf dem Versuchsgut der Hessischen Landwirtschaftskammer in Bad Hersfeld, intensive Gespräche dort vor Ort, insbesondere mit Herrn Jan Müller vom ISET der Uni Kassel, gingen der Entscheidung voran, dem Betriebsausschuss der Entsorgungsbetriebe die Installation einer Mikrogasturbinenanlage zur energetischen Faulgasverwertung auf der Kläranlage Warendorf zu empfehlen. Die am intensivsten an der Entscheidungsfindung Beteiligten - Herr Cornelsen Betriebsleiter der Entsorgungsbetriebe der Stadt Warendorf - Herr Bücker Leiter der technischen Betriebe bei der Stadt Warendorf - Herr Schütte Fachplaner für den Bereich Abwasserreinigung, Schlammbehandlung und Wasseraufbereitung beim Ingenieurbüro Frilling waren sich sicher, mit dem Einsatz einer Mikrogasturbine ein wirtschaftliches Verfahren zur energetischen Nutzung des Faulgases der Kläranlage Warendorf zu betreiben. Am wurde dem Betriebsausschuss eine energetische und wirtschaftliche Studie zur künftigen Faulgasnutzung auf der Kläranlage Warendorf vorgelegt. Hierin wurde eine BHKW-Anlage mit einer Mikrogasturbinen-Anlage verglichen. Die vorgelegte Studie fand wenig Zustimmung bei den Ausschussmitgliedern. Es fehlten insbesondere Referenzen von Kläranlagenbetreibern, die Mikrogasturbinen zur Klärgasverwertung einsetzen. Es wurden Erkundigungen bei Kläranlagen in Österreich und in der Schweiz eingeholt; sämtliche Auskünfte über deren Erfahrungen mit dem Einsatz von Mikrogasturbinen waren positiv. Insbesondere die Referenz von Herrn Urs Achermann von der ARA Morgenthal über die Betriebserfahrungen mit den dort installierten Mikrogasturbinen war überzeugend. Die Schweizer hatten mit einem BHKW die gleichen Erfahrungen gesammelt wie die Entsorgungsbetriebe. Am fand eine Besichtigung der an diesem Tag in Betrieb genommenen Mikrogasturbine auf der Kläranlage in Darmstadt-Eberstadt statt. Die dort installierte Technik (Gasaufbereitung, Mikrogasturbine) war von überzeugender Qualität. In der Betriebsausschusssitzung am wurde die Mikrogasturbine erneut ausführlich dargestellt und erläutert. Außerdem wurde eine Wirtschaftlichkeitsberechnung nach LAWA mit einer Laufzeit von 10 Jahren vorgelegt, die ein positives Ergebnis erwarten lässt. Die Abstimmung im Betriebsausschuss ergab dieses Mal eine eindeutige Mehrheit; sämtliche Bedenken konnten jedoch nicht ausgeräumt werden. Dieses kann nur durch die Betriebsergebnisse vor Ort erreicht werden.

3 Folgende Vorteile gegenüber einem BlockHeizKraftWerk werden beim Einsatz einer Mikrogasturbine erwartet: minimaler Wartungsaufwand und geringe Wartungskosten keine Betriebs- und Schmiermittel erforderlich lange Lebensdauer und geringer Verschleiß hohe Verfügbarkeit, es werden Betriebsstunden pro Serviceintervall erwartet effizientes Teillastverhalten sehr geringe Emissionswerte (NOX < 9 ppm) schwankende Methangehalte bis min. 35% bereiten keine Probleme keine Vibrationen und geringe Schallemissionen hohe Betriebssicherheit und Anlagenverfügbarkeit kompakte Bauweise und geringes Gewicht Neueste Erkenntnisse aus der Turboladertechnologie und der Luftfahrtindustrie legten den Grundstein für die Entwicklung der Mikrogasturbine. Beim Antrieb der Turbine wird nur ein mechanisches Teil bewegt. Es sind keine Steuerventile notwendig. Eine Spezialität sind die Luftlager, die es ermöglichen, die Maschine ohne einen Tropfen Schmieröl oder Fett mit bis zu Umdrehungen pro Minute zu betreiben. Der Brennstoff wird in der Brennkammer verbrannt und treibt unter Abgabe von Wärme, die hier zur Heizung genutzt wird, die Turbine an. Über einen Permanentmagnetgenerator wird Strom ohne Zwischenschaltung eines Getriebes erzeugt. Der Permanentmagnet des Generators sitzt direkt auf der Antriebswelle der Turbine, so dass Generator und Turbine mit der gleichen Drehzahl betrieben werden. So wird hochfrequenter Wechselstrom erzeugt, der in der Leistungselektronik in Wechselstrom auf netzkonforme Größen umgewandelt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Industriegasturbinen erfolgt die Leistungsregelung der Mikrogasturbinen über die Drehzahl. Damit wird es möglich, auch im Teillastbetrieb ausgezeichnete Wirkungsgrade zu erzielen. Die Abbildung 1 zeigt eine von der G.A.S. Energietechnik montierte Mikrogasturbine der Firma Capstone (USA) mit Rekuperator und einer elektrischen Leistung von 30 kw. Abbildung 1: Mikrogasturbine als KWK-Anlage

4 Mikrogasturbinen bestehen im Wesentlichen aus folgenden Hauptkomponenten: Permanentmagnet-Generator Brennstoffsystem Brennkammer mit Turbine Abgaswärmetauscher (Rekuperator) Steuerungselektronik Transformator Die Funktionsweise und der Aufbau einer Mikrogasturbine der Fa. Capstone lässt sich anhand der Abbildungen 2 und 3 erläutern. Die Verbrennungsluft tritt über den Generator in die Mikrogasturbine ein und kühlt diesen dabei. Anschließend wird die Luft im Kompressor auf etwa 4 bar komprimiert. Im Rekuperator wird sie durch die heißen Abgase vorgewärmt. In der Brennkammer kommt der Brennstoff hinzu und wird verbrannt. Die heißen Verbrennungsgase werden in der Turbine entspannt und treiben so Verdichter und Generator an. Nachdem die Abgase einen Teil ihrer Wärmeenergie im Rekuperator abgegeben haben, verlassen sie die Mikrogasturbine in Richtung Abgaswärmetauscher bzw. Auspuff. Abbildung 2: Systemfließschema einer Mikrogasturbine Dank der Rekuperatortechnik können elektrische Wirkungsgrade von 26 bis 30 % erreicht werden. Ein Rekuperator nutzt die Wärmeenergie aus den Turbinenabgasen und wärmt damit die Verdichteraustrittsluft auf, bevor diese in die Brennkammer gelangt. Dadurch vermindert sich der benötigte Brennstoffeinsatz und es können höhere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden.

5 Abbildung 3: Luftweg in der Mikrogasturbine Wegen der Einmaligkeit einer solchen Anlage konnte weder eine nicht öffentliche noch eine öffentliche Ausschreibung erfolgen. Auf dem europäischen Markt kann gegenwärtig nur die Mikrogasturbine der Fa. Capstone ausreichende Referenzobjekte für Klärgasverwertung aufweisen. Für die Lieferung und Installation steht nur die Fa. VTA-Technologie in Kooperation mit Wels Strom und Verdesis als alleiniger Vertriebspartner der Fa. Capstone zur Verfügung. Aufgrund dieser besonderen Konstellation ist eine freihändige Vergabe dieser Leistung gemäß VOB/A zulässig. Für Erdgas- und Biogasanlagen kooperiert die Fa. Capstone mit anderen Vertriebspartnern. Diese Problematik wurde vor der Aufforderung zur Abgabe eines Angebotes mit dem Rechnungsprüfungsamt besprochen, dieses stimmte diesem Vorgehen zu. Für die schlüsselfertige Aufstellung und Inbetriebnahme dieser Mikrogasturbinenanlage wurde ein verbindliches Angebot von der Fa. VTA-Technologie eingeholt, das sämtliche Lieferungen auch der anderen Kooperationspartner beinhaltete. Es wurde kurz nachverhandelt und in einer weiteren Sitzung des Betriebsausschusses am wurde die Auftragsvergabe letztendlich - bei zwei Enthaltungen - einstimmig beschlossen. Auf der Kläranlage Warendorf wird zur energetischen Faulgasverwertung folgende Anlagentechnik installiert: Siloxanfilteranlage 21 c der Fa. Verdesis (2-Kammer-Aktivkohleanlage, Q max. = 100 m³/h) Klärgasaufbereitungsstation der Fa. Verdesis (Gastrocknungsanlage, Q max. = 100 m³/h)

6 2 Mikrogasturbinen der Fa. Capstone (Typ CR 65, P elekt. = 2 x 65 kw, Gasverbrauch = 2 x 36 Nm³/h) Schalt- und Steueranlage der Fa. Wels Strom Die Inbetriebnahme der Mikrogasturbinenanlage ist für die zweite Dezemberwoche 2007 zugesagt. Ein Plafonddarlehen durch die KFW Bank wurde zwischenzeitlich zugesichert. Landeszuschüsse waren hier in NRW leider nicht zu bekommen. Die Anmerkung sei an dieser Stelle erlaubt: Das Land Hessen hat die dortige halb so große Mikrogasturbinenanlage in Darmstadt- Eberstadt mit über bezuschusst. Dort weiß man offenbar innovative neue Technik mehr zu schätzen als in Nordrhein-Westfalen...