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07-08 | 2015

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EnergieForum Erfahrungen

EnergieForum Erfahrungen zu Umsetzung und Betrieb einer Abwärmeverstromung mittels ORC-Prozess Strom aus industrieller Abwärme ORC-PROZESS | In den energie - intensiven Industrien wird eine Vielzahl verschiedener Thermoprozessanlagen zum Beispiel zur Produktion und Wärmebehandlung von Produkten und Halbzeugen eingesetzt. Viele dieser Anlagen haben Wärmerückgewinnungssysteme zur Verringerung der Abgas - wärmeverluste. Dennoch fallen auch an diesen Anlagen noch Abwärmeströme mit Temperaturen von über 300 °C an, die ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Eine Möglichkeit diese Abwärme sinnvoll zu nutzen, ist die Verstromung. Hierfür bieten sich verschiedene Verfahren wie beispiels - weise der Organic Rankine Cycle (ORC) an. Im folgenden Beitrag wird die erstmalige Umsetzung einer Abwärmeverstromung mittels ORC in einem Schmiedebetrieb vorgestellt. Autoren Bild 1 Schmiedeofen bei der Gustav Grimm Edelstahlwerk GmbH & Co. KG. Dr.-Ing. Frank Mintus, Jahrgang 1970, Studium des Maschinenbaus an der Universität Siegen, danach Promotion am Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik. Seit 2005 Projektleiter beim VDEh-Betriebsforschungsinstitut, Abteilung Gastechnik und Energiewirtschaft, Düsseldorf. i frank.mintus@bfi.de Dipl.-Ing. Bernhart Stranzinger, Jahrgang 1971, Studium der Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Seit 1999 beim VDEh-Betriebsforschungsinstitut, Leitung der Abteilung Gastechnik und Energiewirtschaft, Düsseldorf. i bernhart.stranzinger@bfi.de Dipl.-Ing. Jörg Grünke, Jahrgang 1960, Studium des Maschinenbaus an der FH Bochum. Seit 1988 als Leiter der Abteilung Instandhaltung bei der Gustav Grimm Edelstahlwerk GmbH & Co. KG in Remscheid tätig. i joerg.gruenke@gustav-grimm.de Wolfgang Schneider, Jahrgang 1943, Mehrfachausbildungen technisch und kaufmännisch im Bereich der Gebäudetechnik. Ab 1968 Tätigkeiten in führenden Positionen verschiedener Firmen, ab 1988 als Projektmanager und Geschäftsführer im Gewerbe- und Industriebau mit eigener Firma tätig. Projektmanager und Geschäftsführer der Firma Universa Management GmbH, Netphen. i wolfgang.schneider@gustav-grimm.de Das Projekt wurde gefördert durch das Bundes - ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und betreut durch den Projektträger im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. An vielen Thermoprozessanlagen energieintensiver Industrien werden Wärmerückgewinnungssysteme zur Verringerung der Abgaswärmeverluste sowie des Brennstoffbedarfs eingesetzt. Häufig kommen dabei, wie zum Beispiel an Schmiede- und Walzwerksöfen der Stahlindustrie, Rekuperatorsysteme zur Brennluftvorwärmung zum Einsatz. Mit Hilfe dieser Systeme können bis zu 30 % der Abgaswärme dem Ofen wieder zugeführt werden. Der Rest der Abwärme geht bei einem Temperaturniveau von 300 bis 800 °C ungenutzt an die Umgebung verloren. Eine Möglichkeit, dieses hohe Abwärmepotenzial auch im Zuge der wachsenden Dringlichkeit des Klimaschutzes zu nutzen, ist die Stromerzeugung zum Beispiel mittels Dampfturbine, Dampfmotor oder ORC-Prozess. Aus dieser Situation heraus haben sich die Gustav Grimm Edelstahlwerk GmbH & Co. KG (Grimm) und die VDEh- Betriebsforschungsinstitut GmbH (BFI) zusammengefunden, um in einem Forschungsvorhaben erstmalig eine Abwärmeverstromung in einem Schmiedebetrieb betrieblich umzusetzen. Die Firma Grimm ist ein mittelständisches Unternehmen in Remscheid mit rund 155 Mitarbeitern. Auf modernen Schmiedeaggregaten werden hochwertige Freiformschmiedestücke und Stabstahl in Form von Einzelstücken und Kleinserien für anspruchsvolle Aufgaben zum Beispiel in der Chemie- und Lebensmittelindustrie sowie dem Maschinenbau gefertigt. Das BFI ist eines der europaweit führenden Institute für anwendungsnahe Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Stahltechnologie. Das Tätigkeitsfeld des BFI erstreckt sich entlang der kompletten Prozesskette der Stahlherstellung von den Einsatzstoffen zum Endprodukt. Dabei steht die werksweite Optimierung bezüglich Qualität, Ressourcen- und Energieeffizienz im Vordergrund. An den Schmiedeöfen (Bild 1) der Firma Grimm lag schon die Nutzung eines Teils der Schmiedeofenabwärme zur Brennluftvorwärmung in Rekuperatoren vor. Da die Temperatur der Abwärmeströme nach den Rekuperatoren noch bis zu 550 °C betrug, war die Intention, die Rest - abwärme zur Stromerzeugung zu nutzen. Dadurch sollten der externe Strombezug und die Stromkosten des Betriebes gesenkt werden. 60 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 7/8

EnergieForum Projektablauf Im ersten Schritt des Vorhabens wurden mittels Betriebsmessungen an den Schmiedeöfen und der Auswertung vorhandener Betriebsdaten die Randbedingungen des Abwärmeaufkommens ermittelt. Zur Verstromung der Abgaswärme wurden aufgrund ihrer Leistung und räumlichen Nähe zueinander zu Projektbeginn vier Schmiedeöfen ausgewählt. Zunächst wurde die Ofenbelegungsstrategie mit Informationen zu Aufheizzeiten, Temperaturniveaus, Tonnage und Aufheizprogrammen aufgenommen und ausgewertet. Danach wurden im Abgaskanal der Schmiedeöfen Messungen durchgeführt. Ziel war die detaillierte Erfassung und Bewertung der Abgaszusammensetzung, Ofenfahrweise und des Energieinhaltes des Abgases, als Grundlage zur Auslegung der Verstromungsanlage. Insgesamt hat sich aus den Messungen ergeben, dass für die Auslegung des Verstromungsverfahrens unter Berücksichtigung der Teillastzustände der Öfen von einer maximalen nutzbaren Abwärmeleistung von rund 2,1 MW (th.) ausgegangen werden konnte. Die Abgastemperatur nach dem Rekuperator betrug maximal 550 °C, die maximale Ofenraumtemperatur rund 1 200 °C. Die Messung der Abgaszusammensetzung hatte zum Ergebnis, dass sich aus der Abgas- und Staubzusammensetzung keine erhöhte Schädigungsgefahr für die nachgeschaltete Verstromungsanlage oder deren Wärmeübertrager ergibt. Aufgrund der kurzfristigen Produktionsplanung, des Entnehmens und Einlegens des Schmiedeguts in die Öfen sowie der Wochenendstillstände sind der Betrieb der Schmiedeöfen und damit auch die Leistung des Abwärmestroms stark diskontinuierlich. Diese Diskontinuität war bei der Auswahl eines geeigneten Verstromungsverfahrens zu berücksichtigen: Zum einen musste das Verstromungsverfahren automatisch und schnell anfahren, wenn genügend Abwärme vorliegt, und zum anderen musste das Verfahren gut im Teillastbereich „zu fahren“ sein. Anhand der ermittelten Randbedingungen wurden ORC-Prozess, Dampfturbine und Dampfmotor in Betracht gezogen. Ergebnis der Bewertung der drei Verstromungsverfahren war, dass der ORC-Prozess am besten alle Anforderungen bei der Firma Grimm erfüllen konnte. Eine Dampfturbine ist nicht geeignet, da der Anfahrvorgang relativ lange dauert, die Wartungs- und Betriebskosten durch spezialisiertes Personal hoch sind sowie ein Betrieb im Teillastbereich nur stark eingeschränkt möglich ist. Zudem ist der Aufwand für die erforderliche Peripherie (wie zum Beispiel Dampferzeuger, Entsalzungsanlage, Speisewassertank, …) deutlich höher als bei der ORC-Anlage. Die größten Nachteile eines Dampfmotors sind der relativ niedrige Wirkungsgrad im angestrebten Temperatur- und Leistungsbereich sowie eine ähnliche Peripherie wie bei der Dampfturbine. Zudem ist bei einer ORC-Anlage aufgrund der geringeren thermischen und mechanischen Beanspruchung mit einer höheren Lebensdauer zu rechnen. Basierend auf den bereits genannten technischen Randbedingungen fiel die Wahl letztendlich auf eine ORC-Anlage mit den in Tabelle 1 zusammengefassten Leistungsdaten. Zum Zeitpunkt der Auswahl des Verstromungsverfahrens war davon auszugehen, dass vier baugleiche Schmiedeöfen an das Nutzbarer Abwärmestrom Bild 2 Außenansicht der ORC-Anlage auf dem Werksgelände der Firma Grimm. Verstromungsverfahren angeschlossen werden. Im späteren Projektverlauf ergab sich durch Änderung der Unternehmensziele der Firma Grimm, dass nur drei baugleiche Öfen und ein weiterer Ofen mit geringerer Leistung an das Abwärmeverstromungsverfahren angeschlossen wurden. Insgesamt standen dadurch nur rund 1,7 MW (th.) an Abwärme zur Verfügung. Nach Abschluss der Engineering-Arbeiten zur Installation der ORC-Anlage (Auslegung eines Abgassammelkanals, statische Berechnungen für Fundamente, Schallschutzgutachten, Baugenehmigungen usw.) wurden Ende 2011 die erforderlichen Umbaumaßnahmen zur Installation der ORC-Anlage durchgeführt. Um die ORC-Anlage mit dem heißen Abgasstrom der vier Schmiedeöfen zu versorgen, mussten temperaturbeständige Rohrleitungen, Regelklappen, ein Abgaskamin und Gebläse installiert werden. Des Weiteren war ein spezielles Fundament für die Aufstellung der ORC-Anlage erforderlich. 2 129 kW (th.) HT-Kreis 135 bis 108 °C Anzahl der Turbinen max. 5 mit 75 kW (el.) z.Z. vier Turbinen installiert Elektrische Energie an den Generatorklemmen max. 375 kW (el.) Eigenbedarf der ORC-Aggregate (ohne Ventilatoren) rd. 54 kW (el.) Elektrische Garantieleistung 200 kW (el.) Abgastemperatur am Eintritt Wärmeübertrager max. 550 °C Abgastemperatur am Austritt Wärmeübertrager rd. 250 °C (min. 60 °C) Wirkungsgrad der ORC-Anlage netto: 12 bis 14 %, brutto: 15 % Tabelle 1 Leistungsdaten der ORC- Anlage. BWK Bd. 67 (2015) Nr. 7/8 61

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