Biomasse Kraft-Wärmekopplung Leoben mit ORC- Prozess ...

Biomasse Kraft-Wärmekopplung Leoben mit ORC-
Prozess
Ausgangssituation
Ing. Gerhard Kaufmann
Steirische Gas-Wärme GmbH
Gaslaternenweg4
A-8010 Graz
Mit einer Einschnittkapazität von mehr als 1,2 Mio. Festmeter Holz pro Jahr zählt die Mayr-Melnhof
Holz GmbH in Leoben Göss zu den größten holzverarbeitenden Betrieben in Österreich. Bei der
Verarbeitung des Holzes fallen jährlich etwa 350.000 Srm Rinde, 1,2 Mio. Srm Hackgut und 0,5
Mio. Srm Sägespäne an. Die Rinde wird derzeit zum Teil in 2 Biomassekesselanlagen (10 MWth
und 7,5 MWth) verfeuert. Diese Kesselanlagen produzieren Warmwasser (ca. 100 – 105 °C) zum
Betrieb der Trockenkammern für Holz. Das anfallende Hackgut und die Sägespäne werden derzeit
großteils in der benachbarten Spanplattenfabrik Novopan verwertet.
In unmittelbarer Nähe des Kraftwerkes wird ein Pelletierungswerk durch die Firma Leitinger
errichtet. Die Spänetrockner dieser Anlage sind der zweite Wärmeabnehmer für die Biomasse-
KWK-Anlage. Durch eine abgestimmte Betriebsweise der beiden Wärmeabnehmer wird erreicht,
dass eine nahezu ganzjährig konstante Wärmeabnahme gewährleistet werden kann.
Die Beschickung der Schubböden erfolgt über entsprechende Fördersysteme online von den
Entrindungsanlagen von Mayr-Melnhof Holz.
Auf Basis von neuen gesetzlichen und technischen Randbedingungen und unter dem Aspekt der
notwendigen Substitution der beiden bestehenden Biomassefeuerungen, mit denen aufgrund
zunehmender technischer Probleme die Wärmeversorgung des Sägewerkes bzw. die Versorgung
einer neu errichteten Pelletierungsanlage nicht mehr sichergestellt werden kann, hat sich die
Biomasse-KWK-Leoben Betriebsgesellschaft mbH das Ziel der thermischen Verwertung der im
Sägewerk der Mayr-Melnhof Holz GmbH anfallenden Sägenebenprodukte gesetzt.
Abbildung 1: Projektzeitplan
Die neu errichtete Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis eines Organic Rankine Cycle-Prozesses
besteht aus drei baugleichen KWK-Module, mit einer Kesselnennleistung (Thermoölkessel inkl.
Thermoöleconomiser) von je 8,7 MW. Die gesamte elektrische Nennleistung beträgt rund 4.500
kW. Die Anlagen sind mit Wärmerückgewinnungen ausgestattet, wodurch ein Teil der noch im
Rauchgas enthaltenen Energie rückgewonnen werden kann, was wiederum zu einer deutlichen
Wirkungsgradsteigerung der Gesamtanlage führt (Brennstoffwirkungsgrad 88%).

Mit der geplanten Rauchgasreinigungstechnologie kann ein Reststaubgehalt von kleiner 25
mg/Nm_ (bezogen auf 13% O 2 ) eingehalten werden.
Als ein wesentliches Ziel dieses Projektes kann die Substitution der bestehenden Kesselanlage
durch eine moderne Biomasse-KWK-Anlage mit effizienter Rauchgasreinigung und
Emissionsminderung gesehen werden. Zusätzlich stellt die substituierte Menge an konventionell
erzeugtem Strom (ca. 36,0 GWh/a) durch Ökostrom einen weiteren wirtschaftlichen und
ökologischen Vorteil dar.
Die Nutzung von regionalen Rohstoffen als Brennstoff trägt weiters zur Stärkung der heimischen
Wirtschaft bei. Durch die Verfeuerung regenerativer Energieträger unterstützt man ein erklärtes
umwelt- und energiepolitisches Ziel der österreichischen Bundesregierung bzw. der Europäischen
Union und leistet somit einen nicht unwesentlichen Beitrag zur Verringerung der CO2 Emissionen
(Treibhauseffekt).
Anlagenkonzept
Das Anlagenkonzept wurde auf die erforderlichen Rahmenbedingungen sowie auf die in den
Richtlinien des Ökostromgesetzes definierten Vorgaben abgestimmt. Das betrifft vor allem die
geforderten technischen und ökologischen Standards, die nach Prüfung der technischen und
wirtschaftlichen Machbarkeit festgelegt wurden.
Im Sägewerk (Mayr-Melnhof Holz) wird die Wärme zum Betrieb der Trockenkammern sowie zur
Vortrocknung des Holzes durch Niedertemperaturwärme benötigt. Zusätzlich muss Wärme für die
Bandtrocknung der Pelletierungsanlage bereitgestellt werden. In Tabelle 1 sind die Daten
bezüglich Leistungen und Wirkungsgrade je neu zu errichtender Anlage zusammengefasst.
Brennstoffwärmeeinsatz Thermoölkessel 10610 kW Br
Thermische Leistung Thermoölinput ORC Prozess 8700 kW th
Nutzbare thermische Leistung TÖ-WW-Wärmetauscher 7149 kW th
Nutzbare thermische Leistung WW-Economiser 700 kW th
Gesamt nutzbare thermische Leistung 7849 kW th
Nutzbare elektrische Leistung 1490 kW el
Thermischer Gesamtwirkungsgrad 74 %
Elektrischer Gesamtwirkungsgrad 14 %
Brennstoffnutzungsgrad 88 %
Tabelle 1: Leistungen und Wirkungsgrade je neu zu errichtender Anlage
Die zur Versorgung des Sägewerks und der Pelletierungsanlage benötigte Energie wird mit drei
baugleichen Biomassefeuerungen mit einer Kesselnennleistung von 8,7 MW (Thermoölkessel
inkl. Thermoöleconomiser) je Anlage bereitgestellt. Die beiden bestehenden
Biomassefeuerungen bleiben zusätzlich als Ausfallreserve weiter bestehen.
Die Biomassefeuerungen werden primär mit Rinde, zusätzlich bei Bedarf mit Sägespänen und
wenn notwendig auch mit Hackgut befeuert. Der Biomassebrennstoff wird zur Gänze aus dem
Sägewerk der Mayr-Melnhof Holz GmbH zur Verfügung gestellt. Der Brennstoff wird über
Schubböden und mit Schubstangen der jeweiligen Feuerung zugeführt. Als Notfallreserve ist die
Beschickung der der Schubböden auch mittels Radlader möglich. Die Produktionsdaten und die
Brennstoffmengen für die gesamte Biomasse-KWK-Anlage (Neu) unter Zugrundelegung einer
realistischen Entwicklung der Wärmeabnahme sind der Tabelle 2 dargestellt.

Jahreswärmeproduktion gesamt 192 GWh th /a
Wärmeverkauf Trockenkammern MM GmbH 140 GWh th /a
Wärmeverkauf Pelletierwerk 32 GWh th /a
Lieferung NT Wärme für Trockentunnel MM GmbH 20 GWh th /a
188,7 MWh th /a
Jahresbrennstoffeinsatz gesamt Biomasse-KWK-Anlage
(Neu); 100 % Rinde
365.000 Srm/a
Tabelle 2: Produktionsdaten und Jahresbrennstoffeinsatz
Der jeweilige Feuerraum ist durch ein Zwischengewölbe in zwei getrennte Zonen, die Primär- und
Sekundärverbrennungszone, geteilt, welche durch einen schmalen Strömungskanal miteinander
verbunden sind. Voneinander unabhängige, drehzahlgeregelte Ventilatoren erlauben die
Einstellung unterschiedlicher Verbrennungsluftverhältnisse in den beiden Verbrennungszonen.
Die Verbrennung der Biomasse erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Schritten. Im ersten Schritt
(Primärzone) wird bei einem Verbrennungsluftverhältnis zwischen 0,7 und 0,9 vergast bzw. die
Holzkohle verbrannt. In der zweiten Zone erfolgt dann der Ausbrand des Rauchgases bei
Sauerstoffüberschuss. Durch die unterstöchiometrische Verbrennung in der Primärzone kann die
Bildung von Stickoxiden aus dem im Brennstoff enthaltenen Stickstoff verringert werden.
Abbildung 2: Anlageschema
Bei der Feuerung mit Thermoölkessel erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Rauchgas und
dem Thermoöl. Das Thermoöl, welches den Energielieferanten für den ORC-Prozess darstellt,
wird dabei auf rund 300 °C erhitzt. Die Rauchgastemperatur nach den Thermoölkesseln beträgt
ca. 370 °C. Dem jeweiligen Thermoölkessel ist ein Thermoöleconomiser (Taus = 280 °C)
nachgeschaltet, wodurch ein Teil der nutzbaren Wärme zusätzlich dem Thermoölkreislauf und

somit dem ORC-Prozess zugeführt wird und somit eine Steigerung des elektrischen
Wirkungsgrades der Gesamtanlage erzielt wird. Nach dem Thermoöleconomiser folgt ein
Warmwassereconomiser (Taus = 220°C), dem ein Verbrennungsluftvorwärmer (Taus = 160 °C)
nachgeschaltet ist. Der Thermoölkessel ist in stehender Bauweise auf der Feuerbox angebracht.
Der Thermoölkreislauf selbst ist ein offenes Primärkreissystem mit je zwei Umwälzpumpen,
sodass bei Ausfall einer Pumpe, die zweite Pumpe die Umwälzung des Wärmeträgers übernimmt
und der Betrieb der Anlage normal weiter geführt werden kann. Der Volumensausgleich in den
verschiedenen Temperaturbereichen erfolgt über ein Ausdehnungsgefäß mit offener
Außenluftverbindung welches sich an der höchsten Stelle des Thermoölkreislaufes befindet. Die
Thermoölsammelgefäße befinden sich in einem ummauerten Öllagerraum. Die Thermoölerhitzer
selbst sind ein Zwangsdurchlaufsystem in 3-Zugbauweise in stehender Ausführung. Die
Erhitzung des Thermoöls erfolgt in einem Rohrschlangensystem welches zylindrisch ausgeführt
ist.
Zur Vorentstaubung wird der Rauchgasstrom nach dem Verbrennungsluftvorwärmer durch einen
Multizyklon und anschließend durch einen Elektrofilter geleitet. Somit werden Reststaubgehalte
im Rauchgas von kleiner 25 mg/Nm_ (bezogen auf trockenes Rauchgas und 13 Vol.% O2)
erreicht. Die abgeschiedene Elektrofilterasche wird vom Boden des Elektrofilters mittels einer
Zellradschleuse ausgetragen und von der übrigen Asche getrennt gesammelt.
Abbildung 3: Anlagenschema ORC Prozess
Zur Erzeugung von elektrischer Energie ist ein ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) mit einer
elektrischen Bruttonennleistung von je 1.490 kWel vorgesehen. Der elektrische Strom wird ins
öffentliche Netz des lokalen Elektrizitätsunternehmens Steweag Steg (SSG) eingespeist. Das
Prinzip der Stromerzeugung mittels eines ORC-Prozesses entspricht dem des konventionellen
Wasser-Dampf-Prozesses, mit dem Unterschied, dass statt Wasser ein organisches Arbeitsmittel
verwendet wird.
Im ORC-Prozess, welcher als geschlossener Kreislauf ausgeführt ist, wird das organische
Arbeitsmittel (in diesem Fall DOW CORNING ® 200 FLUID, 1 CST) durch Wärmeaustausch mit
dem Thermoöl in einem Verdampfer (heiße Seite des ORC) verdampft und anschließend über
eine Turbine entspannt.
Die Turbine treibt einen Generator an, mit dem elektrischer Strom erzeugt wird. Das aus der
Turbine austretende dampfförmige Arbeitsmittel wird in einem Regenerator soweit abgekühlt,
dass es gerade noch nicht kondensiert. Im nachgeschalteten Kondensator erfolgt durch
Wärmeaustausch mit dem Wasser des Prozesswärmenetzes (kalte Seite des ORC) die
vollständige Kondensation. Die gesamte im Kondensator abgegebene Kühlwärme steht als
Nutzwärme für die Trocknungsprozesse zur Verfügung. Das kondensierte Arbeitsmittel wird
anschließend mittels einer Umwälzpumpe wieder auf das für den Turbinenbetrieb notwendige

Druckniveau gebraucht. Danach wird das Arbeitsmittel zur Vorwärmung durch den Regenerator
geleitet und gelangt anschließend wieder zum Verdampfer.
Zusammenfassung
Die derzeit am Markt befindlichen ORC-Anlagen erreichen eine maximale elektrische Leistung
von rund 1,5 MW. Das Projekt Biomasse-KWK-Leoben stellt durch den Einbau dreier derartiger
ORC-Module mit einer elektrischen Gesamtleistung von 4,5 MW das derzeit größte realisierte
Projekt unter Verwendung der ORC-Technologie dar. Die Entscheidung für das modulare
Anlagenkonzept wurde primär aus Gründen der Betriebssicherheit bzw. Anlagenverfügbarkeit
gewählt.
Der Baubeginn für diese Anlage erfolgte Anfang Juni 2004. Nach nur sechseinhalb Monaten
Bauzeit ging am 2. Dezember der erste Kessel planmäßig in Betrieb und nahm am 17. Dezember
bereits den Leistungsbetrieb auf. Kessel 2 und 3 werden planmäßig Ende Jänner in Betrieb
gehen. Mit der Öko-Stromeinspeisung wird ab Mai 2005 begonnen.
Abbildung 4: Gesamtansicht KWK-Anlage aus Richtung Nord
Durch den weitgehend automatisierten Betrieb der Brennstoffbeschickung der Verbrennungs- und
ORC-Anlagen, wird ein Industriekraftwerk realisiert das mit minimalem Aufwand an
Betriebspersonal eine Auslastung von rund 8.000 Volllaststunden erreichen wird.