Kombiprozesse Allgemeine Ziele von Entwicklungen in der 1. Stromerzeugungskosten senken 2. Effektivere Anlagen (Ressourcenschonung, sparsamer Umgang mit Primärenergien) 3. Umweltschonende, emissionsarme Technik GuD-Prozesse Eine Kombination von DT- und GT-Systemen bietet sich an, um eine bessere Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit der eingesetzten Brennstoffe zu erzielen. GT: hohe T eintritt (1.100 C), aber auch hohe T ab (550 C) DT: niedrige T eintritt (550 C), T ab = T u = ca. 30 C Gasturbinensysteme sind bereits sehr erfolgreich mit hohem T eintritt (z.b. bei 280 MW, T eintritt 1.100 1.200 C, el = 38 %) trotzdem gilt i.a.: DT > GT Wirkungsgrade - GUD-Prozesse mit Erdgas heute bis 58 % (bei Turbineneintrittstemperaturen von ca. 1.200 C) - GUD mit integrierter Kohlevergasung 43-45 % (heutiger Stand, Ziel der Entwicklung bei über 50 %) ETVT5 Folie 1
Gasturbinen ETVT5 Folie 3
Wirkungsgrade Gasturbinen Leistung 113* 168 208* 292 340 Druckverhältnis 11,8 11,7 17,2 18,2 19,2 Wirkungsgrad 34 34,7 38,1 39,8 40 Quelle: Siemens Datenblatt, * = 60 Hz Technologie ETVT5 Folie 4
Wirkungsgradentwicklung Gasturbinen und Kombikraftwerke ETVT5 Folie 5
Kopplung von Gas- und Dampfturbine Quelle: Wikipedia ETVT5 Folie 6
Prinzip des GuD-Kombiprozesses a: Schaltschema b: T-s-Diagramm c: Sankey-Diagramm ges GT DT P P Q DT GT zu P Q ab P Q DT zu GT P Q GT zu mit 1 P 1 P DT GT GT 1 DT GT DT = Ausnutzungsfaktor der fühlbaren Wärme der Gasturbinenabgase bis ca. 150 C) ETVT5 Folie 7
Schaltungen von Kombiprozessen Kombianlage auf Erdgasbasis mit nachgeschaltetem Dampferzeuger (Eindruckprozess) a: Schaltung b:t-q -Diagramm des Dampferzeugers ETVT5 Folie 8
Brennstoffe für GuD-Prozesse Gase, Heizöle ist Standard Kohle minderer Qualität, Biomasse, Müll, Raffinerierückstande (Schweröl, Asphalt) und sonstige Abfälle: Entwicklung von Vergasungstechnologien Quelle: http://www.energy.siemens.com, Jürgen Karg IGCC-Experience and further developments to meet CCS market needs ETVT5 Folie 10
Schaltungen von Kombiprozessen mit Kohle Beispiel: Druckwirbelschichtverbrennung von Kohle mit Kombiprozess 1: Wirbelschichtreaktor 6: Kondensatpumpe 2: Heißentstaubung 7: Speisewasservorwärmstrecke 3: Gasturbinenanlage 8: Speisewasserbehälter 4: Dampfturbine 9: Kesselspeisepumpe 5: Kondensator 10: Kompressor ETVT5 Folie 11
Quelle: Siemens Power Generation ETVT5 Folie 12
Quelle: Siemens Power Generation ETVT5 Folie 13
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) KWK ist die zeitgleiche Erzeugung mechanischer oder elektrischer Arbeit und Nutzwärme in einer Energiewandlungsanlage. Im Zusammenhang mit der Verpflichtung Deutschlands zur Reduktion der CO 2 -Emissionen und dem allgemeinen Appell zum sparsamen Umgang mit Primärenergieträgern wird dem Ausbau der KWK eine hohe Bedeutung zugemessen. Ein wesentlicher Teil der Primärenergie wird für Raumheizung und Brauchwassererwärmung verwendet. Auch die Industrie hat einen erheblichen Bedarf an Niedertemperaturwärme. Im Allgemeinen gelten Temperaturniveaus bis etwa 500 C (Abgastemperatur von GT-Anlagen) als KWK-fähig. Unterhalb von 500 C liegt ein großer Teil der von der Chemischen Industrie, dem Textilgewerbe und der Nahrungs- und Genussmittelindustrie nachgefragten Wärme. Dagegen liegt die von der Eisenschaffenden Industrie, den Gießereien, der Glas- und Keramikindustrie sowie dem Bereich Steine und Erden benötigte Temperaturbereich teilweise deutlich über 1.000 C. Für die Erzeugung von 1 kwh Niedertemperaturwärme wird bei Vernachlässigung der Kesselverluste auch 1 kwh an Brennstoffenergie benötigt. Allerdings kann mit guter Näherung die Brennstoffenergie (als Heizwert H u gebundene chemische Energie des Brennstoffs) mit der Exergie gleichgesetzt werden. Vernachlässigt man ebenso die (meist geringen) Verluste bei der Wärmeverteilung, so findet man in einem Heiz- bzw. Wärmenutzungssystem nahezu vollständig die Energie des eingesetzten Brennstoffs, nicht jedoch seine Exergie wieder. Bei einer Niedertemperaturheizung mit einer Vorlauftemperatur von 40 C beträgt die Exergie des Heizmediums (Wasser) bei einer Außentemperatur von 5 C noch gerade ca. 11 %. Im Kessel werden also durch die Wärmeübertragung etwa 89 % der Brennstoffexergie vernichtet. Durch KWK kann ein Teil der Exergievernichtung vermieden werden. ETVT5 Folie 14
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Einteilung der Kraft-Wärme-Kopplung Quelle: www.callux.de / Stand 20110519 ETVT5 Folie 17
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Quelle: Eikmeier, Schulz, Krewitt, Nast, EuroHeat & Power, 6/2006 ETVT5 Folie 20
Bewertung der KWK Die wichtigste Kenngröße zur Bewertung von Prozessen der Kraft-Wärme-Kopplung ist neben dem energetischen Nutzungsgrad die Strom/Wärme-Kennziffer. Sie ist definiert als das Verhältnis der elektrischen Leistung P und der Nutzwärme Q, also Ferner gilt für den elektrischen Wirkungsgrad der KWK-Anlagen elkwk. m B P Nutz P Q H u P Q m Da nur zwei der drei dimensionslosen Kenngrößen vorgegeben werden können, berechnet sich die jeweils die 3. Größen unter Berücksichtigung des 1. HS der Thermodynamik mit Nutz elkwk. Im reinen Kondensationsbetrieb geht also bei einem Entnahme-Kondensationskraftwerk und somit der Nutzungsgrad Nutz elkwk (= elkond ). Hohe Stromkennzahlen sind aber kein thermodynamisches Qualitätsmerkmal. B H u, ohne Berücksichtigung von Q. 1 1, wobei 0 Nutz 1 ETVT5 Folie 21
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Kraft-Wärme-Kopplung mit Dampfturbinenschaltungen Während im Falle eines Dampfturbinenprozesses, der nur zur Erzeugung von elektrischer Energie ausgelegt ist, eine möglichst weitgehende Expansion des Dampfes durchgeführt wird (und zwar bis zu einem Gegendruck, welcher durch die Umgebungstemperatur festgelegt wird, z.b. p Kond 0,04 bar und T Kond 30 C), erfolgt im Falle einer Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung die Entspannung des Dampfes nur bis zu einem solchen Gegendruck, der die Abfuhr der Kondensationswärme auf einem für praktische Anwendungen brauchbaren Temperaturniveau erlaubt. Für die Bereitstellung von Heizwärme wäre so eine Expansion bis auf 2 bar entsprechend 120 C oder für die Erzeugung von Prozessdampf für verschiedene industrielle Anwendungen eine Entspannung bis zu 20 bar entsprechend 210 C zweckmäßig (die Dampfdruckkurve des Wassers gibt den Zusammenhang zwischen Kondensationstemperatur und -druck vor). Die Ausbeute an elektrischer Energie bei dieser Prozessführung sinkt zwar, jedoch kann (theoretisch) die gesamte Kondensationswärme, die beim reinen Stromerzeugungsprozess als Abwärme an die Umgebung abgegeben werden muss, als Nutzwärme auf erhöhtem Temperaturniveau gewonnen werden. Bei der Gegendruckschaltung ist ein konstantes Verhältnis von elektrischer Energie zu Nutzwärme vorgegeben. Viele Prozesse erfordern jedoch eine flexible Anpassung dieser beiden Energieformen an die Bedürfnisse der Verbraucher. Bei der Entnahme-Kondensations-Anlage bzw. beim Entnahme-Gegendruck-Prozess sind elektrische Energie und Nutzwärme in weiten Bereichen über Variationen des Entnahmestromes variierbar. ETVT5 Folie 23
Kraft-Wärme-Kopplung, Dampfauskopplung Dampfturbine in KWK: Dampf wird in der Turbine nur soweit entspannt, dass ein für die Anwendung nutzbarer Dampfstrom entsteht, der elektrische Wirkungsgrad ist dadurch etwas niedriger 8 MW Dampfturbine (Siemens) ETVT5 Folie 24
Dampfturbinen in KWK Dampfprozess mit Gegendruckturbine Entnahme-Kondensationsturbine Der Druck ist bestimmt durch das geforderte Temperaturniveau der Prozesswärme, nur geringe Regelungsmöglichkeiten fordern konstanten, ständigen Wärmebedarf Gewünschte Dampfzustände können auch im Teillastbereich eingehalten werden, bei großem Wärmebedarf kann der gesamte Dampf entnommen werden, variabler Stromund Wärmebedarf ist möglich ETVT5 Folie 25
Vergleich Kondensationsanlage mit KWK-Anlage ETVT5 Folie 26
Varianten von Dampfturbinenanlagen zur KWK a: Gegendruckanlage b: Gegendruckanlage mit Drosselund Kondensationsmöglichkeit c: Entnahme-Kondensationsanlage d: Entnahme-Gegendruckanlage Turbinenleistung P T m * h h m m h h 1 2 2 3 Nutzwärmeleistung Q Nutz m * h 2 h 5 Strom - Wärme - Kennziffer P Q T Nutz ( h1 h2 ) (1x )( h2 h3 ) x ( h T ) 2 5 mit dem Entnahmeverhältnis x m * / m ETVT5 Folie 27
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Kraft-Wärme-Kopplung mit Gasturbinenschaltungen Gasturbinenschaltungen lassen sich in besonders vorteilhafter Weise für die gekoppelte Erzeugung einsetzen, da das Turbinenabgas im allgemeinen mit einer Temperatur von 400 C bis 500 C die Gasturbine verlässt (ohne Rekuperator) und somit zur Beheizung eines Nutzwärmeaustauschers genügend große Temperaturdifferenzen zur Verfügung stehen. Für die Strom-Wärme-Kennziffer gilt bei Gasturbinen: Pel ( T3T 4) ( T2T 1) mit m Q Rauchgas / m Luft 1 ( T T ) Nutz 4 5 Auch aus einer mehrstufigen Verdichtergruppe kann Wärme aus Zwischenkühlwärmeaustauschern zumindest für die Bereitstellung von Heizwärme entnommen werden. Auch kombinierte Gas-Dampf- Turbinenprozesse (GuD) lassen sich mit guten energetischen und exergetischen Wirkungsgraden für die Bereitstellung der erwünschten Produkte einsetzen. Der energetische Gesamtnutzungsgrad des eingesetzten Brennstoffs beträgt dann bis zu 80 % und mehr. Neben der Fernheizung ist es in wasserärmeren Ländern vor allem die Meerwasserentsalzung, die im Zusammenhang mit großen Gasturbinenkraftwerken betrieben wird. So können z.b. in einem Gasturbinenkraftwerk mit einer Gesamtleistung von etwa 600 MW täglich 270.000 m 3 Frischwasser erzeugt werden. Die hohe Ausnutzung der Abwärme von etwa 80 % ist möglich, weil die Temperaturen beim Entsalzungsprozess zwischen 30 C und 135 C liegen. Der Wirkungsgrad der Gasturbine sinkt durch den Strömungswiderstand der nachgeschalteten Wärmeaustauscher um etwa 3-5 %. ETVT5 Folie 29
Gasturbinen in der KWK GT mit Wärmerückgewinnung GT, Cheng-cycle oder Steam Injected STIG Wärme des Abgases wird vollständig für Wärmebereitstellung genutzt, ab 30 kw Steigerung der Turbinenleistung, Anpassung an Wärmebedarf möglich, Leistung < 20 MW ETVT5 Folie 30
Gasturbinenschaltung mit KWK Einsatz eines Kombiprozesses zur Strom- und Wärmeversorgung eines Chemiebetriebes mit Zusatzfeuerung im Dampferzeuger und unterschiedlichen Druckstufen zur Anpassung an die Erfordernisse der industriellen Prozesse ETVT5 Folie 31
Einfamilienhaus Strombedarf: 4000 kwh Wärmebedarf: 12500 kwh 23,4 MWh/a 19,4 MWh/a 5000 kg CO2/a 3800 kg CO2/a CO2 Konv. CO2 BZ PE Konv. PE BZ BZ-System aktueller Kraftwerkspark / NT-Kessel Wohnfläche 140 m 2 Spezifischer Wärmebedarf 80 kwh/(m 2 a) (Kraftwerkspark) 40 % Spez. CO 2 -Ausstoß (Kraftwerkspark) 587 g/kwh el (Gastherme) 93 % Spez. CO 2 -Ausstoß (Gastherme) 213 g/kwh th el (Brennstoffzelle) 35 % th (Brennstoffzelle) 45 % Elektrische Leistung (BZ) 1 kw Thermische Leistung (BZ) 1,3 kw ETVT5 Folie 32
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Tageslastgang Strombezug Beispiel Krankenhaus 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 00:15 01:30 02:45 04:00 kw 05:15 06:30 07:45 09:00 10:15 11:30 12:45 14:00 15:15 16:30 17:45 19:00 20:15 21:30 22:45 23:59 Leistung der KWK-Anlage etwa 600 kw (mit entsprechendem Wärmebedarf) Bei sehr hohem Wärmebedarf kann auch eine größe KWK-Anlage wirtschaftlich sein ETVT5 Folie 34
Tageslastgang Strombezug Beispiel Einfamilienhaus KWK Quelle: GWI, Essen ETVT5 Folie 35
Geordnete Jahresdauerlinie - Wärmebedarf Quelle: EnergieAgentur.NRW ETVT5 Folie 36