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F&E Newsletter 1-2015

Potenzial und Perspektiven der Gas-Plus-Technologien

Gastechnologien und Erneuerbare Energien, Kraft-Wärme-Kopplung und Brennstoffzellen

Die Energiewende in Deutschland ist gleichbedeutend mit einem kompletten Umbau der Energieversorgung, verbunden mit einem breiten Ausbau der regenerativen Energieerzeugung. Gas-Plus-Technologien können helfen, das zukünftige Energiesystem effizienter, sicherer und umweltschonender zu machen.

Basierend auf etablierter Brennwerttechnik mit solarthermischer Unterstützung stehen Gaswärmepumpen, Brennstoffzellen und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) im Fokus. Durch die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme erreichen KWK-Anlagen hohe Wirkungsgrade und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Energieeffizienz und Reduktion von Treibhausgas-Emissionen.

Das Sammelwerk bietet in ausgewählten Fachbeiträgen einen Überblick über die Entwicklungen der letzten Jahre und vermittelt dem Leser den aktuellen Stand der Diskussion.


100 KWK-Anlagen in Bottrop – Der Weg von der Theorie in die Umsetzung

ewp - energie | wasser-praxis 1/2015

Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann als anerkannte Hocheffizienztechnologie einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz und damit zur Reduktion der Treibhausgasemissionen leisten. Im Rahmen des Projekts „100 KWK-Anlagen in Bottrop“ wurde der mögliche Beitrag von innovativen und umweltschonenden KWK-Technologien zu einem klimagerechten Stadtumbau untersucht.

 

Erdgas Jahresausgabe 2015 – Der Energiemarkt im Fokus

     Erdgas Jahresausgabe 2015 – Der Energiemarkt im Fokus

Die Reform des EEG in Deutschland, eine positive Entwicklung beim Gas weltweit, der Verfall der Ölpreises, Fragen zur Versorgungssicherheit in Europa und nicht zuletzt die Auswirkung der Entscheidung von E.ON Ende 2014 haben die Gaswirtschaft bewegt. Gas weist die geringsten CO2-Emissionen der fossilen Energieträger auf. Flexibilität, Speicherbarkeit, Netzdienlichkeit sowie die Vielfalt in der Anwendung machen es zum idealen Partner der erneuerbaren Energien. Allerdings werden diese komplementären Eigenschaften zu Wind und Photovoltaik international und national unterschiedlich bewertet. Die Lage bei den Gaskraftwerken bleibt weiter angespannt. LNG – verflüssigtes Erdgas – ist auf dem Vormarsch.

 

Machbarkeitsstudie Energietransformation und -speicherung am Standort Bioenergiepark Saerbeck

Die Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien im deutschen Strommix stellt sowohl die Wirtschaft als auch die Gesellschaft in Deutschland vor besondere Herausforderungen. Dies gilt auch für Nordrhein-Westfalen, welches als industriestarkes und bevölkerungsreiches Bundesland mit hoher Versorgungs- aber auch Erzeugungsinfrastruktur einige einzigartige Rahmenbedingungen vorweisen kann. Um die Zuverlässigkeit, die Umweltfreundlichkeit und die Bezahlbarkeit der Energieversorgung sicherzustellen ist es wichtig, die Erzeugungs- und Verbrauchstrukturen, die in Zukunft auf die Netze zukommen, technologieoffen zu analysieren und Optionen zu untersuchen. Neben theoretischen Analysen ist es darüber hinaus wichtig, die Technologien auch in der Praxis auf die neuen Herausforderungen vorzubereiten und sie sich im Detail im Hinblick auf einen zukünftigen Systemverbund anzuschauen.
Als einen geeigneten Standort in NRW hat sich die Gemeinde Saerbeck im Münsterland angeboten. Saerbeck ist im März 2009 als Sieger im Landeswettbewerb NRW-Klimakommune der Zukunft des Umweltministeriums ausgezeichnet worden.
Das GWI ist in diesem interdisziplinär aufgestellten Projekt eingebunden, u. a. werden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die Gemeinde Saerbeck und die dort installierten Erzeugungsanlagen mit Hinblick auf die Errichtung von Speichersystemen untersucht. Ziel ist es, die Verbraucher, Erzeuger und Energieflüsse zu analysieren und auf dieser Basis eine für den Standort optimale Speicherlösung zu finden.

 

Virtuelles Institut "Strom zu Gas und Wärme" in NRW

Abschlussbericht des Vorprojekts liegt vor   

Eine der großen gesellschaftlichen Herausforderungen ist die Transformation des bestehenden fossil dominierten Energieversorgungssystems hin zu einer klimafreundlichen, zugleich sicheren und bezahlbaren Energieversorgung. Die sogenannte Energiewende und der daraus folgende Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien gemäß den Zielen von Bund und Land NRW werden mittelfristig dazu führen, dass das zeitliche und örtliche Stromangebot nicht zur Nachfrage passt. Dementsprechend muss das zukünftige Energieversorgungssystem deutlich flexibler ausgestaltet und Möglichkeiten der Energiespeicherung geschaffen werden.

"Strom zu Gas und Wärme“ ist hierfür eine mögliche Antwort.

Das Virtuelle Institut „Strom zu Gas und Wärme“  ist ein Verbund aus dem Gas- und Wärme-Institut e. V. und sechs weiteren  Forschungsinstitutionen und untersucht im Auftrag des Ministeriums für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes NRW, die notwendigen Flexibilitätsoptionen im Energieversorgungssystem. Diese Optionen sind eine wichtige Bedingung für die Integration von hohen volatilen Anteilen an erneuerbaren Energien im Stromnetz.

Nach dem Abschluss des einjährigen Vorprojekts sind nun erste Ergebnisse veröffentlicht worden und stehen hier zum Download bereit. Das Virtuelle Institut wird nun mit seinen Akteuren  im Rahmen des Hauptprojektes an der Umsetzung der im Bericht aufgezeigten Forschungsagenda weiter arbeiten.

(1)  Abschlussbericht zur Entwicklung einer Forschungsagenda vor dem Hintergrund der spezifischen Rahmenbedingungen und Herausforderungen für NRW

(2)  Technologiecharakterisierungen in Form von Steckbriefen

(3)  Auswertung von Studien zu künftigem Bedarf an Stromspeicherung

Eine Broschüre zum Virtuellen Institut "Strom zu Gas und Wärme" finden Sie auf der Website der EnergieAgentur.NRW.

 

Entwicklung eines Kombi-Biobrennstoffbrenners zur Erzeugung industrieller Prozesswärme – Kombibrenner für flüssige und gasförmige Biobrennstoffe

Eine allgemeine Strategie zum direkten Einsatz erneuerbarer Energien bei der Erzeugung industrieller Prozesswärme gibt es bislang noch nicht. Vereinzelte kleinere Ansätze werden zurzeit untersucht und umgesetzt. Abgesehen von elektrisch beheizten Industrieöfen erfolgt die Bereitstellung von Prozesswärme in der  Regel durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen meist Erdgas, in seltenen Fällen durch die Verbrennung von leichtem oder schwerem Heizöl. Der Einsatz biogener Brennstoffe in Reinform oder als Beimischkomponente ist bislang noch die Ausnahme.

Das derzeitige Angebot an Industriebrennern bietet für die Verbrennung eines einzelnen konventionellen gasförmigen oder flüssigen Brennstoffes eine ausgereifte Technik, die in Bezug auf Startverhalten, Flammenstabilität und Schadstoffemissionen zufriedenstellende Ergebnisse liefert.
Zukunftsfähige Brenner müssen in der Lage sein, flexibel auf die Entwicklungen des Brennstoffmarkts zu reagieren. Insbesondere im Bereich der biogenen Brennstoffe sind sowohl flüssige als auch gasförmige Brennstoffe verfügbar. Der Einsatz von Kombi- oder Mehrstoffbrennern ermöglicht durch die Unabhängigkeit vom Aggregatzustand eine hohe Verfügbarkeit sowohl konventioneller als auch biogener Brennstoffe.

Die einzusetzenden Brennstoffe haben gegenüber konventionellen Brennstoffen stark variierende verbrennungstechnische Eigenschaften. So zeigen die verschiedenen biogenen gasförmigen und flüssigen Brennstoffe teils erhebliche Abweichungen von Standardbrennstoffen (wie z. B. Erdgas und Heizöl EL), die selbst bei moderater Beimischung (sog. Blends) zu deutlichen Auswirkungen auf das Betriebs- und Schadstoffverhalten von Brennern führen können.

Aktuell stellen insbesondere die vielfältigen Anforderungen aufgrund der Brennstoffdiversität in Industriebrennern ein Hemmnis dar, die den breiten Einsatz von biogenen Brennstoffen in reiner Form oder als Beimischung in thermoprozesstechnischen Anlagen erschweren. Gleichzeitig stellen sie die Forschung bei der Entwicklung von innovativen Brennerkonzepten vor große Herausforderungen. Die Probleme, wie z. B. Neigung zur Ablagerungsbildung bei der Pflanzenölverbrennung, die Vermeidung von Verbrennungsinstabilitäten bei wechselnder Qualität und Menge gasförmiger Brennstoffe und die Einhaltung der NOx-Grenzwerte bei Vorhandensein von brennstoffgebundenem Stickstoff sind bis zum heutigen Zeitpunkt nicht zufriedenstellend gelöst. Auch existieren aktuell noch keine geeigneten Konzepte, die Skalierbarkeit von Kombibrennern über verschiedene Leistungsstufen zu gewährleisten. Im Rahmen des Anfang Dezember gestarteten Forschungsprojektes soll die Entwicklung eines Kombibrenners für flüssige und gasförmige biogene Brennstoffe mit Hilfe numerischer und experimenteller Methoden durchgeführt werden.

 

Untersuchung der Auswirkung von Wasserstoff-Zumischung ins Erdgasnetz auf industrielle Feuerungsprozesse in thermoprozesstechnischen Anlagen

Der Anteil der Erneuerbaren Energien an der gesamten Energieproduktion Deutschlands nimmt immer weiter zu. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken unterliegt die Stromerzeugung aus den meisten regenerativen Quellen hohen Fluktuationen. Daraus ergibt sich jedoch ein verstärktes Ungleichgewicht zwischen Stromangebot und -nachfrage, das es auszugleichen gilt, um eine stabile und sichere Stromversorgung sowohl für die Industrie als auch die Privathaushalte sicherzustellen.

Da das Stromnetz keine bzw. nur geringe Speicherfähigkeiten besitzt, müssen entsprechende Speichertechnologien eingesetzt werden, um hier für einen Ausgleich zu sorgen. Eine vielversprechende Möglichkeit ist die Umwandlung von überschüssigem, regenerativ erzeugtem Strom in Wasserstoff mittels Elektrolyse und lokaler Speicherung in Gastanks sowie der anschließenden Einspeisung in das Erdgasnetz. Hierdurch wird allerdings die Gasbeschaffenheit, d. h. die Zusammensetzung des Gasgemisches beeinflusst.

Für einzelne Betreiber von Thermoprozessanlagen, aber auch für die Hersteller von Brennern bedeutet dies, dass sie einem veränderten Verbrennungs-, Schadstoff- und Wärmeübertragungsverhalten begegnen müssen, um den Betrieb und die Anlagensicherheit nicht zu gefährden.
Das Ziel dieses Vorhabens ist es, den Einfluss von H2-Zumischungen auf das Betriebs-, Wärmeübertragungs- und Schadstoffverhalten von Industriebrennern zu untersuchen. Insbesondere soll untersucht werden, inwieweit übliche Primärmaßnahmen zur Vermeidung der Stickoxidbildung  beeinflusst werden. Weiterhin müssen die Änderungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Brenner- und Sicherheitstechnik analysiert werden.

 

Auswirkungen der Zumischung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz auf thermoprozesstechnische Anlagen in der keramischen Industrie

Eine Möglichkeit, Primärenergie wie Erdgas und/oder Öl einzusparen und die CO2-Emissionen zu reduzieren, ist die Verwendung von Gasen aus regenerativen Energien wie z. B. Biogas aus Biogasanlagen und Wasserstoff aus Power-to-Gas-Anwendungen. Diese Gase werden aufgrund der aktuellen Entwicklungen zunehmend ins Erdgasnetz eingespeist. Obwohl diese Gase durch Konditionierungsmaßnahmen auf die nach DVGW Arbeitsblatt G260 erforderliche Qualität gebracht werden, sind Schwankungen in der Gaszusammensetzung im Netz unvermeidbar. Dies hängt einerseits von der räumlichen Nähe und der aktuellen Auslastung von Anlagen zur Biogas- und Wasserstofferzeugung zu den Einspeisepunkten und andererseits von den eingespeisten Erdgasen aus unterschiedlichen Quellen selbst ab. In Deutschland wird beispielsweise Erdgas aus Norwegen, den Niederlanden, Dänemark, Großbritannien und Russland eingespeist.

Für die Betreiber von erdgasbefeuerten Thermoprozessanlagen speziell in der Keramikindustrie bedeutet dies, dass sie sich auf den zunehmenden Einsatz von Brenngasen mit substituiertem Biogas und Wasserstoff (H2) und den damit verbundenen Änderungen in der Gasbeschaffenheit einstellen müssen.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist, die Möglichkeiten und Auswirkungen der Substitution von Biogas und H2 im Erdgasnetz bei der Befeuerung in Thermoprozessanlagen der keramischen Industrie zu untersuchen, damit für die Betreiber dieser Anlagen der zukünftige Einsatz erneuerbarer Energien zur CO2-Reduktion generell technisch möglich und eine attraktive Lösung ist. Bezüglich der keramischen Sinterprodukte ist das Ziel des Forschungsprojektes, über das gesamte Spektrum von der hochwertigen technischen Keramiken über die Brennhilfsmittel bis hin zu glasierten Erzeugnissen alle quantifizierbaren Einflüsse zu erkennen, die sich auf den Einfluss der Brenngase zurückführen lassen. Diese Arbeiten werden mit Hilfe von numerischen und experimentellen Untersuchungen an Laboröfen aber auch an industriellen Anlagen durchgeführt.

 

Biogasbefeuerung in der Glasproduktion zur Optimierung des Energieeinsatzes und Reduzierung der Schadstoffemissionen – Umsetzung im industriellen Glasherstellungsprozess (Kurztitel: BG-G II) –

Bei der Glasherstellung ist das Erschmelzen des Glases der energieintensivste Prozessschritt, der bei Massengläsern ca. 75 bis 80 % des gesamten Energiebedarfs beträgt. Um Alternativen zur herkömmlichen Befeuerung von Thermoprozessanlagen wie Glasschmelzwannen aufzuzeigen, die CO2-Emissionen zu minimieren und damit den Glaswannenbetreibern die Einhaltung der CO2-Grenzwerte zu ermöglichen, werden im Rahmen eines AiF-Forschungsprojektes die Auswirkungen, Möglichkeiten und Grenzen einer Rohbiogasbefeuerung an einer industriellen Glasschmelzwanne untersucht. Dabei liegen besondere Schwerpunkte und Fragestellungen in den möglichen Einflüssen auf die Glasqualität, auf das Feuerfestmaterial, auf die Wärmeübertragung und auf das Ausbrandverhalten.

In einem vorhergehenden Projekt „Biogasbefeuerung in der Glasproduktion zur Reduzierung der CO2-Emissionen“ (IGF-Nr. 397 ZN) sind dazu grundlegende Untersuchungen für den möglichen Einsatz in Glasschmelzwannen durchgeführt worden. Ziel dieses Anschlussprojektes ist die Übertragung der im Vorgängerprojekt mit einer mobilen Versuchsanlage gewonnenen Erkenntnisse auf die einzelnen Prozessschritte des industriellen Glasherstellungsprozesses und die Entwicklung von Handlungsrichtlinien für eine Umsetzung der Rohbiogasnutzung in anderen Industriebranchen.

Die Motivation für das Nachfolgeprojekt ist vor allem begründet in dem stets vorhandenen Interesse der Betreiber von industriellen Thermoprozessanlagen, die Energiekosten zu senken (Beispiel Glasherstellung: dort machen die Energiekosten aktuell ca. 35 % der Gesamtkosten aus), alternative Brennstoffe für ihre Prozesse zu nutzen und den emissionstechnisch relevanten CO2-Ausstoß zu verringern.

 

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