Grafik 3 - Optimierter DWK mit Vorschalt-Gegendruckturbine
Stand der thermischen Abfallverwertung
Aurelius Waldispühl / Phillipe Wanner*
Kehrichtverbrennungsanlagen: Wirkungsgradoptimierung im Dampf-Wasser-Kreislauf
Noch wird in Europa der meiste Abfall (Güssel) auf Deponien entsorgt und trägt damit zu einer Zeitbombe bei. Experten haben es schon längst aufgegeben, Schätzungen über die inskünftigen Sanierungskosten abzugeben. Lediglich in der Schweiz, Dänemark und den Benelux-Staaten (Belgien, Niederlande, Luxemburg) werden mehr als 50% der anfallenden Abfälle thermisch behandelt. In der Schweiz sogar mehr als 80 %, wobei ein Deponieverbot seit 2001 in Kraft ist. In Deutschland gilt das Deponieverbot ab 2005. Jedoch werden dann zu diesem Zeitpunkt immer noch mehr als 50% der Abfallmengen unbehandelt in den Deponien landen.
Seit 1990 sind in der Schweiz an den 29 KVA-Standorten 31 neue Verbrennungslinien gebaut worden. In den total 58 Verbrennungslinien werden 2,8 Millionen Tonnen Abfälle thermisch behandelt. Riesige Fortschritte wurden im Bereich der Rauchgasreinigung und Abgasbehandlung realisiert. Die gesetzlichen Normen sind weit unterschritten und beim Verband der Betriebsleiter Schweizer Abfallbehandlungsanlagen ist man stolz auf das Ergebnis: Abgase aus Kehrichtverbrennungsanlagen sind denen der Hausfeuerungsanlagen fast gleichwertig.
Diese umweltverträgliche Abfallentsorgung bestehend aus der thermischen Abfallbehandlung mit Energierückgewinnung wird inskünftig ihr Augenmerk vermehrt auf einen noch grösseren thermischen Wirkungsgrad des Prozesses ausrichten. Vergleicht man nur die elektrischen Wirkungsgrade von thermischen Kraftwerken, so ergibt sich ein Vergleich gemäss Grafik 1.
Wirkungsgradverbesserung durch WKK
Mit dem relativ bescheidenen Frischdampfzustand bei Kehrichtverbrennungsanlagen
von meist 40 bar/400°C und einem Abdampfdruck von 0,1 bar, einfache
Speisewasservorwärmung und Speisewassertemperatur von 130°C ist
der elektrische Wirkungsgrad einer KVA ohne Eigenbedarf bei zirka 23 %
entsprechend einem Dampfverbrauch von knapp 4,6 kg/kWh. Wenn die Wärme-Kraft-Kopplung
angewandt wird, das heisst Prozess- oder Komfortwärme ausgekoppelt
wird, kann der Wirkungsgrad bis auf 80% gesteigert werden. Grafik 2 zeigt
für die 29 KVA-Standorte in der Schweiz den thermischen Jahreswirkungsgrad
auf.
Neben den 31 Verbrennungslinien sind seit 1990 23 Dampfturbinensatze in
Kehrichtverbrennungsanlagen installiert worden. Davon 20 Entnahme-Kondensations-Maschinen
mit Anzapfungen, zwei Kondensationsmaschinen mit Anzapfungen und eine
Entnahme-Gegendruck-Maschine (Basel). Darin eingeschlossen sind die Turbosätze
in Trimmis (7 MW), Inbetriebsetzung im Jahre 2005 und die Anlage in Lausanne
(20 MW), Inbetriebsetzung im Jahre 2006. Die Gesamtleistung dieser Turbinen
beträgt knapp 210 MW (im Vergleich Kernkraftwerk Mühleberg 355
MW).
Wahrend noch 1990 die elektrische Stromproduktion der KVA's bei 644 GWh
lag, hat sie sich bis zum Jahre 2002 mehr als verdoppelt und betrug 1346
GWh, während sich die Fernwärme-Auskopplung von 1765 GWh auf
2700 GWh erhöhte.
Bei einer jährlich verbrannten Abfallmenge von 2,8 Millionen Tonnen
Kehricht mit einem durchschnittlichen Heizwert von 3,65 MWh/t ergibt sich
eine Brennstoffenergie von 10220 GWh. Aus der oben genannten Strom- und
Fernwärmeproduktion ergibt sich also ein Jahres Wirkungsgrad von
zirka 40 % über alle Anlagen. Ziel für das Jahr 2010 ist ein
Jahreswirkungsgrad >50% und zwar bezogen auf die abgegebene Leistung
von Strom und Wärme, also nach Abzug des Eigenbedarfes. So wie in
Deutschland und auch in anderen Ländern wird auch in der Schweiz
durch Erneuerbare-Energie-Gesetze die Förderung von Ökostrom
intensiviert werden müssen.
Die Stromabgabe aus Biomasse und damit auch aus Kehricht ist durch angemessene
Stromvergütungspreise von 7,5 Rp./kWh im Sommer und 15 Rp./kWh im
Winter durchzusetzen. Ohne öffentlichen Druck wird dies nicht möglich
werden.
Von den 23 installierten Turbosätzen gingen 11
Maschinen mit einer Leistung von 107 MW über den Vertrieb des Anlagenbauers
Caliqua AG, Basel, also ein Marktanteil von mehr als 50%. Die übrigen
Anlagenbauer mit der Lieferung der Turbosätze waren 8x ABB, 1x von
Roll, 1x Siemens, 1x GEC Alstom, 1x Blohm & Voss. Von den 31 installierten
Verbrennungslinien seit 1990 waren die verantwortlichen Unternehmer für
Verbrennungsrost und Kessel: 6 Anlagen von ABB Enertech, später Alstom;
9 Anlagen von Martin, München; 6 Anlagen von Noell, früher K+
H Ofenbau; 8 Anlagen von Roll, Zürich und 2 Anlagen von der Firma
Stiefel.
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Grafik 1 - elektrischer Wirkungsgrad von Kraftwerken
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Grafik 2 - Vergleich Jahreswirkungsgrade
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Optimierung älterer Anlagen
Besonders ältere Anlagen haben Potential zur
Effizienzsteigerung. Mit kleinen Ergänzungen in der Anlage kann diese
Effizienzsteigerung erreicht werden. Die Wirtschaftlichkeit ist jedoch
nicht in jedem Fall überzeugend.
Anlageergänzung können sein:
- Frequenzumformer für alle Antriebe =30 kW
- Spitzenstrombedarf im Winter voll nutzen (7.00-7.30 Uhr und 11.00-11.30 Uhr), durch Versorgung der Fernwärme während dieser Tageszeit aus einem Heisswasserspeicher und volle Kondensation (siehe Grafik 4)
- Tieferer Entnahmedruck für Komfortwärme.
- Abdampfdruck im Winter senken (Luftkondensator)
- Entspannungs-Dampfmengen in den Prozess zurückführen.
- Mindestens 2-stufige Heizwassererwärmung für Komfortwärme.
- Nutzung der Kondensationswärme für die Beheizung von Gewächshäusern durch Fernwärme
Weitere Effizienzsteigerung im Bereich Dampf-Wasser-Kreislauf
in KVA's
Wird an der Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades gearbeitet (gegebene
Frischdampf- und Abdampfparameter), so bringt der Kondensatvorwärmer,
welcher in den meisten Anlagen realisiert ist, eine Wirkungsgradverbesserung
von zirka 1 % und eine Abschreibung der Investition in knapp drei Jahren
Der Zwischenüberhitzer, also die Überhitzung des Dampfes nach
dem Hochdruckteil der Turbine, Rückführung in den Kessel und
Erwärmung auf zirka 375°C, führt nochmals zu einer Wirkungsgradverbesserung
von zirka 0,6 % und einer Abschreibung der Investition von zirka 6 bis
8 Jahren. Bei der kleineren Anlage zirka 8 Jahre, bei der grösseren
Anlage zirka 6 Jahre.
Der externe Nachüberhitzer mit Öl- oder Gasfeuerung, also Erwärmung
des Frischdampfes von 400°C auf 480°C, bringt eine weitere Verbesserung
des Wirkungsgrades von zirka 1 %. Dieser Nachüberhitzer ist nur für
den Winterbetrieb sinnvoll, wenn Stromtarife von min 0,15 Fr./kWh vergütet
werden, so dass mit einer Abschreibung von zirka 12 Jahren gerechnet werden
kann.
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Die KVA als energetische Verwertungsanlage
Unsere weitergehenden Untersuchungen haben bei der Wärmeauskopplung
von 10 bar und den konventionellen Frischdampf- und Abdampf-Parametern
gezeigt, dass Jahreswirkungsgrade von mehr als 40% erreicht werden, wenn
die Forderung der energetischen Verwertung einer Anlage so aufgestellt
wird, dass Minimum 25% der Brennstoffenergie jährlich als Heizenergie
abgegeben werden muss.
Im Falle des Beispiels mit einer Frischdampfmenge von 25 t/h (zirka 6,66
t/h Kehricht) werden in der Spitze knapp 20 t/h Dampf von 10 bar abgegeben.
Wenn die Spitzenlast 4000 Stunden gefahren wird, ergibt sich eine Mittellast
von knapp 10 t/h/Jahr. Der Spitzenwirkungsgrad von Strom und Wärme
liegt dann bei zirka 70% und der Jahreswirkungsgrad bei zirka 40%. Nur
mit Komfortwärme-Abgabe ist dieser Jahreswirkungsgrad nur erreichbar,
wenn beispielsweise in städtische Fernheiznetze (zum Beispiel Basel,
Bern, Zürich) oder in überregionale Fernwärmenetze (zum
Beispiel Turgi in das Netz Refuna) eingespiesen werden kann.
In den übrigen von den Zweckverbänden aufgebauten Komfort-Wärmenetzen
(also ohne Prozesswärme) sollte die Liniendichte für solche
Netze grösser 3000 MWh/km/a sein, da die maximale Spitze des Anschlusswertes
nur zirka 2000 Stunden erreicht wird.
Künftige Entwicklung im Bereich Dampf-Wasser-Kreislauf
von KVA's
Der KVA-Technologie sind vom Material her Grenzen gesetzt. Die Kesseltemperatur
ist momentan auf 400 °C und einen Druck von 40 bar begrenzt. Bei höheren
Temperaturen entwickeln sich aus dem Abfall korrosive Stoffe, die den
Kessel beschädigen. Um den Wirkungsgrad anzuheben, müssen aber
Druck und Temperatur erhöht werden können. Dies ist nur mit
neuen Materialien möglich. In Amsterdam ist eine KVA in Planung,
die mit Frischdampfparametern von 130 bar und 440°C betrieben werden
soll. Der konventionelle Kraftwerkspark mit fossilen Brennstoffen wie
Gas, Öl und Kohle beherrscht schon diese hohen Frischdampfparameter,
zum Teil sogar noch höhere. Wenn die Anlage von Amsterdam tatsächlich
2008 in Betrieb gehen soll, werden bald genügend Erfahrungen vorliegen.
Dann kann davon ausgegangen werden, dass die Erneuerungen von alten Linien
im Jahre 2010 bis 2015 tatsächlich mit solchen Wirkungsgraden umgesetzt
werden. Denkbar ist auch, dass die jetzigen Turbinenanlagen weiter bestehen
und neue Kessel mit höheren Drücken und Temperaturen mit einer
Vorschalt-Gegendruckturbine ergänzt werden (Grafik
3). Dafür sind jedoch Anpassungen an der alten Turbine notwendig.
Der elektrische Wirkungsgrad liegt dann bei zirka 35% und übertrifft
den Wirkungsgrad von Kernkraftwerken.
*Eine Diplomarbeit an der Hochschule für Technik und Architektur, HTA Luzern. Begleitung der Dozenten Prof Werner Betschart und Ernst Dokter.
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Grafik 4 - Spitzenstrom aus
dem Heisswasser-Speicher bei der thermischen Müllverwertung
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