Umweltschonende Kälteerzeugung in der pharmazeutischen Industrie. Dr. Bernd Biffar, Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG

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1 Umweltschonende Kälteerzeugung in der pharmazeutischen Industrie Dr. Bernd Biffar, Boehringer Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG

2 Inhalt 1. Standort Biberach 2. Kälteversorgung 3. Kaltwasserspeicher 4. CO 2 -Emissionen KWKK ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 2

3 1 Standort Biberach Standortinformationen Werksfläche ca m² ca Beschäftigte Hauptaufgaben Biotechnische Produktion Forschung & Entwicklung Medizin Pharmaherstellung Energiebedarf 2008: Strom Dampf Kälte Leistung 14,3 MW 65,5 t/h 23,9 MW Arbeit 81,8 GWh t 44,2 GWh ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 3

4 1 Standort Biberach Zentrale Versorgungseinrichtungen J41: 1 Gasturbine (4 MW) 2 Dieselaggregate (0,65 MW) 2 Sattdampfkessel (45 t/h) 1 Abhitzekessel (20 t/h) 1 Kältemaschine (3,5 MW) H111: 1 Gasturbine (4 MW) 1 Dieselaggregat (0,9 MW) 2 Sattdampfkessel (55 t/h) 1 Abhitzekessel (25 t/h) 9 Kältemaschinen (31 MW) 1 Kaltwasserspeicher (5 MW) ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 4

5 1 Standort Biberach Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Erdgas, HEL Gasturbine Strom Abgas ca. 500 C Dampf Abhitzekessel Abgas ca. 130 C Kälteerzeugung Kälte Werksversorgung Strom, Dampf, Kälte ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 5

6 1 Standort Biberach Anlagenschema Standortversorgung Strombezug Strom 20 kv Strombezug AK51 (11 +14) t/h GT 51 Gas/Öl G ca. 4 MW Diesel Nord DK51 25 t/h G 0,9 MW DK52 30 t/h DK15 25 t/h Diesel Süd 1 DK14 20 t/h G 0,25 MW Diesel Süd 2 G 0,4 MW AK12 (10 +10) t/h GT 12 Gas/Öl G ca. 4 MW ZF Gas Gas/Öl Gas/Öl Gas/Öl Gas/Öl ZF Gas Dampf 19/17 bar ü Dampf 16/13,5 bar ü KM52 KM57 KM58 Dampf 1 bar ü Turbo KM KM53 KM54 KM55 Dampf 8/4,5 bar ü Gebäude H111 Gebäude J41 ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 6

7 2 Kälteversorgung Kälteanlagen Anlagentyp Anzahl Installierte Leistung Anlagenkennzahl Turbo elektrisch getrieben 3 10,2 MW Kälte COP Jahr = 5,8 Turbo dampfgetrieben 1 3,5 MW Kälte 0,2 t Kondensat /MWh Kälte Absorber einstufig 3 12 MW Kälte COP Jahr = 0,6 Absorber zweistufig 3 9,1 MW Kälte COP Jahr = 1,1 Kaltwasserspeicher 1 5 MW Kälte η = 96 % => Einsatzpriorität in Bezug auf Energieeffizienz eindeutig, wie sieht es mit Ökonomie aus? ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 7

8 2 Kälteversorgung Energiekosten für Kältemaschinenbetrieb I 800 Energiekosten in T /MW einstufige AKM zweistufige AKM Elektrische KKM Dampfturbinen-KKM Betriebsstunden pro Jahr ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 8

9 2 Kälteversorgung Energiekosten für Kältemaschinenbetrieb II einstufige AKM zweistufige AKM Energiekosten in T /MW Elektrische KKM Dampfturbinen-KKM => Energieeffizienz und Ökonomie im Einklang Betriebsstunden pro Jahr ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 9

10 Kälteversorgung Kältemaschineneinsatz Jahresdauerlinie Kaltwassererzeugung Spitzenlast => Absorptionskälte Grund- und Mittellast => Kompressionskälte Jahresstunden ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 10 Leistung in MW

11 3 Kaltwasserspeicher Lastgang Sommertag ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 11

12 3 Kaltwasserspeicher Ausbau Kälteversorgung Variante I Steigender Kältebedarf, konventionelle Lösung: Zubau neuer Kältemaschine Kompressionskältemaschine Absorptionskältemaschine Deckung zusätzlicher Kältebedarf mit neuer Kältemaschine führt zu Zunahme Energiebedarf für Kälteversorgung ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 12

13 3 Kaltwasserspeicher Ausbau Kälteversorgung Versorgung II Unkonventioneller Weg: Errichtung Kaltwasserspeicher Erzeugung eines Kältevorrats in Schwachlastzeiten Verstärkte Nutzung vorhandener Kältemaschinen und Kühltürme Entkopplung von Kältebedarf und -erzeugung Erhöhter Einsatz von Grundlastkältemaschinen Erhöhung der Versorgungssicherheit durch Kältebevorratung Deckung zusätzlicher Kältebedarf mit Kaltwasserspeicher führt zu Reduzierung Energiebedarf für Kälteversorgung ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 13

14 3 Kaltwasserspeicher Projektdaten Projektkosten: ca. 3 Mio, alternative Investition in Erweiterung Energiezentrale und Zubau von Kältemaschine und Kühlturm wäre höher Betriebskostenreduzierung > 345 T /a durch Produktion Spitzenlastkälte mit effizienteren Maschinen Entfall sicherheitsbedingter Maschinenbetrieb Entfall Maschinenbetrieb aus Gründen der Hydraulik bzw. Maschinengröße Umweltschutz durch Verminderung Abwärmeabgabe Wasser- und Chemikalienbedarf Schallemissionen CO 2 -Emissionen t/a ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 14

15 3 Kaltwasserspeicher Simulation Kältemaschineneinsatz Juliwoche ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 15

16 3 Kaltwasserspeicher Technische Daten Volumen: m³ Behälterhöhe: 27 m (Wasserstand 25 m) Durchmesser: 18,2 m (Innen) Temperatur: 6 C/12 C Kältekapazität: ca. 40 MWh Entladeleistung: 0 5 MW (Auslegung) 5 10 MW (Notfall) Inertisierung: Stickstoffüberlagerung (Δp = mbar) Fundament: Flachgründung, Betonbodenplatte 1,2 m Tankbauweise: verschweißter Flachbodenstahltank Innenkonstruktion: turbulenzarme Ein-/Ausbringung Kaltwasser Isolierung: oberirdisch 110 mm PU-Schaum, unterirdisch Foamglas ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 16

17 3 Kaltwasserspeicher Ausgeführte Anlage ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 17

18 4 CO 2 -Emissionen KWKK Beispielanlage Erdgas Abgas Abhitzekessel Dampfkessel Gasturbine Strom Dampf AKM einstufig AKM zweistufig KKM (Turbo) Kälte Elektrischer Nutzungsgrad Gasturbine 30 % COP einstufiger Absorber 0,6 Gesamtnutzungsgrad KWK-Anlage 80 % COP zweistufiger Absorber 1,1 Thermischer Nutzungsgrad Dampfkessel 90 % COP Turbokältemaschine 5,0 ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 18

19 4 CO 2 -Emissionen KWKK KWKK mit einstufigem Absorber Gasbezug, Strom-/Kälteerzeugung in KWKK mit einstufigem Absorber 3,3 MWh Gas KWK- 1,7 MWh Wärme AKM 1,0 MWh Kälte Anlage (einst.) Emission von 660 kg CO 2 1,0 MWh Strom Strombezug und Kälteerzeugung mit E-Turbo 1,2 MWh Strom Emission von 715 kg CO 2 0,2 MWh Strom KKM 1,0 MWh Kälte (Turbo) 1,0 MWh Strom ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 19

20 4 CO 2 -Emissionen KWKK KWKK mit zweistufigem Absorber Gasbezug, Strom-/Kälteerzeugung in KWKK mit zweistufigem Absorber 3,3 MWh Gas KWK- 1,7 MWh Wärme AKM 1,8 MWh Kälte Anlage (zweist.) Emission von 660 kg CO2 1,0 MWh Strom Strombezug und Kälteerzeugung mit E-Turbo 1,36 MWh Strom Emission von 815 kg CO2 0,36 MWh Strom KKM 1,8 MWh Kälte (Turbo) 1,0 MWh Strom ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 20

21 4 CO 2 -Emissionen KWKK Zusammenfassung Varianten Kälteerzeugung KWKK mit einstufigem Absorber zweistufigem Absorber CO 2 -Emission KWKK-Anlage 660 kg CO 2 -Emission Strombezug/ Kompressionskälte 715 kg 815 kg Kälteerzeugung mit ein- oder zweistufigen Absorbern in KWKK reduziert CO 2 - Emissionen und ist damit klimaschonend??? ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 21

22 4 CO 2 -Emissionen KWKK Brennstoffeffekt und Schlussfolgerung Brennstoffeffekt: alternative Verstromung des in KWK-Anlage eingesetzten Erdgases in hocheffizienter GuD-Anlage => Emissionsfaktor Strombezug ca. 400 g/kwh el statt ca. 600 g/kwh el Kälteerzeugung KWKK mit einstufigem Absorber zweistufigem Absorber CO 2 -Emission KWKK-Anlage 660 kg CO 2 -Emission Strombezug/ Kompressionskälte 480 kg 547 kg => bei dieser Sichtweise führt KWKK zu höheren CO 2 -Emissionen! Brennstoffeffekt, Nutzungsgrade und COPs der jeweiligen Anlage beeinflussen Ergebnis wesentlich => KWKK kann CO 2 -Emissionen reduzieren, Systembetrachtung für Einzelfall notwendig ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit gibt es Fragen? ASUE - Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinen 29./ , Dr. Bernd Biffar 23