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Neue Dampfturbinen-Technologie für KWK VGB PowerTech 8 l 2018

Autor

Abstract

New steam turbine technology opens up new efficiency potential for CHP plant operators

Energieversorgung Oberhausen AG (evo) is suc-cessfully using a newly developed micro-steam turbine from TURBONIK GmbH, with which highly efficient combined heat and power gen-eration is now also economically feasible on a small scale, which was previously only possible with large steam volumes and pressures: elec-tricity generation from steam! l

Neue Dampfturbinen-Technologie eröffnet Kraftwerksbetreibern in KWK neue EffizienzpotenzialeDaniel Mühlenfeld

Daniel MühlenfeldEnergieversorgung Oberhausen AG (evo) PressesprecherOberhausen, Deutschland

Neue Dampfturbinen-Technologie für KWK

Die Energieversorgung Oberhausen AG (evo) setzt erfolgreich eine neuentwickelte Mikro-Dampfturbine der Turbonik GmbH ein, mit der jetzt in hocheffizienter Kraft-Wärme-Kopplung auch in kleinem Maß-stab wirtschaftlich umsetzbar ist, was bis-lang nur bei großen Dampfmengen und Drücken möglich war: Die Stromerzeu-gung aus Dampf!In der Industrie wird für verschiedenste Zwecke Dampf benötigt, wobei zwischen Dampferzeugern und Dampfverbrauchern häufig mechanische Drosselventile zur Druckreduzierung zum Einsatz kommen. Zeitgleich ist der Bedarf an elektrischer Energie in diesen Unternehmen in der Re-gel sehr hoch. Insofern stellt gerade der Energieverbrauch eine wesentliche Kos-ten- und Umweltbelastung dar. Gefragt sind daher Lösungen, die geeignet sind, diese Belastungen in den Griff zu bekom-men oder gar zu senken. Dort, wo im Zuge des Arbeitsprozesses mit Dampf gearbeitet wird beziehungsweise Dampf anfällt, gibt es zum Beispiel die Möglichkeit, unter Ein-satz von Dampfturbinen den vorhandenen Dampf für die Stromerzeugung zu nutzen. Ein Verfahren, das auch im Kraftwerksbe-reich Anwendung findet. Für die Nutzung solcher Dampfturbinen sind allerdings in der Regel erhebliche Dampfmengen und Drücke erforderlich, sodass dieser Weg der Energie- und Kosteneinsparung für kleine-re Unternehmen, die mit geringeren Dampfmengen arbeiten, in der Regel nicht gangbar ist. Im Rahmen des Energiema-nagements beschäftigt sich die evo ständig mit der Suche nach Möglichkeiten zur Effi-zienzsteigerung. Dabei wurde ein entspre-chendes Effizienzpotenzial unter anderem im Dampfnetz identifiziert, wo im Som-merbetrieb für die Fernheizwasserentga-sung ein kleiner Dampfkessel betrieben wird. Der Dampf wird hierbei auf höherem Druck erzeugt als im Entgaser benötigt. Diese Druckdifferenz bietet grundsätzlich das Potenzial zum Einsatz einer Dampftur-bine. Allerdings sind Druckdifferenz und Dampfmenge sehr gering und somit für den Einsatz herkömmlicher Dampfturbi-nen nicht geeignet.

Grenzen bisheriger Turbinen

Der Kontakt mit einem Entwicklerteam des ebenfalls in Oberhausen ansässigen Fraun-hofer Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT brachte schließlich die Wende. Hier hatte man die sowohl in ökologischer als auch in ökono-mischer Hinsicht ungenutzten Potenziale derartiger Dampfmengen ebenfalls er-kannt und dies zum Anlass genommen, sich eingehend mit den technologischen Herausforderungen bei der möglichen Lö-sung des Problems zu befassen. In mehr-jähriger Forschungsarbeit wurde an der Entwicklung und Optimierung schnelldre-hender Turbinen gearbeitet und erstmals ein völlig neuartiger Konstruktionsansatz bei kleinen Wasserdampfturbinen umge-setzt, bei dem auf ein Getriebe verzichtet wird. Bei konventionellen Dampfturbinen werden bisher die Drehzahlen von < 20.000 U/min durch ein Getriebe auf die netzkonforme Drehzahl im Generator (ty-pischerweise 3.000 U/min) übersetzt. Dies hat zur Folge, dass die gesamte Dampftur-bineneinheit durch das ölgeschmierte Ge-triebe inklusive Ölbevorratung und durch den langsam laufenden Generator sehr vo-luminös wird. Turbine, Getriebe und Gene-rator befinden sich in unterschiedlichen Gehäusen, wobei die Turbinenwelle über das Getriebe mit der Generatorwelle ver-bunden ist. Es werden mehrere Gehäuse, ein Getriebe und eine zusätzliche Welle in-klusive weiterer Lager benötigt. Zudem müssen die einzelnen Gehäuse an den Wel-lendurchführungen nach außen hin abge-dichtet werden. Hierzu werden verschlei-ßende Gleitringdichtungen eingesetzt. Auch bei der evo wird diese konventionelle Turbinentechnologie für den höheren Leis-tungsbereich eingesetzt. Kleinere Leis-tungsbereiche von 75 bis 500 kWel wur-den  bisher dadurch realisiert, dass das Laufrad der beschriebenen herkömmli-chen Turbinenbauart teilbeaufschlagt wird, wodurch im nichtbeaufschlagten Teil hohe Ventilationsverluste entstehen. Hier-durch wird nur ein sehr geringer Wirkungs-grad erreicht.

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Neue Mikro-Dampfturbine

Die bei Fraunhofer UMSICHT entstandene sogenannte Mikro-Dampfturbine zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Dampftur-binen im Wesentlichen dadurch aus, dass Generator und Turbinenlaufrad als Dampf-turbosatz auf einer Welle direkt gekoppelt sind, wobei der hochfrequente Strom über einen Frequenzumformer in das Netz ein-gespeist wird. Der Einsatz eines verlustbe-hafteten Getriebes entfällt. Damit können bei einer Kleindampfturbine erstmalig Drehzahlen weit jenseits der bisher übli-chen 20.000 U/min realisiert werden, was sich erheblich auf die Effizienz und die Baugröße, insbesondere von Laufrad und Turbinengehäuse, auswirkt. Die Entwick-ler weisen zudem darauf hin, dass alle Komponenten in einem einzigen, herme-tisch gekapselten Gehäuse untergebracht sind, was dazu beiträgt, dass bei der neuen Mikro-Dampfturbine im Vergleich zu bis-herigen Anlagen beispielsweise der Durch-messer des Laufrades um über 50 % und das Gewicht um 90 % geringer ausfallen. Insgesamt werden so mit einem Gesamtge-wicht von nur 2 t inklusive der Schalt-schränke über 2,5 t an Material im Ver-gleich zu konventionellen Dampfturbinen eingespart. (B i l d 1 )

Kooperation von Wirtschaft und Wissenschaft

In Gesprächen zwischen der evo und Fraunhofer UMSICHT wurde sehr schnell deutlich, welche Möglichkeiten, sich mit einer solchen Turbine für Kraftwerksbetrei-ber offenbaren. Vor diesem Hintergrund und aufgrund der langjährigen erfolgrei-chen Kooperation von evo und Fraunhofer UMSICHT hat sich die evo dazu bereit er-klärt, einen Prototypen in den eigenen Pro-zessablauf zu integrieren. Da bei vielen Unternehmen Nachhaltigkeitsthemen zwar einen hohen Stellenwert besitzen, häufig aber aus Kostenerwägungen oder aus Scheu vor dem damit verbundenen Aufwand von einer Umsetzung entspre-chender Maßnahmen abgesehen wird, hat-ten die beteiligten Ingenieure von Beginn an darauf hingearbeitet, diese Hemm-schwelle für eine Anwendung ihrer Tech-nologie möglichst gering zu halten. Das half, die Inbetriebnahme des Prototypen erheblich zu vereinfachen. So beträgt die benötigte Aufstellfläche nur ein Drittel der-jenigen herkömmlicher Turbinen und die Trennung von Turbine und Schaltschrank macht sie zudem außerordentlich flexibel. In Konstruktion und Funktion folgt die Tur-bine ebenfalls dem Ansatz Ökologie und Ökonomie zu vereinen. So macht ihre spe-zielle Bauweise nach Angaben ihrer Ent-wickler eine vergleichsweise einfache Her-stellung möglich. Im Gegensatz zu konven-tionellen Dampfturbinen kann sie demnach aufgrund ihrer geringen Baugröße zudem

aus Edelstahl gefertigt werden, wodurch aufwendige Gießprozesse entfallen. Das wiederum macht eine umweltfreundliche Wasserschmierung der Lager möglich, die hier nach Aussage der Entwickler erstmalig für Dampfturbinen realisiert werden konn-te. Durch dieses neuartige Schmiersystem und den gleichzeitigen Verzicht auf ein Ge-triebe ist die Turbine komplett ölfrei. Dar-aus resultiert nicht nur ein ökologischer, sondern auch ein ökonomischer Vorteil, da die Wartungsarbeiten signifikant geringer werden. Für die Betriebssicherheit beim Anwender sorgt, dass die laufenden Pro-zesse mittels eines Bypass-Systems selbst bei einem möglichen Defekt des Gerätes ungestört weiterlaufen.

Hocheffiziente Kraft-Wärme-Kopplung

Der Erfolg des Praxistests hat schließlich dazu geführt, dass die Turbine fester Be-standteil des Effizienzprogramms bei der evo geworden ist. Sie passt sich nahtlos in das ressourcenbewusste unternehmerische Handeln ein, das zuletzt in die erfolgreiche Re-Zertifizierung eines Energiemanage-mentsystems (EnMS) nach ISO 50001 mündete. So konnten auch bereits an ande-rer Stelle erhebliche Effizienzsteigerungen erreicht werden, wie beispielsweise durch die Erschließung industrieller Abwärme-quellen für die hauseigene Fernwärme. Für 100 % Heizwärme, die bei den Kunden an-kommt, fallen bei der evo nur 13 % Primär-energie in der Erzeugung an, was bedeutet, dass je verbrauchter kWh Fernwärme nicht mehr als 73 g CO2 emittiert werden. Die Turbine sorgt jetzt dafür, dass im Rah-men  der Entgasung von Fernheizwasser 300.000 kWh Strom pro Jahr erzeugt wer-den können, deren Energie in Form von Dampf ansonsten buchstäblich wirkungs-los verpuffte. Konkret bedeutet die Nutz-barmachung dieser Energiepotenziale eine

Reduzierung des Verbrauchs von insge-samt rund 10 % Primärenergie, was zum einen dem Jahresverbauch von 60 Vier-Personen-Haushalten entspricht und zum anderen eine strukturelle Einsparung von 90 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr be-deutet. Daraus lässt sich hochrechnen, dass Unternehmen, die Dampf für ihre Pro-duktion einsetzen, bei  einer elektrischen Leistung von bis zu 300 kWel in hocheffizi-enter Kraft-Wärme-Kopplung eine Strom-menge von 2,4 GWh pro Jahr erzeugen können. Das entspricht dem Jahresver-brauch von rund 500 Vier-Personen-Haus-halten und einer Verringerung der CO2-Emissionen von über 300 t/a. Allein in Deutschland sind nach Schätzungen über 15.000 Dampfkessel zum Beispiel in der Textil-, Papier- Chemie- und Pharmaindus-trie sowie bei Lebensmittelherstellern (Brauereien, Molkereien), Wäschereien oder auch in Krankenhäusern und eben in Kraftwerken installiert. Im Vergleich zum deutschen Strommix spart diese Art der Stromerzeugung bei Verwendung von Erd-gas signifikant Primärenergie ein, sodass bei einem flächendeckenden Einsatz sogar eine Einsparung von jährlich über zwei Millionen Tonnen Kohlendioxid allein in Deutschland prognostiziert wird. Die de-zentrale Stromerzeugung in der Nähe zum Verbraucher entlastet überdies das Strom-netz und schafft Versorgungssicherheit für den Anwender.

Ausgezeichnete Innovationsleistung

Die Mikro-Dampfturbine hat damit das Po-tenzial, bei entsprechender Verbreitung einen signifikanten Beitrag zum Gelingen der Energiewende in Deutschland zu leis-ten. Innovationsträger dieser Art sind an-gesichts der anhaltenden energiepoliti-schen Debatte und dem nachweislichen Bedarf an einer nachhaltigen Energiever-

Bild 1. Ansicht der kompletten Mikro-Dampfturbineneinheit.

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sorgung stets von grundsätzlichem Interes-se. Daher wurde bei Fraunhofer UMSICHT angesichts der beschriebenen Leistungsda-ten der Turbine und ihrer nicht zuletzt bei der evo im Praxistest nachgewiesenen of-fensichtlichen Marktrelevanz die Entschei-dung getroffen, das Projekt als Spin-Off in ein eigenständiges Unternehmen zu über-führen. Dazu wurde im Jahr 2017 die Tur-bonik GmbH mit Sitz in Dortmund ins Le-ben gerufen, die zukünftig als Know-how-trächtiger Partner zur Verfügung steht, der sich sowohl um die Markteinführung des Produktes als auch um Service, Wartung und energierechtliche Fragestellungen rund um die Turbine kümmert. Des Weite-ren hat das noch junge Unternehmen bis heute bereits erhebliche Beachtung gefun-den. Im Frühjahr dieses Jahres wurde es – wie zuvor auch schon die evo – als zukunft-weisendes Unternehmen in die KlimaExpo.NRW aufgenommen (B i l d 2 ). Dabei han-delt es sich um, eine Initiative der nord-rhein-westfälischen Landesregierung, mit der unter anderem unternehmerische Pro-jekte, die sich der Lösung von Klima- und Umweltproblemen widmen, ausgezeichnet

und gefördert werden. Das Bundesministe-rium für Wirtschaft und Energie gehört genauso zu den frühen Förderern des Pro-jektes wie die Europäische Union. Zudem haben verschiedene Verbände und Institu-tionen ihre Wertschätzung für das junge High-Tech Unternehmen und sein Produkt bekundet. So gewann die Turbonik GmbH unter anderem den ersten Preis und den Sonderpreis Technologie des 36. bundes-weiten Gründungswettbewerbs „start2g-row“ der Wirtschaftsförderung Dortmund. Darüber hinaus ging der erste Platz des diesjährigen Stahl-Innovationspreises in der Kategorie „Produkte aus Stahl“ aus ins-gesamt über 500 Bewerbern ebenfalls an die Turbonik GmbH für den Beitrag, den ihre Turbine im Bereich der nachhaltigen Energieversorgung leistet.

Erfahrene Partner für junge Unternehmen

Die Entstehungsgeschichte rund um diese neue Mikro-Dampfturbine zeigt insofern eindrücklich, wie auch im projektbezoge-nen Zusammenwirken von wissenschaftli-

cher Forschungsarbeit und unternehmeri-scher Praxis tatsächlich neue junge Unter-nehmen hervorgehen können. Bereits zuvor gab es eine Reihe von Kooperatio-nen zwischen der evo und dem Fraunhofer UMSICHT-Institut, so unter anderem im Rahmen einer Konzepterstellung für das Projekt „KWK-Modellkommune“ der Stadt Oberhausen oder beim Praxistest einer bei Fraunhofer UMSICHT entwickelten Re-dox-Flow-Batterie. Darüber hinaus ist die Kooperation im konkreten Fall der Mikro-Dampfturbine ein Beispiel dafür, wie vor-handene Potenziale dazu genutzt werden können, innovative Lösungen für drängen-de Zukunftsfragen zu entwickeln. Die frühzeitige Verzahnung wissenschaftli-cher Projekte mit den tatsächlichen Anfor-derungen des unternehmerischen Alltags-gebrauchs hilft bei der Entwicklung inno-vativer neuer Technologien und deren anschließender Implementierung in der Praxis. Insofern ist die vorliegende, erfolg-reiche Kooperation von Wissenschaft und Wirtschaft auch ein Ansporn an junge For-scher insgesamt, sich von den Bedürfnis-sen der Praxis zu neuen Konzepten und technischen Innovationen inspirieren zu lassen und auch an die Unternehmen, sol-che Projekte nicht nur finanziell, sondern auch durch das Ermöglichen des erforder-lichen Praxisbezuges zu fördern. Entspre-chend stolz ist man bei der evo, an der Re-alisierung dieses hochinnovativen Pro-dukts beteiligt gewesen zu sein.

Technische Daten & Einsatzbedingungen laut Hersteller Turbonik

Elektrische Leistung: 75 – 300 kWel

Dampfmassenstrom: 1 – 20 t/hWärmeleistung: 750 – 20.000 kWth

Frischdampfdruck: 4 – 40 barü

Frischdampftemperatur: Sattdampf – 450 °CAbdampfdruck: -0,8 – 16 barül

Bild 2. Turbonik zukunftweisendes Unternehmen in die KlimaExpo.NRW.

VGB-Standard

Bestimmung der Messunsicherheit bei Abnahme- und Kontrollmessungen1. Ausgabe 2016 – VGB-S-020-00-2017-12-DE

DIN A4, 98 Seiten, Preis für VGB-Mit glie der* € 180,–, für Nicht mit glie der € 240,–, + Ver sand kos ten und MwSt.

Der vorliegende VGB-Standard möchte Anregungen, Hinweise und Empfehlungen zum Umgang mit dieser Thematik geben und dabei helfen, mit vergleichsweise geringem mathematischen Aufwand zu hinreichend genauen Ergebnissen bei der Messunsicherheitsbestimmung zu gelangen.Neben Erläuterungen zur Vorgehensweise beinhaltet dieser VGB-Standard einfache Berechnungsbeispiele aus der Praxis der Abnahme- und Kontrollmessungen sowie konkrete Hinweise zur Vermeidung von Messfehlern.Da auch die Messunsicherheitsabschätzung für betriebliche Messtechnik behandelt wird, beschränkt sich der Interes-sentenkreis für diesen Standard nicht auf den Bereich der Abnahme- und Kontrollmessungen. Eine weitere Zielgruppe sind z.B. die Anwender der VDI-Richtlinie 2048 und des darauf basierenden Standards VGB-S-009 zur Messdatenvali-dierung, wobei eine Abschätzung der Konfidenzintervalle für die verwendeten Mess- und Hilfsgrößen erforderlich ist.

* Für Ordentliche Mitglieder des VGB ist der Bezug von eBooks im Mitgliedsbeitrag enthalten.

VGB-S-020-00-2017-12-DE

VGB-Standard

Bestimmung der Messunsicherheit bei Abnahme- und Kontrollmessungen

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The electricity sector at a crossroads The role of renewables energy in Europe

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