Antrag zur Errichtung des Gaskraftwerkes Leipheim gemäß 4 BImSchG Errichtung und Betrieb einer Gasturbinen-Anlage sowie von Nebeneinrichtungen Kapitel 4-3: Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 1
1 Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe 1.1 Anforderungen bzw. einzuhaltende Emissions-(grenz-)werte Für die Gasturbinen finden die Absätze 1 bis 6 des 8 der 13. BImSchV i. d. a. F. Anwendung: (1) Gasturbinenanlagen sind so zu errichten und zu betreiben, dass die Anforderungen 1. dieses Absatzes und der Absätze 3, 4, 5 Satz 1, Absätze 6 bis 10 sowie 2. der Absätze 2 und 5 Satz 2 eingehalten werden. Der Betreiber hat dafür zu sorgen, dass 1. kein Tagesmittelwert die folgenden Emissionsgrenzwerte überschreitet: a) Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid, angegeben als Stickstoffdioxid, 50 mg/m 3 b) Kohlenmonoxid 100 mg/m 3 2. kein Halbstundenmittelwert das Doppelte der unter Nummer 1 genannten Emissionsgrenzwerte überschreitet. (2) Die Emissionsgrenzwerte nach Absatz 1 gelten bei Betrieb ab einer Last von 70 Prozent, unter ISO-Bedingungen (Temperatur 288,15 K, Druck 101,3 kpa, relative Luftfeuchte 60 Prozent). Für den Betrieb bei Lasten bis 70 Prozent legt die zuständige Behörde den zu überwachenden Teillastbereich sowie die in diesem Bereich einzuhaltenden Emissionsbegrenzungen für die in Absatz 1 genannten Schadstoffe fest. (3) Abweichend von Absatz 1 Satz 2 Nummer 1 Buchstabe a ist bei Gasturbinen im Solobetrieb, deren Wirkungsgrad unter ISO-Bedingungen mehr als 35 Prozent beträgt, der Emissionsgrenzwert entsprechend der prozentualen Wirkungsgraderhöhung heraufzusetzen. Ein Emissionsgrenzwert von 75 mg/m 3 für den Tagesmittelwert darf nicht überschritten werden. (4) Bei Einsatz flüssiger Brennstoffe darf die Rußzahl im Dauerbetrieb den Wert 2 und beim Anfahren den Wert 4 nicht überschreiten. (5) Bei Einsatz flüssiger Brennstoffe darf bei Gasturbinen nur leichtes Heizöl, das bezüglich des Schwefelgehaltes die Anforderungen an leichtes Heizöl nach der Verordnung über die Beschaffenheit und die Auszeichnung der Qualitäten von Kraft- und Brennstoffen erfüllt, verwendet werden. Abweichend von Satz 1 dürfen andere Brennstoffe verwendet werden, wenn gleichwertige Maßnahmen zur Emissionsminderung von Schwefeloxiden angewendet werden. Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 2
(6) Bei Einsatz gasförmiger Brennstoffe sind die Emissionsgrenzwerte von 7 Absatz 1 Satz 2 Nummer 1 Buchstabe d und Nummer 2 für Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid, angegeben als Schwefeldioxid, auf einen Bezugssauerstoffgehalt von 15 Prozent umzurechnen. Die oben genannten Emissionsgrenzwerte sind im Lastbereich ab 70 % unter ISO- Bedingungen einzuhalten. Für gasförmige Brennstoffe sind Staubemissionen vernachlässigbar, entsprechend findet sich in 8 der 13. BImSchV hierfür keine Regelung. Für Staub wurden vorliegend konservativ entsprechend den Herstellerangaben 2 mg/m 3 beim Einsatz von Erdgas und 10 mg/m 3 beim Einsatz von Heizöl EL im Lastbereich über 70 % unter Iso-Bedingungen zugrunde gelegt. Für Schwefeldioxid gilt beim Einsatz gasförmiger Brennstoffe gemäß 13. BImSchV ein Grenzwert von 12 mg/m³ für die Gasturbinen. Gemäß den Angaben der bayernets GmbH beträgt der Gesamtschwefelgehalt des eingesetzten Erdgases allerdings weniger als 20 mg/m 3. Die SO 2 -Emissionen betragen somit maximal 40 mg SO 2 pro m 3 eingesetztem Erdgas. Dies ergibt bei einem Sauerstoffgehalt im trockenen Abgas von 15 % eine Schwefeldioxidkonzentration von ca. 1 mg/m³. Bei Einsatz von Heizöl EL nach DIN 51603 Teil 1 (2007-11) ist der Massengehalt an Schwefel für leichtes Heizöl in 10 der 10. BImSchV begrenzt (1 g pro kg Heizöl EL entsprechend 0,10 Gew.-%). Die SO 2 -Emissionen betragen somit maximal 2 g SO 2 pro kg Heizöl EL. Dies ergibt bei einem Sauerstoffgehalt im trockenen Abgas von 15 % eine Schwefeldioxidkonzentration von ca. 54 mg/m³. Nach der Vollzugsempfehlung Formaldehyd des LAI (Stand 09.12.2015) gilt für den Leistungsbereich ab 70 % der allgemeine Formaldehydgrenzwert von 5 mg/m³ 1. Im Leistungsbereich bis 70 % sind die Anforderungen durch die Behörde im Einzelfall festzulegen. Das grundsätzliche Minimierungsgebot nach TA Luft bleibt hiervon unberührt. Die 13. BImSchV regelt den Leistungsbereich unter 70 % nicht. Auch in der IED (ABl. L 334 vom 17.12.2010, S. 17) finden sich keine weitergehenden Regelungen. In der nationalen Umsetzung der IED (BGBL I. S. 973 und 1021) wird der Lastfall unter 70 % zwar nicht materiell geregelt, aber in 8 (2) der neuen 13. BImSchV ist folgender Hinweis gegeben: Für den Betrieb bei Lasten bis 70 Prozent legt die zuständige Behörde den zu überwachenden Teillastbereich sowie die in diesem Bereich einzuhaltenden Emissionsbegrenzungen für die in Absatz 1 genannten Schadstoffe fest. 1 Dieser wird im vorliegenden Fall nicht nur für den Betrieb mit Erdgas (bei der Methanoxidation stellt Formaldehyd ein Zwischenprodukt dar), sondern als allgemeiner Wert - auch für den Betrieb mit Heizöl EL beantragt, wenngleich dieser Brennstoff nach vorliegendem Kenntnisstand eine geringere Rolle im Hinblick auf die mögliche Freisetzung des Zwischenprodukts Formaldehyd spielt als Erdgas. Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 3
Die vorstehenden Ausführungen wurden dem lufthygienischen Gutachten der Müller-BBM GmbH, Bericht Nr. M126184/02 entnommen. entnommen. Wegen der Einzelheiten wird auf Ziffer 4.1 der Anlage 4.6 verwiesen. 1.2 Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Die Anlage wird dem Stand der Technik entsprechend ausgeführt werden, insbesondere unter Beachtung der aus der 13. BImSchV resultierenden Anforderungen. Die zum Einsatz vorgesehenen Techniken und insbesondere primären Maßnahmen zur Vermeidung von Luftschadstoffemissionen werden die Anforderungen der (im Hinblick auf die Beste Verfügbare Technik novellierten, zuletzt 2015 geänderten) 13. BImSchV und TA Luft einhalten. Zudem werden die Abgase der Gasturbine entsprechend den Anforderungen der Nr. 5.5 TA Luft abgeleitet. Die Anlagenkonzeption entspricht im Hinblick auf die Vermeidung und Minimierung der Emissionen und Immissionen von Luftschadstoffen demzufolge dem normativ durch 13. BImSchV und TA Luft beschriebenen Stand der Technik. Zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe werden im Gaskraftwerk Leipheim in den Gasturbinen fortschrittliche Zwei-Stufen-Hybridbrenner für die Brennstoffe Erdgas und Heizöl als primäre emissionsmindernde Maßnahmen eingesetzt. Der modulare Aufbau der Hybridrenner macht es möglich, in Abhängigkeit des eingesetzten Brennstoffes und der Brennstoffqualität eine Brennerkonfiguration zusammenzustellen, die über einen weiten Leistungsbereich niedrige Schadstoffemissionen (Stickoxid- und Kohlenmonoxidwerte) bei stabiler Verbrennung ermöglicht. Nachfolgend werden der Aufbau und der Betrieb des Zwei-Stufen- Hybridbrenners für die Brennstoffe Erdgas und Heizöl beschrieben: 1.2.1 Zwei-Stufen-Hybridbrenner Der Hybridbrenner für SIEMENS Gasturbinen wurde für die Brennstoffe Erdgas und Heizöl entwickelt und seitdem stetig weiter optimiert. Der Brenner ist komponentenartig aufgebaut und besitzt verschiedene Düsensysteme für die unterschiedlichen Brennstoffe und Betriebsarten. Der Hybridbrenner vereinigt die Vorteile der klassischen Diffusions- und Vormischverbrennung. 1.2.1.1 Aufbau des Zwei-Stufen-Hybridbrenners Eine schematische Darstellung des Zwei-Stufen-Hybridbrenners mit vorgemischtem Pilotgasbrenner zeigt Abbildung 1. Der Hybridbrenner ist konstruktiv aus drei Komponenten modular aufgebaut, die unabhängig voneinander ausgetauscht werden können, so dass eine hohe Servicefreundlichkeit garantiert werden kann. Die drei Hauptkomponenten für Gasturbinen mit Heizgas- und Heizölbetrieb sind der Diffusionsbrenner (vgl. Ziffer 1 14 in Abbildung 1) der Vormischbrenner (15 28) der Heizölbrenner (29 37) Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 4
1.2.1.2 Die Luftzuführung Im Hybridbrenner sind verschiedene Passagen für die Luft- und Brennstoffzufuhr integriert. Zur Flammenstabilisierung wird der den Brenner durchströmenden Luft ein Drall aufgeprägt. Dazu besitzt der Hybridbrenner zwei Drallerzeuger. Der größere Teil der Verbrennungsluft wird über die Luftzufuhr zum Diagonalgitter (16) geleitet. Im Diagonalgitter befinden sich die angestellten Diagonalgitterschaufeln (18), die der Diagonalgitterluft einen Drall aufprägen. Die restliche Verbrennungsluft wird über die Luftzufuhr zum Axialgitter (1) geführt. Im Axialgitter (2) befinden sich ebenfalls angestellte Schaufeln, die der Axialgitterluft einen Drall aufprägen. Die Drallrichtung beider Luftströme ist gleichgerichtet, so dass sie sich am Brenneraustritt wieder vereinigen und gemeinsam in die Brennkammer austreten. 1.2.1.3 Der Heizgasbrenner Für den Heizgasbetrieb verfügt der Brenner über zwei getrennte Brennstoffzuführungen und Brennersysteme: den Vormischgasbrenner (15) den Pilotgasbrenner (9). Über den vorgemischten Pilotgasbrenner (9) wird die Gasturbine gestartet und beschleunigt. Anschließend erfolgt die Zuschaltung des Brennstoffes über den Vormischgasbrenner (15), um eine schadstoffarme Verbrennung im Teil- und Grundlastbereich zu gewährleisten. Der Pilotgasbrenner (9) stabilisiert die Vormischverbrennung über den gesamten Betriebsbereich. 1.2.1.4 Der Heizölbrenner Für den Heizölbetrieb gibt es zwei getrennte Brennstoffzuführungen und Brennersysteme: den zentralen Heizöldiffusionsbrenner (29) die Vormischöldüsen (28) im Diagonalgitterkanal. Die Heizöldüsen haben die Aufgabe, den flüssigen Brennstoff in allen Betriebszuständen zu kleinen Tropfen zu zerstäuben, so dass diese schnell verdampfen und sich eine stabile und emissionsarme Flamme ausbilden kann. Zur Reduktion der Emissionswerte kann außerdem noch Wasser dem Heizöl beigemischt werden (Emulsionsbetrieb). Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 5
1.2.2 Der Heizgasbetrieb mit Erdgas Beim Starten der Gasturbine mit Heizgas erfolgt die Brennstoffzugabe über den vorgemischten Pilotgasbrenner (9). Hierbei wird im Heizgasbetrieb das Heizgas über die Pilotgasdüsen (14) im Axialgitter (2) zugeführt, wo sie sich mit der Verbrennungsluft vermischt. Gezündet wird das vorgemischte Pilotgas durch einen elektrischen Funken, der an der Spitze der Zündelektroden (7) erzeugt wird. Um eine sichere Zündung zu gewährleisten, steht der Zündfunke während der gesamten Zünddauer an. Nach erfolgter Zündung werden die Zünder abgeschaltet. Noch vor Erreichen der Nenndrehzahl wird in den Vormischbetrieb umgeschaltet. Dazu wird der Brennstoff über die Vormischgasdüsen (26) und Pilotgasdüsen (14) zugegeben. Im Heizgasvormischbetrieb tritt das Gas über die Vormischgasdüsen (26) in den Diagonalgitterschaufeln (18) in die Verbrennungsluft aus und mischt sich mit dieser im Diagonalgitterkanal (20) auf dem Wege zur Verbrennungszone. Der Vormischbetrieb wird zusätzlich stabilisiert durch die Pilotgasflamme, die den Betriebsbereich erweitert. Das Gas gelangt dabei über eine gesonderte Zuleitung zu den Pilotgasdüsen (14), die in den Pilotgasbrenner (9) integriert sind. Der Vormischbetrieb stellt sicher, dass über einen weiten Leistungsbereich bis zur Grundlast der Gasturbine eine schadstoffarme Verbrennung bezüglich der Stickoxidund Kohlenmonoxidemissionen stattfinden kann. 1.2.3 Der Heizölbetrieb Ein direktes Starten der Gasturbine mit Heizöl ist nicht möglich. Deshalb wird Propan oder Erdgas als Hilfsbrennstoff benötigt. Mit dem Hilfsbrennstoff wird der Start analog zum Betrieb mit Heizgas durchgeführt. Die Brennstoffzugabe des Hilfsbrennstoffes erfolgt über den vorgemischten Pilotgasbrenner (9). Hierbei wird der Hilfsbrennstoff über die Pilotgasdüsen (14) im Axialgitter (2) der Verbrennungszone im Brennraum zugeführt, wo er sich mit der Verbrennungsluft vermischt. Gezündet wird der Hilfsbrennstoff durch einen elektrischen Funken, der an der Spitze der Zündelektroden (7) erzeugt wird. Um eine sichere Zündung zu gewährleisten, steht der Zündfunke während der gesamten Zünddauer an. Nach erfolgter Zündung werden die Zünder abgeschaltet. Anschließend erfolgt die Zugabe von Heizöl über den Heizöldiffusionsbrenner. Nachdem das Heizöl gezündet hat, wird noch vor Erreichen der Nenndrehzahl der Hilfsbrennstoff abgeschaltet. Bei weiterer Belastung der Gasturbine erfolgt die Umschaltung vom Heizöldiffusionsbetrieb in den Vormischbetrieb. Dazu wird die Hauptmenge der Brennstoffzufuhr vom Heizöldiffusionsbrenner (29) auf die Vormischöldüsen (28) umgelastet. Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 6
Im Vormischölbetrieb tritt das Heizöl über die Vormischöldüsen (28) in der Diagonalgitternabe (17) in die Verbrennungsluft aus, verdampft und mischt sich mit dieser im Diagonalgitterkanal (20) auf dem Wege zur Verbrennungszone. Der Vormischbetrieb wird zusätzlich stabilisiert durch die Pilotöldiffusionsflamme, die den Betriebsbereich erweitert. Der Vormischbetrieb stellt sicher, dass über einen weiten Leistungsbereich bis zur Grundlast der Gasturbine eine schadstoffarme Verbrennung bezüglich der Stickoxid- und Kohlenmonoxidemissionen stattfinden kann. Zur Reduzierung von Stickoxidemissionen (NOx) kann dem Heizöl im Heizölvormischbetrieb Wasser vor dem Eintritt in den Brenner zugemischt werden. Das Wasser senkt die Flammentemperaturspitzen, so dass die NOx-Bildung verringert wird. Die Eindüsung der Emulsion erfolgt direkt über die Heizöldüsen. Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 7
Diffusionsbrenner (1 14) 1 Luftzufuhr zum Axialgitter 2 Axialgitter 3 Brennerträger 4 Brennerträgerflansch 5 Zünder 6 Zündkerze 7 Zündelektrode 8 Diffusionsgasbrenner 9 Pilotgasbrenner 10 Diffusionsgasanschluss (verschlossen) 11 Diffusionsgaszuführung 12 Diffusionsgasdüsen 13 Pilotgaszuführung 14 Pilotgasdüsen Diffusionsbrenner (15 28) 15 Vormischgasbrenner 16 Luftzufuhr zum Diagonalgitter 17 Diagonalgitternabe 18 Diagonalgitterschaufeln 19 Diagonalgitterkegel 20 Luftaustritt Diagonalgitterkanal 21 CBO (Cylindric Burner Outlet) 22 Vormischgasanschluss 23 Vormischgasschottverschraubung 24 Vormischgaszuführung 25 Vormischgasringverteiler 26 Vormischgasdüsen 27 Vormischölringverteiler 28 Vormischöldüsen Heizölbrenner (29 37) 29 Heizöldiffusionsbrenner 30 Heizölvorlaufanschluss 31 Heizölvorlauf 32 Heizölrücklaufanschluss 33 Heizölrücklauf 34 Heizöldiffusionsdüse 35 Heizölrücklaufnadel 36 Low-NOx-Wasseranschluss 37 Low-NOx-Wasserdüsen Abbildung 1. Schematische Darstellung des Zwei-Stufen-Hybridbrenners mit vorgemischtem Pilotgasbrenner (PMP). Vorgesehene Maßnahmen zur Verminderung von Emissionen luftfremder Stoffe Seite 8