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Effiziente, flexible und wirtschaftliche Kraft-Wärme-Kopplung: Referenzanlage Lausward

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Können Gaskraftwerke heute wirtschaftlich rentabel betrieben werden oder sind diese nicht mehr zeitgemäß? Können neue GuD-Kombikraftwerke, in Ländern wie Deutschland, welche die Energiewende durchleben, noch kosteneffizient und profitabel betrieben werden? Die Antwort auf diese Fragen lautet: JA, wenn der künftige Betreiber einen hochflexiblen Betrieb für wechselnde Anforderungen und Bedürfnisse des heutigen Energiemarktes vorsieht. Der Block „Fortuna“ am Standort Lausward ist ein perfektes Beispiel für solch eine große GuD-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit hoher Effizienz und Rentabilität, selbst bei auftretenden Marktturbulenzen.

Der Block „Fortuna“ der Anlage Lausward wurde 2016 in Betrieb genommen und galt zu der Zeit als das bislang effizienteste Kombikraftwerk der Welt. Diese GuD-Anlage ist für den Betrieb im Modus „Kraft-Wärme-Kopplung“ ausgelegt und beliefert Düsseldorf sowohl mit Elektrizität als auch mit Fernwärme. Ein Musterbeispiel für außerordentliche Konkurrenzfähigkeit auf dem heutzutage unberechenbaren Stromerzeugungsmarkt.

AZG Consulting und SSS Gears haben am Projekt Lausward bereits in der Frühphase mitgewirkt: eines der Herzstücke dieser KWK-Anlage und gleichzeitig der Schlüssel zur Flexibilität und Kompaktheit ist die SSS Kupplung, welche die Dampfturbine mit dem Generator im Betrieb automatisch koppelt oder trennt.

Was bedeutet Kraft-Wärme-Kopplung?

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Strom und gilt als die effizienteste Form der Kraftstoffenergieumwandlung. KWK reduziert den Verbrauch von Primärenergiequellen und trägt damit zur Minimierung der CO2-Emissionen bei. Es gibt zwei Arten von KWK-Anlagen:

Stromgeführte (Topping Cycle) – Ihre Hauptaufgabe ist die Stromerzeugung und die Abwärme wird für die Wärmeversorgung verwendet.

Wärmegeführte (Bottoming Cycle) – Ihre Hautpaufgabe ist die Wärmeerzeugung und der Wärmeüberschuss wird für die Stromerzeugung verwendet.

 

Flexible GUD-Kraftwerke sind effizient und zuverlässig in der Energieerzeugung und Stromnetzstützung, außerdem sind sie emissionsarm:

Mit einer elektrischen Leistung von 595 MW und einem elektrischen Wirkungsgrad von 61,5% (im Kombibetrieb) gehört der Block „Fortuna“ zu den modernsten und effizientesten Kraftwerken der Welt. Fortuna ist Teil des Kraftwerks Lausward der Stadtwerke Düsseldorf. Der Block Fortuna wird mit Erdgas von Statoil aus Norwegen betrieben. „Anton“ und „Emil“ sind zwei weitere Blöcke in Lausward die entsprechend 1998 und 1977 in Betrieb genommen wurden. Diese beiden älteren Blöcke werden nur noch zur Unterstützung in Spitzenlastzeiten hinzugeschaltet, da der Block Fortuna in der Lage ist, den gesamten üblichen Elektrizitätsbedarf und Wärmebedarf der Stadt Düsseldorf zu decken.

Die KWK-Anlage Lausward ist nicht nur leistungsstark und effizient, sondern auch umweltfreundlich. Verglichen mit den durchschnittlichen Emissionen deutscher Kraftwerke reduziert ihr Betrieb den jährlichen CO2-Ausstoß um 600.000 Tonnen. Die CO2-Emissionen dieser Anlage liegen bei lediglich 230 g/kWh, wogegen die kombinierten Durchschnittemissionen der deutschen Kraftwerke (einschließlich der 30% erneuerbarer Energiequellen) ca. 600 g/kWh betragen. Der Erweiterungsblock „Fortuna“ des Kraftwerks Lausward ist für Düsseldorf ein bedeutender Schritt, um eine klimaneutrale Stadt bis 2050 werden zu können.

 

KWK-fähige GuD-Kombikraftwerke bleiben auch in den heute unvorhersehbaren Energiemarktbedingungen rentabel und haben eine kurze Amortisationszeit:

Die Rentabilität eines Kombikraftwerks hängt vom Merit-Order-Effekt ab. Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen hat derzeit die niedrigsten Grenzkosten der Stromerzeugung, gefolgt von Atom- und Kohlekraftwerken. Strom aus Gaskraftwerken ist teurer. Diese Situation wird sich nach dem Ausstieg aus der Kern- und Kohleenergie ändern. Gaskraftwerke müssen zur Unterstützung der Energieerzeuger aus erneuerbaren Energiequellen betrieben werden, um die Netzstabilität und zuverlässige Energieversorgung sicherzustellen.

 

Die Investitionskosten für Gas- und Dampfkraftwerke amortisieren sich ab 4000 Betriebsstunden im Jahr. Da diese Jahresbetriebsstunden derzeit aufgrund des Merit-Order-Effekts kaum erreicht werden, sollte die Anlage neben dem reinen GuD- Kombibetrieb weitere Einsatzmöglichkeiten aufweisen und dazu zusätzliche Betriebsarten beherrschen. In Deutschland sind für Kombikraftwerke, die flexibel auch im KWK-Betriebsmodus arbeiten können, dann bereits 40% der Jahresbetriebstunden ausreichend. So wird die Kapitalamortisationszeit für den Investor erheblich verkürzt.

 

Warum sollte man heute noch Kombikraftwerke betreiben? Können Kombikraftwerke mit KWK-Betrieb zusätzliche Einnahmequellen generieren und auf die stets wechselhafte Marktsituation reagieren? Was macht die KWK-Anlage Lausward so konkurrenzfähig?

Vereinfacht gesagt: Die erneuerbaren Energiequellen von heute können den Energiebedarf der Nutzer nicht zu 100% konstant decken. Es mangelt derzeit an Energiespeichertechnologien und -kapazitäten, sodass überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energiequellen nicht einfach und effizient (genug) gespeichert werden kann. Bei Unterdeckung des Verbrauchs oder bei Netzstützungsbedarf sind die Stromnetze mit viel „Erneuerbarer Einspeisung“ auf unterstützende Energiequellen angewiesen, welche in der Lage sind, die kurzfristige Verbrauchsunterdeckung schnell auszugleichen. Effiziente und flexible GuD-Kombikraftwerke sind hierfür die reaktionsschnellste, zuverlässigste, sicherste und umweltfreundlichste Zukunftslösung.

Der heute mögliche Wirkungsgrad einer Industriegasturbine im Solo-Betrieb liegt bei vergleichsweise niedrigen 40%. In GuD-Kraftwerken wird aber die Abgaswärme der Gasturbine zusätzlich zur Dampferzeugung über eine Dampfturbine zur weiteren Stromerzeugung genutzt. Heute kann ein gasbefeuertes GuD-Kraftwerk im Kombibetrieb um die 63% Nettowirkungsgrad erreichen.

Wenn ein GuD-Kraftwerk durch KWK-Betrieb gleichzeitig Elektrizität und thermische Wärmeenergie (Fernwärme oder industrielle Prozesswärme) produziert, dann steigt der Primärenergie-Nutzungsgrad nochmals.

Die Anlage Lausward Fortuna weist einen Wirkungsgrad der eingesetzten Gasbrennstoffenergie von 85% auf und setzt damit neue Maßstäbe für Kombikraftwerke und vergleichbare KWK-Anlagen. Neben 603,8 MW an Elektrizitätsleistung kann die Anlage zusätzlich 300 MW Wärmeleistung liefern. Für Heizzwecke kann der Dampf aus der Dampfturbine an drei Druckstufen extrahiert werden - durch zwei Dampfabzweigungsleitungen an der Niederdruckstufe und eine weitere an der Mitteldruckstufe.

Ein besonderes Merkmal für die Flexibilität und Effizienz der Anlage Lausward „Fortuna“ ist der angegliederte thermische Fernwärmeenergiespeicher. Überschüssige, extrahierte thermische Energie wird in diesem Heißwassertank gespeichert. Das Wasserspeichervolumen von 3600m³ mit bis zu 95°C, entspricht ungefähr 1340 MWth an speicherbarer Wärmeenergie für das Fernwärmenetz. Der maximale Gesamtwärmebedarf im Düsseldorfer Fernwärmenetz beträgt 855 MWth – der Speicher kann die Stadt somit längere Zeit mit Fernwärme versorgen, ohne dass der Block „Fortuna“ betrieben werden muss. Der Block „Fortuna“ ist derzeit Weltrekordhalter im Wärmezufuhrvolumen für ein Fernwärmenetzwerk.

GuD-Kombianlagen mit KWK-Betrieb und zusätzlichem Wärmespeicher, wie bei der GuD-Anlage Lausward gezeigt, können gleichzeitig sowohl hohe Effizienz, als auch Betriebsflexibilität erreichen. Wenn Anlageninvestoren dieses Konzept der Wärmespeicherung in GuD-Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung anwenden, kann ein Nutzungswirkungsgrad der Primärenergie mit bis zu 95% bei gleichzeitig hoher Betriebsflexibilität realisiert werden.

Bei einem Schwarzfall (Blackout) kann die Anlage Lausward „Fortuna“ die Stadt Düsseldorf unabhängig und kurzfristig mit Elektrizität versorgen. Innerhalb von 40 Minuten bei einem Heißstart und 116 Minuten nach einem Kaltstart kann der Generator volle Leistung abgeben und 603 MW Elektrizität in das Stromnetz der Stadt speisen.

 

Was sind die Hauptkomponenten dieser hocheffizienten GuD und KWK-Anlage?

CHP CCGT Plant Unit Fortuna in Lausward of SWD

(Mit freundlicher Genehmigung der Stadtwerke Düsseldorf: www.swd-ag.de)

Die Hauptkomponenten des Gas-und-Dampf-Kombikraftwerks „Fortuna“ sind: Gasturbine SGT5-8000H, Generator SGen5-3000W, Dampfturbine SST5-5000 ausgerüstet mit der SSS Kupplung 360T und Abhitzedampferzeuger HRSG 3P-RH Benson.

Der effiziente Betrieb und die Flexibilität dieser GuD-KWK-Anlage wird durch den Einsatz der selbstsynchronisierenden Schaltkupplung – SSS Kupplung von SSS Gears Ltd. – ermöglicht. Die SSS Kupplung erlaubt einen möglichst schnellen Start der Anlage mit der Gasturbine im Solobetrieb und damit die möglichst schnelle erste Stromeinspeisung mit Gasturbinenleistung. Sobald der Dampferzeuger stabile Dampfparameter erreicht, wird die Dampfturbine gestartet und auf Drehzahl des Generators gebracht, welcher bereits von der Gasturbine angetrieben ist. Die SSS Kupplung rückt bei Synchrondrehzahl automatisch ein, verbindet die Dampfturbine mit dem Generator und ermöglich den GuD-Kombibetrieb der Anlage. Die in Lausward eingesetzte SSS Kupplung überträgt 200 MW bei 3000 U/min. Auch ermöglicht die SSS Kupplung das von der Gasturbine unabhängige Abfahren der Dampfturbine.

Als Folge verkürzt sich nicht nur die Anlagenstartzeit, sondern es erhöht sich auch der Wirkungsgrad des GuD-Kraftwerks im Gasturbinen-Solobetrieb um bis zu 10%, da die Dampfturbinen-Ventilationsverluste durch das Abkoppeln vom Generator vermieden werden.

Der Wirkungsgrad der SSS Kupplung selbst liegt bei >99,9% und ist grob mit der Effizienz einer rotierenden Welle vergleichbar. Somit verursacht der Einsatz der SSS Kupplung keine nennenswerten Effizienzverluste, sondern steigert im Gegenteil die Gesamteffizienz der Anlage und ermöglicht einen schnellen flexiblen Anlagenbetrieb, der anderenfalls unrentabel oder gar unmöglich wäre. Die Betriebsflexibilität macht dieses überlegene Wellenstrangkonzept aus, denn Flexibilität, Schnelligkeit und Effizienz sind Schlüsselfaktoren für die Widerstandsfähigkeit einer Kraftwerksinvestition gegen politische und marktwirtschaftliche Turbulenzen.

 

Was ist sonst möglich mit flexiblen KWK-Anlagen mit SSS Kupplung?

Lausward District Heat Storage for bypass

Die Stadtwerke Düsseldorf haben mit der Anlage „Fortuna“ die eigenerzeugte Elektrizitäts- und Wärmeenergie zur Deckung des Bedarfs der Stadt Düsseldorf erhöht. Die Anlage befindet sich im neuentwickelten Hafenstadtteil der Stadt Düsseldorf und nutzt das Wasser aus dem Rhein zu Kühlzwecken. Trotz der erhöhten Energieerzeugungskapazität gegenüber den früher betriebenen Blöcken „Anton“ und „Emil“ hat sich der Kühlwasserbedarf aber nicht erhöht. Der KWK-Betrieb mit dem Einsatz des Wärmespeichers ermöglicht es, den Kühlwasserbedarf auf demselben oder gar niedrigerem Niveau zu halten. Die kontinuierliche Temperaturüberwachung des Wassers im Rhein hat bestätigt, dass der Anlagenbetrieb keinen Anstieg der Wassertemperatur zur Folge hat.

Die Stadt Düsseldorf plant, weitere Wärmeversorger an ihr Wärmenetzwerk anzuschließen, um gemeinsam vom Wärmespeicher Lausward Gebrauch zu machen. Auf diese Weise kann der Flughafen Düsseldorf und die Chemieanlage der Firma Henkel ihre temporär überschüssig erzeugte Wärmeenergie zur Verfügung stellen. Die Müllverbrennungsanlage in Düsseldorf kann ebenfalls überschüssig erzeugte Wärmeenergie speichern, wenn diese vom Fernwärmenetzwerk gerade nicht gebraucht wird.

Die Anlage „Fortuna“ benötigt wie jede GuD-Turbinenanlage regelmäßige normale Wartungsarbeiten. Der Einsatz der SSS Kupplung ermöglicht, mit Wartungsarbeiten zu beginnen, wenn die Dampfturbine noch im Kühlbetrieb ist. So werdenr die Anlagenwartungszeiten massiv verringert und dadurch die Servicefolgekosten gesenkt. Die SSS Kupplung selbst ist wartungsarm und darauf ausgelegt, die Lebenszeit der Anlage zu überdauern. SSS Kupplungen sind extrem betriebszuverlässige Anlagenkomponenten, welche eine mittlere störungsfreie Betriebszeit (MTBF) von über 270000 Stunden aufweisen.

Alles in allem ist diese Referenzanlage ein perfektes Beispiel eines extrem konkurrenzfähigen und effizienten KWK-Konzeptes. Wenn es um die Gewährleistung einer langfristigen Rentabilität in dem augenblicklich schwierigen Energiemarktumfeld geht sollten Anlagenbetreiber und Investoren dieses Konzept genauer in Betracht ziehen.

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