Inserat
umwelttechnik
& ingenieure
GmbH
Energetische Bewertung der Bioabfallverwertung – Nutzung der Biomasse unter den veränderten Rahmenbedingungen
innerhalb der Energiewende –
Nils Oldhafer
1. Einführung ...772
1.1. Energiemarkt im Wandel ...772
1.2. Stromerzeugung 2030 ...775
2. Wirkungsgradoptimierungen für Biomasseheizkraftwerke ...776
2.1. Rahmenbedingungen ...776
2.2. Der Brennstoff Biomasse ...776
2.3. Abwärmenutzung, Kessel und Turbine ...778
2.4. Optimierungspotenziale – Vergleich zu einem modernen Kohlekraftwerk ...779
2.5. Übersicht über die Wirkungsgradverbesserungen bei Dampfkraftwerken ...780
2.6. Vergleich der Maßnahmen auf ihre Übertragbarkeit auf Biomassefeuerungsanlagen ...781
2.7. Zwischenfazit – Wirkungsgradsteigerungen für Biomassefeuerungsanlagen ...785
3. Druckluftspeicherkraftwerk in Kombination mit einem Biomassekraftwerk zur Bereitstellung von Regel-, Lastspitzen- und Grundlaststrom ...785
3.1. Grundidee und Anwendungsmöglichkeiten ...786
3.2. Der Druckluftspeicher ...787
3.3. Auswertung der Simulationsergebnisse ...788
3.4 Allgemeine Aspekte ...788
3.5. Leistung ...789
3.6. Vor- und Nachteile der Kraftwerkskombination ...790
4. Zusammenfassung ...791
5. Literatur ...791
1. Einführung
Der nachfolgende Beitrag wird die energetische Bewertung von Abfallbiomasse von zwei Sichtweisen betrachten.
Zum einen die immer wieder notwendige Hinterfragung der möglichen Steigerungs- raten des anlagentechnischen Wirkungsgrades. Dies wird teilweise leider vor dem Hintergrund der optimalen Anpassung an die Förderrichtlinien des erneuerbaren Energiegesetzes, vielfach nicht mit dem notwendigen Nachdruck betrieben.
Zweitens aus der Sichtweise der notwendigen Veränderung von Energieerzeugungs- anlagen im Rahmen der Energiewende. Hier wird anhand eines technischen Beispiels aufgezeigt wie ein, im Regelfall in der Grundlast betriebenes, Biomasseheizkraftwerk negative und positive Speicherenergie bereitstellen kann.
Einführend zunächst drei Thesen, die aus unserer Sicht in Zukunft grundsätzlich für Energieerzeugungsanlagen im erneuerbaren Energiebereich gelten sollten:
These 1: Die Biomasseverwertung und die daraus entstandenen Energieerzeugungsanlagen arbeiten in der Grundlast. Diese grundlastfähigen Anlagen müssen zukünftig netzentlas- tend wirksam sein, als auch Regelenergie bereitstellen können.
These 2: Die Erzeugungsanlagen Biomassevergärung und Biomasseheizkraftwerke müssen aufgrund der Anforderungen des volatilen erneuerbaren Energiemarktes ein schnelleres Laständerungsverhalten in einem deutlich erweiterten Leistungsbereich zwischen max.
und min. Leistung einer Anlage erreichen.
These 3: Ergänzend zu den ersten beiden Thesen, sollten entsprechende Primär- oder Sekundärspeicher errichtet werden.
1.1. Energiemarkt im Wandel
Die nachfolgend abgebildete Schere zeigt wie diese sich unweigerlich bei der Erzeugung aus erneuerbaren Energien und konventioneller Energie weiter öffnet.
Zunehmende volatile Einspeisung durch Zubau EE Wegfall gesi- cherter Leistung durch immer weniger konventio- nelle Kraftwerke
2000 2010 2020 2030
Wie kann zukünftig der Systembetrieb sichergestellt werden?
Bild 1:
Schere zwischen Erzeugung EE und konventionell
Schon seit einigen Jahren verzeichnen wir einen deutlich veränderten Stromerzeu- gungsverlauf, insbesondere in sonnenstarken und windstarken Tages- oder Jahres- zeiten. Die nachfolgende Grafik zeigt am Beispiel des 22. Februar 2012, wie an einem sonnenreichen Februartag die typischerweise über viele Jahre vorhandene Mittagsspitze zu einer Mittagsdelle sich wird, die sogenannte Solardelle. Gleichzeitig bildet sich über die Mittagszeit mit etwas Zeitverzug eine negative Preisdelle aus, die ebenfalls im Bild dargestellt ist.
Leistung MW 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 10.000 0
EUR/MWh 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Solar
Wind
Konventionelle Erzeugungseinheit > 100 MW
00:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007:0008:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00 Mittwoch, 22.02.2012
Bild 2: Stromerzeugung heute (Beispiel Solardelle)
Quelle: EEX-Transparenzplattform
Dieser Sachverhalt macht anschaulich, dass die Volatilität, die in den nächsten Jahren noch stark zunehmen wird, entweder unmittelbar den Einsatz von Speichertechno- logien erforderlich macht, oder aber der konventionelle Kraftwerkspark als auch die grundlastfähigen erneuerbaren Energien in ihrem Erzeugungsverhalten angepasst werden müssen.
Eine ähnliche Aussage bietet über einen längeren Zeitraum das Bild 4, die den Ver- lauf von Wind und PV-Einspeisung zwischen dem 28.05. und 04.06.2012 darstellt, auch hier erkennen wir die große Schwankungen bei der Energieerzeugung und die Notwendigkeit der Bereithaltung von konventionellen/grundlastfähigen Ener- gieträgern, die im Falle des weitgehenden Ausfalls von Wind oder Photovoltaik die Lücke schließen.
Bild 3:
Verlauf Wind/PV Einspeisung SH 28.05. – 04.06.2012
Quelle: TENNET
Szenario 2011 A Jährliche Investitionen
Millionen EUR(2009)/a 35.000
30.000
25.000
20.000
15.000
10.000
5.000
0
Wasser Wind Foto-
voltaik Biomasse
Strom Erdwärme
Strom Europ.
Strom- verbund
Biomasse Wärme Solar-
wärme Erdwärme, Wärme- pumpen
H2-Elektrolyse
200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020 2030204020502060
Bild 4: Jährliches Investitionsvolumen in EE Technologien (Strom/Wärme)
Quelle: Leitstudie BMU – FKZ 03MAP146 Leistung
MW 2.000 1.500 1.000 500 0 -500 -1.000 -1.500
resultierende Last
Wind PV
28.5.12 29.5.12 30.5.12 31.5.12 1.6.12 2.6.12 3.6.12 4.6.12
1.2. Stromerzeugung 2030
Die Ausführung des vorherigen Kapitels verdeutlichen, dass Energieerzeugungskapazi- täten unabhängig davon, ob Energie aus konventionellen Energieträgern bereitgestellt wird oder aus erneuerbaren Energien, Kraftwerke sich diesen Sachverhalt der Volatilität anpassen müssen.
Die Leitstudie des BMU´s aus dem Jahr 2011 sieht hierzu ein jährliches Investitions- volumen im Bereich erneuerbarer Energien und der dazugehörigen Technologien im Bereich von 15 bis im Schnitt 20 Milliarden Euro pro Jahr.
Klarer wird dieser Umstand, wenn man sich Bild 5 anschaut, die in verschiedenen Sze- narien den Kraftwerkspark für das Jahr 2030 zu prognostiziert. Deutlich wird, dass für das Ziel der weitestgehenden Bereitstellung von erneuerbaren Energien im Jahr 2030 ein entsprechend großer, konventioneller Kraftwerkspark gegenübergestellt werden muss. Diese Kraftwerke jedoch werden andere Energieerzeugungsanlagen sein, als die wir heute im grundlastfähigen Bereich betreiben, da dort kurze Reaktionszeiten und große Laständerungsverhalten erforderlich werden. Insofern ist zu vermuten, dass es sich hier vielfach um GUD-Anlagen handeln wird.
Installierte Kraftwerksleistung
GW bei gleichbleibendem Energieverbrauch von ~ 620 TWh
300
250
200
150
100
50
0
Zubau in GW
Benötigte gesicherte Leistung
85 GW
2011 2030 2030 2030
Andere Erneuerbare Solar
Wind Wasser
Gas Öl
Kohle Nuklear Szenario II:
Fokus Erneuerbare Energieträger
271 GW
+ 225
Szenario I:
Ausgewonener Mix 226 GW
+ 180 Szenario III:
Fokus Gas 194 GW
+ 148
Bild 5: Szenarien zur Sicherung der Versorgung
Quellen: BMU, SIEMENS NET 2012
2. Wirkungsgradoptimierungen für Biomasseheizkraftwerke
Der Einsatz von Biomasse befeuerten Anlagen in Deutschland erstreckt sich auf ein breit gefächertes Feld der Energieerzeugung und Bereitstellung. Dies betrifft zum einen die Größe der Öfen und Kraftwerke und zum anderen die Art der Nutzenergie. Die Größenordnungen erstrecken sich von wenigen kW z.B. in der Hausbeheizung bis hin zu Feuerungswärmeleistung von 100 MWth im Kraftwerksbereich. Die Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung wird durch das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) unterstützt.
Der Bericht zeigt verschiedene Eckpfeiler bei der Auslegung und Dimensionierung eines Biomassekraftwerkes unter Berücksichtigung der gesetzlichen Rahmenbedingungen aus der Sicht eines Planers auf und gibt einen Ausblick auf unterschiedliche Optimie- rungspotenziale für die Zukunft. Es werden im Wesentlichen Biomassekraftwerke betrachtet, die Strom und Wärme in Form von Dampf erzeugen. Ein Brückenschlag zum konventionellen Kraftwerksbau zeigt am Ende des Berichts die technischen und wirtschaftlichen Grenzen von Biomassekraftwerken auf.
2.1. Rahmenbedingungen
Die nachfolgendes Bild zeigt, dass für das Design eines Biomassekraftwerkes der Brenn- stoff und die Nutzenergie als feste Planungsgrundlagen feststehen müssen. Aufgrund der Wichtigkeit dieser Parameter wird nachfolgend darauf eingegangen.
Fix Design Fix
Verluste und Abgase
Biomasse Biomassekraftwerk Nutzenergie
Bild 6:
Feste Rahmenbedingungen und Bilanzgrenze für ein Biomasse- kraftwerk
2.2. Der Brennstoff Biomasse
In der Regel wird der Brennstoff Biomasse durch das EEG und die Biomasseverord- nung definiert.
Biomassen für die Verbrennung sind z.B.:
• Restholz, Altholz,
• Landschaftpflegebegleitgrün,
• Kerne aus der Obst- und Gemüseverarbeitung (Olivenkerne, Kirschkerne),
• Blätter und weitere Pflanzen und Pflanzenbestandteile.
Biomasse weist im Vergleich zu fossilen Energieträgern, wie z.B. Kohle eine niedrigere Energiedichte, einen höheren Wassergehalt und eine geringere Schüttdichte auf. Diese Parameter können stark schwanken, sodass bei der Anlagenplanung immer mit einer gewissen Inhomogenität zu kalkulieren ist.
Je nach Biomasseart schwankt der Wassergehalt von 10 % (Holzpellets) bis 50 % (Hackschnitzel aus Laubholz oder Nadelholz, Rinde oder Sägespäne) bezogen auf die Frischmasse. Höhere Wassergehalte z.B. bei frischer Biomasse sind durchaus möglich und üblich. Wassergehalte unter 30 % werden normalerweise nur durch eine Trock- nung der feuchten Biomasse erreicht. Der Heizwert Hu schwankt zwischen 16,5 und 19 MJ/kg bezogen auf die Trockenmasse. Lediglich der Heizwert von ölhaltigen Bio- massen, z.B. Rapskörnern, weicht von dieser Bandbreite nach oben ab. Das Einzugs- gebiet von Biomasse als Brennstoff für ein Kraftwerk liegt vorrangig in einem Radius von maximal 50 bis 100 km. Längere Transporte sind in der Regel unwirtschaftlich.
Ausnahmen können Transporte über Wasserwege sein.
Bei hohen Wassergehalten ist eine Trocknung des Brennstoffs in Erwägung zu ziehen.
Sie ist auch dann sinnvoll, wenn die Biomasse über einen längeren Zeitraum gelagert werden muss. Trocknung führt aber nur bei sehr feuchtem Brennstoff zu einer sinnvol- len Heizwertsteigerung. Zwischen Wassergehalt und Heizwert besteht eine fast lineare Abhängigkeit, wie das nachfolgende Bild 7 zeigt.
Heizwert Hu(w) MJ/kg 20
15
10
5
00 20 40 60 80 100
Wassergehalt w %
0 25 50 100 150
Brennstoff-Feuchte u %
Bild 7:
Abbhängigkeit Heizwert und Wassergehalt
Quelle: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR): Leitfaden Bioener- gie. Gülzow, 2005
2.3. Abwärmenutzung, Kessel und Turbine
Die bei der Verbrennung frei werdende Wärme wird in einem Kessel zur Dampferzeu- gung genutzt. Je nach Kesselwirkungsgrad und der Schaltung der Wärmeübertrager im Kessel wird dabei in Abhängigkeit vom Anlagenhersteller mehr oder weniger Dampf erzeugt. Wirkungsgrad steigernde Maßnahmen sind die Luftvorwärmung, eine weite Abkühlung der Abgase oder die Zwischenüberhitzung. Als Kesselart bei der Dampf- erzeugung werden Naturumlauf-Dampferzeuger eingesetzt. Der Kesselwirkungsgrad liegt bei ausgeführten Anlagen je nach Feuerungsleistung etwa zwischen 83 und 89 %.
Die Dampfparameter können sich von Anlage zu Anlage beträchtlich unterscheiden und hängen stark von der Brennstoffzusammensetzung ab (Chlor, Schwefel, Asche).
Je qualitativ hochwertiger und homogener der Brennstoff ist, desto höhere Dampf- parameter können im Kessel erreicht werden. Die niedrigsten Dampfparameter sind vergleichbar mit denen von Abfall- und EBS-Verbrennungsanlagen. Übliche Dampf- temperaturen liegen zwischen 400 °C und 535 °C. Übliche Dampfdrücke liegen bei 48 bar bis maximal 130 bar.
Der Dampf wird in einer Dampfturbine entspannt, die wiederum einen Generator antreibt. Bei kleineren Dampfturbinen bis 2 MWel wird kaum ein isentroper Wirkungs- grad größer 75 % erreicht. Die Gründe liegen in den spezifisch höheren Strömungs- und Dichtungsverlusten aufgrund des relativ geringen Dampfmassenstroms. Größere Dampfturbinen erreichen isentrope Wirkungsgrade bis 85 %. Bild 8 zeigt die Leistung einer kleinen Dampfturbine.
1 2 3
2.000
1.500
1.000
500
Generatorklemmenleistung kW
0
Entnahmedampfmenge t/h Generatorklemmenleistung
0 2.500 3.000
4 5 6
2.000
1.500
1.000
500
0 2.500 3.000 Wärmeauskopplung kW
Wärmeauskopplung
Bild 8: Leistung einer kleinen Dampfturbine
Eine weitere Nutzung der Verbrennungswärme besteht darin, Thermoöl zu erhitzen.
Die Wärme des Thermoöls kann zum einen dazu genutzt werden, Prozesse, die einen Wärmebedarf haben zu beliefern und zum anderen einen ORC Prozess zu betreiben.
Mittels des ORC-Prozesses kann auf einem niedrigeren Temperaturniveau Strom er- zeugt werden. Bei dieser Variante ist, ebenfalls wie bei einem Wasser-Dampfkessel, der Betrieb der Kraft-Wärme-Kopplung möglich. Der ORC-Prozess nutzt als Arbeitsme- dium nicht Dampf, sondern im besten Fall ein auf das Temperaturniveau angepasstes Arbeitsfluid. Deshalb ist diese Art der Wärmenutzung dann wirtschaftlich vorteilhaft, wenn die ORC-Technik bei einer hohen Wärmeabnahme in Verbindung mit der EEG- Einspeisevergütung für den produzierten Strom eingesetzt wird.
Daraus ergibt sich das Einsatzgebiet von Biomassefeuerungen im Bereich der Grundlast oder einer konstanten Wärme- oder Prozessdampflieferung für einen Industrieprozess.
Nach den Vergütungsregelungen des EEG wird dabei eine jährliche Nutzung von über 6.000 h vorausgesetzt.
Wärmeabnehmer sind daher beispielsweise Betriebe der holzverarbeitenden Indust- rie, welche die Anlagen mit eigenen und fremdbezogenen Reststoffen betreiben, um Prozesswärme zu erzeugen. Weiterhin wird die Bereitstellung von Wärme und Strom aus Biomasse häufig von Lebensmittelunternehmen verfolgt, damit die produzierten Produkte einen CO2-freien Footprint aufweisen.
2.4. Optimierungspotenziale – Vergleich zu einem modernen Kohlekraftwerk
Die Verbrennung von Kohle ist technisch vergleichsweise einfach. Dies liegt an der Tatsache, dass wichtige Brennstoffeigenschaften wie Heizwert, Wasser- und Aschegehalt nur kleinen Schwankungen unterliegen. Durch eine Vorbehandlung (z. B. Mahltrock- nung in Kohlemühlen) oder das gezielte Mischen von Kohlen verschiedener Herkunft können die Brennstoffeigenschaften des Auslegungsbrennstoffs hergestellt werden. So erreichen Kohlefeuerungen optimierte Wirkungsgrade.
Die verschiedenen Feuerungssysteme für feste Brennstoffe können beispielsweise an der Gasgeschwindigkeit der Primärluft in verschiedenen Klassen unterteilt werden: Fest- bettfeuerungen, Wirbelschichtfeuerungen und Staubfeuerungen (Brennerfeuerungen).
Die einzelnen Feuerungssysteme werden wiederum in verschiedenen technischen Varianten ausgeführt. Für Kohle sind grundsätzlich alle Feuerungssysteme realisierbar und bieten spezifische Vor- und Nachteile.
Der Dampferzeuger (Kessel) eines Kohlekraftwerkes bildet eine Einheit mit der Feu- erung. Er dient der Energieübertragung der freigesetzten Energie aus dem Brennstoff auf das Arbeitsmittel für den Wasserdampf-Kreislauf. Dies geschieht mit Hilfe mehre- rer Wärmeübertragerflächen (komplex verschalteten Überhitzern), die innerhalb des Dampferzeugers im heißen Abgasstrom oder an den Wänden des Dampferzeugers montiert sind und ein- oder mehrfach vom Arbeitsmittel durchströmt werden. Die Dampferzeuger können nach der Art der Wasserführung in Naturumlauf-, Zwangs- umlauf- und Zwangsdurchlaufsysteme unterteilt werden. Typische Dampfparameter sind dabei 250 bar bei 560 °C bis zu 350 bar bei 640 °C.
2.5. Übersicht über die Wirkungsgradverbesserungen bei Dampfkraftwerken
Eine Reihe von technischen Entwicklungen hat in der Vergangenheit zu der Erhöhung des Gesamtwirkungsgrad von Kraftwerken beigetragen. Man spricht auch von einer Carnotisierung des Kreislaufes, da der Dampfprozess dem idealen Carnotkreisprozess angenähert wird. Bild 10 zeigt den Anstieg des Wirkungsgrades von Dampfkraftwerken im 20. Jahrhundert.
Bei der Zwischenüberhitzung wird der Dampfmassenstrom nach dem Durchlaufen der Hochdruck-Turbine erneut durch einen Wärmeübertrager im Dampferzeuger geleitet und dabei auf Frischdampftemperatur gebracht. Die Zwischenüberhitzung erfolgt in der Regel als einfache Zwischenüberhitzung und nur in Sonderfällen mehrfach.
Die regenerative Speisewasservorwärmung mit Anzapfdampf stellt eine prozessinterne Verschiebung von Wärme dar. Dies führt zu einem erhöhten Massenstrom durch die Hochdruckturbine, während sich die Massenströme durch Mittel- und Niederdruck- Turbine nach jeder Anzapfung verringern. In modernen Kraftwerken findet man bis zu neun Vorwärmstufen.
Außerdem werden die Dampfparameter sukzessiv erhöht. Ermöglicht werden Tem- peraturen bis 600 °C durch die Verwendung von austenitischen Werkstoffen oder Nickelbasislegierungen für Teile des Dampferzeugers, der Turbine und der verbin- denden Leitungen. Die hohen Temperaturen machen einen erhöhten Dampfdruck
liegende Schicht kleine Schicht- ausdehnung
große Schicht- ausdehnung Fluidisierende Schicht
pneumatische Teilchenaustragung
stationäre
Wirbelschicht zirkulierende Wirbelschicht
Staubfeuerung
Rost- feuerung
Luft
Abgas
Brennstoff Kalkstein Brennstoff Kalkstein
Luft
w = wL
(Lockerungspunkt) w = wS
(merklicher Feststoffaustrag)
Gasgeschwindigkeit W
Druckverlust des Wirbelbettes ∆p
Dampf- erzeuger
Bild 9: Feuerungssysteme
Quelle: Strauß, K.: Kraftwerkstechnik. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2009
erforderlich, um nach der Turbine eine sinnvolle Dampfnässe zu erhalten. Wird diese zu hoch (>10 % bzw. x < 0,9) besteht die Gefahr der Tröpfchenerrosion in den letzten Stufen der Niederdrucktrubine. Entsprechend größer muss daher die Speisewasser- pumpe ausgelegt sein.
Eine weitere wichtige Größe ist der Kondensatordruck. Dieser wird wesentlich von der verfügbaren Wärmesenke (Kühlturm, Flusswasser) beeinflusst durch welche festgelegt wird, auf welchem Temperaturniveau Abwärme an die Umgebung abgeführt wird.
Auch hier muss die Dampfnässe am Turbinenaustritt beachtet werden. Bei großen Kraftwerken werden Kondensatordrücke zwischen 0,04 und 0,06 bar realisiert.
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
kombinierte Gas-Dampfkraftwerke zweifache
Zwischenüber- hitzung einfache
Zwischen- überhitzung Kernkraftwerke mit
Leichtwasserreaktoren regenerative Speisewasservorwärmung
Dampflokomotive (Vergleich)
Zwischen- überhitzung höhere Dampfdaten
Bild 10: Anstieg des Wirkungsgrades η von Dampfkraftwerken im 20. Jahrhundert
Quelle: Baehr, H. D.; Kabelac, S.: Thermodynamik. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2009
2.6. Vergleich der Maßnahmen auf ihre Übertragbarkeit auf Biomassefeuerungsanlagen
Die einzelnen Möglichkeiten der Wirkungsgradsteigerung von Dampfkraftprozessen werden im Folgenden auf Biomassekraftwerke übertragen und bewertet.
• Werkstoffe
Von den Werkstoffen hängt im Wesentlichen die Wahl der Dampfparameter ab.
Prinzipiell können auch für Biomassekraftwerke die gleichen Stähle wie bei Koh- lekraftwerken eingesetzt werden, sie sind allerdings teurer. Deswegen sind diese
Werkstoffe erst bei größeren Anlagen wirtschaftlich einsetzbar. Sinnvoll sind die hochtemperaturfesten Werkstoffe erst, wenn hohe Dampfparameter gefordert sind, was wiederum von der Zusammensetzung des Brennstoff abhängt. Hohe Chlorge- halte, z.B. im Grünschnitt, erlauben ähnlich wie bei der Abfallverbrennung keine hohen Dampfparameter.
• Kühlung – Kondensatordruck
Auch hier hängt der Kondensatordruck von der zur Verfügung stehenden Wär- mesenke ab. Mit einer Wasserkühlung erreicht man wesentlich niedrigere Turbi- nenaustrittstemperaturen als mit einem Luftkondensator. Allerdings steigen die Investitionskosten bei einer Wasserkühlung.
• Zwischenüberhitzungen
Zwischenüberhitzung wird in Biomassekraftwerken bereits eingesetzt und zwar dann, wenn der Abdampf nach der Turbine eine zu hohe Feuchtigkeit aufweist.
Dies ist wiederum dann der Fall, wenn die Frischdampfparameter hoch gewählt wurden. Die Wahl hoher Eintrittsdampfparameter wurde bereits oben erläutert.
• Größendegression
Eine allgemeine Vergrößerung eines Biomassekraftwerkes würde die spezifischen Verluste an Kessel und Turbine (Kesselabwärme, Spaltverluste usw.) verringern. Al- lerdings bedingt eine solche Maximierung der Anlagengröße auch eine Ausweitung des Einzugsgebietes für den Brennstoff. Da dies vom jeweiligen Standort abhängig ist, ist die Option der Größendegression keine geeignete Wahl der Wirkungsgrad- optimierung.
• Kesselwirkungsgrad
Wie bereits in den oberen Punkten erwähnt, hängt der Kesselwirkungsgrad auch stark von der Größe der Feuerung ab. Diese ist allerdings nicht beliebig erweiterbar.
Eine weitere Verlustgröße die im Kesselwirkungsgrad mit einfließt ist der Abgas- verlust. Mit sinkender Abgastemperatur am Austritt steigt der Kesselwirkungsgrad.
Unter dem Punkt Abgaskondensation wird auf diesen Punkt näher eingegangen.
• Einbindung der Trocknung
Durch die Trocknung der Biomasse kann in manchen Fällen eine Wirkungsgrad- steigerung erzielt werden. Dabei muss genau bestimmt werden, inwieweit durch den Energieeinsatz für die Trocknung ein Mehrwert an Energieoutput generiert werden kann. Optimal ist es, wenn die bei Trocknung entstehenden Brüden in den Kraftwerkskreislauf eingebunden werden.
• Abgaskondensation
Die Abgaskondensation ist eine sehr gute Möglichkeit, den Wirkungsgrad signifi- kant zu erhöhen. Dabei wird der im Abgas enthaltene Wasserdampf auskondensiert.
Die Kondensationswärme wird über einen Wärmetauscher an den Kraftwerkspro- zess abgegeben. Wirkungsgradsteigerungen von 5 % sind dadurch möglich.
Inserat
BSR
Inserat
Saubermacher
AG
• ORC
Der Organic Rankine Cycle ist in der Kombination mit einem Wärmeabnehmer eine sehr gute Option, den Gesamtwirkungsrad zu erhöhen. Das ist von Fall zu Fall unterschiedlich und ist jeweils in einer Vorplanung zu überprüfen.
• Turbinenwirkungsrad
Die Erhöhung der Turbinenwirkungsgrade obliegt den Turbinenherstellern. Da die Entwicklungsstufe der Turbinen schon sehr weit ist, sind die Möglichkeiten einer bedeutenden Erhöhung des Wirkungsgrades kaum noch gegeben.
• Abgaskondensation und ORC
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Abgaskondensation und die ORC-Technik zu kombinieren. Durch die Anpassung der Niedertemperaturwärme der Abgas- kondensation an den ORC-Prozess kann die Verstromung mit einem höheren elektrischen Wirkungsgrad realisiert werden als bei der Verstromung mittels des Wasserdampf-Kreislaufes.
2.7. Zwischenfazit – Wirkungsgradsteigerungen für Biomassefeuerungsanlagen
Der Bericht zeigt an Beispielen aus der Praxis auf, wie ein Biomassekraftwerk der heu- tigen Generation aussehen kann. Die Vielzahl an Einflussgrößen erlaubt es nicht, eine pauschale Aussage über das Gesamtsystem Biomassekraftwerk zu erheben. Zusätzlich werden Optimierungspotenziale für Biomassekraftwerke aufgelistet, die aus der Ent- wicklung und dem technischen Stand von modernen Kohlekraftwerken abgeleitet wird.
Zukünftig muss verstärkter darauf geachtet, den Biomassebrennstoff effizienter zu nutzen. Dabei wird die eine oder andere genannte Technik zum Einsatz kommen.
Insbesondere die Abgaskondensation und die ORC-Technik versprechen signifikante Erhöhungen der Wirkungsgrade.
3. Druckluftspeicherkraftwerk in Kombination mit einem Biomassekraft- werk zur Bereitstellung von Regel-, Lastspitzen- und Grundlaststrom
Die Überlegung lautete zunächst, kann man ein Biomasseheizkraftwerk als Speicher- kraftwerk konzipieren, welches nach innen immer im Regelbereich betrieben wird und nach Außen als negativer und positiver Speicher fungieren kann.
Im Folgenden wird die Grundidee und die Anwendungsmöglichkeit einer Kraftwerks- kombination aus BMKW und einem Druckluftspeicher erläutert und aus technischer und wirtschaftlicher Sicht analysiert und bewertet. Dabei wurden die thermodyna- mischen Parameter der Komponenten berechnet und mit dem bei u&i im Einsatz befindlichen Energiebilanzprogramm ENBIPRO simuliert und optimiert.
3.1. Grundidee und Anwendungsmöglichkeiten
Die Grundidee sieht die Kopplung eines Biomassekraftwerkes und eines Druckluft- speicherkraftwerkes (CAES) zur Erzeugung und Speicherung von elektrischer Leistung vor. Dabei soll möglichst regenerativer Strom gespeichert und auf fossile Brennstoffe verzichtet werden. Die bei der Luftkompression entstehenden und bei der Entspan- nung benötigten Wärmeleistungen der beiden Kraftwerke sollen verlustminimierend gekoppelt und somit der Speicherwirkungsgrad im Vergleich zu diabaten Druckluft- speicherkraftwerken erhöht werden. Die Kraftwerkskombination soll mit regenerativen Strom betrieben werden, also werden die Kompressoren des Druckluftspeicher wie in Bild 16 dargestellt durch überschüssigen Windstrom betrieben.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Energiespeichern in Deutschland sind aufgrund der unterschiedlichen Speicherkapazitäten und Leistungsbereich vielfältig. Sie können sowohl innerhalb der Übertragungsnetze als zentrale Großspeicher oder dezentrale Puffer zwischen Erzeugung und Einspeisung als auch als netzautarke Insellösung genutzt werden. Die Kombination aus Druckluftspeicher- und Biomassekraftwerk kann sowohl als Stromveredler am Spotmarkt der EEX als auch zur Bereitstellung von Regelenergieleistung am Minutenreservemarkt agieren. Der Stromertrag aus dem Biomassekraftwerkkann in beiden Fällen unabhängig von dem Einsatzgebiet des Druckluftspeichers als EEG-Strom vermarktet und ins Übertragungsnetz eingespeist werden.
Biomassekraftwerk Abgas + Asche Biomasse
Windstrom
Luft
E-Motor + Kompressor
Druckluftspeicher
Einspeisung Ausspeisung
Turbine + Generator EEG-Grund-
laststrom
Wärme- aufnahme
Regel- strom Wärme-
abgabe
Bild 11: Skizze Biomassespeicherkraftwerk
Agiert die Kraftwerkskombination als zentraler Speicher an der EEX, orientiert sich der Fahrplan des CAES-Kraftwerkes ausschließlich an den Spotmarktpreisen. Strom wird in Schwachlastzeiten, also bei günstigen Spotmarktpreisen, eingespeichert und in Spitzenlastzeiten, also zu hohen Spotmarktpreisen, ausgespeichert. Durch diese Fahrweise kann eine Glättung des Lastgangs und somit der Spotmarktpreise erreicht werden, da zu Tageszeiten mit geringen Preisen die Nachfrage erhöht und zu Tageszeiten mit hohen Preisen zusätzlich Strom zur Verfügung gestellt wird. Durch das Angleichen von Stromangebot und Stromnachfrage bleibt die durch den übrigen Kraftwerkspark abzutragende Last im optimalen Fall konstant.
Bild 12 zeigt beispielhaft den Einsatz eines CAES am Energiemarkt der EEX. Deutlich zu erkennen sind die Lastspitzen (rot), in denen der Generator Strom ins Netz einspeist und die Zeiten geringerer Last (blau), in denen verdichtete Umgebungsluft in die Kaverne geleitet wird. Die Teilnahme am Regelenergiemarkt unterliegt hingegen Restriktionen auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird. Entspricht das Druckluftspei- cherkraftwerk diesen Anforderungen, kann der Betreiber auf dem entsprechenden Regelenergiemarkt des regionalen Übertratungsnetzbetreiber Systemdienstleistungen anbieten. Druckluftspeicher sind dazu aufgrund ihrer guten Teillasteigenschaften und ihrer Flexibilität hinsichtlich der Fahrweise sehr gut geeignet.
Leistung MW3.000
2.500
2.000 1.700 60 bar 55 bar 50 bar 45 bar
Generator-Betrieb Speicher-Betrieb Druck in Kaverne
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Stunden
Bild 12:
Typische Laufweise eines kon- ventionellen CAES auf dem Spotmarkt der EEX
3.2. Der Druckluftspeicher
Anhand der errechneten übertragbaren Wärmemenge des BMKW konnten die Para- meter der Wärmetauscher und darauffolgend der Luftmassenstrom und die Parameter der Strömungsmaschinen des Druckluftspeicherkraftwerkes bestimmt werden. Der Eintrittsluftmassenstrom multipliziert mit der angenommenen Einspeicherzeit ergibt
die zu speichernde Luftmenge, anhand der das benötigte Speichervolumen berechnet wurde. Mit einem errechneten Speichervolumen von etwa 3850 m3 wurde eine Ka- vernenspeicherung bei den weiteren Betrachtungen vernachlässigt werden. Für die Speichervariante Röhrenspeicher wurden anschließend drei von den Basisvarianten abweichende Ein- und drei abweichende Ausspeicherstränge dargestellt.
3.3. Auswertung der Simulationsergebnisse
Nachfolgend werden die Ein- und Ausspeichervarianten miteinander kombiniert und die dabei entstehenden Kraftwerkskombinationen anhand ihrer Leistung und ihres Nutzungsgrades bewertet. Die Ergebnisse werden vergleichend gegenübergestellt und die Variante mit der maximalen elektrischen Leistung und den besten Gesamt- wirkungsgrad bestimmt. Einen Überblick über die Ein- und Ausspeichervarianten gibt Tabelle. 1
Tabelle 1: Übersicht Ein- und Ausspeichervarianten
Entnahme Einspeisung Einspeichern Basisvariante zwischen Kondensatpumpe/ zwischen Kondensatpumpe/
Speisewasserbehälter Speisewasserbehälter Variante 1 zwischen Kondensatpumpe/ zwischen Kondensatpumpe/
Speisewasserbehälter Speisewasserbehälter;
DT-Zwischenerhitzer
Ausspeichern Basisvariante zwischen DT-Stufe 2/3 & zwischen Kondensatpumpe/
Kondensatpumpe/ Speisewasserbehälter Speisewasserbehälter
Variante 1 zwischen DT-Stufe 2/3 & zwischen Kondensatpumpe/
Kondensatpumpe/ Speisewasserbehälter Speisewasserbehälter
Variante 2 zwischen DT-Stufe 2/3 & zwischen Kondensatpumpe/
vor dem Kondensator Speisewasserbehälter
3.4. Allgemeine Aspekte
Zunächst gilt es festzuhalten, dass eine Kraftwerkskombination aus BMKW und Druck- luftspeicherkraftwerk thermodynamisch zu realisieren ist. Die Ergebnisse der obigen Überlegungen und Simulationen haben geezigt, dass eine Wärmekopplung zwischen Ein- bzw. Ausspeicherstrang des CAES-Kraftwerkes und eines Biomassekraftwerkes ohne externe Wärmezufuhr möglich ist.
Der dabei erreichbare Leistungsbereich liegt jedoch mit etwa 2,5 MWel deutlich unter der Zielgrenze von 15 MWel. Die Anforderung zu hundert Prozent regenerativen Strom zu verwenden, lässt sich nur realisieren in dem die aufgenommene Verdich- terleistung durch regenerativen Strom, wie zum Beispiel überschüssigen Windstrom, bereitgestellt wird.
3.5. Leistung
Neben der thermodynamischen Realisierbarkeit einer Kopplung von Biomasse- und Druckluftspeicherkraftwerk interessiert vor allem der technische Vorteil einer solchen Kombination. Um ein Urteil über die Vorteilhaftigkeit der Kraftwerkskopplung fällen zu können, wurden die Leistungen Kraftwerkskombinationen miteinander verglichen und bewertet. Die elektrischen und thermischen Leistungen des Einspeicherprozesses beziehen sich jeweils auf einen Massenstrom von 4,4 kg/s, die des Ausspeicherprozes- ses auf einen Massenstrom von 8,8 kg/s. Es wird acht Stunden Ein- und vier Stunden ausgespeichert.
Im Allgemeinen wird bei gleichbleibendem Aufwand, also konstanter elektrischer Leistungsaufnahme, eine Leistungssteigerung der Turbinen als Vorteil und eine Leis- tungsminderung als Nachteil gewertet.
Die Tabelle 2 gibt einen Überblick über die mit den Kraftwerkskombinationen erreich- baren, über einen Tag gemittelten Turbinenleistungen und deraufgenommenen thermi- schen Leistung des Biomassekraftwerkes und Kompressorleistung des Einspeicherstran- ges. Außerdem sind die übertragenden Wärmemengen und die Auslegungsleistung des BMKW ohne Kopplung aufgelistet. Zu erkennen ist eine von der Schaltvariante abhängige Leistungssteigerung der Dampfturbine. Sie erreicht den Maximalwert von 8,098 MWel bei der Kombination aus Einspeichervariante 1 und Ausspeichervariante 2.
Die abgegebene elektrische Leistung des einzelnen BMKW kann durch die Kopplung somit um 2,68 % gesteigert werden. Zusätzlich erzeugt die Luftturbine des Ausspei- cherstranges weitere 2,166 MWel, sodass die von der Kraftwerkskombination maximal abgegebene Leistung mit 10,225 MWel 30,024 % über der Leistung des BMKW ohne Kopplung liegt. Der betrachteten Leistungssteigerung steht eine erhöhte Leistungsauf- nahme gegenüber. Die thermische Leistung des BMKW bleibt konstant, jedoch nehmen die Luftkompressoren Leistung in Höhe von maximal 2,37 MWel auf.
Tabelle 2: Leistungsvergleich der Schaltvarianten
Ein BMKW Basisvariante Variante 1
Aus Basis- Variante Variante Basis- Variante Variante variante 1 2 variante 1 2 Dampfturbine 7,887 7,95 7,946 8,001 8,048 8,06 8,098 Luftturbine – 2,155 2,165 2,166 2,155 2,165 2,166 Gesamt 7,887 10,105 10,111 10,167 10,203 10,225 10,264 thermische
Leistung BMKW 35 35 35 35 35 35 35 Luftverdichter – 2,364 2,364 2,364 2,37 2,37 2,37 Gesamt 35 37,364 37,364 37,364
Wärmeleistung
Einspeicherung – 2,153 2,153 2,153 2,159 2,159 2,159 Wärmeleistung
Ausspeicherung – 1,833 2,018 1,848 1,833 2,018 1,848
3.6. Vor- und Nachteile der Kraftwerkskombination
Wie die Leistungs- und Nutzungsgradbetrachtung der Gesamtanlage gezeigt hat, er- reicht eine Kopplung der beiden Kraftwerke eine erhebliche Nutzungsgradsteigerung aufseiten des Druckluftspeicherkraftwerkes. Die Erhöhung des BMKW-Nutzungsgra- des kann sowohl als positiver als auch als negativer Nebeneffekt angesehen werden.
Zwar wird die elektrische Leistung der Dampfturbine im Mittel gesteigert, jedoch tritt die maximale elektrische Leistung während der Einspeicherung und somit zu Zeiten mangelnder Stromnachfrage auf.
Durch die Wärmekopplung können die Vorteile eines Energiespeichers ohne externe Energiezufuhr genutzt werden. So kann also in Schwachlastzeiten Strom aus dem Netz entnommen und in Starklastzeiten wieder eingespeist werden, ohne das die Leistung des kontinuierlich betriebenen BMKW verringert wird. Das Stromnetz wird so gezielt entlastet und der Kraftwerksbetreiber durch die Differenz der Strompreisniveaus zur Ein- und Ausspeicherzeit entlohnt. Zusätzlich erhält er die maximale EEG-Vergütung.
Durch die Chance der Stromveredelung und der Möglichkeit, die Kompressorleistung als negative Minutenreserve am Regelenergiemarkt anbieten zu können, ist eine hohe aufgenommene Leistung des Druckluftspeicherkraftwerkes durchaus positiv zu be- werten. Die Leistungsaufnahme während des Einspeicherprozesses dient genau wie die Leistungsabgabe während des Ausspeicherprozesses dem Hauptziel eines Energie- speichers, die Stromerzeugung und den Stromverbrauch zeitlich voneinander trennen zu können. Eine hohe Kompressorleistung bedeutet ein Mehrgewinn an Flexibilität des Kraftwerkes und steigendes Gewinnpotential für den Betreiber.
Durch die Kraftwerkskombination kann das Netz in Höhe der Kompressorleistung entlastet werden und so das Angebot an die Nachfrage angepasst werden.Dieser Aspekt ist bei der Bewertung des Gesamtkraftwerkes von zentraler Bedeutung.
Es ist ein hoher apparativer Aufwand nötig, um das Kombikraftwerk zu realisieren.
Viele Turbinen- und Vorwärmstufen sind nötig, um das Potenzial der Wärmekopplung optimal nutzen. Dies geht einher mit einem hohen Investitionsaufwand.
Die technische Analyse der Kraftwerkskombinationen führte zu dem Ergebnis, dass die Kombination aus BMKW und Druckluftspeicherkraftwerk thermodynamisch möglich ist und Einspeichervariante 1 in Kombination mit Ausspeichervariante 2 die Variation mit der maximalen elektrischen Leistung und somit dem maximalen Nutzungsgrad darstellt. Ein Vergleich der Ergebnisse mit den Daten der Einzel- kraftwerke ohne Kopplung zeigte eine Nutzungsgradsteigerung von 0,64 % beim Biomassekraftwerk und 40,57 % beim Druckluftspeicherkraftwerk. Dieses erreicht unter Einbezug der durch die Wärmekopplung erreichten elektrischen Mehr- und Minderleistung des BMKW einen Anlagennutzungsgrad von 73,45 %. Unter diesen Bedingungen erreicht das BMKW eine über 24 Stunden gemittelte elektrische Leistung von 8,098 MWel und die Luftturbine des CAES eine über den Ausspeicherprozesses gemittelte elektrische Leistung von 2,166 MWel. Während des Einspeicherprozesses
nimmt der Druckluftspeicher 2,37 MWel auf und gibt davon 91 %, also 2,159 MWth, als Kompressionswärme an das BMKW ab. Die während der Ausspeicherung vom BMKW der Luft zugeführte Wärmemenge beträgt 1,848 MWth.
4. Zusammenfassung
Die Nutzung der Abfallbiomassen die bei diesen Beitrag im Vordergrund steht, muss sich im Bereich der Projektentwicklung, Planung als auch Realisierung den aktuellen und den zu erwartenden Anforderungen innerhalb der Energiewende stellen.
Es wurden die Thesen aufgestellt, dass Energieerzeugungsanlagen für erneuerbare Energien in der Zukunft netzentlastend wirksam werden müssen als auch in der Lage sein sollten Regelenergie bereit zu stellen. Zum anderen wurde in der zweiten These vermerkt, dass ein schnelleres Laständerungsverhalten bei den zu erwartenden dau- erhaft volatilen Energieerzeugungsmarkt ein Marktvorteil darstellt. Und zum Dritten sind geeignete Primär- oder Sekundärspeicher zu entwickeln.
Der Beitrag zeigt, dass zum einen klassische Wirkungsgradsteigerungen nicht nur durch scale-up Effekte erreicht werden kann, sondern auch durch den Einsatz von Technologien wie z.B. der Abgaskondensation oder aber der angepassten Verschaltung mit ORC-Anlagen. Die unmittelbare Übertragbarkeit von Technologien aus dem Großkraftwerksbereich ist in der Regel auf Grund fehlender Baugröße nicht möglich.
Zum anderen befasst Umwelttechnik & ingenieure GmbH sich seit mehreren Jahren mit der Entwicklung von Speichertechnologien für die erneuerbaren Energien be- schäftigt. Im Bericht wird der Nachweis geführt, dass ein Biomasseheizkraftwerk als so genannten Druckluftspeicherkraftwerk sowohl positive als auch negative Regel- energie als auch im gewissen Umfang als Energiespeicher fungieren kann ohne das Feuerleistungsdiagramm eines Biomassekessels zu verlassen.
u&i ist der festen Überzeugung, dass insbesondere Konzepte zur kombinierten Ener- gieerzeugung und Speicherung im erneuerbaren Energiemarkt in naher Zukunft wirtschaftlich sein werden. Wenn die technische Entwicklung sich zusätzlich in refor- mierten erneuerbaren Energiegesetz wiederfindet, sollte einer baldigen Etablierung solcher Technologien am Markt nichts entgegenstehen.
5. Literatur
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abfällen. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, 1997
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[10] Willnauer: Konzeptstudie für ein Druckluftspeicherkraftwerk in Kombination mit einem Bio- massekraftwerk zur Bereitstellung von Regel-, Lastspitzen- und Grundlaststrom. Diplomarbeit am Institut für Wärme- und Brennstofftechnik Technische Universität Braunschweig, Professor Dr. techn. R. Leithner, 2011
Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme Energie aus Abfall – Band 10
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann.
– Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2013 ISBN 978-3-935317-92-4
ISBN 978-3-935317-92-4 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2013
Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky
Erfassung und Layout: Petra Dittmann, Sandra Peters,
Martina Ringgenberg, Ginette Teske, Ulrike Engelmann, LL. M., Ina Böhme Druck: Mediengruppe Universal Grafische Betriebe München GmbH, München
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