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07-08 | 2015

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EnergieForum Schmiedeöfen Gebläse je 90 kW max. 2.600 kW bei 550°C 136°C Kamin Abgas Wasser Arbeitsmedium ORC-Anlage Wirkungsgrad ~ 12 % 120°C rd. 18 bar max. Verdampfer 375 kWel und Überhitzer ~ 119°C max. 20 bar 27°C mind. 1 bar Kondensator 110°C Wärmeübertrager 160°C Speisepumpen Vorwärmer Turbine- Generator- Einheit Strom in kWh 40.000 30.000 20.000 10.000 0 Stromproduktion Stromeigenverbrauch Bild 3 Verfahrensschaubild der ORC-Anlage. -10.000 Apr 12 Mai 12 Jun 12 Jul 12 Aug 12 Sep 12 Okt 12 Nov 12 Dez 12 Jan 13 Feb 13 Mrz 13 Apr 13 Mai 13 Jun 13 Jul 13 Aug 13 Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Mai 14 Jun 14 Jul 14 Bild 5 Stromproduktion und Eigenverbrauch der ORC-Anlage seit der Inbetriebnahme 2012. Bild 4 Beispiel einer energetischen Bilanzierung des Gesamtsystems. Zeitraum Betriebszeit in h Zeitliche Auslastung in % Anfang 2012 wurde die ORC-Anlage (Bild 2) installiert und an das Abgassystem sowie das werksinterne Stromnetz angeschlossen. Im März 2012 wurde die Anlage in Betrieb genommen. Insgesamt ergibt sich die in Bild 3 für die ORC-Anlage dargestellte Betriebsweise. Die Abgaswärme aus den Schmiedeöfen kann bis zu einer Leistung von 2,6 MW (th.) über einen Abgaswärmeübertrager auf den Heißwasser-Kreislauf übertragen werden. Im Abgaswärmeübertrager wird das Abgas Stromproduktion brutto in kWh Stromeigenbedarf in kWh Stromproduktion netto in kWh Apr. bis Dez. 2012 1 045 14,2 20 648 40 510 – 19 862 Jan. bis Dez. 2013 2 644 30,2 100 680 37 430 63 250 Jan. bis Jul. 2014 2 562 50,3 165 942 9 441 156 501 Tabelle 2 Bisherige Betriebsergebnisse der ORC-Anlage. von maximal 550 °C auf etwa 160 °C abgekühlt. Im Gegenstrom wird das Heißwasser von 110 °C auf 136 °C erwärmt und in das ORC-Modul eingebunden. Im ORC-Kreislauf wird das Arbeitsmittel zunächst auf einen Druck von rund 20 bar gebracht. Der Hochtemperaturkreis bedient einen Rohrbündelverdampfer mit Überhitzungsstufe. Dabei wird das Arbeitsmittel bei rund 120 °C verdampft und überhitzt. Ein Plattenwärmeübertrager erwärmt das Arbeitsmittel von rund 28 °C auf etwa 119 °C. In den insgesamt vier Turbinen-Generator-Einheiten wird das Arbeitsmedium schließlich von rund 18 bar auf etwa 1 bar entspannt. Das Arbeitsmittel wird in den Kondensatoren auf rund 27 °C abgekühlt. Die maximale elektrische Leistung der ORC Anlage beträgt zur Zeit 4 · 75 kW (= 300 kW). Begleitend zu den Arbeiten an der ORC- Anlage wurde zur Unterstützung des Anlagenbetriebes ein Ofenbilanzierungsprogramm entwickelt und installiert. Als Basis wurden umfangreiche energetische Bilanzierungen der vier Schmiedeöfen und der ORC-Anlage durchgeführt, um die einzelnen Energieströme innerhalb des Systems quantifizieren zu können (Bild 4). Das daraus entwickelte Bilanzierungsprogramm beinhaltet Prognosefunktionen zum Erdgas- und Stromverbrauch sowie der Abwärmeleistung und dem daraus zu erzeugenden Strom. Damit können die Ofenfahrweise und der ORC- Betrieb durch eine vorausschauende Planung unterstützt werden. 62 BWK Bd. 67 (2015) Nr. 7/8

EnergieForum Mittlerer Abwärmestrom 2 129 kW (th.) Betriebsstunden gesamt – Volllastanteil – Teillastanteil 135 bis 108 °C 35 % 65 % Preissteigerung 3 % Abschreibungszeit 15 Jahre Nutzungsdauer 20 Jahre Zinssatz 4 % Bild 6 Abschätzung der Amortisationszeit der ORC-Anlage. Tabelle 3 Randbedingungen für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Betriebsergebnisse und Wirtschaftlichkeit Nach der Inbetriebnahme der ORC- Anlage traten verschiedene Störungen auf, die einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage bis Ende 2013 weitestgehend verhinderten, zum Beispiel der Ausfall der Speisepumpen im Kältemittelkreislauf, Verunreinigung des Kältemittelkreislaufs, Kältemittelverlust und Defekt einer Turbine. Zudem waren bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt aufgrund von Ofenrevisionen nie alle vier angeschlossenen Öfen in Betrieb, so dass die maximal mögliche Abwärme bislang nicht zur Verfügung stand. Bild 5 zeigt die monatliche Betriebszeit, die Stromproduktion und den Eigenbedarf der ORC-Anlage. Der Betrieb der Anlage ist seit Anfang 2014 deutlich stabiler. Zudem konnte infolge seltenerer An- und Abfahrvorgänge der Eigenverbrauch der Anlage deutlich gesenkt werden. Die elektrische Maximalleistung der Anlage lag bislang bei rund 140 kW. Der Betrieb der ORC-Anlage innerhalb des Forschungsprojektes ergab bis einschließlich Juli 2014 eine Nettostromproduktion von rund 200 000 kWh bei rund 6 300 Betriebsstunden (Tabelle 2). Da der produzierte Strom einen Teil des Eigenbedarfs der Firma Grimm deckt, muss dieser nicht extern bezogen werden. Der mit der ORC-Anlage produzierte Strom wird aus einer vorhandenen, ansonsten nicht genutzten Energiequelle erzeugt. Daraus ergibt sich direkt eine Primärenergieeinsparung in gleicher Höhe entsprechend des deutschen Strommixes, der zu rund 55 % aus fossilen Energieträgern erzeugt wird. Aus dem CO 2 -Äquivalent des deutschen Strommixes von 601 g CO 2 /kWh (für 2012) ergibt sich eine Verringerung der klimarelevanten Emissionen von rund 120 000 kg innerhalb des Forschungsprojektes. Für die Wirtschaftlichkeitsabschätzung wurden einige Annahmen getroffen, die in Tabelle 3 zusammengefasst sind. Aus der Variation des Strompreises zwischen 10 und 20 Ct/kWh bei den genannten Randbedingungen ergibt sich eine Amortisationszeit der ORC-Anlage von rund sieben bis 16 Jahren. Wäre die ORC-Anlage für den tatsächlich vorliegenden Abwärmestrom von maximal 1,7 MW (th.) ausgelegt worden, so würde sich die Amortisationszeit jeweils um rund ein bis 2,5 Jahre aufgrund der geringeren Investitionskosten verringern (Bild 6). Die Laufzeit der ORC-Anlage kann mit bis zu 20 Jahren angenommen werden. Aus den genannten Randbedingungen sowie den Betriebsergebnissen seit Juli 2014 ergibt sich eine zu erwartende Stromproduktion von rund 950 000 kWh/a. Daraus resultiert eine mögliche CO 2 -Einsparung von 570 t/a. Die Kostenersparnis durch die Eigenstromproduktion beläuft sich auf bis zu 180 000 € jährlich. Fazit Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde die Abwärmeverstromung am Beispiel eines Schmiedebetriebes erstmalig demonstriert. Als geeignetstes Verstromungsverfahren wurde der ORC-Prozess identifiziert. Nach der Inbetriebnahme der ORC-Anlage traten verschiedene Betriebsstörungen auf. Zusammen mit dem Anlagenbauer konnten Defizite identifiziert und Verbesserungsmaßnahmen erarbeitet werden. Nachdem die Betriebsstörungen der ORC-Anlage beseitigt werden konnten, stellte sich ein weitestgehend kontinuierlicher Betrieb ein. Die zu erwartende Amortisationszeit der ORC-Anlage liegt je nach Strompreis zwischen sieben und 16 Jahren. Über die gesamte Lebenszeit der ORC-Anlage von anzunehmenden 20 Jahren kann eine CO 2 -Ersparnis von rund 11 400 t erreicht werden. Die Kostenersparnis durch die Eigenstromproduktion beläuft sich auf bis zu 180 000 € jährlich. Zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der ORC-Anlage bei der Firma Grimm wird es zukünftig die Aufgabe sein, der ORC-Anlage mehr Abwärme zur Verfügung zu stellen. Dies würde sich automatisch mit dem Betrieb aller vier angeschlossenen Öfen einstellen, was jedoch im Wesentlichen von der Auftragslage abhängt und nur begrenzt zu beeinflussen ist. Der Stromeigenverbrauch der ORC-Anlage kann durch den Austausch einer der Speisepumpen im Kältemittelkreislauf durch eine Pumpe mit geringerer Leistung gesenkt werden. Im Lauf des Projekts konnte das Interesse anderer Schmiedebetriebe bis über die Grenzen Deutschlands hinaus geweckt werden, so dass weitere Kooperationen geplant sind. Zudem hat sich das Vorhaben als Klimaexpo.NRW-Projekt qualifiziert und das Klimaexpo.NRW- Logo erhalten. BWK Bd. 67 (2015) Nr. 7/8 63

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