Franz Obermeyer Field applications and lessons learned

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22 Technical Paper | Fachbeitrag

All across the sector, the main focus in this respect is on the supply of heat to dryers and preheaters as a means of disbur-dening in-service natural gas burners. The combination of long runtimes and the cost spread between gas and electricity as sources of energy yields short payback times, despite the latest changes in the boundary conditions governing captive power generation.

1 The technology of gas-fuelled microturbinesA gas-fuelled microturbine (GMT) is a small, fast-running gas tur-bine with an electric power rating of approx. 250 kW. Such units consist of a single-shaft turbine with a single-stage radial-flow

In der Ziegelindustrie steht dabei die Wärmeversorgung von Trocknern und Vorwärmern im Vordergrund, wobei vorhande-ne Erdgasbrenner entlastet werden. Die langen Anlagenlaufzei-ten und die Kostenspreizung zwischen den Energieträgern Gas und Strom ergeben kurze Amortisationszeiten, auch unter den aktuell geänderten Rahmenbedingungen bei der Eigenstrom-erzeugung.

1 Technologie der MikrogasturbinenAls Mikrogasturbinen (MGT) werden kleine, schnell laufende Gasturbinen bis zu einer elektrischen Leistung von ca. 250 kW bezeichnet. Es sind Einwellen-Turbinen mit einstufigem Radial-

Einsatz und Erfahrungen: Mikrogasturbinen in der Ziegelindustrie

Combined heat and power generation, or CHP, with its high overall efficiency, is both ecologically beneficial and economically attractive. The brick and tile industry, with its continuous demand for electricity and heat, has rec-ognized the CHP potential. Due, however, to the manner of heat generation involved, motor-based solutions are not widely disseminated. The technological specifics of gas-fuelled microturbines serving as CHP units, especially with regard to the direct utilization of the exhaust heat content, are helping them gain access to new areas of application in the brick and tile industry.

Die Kraft-Wärme-Kopplung ist aufgrund hoher Gesamtwirkungsgrade ökologisch sinnvoll und ökonomisch sehr interessant. Die Ziegelindustrie, mit ihrem kontinuierlichen Bedarf an Strom und Wärme, hat dieses Potenzial er-kannt. Motorbasierte Lösungen sind wegen der Art der Wärmebereitstellung hier aber nur wenig verbreitet. Mikrogasturbinen als KWK-Anlagen zeigen aufgrund ihrer technologischen Besonderheiten insbesondere bei Ab-gasdirektnutzung neue Einsatzbereiche in der Ziegelindustrie auf.

Franz Obermeyer

Field applications and lessons learned: Gas-fuelled microturbines in the brick and tile industry

»1 Das einzige bewegliche Teil der Mikrogasturbine ist die durchgehende Welle mit Generator, Verdichter und Turbinenrad

»1 The only moving part in a gas-fuelled microturbine is its one-piece shaft for the generator, compressor and turbine wheel

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Technical Paper | Fachbeitrag

verdichter sowie radialer Arbeitsturbine. Der Permanentmag-net des Generators ist ebenfalls fest auf dieser Welle aufge-bracht (»1).

Die Mikrogasturbinentechnik ist von der Firma Capstone geprägt. Die über 400 000 weltweit im Einsatz befindlichen Aggregate zeichnen sich durch lange Standzeiten und nied-rigen Wartungsaufwand aus. Dieses ist im Wesentlichen auf die Luftlagerung der Ein-Wellen-Maschine zurückzuführen. Es sind Einzelaggregate mit elektrischen Leistungen von 30 kW, 50 kW, 65 kW, 200 kW, 600 kW, 800 kW und 1 000 kW verfügbar. »2 zeigt einen Schnitt durch eine Mikrogasturbine Capstone C200.

Da mehrjährige Betriebserfahrungen beim Einsatz von Cap-stone-Mikrogasturbinen an Trocknern der Ziegelindustrie vor-liegen, beziehen sich die weiteren Ausführungen deshalb auf Anwendungen, in denen Mikrogasturbinen dieses Herstellers eingesetzt werden.

Die Luft- und Gaswege in einem typischen Arbeitszyklus der Mikrogasturbinen vom Typ Capstone C30 (30 kWelektrisch) und C65 (65 kWelektrisch) zeigt »3. Die Capstone-Mikrogasturbinen werden bei direkter Nutzung des Abgases in der Ziegelindus-trie mit Erdgas betrieben. Aufgrund des spezifischen Brenn-kammerdruckes der einzelnen Leistungsgrößen ist ein ent-sprechender Brenngasdruck erforderlich, der entweder durch einen Brenngasverdichter oder ein Hochdruckgasnetz bereit-gestellt wird.

Die verdichtete und vorgewärmte Verbrennungsluft wird der Brennkammer zugeführt und dort mit dem Erdgas vermischt. Die Verbrennung erfolgt bei Temperaturen von ca. 850 °C, mit hohem Luftüberschuss. Die heißen Verbrennungsgase werden anschließend in der Turbine entspannt und treiben so den Ver-dichter und den Generator an. Der Rekuperator verbessert den mechanischen und somit elektrischen Wirkungsgrad.

Bei Drehzahlen bis 96 000 U/min wird ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugt. In der Leistungselektronik der Turbine wird der Strom gleichgerichtet und anschließend in netzkon-formen Wechselstrom gewandelt (vgl. »4). Dieses „elektroni-sche Getriebe“ macht eine mechanische Synchronisationsein-richtung überflüssig und ermöglicht eine Leistungsregelung über die Drehzahl. Dadurch weisen die Mikrogasturbinen im Teillastbetrieb relativ geringe Wirkungsgradeinbußen auf.

compressor and a radial power turbine. The permanent magnet in the generator is permanently mounted on the shaft (»1).

Gas microturbine technology stems largely from the Cap-stone Turbine Corporation. Their upwards of 400 000 units now in service around the world are characterized by long service lives coupled with low maintenance requirements – thanks mainly to their air-cushioned T/G shaft. Individual units with electric power ratings of 30 kW, 50 kW, 65 kW, 200 kW, 600 kW, 800 kW and 1 000 kW are available. »2 is a cutaway view of a Capstone C200 gas-fuelled microturbine.

Drawing from long-term empirical data on the use of Cap-stone-built gas-fuelled microturbines for operating dryers in the brick and tile industry, all further observations below apply to applications employing gas-fuelled microturbines produced by that company.

The air and gas passages for a typical duty cycle of a gas-fuelled microturbine, type Capstone C30 (30 kWel.) or C65 (65 kWel.), are shown in »3. Gas-fuelled microturbines by Capstone run on natural gas, and heat content of their exhaust is put to immediate use. The rating-specific combustion pressure calls for a corresponding fuel gas pressure from either a fuel-gas compressor or a high-pressure gas supply network.

Compressed, preheated combustion air mixes with the fuel gas in the combustion chamber. Combustion takes place at temperatures around 850° C with a high oxygen factor (lean mixture). The hot combustion gases subsequently expand in the turbine, hence driving the compressor and the generator. A re-cuperator improves the unit‘s mechanical and, hence, electrical efficiency.

High-frequency alternating current is generated at speeds up to 96 000 rpm. The turbine‘s power electronic module recti-fies the current and converts it into grid-appropriate alternat-ing current (cf. »4). This “electronic gearing“ makes mechanical synchronization unnecessary and enables variable-speed power control. Consequently, gas-fuelled microturbines display rela-tively low loss of efficiency during part-load operation.

2 Applications in the clay brick and tile industryThe exhaust-gas characteristics specific to gas-fuelled microtur-bines providing a constant, single-stream supply of high-tem-perature heat (approx. 300° C) constitute a decisive advantage of direct exhaust-gas utilization compared to combined heat and power generation based on reciprocal engines. The fact that GMT exhaust is free of oil and contains 17–18 vol.% oxy-gen but a very low concentration of pollutants makes its utili-zation uncomplicated. There are no detrimental effects on the optimized functions of natural gas-fuelled heat consumers like the preheaters and dryers used in the brick and tile industry.

That sector of industry, with its continuous need for a simul-taneous supply of electricity and heat, has already recognized the potential that CHP has to offer. Brickworks per se have a definite electrical base load that must always be maintained, even on weekends. As a result, many CHP systems in this branch of industry are used exclusively for the lucrative practice of sup-planting purchased power.

Example 1 How a small gas-fuelled microturbine can be integrated into an existing heat-supply concept for a preheater is illustrated in »5.

The approx. 275° C exhaust from a type-C30 gas-fuelled microturbine is added to the preheater‘s circulating air at a ratio

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»2 Schnitt durch eine Mikrogasturbine Capstone C200

»2 Cutaway view of a Capstone C200 gas-fuelled microturbine



of roughly 1: 8. This disburdens the existing gas burner, which continues to provide heat at regular intervals. Consequently, the plant‘s control characteristics – including the reliable supply of heat – also remain intact.

The preheater receives a slightly larger volume of hot air, because the combustion of natural gas in the gas-fueled mi-croturbine involves a somewhat higher oxygen factor than in the disburdened gas burner. This mass flow is drawn in through the technically not gas-tight door of the tunnel kiln to become part of the kiln atmosphere. No new source of emissions arises. Alternatively, the same arrangement could be used to eject hot air for use in the heat-holding section.

All electricity produced can be fed into the captive-consump-tion system (»6). During idle periods, the gas-fuelled microturbine also has to be kept out of operation for technological reasons.

Example 2The second example, representing a system concept that has been implemented a number of times in Germany, deals with the integrated energy supply link between kiln and dryer. The declared objective of achieving a thermally independent tunnel kiln on the grounds of fundamental energy-related considerations presently remains theoretical.

While short kilns with kiln furniture (e.g., H-cas-settes in roof-tile production) often release large vol-umes of hot air to the environment, optimized long kilns display significantly lower heat emissions to the individual energy cycle. In that case, the extra heat needed for drying the wares is obtained from a nat-ural gas burner. The characteristic exhaust from gas-fuelled microturbines makes it possible to disburden the natural gas burner by tapping directly into the exhaust heat from the turbine, with no need for a heat exchanger (»7). »8 shows an implemented sys-tem of this type.

2 Anwendungen in der ZiegelindustrieDie mikrogasturbinenspezifische Abgascharakteristik mit konstant anfallender Wärme auf hohem Temperaturniveau (ca. 300 °C) in nur einem Abgasstrom ist bei der Abgasdirekt-nutzung ein ausschlaggebender Vorteil gegenüber Blockheiz-kraftwerken auf Kolbenmotorbasis. Die Nutzung des ölfreien MGT-Abgases mit Sauerstoffgehalten von 17 bis 18 Vol.-% und sehr geringen Schadstoffkonzentrationen ist unproblematisch. Sie hat keine nachteiligen Auswirkungen auf die optimierten Vorgänge erdgasbeheizter Wärmeverbraucher wie z.B. Vorwär-mer und Trockner der Ziegelindustrie.

Im Bereich der Ziegelindustrie, die einen zeitgleich kontinu-ierlichen Bedarf an Strom und Wärme hat, ist das KWK-Poten-zial erkannt. Alle Ziegeleien zeigen eine deutliche elektrische Grundlast, die auch an Wochenenden nicht unterschritten wird. Deshalb arbeiten KWK-Anlagen in diesem Industriebereich häu-fig ausschließlich in der lukrativen Bezugsstromverdrängung.

Beispiel 1 Die Einbindung einer kleinen Mikrogasturbine in die vorhan-dene Wärmeversorgung eines Vorwärmers zeigt beispielhaft »5.

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»3 Temperaturen in der Mikrogasturbine

»3 Temperatures prevailing in a gas-fuelled microturbine

»4 Beispiel für die Leistungselektronik einer Mikrogasturbine

»4 Exemplified power electronics system for a gas-fuelled microturbine

25Technical Paper | Fachbeitrag

3 Economic efficiencyIn the brick and tile industry, well-planned CHP systems are sized to enable full use of all generated electricity and heat by the local facility. The power produced is exempt from the electricity tax, and the facility‘s entire consumption of natural gas for the gas-fuelled turbine can be exempted from the energy tax on ap-

Das ca. 275 °C heiße Abgas der C30-Mikrogastur-bine wird der Vorwärmer-Umluft im Verhältnis von ca. 1: 8 zugeführt und entlastet den vorhandenen Gasbrenner, der auch weiterhin regelmäßig Wärme bereitstellen muss. Die Regelbarkeit der Anlage bleibt ebenso erhalten wie die sichere Wärmebereitstellung.

Die Masse warmer Luft – die dem Vorwärmer zu-geführt wird – erhöht sich geringfügig, da die Erd-gas-Verbrennung in der Mikrogasturbine mit einem höheren Luftüberschuss erfolgt als im entlasteten Gas-brenner. Dieser Massenstrom wird durch das technisch nicht gasdichte Ofentor in den Tunnelofen gesogen und so Teil der Ofenatmosphäre. Eine neue Emissi-onsquelle entsteht nicht. Alternativ besteht technisch auch die Möglichkeit der Warmluftausschleusung und Nutzung im Warmhaltekanal.

Die elektrische Energie kann vollständig ins Werks-netz zur Eigennutzung eingespeist werden (»6). In pro-duktionsfreien Zeiträumen ist technologisch bedingt auch die Mikrogasturbine außer Betrieb.

Beispiel 2Das zweite Beispiel einer in Deutschland mehrfach umgesetz-ten Anlagenkonzeption betrifft den Energieverbund zwischen Ofen und Trockner. Das aus energetischen Grundüberlegungen erklärte Ziel des wärmetechnisch abgekoppelten Tunnelofens ist derzeit noch Theorie.

»5 Vereinfachte Darstellung der Wärmeversorgung des Vorwärmers mit Einbindung einer Mikrogasturbine

»5 Simplified illustration of heat supply to a preheater by means of an integrated gas-fuelled microturbine



plication, unless, of course, an energy tax exemption has already been granted for some other reason. The relevant economic ef-ficiency depends on a number of variables. For example, the commodity price for natural gas can only be counted on for the duration of the supply contract. The same applies to the price of electricity, which enters into the economic efficiency analysis as the value of the generated power.

The payback time also depends on the achievable number of full-load operating hours for the heat-driven gas-fuelled micro-turbine. Brickyard systems now in service exhibit very good effi-ciency and short payback periods for an annual production time of eleven months, whereas the exact results depend on the given spread between the purchase prices of natural gas and electricity as energy sources. In addition, measures taken to reduce green-house gas emissions are eligible for subsidization as climate-protection measures. In that context, combined heat and power generation is of special importance, because co-generation is very energy efficient and, hence, environmentally sustainable.

The 2012 cogeneration law (German Combined Heat and Power Act – KWKG) (1) provides funding for plants that meet the EU‘s high-efficiency criteria – independently of whether the electricity is being fed into a public power grid or used as captive power. The economically most favourable opera-tional situation is obtained by substituting the purchase price of electricity while taking advantage of the subsidy payments provided for in the 2012 cogeneration law. This is because the supply remuneration (feed-in tariff) is gradually falling vis-à-vis the market price of electricity as opposed to avoided grid fees, prorated EEG surcharge, etc., plus the exemption of captively consumed electricity from the electricity tax. Funding via the cogeneration law is designed to make the cost of investment for a CHP module extensively refinancable by way of CHP sub-sidies during the eligibility period.

The current legal situation with regard to CHP payments is outlined in »Table 1.

The 2014 amendment of the EEG will place a 30% EEG levy on captive power consumption as of 1 August 2014 through the end of 2015. Then, from 2017 on, it will increase to 40% of the EEG feed-in tariff.

However, the cogeneration law is presently undergoing amendment, and compensation of that encumbrance by high-

Während bei kurzen Öfen mit Brennhilfsmitteln (z.B. H-Kassetten in der Dachziegelproduktion) häu-fig Heißluft in großen Mengen über Dach abgeblasen wird, zeigen optimierte lange Öfen deutlich verringer-te Wärmeabgaben an den Energieverbund. Die dann zum Trocknen zusätzlich erforderliche Wärme wird über Erdgasbrenner bereitgestellt. Die Abgascharak-teristik der Mikrogasturbinen ermöglicht auch hier die Abgasdirektnutzung ohne zusätzliche Wärme-tauscher zur Entlastung der Erdgasbrenner (»7). Eine ausgeführte Anlage zeigt »8.

3 WirtschaftlichkeitGut geplante KWK-Anlagen werden in der Ziegelin-dustrie so dimensioniert, dass sowohl die erzeugte elektrische Energie als auch die Wärme in den Anla-gen des Standortes vollständig genutzt werden kön-nen. Der so erzeugte Strom ist stromsteuerbefreit, und für den gesamten Erdgasdurchsatz der Mikro-gasturbine wird auf Antrag die Energiesteuer er-

stattet, sofern nicht bereits aus anderen Gründen eine Ener-giesteuerbefreiung greift. Die Wirtschaftlichkeit hängt von veränderbaren Faktoren ab. So ist der Erdgas-Arbeitspreis nur für die Liefer-Vertragsdauer als feste Größe anzusehen. Gleiches gilt für den in der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung anzusetzenden Strombezugspreis, der den Wert des erzeug-ten Stromes widerspiegelt.

Die Amortisationszeit hängt weiterhin von den erreich-baren Volllast-Betriebsstunden einer wärmegeführten Mik-rogasturbine ab. Ausgeführte Anlagen in Ziegeleien zeigen bei jährlich elf Monaten Produktionszeit eine sehr gute Wirt-schaftlichkeit mit kurzer Amortisation, je nach vorhandener Spreizung zwischen den Bezugskosten für die Energieträger Erdgas und Strom. Aus Gründen des Klimaschutzes werden zudem Maßnahmen zur Minderung von Treibhausgasen ge-fördert. Der Kraft-Wärme-Kopplung kommt in diesem Zu-sammenhang besondere Bedeutung zu, weil die kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung sehr energieeffizient und damit umweltverträglich ist.

Das KWK-Gesetz 2012 (1) fördert Anlagen, die das EU-Hocheffizienzkriterium erfüllen – unabhängig davon, ob der Strom in ein öffentliches Netz eingespeist oder intern selbst genutzt wird. Durch die Substitution des Strombezugspreises unter gleichzeitiger Inanspruchnahme der Zuschlagzahlung nach dem KWK-Gesetz 2012 ergibt sich die wirtschaftlich günstigste Betriebssituation. Grund ist die stets geringere Einspeisevergütung gegenüber dem Strombezugspreis durch vermiedene Netzentgelte, die anteilige EEG-Umlage, usw. und Steuerfreiheit des eigengenutzten Stromes bei der Stromsteu-er. Die Förderung durch das KWK-Gesetz ist so ausgelegt, dass die Anschaffungsinvestition des KWK-Moduls durch die KWK-Zuschlagzahlungen während des Förderzeitraumes zum über-wiegenden Teil refinanzierbar ist.

Die derzeit aktuelle Rechtslage sieht die in »Tabelle 1 dar-gestellten KWK-Zuschläge vor.

Die EEG-Novelle 2014 belastet seit 1. August 2014 den Stromeigenverbrauch mit 30 % EEG-Umlage bis Ende 2015. Dieser Anteil steigt auf 40 % der EEG-Umlage ab 2017.

Allerdings wird das KWK-Gesetz aktuell novelliert, sodass von einem Ausgleich dieser Belastung durch erhöhte Zuschlag-zahlungen für KWK-Strom auszugehen ist. Das wird sich po-

»6 Ziegeleien zeigen eine deutliche elektrische Grundlast, die auch an Wochenenden nicht unterschritten wird

»6 Brickworks have a significant electric base load that must be maintained at all times, including weekends

27



er subsidies for CHP power can be expected. That, of course, will have a positive impact on economic efficiency. Article 13 of the EEG amendment deals with authorization to adjust the CHP subsidy as necessary to reflect the emburdenment of CHP power by the EEG surcharge.

4 Approval of facilities by the Federal Office for Economic Affairs and Export Control (BAFA)Primary energy savings > 10% compared to reference systems defined as EU-standard have to be demonstrated in the design state. For systems < 1 MWel., any verifiable extent of savings on primary energy is considered sufficient. AGFW Technical Stand-ard 308 (2) governs details of certification for CHP systems and the determination of allowance-entitled CHP electricity: › CHP systems > 50 kWel. require BAFA approval. The approval

document for such a system has to be presented to the net-work operator responsible for effecting payment

› for CHP systems < 50 kWel., simplified approval by BAFA is prescribed

5 Electrical connectionClay construction product manufacturers can be ex-pected to have their own transformers for tapping into the network operator‘s medium-voltage grid. As such, even if no electricity actually is injected into the medium-voltage grid, both the connection to and the parallel operation of power generating systems with the medium-voltage grid are categorically subject to the pertinent guideline by BDEW (Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft – German Association of Energy and Water Industries). Since CHP systems deliver electricity to the 400 V level, the basic func-tions of the low-voltage guideline VDE AR 4105 also apply. Early-stage coordination with the network operator is very helpful, e.g., for in-house CHP sub-metering and concerning individual requirements. Gas-fuelled microturbines themselves meet Germa-ny‘s currently valid safety regulations. As soon as an unacceptable anomaly occurs in the power grid, the turbine-generator unit is automatically disconnected from the power grid.

6 The balancing energy marketing optionThe balancing energy needed for securing power-grid operation can be produced by a brickyard‘s gas-fueled microturbomachine. In the subject cases of application, heat production is redundantly secured. The system operates under continuous full-load con-ditions and can be run down by remote control as required to serve as negative balancing power. Partici-pation in the balancing energy market can generate supplementary revenues, in connection with which a pool operator bundles generating units < 2 000 kW into a virtual power plant.

7 Impacts on pollution controlBurned in a gas-fuelled microturbine, natural gas combusts as a lean mixture (l =7 to 8) in a combus-tion chamber at temperatures of around 800–850° C. Consequently, emissions in the form of nitrous oxides, carbon monoxide and hydrocarbons remain very low,

sitiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirken. Die EEG-Novelle enthält in Artikel 13 eine Verordnungsermächtigung zur An-passung der KWK-Zuschläge, soweit KWK-Strom durch die EEG-Umlage belastet wird.

4 Zulassung der Anlagen beim Bundesamt für Wirt-schaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)Es ist eine Primärenergieeinsparung > 10 % gegenüber EU-einheitlich definierten Referenzsystemen im Auslegungszustand nachzuweisen. Bei Anlagen < 1 MWelektrisch genügt der Nachweis, dass überhaupt eine Primärenergieeinsparung erreicht wird. Das AGFW-Arbeitsblatt 308 (2) regelt Einzelheiten der Zertifizierung von KWK-Anlagen und der Ermittlung des KWK-Stromes, der zuschlagsberechtigt ist: › Für Anlagen > 50 kWelektrisch ist ein Antrag auf Zulassung der

KWK-Anlage beim BAFA zu stellen. Der Zulassungsbescheid wird dem Netzbetreiber vorgelegt, der für die Auszahlung zuständig ist

› Für Anlagen bis 50 kWelektrisch gilt eine vereinfachte Zulassung der KWK-Anlage beim BAFA

»7 Beispiel zur Einbindung von zwei Mikrogasturbinen in den Energieverbund Ofen/Trockner

»7 Exemplified incorporation of two gas-fuelled microturbines into a kiln/dryer energy cycle

i.e., well below the emission limits prescribed by TA Luft 2002 (Germany‘s Technical Instructions on Air Quality Control) for li-censable gas turbines (> 1 MW rated thermal output). The pro-ducer data read NOx < 20 mg/m3 and CO < 50 mg/m3 (based on 15 vol.% O2 in the exhaust). Such applications routinely display no consequential additional source of emissions. Deteriorating emission levels can therefore be ruled out.

The producer also guarantees a max. acoustic emission lev-el of < 66 dB(A) at a distance of 10 m. As such, no special ear protection is required for employees, nor need any neighbour-hood noise problems be anticipated.

Gas-fuelled microturbines need no lubricants, so there are no requirements to be met with regard to potential water pollutants.

8 Impacts on the regulatory status of plantsAccording to the German Federal Emission Control Act (BIm-SchV), heavy clay production facilities require licensing (Sec-



»8 Zwei Capstone C65 Mikrogasturbinen (130 kWelektr; 300 kWtherm) mit Erdgasverdichter im Klinkerwerk der Firma Janinhoff GmbH & Co. KG, Münster

»8 Two Capstone C65 gas-fuelled microturbines (130 kWel.; 300 kWth.) with natural-gas compressor at the Janinhoff GmbH & Co. KG brickworks in Münster

»Table 1 CHP subsidies»Tabelle 1 KWK-Zuschläge

Electric power rangeElektrische Leistungsklasse

CHP electricity [cents/kWh]KWK-Strom [Cent/kWh]

Duration of payment from beginning of continuous operationDauer der Zahlung ab Aufnahme des Dauerbetriebs

Category A – small CHP systems ≤ 2 MW and fuel cells/Kategorie A – kleine KWK-Anlagen bis 2 MW und Brennstoffzellen

CHP systems ≤ 50 kW and fuel cellsKWK-Anlagen bis 50 kW und Brennstoffzellen

5.41 10 years or, alternatively, 30 000 full utilization hours10 Jahre oder wahlweise 30000 Vollbenutzungsstunden

CHP systems > 50 kW ≤ 2 MWKWK-Anlagen über 50 kW bis 2 MW

30 000 full utilization hours30 000 Vollbenutzungsstunden

For share of output ≤ 50 kWFür den Leistungsanteil bis 50 kW

5.41

For share of output > 50 kW ≤ 250 kWFür den Leistungsanteil über 50 kW bis 250 kW

4.0

For share of output > 250 kW ≤ 2 MWFür den Leistungsanteil über 250 kW bis 2 MW

2.4

5 Elektrische AnbindungZiegeleistandorte haben regelmäßig eigene Trans-formatoren, die mit dem Mittelspannungsnetz des Netzbetreibers verbunden sind. Grundsätzlich gilt also die BDEW-Richtlinie für Anschluss und Paral-lelbetrieb von Erzeugungsanlagen am Mittelspan-nungsnetz, auch wenn physikalisch kein Strom ins Mittelspannungsnetz fließt. Die KWK-Anlagen lie-fern Strom auf der Spannungsebene 400 V, sodass die Basisfunktionen der Niederspannungsrichtlinie VDE AR 4105 hinzukommen. Eine frühzeitige Ab-stimmung mit dem Netzbetreiber ist sehr hilfreich, z.B. zur betriebseigenen KWK-Untermessung und zu einzelnen Anforderungen. Die Mikrogasturbine selbst erfüllt die in Deutschland geltenden Sicher-heitsvorschriften. Sobald eine unzulässige Unre-gelmäßigkeit im Stromnetz vorhanden ist, wird die Turbinenanlage automatisch vom Netz getrennt.

6 Option der RegelenergievermarktungZur Sicherung des elektrischen Netzbetriebes ist Re-gelenergie erforderlich, die auch von einer Mikro-gasturbinenanlage eines Ziegelwerkes bereitgestellt werden kann. In den vorgestellten Anwendungs-fällen ist die Wärmeproduktion redundant abgesi-chert. Die Anlagen laufen kontinuierlich unter Voll-last und könnten bei Aufruf als negative elektrische Regelenergie ferngesteuert heruntergefahren wer-

den. Durch die Teilnahme am Regelenergiemarkt können zusätz-liche Erlöse erwirtschaftet werden, wobei Erzeugungsanlagen < 2 000 kW in einem virtuellen Kraftwerk von einem Poolbetreiber gebündelt werden.

7 Auswirkungen auf den ImmissionsschutzDie Verbrennung von Erdgas in einer Mikrogasturbine erfolgt unter hohem Luftüberschuss (l =7 bis 8) in einer Brennkam-mer bei Temperaturen von ca. 800 bis 850 °C. Die Emissionen an Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen sind des-halb sehr gering. Die Emissionsbegrenzungen der TA Luft 2002 für genehmigungsbedürftige Gasturbinen (ab 1 MW Feuerungs-wärmeleistung) werden deutlich unterschritten. Der Hersteller gibt NOx-Werte < 20 mg/m3 und CO-Werte < 50 mg/m3 (Bezug 15 Vol.-% O2 im Abgas) an. Der Einsatz führte regelmäßig nicht zu einer zusätzlichen Emissionsquelle. Eine Verschlechterung der Emissionswerte ist auszuschließen.

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tion. 2.10.1, Appendix 1, 4th BImSchV). Licensable-plant ordi-nance microturbines fuelled with natural gas are subsumed in Section. 1. 2.3.2, Appendix 1, 4th BImSchV. In principle, they only require licensing if their rated thermal output amounts to 1 MW or higher, so that, up to now, a notification procedure pursuant to Art. 15 BImSchG has been considered sufficient.

9 Climate protectionThanks to their superior fuel efficiency, CHP systems contrib-ute substantially to climate protection by conserving primary energy. While the local fuel consumption rate does increase for a GMT of identical overall heat generation, the thusly ex-pended fuel (natural gas: 224 g CO2/kWh) (3) simultaneously produces electricity with practically no further losses, because the heat content of the exhaust is fully exploited. Considering the fact that this electricity therefore need not be generated by some other means, CO2 emissions are reduced, on average, by 564 g CO2 /kWh (4). Depending on the rated output of the plant and on how long it remains in service, this yields a sub-stantial amount of credit in terms of CO2 equivalence for the facility. For a postulated annual power output of 1 000 MWh, the overall CO2 emissions reduction figures to:

1 000 MWh/a x (564 g CO2/kWh – 224 g CO2 /kWh) = 340 t CO2/a.

10 Final assessmentThanks to its year-round need for heat and power, the heavy clay industry harbours major CHP potential. Gas-fuelled mi-croturbines generate electricity and a constant supply of high-temperature heat with only a single flow of exhaust. Since no two brickworks are alike, the relevant technological, economic and legal framework must be closely investigated in each case to obtain a reliable basis for pertinent investment decisions.

The engineering firm Ingenieurbüro für Energieeffizienz und Umweltschutz, as a specialist for the nonmetallic mineral sector, has conducted appropriate investigations for the brick and tile industry. Allowing technically uncomplicated integra-tion and characterized by long plant lifespans, the brick and tile industry can achieve substantial reductions in CO2 emis-sions while securing high returns and short payback periods of significantly less than three years by installing such systems.

Footnotes

(1) German Combined Heat and Power Act (KWKG) dated 12 July 2012 (Federal Gazette/BGBl. I S 1494)

(2) AGFW technical standard (by German District Heating Working Group) FW 308 dealing with the certification of CHP systems – determination of CHP current – January 2009 edition, Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V.

(3) CO2-equivalent natural gas H, source: IWU 14 January 2009(4) Source: German electricity mix, German Federal Environmental Agency;

status: May 2013

References/Literatur

[1] Junge, K.; Tretau, A.: Wärmewirtschaft in Ziegeleien. AiF 15030N; IZF und FGZ, 2009

[2] Freitag, Deppe, Rauh, Niersmann, Süß: Leitfaden zur Integration von Block-heizkraftwerken in den Herstellungsprozess grobkeramischer Erzeugnisse, 2012

Die maximalen Schallemissionen werden mit < 66 dB(A) in 10 m Entfernung vom Hersteller garantiert. Es sind damit weder besondere Gehörschutzmaßnahmen der Arbeitnehmer erfor-derlich, noch problematische Schallimmissionen in der Nachbar-schaft zu erwarten.

Die Mikrogasturbine selbst ist frei von Schmiermitteln, sodass keine besonderen Anforderungen aus dem Umgang mit wasser-gefährdenden Stoffen bestehen.

8 Auswirkungen auf den genehmigungsrechtlichen Status der Anlagen Ziegeleien sind nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz ge-nehmigungsbedürftige Anlagen (Nr. 2.10.1 Anhang 1 der 4. BImSchV). Mikrogasturbinen mit Erdgaseinsatz sind unter Nr. 1.2.3.2 Anhang 1 der 4. BImSchV zu subsummieren. Sie sind für sich genommen erst ab einer Feuerungswärmeleistung von 1 MW genehmigungsbedürftig, sodass bislang vor Umsetzung der Projekte Anzeigeverfahren gemäß § 15 BImSchG ausrei-chend waren.

9 Klimaschutz KWK-Anlagen tragen durch bessere Brennstoffausnutzung er-heblich zum Klimaschutz bei, da Primärenergie eingespart wird. Der Brennstoffverbrauch am Standort steigt zwar durch den Einsatz der MGT bei gleichbleibender Gesamtwärmeerzeugung. Der von der MGT erzeugte Strom ist mit diesem zusätzlich einge-setzten Brennstoff (Erdgas: 224 g CO2/kWh) (3) nahezu verlust-frei produziert worden, weil die entstandene Wärme vollständig genutzt wird. Da dieser Strom anderweitig mit durchschnittlich 564 g CO2 /kWh (4) nicht mehr erzeugt werden muss, ergibt sich je nach Anlagenlaufzeit und Anlagenleistung eine beacht-liche Gutschrift an CO2-Äqivalenten für den Standort. Bei einer angenommenen jährlichen Stromerzeugung von 1 000 MWh errechnen sich globale CO2- Einsparungen von

1 000 MWh/a x (564 g CO2/kWh – 224 g CO2 /kWh) = 340 t CO2/a.

10 FazitIn der grobkeramischen Industrie ist das KWK-Potenzial durch den ganzjährigen Strom- und Wärmebedarf groß. Mikrogastur-binen erzeugen Strom und konstant anfallende Wärme auf ho-hem Temperaturniveau in nur einem Abgasstrom. Jede Ziegelei ist anders, sodass eine genauere Betrachtung der technologi-schen, wirtschaftlichen und rechtlichen Randbedingungen als belastbare Grundlage für eine Investitionsentscheidung erfor-derlich ist.

Das Ingenieurbüro für Energieeffizienz und Umweltschutz hat sich auf die Steine- und Erden-Industrie spezialisiert und die entsprechenden Untersuchungen in der Ziegelindustrie durch-geführt. Die installierten Anlagen in der Ziegelindustrie zeigen bei technisch einfacher Einbindung und langen Anlagenlaufzei-ten erhebliche CO2-Einsparungen, hohe Renditen und Amortisa-tionszeiten deutlich unter drei Jahren.

Fußnoten

(1) Gesetz zur Änderung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes vom 12. Juli 2012 (BGBl. I S. I 494)

(2) AGFW-Arbeitsblatt FW 308 Zertifizierung von KWK-Anlagen – Ermittlung des KWK-Stromes – Ausgabe Januar 2009, Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V.

(3) CO2-Äquivalente Erdgas H, Quelle: IWU 14.01.2009(4) Quelle: Deutscher Strommix, Umweltbundesamt; Stand Mai 2013

Ingenieurbüro für Energieeffizienz und Umweltschutz www.franz-obermeyer.de

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Franz Obermeyer Field applications and lessons learned