INHALTSVERZEICHNIS

1.  EINFÜHRUNG  6

2.  TECHNISCHE VORAUSSETZUNG  8

2.1.  LEISTUNGSANFORDERUNGEN  8

2.2.  PHYSIKALISCHE GRUNDBETRACHTUNG  9

2.3.  KUMMULIERTE MENGENBETRACHTUNG  14

2.4.  KOMPONENTENEINTEILUNG  16

2.4.1.  TURBINE  16

2.4.2.  KOLBENMOTOR  17

2.4.3.  EXPANSIONSSCHRAUBEN  17

2.4.4.  GENERATOREN  18

2.4.5.  WÄRMETAUSCHER  18

2.5.  KOMPLETTSYSTEME  19

3.  WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG  20

3.1.  GRUNDLAGEN  20

3.1.1.  TECHNISCHE AUSRICHTUNG  21

3.1.2.  WIRTSCHAFTLICHER AUS RICHTUNG  23

3.2.  RECHNUNGSGRUNDLEGUNG UND UMSETZUNG  26

3.3.  RISIKOBEWERTUNG  28

3.4.  PRAKTISCHE UMSETZUNG  30

3.5.  MITTELBESCHAFFUNG  30

3.5.1.  FREMDFINANZIERUNG  31

3.5.2.  EIGENFINANZIERUNG  32

2

3.5.3.  CONTRACTING  32

4.  ÜBERTRAGUNG AUF VORHANDENE SYSTEME  33

4.1.  DARSTELLUNG ANHAND E INER BEISPIELANLAGE  33

4.2.  KOMPLETTSYSTEM KÜHNLE, KOPP & KAUSCH AG  35

4.2.1.  ANLAGE-N UND FIRMENDARSTELLUNG  35

4.2.2.  WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNG  35

4.3.  KOMPLETTSYSTEM TEG TURBOEQUIPMENT GMBH  35

4.3.1.  ANLAGE-N UND FIRMENDARSTELLUNG  35

4.3.2.  WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNG  36

4.4.  KOMPLETTSYSTEM SPILLINGWERK GMBH  36

4.4.1.  ANLAGE-N UND FIRMENDARSTELLUNG  36

4.4.2.  WIRTSCHAFTLICHKEITSBETRACHTUNG  39

5.  ZUSAMMENFASSUNG  41

6.  LITERATURVERZEICHNIS  43

3

  Abbildungs- und Tabellenverzeichnis  

  Abbildung 2.1 -1: Darstellung des Prozesses, (Turbine als Expansionsaggregat),  

  Quelle: Kühnle, Kopp & Kausch (1998)  8

  Abbildung 2.2-1: Joule-Thomson-Effekt (1 - 2´ - 5) und Joule-Prozess (1 - 2 - 3 -  

4  - 5) im Vergleich, Quelle: ASUE e.V. (Stand 28.09.2004)  11

  Abbildung 2.3 -1: Effizienzdarstellung des geplanten Prozesses, Quelle  

  (modifiziert): Kühnle, Kopp & Kausch (1998)  14

  Abbildung 2.5-1: Druckregelstation mit Entspannungsmotor (Gasmessung  

  hochdruckseitig), Quelle: ASUE e.V.  19

  Abbildung 4.1-1: Lastkurve der Bespielanlage.  34

  Abbildung 4.4.1-1: Lastkurve der Entspannungsmaschine.Quelle: Spilling  

  Energie System.  37

  Abbildung 4.4.2 -1: Kapitalwert des Spilling Angebots  41

Tabelle 2.3  -1: Ausnutzung einer Lastkurve durch eine Expansionsanlage.  16

Tabelle 4.4.1  -1: Energieberechnung der Anlage („Anstehend als Last in  

  Stunden“ abgeschätzt)  38

Tabelle 4.4.2-1:  Kapitalwertberechnung des Spilling-Angebots  40

  Abkürzungsverzeichnis  

A  Austritt (Ende)  

  AFA Aktionsrad, fliegende Lagerung, axial durchströmt  

  CFA zweikränziges Turbinenrad (Curtis), fliegende Lage-  

  rung, axial durchströmt  

E  Eintritt (Beginn)  

  EVU Energieversorgungsunternehmen  

  Gem Gemisch  

4

ges gesamt Hrsg. Herausgeber krit kritisch kWe Kilowatt elektrisch kWt Kilowatt thermisch KWK Kraft-Wärme-Kopplung L Laufzeit max. maximal min Minute min. minimal s statisch theo theoretisch U IN innere Energie U Umdrehungen

5

1. Einführung

Die Bedeutung des Erdgases als fossiler Energieträger ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Von dieser Entwicklung ist gegenwärtig kein Ende abzusehen, da bestehende Marktanteile anderer fossiler Energien wie Kohle und Erdöl durch Erdgas substituiert werden können. Durch seine umweltfreundlichen Eigenschaften, wie dem geringen CO 2 Ausstoß und dem Preis-Leistungsverhältnis, ist es gegenüber den genannten Rohstoffen eine wettbewerbsfähige Alte rnative.

Die im letzten Jahrzehnt aufgebaute Infrastruktur durch Erdgasnetzsysteme, welche über Russland bis nach Deutschland reichen, fördern diese Wirtschaftlichkeit des Rohstoffs und lassen Abnehmern die Möglichkeit, Erdgas unkompliziert ohne Lagerung und Lieferüberwachung zu konsumieren. Vor allem viele Privathaushalte, aber auch die Industrie wurden durch diese Vorteile überzeugt. Erdgas wird unter hohem Druck in Fördergebieten aus dem Erdreich gewonnen und über lange Überlandleitungen zum Verbraucher transportiert. Dabei ist die Förderkette bis zu dem einzelnen Bedarfsorten in mehrere Druckdifferenzen gegliedert, die an den jeweiligen Übergabestationen anstehen. Je nach Distanz, über die Erdgas transportiert wird, veranschlagt man unterschiedliche Rohrdurchmesser und Druckstufen um den Reibungsverlust des strömenden Elements zu minimieren. Transporte innerhalb Deutschlands werden bei bis zu 50bar realisiert. Angekommen an den Hauptabnahmepunkten wird der Druck reduziert um den technischen Anforderungen der an die Gasleitung angeschlossenen Anlagen zu entsprechen. Die Druckreduzierung wird auch als Drosselung bezeichnet, bei der durch eine Verengung nur ein Teil des Gases weiterströmen kann und in der darauf folgenden Erweiterung dieser Teil sich ausbreitet, also expandiert und somit an Druck verliert. Dies stellt eine simple Technik dar, die verglichen zu einer Autobremse ihren Zweck erfüllt, aber parallel Energie, die in dem Erdgas besteht unwiederbringlich entnimmt. Der Verlust der kinetischen Energie des PKW kann hierbei dem Druckverlust gleichgesetzt werden.

6

Es besteht somit die Aufgabe bei einer Optimierung die freiwerdende Druckenergie des Gases in andere für den Menschen nutzbare Energie umzuwa ndeln. Wird die Verengung, auf der der Volumenstrom auftrifft durch Flächen ersetzt, die kontinuierlich davon zur Seite gedrückt werden und realisiert somit ein Turbine, die permanent Flächen dieser Art zur Verfügung stellt, kann durch die sich somit rotierende Turbine ein Generator angetrieben und elektrische Energie erzeugt werden. Das abgebremste Erdgas fließt in gleicher Menge und Qualität hinter dem Expanderaggregat weiter. Ebenfalls wird die benötigte Entspannung durch Abtrennung einzelner Volumenstücke vom Erdgasstrom realisiert, die beim Durchlaufen der Turbine von innen nach außen eine Volumenvergrößerung erfahren. Je weiter das Gas vom Kreismittelpunkt zwischen zwei Turbinenschaufeln sich entfernt, desto größer wird der dabei bestehende Raum, in den es sich ausbreiten kann. Ähnliche Prinzipien bieten auch Kolben und Expansionsschrauben, die anstatt der Turbine als Expansionsaggregat eingesetzt werden könne n.

Diese Erdgasentspannungsanlagen ermöglichen einen Teil der aufgebrachten Energie zur Verdichtung bei der Entspannung wiederzugewinnen, indem sie die kinetische Energie durch einen Generator in elektrische umwandeln, welche in die Stromnetze der ansässigen Energieversorger fließt. Sowohl bei der Drosselung wie auch bei der Druckminderung durch eine Erdgasentspannungsanlage kühlt sich das Gas so stark ab, dass es vor dem Prozess aufgewärmt werden muss. Diese Abkühlung, also dementsprechend auch die nötige Erwärmung fällt bei der Expansionsanlage erheblich größer aus als bei der Drosselung. Wodurch ein Mehraufwand entsteht, der Grundlage für eine Effizienzberechung darstellt. Dabei wird die Anlage daran gemessen, wie viel elektrischen Strom bezogen auf die benötigte Wärme erzeugt wird. Ob jedoch diese Anlagen aus Betrachtung der Investitionsrechnung wirtschaftlich sind, ist die hier zu erläuternde Frage. Auf dieses Ziel der Bewertung ist diese Studie ausgelegt. Sie soll dem Leser einen roten Faden, von der physikalischen über die technische bis hin zur wirtschaftlichen Betrachtung geben und durch eine Auflistung am Markt erhältlichen Anlagen die Theorie in die Praxis übergehen lassen.

7

2. Technische Voraussetzung

2.1. Leistungsanforderungen

Das Aggregat, deren Beschaffung geplant ist, soll die Aufgabe einer Druckmi nderung und die Verwertung der dabei gewonnene Energie (Vergleiche Abbildung 2.1) in mechanische Energie erfüllen. Die bislang praktizierte Druckminderung durch Drosselung wird hierdurch in Frage gestellt, da eine wirtschaftlichere Prozessgestaltung anstrebt wird. „Zeitgemäße Drosselung“ durch ein Expansionsaggregat soll sowohl die Druckminderung erbringen wie auch Leistung zur Stromerzeugung bereitstellen.

Damit verbunden ist ein Generator, der die mechanische Leistung in Strom umwandelt, und eine Anbindung an das Stromnetz besitzt. Weiterhin wird ein Wärmetauscher benötigt, da die Expansion zu einer erheblichen Temperatursenkung führt und das ausströmende Gas den Mindestanforderungen bezüglich Temperatur des angeschlossenen Netzes und der weiteren Prozessverwendung genügen muss.

Im Gesamten lassen sich daraus drei Hauptanforderungsaufgaben einer Gasentspannungsanlage darstellen:

Abbildung 2.1-1: Darstellung des Prozesses, (Turbine als Expansionsaggregat), Quelle: Kühnle, Kopp & Kausch (1998)

8

Die Hauptbetrachtung fällt nun auf die zur ursprünglichen Drosselung nicht vor-handenen Anlagenbereiche: das Expansionsaggregat (hier als Gasentspannungsturbine), der Generator und der Wärmetauscher bzw. das Heizsystem. Diese müssen nun in das existierende System eingegliedert werden. Informationsgespräche zeigten, dass bestimmte technische Daten vorhanden sein müssen um zielstrebig eine Vorabeinschätzung zu ermöglichen. Die angegebenen Daten ¹ beziehen sich aus einem Umfragebogen der Firma Spilling Energie System GmbH und können je nach Hersteller leicht variieren:

Welche spezifische Dichte hat das zu behandelnde Gas (kg/Nm ³ ) ?

Wie hoch ist der Methangehalt (% CH 4 ) ? Welche Gasmengen sind zu expandieren (Nm ³ /h) ?

Es wird eine Jahresdauerlinie benötigt !

Welche Menge fällt bei minimalem / maximalem Gasdurchsatz an (m ³ /h) ?

Wie viel bar hat der minimale / maximale Hochdruck ? Wie viel bar hat der minimale / maximale Niederdruck ? Welche Gastemperaturen stehen vor und nach der Einspeisung bei Drosselung an ?

Mit welcher Einrichtung wird die Gasvorwärmung betrieben ? Welche Betriebsstunden stehen pro Tag, Woche und Jahr an?

2.2. Physikalische Grundbetrachtung

Gase werden bezüglich der Radien der Transportrohre auf spezifische Drücke erhöht um einen möglichst geringen Transportverlust bei hohem Transportvolumen zu realisieren.

Jedoch benötigen manche Endanwender geringeren Druck als ihn Transportleitungen zur Verfügung stellen. Deswegen ist eine Druckabsenkung notwendig. Physikalisch betrachtet wird die dem Gas zugeführte Exergie wieder entnom- ¹ Vgl.Spilling Energie System GmbH (Stand 24.09.04).

9