Den Brennstoff optimal nutzen

(PresseBox) - Wassermantelgekühlte Synchrongeneratoren erlauben eine unschlagbare Effizienz. Sie setzen neue Maßstäbe für Blockheizkraftwerke kleiner und mittlerer Leistung, speziell für Biogasanlagen.
Von Dr. Dirk Burhorn, Weier Antriebe und Energietechnik GmbH
Die Energiewende nimmt Fahrt auf. Dezentrale Stromerzeugungssysteme werden sie dominieren. Blockheizkraftwerke erzeugen Strom und Wärme zugleich, man spricht von Kraft-Wärme-Kopplung. Sie tragen entscheidend dazu bei, die Stromversorgung zu stabilisieren und die Kosten für den Netzausbau zu senken. Anders als fluktuierender Strom von Sonne und Wind sind die BHKW mit ihren Generatoren grundlastfähig. Mit Synchrongeneratoren kann das kleine Kraftpaket sogar Blindleistung bereitstellen. Es wirkt wie ein Phasenschieber, der regionale Überlasten im Netz durch die Anpassung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung ausgleicht. Künftig werden die BHKW über integrierte Leistungselektronik diese neue Aufgabe erfüllen.
Die lokale Bereitstellung von Blindleistung spart enorme Kosten für den Netzausbau. Da der Asynchrongenerator nur Wirkleistung erlaubt, geht der Trend in den BHKW eindeutig zum Synchrongenerator. Er stabilisiert das Netz, indem er die Übertragungsreserven besser ausnutzt. Das schlägt sich im Stromertrag und den Betriebsstunden nieder, sprich: in der Wirtschaftlichkeit des BHKW. Da sie netzsynchron laufen, und nicht zwingend Blindleistung erfordern, belasten sie nicht das Stromnetz und sind zudem inselfähig.
Nutzwärme entscheidet über Wirtschaftlichkeit
BHKW mit kleinen und mittleren Leistungen halten überall im Land Einzug, um Wohnblocks, Siedlungen, Gewerbebauten, Krankenhäuser und Fabriken zu versorgen. Die Abwärme der Gasmotoren lässt sich für Prozesswärme in der Industrie oder warmes Brauchwasser verwenden. Bei Biogasanlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung ist im neuen EEG vorgeschrieben, mindestens 60 Prozent der Abwärme zu nutzen. Auch für BHKW, die mit Erdgas betrieben werden, ist die Nutzwärme ein wesentlicher Faktor für die Wirtschaftlichkeit.

Bei der Erzeugung des Stroms in den Wicklungen des Generators werden elektrische Verluste wirksam und als Wärme abgestrahlt. Mit einer Wasserkühlung lässt sich die Abwärme der Generatoren auffangen und nutzbar machen. Bisher wurde diese Technik nur auf Motoren und Frequenzumrichter angewandt. Weier hat eine Produktpalette von Synchrongeneratoren mit Fluidkühlung entwickelt, die von 20 Kilowatt und 50 Kilowatt ausgehend auch größere Leistungen erlauben, bis 250 Kilowatt. Sie eignen sich für neue BHKW und die Modernisierung: das Repowering bestehender Anlagen.
Neuer Quasistandard für BHKW
In der Windkraft markieren die Synchrongeneratoren bereits einen Quasistandard. Über Vollumrichter speisen sie ihre Energie ins Netz ein, wobei der Generator eine Niederspannung abgibt. Die Wechselrichter passen die Frequenz ans Netz (50 Hertz) an, eingespeist wird über Transformatoren in die Mittelspannungsebene. Bei Kleinwindanlagen mit 500 Watt bis 20 Kilowatt Leistung kommen vor allem Synchrongeneratoren mit Permanentmagneten zum Einsatz, die ohne Getriebe direkt vom Windrotor angetrieben werden. In BHKW mit kleineren Leistungen ist diese Technik gleichfalls verbreitet. Die Generatoren speisen mit Niederspannung bis 1.000 Volt (AC) in die regionalen Verteilnetze ein. Höhere Generatorspannungen mit sechs bis 20 Kilovolt (Mittelspannung) sind in diesem Segment eher ungewöhnlich. Ein BHKW mit 20 Kilowatt Nennleistung eignet sich zur Stromversorgung von Wohnblocks oder kleinen Siedlungen. Anlagen mit 50 Kilowatt sind für Kliniken und Gewerbebauten geeignet, zumal sie dort oft als Notstromaggregate fungieren.
Entscheidend ist die Betriebsdauer der BHKW, aus der sich die wirtschaftliche Kalkulation der Investition ergibt. Ein Kleinkraftwerk muss zwischen 6.000 und 8.000 Volllaststunden im Jahr laufen. Zudem dürfen die Standzeiten für Wartung und Durchsicht nur gering sein. Neue Betreiberkonzepte nutzen den Strom vor allem für die Abdeckung von Spitzenlasten. Dann läuft das BHKW nur rund 3.300 Stunden im Jahr, allerdings erhöht sich die Anzahl der Motorstarts. Der Generator muss auch kurzzeitige Überlast jenseits der Nennleistung verkraften.
Am häufigsten benötigt der Gasmotor eine regelmäßige Wartung und den Austausch der Verschleißteile, etwa aller 5.000 Stunden (Grundlastbetrieb). Hochwertige Generatoren laufen durchaus 20 oder 30 Jahre, ihre Ausfallrate liegt unter ein Promille. Weier kann auf mehr als 60 Jahre Erfahrung im Generatorbau zurückblicken. Das Unternehmen fertigt unter anderem Elektromotoren für Schiffe und Unterseeboote. Dort hängen die Sicherheit und das Leben der Besatzungen an der Zuverlässigkeit der Aggregate. Davon kann die Branche der BHKW viel lernen, was Qualität und Laufzeiten betrifft.
Hohe Qualität ist unerlässlich
Deshalb verwendet Weier in den Generatoren mit PM-Technologie ausschließlich Sondermagnete mit optimierten Eigenschaften. Sie erlauben höchste Wirkungsgrade und erhebliche Leistungsreserven, falls der Generator bis an die Grenze seiner Nennleistung gefordert wird. Für die Laufzeit entscheidend ist die Qualität der Kugellager: Zwar kosten die Topplager von deutschen Zulieferern etwas mehr als Billiglager aus Asien, laufen aber doppelt so lange. Um möglichst kompakte Maschinen zu bauen, strebt man bei der Wicklung der Läufer einen hohen Füllgrad in den Nuten an. Angesichts der steigenden Beschaffungskosten für Kupferdraht ist die bestmögliche Ausnutzung des Materials unumgänglich. Anschließend werden die Windungen mit Tränkharzen vergossen. Das Harz isoliert die Kupferleiter, schützt sie vor Korrosion und Vibrationen. Damit erreichen die Generatoren höchste Isolationsklassen und verfügen über erhebliche Leistungsreserven. Über 20 Jahre gerechnet, macht sich diese Sorgfalt für die Kunden mehr als bezahlt.
Die wachsende Nachfrage nach BHKW zur dezentralen Stromversorgung zwingt die Hersteller, die Planungsbüros und die Anbieter von Energiecontracting, die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Anlagen zu erhöhen und zu garantieren. Bei großen BHKW für kommunale Versorger (Stadtwerke), im gewerblichen Einsatz oder in der Industrie obliegen der Anlagenbetrieb und die ordnungsgemäße Wartung meist geschultem Betriebspersonal. Die kleinen und mittleren BHKW für Privatkunden, Wohnungsbaugesellschaften, Kliniken, Altenheime, Schwimmhallen oder Gewächshäuser sind autonome Systeme, die nur selten von erfahrenen Betriebsingenieuren inspiziert werden.
Um die erforderliche Qualität in allen Leistungsklassen zu garantieren, hat Weier eine Plattformstrategie entwickelt. Der neue, wassermantelgekühlte Synchrongenerator für 50 Kilowatt Nennleistung bildet die Basis. Der kleinere 20-Kilowatt-Generator sowie alle größeren Maschinen bis zu 250 Kilowatt bauen darauf auf. Am Ende der Fertigung werden alle Generatoren umfangreich geprüft, gemäß EN 60034.
Wasserkühlung nutzt Brennstoff besser aus
Die Wasserkühlung wurde ursprünglich für Frequenzumrichter entwickelt, um die heißen Leistungstransistoren zu entlasten. Weier hat dieses Konzept schon vor über einem Jahrzehnt auf Generatoren übertragen und setzt sich damit an die Spitze der technologischen Weiterentwicklung von BHKW. Die Luftkühlung benötigt große Ventilatoren, deren Antriebsleistung als Hilfsenergie negativ ins Gewicht fällt. Dadurch sinkt der Gesamtwirkungsgrad des BHKW. Die Wasserkühlung erhöht den Wirkungsgrad um ein bis 1,5 Prozent. Um das Kühlwasser in der Stahlhülse um den Generator zirkulieren zu lassen, braucht man eine vergleichsweise kleine Spülpumpe mit deutlich geringerem Leistungsbedarf als die Ventilatoren. Da die fluidgekühlten Generatoren jedoch in den Wärmetauscher-Kreislauf des BHKW integriert werden, belastet diese Leistung nicht den Wirkungsgrad des Generators. Ein echter Mehrwert wird generiert.
Je nach Baugröße des Generators differieren die Größe der hydraulischen Anschlüsse und die Pumpenleistung. Im Kühlkreis der größeren Generatoren zirkulieren zwischen zwölf und 13 Liter je Minute. So erreichen die Generatoren einen optimierten Wirkungsgrad von bis zu 97 Prozent.
Das Kühlwasser wird mit 70 Grad Celsius zum Generator geleitet. Die Spreizung aufgrund des Wärmeübergangs beträgt vier Kelvin. So stehen am hydraulischen Ausgang des Kühlkreises 74 oder 75 Grad Celsius zur Verfügung. Entweder wird diese Temperatur an den Kühlkreis des Gasmotors übergeben, dann laufen die beiden Kühlkreise in Reihe. Auch die Nutzung thermischer Potenziale aus dem Abgas mit dem ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) lässt sich in dieses System einbinden. Einfacher ist es, die Abwärme des Generators und des Motors über einen Wärmetauscher an die Nutzer zu übergeben. Das kann Prozesswärme für eine Fabrik oder der Warmwasserspeicher eines Wohnblocks sein.
Kompakter Generator
Die Wassermantelkühlung erlaubt es, den Generator für dieselbe Leistung kleiner zu bauen als eine luftgekühlte Variante. Denn luftgekühlte Maschinen benötigen eine größere Oberfläche, um die Verlustwärme abzugeben. Mit Wasserkühlung wird das BHKW kompakter, was für den Einbau beispielsweise im Heizungskeller oder in Maschinenhäusern wichtig ist. Das BHKW wird auch preiswerter, weil die Kosten für die aufwändige Luftkühlung entfallen. Vor allem die Ventilatoren und Filter schlagen über 20 Jahre mit erheblichen Kosten zu Buche, weil sie mehrfach ausgewechselt werden müssen.
Der größte Gewinn: Statt kostbare Abwärme über die Ventilatoren zu verlieren, wird die Verlustwärme aus der Stromerzeugung zurückgewonnen und thermisch genutzt. Damit wird der Brennstoff besser ausgenutzt, sei es Erdgas, Biogas oder feste Biomasse. Das ist für die Investoren entscheidend: je mehr Strom und Wärme sie aus jedem Kubikmeter Brenngas erzeugen, desto günstiger stellt sich die Investition dar.
Zudem läuft ein wassergekühlter Generator viel leiser als eine luftgekühlte Maschine mit Ventilatoren. Der Läufer und seine Wicklungen sind von einer dichten Stahlhülse umgeben, in der das Kühlwasser zirkuliert. Sie schützt den Läufer auch vor Schmutz, Sand oder Staub. Die Gefahr von Korrosion und Verschleiß sinkt. Die Robustheit des Systems erhöht sich und erlaubt längere Wartungsintervalle.
Nennleistung im Dauerbetrieb
Normalerweise werden die Nennleistung und der Wirkungsgrad der Generatoren bei Standardbedingungen von 40 Grad Celsius ermittelt. Im Dauerbetrieb erreicht die Temperatur an den Wicklungen jedoch deutlich höhere Werte. Dann steigt ihr elektrischer Widerstand, und die Generatorleistung fällt deutlich ab. Deshalb gibt Weier bei den wassergekühlten Generatoren die Leistung für eine Betriebstemperatur von 70 Grad Celsius an, die konstant eingehalten wird. Die Nennleistung entspricht der tatsächlichen erreichten Leistung im Dauerbetrieb.
Viele Stadtwerke arbeiten zurzeit an neuen Versorgungskonzepten, bei denen sie regionale Erzeuger in virtuellen Kraftwerken zusammenfassen. BHKW mit wassermantelgekühlten Generatoren sind ausfallsicher und langlebig. Gegenüber den fluktuierenden Energien aus Wind und Sonne sind sie jederzeit verfügbar. Sie stellen Strom und Wärme bereit, was beispielsweise für Modelle des Energiecontractings wesentlich ist, sowohl für Wohneinheiten als auch für öffentliche Gebäude oder Unternehmen. Obendrein erfüllen sie alle Anforderungen an ein Notstromaggregat.
Effiziente Generatoren für Biogasanlagen
Neben Wasserkraft und Windkraft werden die Synchrongeneratoren in BHKW eingesetzt, deren Motor mit Biogas oder fester Biomasse läuft. Mit der Novelle des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) zum Januar 2012 müssen solche BHKW mindestens 60 Prozent ihrer Abwärme nutzen. Als Wärmesenken kommen Nahwärmenetze für Wohnsiedlungen und Gewerbegebiete und der Eigenbedarf des Fermenters der Biogasanlage in Frage. Dabei wird ein ganzjähriger Wärmebedarf vorausgesetzt, etwa für Trinkwarmwasser (Hotels, Schwimmbäder), Prozesswärme (Galvanik, Lackierung) oder industrielle Trocknung (Landwirtschaft). Die Raumwärme in der Heizperiode decken spezielle Heizkessel oder Wärmepumpen ab, die sich entsprechend der Heizkurve im Herbst zuschalten.
BHKW mit Biomasse als Brennstoff kennzeichnen die Energiewende in den ländlichen Regionen, wobei Biogas dominiert. Im Jahr 2011 gingen bundesweit mehr als 1.100 neue Biogas-BHKW ans Netz, so viele wie nie zuvor. Insgesamt laufen rund 7.100 Anlagen. Die Vorschrift, 60 Prozent der Abwärme zu nutzen, wird den Markt ab 2012 jedoch stark verändern. Mit wassermantelgekühlten Generatoren lässt sich diese Vorgabe sehr gut erfüllen. Sie setzen der Verschwendung kostbarer Energie ein Ende. Auch im Exportgeschäft wird die Wärmenutzung an Bedeutung gewinnen. Das ergibt sich allein aus den steigenden Kosten für die Herstellung und Beschaffung des Brennstoffs.

Sechs Jahrzehnte Erfahrung
Die Firma Weier in Eutin bei Lübeck wurde 1947 durch Heinz Weier gegründet. In den ersten Jahren baute das Unternehmen Generatoren, Dieselaggregate und Sondermaschinen für die Schifffahrt und die Bundesmarine. In den 80er und 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts kamen Großgeneratoren für Windmühlen hinzu. 2006 wurde die Firma durch Dr. Burhorn und Dr. Asum übernommen. Weier fertigt Generatoren für Windenergieanlagen, Wasserkraftwerke, Antriebe für Unterwasserfahrzeuge, Sonderlösungen für Marineaggregate und dieselelektrische Antriebe sowie Antriebe für Maschinen-Drehtische, Torque-Motoren, Fahrantriebe und wassermantelgekühlte Drehstrommotoren. Die Produktpalette umfasst rund 10.000 Varianten. Das Unternehmen hat rund 70 Mitarbeiter und ist nach ISO 9001:2008 zertifiziert.

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Datum: 10.08.2012 - 10:15 Uhr
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