Effiziente Abwärmenutzung im ORC- und Kalina

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Kolloquienreihe Nachhaltige Energieversorgung - Wunsch oder Wirklichkeit ?
Effiziente Abwärmenutzung im ORC- und Kalina-Prozess
Universität der Bundeswehr München
Thomas Eisebraun, Oktober 2013
Effiziente Abwärmenutzung
Die ILF Gruppe

Unternehmen
• 1967 Gründung durch P. Lässer,
1969 Beitritt von A.H. Feizlmayr  „ILF“
• Heute international tätige, unabhängige Ingenieur- und
Beratungsunternehmen, zu 100% im Privatbesitz
• Völlige Unabhängigkeit von Herstellerinteressen, Lieferanten
und Banken  Eingehen auf individuelle Kundenbedürfnisse
• Interdisziplinäre Ingenieur- und Managementleistungen für
komplexe Industrie- und Infrastrukturprojekte („one stop shopping“)
• Streben nach „qualitativer Marktführerschaft“
• Sicherheit, Gesundheitsschutz und Umweltverträglichkeit prioritär
• Umsatz 2011 192 Mio.€ | 1.810 Mitarbeiter weltweit
Seite 2
IEE Industrielle Energie Effizienz
1
Die ILF Gruppe
Unsere Leistungen:
Energie-Management-System EnMS
nach ISO 50001
„das Management-Tool der Technik“
Ihre Vorteile:
Kontinuierliche Einsparungen
Energie- und Medienversorgung
Steuern und Abgaben
Emissionen und Umweltbelastung
ILF – weltweit, unabhängig und
kompetent
Energie-Effizienz-Projekte
Consulting:
Zertifizierung EnMS, CO2
Förderung, Abgaben und Steuern
Strukturierte Energieanalyse
Ganzheitliche Betrachtung:
Imagegewinn
Finanzierungskriterium
Marktstellung
Fit für zukünftige Energiethemen:
CO2-Footprint
EEG-2012,StromSt-Spitzenausgleich
Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung
Energiewandel mitgestalten:
Innovation
Marktpräsenz
Flexibilität
Seite 3
Inhalt
1.
Allgemeines zur Abwärmenutzung
2.
Möglichkeiten der Stromerzeugung
3.
Herausforderungen der Restwärmenutzung
4.
Best-Practise ORC- Anlage
5.
Referenzen und Kontaktdaten
Seite 4
2
Allgemein

Abwärmepotentiale am Beispiel der Metallerzeugung,
Energiesituation 2007:
• Primär- und Sekundärenergieeinsatz : ~ 156.000 GWh in D-gesamt
: ~ 47.000 GWhth1
• Davon Abwärmepotential > 140 °C
• In Österreich > 50% in einem Bereich 140°C-
Abwärmeverluste
250°C1
Kosten:
1. Gas:
~2.600 Mio. €
2. Heizöl:
3. Strom:
~4.400 Mio. €
~3.760 Mio. €
Annahmen
• Zur Erzeugung von 47.000 GWhth wären notwendig:
Wirkungsgrad Einheit
Brennwert pro
Einheit
Preis pro
Einheit
90%
m³
10,1 kWh
5.171.000.000
0,50 €
85%
l
10,0 kWh
5.529.000.000
0,80 €
95%
MWh
-
1Forschungsbericht
Menge
„Die Nutzung industrieller Abwärme“, 2010, ifeu, Fraunhofer ISE, etc
49.474.000
80 €
Seite 5
Allgemein

Thermische Nutzung:
• Einspeisung Fernwärmenetz
• Vorwärmung von Betriebsstoffen
• Absorptions- Kältemaschinen

Wenn nicht möglich
oder nicht
gewünscht, dann:
Möglichkeit der Verstromung
Abwärmeverluste
Weitere Wertschöpfung
Seite 6
3
Stromerzeugung

Übersicht Kreisprozesse < 1.000 °C
1000
Stirling
Temperatur [°C]
800
600
Dampfturbine
400
ORC
200
Kalina-Prozess
0
10 kW
100 kW
1 MW
Abwärmeleistung [MW]
10 MW
100 MW
Seite 7
Stromerzeugung

Funktionsweise Kalina
Seperator
• Kreisprozess wurde speziell
für die Nutzung von
Ressourcen mit niedrigen
Enthalpien entwickelt
HT Rekuperator
NT Rekuperator
• Ammoniak/ Wassergemisch
als Arbeitsmedium
• Anwendungsbereich bei ~ 80 200 °C
• Komplexer Systemaufbau mit
NT- und HT Rekuperator
• Hochkorrosive
Medien
Abwärmequelle
Wärmeabfuhr (Kühler)
Quelle: „Vergleich binärer Kraftwerke“, D.Szablinski, Pfalzwerke AG
Seite 8
4
Stromerzeugung

Bewertung des Kalina-Kreisprozesses
• Bei niedrigen Abgastemperaturen (<200°C)
noch guter Wirkungsgrad (bis ~14%)
• Ammoniak/ Wassergemisch ist hochkorrosiv
• Komplexer Systemaufbau mit NT- und HTRekuperator
• Hohe spezifische Investitions- und
Betriebskosten
• Immer individuelle Ausführung, da keine
Standardlösungen auf dem Markt vorhanden
sind.
Geothermiekraftwerk Bruchsal (550kWel)
Quelle: Internetauftritt EnBW,
Seite 9
Stromerzeugung

Funktionsweise ORC
•
Abwärmequelle
Basierend auf dem ClausiusRankine-Prozess mit
organischen Medium
ORC = Organic Rankine
Cycle
•
Anstelle von Wasser werden
Flüssigkeiten wie z.B. R134a,
n-Butan, etc. verwendet
•
Von ca. 90° bis 350°C
anwendbar (NT: 90-200°C
und HT: 200-350°C)
•
Bis zu 22%
Bruttowirkungsgrad
Wärmeabfuhr (Kühler)
Quelle: „ORC-Erdwärme-Kraftwerke “, Joemann, Megersa, Universität Kassel
Seite 10
5
Stromerzeugung

Bewertung ORC-Kreisprozess
• Bei niedrigen Abgastemperaturen (<200°C) eher
geringe Wirkungsgrade (bis ~12%)
• Gute Teillastfähigkeit
• Hohe Effizienz und Lebensdauer
• Geringe Amortisationszeiten
• Stand der Technik
ORC-Modul 700kWel Quelle: Turboden, Referenzliste1
• Geringe spezifische Betriebs- und
Investitionskosten
1Weitere
Seite 11
Anlagenhersteller z.B. Dürr, Ormat Technologies, GMK, u.v.m
Stromerzeugung

Übersicht
Prozess
Temperaturbereich Bruttowirkungsgrade
Anmerkung
Dampf
400 – 600 °C
Bis ~ 40 %
Hohes
Temperaturniveau/
bedingt teillastfähig/
erprobte Technologie
ORCHochtemperatur
~2001 – 350 °C
Bis ~ 22 %
Gute Teillastfähigkeit/
ORCNiedertemperatur
80 – ~1501 °C
Bis ~ 12 %
Gute Teillastfähigkeit/
Kalina
80 – 200 °C
Bis ~ 14 %
Hohe Betriebskosten/
früher Entwicklungstand
1Definition
des Temperaturbereiches ist herstellerabhängig
Im weiteren
Verlauf Fokus
auf ORC
Seite 12
6
Herausforderungen der Abwärmenutzung

Z. B. in der Metallindustrie:
• hohes Potential vorhanden
• bewährte ORC-Technologie für die Stromerzeugung
aber :

Vielfältige Herausforderungen
• Hohe Anforderungen an den Wärmetauscher bezgl. der Abgasqualität
• ggf. diskontinuierlicher Anfall der Restwärmemengen
• KWK-Vergütung
Seite 13

Wärmeauskopplung
• Stellenweise hohe Staubbeladung und/ oder hohes
Korrosionspotential des Abgases
• Hohe Volumenströme und Leistungen

Herangehensweise
• Erfassung der Abgaszusammensetzung und Abgasmenge
Abgasnutzung und Staubablagerung auf
einem mit Luft gekühlten
Test- Wärmeübertrager nach 43 h1
• Verwendung hochwertiger Wärmetauscher
• Minderung der Korrosion
• Längere Laufzeit und geringere Wartungskosten
• idR erreichbar durch Graphit oder Keramik
1Aus:
„ Abwärme zu Strom veredeln“, Experimentelle Untersuchung, Chr. Brandt, ZAE Bayern
Seite 14
7

Prozessschwankungen
• Bei einer Wärmequelle1
Ungenutzte
Anteile
Variierende Abwärmeleistung [%]
100%
Möglicher
Auslegepunkt
ORC-Anlage
75%
50%
25%
0%
1 min
9 min
17 min
25 min
33 min
41 min
49 min
57 min
1Beispielverlauf
Minderleistung
ORC
Seite 15
aus: „Abwärme zu Strom verwandeln“, Chr. Brandt, ZAE Bayern

Prozessschwankungen – Lösung 1
• Ringschluss und Koppelung von zwei (oder mehr) Abwärmequellen
• Weitere Prozesse einbinden, die sich gegenseitig unterstützen
Ungenutzte
Anteile
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
1 min
Abwärme Prozess 2
Abwärme Prozess 1
9 min
17 min
25 min
33 min
41 min
49 min
Möglicher
Auslegepunkt
ORC-Anlage
57 min
Minderleistung
ORC
Seite 16
8

Prozessschwankungen – Lösung 2
• Ringschluss und Koppelung wie vor
• Weitere Wirkungsgradverbesserung durch Latentwärmespeicher oder zeitlicher Prozessverlagerung:
Ungenutzte
Anteile
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
1 min
Möglicher
Auslegepunkt
ORC-Anlage
9 min
17 min
25 min
33 min
41 min
49 min
57 min
Minderleistung
ORC
Seite 17

Zusammenfassung Prozessschwankungen
• Temperatur- oder volumenstrombedingt
• Mindern Wirkungsgrade und Auslastung der ORC-Anlage

Vorgehensweise
• Zusammenschluss mehrerer Wärmequellen durch Ringnetzschluss
• Und/oder Verwendung von Wärmespeichern (z.B. Thermoöle – Wasser – Dämmung vorh. Speicher)
• Konstante Auslastung
• Höhere Effizienz
Seite 18
9
Ökonomie von ORC-Anlagen

Ökonomische Grundlagen
• Finanzieller Vorteil - Einsparung Stromkosten
• Förderung von hocheffizienten Anlagen durch KWK-Gesetz, idR nur dann, wenn nach dem
ORC-Prozess in der Nahwärme oder dgl. genutzt werden kann
dann  gesicherte Einspeisevergütung / Einspeisevorrang
Förderungsdauer sind 6 Jahre oder 30.000 Vollbenutzungsstunden (KWKG-Zuschlag)
• Finanzierung über KfW-Bank möglich
Seite 19

Referenz: ILF Projekt Hall in
Tirol
• Komplette Planungs- und
Beratungsleistungen
• Leistungsdaten
• Hauptsächliche Nutzung:
Fernwärmeversorgung
• Thermische Leistung
Heizkraftwerk: 27 MWth

Im Vergleich: Projektbeispiel
• Abwärmenutzung Metallindustrie
• Nutzbares Potential: 8,5 MWth
• Temperaturniveau von 240°C
• Konstante Leistung durch
• Ringschluss und Koppelung
mehrerer Abwärmequellen
• Wärmespeicher
• ORC- Anlage mit 1100 kWel
• Feuerungsleistung nicht konstant
(Winter-/ Sommerlastgang)
Seite 20
10

Vergleich der ORC- Projekte
Parameter
Hall in Tirol
(biomassebefeuert)
Beispiel Metallindustrie
(industrielle Abwärme)
Maximal nutzbare
Wärmeleistung
27 MWth
8,5 MWth
Nutzungszeitraum
~ 5.000 VBh
~ 8.000 VBh
Temperaturniveau
300 °C
240°C
Nettoleistung ORC
1.100 kWel
1.100 kWel
Nettowirkungsgrad
~ 17 %
~ 13 %
Stromerlöse durch
Verringerung Strombezug
120 €/MWhel
80 €/MWhel
Seite 21

Amortisationszeit beider Anlagen (in Abhängigkeit der
Anlagenleistung bei unterschiedlichen Auslastungen)
ORC- Anlagen
12
10
Auslegungspunkt
6
Amortisatzionszeit [a]
8000 VBh Abwärme
@ 80€/MWh
5000 VBh Biomasse
@ 120€/ MWh
8000 VBh Abwärme
@ 120€/MWh
beider
8
Für Amortisationrechnung
getroffene Annahmen:
4
2
1. Investitionskosten
Kosten ORC-Anlage
+Komponentenkosten
50% (Biomasse) bzw. 90%
(Abwärme) der
Anlagekosten
+Planungskosten
15% der Anlagen- +
Komponentenkosten)
=Gesamtkosten
2. Betriebskosten pro Jahr
1 % des Gesamtinvest/a
0
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Anlagenleistung ORC [kWel]
Seite 22
11

Projektbeispiel Abwärmenutzung
• Investitionskosten von ca. 3,7 Mio.€
• 1,7 Mio. € ORC- Anlage
• 1,5 Mio. € sonstige Komponenten
• +15% Planung
• Es resultieren pro Jahr:
• +704.000 € Einsparungen an Stromkosten (80€/ MWh)
• -36.000 € Unterhaltkosten
• Amortisation nach ca. 5,4 Jahren
Und weiterhin
Durchschnittlich 9,6 Jahre
Restnutzungsdauer und
entsprechende Erlöse
Seite 23
Resumée

Hohe und mittlere Einsparpotenziale sind in der deutschen
Industrie weitestgehend ausgenutzt.

Ein Baustein zur weiteren Stärkung der
Wettbewerbsfähigkeit der stromintensiven Industrie kann
die Verstromung der Restwärmemengen sein

Die Technik ist erprobt - die „kostenlose“ Abwärme kann
sinnvoll genutzt werden – ggf. entfallen sogar passive oder
aktive Rückkühlkosten.

Die ROI´s sind im Bereich von ~ 6a

Worauf warten ??
Seite 24
12
Referenzen
Seite 25
IEE Industrielle Energie-Effizienz
Kontakt

ILF-Kontakt
• ILF Beratende Ingenieure GmbH
Werner-Eckert-Straße 7
81829 München
Deutschland
• Tel.: +49 (89) 25 55 94 – 0
• Fax: +49 (89) 25 55 94 - 144
• [email protected]
Name
Funktion
Jürgen KERSCHER
Abteilungsleiter
Durchwahl
Thomas EISEBRAUN
Executive Consultant IEE
- 276
Andrej von Hoyningen-HUENE
Auditor | Management Systeme | Process
- 186
Thomas PRÜFLING
MSR-Technik
- 138
Olaf RZECZEWSKY
Elektr. Systeme und Beleuchtung
- 242
Robert Große
KWK | Speicher | Thermische Systeme
- 266
Manuel GEIGER
Steuern | Abgaben | Förderungen
- 545
- 516
Seite 26
13
IEE Industrielle Energie-Effizienz
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
14

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