8
36 gwf Gas + Energie 6/2017 Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung hinsichtlich ihrer Effizienz und Flexibilität in repräsentativen KWK-Prozessen Hajo Hoops und Karim Saidi Gas-Plus-Technologien, Gasturbine, Gasmotor, Kraft-Wärme-Kopplung, Dampferzeugung, Heißwasserer- zeugung, Flexibilität Die Studie vergleicht eine MAN Gasturbine und einen MAN Gasmotor der gleichen Leistungsklasse in drei verschiede- nen KWK-Prozessen mit Dampf- und Heißwassererzeugung. Ziel der Untersuchung ist es, generelle Vorzüge und auch Nachteile der eingesetzten Antriebsmaschinen für die jeweiligen KWK-Prozesse aufzuzeigen und damit eine Voraus- wahl je nach Anwendungsfall zu erleichtern. Bei niedrigen Stromkennzahlen und hohen Dampfparametern ist die Gasturbine in aller Regel die wirtschaftlichere Alternative. Dampferzeugung ist auch mit Gasmotoren wirtschaftlich möglich, allerdings können hohe Dampfparameter den Gesamtnutzungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit ein- schränken. Gasmotorenlösungen erfordern insbesondere bei höheren Dampfparametern die parallele Erzeugung von Heißwasser, um wirtschaftlich zu sein. A comparative study of a gas turbine and gas engine regarding efficiency and flexibility for typical combined heat and power processes The study compares a MAN gas turbine and a MAN gas engine of the same output class in three different CHP pro- cesses with steam and hot water generation.Aim of the study is to define the pros and cons of the different applied movers for the studied CHP processes and thereby to facilitate a preselection depending on the application. With low power-to-heat ratios and high steam parameters, the gas turbine is generally the more economical alternative. Steam generation is also economically feasible with gas engines, but high steam parameters can limit the overall fuel utiliza- tion and thus the profitability. Gas engine solutions, particularly in the case of higher steam parameters, require the parallel generation of hot water to be economical. 1. Einführung Neben den erneuerbaren Energien haben die Stromer- zeugung mit gasförmigen Brennstoffen und auch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die größten CO 2 Minde- rungspotenziale. Daher werden diese Erzeugungs- technologien in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die Kombination von beiden Technologien ermöglicht höchste Nutzungsgrade bei minimalem Schadstoffaus- stoß [1; 2; 3]. Das Portfolio der MAN Diesel & Turbo SE umfasst Gastur- binen von 6 bis 12 MW sowie Gasmotoren von 7 bis 20 MW. Damit stehen leistungsstarke Antriebsmaschinen zur Ver- fügung, die flexible und effiziente KWK-Anlagen ermögli- chen. Aufgrund der üblichen Genehmigungspraxis ist es kaum möglich, das technologische Konzept von KWK- Anlagen bis in die Ausschreibungsphase offen zu lassen. Daher ist es im Vorfeld eines Projektes essentiell, in umfas-

Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

  • Upload
    lyduong

  • View
    214

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

36 gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-TechnologienFACHBERICHTE

Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung hinsichtlich ihrer Effizienz und Flexibilität in repräsentativen KWK-ProzessenHajo Hoops und Karim Saidi

Gas-Plus-Technologien, Gasturbine, Gasmotor, Kraft-Wärme-Kopplung, Dampferzeugung, Heißwasserer-zeugung, Flexibilität

Die Studie vergleicht eine MAN Gasturbine und einen MAN Gasmotor der gleichen Leistungsklasse in drei verschiede-nen KWK-Prozessen mit Dampf- und Heißwassererzeugung. Ziel der Untersuchung ist es, generelle Vorzüge und auch Nachteile der eingesetzten Antriebsmaschinen für die jeweiligen KWK-Prozesse aufzuzeigen und damit eine Voraus-wahl je nach Anwendungsfall zu erleichtern. Bei niedrigen Stromkennzahlen und hohen Dampfparametern ist die Gasturbine in aller Regel die wirtschaftlichere Alternative. Dampferzeugung ist auch mit Gasmotoren wirtschaftlich möglich, allerdings können hohe Dampfparameter den Gesamtnutzungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit ein-schränken. Gasmotorenlösungen erfordern insbesondere bei höheren Dampfparametern die parallele Erzeugung von Heißwasser, um wirtschaftlich zu sein.

A comparative study of a gas turbine and gas engine regarding efficiency and flexibility for typical combined heat and power processes

The study compares a MAN gas turbine and a MAN gas engine of the same output class in three different CHP pro-cesses with steam and hot water generation.Aim of the study is to define the pros and cons of the different applied movers for the studied CHP processes and thereby to facilitate a preselection depending on the application. With low power-to-heat ratios and high steam parameters, the gas turbine is generally the more economical alternative. Steam generation is also economically feasible with gas engines, but high steam parameters can limit the overall fuel utiliza-tion and thus the profitability. Gas engine solutions, particularly in the case of higher steam parameters, require the parallel generation of hot water to be economical.

1. EinführungNeben den erneuerbaren Energien haben die Stromer-zeugung mit gasförmigen Brennstoffen und auch die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) die größten CO2 Minde-rungspotenziale. Daher werden diese Erzeugungs-technologien in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die Kombination von beiden Technologien ermöglicht höchste Nutzungsgrade bei minimalem Schadstoffaus-stoß [1; 2; 3].

Das Portfolio der MAN Diesel & Turbo SE umfasst Gastur-binen von 6 bis 12 MW sowie Gasmotoren von 7 bis 20 MW. Damit stehen leistungsstarke Antriebsmaschinen zur Ver-fügung, die flexible und effiziente KWK-Anlagen ermögli-chen.

Aufgrund der üblichen Genehmigungspraxis ist es kaum möglich, das technologische Konzept von KWK-Anlagen bis in die Ausschreibungsphase offen zu lassen. Daher ist es im Vorfeld eines Projektes essentiell, in umfas-

Page 2: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

37gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE

senden Konzeptstudien die Eignung der in Frage kom-menden Technologien zu analysieren und zu bewerten.

Es liegen bereits Untersuchungen zwischen Gasturbi-nen und Gasmotoren in KWK-Anwendungen mit Fern-wärme vor [4]

Die nachfolgende Untersuchung bezieht sich auf Pro-zesse mit Dampfversorgung, die exemplarisch für eine Vielzahl industrieller Anwendungen stehen. Dabei wird eine Dampferzeugung auf zwei verschiedenen Druckstu-fen und die Heißwassererzeugung für jeweils variable Stromkennzahlen untersucht.

1.1 Der Ansatz der Untersuchung Als Antriebsmaschinen werden die Gasturbine MGT6100 und der Gasmotor 12V35/44G TS in drei verschiedenen Prozess-Szenarien bei gleicher elektrischer Leistung mitein-ander verglichen. „Gleiche elektrische Leistung“ bedeutet in diesem Fall, dass der Gasmotor in ca. 90 % Teillast betrieben wird. Dies wäre sicherlich für einen realen Anwendungsfall unüblich, ist aber der Vergleichbarkeit geschuldet und hat qualitativ keinen Einfluss auf die Ergebnisse.

In jedem Szenario wurde die Stromkennzahl variiert, um die Flexibilität der Konfiguration zu untersuchen. Hinter-grund ist hier, dass eine Anlage in den meisten Fällen über einen breiteren Nutzungsbereich wirtschaftlich sein muss und nicht nur in einem Nennlastpunkt. Über eine Zusatz-feuerung vor dem Abhitzekessel wurde die Wärmeerzeu-gung ggf. erhöht, um eine erhöhte thermische Leistung und damit eine geringere Stromkennzahl zu erreichen.

Die Primärenergieeinsparung wurde für diese Unter-suchung als Maß der Wirtschaftlichkeit betrachtet. Sie berechnet sich aus der Einsparung des KWK-Prozesses gegenüber zwei separaten Prozessen zur Strom- und Wärmeerzeugung. Wirtschaftlich sinnvolle KWK-Prozesse weisen in jedem Fall eine klar positive Primärenergieein-sparung auf. In den EU-Richtlinien wird eine Primärener-gieeinsparung von mindestens 10 % gegenüber Ver-gleichsprozessen verlangt, um einen Prozess als „hochef-fizient“ zu deklarieren, was häufig als Kriterium für Förderungen herangezogen wird.

Üblicherweise machen die Brennstoffkosten deutlich über 80 % der Erzeugungskosten aus, daher ist die Primär-energieeinsparung ein guter Indikator für die Systemeffi-zienz und die Wirtschaftlichkeit.

Ein einfaches Beispiel vermittelt ein Gefühl zum Niveau der Primärenergieeinsparung: Ein Referenz-KWK-Prozess mit 45 % elektrischem und 45 % thermischem Wirkungs-grad hat eine Primärenergieeinsparung von 25 %. Dies wä-re ein typischer Fall eines BHKWs mit einem Gasmotor in einer Fernwärmeanwendung.

Die Untersuchung erhebt explizit nicht den Anspruch optimierte Anlagenkonfigurationen zu zeigen, sondern soll die verschiedenen Konzepte qualitativ vergleichen

und das Potential zur Primärenergieeinsparung sowie die Flexibilität bzgl. der Stromkennzahl aufzeigen.

Ein optimiertes Anlagenkonzept muss in jedem Fall für die konkreten individuellen Bedingungen eines Pro-jekts erarbeitet werden. Hierzu sind auch projektspezifi-sche Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sowie Anforde-rungen hinsichtlich Verfügbarkeit, Wartungsintensität, Emissionen, etc. zu berücksichtigen

1.2 Die Antriebsmaschinen Die MGT6100 ist eine der weltweit modernsten Industrie-gasturbinen der 6 MW-Klasse. Basierend auf jahrzehnte-lang gesammelter Erfahrung entwickelte MAN Diesel & Turbo eine eigene moderne Gasturbinenfamilie, welche die Vorteile von Industriegasturbinen mit denen der Ae-roderivate kombiniert.

Die MGT6100 ist eine Einwellen-Gasturbine, kompak-ter Baugröße und hoher Leistungsdichte, gebaut für den Einsatz im Energiesektor mit hoher Gesamteffizienz im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung und zeitgemäß nied-rigen Emissionen (NOx/CO: 30 mg/Nm³ @ 15 % O2, tro-cken zwischen 50–100 % Last).

Die MGT6100 ist modular aufgebaut, um guten Zu-gang für Wartungsarbeiten sicherzustellen, und bietet mit 40 000 EOH (Equivalent Operating Hours) ausrei-chend lange Serviceintervalle zwischen zwei Hauptins-pektionen (Bild 1).

Der MAN Gasmotor 12V35/44G TS ist ein zweistufig auf-geladener Mittelschnellläufer mit einer Nenndrehzahl von 750 U/min. Für eine optimale Gemischbildung und Ver-brennung verfügt der Otto-Motor über Gasventile vor je-dem Zylinder (port injection) und gespülte Vorkammern mit Zündkerze. Die hohen Ladedrücke durch die zweistufi-ge Turbo-Aufladung ermöglichen eine hohe Leistungs-dichte von über 600 kW/Zylinder und insbesondere in Fernwärmeanwendungen eine optimale Wärmeauskopp-lung.

Auch durch die moderate Drehzahl von 750 U/min und sein modernes Design verfügt der Motor über den besten elektrischen Wirkungsgrad seiner Klasse (Bild 2).

Die elektrische Leistung an den Generatorklemmen der beiden Antriebsmaschinen beträgt 6,63 MW für alle Simulationen.

1.3 Beschreibung der untersuchten Anlagen-Konfigurationen Die drei verschiedenen Konfigurationen werden mit KWK1, KWK2 und KWK3 bezeichnet:KWK 1: KWK-System mit Strom- und 8 bar(a) Sattdampf-

erzeugung (170°C) (Bild 3)KWK 2: KWK-System mit Strom-, 8 bar(a) Sattdampf- und

zusätzlicher Heißwassererzeugung (60/130 °C).

Page 3: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

38 gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-TechnologienFACHBERICHTE

KWK 3: KWK-System mit Strom-, 15 bar(a)/240 °C über-hitzter Dampf- und zusätzlicher Heißwasserer-zeugung (60/130 °C).

Die Konfigurationen bestehen aus: ■ Antriebsmaschine für den elektrischen Generator ■ Speisewasserbehälter (Entgaser) und Speisewasser-

vorwärmer ■ Abhitzekessel zur Dampferzeugung ■ Weiteren Wärmetauschern im Abgasweg (Economi-

zer) und für die Motorlösung zur Wärmerückgewin-nung von Motorkühlwasser und Motorschmieröl

Die Randbedingung und Annahmen sowie die Prozess-kenngrößen sind in Tabelle 1 und 2 dargelegt. Für den Prozess „KWK 2“ wurde ein Heißwasserbedarf von 6 MW angenommen. Für den Prozess „KWK 3“ liegt dieser bei nur 3 MW, da aufgrund der höheren Dampfparameter mehr Energie in Dampf umgesetzt wird.

Die Verschaltung der Speisewasservorwärmung vor dem Dampferzeuger ist für alle Prozesse gleich (Bild 3). Die Kondensatrückführung erfolgt in den Speisewasser-behälter. Das Zusatzwasser wird in einem Wärmetau-scher, der zwischen Speisewasserbehälter und Economi-zer geschaltet ist, vorgewärmt.

Die Prozesse „KWK2“ und „KWK3“ erzeugen neben Dampf auch Heißwasser. Dazu sind im Abgasweg weitere

Speisewasser:103 °C

Make-up

Vorwärmer

Gasturbine bzw. Gasmotor

Brennstoff(Erdgas)

Dampf: 8 bara

Abhitzekessel

Zusatz-feuerung

C

Kondensatrücklauf @ 90 °C

Entgaser

Bild 2: MAN Gasmotor 12V35/44G TS

Bild 1: MAN Gasturbine MGT 6100

Bild 3: Konfigurationsschema „KWK1“

Page 4: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

39gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE

Wärmetauscher installiert. Der Gasmotor stellt zusätzlich zu der Abgaswärme eine Schmierölwärme von ca. 750 kW bei einem Niveau von 70 °C zur Verfügung. Aus Mo-torkühlwasser und Intercooler können über 2 MW bei bis zu 110 °C ausgekoppelt werden.

Der Prozess „KWK3“ unterscheidet sich von„KWK2“ durch die höheren Dampfparameter (15 bar(a) und 240 °C) sowie die geringere Heißwasserleistung von nur 3 MW (Bild 4 und 5).

1.4 Thermodynamische Berechnung und SimulationDie drei Konfigurationen wurden mit der Software Gate-CycleTM modelliert und berechnet.

Die Berechnung der Kenngrößen erfolgte auf Basis der bekannten Formeln:

σ =+

P

Q Qnet

Dampf Heißwasser� � Stromkennzahl

ηKWKnet Dampf

Brennstoff KWK

P Q

Q11

=+

_

Wirkungsgrad „KWK1“

ηKWKnet Dampf HW

Brennstoff KWK

P Q Q

Q2 32 3

−−

=+ +

_

Wirkungsgrad „KWK2 u. 3“

P P Pnet Generator Eigenbedarf= − Elektrische Nettoleistung

PEEKWK H

f HKWK P

f P

= −+

11

_Re _

_Re _

ηη

ηη PEE

(Primärenergieeinsparung)

Die verwendete Nomenklatur ist in Tabelle 3 aufgelistet.

2. Ergebnisse der Berechnungen und  Analyse

2.1 Ergebnisse und Analyse des Szenarios KWK1 (Bild 6)Die Ergebnisse zeigen fallende Gesamtwirkungsgrade mit steigender Stromkennzahl. Der Gasmotorenprozess erreicht im Bestpunkt weniger als 75 % Gesamtwirkungs-grad und die Primärenergieeinsparung liegt unter 5 %. Nur der Gasturbinenprozess erreicht Gesamtwirkungs-grade von über 80 % und eine Primärenergieeinsparung über 10 % und zwar für Stromkennzahlen unter 0,7.

Der Gasmotor ermöglicht somit wahrscheinlich keine wirtschaftliche Anlage, als Indikator dient die hohe Ab-gastemperatur nach dem Economizer von über 130 °C.

Die Gasturbine kann nur für Stromkennzahlen zwischen 0,3 und 0,6 attraktive Kennzahlen bieten. Bei Stromkenn-

Tabelle 1. Randbedingungen und Kenndaten der Antriebsmaschinen.

Umgebungstemperatur [°C] 15

Aufstellungshöhe [m] 0

Umgebungsluftdruck [kPa] 101,3

Rel. Luftfeuchte [%] 60

Erdgas Heizwert [kJ/kg] 48 000

Antriebsmaschine Gasturbine Gasmotor

Modell MGT6100 12V35/44G TS

Last [%] 100 91,4

Elektrische Leistung [MW] 6,63 6,63

Elektrischer Wirkungsgrad [%] 32,2 45,2

Abgastemperatur [°C] 505 315

Abgasmassenstrom [kg/s] 26,2 11,78

Tabelle 2. Prozesskenngrößen der Wärmeerzeugung.

Dampfparameter KWK1+2 [bar(a) / °C] 8 / 170

Dampfparameter KWK3 [bar(a) / °C] 15 / 240

Speisewassertemperatur zum AHK [°C] 103

Temperatur Zusatzwasser [°C] 20

Anteil Kondensatrückführung [%] 80

Temperatur Kondensatrückführung [°C] 90

Vor- und Rücklauftemperatur Heißwasser [°C / °C] 60 / 130

Th. Leistung Heißwasser KWK2 [MW] 6

Th. Leistung Heißwasser KWK3 [MW 3

Tabelle 3. Nomenklatur.

Einheit

KWK_Pη [%] Elektrischer Wirkungsgrad des KWK-Systems

KWK_Hη[%]

Wirkungsgrad der Wärmeerzeugung des

KWK-Systems

η KWK [%] Gesamtwirkungsgrad / Nutzungsgrad

Strom- kennzahl

Verhältnis von elektrischer zu gesamter

thermischer Leistung

Pnet [MW] Elektrische Nettoleistung des KWW-Systems

QDampf [MW] Thermische Leistung der Dampferzeugung

QHW [MW]Thermische Leistung der Heißwasserer-

zeugung

QBrennstoff [MW] Feuerungswärmeleistung

PEE [%] Primärenergieeinsparung

Ref_Hη [%] Referenzwirkungsgrad eines Kessels 90 %

Ref_Pη[%]

Referenzwirkungsgrad für Stromerzeugung

mit Erdgas 53 %

Page 5: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

40 gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-TechnologienFACHBERICHTE

Make up Vorwärmer

Gasturbine bzw.Gasmotor

Brennstoff (Erdgas) Dampf: 15 bara & 240 °C

G

Zusatzfeuerung

CC

Kondensatrücklauf @ 90 °C

Entgaser

Heißwasser VL: 130 °C

HeißwasserRL: 60 °C

Speisewasser: 103 °C

Abhitzekessel

Bild 5: Konfigurationsschema „KWK3“

Speisewasser:103 °C

Make up Vorwärmer

Gasturbine bzw. Gasmotor

Brennstoff (Erdgas) Dampf: 8 bara

Abhitzekessel Zusatzfeuerung

CC

Kondensatrücklauf @ 90 °C

Entgaser

Heißwasser VL: 130 °C

HeißwasserRL: 60 °C

Bild 4: Konfigurationsschema „KWK2“

Page 6: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

41gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE

zahlen von über 0,8 fällt der Gesamtwirkungsgrad unter 70 % und macht die Anwendung damit unwirtschaftlich.

Auffallend ist der Kreuzungspunkt der Kurven bei ei-ner Stromkennzahl von ~0,9. Unter 0,9 ist die Gasturbine die bessere Lösung, über 0,9 führt der Gasmotor.

Bild 7 zeigt den Verlauf von Dampfproduktion und Abgastemperatur vor Abhitzekessel. Die Dampfleistung variiert über den Bereich der betrachteten Stromkennzahl zwischen 22 und 5 MW, das entspricht einer Dampferzeu-gung von 32,3 t/h bis 5,7 t/h. Unterhalb einer Stromkenn-zahl von 0,64 muss im Gasturbinenprozess vor dem Abhit-zekessel zugefeuert werden, um die Dampfleistung zu er-reichen. Oberhalb einer Stromkennzahl von 0,64 kann nicht der ganze zur Verfügung stehende Dampf genutzt werden.

Der Gasmotor benötigt im Bereich der betrachteten Stromkennzahl immer eine Zusatzfeuerung vor dem Ab-hitzekessel, da ansonsten wegen der relativ geringen Ab-gaswärme nicht genug Dampf erzeugt werden kann. Al-lerdings ist mit dem Gasmotor nur eine minimale Strom-kennzahl von 0,54 möglich. Bei dieser Stromkennzahl beträgt die Abgastemperatur nach der Zusatzfeuerung etwa 1050 °C und der Restsauerstoffgehalt nur noch ca. 3 %. Eine weitere Steigerung der Zusatzfeuerung ist daher technisch nicht möglich.Fazit der Simulation KWK1:

■ Bei Stromkennzahlen <0,9; Effizienteste Lösung mit der Gasturbine (MGT6100)

■ Bei Stromkennzahlen >0,9: Effizienteste Lösung mit dem Gasmotor (12V35/44G TS)

■ Die Primärenergieeinsparung für die Gasmotorenlö-sung ist immer positiv

■ Die Primärenergieeinsparung für die Gasturbinenlö-sung wird erst bei Stromkennzahlen <0,9 positiv, er-reicht aber dann ein deutlich höheres Niveau >10 %.

■ Bei Stromkennzahlen <0,54; Der Gasmotor kann den Dampfbedarf nicht allein decken, da der Restsauer-stoffgehalt im Abgas für die erhöhte Zusatzfeuerung nicht ausreicht.

2.2 Ergebnisse und Analyse des Szenarios KWK2Bild 8 zeigt die Ergebnisse des Szenarios „KWK2“ (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung). Die Ergeb-nisse des zweiten Szenarios sind insgesamt attraktiver:

Im Gegensatz zum ersten Szenario erreichen nun bei-de Prozesse Wirkungsgrade von über 80 % und Primär-energieeinsparungen von über 10 % und zwar für Strom-kennzahlen unter 0,7. Die höchste Primärenergieeinspa-rung erzielt der Gasmotor mit ca. 20 % bei Stromkennzahlen über 0,8. Die Wirkungsgrade sinken wiederum mit stei-gender Stromkennzahl, im Bereich von Stromkennzahlen zwischen 0,35 und 0,65 aber nur geringfügig.

Im Gegensatz zu den Kurven im Szenario 1 gibt es im Szenario 2 keinen Kreuzungspunkt der Gesamtwirkungs-grad-Kurven. Die Primärenergieeinsparung und der Ge-samtwirkungsgrad mit dem Gasmotor sind über den ge-samten Bereich der Stromkennzahlen höher als für die Gasturbine.

Bild 9 präsentiert die Analyse „KWK2“ (8 bar Satt-dampf- und 6 MW Heißwassererzeugung).

-20,0

-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

PEE

[%]

KW

K (G

esam

twirk

ungs

grad

) [%

]

Stromkennzahl

_KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor

0

5

10

15

20

25

200

400

600

800

1000

1200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Dam

pfw

ärm

elei

stun

g (M

W)

Abg

aste

mpe

ratu

r Zus

atzf

euer

ung

(°C

)

Stromkennzahl

Gasturbine mit & ohne ZF Gasmotor mit ZF Dampfwärmeleistung

-20,0

-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

PEE

[%]

KW

K (G

esam

twirk

ungs

grad

) [%

]

Stromkennzahl

_KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor

Bild 7: Analyse „KWK1“ (8 bar Sattdampferzeugung)

Bild 8: Ergebnisse „KWK2“ (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung)

Bild 6: Ergebnisse „KWK1“ (8 bar Sattdampferzeugung)

Page 7: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

42 gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-TechnologienFACHBERICHTE

Mit steigender Stromkennzahl nimmt die Dampfleis-tung von 20 MW auf fast 0 MW ab, da die thermische Leistung der Heißwassererzeugung bei 6 MW konstant gehalten wird. Für den Gasmotor ist Zusatzfeuerung im-mer erforderlich, für die Gasturbine nur bei Stromkenn-zahlen <0,64.

Wie auch bei Szenario KWK1 ist die technisch mögli-che Höhe der Zusatzfeuerung beim Gasmotor auf Strom-kennzahlen >0,36 begrenzt.

Fazit der Simulation KWK2: ■ Bei Stromkennzahlen >0,6: Die effizienteste Lösung

ermöglicht der Gasmotor, da die Schmieröl- und die Intercoolerwärme zur Heißwassererzeugung genutzt werden können. Für die Primärenergieeinsparung können attraktive Werte von 17–20 % erreicht werden.

■ Bei Stromkennzahlen zwischen 0,6 und 0,36 : Ähnliche Gesamtwirkungsgrade bei beiden Lösungen, aller-dings ist stark erhöhte Zusatzfeuerung für den Gas-motor erforderlich.

■ Bei Stromkennzahlen zwischen 0,2 und 0,4 sind hohe Gesamtwirkungsgrade für den Gasturbinenprozess von ca. 90 % erzielbar.

■ Bei Stromkennzahlen <0,36: Keine Lösung mit dem Gasmotor möglich, da der Restsauerstoffgehalt im Abgas nicht für die erforderliche Zusatzfeuerung aus-reicht.

2.3 Ergebnisse und Analyse des Szenarios KWK3Die Ergebnisse des dritten Szenarios (Bild 10) mit 15 bar Dampferzeugung und 3 MW Heißwassererzeugung un-terscheiden sich erheblich von dem zweiten Szenario, da der höhere Dampfdruck und die Überhitzung für eine deutliche Verschiebung der Wärmeübertragung sorgen. Besonders für den Gasmotorenprozess hat dies erhebli-che Auswirkungen, denn die Schmierölwärme und die Motorkühlwasserwärme können nicht in dem gleichen Maß wie im zweiten Szenario genutzt werden.

Nur die Gasturbine erreicht Gesamtwirkungsgrade über 80 %, dies bei Stromkennzahlen von unter 0,7. Der Gasmotor bleibt immer unter 80 % Gesamtwirkungsgrad und die Primärenergieeinsparung ist fast konstant im niedrigen Bereich von 7 %.

Wie im Szenario 1 gibt es auch im Szenario 3 einen Kreuzungspunkt der Kurven, diesmal bei Stromkennzahl ~0,8: unter 0,8 ist der Gasturbinenprozess besser; über 0,8 führt der Gasmotor.

Eine Analyse von „KWK3“ (12 bar Dampf- und 3MW Heißwassererzeugung) zeigt Bild 11.

Mit steigender Stromkennzahl nimmt die Dampfleis-tung von 23,3 auf 1,4 MW ab. Die thermische Leistung der Heißwassererzeugung wird bei 3 MW konstant ge-halten. Für den Gasmotor ist Zusatzfeuerung immer er-forderlich, für die Gasturbine nur bei Stromkennzahlen <0,6. Wie auch bei den ersten beiden Szenarien ist die technisch mögliche Leistung der Zusatzfeuerung beim Gasmotor begrenzt, für KWK3 bei einer Stromkennzahl von 0,43.

Fazit der Simulation KWK3: ■ Bei Stromkennzahlen <0,8: Die effizienteste Lösung

ermöglicht die Gasturbine, Zusatzfeuer ist nur bei

0

5

10

15

20

25

200

400

600

800

1000

1200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Dam

pfw

ärm

elei

stun

g (M

W)

Abg

aste

mpe

ratu

r Zus

atzf

euer

ung

(°C

)

Stromkennzahl

Gasturbine mit & ohne ZF Gasmotor mit ZF Dampfwärmeleistung Warmwasser Wärmeleistung

-20,0

-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

PEE

[%]

KW

K (G

esam

twirk

ungs

grad

) [%

]

Stromkennzahl

_KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor

-20,0

-10,0

0,0

10,0

20,0

30,0

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

PEE

[%]

KW

K (G

esam

twirk

ungs

grad

) [%

]

Stromkennzahl

_KWK_Gasturbine _KWK_Gasmotor PEE_Gasturbine PEE_Gasmotor

0

5

10

15

20

25

200

400

600

800

1000

1200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Dam

pfw

ärm

elei

stun

g (M

W)

Abg

aste

mpe

ratu

r Zus

atzf

euer

ung

(°C

)

Stromkennzahl

Gasturbine mit & ohne ZF Gasmotor mit ZF Dampfwärmeleistung Warmwasser Wärmeleistung

Bild 10: Ergebnisse „KWK3“ (15 bar Dampf- und 3 MW Heißwassererzeugung)

Bild 11: Analyse „KWK3“ (12 bar Dampf- und 3MW Heißwassererzeugung)

Bild 9: Analyse „KWK2“ (8 bar Sattdampf- und 6 MW Heißwassererzeugung)

Page 8: Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors - gwf Gas · PDF file36 a+ nerie 6/2017 FAHBERIHTE Gas-Plus-Technologien Vergleich einer Gasturbine und eines Gasmotors Untersuchung

43gwf Gas + Energie 6/2017

Gas-Plus-Technologien FACHBERICHTE

Stromkennzahl <0,6 erforderlich. Es werden sehr hohe KWK-Wirkungsgrade von ca. 90 % erreicht

■ Bei Stromkennzahlen >0,8: Die effizienteste Lösung ermöglicht der Gasmotor, nur moderate Zusatzfeue-rung erforderlich.

■ Die höheren Dampfparameter gegenüber „KWK2“ (8 ->15 bar) erfordern für den Gasmotor eine höhere Zusatzfeuerung. Dadurch lassen sich die Schmieröl- und Intercoolerwärme nicht mehr vollständig nut-zen und der Gesamtwirkungsgrad fällt für den Gas-motor gegenüber dem Szenario „KWK2“ um ca. 8 %-Punkte ab.

3. Fazit der UntersuchungIn den Szenarien KWK1 und KWK3 lassen sich die Wärme-quellen Schmieröl und Kühlwasser des Gasmotors nicht bzw. nicht vollständig für den Prozess nutzen. Daher ist bei Stromkennzahlen unterhalb 0,8 die Gasturbine die effizientere Lösung.

Im Szenario KWK2 erzielen beide Aggregate im Strom-kennzahlbereich 0,4 > 0,7 ähnliche Gesamtwirkungsgra-de, da die Wärmequellen Schmieröl und Intercooler des Gasmotors für die Heißwassererzeugung genutzt werden können.

Bei Stromkennzahlen < ~0,4 ermöglicht der Gasmotor generell keine sinnvolle Konfiguration, da die Sauerstoff-menge im Abgas keine ausreichende Zusatzfeuerung er-laubt.

Bei Stromkennzahlen > ~0,8 erzielen die Systeme mit Gasmotor grundsätzlich einen besseren Gesamtwir-kungsgrad und auch deutlich höhere Primärenergieein-sparungen.

In allen drei Fällen verläuft die Gesamtwirkungsgrad-kurve gegenüber der Stromkennzahl mit Gasmotor deut-lich flacher als mit Gasturbine, d. h. bei hohen Stromkenn-zahlen und bei hohen Anforderungen an die Variabilität der Stromkennzahl ist der Gasmotor im Vorteil. Allerdings erreichen die Gasturbinenlösungen in den Szenarien KWK1 und KWK3 bei kleinen Stromkennzahlen in diesem Vergleich höhere Werte für die Primärenergieeinsparung (Bild 12).

Bei niedrigen Stromkennzahlen und hohen Dampfpa-rametern ist die Gasturbine in aller Regel die wirtschaftli-chere Alternative. Dampferzeugung ist mit Gasmotoren wirtschaftlich möglich, allerdings können hohe Dampfpa-rameter den Gesamtnutzungsgrad und damit die Wirt-schaftlichkeit einschränken. Gasmotorenlösungen erfor-dern insbesondere bei höheren Dampfparametern die parallele Erzeugung von Heißwasser, um wirtschaftlich zu sein.

Literatur[1] P. Neil; 2012; Combined Heat, Cooling and power handbook

technologies and applications, second edition

[2] A. Kalam, A. King, E. Moret, U. Weerasinghe; 2009; Combined Heat and Power systems: Identifying Economic and Policy Barriers to growth

[3] K. Saidi, U. Orth, S. Boje, C. Frekers; A comparative study of combined heat and power systems for a typical food industry application; ASME Turbo expo 2014, GT2014-26234

[4] Vergleichende Studie von Gasmotoren und Gasturbinen in der Kraft-Wärme-Kopplung am Beispiel eines typischen öffentli-chen Wärmeversorgungs-netzwerks; Tobias Vogel, Gerd Oelje-klaus, Thomas Polklas, Christian Frekers und Klaus Görner; VGB PowerTech 3/2016

Kraft-Wärme-Kopplung

Strom dominiert Wärme dominiert

Gasturbine Gasmotor

Stromkennzahl ~ 0,8

Bild 12: Vereinfachte Zusammenfassung

Autoren

Hajo HoopsMAN Diesel & Turbo SE |

Augsburg |

Tel.: +49 821 322 2053 |

E-Mail: [email protected]

Dr. Karim SaidiMAN Diesel & Turbo SE |

Oberhausen |

Tel.: +49 208 692 2119 |

E-Mail: [email protected]