Energiegewinnung durch ORC/CRC-Technik im Klärwerk Steinhof*

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1 Energiegewinnung durch ORC/CRC-Technik im Klärwerk Steinhof* Oliver Hermanussen PFI Planungsgemeinschaft * Projekt gefördert vom BMU im Rahmen des Schwerpunktes Energieeffiziente Abwasseranlagen Bernard Teiser Abwasserverband Braunschweig

2 Inhalt 1. Kurzbeschreibung Klärwerk Steinhof 2. Abwärmeverstromungsverfahren CRC/ORC 3. Wirkungsgrade 4. Wärmerückgewinnung 5. Umsetzung auf dem Klärwerk Steinhof 6. Aktueller Stand und Ausblick

3 Klärwerk Steinhof: EW Belastung BHKW-Anlage (4 x 700 kwel.) Mischgasspeicher (4.000 m³) Thermophile Faulung ( m³)

4 Gasanfall: m³/d (Faulgas, Deponiegas, Biogas) Gasverwertung: 4 x 716 kw Gasmotoren (MWM TGC 2016) Energieerzeugung: rd. 13,2 Mio. kwh/a Strom rd. 12,6 Mio. kwh/wärme Nicht im Nahwärmenetz genutzte Abwärme wird über Abgasbypassklappen bzw. Notkühler an die Umgebung abgegeben. Ungenutztes Potenzial Ansatz: Umwandlung der bisher nicht genutzten Abwärme in Strom über einen thermodynamischen Kreisprozess

5 Clausius-Rankine-Prozess (CRC) Expansionsmaschine (Turbine, Dampfmotor) 2 Generator Stromerzeugung q zu Zugeführte (Abgas-)Wärme 1 Verdampfer 4 Speisepumpe 3 Kondensator q ab Abgeführte Wärme Wärmerückgewinnung

6 SRC-Technik auf dem Klärwerk Steinhof Abgas ca. 150 C Entspannungs -dampfmotor Dampf ca. 280 kw Abgas ca. 360 kw Verdampfer Heat Collect System bis zu 80 kw Kühlwasser Expander ca. 220 kw Strom ca. 43 kw Öffentliches Netz Mischgas ca kw FWL Motorkühlung ca. 330 kw Motor BHKW Strom bis zu 713 kw Öffentliches Netz Klärwerk Nahwärmenetz Niedertemperatur-Abwärme KWK-Nutzung

7 Organik-Rankine-Prozess (ORC) Verwendung organischer Arbeitsmittel statt Wasser Eingesetzt bei niedrigen Wärmequellentemperaturen (z.b. Geothermie) Etabliertes Verfahren im MW-Leistungsbereich Unterscheidung von Hoch-( C) - und Niedertemperatur(65-95 C)-ORC Üblicherweise wird die im Kondensator anfallende Wärme nicht genutzt

8 Carnot-Wirkungsgrad Energiegewinnung durch ORC/CRC-Technik im Klärwerk Steinhof Wirkungsgrad der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie Carnot-Wirkungsgrad Tn = niedrigste Prozesstemperatur (Verflüssigungs- bzw. Rückkühltemperatur) Th = höchste Prozesstemperatur (Wärmequellen/Verdampfungstemperatur) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 C 200 C 400 C 600 C Wärmequellentemperatur Rückkühltemperatur 35 C Rückkühltemperatur 65 C Rückkühltemperatur 85 C Carnot-Wirkungsgrad steigt mit Verdampfungstemperatur und Rückkühltemperatur Reale Wirkungsgrade deutlich niedriger (maximal 60% des Carnot-Wirkungsgrades)

9 Effizienz der Wärmenutzung 100% 10-20% 70-80% Luftrückkühlung (30-40 C) Wasserrückkühlung (80-95 C) * Bildquelle: Voith, ergänzt mit eigenen Angaben * Energieverteilung beispielhaft für ein nicht näher definiertes CRC/ORC-System Je nach System werden ca.10-20% der Motorenabwärme in Strom umgewandelt zwei Anbieter mit Wasserrückkühlung/Wärmerückgewinnung auf dem deutschen Markt (Voith, Fraunhofer UMSICHT/Duerr-Cyplan)

10 Geplante Umsetzung auf dem KW Steinhof Installation eines CRC-/ORC-Aggregates mit kw el Leistung mit el :14-18% Nur Nutzung von Abgaswärme (Hochtemperatur) Rückgewinnung der Kondensationswärme durch Kühlung mit Heizungsrücklauf Innenaufstellung auf Freiflächen neben den bestehenden Gasmotoren Infrage kommende Systeme: Dampfmotor Fa. Voith (CRC) ORC-Anlage Fa. Duerr-Cyplan/Fraunhofer

11 Aktueller Stand der Umsetzung System funktional ausgeschrieben in 2012 Submission November 2012 Vergabe ist erfolgt im Dezember 2012 an Fa. EnProSys GmbH Magdeburg Bewertung der Angebote wurde durchgeführt nach Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung Fertigstellung der Anlage in der 37 KW 2013 (Mitte September)

12 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!