Besondere Art der KWK-Anlagen.

Bild: E-quad Power Systems; iStock, stock_colors

Abwärme direkt auf das Produkt Saubere Kraft-Wärme-Kopplung mit Mikrogasturbinen

18.11.2019

Eine besondere Art der KWK-Anlagen im Leistungsbereich von 50 kW bis 2 MW elektrischer Leistung sind noch Mikrogasturbinen. Insbesondere dort wo Industrieunternehmen hohe Temperaturen für ihre Produktionsprozesse benötigen, können die wartungsarmen Anlagen ihre Vorteile ausspielen.

Anstatt eines Kolbenmotors findet bei Mikrogasturbinen zum Antrieb des Generators eine schnelllaufende, zumeist einwellige Arbeitsturbine Verwendung. Als Brennstoff kommt statt Kerosin zumeist Erdgas zum Einsatz. Der größte Unterschied im Vergleich zu herkömmlichen BHKW liegt im Aufbau und der Art der Wärmeauskopplung. Das einzige bewegte Teil, die Turbinenwelle, ist luftgelagert und funktioniert verschleißfrei. Der Strom wird über den Permanentmagneten im Generator erzeugt. Über die Drehzahl lässt sich die elektrische und thermische Leistungsabgabe stufenlos regeln.

Eine weitere Besonderheit ist, dass sich 100 Prozent der thermischen Leistung in der bis zu 310 °C heißen, emissionsarmen Abluft der Turbine befindet. Diese kann im Produktionsprozess beim Kunden direkt auf das Produkt geleitet werden, beispielsweise zur Trocknung von Rohklinker oder auch mal von Hundekroketten. Die Turbinenabgase lassen sich daneben als Frischluftersatz für einen Dampfkesselbrenner bei der Bereitstellung von Dampf nutzen. Durchströmt die Turbinenabluft einen Luft-Wasser-Wärmetauscher, lässt sich je nach Auslegung des Wärmetauschers Warm- oder Heißwasser bis zu Temperaturen von 190 °C generieren.

Ohne Kühl- oder Schmiermittel

Dank der Luftlagerung und des luftgekühlten Generators benötigt die Turbine, anders als motorisch betriebene BHKW, keine weiteren Kühl- oder Schmiermittel. Sie ist daher nicht an Rücklauftemperaturfenster zur Aggregatkühlung gebunden – ob zur Erzeugung von Warmwasser in der Technikzentrale auf dem Dach eines Hotels oder gar in der Versorgung eines Krankenhauses.

Die Turbinen spielen trotz des geringeren elektrischen Wirkungsgrades auch schon mal ihre Stärken in den von Motoren-BHKW beherrschten Marktsegmenten aus. Hier sind es geringere Wartungskosten oder niedrige Abgasemissionen und Lärmimmissionen, die den Unterschied machen.

In Industrieunternehmen werden Turbinen dort eingesetzt, wo höhere Prozesstemperaturen oder höhere Rücklauftemperaturen gefordert sind. Die Erzeugung von Warmwasser zur Beheizung von Behandlungsbecken in der Oberflächenbeschichtung oder die Heißwasserbereitstellung über 110 °C für das Spülen und Desinfizieren von Flaschen in der Getränkeherstellung sind industrielle Anwendungen, die der Turbinentechnologie sehr entgegenkommen.

Reinigung von Flugzeugturbinen

Am Standort Langenhagen entschied sich einer der größten Servicedienstleister für die Wartung von Flugzeugturbinen dazu, die Energiekosten mittels KWK weiter zu reduzieren. Aufgrund der geforderten Vorlauftemperaturen bis 110 °C und der zu erwartenden Rücklauftemperaturen über 80 °C fiel nach Abschluss der internen Evaluation die Entscheidung für Mikrogasturbinen. Mitte 2018 wurden daher drei Turbinen vom Typ Capstone C65 zur Beheizung von Reinigungsbecken für die Behandlung von Turbinenbauteilen installiert. Diese decken seit Beginn des Jahres mit einer thermischen Leistung von insgesamt 330 kW die Grundlast des Warmwasserbedarfs ab und sollen so Laufzeiten von über 8.000 Betriebsstunden im Jahr erreichen. Ein Bestandskessel mit gut 500 kW Feuerungswärmeleistung unterstützt zusätzlich die Abdeckung der thermischen Lastspitzen. Der erzeugte Strom wird nahezu vollständig im Werk verbraucht und ist mit 40 Prozent EEG-Umlage belastet. Da die erzeugte elektrische Gesamtleistung der Anlage über 100 kW liegt und nur Kleinstmengen eingespeist werden, erhält das Unternehmen für den Großteil des erzeugten Stroms keine Förderung nach dem KWK-Gesetz. Dennoch wird die Amortisationszeit der Anlage aufgrund der hohen Betriebsstundenzahl und einem Strom-/Gaspreis-Verhältnis von Faktor 5 bei 2,5 Jahren liegen. Das in der hocheffizienten KWK-Anlage eingesetzte Erdgas ist vollständig von der Energiesteuer befreit.

Abluft trocknet Kalk und KWK-Strom treibt Kompressoren an

Ein weiteres Beispiel, diesmal für die direkte Abgasnutzung findet sich am Unternehmensstandort der Köhler Kalk in Meissner-Vockerode in Hessen. Das Unternehmen musste aufgrund der Installation und des Betriebs eines neuen Kalkbrennofens höhere Strommengen aus dem Netz beziehen und entschied sich dazu aus Gründen der Versorgungssicherheit und der Wirtschaftlichkeit, den höheren Strombedarf durch Eigenerzeugung zu decken. Da der Einsatz motorischer BHKW aufgrund der nicht vorhandenen Niedertemperatursenke im Prozess keine wirtschaftliche Option darstellte, entschied man sich für die Installation von sechs Capstone C65 Mikrogasturbinen mit einer thermischen Leistung von rund 890 kW und einer elektrischen Leistung von 390 kW.

Die Turbinenabluft wird dabei direkt in den Trommeltrockner eingeleitet, in der der Dolomitkalk umgewälzt und getrocknet wird. Das Material wird somit von Anhaftungen befreit, die im Brennprozess den Energiebedarf erhöhen, den Ofen verschmutzen und einen erhöhten Wartungsaufwand der Ofenanlage bedeuten würden. Fehlenden Wärmeüberträger reduziert die Wärmeverluste. Daher können bei entsprechender Laufzeit auch Amortisationszeiten von unter 2,5 Jahren erreicht werden. Der von der KWK-Anlage erzeugte Strom wird vollständig im Unternehmen für den Betrieb der Kompressoren für den Ofenbetrieb und die Förderbänder genutzt.

Unternehmen wie Köhler Kalk, deren Stromkosten einen gewissen Anteil der Herstellkosten überschreiten, können als „stromkostenintensives“ Unternehmen KWK-Förderung auch für die Eigenstromnutzung über 100 kW installierter elektrischer Leistung erhalten. Aufgrund des hergestellten Produkts unterliegt die Gesamtanlage den Anforderungen des Treibhausgas-Emissionshandelsgesetzes. Als Ausgleich für die Aufwendungen beim Kauf von CO2-Zertifikaten ermöglicht dies zusätzlich 0,3 Cent pro kWh an KWK-Förderung über den Zeitraum von 30.000 Vollbenutzungsstunden.

Neuartige Materialien für höhere Temperaturen

In Zukunft wird sich die Entwicklung der Mikrogasturbinentechnologie im Spektrum von Effizienzsteigerungen, der Verwendung von erneuerbaren Brennstoffen und den politischen europäischen und deutschen Rahmenbedingungen bewegen. Auf der Effizienzseite wird der Einsatz neuartiger Materialien bei Heißgasteilen zur Realisierung höherer Temperaturen und Drücken oder auch die Weiterentwicklung von mehrstufigen und mehrwelligen Mikrogasturbinen zur Effizienzsteigerungen beitragen. Auch der Einsatz von erneuerbaren Brennstoffen wie Wasserstoff oder Mischgasen mit Wasserstoffanteil ist in der Entwicklung oder bereits bei Herstellern in der Erprobung. Grundsätzlich gilt es hierbei, die Anforderungen von Industrieunternehmen wie die Sicherheit und Kalkulierbarkeit der Energieversorgung, Flexibilität in der Form der Energiebereitstellung für sich permanent ändernde Produktionsabläufe nicht aus den Augen zu verlieren.

Bildergalerie

  • Turbinenwelle mit Permanentmagnet, Verdichterrad und Arbeitsturbine.

    Bild: E-quad Power Systems GmbH

  • Seit Jahresbeginn decken in Langenhagen drei Mikrogasturbinen die Grundlast des Warmwasserbedarfs für Reinigungsbecken zur Behandlung von Turbinenbauteilen ab.

    Bild: E-quad Power Systems GmbH

  • Die Turbinen.

    Bild: E-quad Power Systems GmbH

Firmen zu diesem Artikel
Verwandte Artikel