Presse-Information 16. Mai 2012 Kehricht erzeugt Strom und Wärme Neues Leitsystem für das KHKW Hagenholz Das Kehrichtheizkraftwerk (KHKW) Hagenholz in Zürich-Oerlikon wurde in den letzten 10 Jahren umfassend erneuert. Zwei neue Verbrennungslinien und eine Energiezentrale mit Dampfturbine waren die wichtigsten Teilprojekte. Ein modernes Leitsystem verbindet die Gewerke und unterstützt die Operateure. Fällt das Stichwort erneuerbare Energie, denkt man sofort an Solaranlagen auf den Dächern oder an Windkraftwerke im Jura. Aber Kehrrichtverbrennungsanlagen? Jawohl, auch diese werden den erneuerbaren Energien zugerechnet, da der Abfall zu einem hohen Anteil aus Biomasse besteht. Und der Beitrag der Kehrichtverbrennungsanlagen ist nicht unwesentlich, sowohl bei der Wärmeals auch bei der Stromproduktion: Der Schweizer Strommix besteht neben 55% Wasser- und 43% Atomkraft aus 2% neuen erneuerbaren Energien. Ein Grossteil davon, nämlich 1,5%, wird von Kehrichtverbrennungsanlagen produziert. Im Vergleich dazu tragen die 0,13% der Photovoltaik und die 0,06% der Windräder um Faktoren weniger zur nachhaltigen Stromproduktion bei. Fernwärme und Strom Der Abfall der Stadt Zürich und einigen angrenzenden Gemeinden wird im Kehrichtheizkraftwerk Hagenholz verwertet. Die Anlage wurde in den letzten 10 Jahren komplett modernisiert: Mit einer thermischen Leistung von 84 statt wie bisher 59 Megawatt heizt sie über das Fernwärmenetz diverse Gebäude in Zürich-Nord und liefert heissen Prozessdampf an die Universität oder an Wäschereien. Die ökologische Fernwärme versorgt umgerechnet 80 000 Wohnungen. Daneben produziert eine Dampfturbine mit einer Leistung von 17 Megawatt Strom. Im Rahmen der Modernisierung wurde die Leistung der Turbine mehr als verdoppelt. Insgesamt verwertet die Anlage heute 70% der Energie, die im Abfall steckt.
2 Neues Leitsystem Damit der Wirkungsgrad hoch gehalten werden kann, ist das Leitsystem wesentlich. Es steuert die Anlage im optimalen Betriebspunkt. Denn die Menge und die Qualität des Abfalls ändern sich ständig, ebenso der Wärmebedarf der Gebäude, die über das Fernwärmenetz eingebunden sind. Dabei deckt das Hagenholz nicht den gesamten Wärmebedarf ab, vor allem im Winter reicht die Abfallverbrennung nicht aus. Dann liefert das Holzheizkraftwerk Aubrugg zusätzliche Wärme. Hier werden die Öfen mit Holzschnitzeln aus der Forstwirtschaft des Kantons Zürich gefeuert. Das Holzheizkaftwerk wurde 2010 in Betrieb genommen, also etwa zur selben Zeit wie die neuen Anlagen im Hagenholz. Es wurde darauf geachtet, dass die Leitsysteme miteinander kommunizieren können. Sowohl im Hagenholz als auch in Aubrugg wurde deshalb das Prozessleitsystem SPPA-T3000 von Siemens installiert. Dieses Prozessleitsystem ist für Gaskraftwerke mit Leistungen von einigen hundert Megawatt vorgesehen. Das Kehrichtheizkraftwerk mit 17 Megawatt elektrischer Leistung scheint auf den ersten Blick klein für eine solch leistungsfähige Software. Betrachtet man aber die Funktionen, die im Hagenholz genutzt werden, kann die Anlage mit einem stattlichen Gaskraftwerk mithalten: Das KHKW muss mit dem Holzheizkraftwerk koordiniert werden, damit im Fernwärmeverbund kein Haus kalt bleibt. Und das, obwohl die Leistung stark vom Abfall abhängt, der gerade angeliefert wurde. Die Zufuhr des Abfalls in die Öfen kann nicht so schnell geregelt werden wie ein Gaskraftwerk. Kommt hinzu, dass an kalten Wintertagen gas- oder ölbetriebene Heizkessel das Netz punktuell unterstützen, um die Spitzen abzudecken. Diese Heizkessel werden ebenfalls über das Prozessleitsystem gesteuert. Und nicht zuletzt optimiert das System jederzeit die Energiebilanz, ob nun eher Strom, Dampf oder Fernwärme produziert werden soll. Grossbildschirm im Leitstand Für die Operateure im Leitstand ist wichtig, dass sie jederzeit die Übersicht haben. Auf einem Grossbildschirm sehen sie das Anlagenbild mit den wichtigsten Kennwerten und können auf Knopfdruck einzelne Detailbilder zuschalten. Wenn es nötig ist, kann das Leitsystem sogar auf einem beliebigen PC in der KVA angezeigt werden, da sich das T3000 auf verbreitete Internettechnologie stützt. Die Daten werden über TCP/IP kommuniziert und in einem einfachen Webbrowser auf dem PC angezeigt. Lediglich der Applikationsserver läuft auf einem leistungsstarken Rechner.
3 Haushalte liefern Brennstoff Der Brennstoff des KHKW Hagenholz ist der Abfall: Die Züri-Säcke aus den Containern am Strassenrand. Auch Betriebskehricht wird angeliefert. Eine Tonne Abfall entspricht dem Heizwert von rund 300 Litern Heizöl. Der 85 Meter lange und 25 Meter tiefe Abfallbunker, in dem der Kehricht zwischengelagert wird, ist also ein grosser Brennstofftank. Damit die Verbrennung möglichst kontinuierlich abläuft, wird hier der Abfall vermischt, damit der Brennwert ausgeglichen wird. Ein Kran verteilt den Abfall im Bunker. Dabei sitzt der Kranführer wie ein Astronaut in einem Sitz mit diversen Joysticks. Durch eine grosse Glasfront sieht er in den Abfallbunker. Feuer im Bunker Manchmal kommt es vor, dass der Abfall bereits im Bunker zu brennen beginnt, weil jemand heisse Asche oder anderen, leicht entzündlichen Müll im Abfallsack entsorgte. Oder im Shredder, der sperrigen Abfall verkleinert, entstehen Funken. Solch ein Brand kann sich im Abfallbunker rasch ausdehnen. Der Abfall wird deshalb von Infrarotkameras überwacht. Im Notfall können einzelne Sektoren mit Wasser oder Schaum gelöscht werden. Der Arbeitsplatz des Kranführers ist nur zu normalen Betriebszeiten besetzt. Die übrige Zeit füllt der Kran autonom die Zuführtrichter der Verbrennungsöfen, die rund um die Uhr in Betrieb sind. Die Öfen verbrennen dabei nur Abfall, es braucht keine zusätzlichen Brennstoffe. Geregelt wird die Verbrennung über die Luft- und Abfallzufuhr. Die Operateure überwachen dabei im Leitstand die Vorgänge. Eingreifen müssen sie selten, denn die beiden Verbrennungslinien werden über autonome SPS-Steuerungen aus der S7-400-Reihe von Siemens gesteuert. Da der Kehricht über eine Stunde im Brennraum liegt, bis er vollständig verbrannt ist, kann die Leistung nur sehr träge über die Abfallzufuhr geregelt werden. Wesentlich schneller wird sie über die Sauerstoffzufuhr gesteuert. Optimal ist ein Sauerstoffanteil von 9% in den Abgasen. Hat es zu wenig Sauerstoff darin, ist es zu heiss im Verbrennungsraum und die Steuerung verringert die Luftzufuhr. Hat es mehr Sauerstoff im Abgas, ist das Feuer zu kalt und das Feuer wird mit zusätzlicher Luft angefacht. Die richtige Temperatur ist deshalb entscheidend, weil bei einer zu tiefen Temperatur der Abfall nicht vollständig verbrennt, und umgekehrt entsteht bei hohen Temperaturen zu viel Stickoxid.
4 Mitten im Wohnquartier Die Schadstoffe müssen nicht nur wegen der Luftreinhalteverordnung eingehalten werden. Das KHKW steht mitten im Wohnquartier Hagenholz, das hier über die Jahre gewachsen ist. Lärm- oder Geruchsbelästigungen werden deshalb womöglich vermieden. Damit der Abfall nicht stinkt, wird beispielsweise die Luft für die Öfen aus dem Abfallbunker gesogen. Es besteht ein ständiger Unterdruck. Und nach dem Feuerraum werden die Abgase gründlich gefiltert. Zuerst durchlaufen sie aber einen mehrstufigen Kesselzug, wo die Wärme entzogen und in Dampf umgewandelt wird. Der 400 C heisse Dampf mit einem Druck von 40 bar wird in die Turbine in der Energiezentrale geleitet, einem Gebäude nebenan. Die Turbine erzeugt elektrische Energie, die ins Mittelspannungsnetz der Stadtwerke eingespiesen wird. Jährlich werden so 100 GWh Strom erzeugt, womit 30 000 Haushalte versorgt werden können. Integration ins gemeinsame Leitsystem Eine Herausforderung für die Ingenieure von Siemens war die Integration der verschiedenen Gewerke in das Prozessleitsystem. Zwar sind die Steuerungen der Öfen wie auch diejenige der Turbine jeweils eine S7-400 von Siemens, sie stammen aber aus den unterschiedlichen Entwicklungsumgebungen der jeweiligen Firmen und teilweise sogar aus verschiedenen Generationen, da die Verbrennungslinien und die Energiezentrale nicht zur selben Zeit gebaut wurden. Daneben mussten die Daten der Heizzentrale Aubrugg integriert werden wie auch die Ansteuerung der Mittelspannungsschaltzentrale im Hagenholz. Schliesslich gelang es den Ingenieuren, alle Gewerke einzubinden. Wir sind sehr zufrieden, die Anlage läuft stabil und wir erreichen einen hohen Wirkungsgrad, sagt Erich Züst, bei Entsorgung und Recycling Zürich (ERZ) für den Umbau verantwortlich. Die Entwicklungs-Ingenieure arbeiten an einem separaten Pult direkt neben den Operateuren im Leitstand. Züst war die Nähe der Ingenieure zu den Operateuren wichtig. Aber auch die Software des Leitsystems unterstützt die Entwickler: Um die Projektierung zu vereinfachen, sind beim T3000 das Anlagenbild und der Funktionsplan identisch, die Topologie muss nur einmal erstellt werden. Und sollte eine neue Version des Projekts einen Fehler beinhalten, gibt es eine einfache Undo-Funktion auf die letzte, stabile Version. Wichtig ist natürlich bei Kraftwerken, dass die Software jederzeit im Betrieb geändert werden kann, ohne dass die Anlage heruntergefahren werden muss. Dies würde bei einer Kehrichtverbrennungsanlage nicht nur lange dauern, sondern auch teuer zu stehen kommen, da während dieser Zeit kein Kehricht verbrannt und keine Energie verkauft werden kann.
5 Wenig Probleme bereitete den Ingenieuren die Integration der Mittelspannungs-Anlage in das Prozessleitsystem. Bei Schaltanlagen hat sich das Kommunikationsprotokoll IEC-61850 durchgesetzt, worüber die Anlage eingebunden wurde. Dazu war lediglich das Softwarepaket E3000 für das Prozessleitsystem notwendig. Die Heizzentrale Aubrugg war ebenfalls kein Problem, da hier wie im Hagenholz das Prozessleitsystem T3000 von Siemens eingesetzt wurde. Abgas reinigen Neben der Übersicht über die Verbrennungslinien zeigen die Bildschirme im Leitstand die aktuellen Abgaswerte am Kamin. Die Grenzwerte, die eingehalten werden müssen, lassen sich vergleichen mit den Abgaswerten moderner Autos, obwohl im KHKW nicht sauberes Benzin, sondern Müll verbrannt wird: In einem Kubikmeter Abgas dürfen maximal 10 Milligramm Feinstaub sein in einem Auto sind es 5 Milligramm pro Kilometer Fahrt. Beim Stickoxid liegt der Grenzwert im Hagenholz bei 70 Milligramm pro Kubikmeter, für die Autos sind es 60 Milligramm pro Kilometer. Um solch saubere Abgase zu erreichen, wird das Rauchgas, das in den Verbrennungslinien entsteht, über mehrstufige Filter gereinigt. Ein Elektrofilter entfernt zuerst die Staubpartikel: Metallplatten unter Spannung ziehen die Partikel statisch an. Der Staub, der nun an den Platten haftet, wird regelmässig abgeklopft und entsorgt. Danach wird das Stickoxid entfernt, indem Ammoniak in das Rauchgas eingespritzt wird. Das Ammoniak reagiert zusammen mit Stickoxid und wird zu ungiftigem Stickstoff und Wasser. Ein Katalysator wie in einem PKW beschleunigt die Reaktion. Weitere giftige Stoffe wie Dioxine werden über eine Kohleeindüsung adsorbiert. Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff, Schwefeldioxid und Quecksilber werden aus dem Rauchgas gewaschen: Wasser wird dazu in das Rauchgas gespritzt. Auch die Schwermetalle kondensieren hier zu Aerosolen, die abgeschieden werden. Eigenverbrauch gedeckt Das Rauchgas enthält nun praktisch nur noch Wasserdampf und CO2, abgesehen natürlich von Sauerstoff und Stickstoff, woraus unsere Atmosphäre zum grössten Teil besteht. Die Abgasreinigung hat aber ihren Preis: Die Luft muss regelrecht durch die Filter gesogen werden. Kräftige Gebläse sind dazu installiert, die entsprechend elektrische Energie verbrauchen. Wenn also das Bild im Kontrollraum anzeigt, dass die Turbine 14 Megawatt elektrischen Strom produziert, verbraucht die Kehrichtverbrennungsanlage 3 Megawatt davon für sich selbst. Die restlichen 11 Megawatt werden in das Netz der Stadtwerke eingespiesen.
6 Entsorgung und Recycling Zürich ERZ ERZ ist verantwortlich für ein sauberes Zürich und produziert ökologischen Strom sowie Fernwärme, die als Zürich-Wärme verkauft wird. ERZ ist damit ein grosser Dienstleister im Bereich der städtischen Infrastruktur. Dazu gehört das Abführen und Entsorgen des Abfalls, die Kanalisation inklusive Kläranlage und auch die Reinigung der Strassen. Wenn im Winter Schnee fällt, ist ERZ verantwortlich für den Räumungsdienst. Die wichtigsten Standorte von ERZ sind das Kehrichtheizkraftwerk Hagenholz und die Kläranlage Werdhölzli. Die Presse-Informationen sind auch im Internet abrufbar unter www.siemens.ch/presse