energetyka odnawialna w bilansie energetycznym polski

Nutzung von kommunalen und Industrieabfällen in
Energieerzeugungsanlagen
Waldemar Kamrat
Lehrstuhl der Starkstromtechnik an der Technischen
Hochschule Danzig (Katedra Elektroenergetyki
Politechniki Gdańskiej)
XIII. Konferenz „Grenznahe Energiewirtschaft in Polen und
Deutschland“
Sulechów, den 18.11.2016
Einführung
• Wettbewerb im Bereich der Brennstoffe
und der Technologien
• Ökologische Bedingungen
• Aufwand und Kosten in der
Energiewirtschaft
• Energetische Technologien /
verfahrenstechnischer Durchbruch /
Abfallverwertung
Gas-Dampf-Anordnung mit integrierter Kohlevergasung in
niedrigkalorisches Gas gemaß [7]
Para wysokoprężna
Para średnioprężna
128 MW
Węgiel
3
A
1
G
Woda
chłodząca
2
5
Do procesu
zgazowania
Żużel
6
Gaz kwaśny 7
01
A
A
Woda uzupełniająca
8
156 MW
N2
Wylot gazów
N2
N2
Woda
chłodząca A
10
Woda
uzupełniająca
G
Powietrze
Wylot spalin
Stückaufwand für Investitionen,
USD/kW(1)
• Steinkohleblöcke (Leistung /
Wirkungsgrad):
(450/42,8): 1000 USD/kW;
(800/43,0): 1200 USD/kW
• Braunkohleblöcke (Leistung /
Wirkungsgrad):
(370/37,9) : 950 USD/kW;
(800/39,8): 1200 USD/kW
Stückaufwand für Investitionen,
USD/kW(2)- RP
• IGCC-Blöcke (Leistung / Wirkungsgrad):
IGCC-300 , 45,0 % - 1500 USD/kW;
IGCC-600, 48,0% - 1700 USD/kW
• IGCC-Blöcke neuerer Generation
(Wirkungsgrade 48,0- 54,7)% – (1790 4670 )USD/kW;
OPEX : (39-79) USD/kW/a
Stückaufwand für Investitionen,
USD/kW(3)- WK
• IGCC-Blöcke mit CCS:
CAPEX – (5430-8200) USD/kW
OPEX – (58-65)USD/kW/a;
• IGCC-Blöcke :
CAPEX – (2500-4100)USD/kW
OPEX – (64-27) USD/kW/a
Parameter der IGCC-Anlagen in italienischen und
niederländischen Raffinerien gemäß [4, 8] (1)
Raffinerie
ISAB
Api Energia
SARLUX
PERNIS
136,5
60,1
136,5
68,8
2xTEXACO/QS1)
2xTEXACO/QS1)
2xTEXACO/QS1)
2xSHELL/HR2)
7,1
6,6
3,9
6,6
6,8/1,4
6,5/1,7


Gasturbine TG (Anzahl, Typ)
2 x V94.2
ABB 13 E2
3 x GE 9E
2 x GE 6B
Gasturbine TG Leistung [MW]
2 x 161,2
1 x 149,3
3 x 136,3
2 x 43
Dampfturbine TP Leistung [MW]
2 x 115,2
78,7
3x 50,8

520,8
233,5
446,0
127,0

4,0


-
-
3,7
10,6
Emission SO2 [mg/Nm3]
10
50
60

Emission NOx [mg/Nm3]
30
53
60

8
25

10
5
10

2.300
3.300
2.240

1999
2000
2000
1997
Parameter
Menge an vergastem Abfall [t/h)]
Gasgenerator GG
(Anzahl, Typ)
Druck in GG [MPa]
Druck im Gasentspanner [MPa]
IGCC-Leistung netto [MW]
Menge an erzeugtem Schwefel [t/h)]
Menge an erzeugtem
Wasserstoff [t/h]
Emission CO [mg/Nm3]
Emission Staub [mg/Nm3]
Investitionsaufwendungen
[USD/kW]
Jahr der Inbetriebnahme
Investitionsaufwendungen in italienischen und
niederländischen Raffinerien, USD/kW (2)
•
•
•
•
QS
HR
ISAB QS
Api Energia QS
SARLUX QS
PERNIS HR
2 300
3 300
2 240
keine Daten
am Ausgang des Gasgenerators wird die Temperatur des heißen Gases
durch Wassereinspritzung („Quench”) verringert („gelöscht”); das Gas
wird anschließend vor dem Gasturbineneingang mit Wasserdampf
gesättigt, um die Emissionen von NOx zu verringern („Saturation”)
in
diesem Gasgenerator wird die Temperatur
des heißen Gases durch Wärmeabnahme in Hoch- und
Mitteltemperaturkühlern verringert („Heat Recovery”)
Energieerzeugungsanlage aus Kommunalabfällen
gemäß [5]
Kocioł rusztowy
Palenisko rusztowe
Dwustopniowa
płuczka mokra
Elektrofiltr
Zasobnik
NaOH
Silos wapna
NaOH
Ca(OH) 2
Oczyszczalnia ścieków
Filtr piaskowy
Zagęszczarka
FeCISO 4
Prasa filtracyjna
Pył lotny i pył z filtrów
Złom
metalowy
Źużel
TMT15
Polielektrolit
Ścieki
Osad
Errichtung eines Heizwerkes / einer
Verbrennungsanlage in Polen [6]
in Polen wurden über zehn Heizwerke
errichtet, in denen Abfälle verbrannt werden
(hauptsächlich in
Gesundheitsschutzeinrichtungen, u.a. in
Gorzów (Landsberg), Skierniewice, Kraków
(Krakau), Legnica (Liegnitz), Katowice
(Kattowitz), Rabka, Malbork)
Mit Abfällen betriebene Kraftwerke
und Heizkraftwerke
allgemein können sie nach der Menge der
innerhalb eines Tages verbrannten Abfälle
eingeordnet werden, und zwar:
•  bis 40 Tonnen,
•  bis 120 Tonnen,
•  bis 400 Tonnen
Schema des Krafwerkes Wijster mit einer
Leistung in Höhe von 47,4MW gemäß [12]
Para 4,4 MPa
400 o C
Kocioł
na
odpady
Kocioł
na
odpady
Kocioł
na
odpady
18 24
t/h
18 24
t/h
18 24
t/h
Turbogenerator
47,4 MW
3x69,5 t/h
G
9,5 k Pa
Wymiennik
ciepłowniczy
Skraplacz
Podgrzewacz
powietrza
wlotowego
150 o C
Schema des Krafwerkes Thameside in London
mit einer Leistung in Höhe von 130 MW gemäß
[9]
Para 4,5 M Pa
450 o C
Kocioł
na
odpady
Kocioł
na
odpady
Turbogenerator
72 MW
WP
NP
G
Skraplacz
Schema des Krafwerkes Moerdijk mit einer
Leistung in Höhe von 322 MW gemäß [2, 3, 11]
Kocioł
utylizacyjny
Para 9,65 MPa
396 oC
280 t/h
0,6 MPa
220 o C
14 t/h
Kocioł
na
odpady
Kocioł
na
odpady
Kocioł
na
odpady
80 t/h
80 t/h
80 t/h
Turbogenerator
145 MW
spaliny
Gaz
ziemny
9,55 MPa
510 o C
417 t/h
WP
SP
G
Skraplacz
3 kPa
Powietrze
G
3 x 59 TG
NP
Odpady
przemysłowe
145 t/h
Schema des Heizkraftwerkes Holstebro mit einer
Leistung in Höhe von 31 MW ; 67 MJ/s (Abfälle /
Stroh) gemäß [2, 3, 10]
Para 6,7 MPa
522 o C
2x9,7 t/h
Kocioł
na
odpady
Kocioł
na
odpady
9 t/h
9 t/h
Para 6,7 MPa
522 o C
14,8 t/h
Kocioł
na
drewno
i słomę
Akumulator
ciepła
5000 m 3
Turbina parowa
31 MW
G
15,2 kg/s
0,06 M Pa
86,5 o C
Stacja
redukcyjna
15,2 kg/s
0,03 M Pa
69 o C
Wymienniki
ciepłownicze
67 MJ/s
Woda
1645 t/h
50 o C
Woda
1645 t/h
85 o C
8,5 MPa
140 o C
34,2 t/h
Odgazowywacz
0,36 MPa
Wymienniki
ciepłownicze
67 MJ/s
Schema des Heizkraftwerkes Horsens mit einer
Leistung in Höhe von 45MW ; 36MJ/s (Abfälle /
Erdgas) gemäß [2, 3]
Para 4,7 MPa
425 o C
2 x 15 t/h
Woda 8,5 MJ/s
90/50 o C
5 t/h
5 t/h
Kocioł
utylizacyjny
Turbogenerator
12,5 MW
Para
4,7 MPa
525oC
33 t/h
Kotły
na
odpady
Gaz
ziemny
Woda
0,7 kg/s
66 MJ/s
Spaliny
70 kg/s
520oC
Akumulator
ciepła
8000 m 3
0,34 MPa
G
0,072 M Pa
90 oC
0,031 M Pa
70 oC
Powietrze
G
TG
22,5 MW
Wymienniki
ciepłownicze
Woda 36MJ/s
90/50o C
Powietrzne
chłodnice
wody
Kreislaufschema des GuD-Heizkraftwerkes Sonderborg
mit einer Leistung in Höhe von 68MW; 55MJ/s (Abfälle /
Gas) gemäß [2, 3]
Para 6,0 M Pa
420 o C
6 kg/s
Kocioł
na
odpady
Para 0,45 MPa
220oC
4 kg/s
8 t/h
Spaliny
Turbogenerator
16 MW
Para
6,0 MPa
440oC
13 kg/s
Gaz
ziemny
Akumulator
ciepła
12000 m 3
G
0,055 M Pa
0,025 MPa
Woda
Powietrze
Wymienniki
ciepłownicze
Woda 55 MW
40/80o C
G
TG 42 MW
Podgrzewacz
powietrza
130 o C
Powietrzne
chłodnice
wody
Mit Biomasse betriebenes Heizkraftwerk
gemäß [1, 5, 6]
skład
drewna mokrego
para
suszarnia
drewna
skład
drewna suchego
taśmociąg
WP
SP
NP
żużel
G
komin
podgrzewacz
powietrza
powietrze
spaliny
Rentabilität der
Investitionsmaßnahme:
So
oder so ?, und vielleicht doch so??
1. Möglichkeiten für eine sinnvolle Bestimmung
des Investitionsaufwandes – Dilemma: wo
werden die externen Kosten zugeordnet (für
Kohle : 2-12USct/kWh, für Gas : 0,5-1,2
USct/kWh ?),
2. Einfluss des Investitionsaufwandes auf die
Effizienz des Kraftwerksbetriebes??
3. Wie ist die konkrete energetische
Technologie???
Stückkosten der Erzeugung elektrischer Energie ohne Berücksichtigung der Entgelte für Emissionen von
CO2 , [PLN/MWh] für: 1) BP für überkritische Parameter -WB, 2) BP für überkritische Parameter -WK, 3) BGP GZ, 4) BJ mit Reaktor PWR, 5) Wärme BP für überkritische Parameter -WK , 6) Wärme BPG mit 3-DruckKessel - GZ,7) Wärme BPG mit 2-Druck-Abhitzekessel - GZ, 8) Wärme BP mittlerer Leistung - Biomasse,9)
Wärme BPG integriert mit Biomasse-Vergasung,10) Windkraftwerk,11) Windkraftwerk geringer Leistung,12)
Photovoltaik-Kraftwerk, 13) Wärmeblock mit Gasturbine - GZ,14) Wärmeblock mit Motor -GZ ,15) Wärmeblock
ORC - Biomasse,16) Wärme BP geringer Leistung - Biomasse,17) Wärmeblock integriert mit biologischer
Biomasse-Konversion,18) Wärmeblock integriert mit Biomasse-Vergasung
900
800
Kapitalkosten
Brennstoffkosten
Reparaturkosten
Betriebskosten
700
[PLN/MWh]
600
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Stückkosten der Erzeugung elektrischer Energie mit Berücksichtigung eines Entgeltes in Höhe von 40 Euro für die
Emission von 1 t CO2 , [PLN/MWh] für: 1) BP für überkritische Parameter -WB, 2) BP für überkritische Parameter -WK, 3)
BGP -GZ, 4) BJ mit Reaktor PWR, 5) Wärme BP für überkritische Parameter -WK , 6) Wärme BPG mit 3-Druck-Kessel GZ,7) Wärme BPG mit 2-Druck-Abhitzekessel - GZ, 8) Wärme BP mittlerer Leistung - Biomasse,9) Wärme BPG integriert
mit Biomasse-Vergasung,10) Windkraftwerk,11) Windkraftwerk geringer Leistung,12) Photovoltaik-Kraftwerk, 13)
Wärmeblock mit Gasturbine - GZ,14) Wärmeblock mit Motor -GZ ,15) Wärmeblock ORC - Biomasse,16) Wärme BP
geringer Leistung - Biomasse,17) Wärmeblock integriert mit biologischer Biomasse-Konversion,18) Wärmeblock integriert
mit Biomasse-Vergasung
900
Kapitalkosten
Reparaturkosten
Umweltkosten
800
Brennstoffkosten
Betriebskosten
700
[PLN/MWh]
600
500
400
300
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Preise für elektrische Energie in der EU durchschnittlicher Preis für Haushalte, Euro/kWh
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1. Dänemark 0,294
2. Deutschland 0,292
3. Zypern 0,248
…………..
12. GB
0,180
…………..
21. Polen 0,144
…………..
28. Bulgarien 0,088
In den vergleichenden Analysen der Preise sollte die Kaufkraft der
Bevölkerung berücksichtigt werden
(ca. drei Mal höher im „alten“ Europa). In Polen
ist der Preis im Vergleich z.B. zu Deutschland relativ hoch.
Preise für elektrische Energie in der EU durchschnittlicher Preis für Haushalte, PPS/kWh ;
(Position im unmittelbaren Ranking)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1. Zypern
2. Deutschland
3. Portugal
4. Rumänien
5. Polen
…………..
14. Dänemark
…………..
23. GB
…………..
28. Finnland
0,282
0,281
0,262
0,259
0,247
(3)
(2)
(7)
(27)
(21)
0,215
(1)
0,175
(12)
0,128
(19)
Zusammenfassung (1)
In den kommenden über zehn Jahren werden vor allen
Dingen die Steinkohle und die Braunkohle den
strategischen Brennstoff für systemrelevante Kraftwerke
in Polen darstellen.
Die vollständig kommerziell reife Technologie der
Stromerzeugung aus Kohle, die sich durch hohe
Energieeffizienz und die niedrigsten
Stromerzeugungskosten auszeichnet, ist gegenwärtig
nur die Verfahrenstechnik, die in Dampfkraftwerken für
überkritische (ultra überkritische) Parameter verwendet
wird.
In Polen besteht in den kommenden 10 Jahren der Bedarf,
ca. 8 Steinkohle- und Braunkohle-Blöcke mit einer
Gesamtleistung von ca. 7 Tsd. MW zu bauen.
Zusammenfassung (2)
Die Stückkosten der Stromerzeugung in GuD-Kraftwerken auf
Erdgasbasis weisen generell darauf hin, dass diese Investitionen bei
aktuellem Erdgaspreis nicht rentabel sind.
Daher sollten die Entscheidungen über Investitionsvorhaben im
Zusammenhang mit der Errichtung von Kraftwerken dieses Typs in
Polen solange hinausgeschoben werden, bis die Möglichkeiten eines
Zugangs zu Gasvorräten mit relativ gesehen niedrigerem als dem
heutigen Preis geklärt worden sind.
Gas-Dampf-Blöcke mit integrierter Kohlevergasung (IGCC) haben die
volle kommerzielle Reife noch nicht erreicht.
Der Bau von weiteren IGCC-Demonstrationsblöcken wird von der Suche
nach optimalen verfahrenstechnischen Lösungen begleitet.
Die Größe, die die Energieeffizienz von Kraftwerken charakterisiert, ist
ihr Wirkungsgrad.
Dagegen ist die stückbezogene Emission von CO2 (kg CO2/MWh) ein
wichtiger Parameter, der den Einfluss der Kraftwerke auf die Umwelt
bestimmt.
Zusammenfassung (3)
Nutzung von kommunalen und
Industrieabfällen in
Energieerzeugungsanlagen kann eine
interessante Alternative für die Kunden
insbesondere auf dem lokalen
Energiemarkt sein.
Für die systemrelevante Energiewirtschaft
können Anordnungen mit
Abfallvergasung günstig sein.
Abschluss
Es gibt und es wird in den kommenden Jahrzehnten keine
dominierende energiewirtschaftliche Technologie geben bei der Entwicklung der Brennstoffbasis für den
Energiesektor sollte man darauf vorbereitet sein, das
gesamte Spektrum der verfügbaren und gut
beherrschbaren technischen Lösungen gekonnt
auszunutzen: von der „sauberen“ kohlebasierten
Energiewirtschaft über die sich entwickelnden
erneuerbaren Energiequellen bis zur Kern- bzw.
Wasserstoffenergie.
Die Auswahl der konkreten Lösungen wird sich bei einer
Investition nur und ausschließlich aus der
Wirtschaftlichkeitsrechnung und aus dem gegenseitigen
Wettbewerb zwischen den einzelnen Brennstoffen und
Technologien ergeben.
Literaturverzeichnis (1)
1. Augusiak A., Buriak J.: Energetyczne wykorzystanie biomasy. Rynek Energii,
nr 5, 2002
2. Energy Solutions in Denmark. Ministry of Environment and Energy. Danish
Energy Agency 1995
3. Engström F.: Overview of Power Generation from Biomass. Gasification
Technologies Conference. San Francisco. October 1999
4. Farina G. L., Collodi G.: First Italian oil based IGCC in operation. Gasification
Technologies Conference. San Francisco. October 1999
5. Kamrat W.: Metodologia oceny efektywności inwestowania na lokalnym
rynku energii. Seria Monografie nr 5. Gdańsk: Wydawnictwo Politechniki
Gdańskiej 1999
6. Kamrat W.: Dylematy rozwoju energetyki. W:[Doświadczenia i wyzwania
rynku energii, pod red. W. Kamrata]. Konferencja REE 2014
7. Miller A., Lewandowski J.: Układy gazowo-parowe na paliwo stałe.
Warszawa: WNT 1993
Leiteraturverzeichnis (2)
8. Rakowski J.: Problemy wytwarzania energii przy wykorzystaniu nowych
technologii. Konferencja „Problemy bezpieczeństwa energetycznego w
Polsce” FSNT NOT, Warszawa, 6 grudnia 2001
9. Second try for Thameside energy from waste project. Modern Power
Systems, September 1995
10.Sokołowski J.: Kwiatkowski J., Kosowski K.: Wytwarzanie energii
elektrycznej i ciepła z wykorzystaniem odpadów komunalnych i
przemysłowych. Energetyka, nr 9, 2002
11. The AVI Moerdijk turns waste to steam and power. Modern Power
Systems, March 1997
12. The GAVI Wijster 735 t/a waste to energy plant. Modern Power Systems,
November 1994
13. Zaporowski B.: Efektywność ekonomiczna technologii energetycznych,
Politechnika Poznańska ,2013
Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit