Ersatzbrennstoffe in der Wärmewirtschaft Fritz Richarts, Fachhochschule - Giessen Harry Wilhelm, Ingenieurbüro Wilhelm (Vortragender) 1 Einleitung Für Deutschland wurde beschlossen, dass ab dem 01.06.2005 nur noch Abfälle abgelagert werden dürfen, die durch eine Behandlung in Bezug auf ihr biologisches und toxisches Reaktionspotenzial weitgehend inertisiert worden sind. Im Prinzip können mit zwei Behandlungsverfahren die gesetzlichen Anforderungen erfüllt werden: thermische Behandlung (Müllverbrennung [MVA]) mechanisch-biologische Behandlung (MBA) in Kombination mit energetischer Verwertung der heizwertreichen Fraktion (Ersatzbrennstoff) Für die heizwertreiche Fraktion wird die Bezeichnung Sekundärbrennstoff oder Ersatzbrennstoff verwendet. Im praktischen Gebrauch hat sich davon Ersatzbrennstoff (EBS) durchgesetzt. Neben der klassische Müllverbrennung in größeren Anlagen, verbunden mit einem Dampfkraftprozess und häufig auch einer partiellen Heizwärmeauskopplung, tritt nun die Option auf eine zielgerichtete, energiebedarfsorientierte Konzeption der Anlagen. Technisch sind Anlagen mit Feuerungsleistungen unter 15 MW möglich. Ob sie wirtschaftlich wettbewerbsfähig sind, hängt von den Rahmenbedingungen ab. Der wirtschaftliche Nutzen der EBS- Anlagen erschöpft sich künftig nicht allein in der Lösung der Entsorgungsaufgabe, sondern wird erweitert um den Erlös aus der erzeugten Endenergie: Wärme oder Elektrizität oder beides. In diesem Beitrag werden die technischen Varianten hinsichtlich der Anlagengröße (Feuerungsleistung) und hinsichtlich der Anlagenkonzeption zur Stromerzeugung oder zur Wärmeerzeugung oder auch zur Kraft-Wärme-Kopplung vorgestellt. Mit Erfüllung der Umweltanforderungen ergeben sich zusätzliche betriebliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen, die auf die hier vorgestellten Konzepte einen nachhaltigen Einfluss haben. Die dynamische Entwicklungen der Energiemärkte (Ölpreis > 70 US Dollar pro Barrel) hat ebenfalls eine starke Wirkung auf die Konzepte, die in naher Zukunft für die Verwendung der Ersatzbrennstoffe gefunden werden müssen. Von besonderem Interesse sind die Erfahrungen mit neuen Anlagen, die seit kurzem in Deutschland betrieben werden. Hierzu wird in diesem Beitrag ein ausführlicher Bericht gegeben.
2 Verknüpfung von Entsorgungs- und Energie(Wärme)wirtschaft Wie kann Ersatzbrennstoff vom Energieversorger prinzipiell eingesetzt werden? Welche Rahmenbedingungen sind vorgegeben? Liegt der Anreiz nur in der Situation, dass er einen negativen Preis in die Kalkulation einsetzen kann, also eine Gutschrift für die Beschaffung (oft als EBS-Zuzahlung bezeichnet) verbuchen kann? Der Energieversorger muss schließlich seinen Prozessablauf sowie die Anlagen entsprechend modifizieren: Er muss ein zusätzliches Abfallregime in seinem Hause installieren, zusätzliche Auflagen des Immissionsschutzes erfüllen, ein zusätzliches Genehmigungsverfahren durchführen, eine evtl. vorhandene Anlage modifizieren bzw. eine neue beschaffen und dies alles muss betriebswirtschaftliche Kriterien erfüllen. Die dafür ergibt sich Motivation aus Sicht der Wärmewirtschaft = Industriebetrieb + Contractor durch Kostendruck Entsorgungswirtschaft = MBA Betreiber durch den gesetzlich vorgeschriebenen Nachweis der Verwertung Daraus resultiert die folgende Arbeitsteilung im Rahmen eines Contracting Modells zwischen Industriebetrieb, Entsorger und Contractor: Der Industriebtrieb führt sein Kerngeschäft und stellt die Wärmesenke. Der Entsorger übernimmt die Logistik der Brennstoffe und der Reststoffe. Der Contractor übernimmt die Projektierung, Finanzierung, Erstellung und Betriebsführung. Verwertung Für die energetische Verwertung von Ersatzbrennstoffen werden Kriterien aus dem BImschV und KrW-/AbfG vorgegeben. Das KrW-/AbfG entscheidet über Beseitigung oder Verwertung.
Bild 1: Gesetzliche Grundlagen für den Einsatz von Ersatzbrennstoffen [ 1 ]
3 Grundsätze zur Planung, Begriffe, Leistungen, Wirkungsgrade 3.1 Planungsgrundsätze unter Beachtung der Hochtemperaturchlorkorrosion Erst seit Mitte des vorigen Jahrhunderts wird in Deutschland die energetische Verwertung von Haus- und Siedlungsabfällen in Müllheiz- und Müllheizkraftwerken (MHKW) in den heute bekannten Größenordnungen betrieben. Aus dieser bald 50-jährigen Betriebserfahrung stammt die Erkenntnis, dass im Rauchgas befindliche Chloride den Kesselanlagen durch Korrosion schwere Schäden zufügen können. Vornehmliche Ziele der Hochtemperaturchlorkorrosion sind erfahrungsgemäß Flächen an Verdampfer und Überhitzer. Hier lagern sich bevorzugt Rauchgasaschen und Aschebeläge an. Schäden an diesen hochwertigen Bauteilen haben empfindliche wirtschaftliche Auswirkungen auf Instandhaltungskosten, Verfügbarkeiten und damit Gesamtwirtschaftlichkeit der Feuerungsanlage. Aus diversen Untersuchungen ist zu entnehmen, dass für den beobachteten Schadensmechanismus nicht nur die Schwermetallsalzkonzentration sondern auch das Temperaturfenster von ca. 300 bis 500 C den Schadensfall auslöst und fördert. Um diese einschlägigen Schäden zu vermeiden, muss dieses Temperaturfenster ausgeblendet werden. Das läuft auf eine Begrenzung der Dampfparameter hinaus. Im Klartext bedeutet dies eine Begrenzung der Frischdampftemperatur auf Werte weit unter 300 C. Das ist der Stromerzeugung abträglich. Die Schadensvermeidung zwingt also zur kritischen Betrachtung der Stromerzeugung einerseits und zur Einbeziehung einer wärmewirtschaftlichen Komponente in das Gesamtkonzept andererseits. Schließlich ist Wärme auch Energie, und die Erzeugung von Prozesswärme aus Ersatzbrennstoffen auch eine energetische Verwertung im Sinne des Gesetzes. Hier ergibt sich also ein Optimierungspotential, auf das nachfolgend näher eingegangen werden soll.
3.2 Dampfparameter und Anlagenverfügbarkeit im Vergleich zu den Regelbrennstoffen Im Vergleich zu den Regelbrennstoffen (Kohle, Öl, Gas) wird bei Ersatzbrennstoffen die Wahl der Dampfparameter, die Verfügbarkeit der Wärmeleistung und die Betriebsweise und nachhaltig eingeschränkt. Ursachen für diese Einschränkungen sind Veränderungen feuerungstechnischer Kennwerte wie Leistung, Verbrennungstemperatur und ESBspezifische Verbrennungsprodukte und Rückstände (Flugasche und Schlacke) mit massiven Auswirkungen auf den Betrieb, die Standzeit, die Verfügbarkeit und die Kosten. Bild 2 Auswirkungen des Einsatzes von Ersatzbrennstoffen auf den Betrieb, die Standzeit, die Verfügbarkeit und die Kosten der Feuerungsablage [ 2 ]
3.3 Leistung und Wirkungsgrade Die energetischen Verwertung von Müll in MVA erfolgt durch Stromauskopplung. Die Wirkungsgrade liegen im Mittel bei: Reine Stromauskopplung 15 % Stromauskopplung in Kraft Wärme Kopplung 10 % Stromauskopplung bei gleichzeitiger Prozessdampfauskopplung 11 % (Zahlenwerte bezogen auf die Stromausbeute) 3.4 Festlegung der Energieform oder Entscheidung für die Technik aus Sicht der Energiewirtschaft Auch bei einem Baseload von 45,- Euro/MWh Elektroenergie (Stand 31.08.2005), sollte der Gaspreis von 27 Euro/ MWh (ebenfalls Stand 31.08.2005) mit in die Entscheidung einbezogen werden.
4 Technische Energiekonzepte, Planung und Aufbau der Systeme 4.1 Planung und Aufbau der Systeme 4.1.1 Stromorientierte Verwertung Die Auswahl der Dampferzeugerparameter erfolgte in Anlehnung an die bereits ausgeführte Technik der MVA s mit den bekannten Schadensrisiken durch Heißgas- Korrosion. Sie resultiert aus der stromorientierten energetischen Verwertung. Dampfturbine EBS HD-Kessel Reduzier - station Verbraucher LuKo 40 bar, 400 C 50 % 5 0 % Wärmeschaltbild EBS-Industriekraftwerk Heißdampf-Variante 40 bar, 400 C 15.08.2005 Trumpler IB Wilhelm, Dresdener Str. 12, 35444 Biebertal, Tel: 06409-808922 Bild 3: Variante 1 MVA; Parameter: 400 C, 40 bar Investitionen: Dampferzeuger + Rost 14,0 Mio. Abgasreinigung 3,8 Mio. Turbine, Kond., Trasse 4,2 Mio. Verfügbarkeit: Werden 7500 h/a garantiert??
3.400 3.200 3.215,4 Enthalpie (kj/kg) 3.000 2.800 2.600 2.400 2.467,2 2.200 2.217,8 2.000 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 Entropie (kj/kgk) Bild 4: Expansionsverlauf des Dampfes im h-s-diagramm bei der stromorientierten Verwertung Energieverlust Rauchgas nach Kessel 4 MW EBS 7,8 t/h, 12,5 MJ/kg FWL = 27 MW Thermische Rest(Ersatz)stoffbehandlung mit Abhitzekessel Dampf 400 C / 40 bar 30 t/h / 23 MW Dampfturbine mit Generator Stromeinspeisung bei Null-Entnahme: 6,6 MWel (reiner Kond.-Betrieb) Dampf Eigenbedarf für Rußbläser u.ä. 1,2 t/h / 0,9 MW Prozessdampf bei max. Entnahme: 18 MWth und 1,7 MWel Dampf Eigenbedarf SPW-Vorwärmung 2 t/h / 1,5 MW Strom Eigenbedarf 1,1 MW Energieverluste Sonstige 1 MW Energie- und Massenströme EBS-Industriekraftwerk 15.08.2005 Trumpler IB Wilhelm, Dresdener Str. 12, 35444 Biebertal Tel: 06409-808922 Bild 5: Die Energieströme im Überblick
4.1.2 Wärmeorientierte Verwertung: Prozessdampf und Stromproduktion im Bypass Dampfturbine min. 8 t/h max. 38 t/h Verbraucher EBS Sattdampf- Kessel Reduzier - station LuKo 50 % 50 % 22 bar, 240 C Dampfturbine Abwärmenutzung des anfallenden Dampfes über Kondensationsturbine anstatt Leistungsbegrenzung /-regelung des Dampferzeugers Wärmeschaltbild EBS-Industriekraftwerk Sattdampf-Variante 22 bar, 240 C 15.08.2005 Trumpler IB Wilhelm, Dresdener Str. 12, 35444 Biebertal, Tel: 06409-808922 Bild 6: Variante 2 EBS-Verbrennung, wärmegeführt (Prozessdampf), Parameter: 240 C, 2 bar Investitionen: Dampferzeuger + Rost 10,0 Mio. Abgasreinigung 3,8 Mio. Turbine, Kond., Trasse 2,1 Mio. Verfügbarkeit: Werden 8000 h/a garantiert??
3.400 3.200 Enthalpie (kj/kg) 3.000 2.865,8 2.800 2.600 2.400 2.308,3 2.200 2.105,7 2.000 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 Entropie (kj/kgk) Bild 7: Expansionsverlauf des Dampfes im h-s-diagramm bei der wärmeorientierten Verwertung Energieverlust Rauchgas nach Kessel 4 MW EBS 7,8 t/h, 12,5 MJ/kg FWL = 27 MW Thermische Rest(Ersatz)stoffbehandlung mit Abhitzekessel Dampf 220 C / 22 bar 35 t/h / 23 MW Dampfturbine mit Generator max. 30 t/h Stromeinspeisung bei Null-Wärmebedarf: 2,9 MWel (reiner Kond.-Betrieb) Dampf Eigenbedarf für Rußbläser u.ä. 1,2 t/h / 0,9 MW Prozessdampf bei max. Wärmebedarf: 20 MWth und 0,3 MWel Dampf Eigenbedarf SPW-Vorwärmung 2 t/h / 1,5 MW Strom Eigenbedarf 1,1 MW bei max. Wärmebedarf 0,8 MW aus EVU-Netz! Energieverluste Sonstige 1 MW Energie- und Massenströme EBS-Industriekraftwerk 15.08.2005 Trumpler IB Wilhelm, Dresdener Str. 12, 35444 Biebertal Tel: 06409-808922 Bild 8: Die Energieströme im Überblick
4.2 Ausblick auf Kosten und Erträge Auf die Kostensituation der Variante 1 (stromorientierte Verwertung) wird hier nicht weiter eingegangen, da in Anbetracht der bereits erwähnten derzeitigen Stromgutschrift (40 bis 50 EUR/MWh) und der eingeschränkten Verfügbarkeit eine Wirtschaftlichkeit der Anlage kaum erwartet werden kann. Dagegen eröffnet die Orientierung auf den Wärmemarkt der energetischen Verwertung von EBS eine gute wirtschaftliche Perspektive. Hier wird aus der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der spezifische Kostensatz für die an den Industriebetrieb abgegebene Wärme in Form von Prozessdampf ermittelt, es werden also die Restkosten für die erzeugte Wärme bestimmt. Der hier ermittelte Kostensatz zeigt, dass EBS in der Wärmewirtschaft eine Perspektive hat, die auch bei geringeren Zuzahlungssätzen nicht grundlegend verändert wird. Investition Mio. 15,9 Kostenrechnung Kapitaldienst (12 Jahre, 6,5 % Zinsen, a = 10,64 % p.a.) /a 1.950.000 Brennstoffkosten (Heizöl für Reservebetrieb) /a 150.000 Harnstoff (Entstickung) /a 70.000 Sorbens (Rauchgasreinigung) /a 350.000 Schlackeentsorgung /a 130.000 Ascheentsorgung /a 150.000 Eigenstrombedarf (75 /MWh, 6000 MWh/a) /a 450.000 Personalkosten (9 MA, je 40.000 /a) /a 360.000 Wartung (24% Inv.) /a 640.000 Verwaltung/Versicherung (pauschal) /a 150.000 Gesamtkosten /a 4.400.000 Erlöse EBS-Zuzahlung (50 /t, 54.000 t/a) /a 2.700.000 Stromverkauf (40 /MWh, 3500 MWh/a) /a 140.000 Summe Erlöse (EBS-Zuzahlung u. Stromverkauf) /a 2.840.000 Restkosten für Wärme /a 1.560.000 Spezifische Kosten (Wärmeabgabe 154.000 MWh/a) /MWh 10,1 entsprechend ca. /t Dampf 7,1 Tabelle 1: Spezifische Wärmeerzeugungskosten bei konsequent wärmeorientierter Auslegung der Anlage gemäß Variante 2
5 Zeitmanagement Zeitmanagement Gesamtanlagenabwicklung Konzeptplanung 12 Monate Genehmigungsplanung 7 Monate Ausführungsplanung 6 Monate Errichtung /Bauphase 15 Monate 6 12 18 24 30 36 Monate Bild 10: Zeitplan für die Vorbereitung und Umsetzung eines EBS-Projektes Der hier dargestellte zeitliche Ablauf stellt eine optimistische Vorschau dar. Erfahrungsgemäß kann sich bei der hier mit 7 Monaten vorgesehenen Genehmigungsplanung leicht eine Verzögerung von mehreren Monaten auf Grund von Einsprüchen ergeben. 7 Zusammenfassung und Abschlussdiskussion Es ist technisch weitaus einfacher, EBS im Wärmemarkt als für die Stromerzeugung einzusetzen. In Müllkraftwerken ist das Korrosionsproblem die technisch und wirtschaftlich begrenzende Größe. Bei Verzicht auf eine stromorientierte Auslegung wird dem Korrosionsproblem die Schärfe genommen. Eine stromorientierte Komponente (sozusagen im Bypass) ist aber auch dabei sinnvoll. Sie ist eine Maßnahme zur Sicherstellung der Entsorgungsaufgabe für den Fall, dass die Wärmeabnahme stockt, sie verhindert, dass die Feuerung in einen Teillastbetrieb reduziert werden muss, was der Lebensdauer, der Verfügbarkeit und auch der Erfüllung der Entsorgungsaufgabe abträglich wäre. Die Wirtschaftlichkeit dieser Lösung steht außer Frage. 8 Literatur [ 1 ] Wilhelm, H: Diplomarbeit an der Fachhochschule Giessen-Frieberg, Fachbereich MMEW, Juni 2005 [ 2 ] Seeger, H.: Dissertation Universität Kassel, 2004 Kontaktinformation: Dipl.-Ingenieur (FH) Harry Wilhelm Ingenieurbüro Wilhelm Dresdener Str.12 35444 Biebertal Web: h.wilhelm@ibwilhelm.de