Die Rückgewinnung von Energie bei der Entspannung von Erdgas ist keine neue Technik. Ihr weitreichender Einsatz wird jedoch durch den relativ hohen technischen Aufwand erschwert.
Das Erdgas muss vorgewärmt werden, um die bei Druckminderungen auftretenden Temperaturänderungen (Joule-Thomson-Effekt) aufzufangen und Vereisungen zu verhindern. Steht für diese Vorwärmung keine regenerative Energie zur Verfügung, wird die für den Rückgewinnungsprozess benötigte Wärme durch Verbrennung von Erdgas erzeugt, was CO2-Emissionen verursacht. Der Anlagenaufwand beim Einsatz klassischer Entspannungsturbinen oder Gasmotoren ist hoch.
Vom Forschungsprojekt zum praktischen Einsatz
Ein von der TU Dortmund zusammen mit der Westenergie AG, einem früheren Netzbereich der innogy SE, gemeinsam entwickelter und patentierter Gasexpander umgeht diese Probleme durch ein spezielles Verfahren: Dabei wird nur ein Anteil des Druckpotenzials des Erdgases in der Turbine entspannt und der Rest in einem konventionellen Gasdruckregler. Dadurch ist keine Vorwärmung des Erdgases erforderlich, allerdings ist die erzeugte Strommenge entsprechend niedriger.
Eine erste Prototypanlage mit ca. 8 kW wurde von Westenergie im nordrhein-westfälischen Balve installiert und konnte über rund fünf Jahre hinweg einen reibungslosen Betrieb nachweisen. Die W2 Armaturen GmbH hat die in Balve erprobte Konstruktion zur Serienreife geführt und fertigt den Gasexpander in Lizenz.
Die erste Serien-Anlage mit einer Leistung von 20 kW wurde in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen A+S Anlagenbau GmbH im Oktober 2020 in Trier in Betrieb genommen. Die Entspannungsturbine konnte in eine vorhandene Gasdruck-Regelanlage integriert werden.
Nachhaltige Gasanlage in Trier
Die Gasanlage in Trier bestätigt die Ergebnisse des Prototyps. Ihr Expander ist im Grundprinzip eine düsenbeaufschlagte einstufige Gleichdruckturbine. Die axiale Turbinenstufe sitzt direkt auf einer Welle mit dem Generator, der damit innerhalb des Gehäuses direkt im Gasstrom liegt und von diesem gekühlt wird. In der Trägerplatte sind die Düsen angeordnet, die den Gasstrom auf die Turbinenschaufeln lenken, wobei der Gasexpander durch die Anzahl der Düsen auf verschiedene Auslegungsparameter angepasst werden kann.
Der Durchmesser des Turbinenrades wurde relativ groß gewählt, um niedrige Drehzahlen (üblicherweise im Bereich von 3000 U/min) zu erreichen. Damit wird eine lange Betriebszeit ohne Zwischenwartung des Generators erreicht. Das Gehäuse des Expanders hat eine Nennweite von DN 400, der in dieser Größe geeignet ist für Volumenströme von 2.000 bis 4.000 Nm/h bei Betriebsdrücken im Bereich von 2 bis 10 bar. Dabei wird im Gasexpander lediglich ein Druck von 1 bis 2 bar abgebaut, die eigentliche Regelung des Ausgangsdrucks der Gasanlage übernimmt ein konventioneller Gasdruckregler. Der Gasexpander kann variabel auf andere Volumenströme und Drücke ausgelegt werden. In Trier wird mit diesem Verfahren eine elektrische Leistung im Bereich von 15 bis 25 kW erreicht.
Weitere Projekte
Nach der erfolgreichen Installation in Trier wurden drei weitere Turbinen verkauft. Hierbei gibt es verschiedene Ansätze:
Die Stadtwerke Elmshorn installierten vor der Entspannungsturbine ein Mengenregelventil, sodass die Turbine über das ganze Jahr in Volllast fährt. Mit dem verbauten 30kw Generator werden hier knapp 200.000 kwh Strom pro Jahr erzeugt.
Wirtschaftlichkeit durch stabile Laufweise
Für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Gasanlagen ist neben dem Strompreis entscheidend, ob der Gasvolumenstrom, für den der Expander ausgelegt ist, möglichst oft und konstant erreicht wird. Mit abnehmendem Volumenstrom geht die Geschwindigkeit in den Düsen zurück und der Wirkungsgrad des Expanders sinkt.
Für Anlagen wird der Jahresertrag mittels einer geordneten Jahresganglinie berechnet:
Bei einer Leistung von 20 kW und 5000 Volllaststunden pro Jahr ergäbe sich ein Jahresertrag von 100.000 kWh. Mit einem Strompreis von 25 ct/kWh kann ein monetärer Jahresertrag von € 25.000,00 erzielt werden, so dass bereits mittelfristig eine Amortisation möglich ist.
Energieeffizienz und CO2 Vermeidung
Vergleichbare Projekte sind sinnvoll, wenn der Strom von den Anwendern selbst verbraucht und entsprechend hoch bewertet wird. Im Rahmen der Energieeffizienzförderung des Bundes ist für nichtkommunale Unternehmen zudem eine Förderung von 30 bis 40 % möglich. Damit verkürzt sich die Amortisationszeit für die Betreiber.
Bei der aktuellen Stromerzeugung in Deutschland verursacht eine Kilowattstunde durchschnittlich 420 Gramm CO2. Somit kann mit einer Entspannungsturbine 42t CO2/ Jahr eingespart werden (bezogen auf eine Erzeugung von 100.000kwh/Jahr).
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