Optimierte KWK-Systeme

Kurztitel: Optimierte KWK-Systeme
Titel: Energetisch und wirtschaftlich optimierte Biomasse-Kraft-Wärmekopplungssysteme auf Basis derzeit verfügbarer Technologien
Projektstart: Jänner 2007
Projektende: November 2008
Budget: 142.000,- EUR
Links: Projektseite auf der EdZ-Homepage

Kurzfassung

Dieses zu 100% im Rahmen der Programmlinie "Energiesysteme der Zukunft" vom BMVIT geförderte Projekt stellt nun nach Abschluss das generierte Wissen der Allgemeinheit zur Verfügung. Dieses Referenzprojekt unterstreicht die Tätigkeit als Forschungsinstitut der Güssing Energy Technologies, mit Bezug zur Umsetzung.

Auf Basis der aktuellen Ökostromverordnung werden Anlagen bis 2 MW_el auf Basis eines Dampf-, oder ORC-Prozesses untersucht, welche durch die früheren Einspeisetarife unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen errichtet werden konnten. Dabei zeigt sich, dass nach der derzeitigen Ökostromverordnungs-Vorlage Bandlasten zwischen 40% und 90% erforderlich sind, um diese Anlagen wirtschaftlich zu betreiben. Im Rahmen dieser Arbeit werden auf die Probleme in der Praxis eingegangen und Lösungen beschrieben. Dieses Werk ist somit ein Nachschlagewerk für Errichter, Betreiber, Planer und Anlagenbauer. Je nach Erfahrungsgrad der ausführenden Organe sind diese Erfahrungen zwar großteils vorhanden, jedoch oft nicht dokumentiert, bzw. werden die angesprochenen Gefahren und Risiken oft nicht beachtet, weil für die Betrachtung der hier beschriebenen Zusammenhänge während des harten Tagesgeschäftes keine Zeit mehr bleibt.

Einerseits werden durch die Implementierung der hier gebotenen Ratschläge Fehler anderer bereits errichteter Anlagen vermieden, andererseits bietet diese Studie nicht zuletzt aufgrund der umfassenden Parametervariation die Möglichkeit, für nahezu jede vorhandene Randbedingung die passende KWK nach dem derzeitigen Stand der Technik auszuwählen.

Zusammenfassung

Diese Studie behandelt die kombinierte Bereitstellung von elektrischer und thermischer Energie aus Biomasse in einem Leistungsbereich bis 2 MWel. Die Grundlage für die hier betrachteten Biomasse KWK Anlagen konventioneller Technik stellt der Dampfkraftprozess dar. Als Medium wird dabei einerseits Wasser, andererseits organisches Arbeitsmittel mit hoher Molekülmasse in die Betrachtungen einbezogen.

Als Arbeitsmaschinen im Wasserdampfprozess werden hauptsächlich Turbinen eingesetzt, wobei prinzipiell in der Bauart zwischen Aktions- (Gleichdruck-) und Reaktions- (Überdruck-) turbine unterschieden wird. Die Gleichdruckturbine stellt eine robustere Turbine mit geringeren Investitionskosten, jedoch geringerer Effizienz gegenüber einer Reaktionsturbine dar und wird üblicherweise in dem betrachteten Leistungsbereich eingesetzt, wobei jedoch heute auch schon Reaktionsturbinen für den Leistungsbereich unter 2 MWel am Markt erhältlich sind. Der Dampfschraubenexpander und der Dampfmotor sind weitere Arbeitsmaschinen, die aber in Anlagen konventioneller Technik kaum eingesetzt werden, und somit als Nischenarbeitsmaschinen für spezielle Anwendungen bezeichnet werden können. Im ORC-Prozess finden als Arbeitsmittel hauptsächlich Silikonöle Verwendung, als Arbeitsmaschinen werden langsam laufende, direkt gekoppelte Axial-Turbinen eingesetzt.
KWK Anlagen mit Wasser als Arbeitsmedium und mit Gegendruckturbinen kondensieren den Abdampf der Turbine auf einem für wärmetechnische Zwecke nutzbaren Temperaturniveau (fernwärmegekühlter Kondensator) aus, was zwar den elektrischen Wirkungsgrad der Anlage vermindert, jedoch die Nutzung eines großen Teils der Abwärme ermöglicht, wodurch der Gesamtenergienutzungsgrad bezogen auf den eingesetzten Brennstoff erhöht wird. Diese Anlagen werden meist wärmegeführt betrieben.

Bei Kondensationsturbinen steht die Ausbeute an elektrischer Energie im Vordergrund (stromgeführte Anlage), weswegen das Kondensationstemperaturniveau sehr tief angesetzt wird (Umgebungsbedingungen, d.h. 30-40 °C), wodurch eine thermische Nutzung der Abwärme im Normalfall nicht mehr möglich ist.
Bei Entnahme-Kondensationsturbinen wird der zusätzliche Bedarf an Nutzwärme bei geeignetem Druckniveau aus der Turbine ausgekoppelt.

Als Kondensatoren werden direkt luftgekühlte Kondensatoren oder Vakuumkondensatoren verwendet. Zur Evakuierung der Luft aus dem Kreislauf werden hauptsächlich Dampfstrahlapparate eingesetzt, es ist jedoch auch die Evakuierung mit Hilfe von Wasserringpumpen möglich.

Ein wesentlicher Faktor für eine hohe Ausnutzung der zugeführten Brennstoffenergie ist die Nutzung der bei solchen Prozessen immer anfallenden Wärmeenergie. Daher wird dem Wärmebedarf besonderes Augenmerk geschenkt. Das Nutzungsprofil eines Fernwärmenetzes wird mit Hilfe einiger Parameter (Wetterdaten, Bandlast, Netzweitläufigkeit …) nachgebildet. Diese Jahresdauerlinie zeigt, welche prozentuelle Leistung des Fernwärmenetzes über welchen Zeitraum im Jahr benötigt wird. Dadurch können Rückschlüsse auf die Wärmemenge gezogen werden, die innerhalb eines Jahres in das Fernwärmenetz geliefert werden kann. Durch Variation der Parameter wird der Einfluss von unterschiedlichen Fernwärmenetzen auf die Brennstoffausnutzung und das Verhalten der KWK-Anlage simuliert.

Im Rahmen dieses Projektes wurden umfangreiche Simulationstools entwickelt. Die mathematischen Modelle einer Entnahmekondensationsturbinenanlage, einer Gegendruckturbinenanlage sowie einer ORC-Anlage wurden aufgebaut. Mit Hilfe von durch Jahresdauerlinien definierten virtuellen Fernwärmenetzen wurden Jahressimulationen durchgeführt. Mittels finanzmathematischen Methoden wurden Wirtschaftlichkeitsberechnungen durchgeführt und die Anlagen in energetischer und wirtschaftlicher Hinsicht bewertet.
In Parameterstudien wurden verschiedene Einflussgrößen variiert und die Auswirkungen aus energetischer und wirtschaftlicher Betrachtung dargestellt.

Ein Vergleich zwischen Gegendruckturbinenanlage, Entnahme-Kondensationsturbinenanlage sowie ORC-Anlage schließt die Untersuchungen ab.

Mit Hilfe der dargestellten Diagramme ist es möglich, die Auswirkungen der Änderung einzelner Parameter auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems abzuschätzen. Dadurch können Planer sowie Betreiber solcher Anlagen die Ergebnisse dieser Studie als Werkzeug zur Entscheidungsfindung heranziehen. Das Ergebnis der Berechnungen zeigt außerdem, dass biomassebetriebene KWK-Anlagen in einem Leistungsbereich bis 2 MWel unter den Bedingungen der aktuellen Ökostromverordnung 2008 nur unter selten vorhandenen Randbedingungen wirtschaftlich betrieben werden können.