Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors

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1 FACHBERICHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung hinsichtlich ihrer Effizienz und Flexibilität in repräsentativen KWK-Prozessen Hajo Hoops und Karim Saidi Gas-Plus-Technologien, Gasturbine, Gasmotor, Kraft-Wärme-Kopplung, Dampferzeugung, Heißwassererzeugung, Flexibilität Die Studie vergleicht eine MAN Gasturbine und einen MAN Gasmotor der gleichen Leistungsklasse in drei verschiedenen KWK-Prozessen mit Dampf- und Heißwassererzeugung. Ziel der Untersuchung ist es, generelle Vorzüge und auch Nachteile der eingesetzten Antriebsmaschinen für die jeweiligen KWK-Prozesse aufzuzeigen und damit eine Vorauswahl je nach Anwendungsfall zu erleichtern. Bei niedrigen en und hohen Dampfparametern ist die Gasturbine in aller Regel die wirtschaftlichere Alternative. Dampferzeugung ist auch mit Gasmotoren wirtschaftlich möglich, allerdings können hohe Dampfparameter den Gesamtnutzungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit einschränken. Gasmotorenlösungen erfordern insbesondere bei höheren Dampfparametern die parallele Erzeugung von Heißwasser, um wirtschaftlich zu sein. A comparative study of a gas turbine and gas engine regarding efficiency and flexibility for typical combined heat and power processes The study compares a MAN gas turbine and a MAN gas engine of the same output class in three different CHP processes with steam and hot water generation.aim of the study is to define the pros and cons of the different applied movers for the studied CHP processes and thereby to facilitate a preselection depending on the application. With low power-to-heat ratios and high steam parameters, the gas turbine is generally the more economical alternative. Steam generation is also economically feasible with gas engines, but high steam parameters can limit the overall fuel utilization and thus the profitability. Gas engine solutions, particularly in the case of higher steam parameters, require the parallel generation of hot water to be economical. 1. Einführung Neben den erneuerbaren Energien haben die Stromerzeugung mit gasförmigen Brennstoffen und auch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die größten CO 2 Minderungspotenziale. Daher werden diese Erzeugungstechnologien in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die Kombination von beiden Technologien ermöglicht höchste Nutzungsgrade bei minimalem Schadstoffausstoß [1; 2; 3]. Das Portfolio der MAN Diesel & Turbo SE umfasst Gasturbinen von 6 bis 12 MW sowie Gasmotoren von 7 bis 20 MW. Damit stehen leistungsstarke Antriebsmaschinen zur Verfügung, die flexible und effiziente KWK-Anlagen ermöglichen. Aufgrund der üblichen Genehmigungspraxis ist es kaum möglich, das technologische Konzept von KWK- Anlagen bis in die Ausschreibungsphase offen zu lassen. Daher ist es im Vorfeld eines Projektes essentiell, in umfas- 36 gwf Gas + Energie 6/2017

2 Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE senden Konzeptstudien die Eignung der in Frage kommenden Technologien zu analysieren und zu bewerten. Es liegen bereits Untersuchungen zwischen Gasturbinen und Gasmotoren in KWK-Anwendungen mit Fernwärme vor [4] Die nachfolgende Untersuchung bezieht sich auf Prozesse mit Dampfversorgung, die exemplarisch für eine Vielzahl industrieller Anwendungen stehen. Dabei wird eine Dampferzeugung auf zwei verschiedenen Druckstufen und die Heißwassererzeugung für jeweils variable en untersucht. 1.1 Der Ansatz der Untersuchung Als Antriebsmaschinen werden die Gasturbine MGT6100 und der Gasmotor 12V35/44G TS in drei verschiedenen Prozess-Szenarien bei gleicher elektrischer Leistung miteinander verglichen. Gleiche elektrische Leistung bedeutet in diesem Fall, dass der Gasmotor in ca. 90 % Teillast betrieben wird. Dies wäre sicherlich für einen realen Anwendungsfall unüblich, ist aber der Vergleichbarkeit geschuldet und hat qualitativ keinen Einfluss auf die Ergebnisse. In jedem Szenario wurde die variiert, um die Flexibilität der Konfiguration zu untersuchen. Hintergrund ist hier, dass eine Anlage in den meisten Fällen über einen breiteren Nutzungsbereich wirtschaftlich sein muss und nicht nur in einem Nennlastpunkt. Über eine Zusatzfeuerung vor dem Abhitzekessel wurde die Wärmeerzeugung ggf. erhöht, um eine erhöhte thermische Leistung und damit eine geringere zu erreichen. Die Primärenergieeinsparung wurde für diese Untersuchung als Maß der Wirtschaftlichkeit betrachtet. Sie berechnet sich aus der Einsparung des KWK-Prozesses gegenüber zwei separaten Prozessen zur Strom- und Wärmeerzeugung. Wirtschaftlich sinnvolle KWK-Prozesse weisen in jedem Fall eine klar positive Primärenergieeinsparung auf. In den EU-Richtlinien wird eine Primärenergieeinsparung von mindestens 10 % gegenüber Vergleichsprozessen verlangt, um einen Prozess als hocheffizient zu deklarieren, was häufig als Kriterium für Förderungen herangezogen wird. Üblicherweise machen die Brennstoffkosten deutlich über 80 % der Erzeugungskosten aus, daher ist die Primärenergieeinsparung ein guter Indikator für die Systemeffizienz und die Wirtschaftlichkeit. Ein einfaches Beispiel vermittelt ein Gefühl zum Niveau der Primärenergieeinsparung: Ein Referenz-KWK-Prozess mit 45 % elektrischem und 45 % thermischem Wirkungsgrad hat eine Primärenergieeinsparung von 25 %. Dies wäre ein typischer Fall eines BHKWs mit einem Gasmotor in einer Fernwärmeanwendung. Die Untersuchung erhebt explizit nicht den Anspruch optimierte Anlagenkonfigurationen zu zeigen, sondern soll die verschiedenen Konzepte qualitativ vergleichen und das Potential zur Primärenergieeinsparung sowie die Flexibilität bzgl. der aufzeigen. Ein optimiertes Anlagenkonzept muss in jedem Fall für die konkreten individuellen Bedingungen eines Projekts erarbeitet werden. Hierzu sind auch projektspezifische Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sowie Anforderungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Wartungsintensität, Emissionen, etc. zu berücksichtigen 1.2 Die Antriebsmaschinen Die MGT6100 ist eine der weltweit modernsten Industriegasturbinen der 6 MW-Klasse. Basierend auf jahrzehntelang gesammelter Erfahrung entwickelte MAN Diesel & Turbo eine eigene moderne Gasturbinenfamilie, welche die Vorteile von Industriegasturbinen mit denen der Aeroderivate kombiniert. Die MGT6100 ist eine Einwellen-Gasturbine, kompakter Baugröße und hoher Leistungsdichte, gebaut für den Einsatz im Energiesektor mit hoher Gesamteffizienz im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung und zeitgemäß niedrigen Emissionen (NO x /CO: % O 2, trocken zwischen % Last). Die MGT6100 ist modular aufgebaut, um guten Zugang für Wartungsarbeiten sicherzustellen, und bietet mit EOH (Equivalent Operating Hours) ausreichend lange Serviceintervalle zwischen zwei Hauptinspektionen (Bild 1). Der MAN Gasmotor 12V35/44G TS ist ein zweistufig aufgeladener Mittelschnellläufer mit einer Nenndrehzahl von 750 U/min. Für eine optimale Gemischbildung und Verbrennung verfügt der Otto-Motor über Gasventile vor jedem Zylinder (port injection) und gespülte Vorkammern mit Zündkerze. Die hohen Ladedrücke durch die zweistufige Turbo-Aufladung ermöglichen eine hohe Leistungsdichte von über 600 kw/zylinder und insbesondere in Fernwärmeanwendungen eine optimale Wärmeauskopplung. Auch durch die moderate Drehzahl von 750 U/min und sein modernes Design verfügt der Motor über den besten elektrischen Wirkungsgrad seiner Klasse (Bild 2). Die elektrische Leistung an den Generatorklemmen der beiden Antriebsmaschinen beträgt 6,63 MW für alle Simulationen. 1.3 Beschreibung der untersuchten Anlagen- Konfigurationen Die drei verschiedenen Konfigurationen werden mit KWK1, KWK2 und KWK3 bezeichnet: KWK 1: KWK-System mit Strom- und 8 bar(a) Sattdampferzeugung (170 C) (Bild 3) KWK 2: KWK-System mit Strom-, 8 bar(a) Sattdampf- und zusätzlicher Heißwassererzeugung (60/130 C). gwf Gas + Energie 6/

3 FACHBERICHTE Gas-Plus-Technologien KWK 3: KWK-System mit Strom-, 15 bar(a)/240 C überhitzter Dampf- und zusätzlicher Heißwassererzeugung (60/130 C). Bild 1: MAN Gasturbine MGT 6100 Bild 2: MAN Gasmotor 12V35/44G TS Die Konfigurationen bestehen aus: Antriebsmaschine für den elektrischen Generator Speisewasserbehälter (Entgaser) und Speisewasservorwärmer Abhitzekessel zur Dampferzeugung Weiteren Wärmetauschern im Abgasweg (Economizer) und für die Motorlösung zur Wärmerückgewinnung von Motorkühlwasser und Motorschmieröl Die Randbedingung und Annahmen sowie die Prozesskenngrößen sind in Tabelle 1 und 2 dargelegt. Für den Prozess KWK 2 wurde ein Heißwasserbedarf von 6 MW angenommen. Für den Prozess KWK 3 liegt dieser bei nur 3 MW, da aufgrund der höheren Dampfparameter mehr Energie in Dampf umgesetzt wird. Die Verschaltung der Speisewasservorwärmung vor dem Dampferzeuger ist für alle Prozesse gleich (Bild 3). Die Kondensatrückführung erfolgt in den Speisewasserbehälter. Das Zusatzwasser wird in einem Wärmetauscher, der zwischen Speisewasserbehälter und Economizer geschaltet ist, vorgewärmt. Die Prozesse KWK2 und KWK3 erzeugen neben Dampf auch Heißwasser. Dazu sind im Abgasweg weitere Brennstoff(Erdgas) C Dampf: 8 bara Gasturbine bzw. Gasmotor Zusatzfeuerung Abhitzekessel 90 C Speisewasser:103 C Vorwärmer Entgaser Bild 3: Konfigurationsschema KWK1 Make-up 38 gwf Gas + Energie 6/2017

4 Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE Wärmetauscher installiert. Der Gasmotor stellt zusätzlich zu der Abgaswärme eine Schmierölwärme von ca. 750 kw bei einem Niveau von 70 C zur Verfügung. Aus Motorkühlwasser und Intercooler können über 2 MW bei bis zu 110 C ausgekoppelt werden. Der Prozess KWK3 unterscheidet sich von KWK2 durch die höheren Dampfparameter (15 bar(a) und 240 C) sowie die geringere Heißwasserleistung von nur 3 MW (Bild 4 und 5). 1.4 Thermodynamische Berechnung und Simulation Die drei Konfigurationen wurden mit der Software Gate- Cycle TM modelliert und berechnet. Die Berechnung der Kenngrößen erfolgte auf Basis der bekannten Formeln: σ= Q Dampf P Pnet + Q + Q Heißwasser net Dampf η KWK 1 = Q Brennstoff _ KWK1 P + Q + Q net Dampf HW η KWK 2 3 = Q Brennstoff _ KWK2 3 Wirkungsgrad KWK1 Wirkungsgrad KWK2 u. 3 Pnet = PGenerator PEigenbedarf Elektrische Nettoleistung 1 PEE = 1 KWK_ Hη KWK_ Pη + Re f_ Hη Re f_ Pη PEE (Primärenergieeinsparung) Die verwendete Nomenklatur ist in Tabelle 3 aufgelistet. 2. Ergebnisse der Berechnungen und Analyse 2.1 Ergebnisse und Analyse des Szenarios KWK1 (Bild 6) Die Ergebnisse zeigen fallende Gesamtwirkungsgrade mit steigender. Der Gasmotorenprozess erreicht im Bestpunkt weniger als 75 % Gesamtwirkungsgrad und die Primärenergieeinsparung liegt unter 5 %. Nur der Gasturbinenprozess erreicht Gesamtwirkungsgrade von über 80 % und eine Primärenergieeinsparung über 10 % und zwar für en unter 0,7. Der Gasmotor ermöglicht somit wahrscheinlich keine wirtschaftliche Anlage, als Indikator dient die hohe Abgastemperatur nach dem Economizer von über 130 C. Die Gasturbine kann nur für en zwischen 0,3 und 0,6 attraktive Kennzahlen bieten. Bei Stromkenn- Tabelle 1. Randbedingungen und Kenndaten der Antriebsmaschinen. Umgebungstemperatur [ C] 15 Aufstellungshöhe [m] 0 Umgebungsluftdruck [kpa] 101,3 Rel. Luftfeuchte [%] 60 Erdgas Heizwert [kj/kg] Antriebsmaschine Gasturbine Gasmotor Modell MGT V35/44G TS Last [%] ,4 Elektrische Leistung [MW] 6,63 6,63 Elektrischer Wirkungsgrad [%] 32,2 45,2 Abgastemperatur [ C] Abgasmassenstrom [kg/s] 26,2 11,78 Tabelle 2. Prozesskenngrößen der Wärmeerzeugung. Dampfparameter KWK1+2 [bar(a) / C] 8 / 170 Dampfparameter KWK3 [bar(a) / C] 15 / 240 Speisewassertemperatur zum AHK [ C] 103 Temperatur Zusatzwasser [ C] 20 Anteil Kondensatrückführung [%] 80 Temperatur Kondensatrückführung [ C] 90 Vor- und Rücklauftemperatur Heißwasser [ C / C] 60 / 130 Th. Leistung Heißwasser KWK2 [MW] 6 Th. Leistung Heißwasser KWK3 [MW 3 Tabelle 3. Nomenklatur. Einheit KWK_Pη [%] Elektrischer Wirkungsgrad des KWK-Systems KWK_Hη Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung des [%] KWK-Systems η KWK [%] Gesamtwirkungsgrad / Nutzungsgrad Verhältnis von elektrischer zu gesamter thermischer Leistung Pnet [MW] Elektrische Nettoleistung des KWW-Systems Q Dampf [MW] Thermische Leistung der Dampferzeugung Q HW Thermische Leistung der Heißwassererzeugung [MW] Q Brennstoff [MW] Feuerungswärmeleistung PEE [%] Primärenergieeinsparung Ref_Hη [%] Referenzwirkungsgrad eines Kessels 90 % Ref_Pη Referenzwirkungsgrad für Stromerzeugung [%] mit Erdgas 53 % gwf Gas + Energie 6/

5 FACHBERICHTE Gas-Plus-Technologien Brennstoff (Erdgas) C Dampf: 8 bara Gasturbine bzw. Gasmotor Zusatzfeuerung Abhitzekessel 90 C Heißwasser RL: 60 C Heißwasser VL: 130 C Speisewasser:103 C Vorwärmer Entgaser Make up Bild 4: Konfigurationsschema KWK2 Brennstoff (Erdgas) Dampf: 15 bara & 240 C C Gasturbine bzw. Gasmotor Zusatzfeuerung Abhitzekessel 90 C Heißwasser RL: 60 C Heißwasser VL: 130 C Speisewasser: 103 C Vorwärmer Entgaser Make up Bild 5: Konfigurationsschema KWK3 40 gwf Gas + Energie 6/2017

6 Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE zahlen von über 0,8 fällt der Gesamtwirkungsgrad unter 70 % und macht die Anwendung damit unwirtschaftlich. Auffallend ist der Kreuzungspunkt der Kurven bei einer von ~0,9. Unter 0,9 ist die Gasturbine die bessere Lösung, über 0,9 führt der Gasmotor. Bild 7 zeigt den Verlauf von Dampfproduktion und Abgastemperatur vor Abhitzekessel. Die Dampfleistung variiert über den Bereich der betrachteten zwischen 22 und 5 MW, das entspricht einer Dampferzeugung von 32,3 t/h bis 5,7 t/h. Unterhalb einer von 0,64 muss im Gasturbinenprozess vor dem Abhitzekessel zugefeuert werden, um die Dampfleistung zu erreichen. Oberhalb einer von 0,64 kann nicht der ganze zur Verfügung stehende Dampf genutzt werden. Der Gasmotor benötigt im Bereich der betrachteten immer eine Zusatzfeuerung vor dem Abhitzekessel, da ansonsten wegen der relativ geringen Abgaswärme nicht genug Dampf erzeugt werden kann. Allerdings ist mit dem Gasmotor nur eine minimale von 0,54 möglich. Bei dieser beträgt die Abgastemperatur nach der Zusatzfeuerung etwa 1050 C und der Restsauerstoffgehalt nur noch ca. 3 %. Eine weitere Steigerung der Zusatzfeuerung ist daher technisch nicht möglich. Fazit der Simulation KWK1: Bei en <0,9; Effizienteste Lösung mit der Gasturbine (MGT6100) Bei en >0,9: Effizienteste Lösung mit dem Gasmotor (12V35/44G TS) Die Primärenergieeinsparung für die Gasmotorenlösung ist immer positiv Die Primärenergieeinsparung für die Gasturbinenlösung wird erst bei en <0,9 positiv, erreicht aber dann ein deutlich höheres Niveau >10 %. Bei en <0,54; Der Gasmotor kann den Dampfbedarf nicht allein decken, da der Restsauerstoffgehalt im Abgas für die erhöhte Zusatzfeuerung nicht ausreicht. 2.2 Ergebnisse und Analyse des Szenarios KWK2 Bild 8 zeigt die Ergebnisse des Szenarios KWK2 (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung). Die Ergebnisse des zweiten Szenarios sind insgesamt attraktiver: Im Gegensatz zum ersten Szenario erreichen nun beide Prozesse Wirkungsgrade von über 80 % und Primärenergieeinsparungen von über 10 % und zwar für en unter 0,7. Die höchste Primärenergieeinsparung erzielt der Gasmotor mit ca. 20 % bei en über 0,8. Die Wirkungsgrade sinken wiederum mit steigender, im Bereich von en zwischen 0,35 und 0,65 aber nur geringfügig. KWK (Gesamtwirkungsgrad) [%] _KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor - 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Bild 6: Ergebnisse KWK1 (8 bar Sattdampferzeugung) Abgastemperatur Zusatzfeuerung ( C) Gasturbine mit & ohne ZF Gasmotor mit ZF Dampfwärmeleistung ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Bild 7: Analyse KWK1 (8 bar Sattdampferzeugung) KWK (Gesamtwirkungsgrad) [%] _KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor - 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Bild 8: Ergebnisse KWK2 (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung) Im Gegensatz zu den Kurven im Szenario 1 gibt es im Szenario 2 keinen Kreuzungspunkt der Gesamtwirkungsgrad-Kurven. Die Primärenergieeinsparung und der Gesamtwirkungsgrad mit dem Gasmotor sind über den gesamten Bereich der en höher als für die Gasturbine. Bild 9 präsentiert die Analyse KWK2 (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung) PEE [%] Dampfwärmeleistung (MW) PEE [%] gwf Gas + Energie 6/

7 FACHBERICHTE Gas-Plus-Technologien Abgastemperatur Zusatzfeuerung ( C) KWK (Gesamtwirkungsgrad) [%] Mit steigender nimmt die Dampfleistung von 20 MW auf fast 0 MW ab, da die thermische Leistung der Heißwassererzeugung bei 6 MW konstant gehalten wird. Für den Gasmotor ist Zusatzfeuerung immer erforderlich, für die Gasturbine nur bei en <0,64. Wie auch bei Szenario KWK1 ist die technisch mögliche Höhe der Zusatzfeuerung beim Gasmotor auf en >0,36 begrenzt. Gasturbine mit & ohne ZF Dampfwärmeleistung Gasmotor mit ZF Warmwasser Wärmeleistung ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Bild 9: Analyse KWK2 (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung) _KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor - 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Bild 10: Ergebnisse KWK3 (15 bar Dampf- und 3 MW Heißwassererzeugung) Abgastemperatur Zusatzfeuerung ( C) Gasturbine mit & ohne ZF Dampfwärmeleistung Gasmotor mit ZF Warmwasser Wärmeleistung ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Bild 11: Analyse KWK3 (12 bar Dampf- und 3MW Heißwassererzeugung) Dampfwärmeleistung (MW) PEE [%] Dampfwärmeleistung (MW) Fazit der Simulation KWK2: Bei en >0,6: Die effizienteste Lösung ermöglicht der Gasmotor, da die Schmieröl- und die Intercoolerwärme zur Heißwassererzeugung genutzt werden können. Für die Primärenergieeinsparung können attraktive Werte von % erreicht werden. Bei en zwischen 0,6 und 0,36 : Ähnliche Gesamtwirkungsgrade bei beiden Lösungen, allerdings ist stark erhöhte Zusatzfeuerung für den Gasmotor erforderlich. Bei en zwischen 0,2 und 0,4 sind hohe Gesamtwirkungsgrade für den Gasturbinenprozess von ca. 90 % erzielbar. Bei en <0,36: Keine Lösung mit dem Gasmotor möglich, da der Restsauerstoffgehalt im Abgas nicht für die erforderliche Zusatzfeuerung ausreicht. 2.3 Ergebnisse und Analyse des Szenarios KWK3 Die Ergebnisse des dritten Szenarios (Bild 10) mit 15 bar Dampferzeugung und 3 MW Heißwassererzeugung unterscheiden sich erheblich von dem zweiten Szenario, da der höhere Dampfdruck und die Überhitzung für eine deutliche Verschiebung der Wärmeübertragung sorgen. Besonders für den Gasmotorenprozess hat dies erhebliche Auswirkungen, denn die Schmierölwärme und die Motorkühlwasserwärme können nicht in dem gleichen Maß wie im zweiten Szenario genutzt werden. Nur die Gasturbine erreicht Gesamtwirkungsgrade über 80 %, dies bei en von unter 0,7. Der Gasmotor bleibt immer unter 80 % Gesamtwirkungsgrad und die Primärenergieeinsparung ist fast konstant im niedrigen Bereich von 7 %. Wie im Szenario 1 gibt es auch im Szenario 3 einen Kreuzungspunkt der Kurven, diesmal bei ~0,8: unter 0,8 ist der Gasturbinenprozess besser; über 0,8 führt der Gasmotor. Eine Analyse von KWK3 (12 bar Dampf- und 3MW Heißwassererzeugung) zeigt Bild 11. Mit steigender nimmt die Dampfleistung von 23,3 auf 1,4 MW ab. Die thermische Leistung der Heißwassererzeugung wird bei 3 MW konstant gehalten. Für den Gasmotor ist Zusatzfeuerung immer erforderlich, für die Gasturbine nur bei en <0,6. Wie auch bei den ersten beiden Szenarien ist die technisch mögliche Leistung der Zusatzfeuerung beim Gasmotor begrenzt, für KWK3 bei einer von 0,43. Fazit der Simulation KWK3: Bei en <0,8: Die effizienteste Lösung ermöglicht die Gasturbine, Zusatzfeuer ist nur bei 42 gwf Gas + Energie 6/2017

8 Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE <0,6 erforderlich. Es werden sehr hohe KWK-Wirkungsgrade von ca. 90 % erreicht Bei en >0,8: Die effizienteste Lösung ermöglicht der Gasmotor, nur moderate Zusatzfeuerung erforderlich. Die höheren Dampfparameter gegenüber KWK2 (8 ->15 bar) erfordern für den Gasmotor eine höhere Zusatzfeuerung. Dadurch lassen sich die Schmierölund Intercoolerwärme nicht mehr vollständig nutzen und der Gesamtwirkungsgrad fällt für den Gasmotor gegenüber dem Szenario KWK2 um ca. 8 %-Punkte ab. Wärme dominiert Gasturbine Kraft-Wärme-Kopplung Strom dominiert Gasmotor ~ 0,8 3. Fazit der Untersuchung In den Szenarien KWK1 und KWK3 lassen sich die Wärmequellen Schmieröl und Kühlwasser des Gasmotors nicht bzw. nicht vollständig für den Prozess nutzen. Daher ist bei en unterhalb 0,8 die Gasturbine die effizientere Lösung. Im Szenario KWK2 erzielen beide Aggregate im bereich 0,4 > 0,7 ähnliche Gesamtwirkungsgrade, da die Wärmequellen Schmieröl und Intercooler des Gasmotors für die Heißwassererzeugung genutzt werden können. Bei en < ~0,4 ermöglicht der Gasmotor generell keine sinnvolle Konfiguration, da die Sauerstoffmenge im Abgas keine ausreichende Zusatzfeuerung erlaubt. Bei en > ~0,8 erzielen die Systeme mit Gasmotor grundsätzlich einen besseren Gesamtwirkungsgrad und auch deutlich höhere Primärenergieeinsparungen. In allen drei Fällen verläuft die Gesamtwirkungsgradkurve gegenüber der mit Gasmotor deutlich flacher als mit Gasturbine, d. h. bei hohen en und bei hohen Anforderungen an die Variabilität der ist der Gasmotor im Vorteil. Allerdings erreichen die Gasturbinenlösungen in den Szenarien KWK1 und KWK3 bei kleinen en in diesem Vergleich höhere Werte für die Primärenergieeinsparung (Bild 12). Bei niedrigen en und hohen Dampfparametern ist die Gasturbine in aller Regel die wirtschaftlichere Alternative. Dampferzeugung ist mit Gasmotoren wirtschaftlich möglich, allerdings können hohe Dampfparameter den Gesamtnutzungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit einschränken. Gasmotorenlösungen erfordern insbesondere bei höheren Dampfparametern die parallele Erzeugung von Heißwasser, um wirtschaftlich zu sein. Bild 12: Vereinfachte Zusammenfassung Literatur [1] P. Neil; 2012; Combined Heat, Cooling and power handbook technologies and applications, second edition [2] A. Kalam, A. King, E. Moret, U. Weerasinghe; 2009; Combined Heat and Power systems: Identifying Economic and Policy Barriers to growth [3] K. Saidi, U. Orth, S. Boje, C. Frekers; A comparative study of combined heat and power systems for a typical food industry application; ASME Turbo expo 2014, GT [4] Vergleichende Studie von Gasmotoren und Gasturbinen in der Kraft-Wärme-Kopplung am Beispiel eines typischen öffentlichen Wärmeversorgungs-netzwerks; Tobias Vogel, Gerd Oeljeklaus, Thomas Polklas, Christian Frekers und Klaus Görner; VGB PowerTech 3/2016 Autoren Hajo Hoops MAN Diesel & Turbo SE Augsburg Tel.: Hajo.Hoops@man.eu Dr. Karim Saidi MAN Diesel & Turbo SE Oberhausen Tel.: Karim.Saidi@man.eu gwf Gas + Energie 6/