Neue Dampfturbinen-Technologie eröffnet Kraftwerksbetreibern in KWK neue Effizienzpotenziale

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1 Neue Dampfturbinen-Technologie für KWK VGB PowerTech 8 l 2018 Neue Dampfturbinen-Technologie eröffnet Kraftwerksbetreibern in KWK neue Effizienzpotenziale Daniel Mühlenfeld Abstract New steam turbine technology opens up new efficiency potential for CHP plant operators Energieversorgung Oberhausen AG (evo) is successfully using a newly developed micro-steam turbine from TURBONIK GmbH, with which highly efficient combined heat and power generation is now also economically feasible on a small scale, which was previously only possible with large steam volumes and pressures: electricity generation from steam! l Autor Daniel Mühlenfeld Energieversorgung Oberhausen AG (evo) Pressesprecher Oberhausen, Deutschland Die Energieversorgung Oberhausen AG (evo) setzt erfolgreich eine neuentwickelte Mikro-Dampfturbine der Turbonik GmbH ein, mit der jetzt in hocheffizienter Kraft- Wärme-Kopplung auch in kleinem Maßstab wirtschaftlich umsetzbar ist, was bislang nur bei großen Dampfmengen und Drücken möglich war: Die Stromerzeugung aus Dampf! In der Industrie wird für verschiedenste Zwecke Dampf benötigt, wobei zwischen Dampferzeugern und Dampfverbrauchern häufig mechanische Drosselventile zur Druckreduzierung zum Einsatz kommen. Zeitgleich ist der Bedarf an elektrischer Energie in diesen Unternehmen in der Regel sehr hoch. Insofern stellt gerade der Energieverbrauch eine wesentliche Kosten- und Umweltbelastung dar. Gefragt sind daher Lösungen, die geeignet sind, diese Belastungen in den Griff zu bekommen oder gar zu senken. Dort, wo im Zuge des Arbeitsprozesses mit Dampf gearbeitet wird beziehungsweise Dampf anfällt, gibt es zum Beispiel die Möglichkeit, unter Einsatz von Dampfturbinen den vorhandenen Dampf für die Stromerzeugung zu nutzen. Ein Verfahren, das auch im Kraftwerksbereich Anwendung findet. Für die Nutzung solcher Dampfturbinen sind allerdings in der Regel erhebliche Dampfmengen und Drücke erforderlich, sodass dieser Weg der Energie- und Kosteneinsparung für kleinere Unternehmen, die mit geringeren Dampfmengen arbeiten, in der Regel nicht gangbar ist. Im Rahmen des Energiemanagements beschäftigt sich die evo ständig mit der Suche nach Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Dabei wurde ein entsprechendes Effizienzpotenzial unter anderem im Dampfnetz identifiziert, wo im Sommerbetrieb für die Fernheizwasserentgasung ein kleiner Dampfkessel betrieben wird. Der Dampf wird hierbei auf höherem Druck erzeugt als im Entgaser benötigt. Diese Druckdifferenz bietet grundsätzlich das Potenzial zum Einsatz einer Dampfturbine. Allerdings sind Druckdifferenz und Dampfmenge sehr gering und somit für den Einsatz herkömmlicher Dampfturbinen nicht geeignet. Grenzen bisheriger Turbinen Der Kontakt mit einem Entwicklerteam des ebenfalls in Oberhausen ansässigen Fraunhofer Instituts für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT brachte schließlich die Wende. Hier hatte man die sowohl in ökologischer als auch in ökonomischer Hinsicht ungenutzten Potenziale derartiger Dampfmengen ebenfalls erkannt und dies zum Anlass genommen, sich eingehend mit den technologischen Herausforderungen bei der möglichen Lösung des Problems zu befassen. In mehrjähriger Forschungsarbeit wurde an der Entwicklung und Optimierung schnelldrehender Turbinen gearbeitet und erstmals ein völlig neuartiger Konstruktionsansatz bei kleinen Wasserdampfturbinen umgesetzt, bei dem auf ein Getriebe verzichtet wird. Bei konventionellen Dampfturbinen werden bisher die Drehzahlen von < U/min durch ein Getriebe auf die netzkonforme Drehzahl im Generator (typischerweise U/min) übersetzt. Dies hat zur Folge, dass die gesamte Dampfturbineneinheit durch das ölgeschmierte Getriebe inklusive Ölbevorratung und durch den langsam laufenden Generator sehr voluminös wird. Turbine, Getriebe und Generator befinden sich in unterschiedlichen Gehäusen, wobei die Turbinenwelle über das Getriebe mit der Generatorwelle verbunden ist. Es werden mehrere Gehäuse, ein Getriebe und eine zusätzliche Welle inklusive weiterer Lager benötigt. Zudem müssen die einzelnen Gehäuse an den Wellendurchführungen nach außen hin abgedichtet werden. Hierzu werden verschleißende Gleitringdichtungen eingesetzt. Auch bei der evo wird diese konventionelle Turbinentechnologie für den höheren Leistungsbereich eingesetzt. Kleinere Leistungsbereiche von 75 bis 500 kw el wurden bisher dadurch realisiert, dass das Laufrad der beschriebenen herkömmlichen Turbinenbauart teilbeaufschlagt wird, wodurch im nichtbeaufschlagten Teil hohe Ventilationsverluste entstehen. Hierdurch wird nur ein sehr geringer Wirkungsgrad erreicht. 40

2 VGB PowerTech 8 l 2018 Neue Dampfturbinen-Technologie für KWK Neue Mikro-Dampfturbine Die bei Fraunhofer UMSICHT entstandene sogenannte Mikro-Dampfturbine zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Dampfturbinen im Wesentlichen dadurch aus, dass Generator und Turbinenlaufrad als Dampfturbosatz auf einer Welle direkt gekoppelt sind, wobei der hochfrequente Strom über einen Frequenzumformer in das Netz eingespeist wird. Der Einsatz eines verlustbehafteten Getriebes entfällt. Damit können bei einer Kleindampfturbine erstmalig Drehzahlen weit jenseits der bisher üblichen U/min realisiert werden, was sich erheblich auf die Effizienz und die Baugröße, insbesondere von Laufrad und Turbinengehäuse, auswirkt. Die Entwickler weisen zudem darauf hin, dass alle Komponenten in einem einzigen, hermetisch gekapselten Gehäuse untergebracht sind, was dazu beiträgt, dass bei der neuen Mikro-Dampfturbine im Vergleich zu bisherigen Anlagen beispielsweise der Durchmesser des Laufrades um über 50 % und das Gewicht um 90 % geringer ausfallen. Insgesamt werden so mit einem Gesamtgewicht von nur 2 t inklusive der Schaltschränke über 2,5 t an Material im Vergleich zu konventionellen Dampfturbinen eingespart. (B i l d 1 ) Kooperation von Wirtschaft und Wissenschaft In Gesprächen zwischen der evo und Fraunhofer UMSICHT wurde sehr schnell deutlich, welche Möglichkeiten, sich mit einer solchen Turbine für Kraftwerksbetreiber offenbaren. Vor diesem Hintergrund und aufgrund der langjährigen erfolgreichen Kooperation von evo und Fraunhofer UMSICHT hat sich die evo dazu bereit erklärt, einen Prototypen in den eigenen Prozessablauf zu integrieren. Da bei vielen Unternehmen Nachhaltigkeitsthemen zwar einen hohen Stellenwert besitzen, häufig aber aus Kostenerwägungen oder aus Scheu vor dem damit verbundenen Aufwand von einer Umsetzung entsprechender Maßnahmen abgesehen wird, hatten die beteiligten Ingenieure von Beginn an darauf hingearbeitet, diese Hemmschwelle für eine Anwendung ihrer Technologie möglichst gering zu halten. Das half, die Inbetriebnahme des Prototypen erheblich zu vereinfachen. So beträgt die benötigte Aufstellfläche nur ein Drittel derjenigen herkömmlicher Turbinen und die Trennung von Turbine und Schaltschrank macht sie zudem außerordentlich flexibel. In Konstruktion und Funktion folgt die Turbine ebenfalls dem Ansatz Ökologie und Ökonomie zu vereinen. So macht ihre spezielle Bauweise nach Angaben ihrer Entwickler eine vergleichsweise einfache Herstellung möglich. Im Gegensatz zu konventionellen Dampfturbinen kann sie demnach aufgrund ihrer geringen Baugröße zudem aus Edelstahl gefertigt werden, wodurch aufwendige Gießprozesse entfallen. Das wiederum macht eine umweltfreundliche Wasserschmierung der Lager möglich, die hier nach Aussage der Entwickler erstmalig für Dampfturbinen realisiert werden konnte. Durch dieses neuartige Schmiersystem und den gleichzeitigen Verzicht auf ein Getriebe ist die Turbine komplett ölfrei. Daraus resultiert nicht nur ein ökologischer, sondern auch ein ökonomischer Vorteil, da die Wartungsarbeiten signifikant geringer werden. Für die Betriebssicherheit beim Anwender sorgt, dass die laufenden Prozesse mittels eines Bypass-Systems selbst bei einem möglichen Defekt des Gerätes ungestört weiterlaufen. Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung Der Erfolg des Praxistests hat schließlich dazu geführt, dass die Turbine fester Bestandteil des Effizienzprogramms bei der evo geworden ist. Sie passt sich nahtlos in das ressourcenbewusste unternehmerische Handeln ein, das zuletzt in die erfolgreiche Re-Zertifizierung eines Energiemanagementsystems (EnMS) nach ISO mündete. So konnten auch bereits an anderer Stelle erhebliche Effizienzsteigerungen erreicht werden, wie beispielsweise durch die Erschließung industrieller Abwärmequellen für die hauseigene Fernwärme. Für 100 % Heizwärme, die bei den Kunden ankommt, fallen bei der evo nur 13 % Primärenergie in der Erzeugung an, was bedeutet, dass je verbrauchter kwh Fernwärme nicht mehr als 73 g CO 2 emittiert werden. Die Turbine sorgt jetzt dafür, dass im Rahmen der Entgasung von Fernheizwasser kwh Strom pro Jahr erzeugt werden können, deren Energie in Form von Dampf ansonsten buchstäblich wirkungslos verpuffte. Konkret bedeutet die Nutzbarmachung dieser Energiepotenziale eine Bild 1. Ansicht der kompletten Mikro-Dampfturbineneinheit. Reduzierung des Verbrauchs von insgesamt rund 10 % Primärenergie, was zum einen dem Jahresverbauch von 60 Vier- Personen-Haushalten entspricht und zum anderen eine strukturelle Einsparung von 90 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr bedeutet. Daraus lässt sich hochrechnen, dass Unternehmen, die Dampf für ihre Produktion einsetzen, bei einer elektrischen Leistung von bis zu 300 kw el in hocheffizienter Kraft-Wärme-Kopplung eine Strommenge von 2,4 GWh pro Jahr erzeugen können. Das entspricht dem Jahresverbrauch von rund 500 Vier-Personen-Haushalten und einer Verringerung der CO 2 - Emissionen von über 300 t/a. Allein in Deutschland sind nach Schätzungen über Dampfkessel zum Beispiel in der Textil-, Papier- Chemie- und Pharmaindustrie sowie bei Lebensmittelherstellern (Brauereien, Molkereien), Wäschereien oder auch in Krankenhäusern und eben in Kraftwerken installiert. Im Vergleich zum deutschen Strommix spart diese Art der Stromerzeugung bei Verwendung von Erdgas signifikant Primärenergie ein, sodass bei einem flächendeckenden Einsatz sogar eine Einsparung von jährlich über zwei Millionen Tonnen Kohlendioxid allein in Deutschland prognostiziert wird. Die dezentrale Stromerzeugung in der Nähe zum Verbraucher entlastet überdies das Stromnetz und schafft Versorgungssicherheit für den Anwender. Ausgezeichnete Innovationsleistung Die Mikro-Dampfturbine hat damit das Potenzial, bei entsprechender Verbreitung einen signifikanten Beitrag zum Gelingen der Energiewende in Deutschland zu leisten. Innovationsträger dieser Art sind angesichts der anhaltenden energiepolitischen Debatte und dem nachweislichen Bedarf an einer nachhaltigen Energiever- 41

3 Neue Dampfturbinen-Technologie für KWK VGB PowerTech 8 l 2018 Bild 2. Turbonik zukunftweisendes Unternehmen in die KlimaExpo.NRW. sorgung stets von grundsätzlichem Interesse. Daher wurde bei Fraunhofer UMSICHT angesichts der beschriebenen Leistungsdaten der Turbine und ihrer nicht zuletzt bei der evo im Praxistest nachgewiesenen offensichtlichen Marktrelevanz die Entscheidung getroffen, das Projekt als Spin-Off in ein eigenständiges Unternehmen zu überführen. Dazu wurde im Jahr 2017 die Turbonik GmbH mit Sitz in Dortmund ins Leben gerufen, die zukünftig als Know-howträchtiger Partner zur Verfügung steht, der sich sowohl um die Markteinführung des Produktes als auch um Service, Wartung und energierechtliche Fragestellungen rund um die Turbine kümmert. Des Weiteren hat das noch junge Unternehmen bis heute bereits erhebliche Beachtung gefunden. Im Frühjahr dieses Jahres wurde es wie zuvor auch schon die evo als zukunftweisendes Unternehmen in die KlimaExpo. NRW aufgenommen (B i l d 2 ). Dabei handelt es sich um, eine Initiative der nordrhein-westfälischen Landesregierung, mit der unter anderem unternehmerische Projekte, die sich der Lösung von Klima- und Umweltproblemen widmen, ausgezeichnet VGB-Standard und gefördert werden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gehört genauso zu den frühen Förderern des Projektes wie die Europäische Union. Zudem haben verschiedene Verbände und Institutionen ihre Wertschätzung für das junge High-Tech Unternehmen und sein Produkt bekundet. So gewann die Turbonik GmbH unter anderem den ersten Preis und den Sonderpreis Technologie des 36. bundesweiten Gründungswettbewerbs start2grow der Wirtschaftsförderung Dortmund. Darüber hinaus ging der erste Platz des diesjährigen Stahl-Innovationspreises in der Kategorie Produkte aus Stahl aus insgesamt über 500 Bewerbern ebenfalls an die Turbonik GmbH für den Beitrag, den ihre Turbine im Bereich der nachhaltigen Energieversorgung leistet. Erfahrene Partner für junge Unternehmen Bestimmung der Messunsicherheit bei Abnahme- und Kontrollmessungen 1. Ausgabe 2016 VGB-S DE Die Entstehungsgeschichte rund um diese neue Mikro-Dampfturbine zeigt insofern eindrücklich, wie auch im projektbezogenen Zusammenwirken von wissenschaftlicher Forschungsarbeit und unternehmerischer Praxis tatsächlich neue junge Unternehmen hervorgehen können. Bereits zuvor gab es eine Reihe von Kooperationen zwischen der evo und dem Fraunhofer UMSICHT-Institut, so unter anderem im Rahmen einer Konzepterstellung für das Projekt KWK-Modellkommune der Stadt Oberhausen oder beim Praxistest einer bei Fraunhofer UMSICHT entwickelten Redox-Flow-Batterie. Darüber hinaus ist die Kooperation im konkreten Fall der Mikro- Dampfturbine ein Beispiel dafür, wie vorhandene Potenziale dazu genutzt werden können, innovative Lösungen für drängende Zukunftsfragen zu entwickeln. Die frühzeitige Verzahnung wissenschaftlicher Projekte mit den tatsächlichen Anforderungen des unternehmerischen Alltagsgebrauchs hilft bei der Entwicklung innovativer neuer Technologien und deren anschließender Implementierung in der Praxis. Insofern ist die vorliegende, erfolgreiche Kooperation von Wissenschaft und Wirtschaft auch ein Ansporn an junge Forscher insgesamt, sich von den Bedürfnissen der Praxis zu neuen Konzepten und technischen Innovationen inspirieren zu lassen und auch an die Unternehmen, solche Projekte nicht nur finanziell, sondern auch durch das Ermöglichen des erforderlichen Praxisbezuges zu fördern. Entsprechend stolz ist man bei der evo, an der Realisierung dieses hochinnovativen Produkts beteiligt gewesen zu sein. Technische Daten & Einsatzbedingungen laut Hersteller Turbonik DIN A4, 98 Seiten, Preis für VGB-Mit glie der* 180,, für Nicht mit glie der 240,, + Ver sand kos ten und MwSt. Der vorliegende VGB-Standard möchte Anregungen, Hinweise und Empfehlungen zum Umgang mit dieser Thematik geben und dabei helfen, mit vergleichsweise geringem mathematischen Aufwand zu hinreichend genauen Ergebnissen bei der Messunsicherheitsbestimmung zu gelangen. Neben Erläuterungen zur Vorgehensweise beinhaltet dieser VGB-Standard einfache Berechnungsbeispiele aus der Praxis der Abnahme- und Kontrollmessungen sowie konkrete Hinweise zur Vermeidung von Messfehlern. Da auch die Messunsicherheitsabschätzung für betriebliche Messtechnik behandelt wird, beschränkt sich der Interessentenkreis für diesen Standard nicht auf den Bereich der Abnahme- und Kontrollmessungen. Eine weitere Zielgruppe sind z.b. die Anwender der VDI-Richtlinie 2048 und des darauf basierenden Standards VGB-S-009 zur Messdatenvalidierung, wobei eine Abschätzung der Konfidenzintervalle für die verwendeten Mess- und Hilfsgrößen erforderlich ist. * Für Ordentliche Mitglieder des VGB ist der Bezug von ebooks im Mitgliedsbeitrag enthalten. Elektrische Leistung: kw el Dampfmassenstrom: 1 20 t/h Wärmeleistung: kw th Frischdampfdruck: 4 40 bar ü Frischdampftemperatur: Sattdampf 450 C Abdampfdruck: -0,8 16 bar ü l VGB-Standard Bestimmung der Messunsicherheit bei Abnahme- und Kontrollmessungen Erste Ausgabe 2017 VGB-S DE 42

4 International Journal for Electricity and Heat Generation Vo lu me 90/2010 ISSN K Focus: Maintenance of Power Plants Concepts of IGCC Power Plants Assessment of Generators for Wind Power Plants Technical Data for Power Plants Oxidation Properties of Turbine Oils Fo cus: Pro Quality The Pro-quality Approach Quality in the Construction of New Power Plants Quality Monitoring of Steam Turbine Sets Supply of Technical Documentations Focus: Furnaces, Steam Generators and Steam Turbines USC 700 C Power Technology Ultra-low NO x Combustion Replacement Strategy of a Superheater Stage Economic Postcombustion Carbon Capture Processes Volume 85/2005 ISSN K Con gress Is sue Focus: Power Plants in Competiton Schwerpunktthema: Erneuerbare Energien Hydrogen Pathways and Scenarios Kopswerk II Prevailing Conditions and Design Arklow Bank Offshore Wind Park The EU-Water Framework Directive International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. Focus: VGB Congress Power Plants 2009 Report on the Activities of VGB PowerTech 2008/2009 EDF Group Reduces its Carbon Footprint Optimising Wind Farm Maintenance Concept for Solar Hybrid Power Plants Qualifying Power Plant Operators New Power Plant Projects of Eskom Quality Assurance for New Power Plants Advantages of Flexible Thermal Generation Market Overview for Imported Coal International Edition Please copy >>> fill in and return by mail or fax Yes, I would like order a subscription of VGB PowerTech. The current price is Euro 275. plus postage and VAT. Unless terminated with a notice period of one month to the end of the year, this subscription will be extended for a further year in each case. Name, First Name Street Postal Code City Country Phone/Fax Return by fax to VGB PowerTech Service GmbH Fax No Date 1st Signature Cancellation: This order may be cancelled within 14 days. A notice must be sent to to VGB PowerTech Service GmbH within this period. The deadline will be observed by due mailing. I agree to the terms with my 2nd signature. or access our on-line shop at MEDIA SHOP. Date 2nd Signature

5 VGB POWERTECH as printed edition, monthly published, 11 issues a year Annual edition 2017 as CD or DVD with alle issues from 1990 to 2017: Profount knowledge about electricity and heat generation and storage. Order now at > shop > Journal International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. l Publication of VGB PowerTech e.v. l International Journal for Electricity and Heat Generation Publication of VGB PowerTech e.v. l International Journal for Electricity and Heat Generat Fachzeitschrift: 1990 bis bis bis 2017 Diese DVD und ihre Inhalte sind urheberrechtlich geschützt. VGB PowerTech Service GmbH Essen Deutschland 2017 Sergey Nivens - Fotolia VGB PowerTech Contact: Gregor Scharpey Tel: mark@vgb.org The international journal for electricity and heat generation and storage. Facts, competence and data = VGB POWERTECH > shop > Journal