Kraft-Wärme-Kopplung in der Ziegelindustrie

In der Ziegelherstellung sind Durchlauf- und Kammertrockner die verbreitetsten Trocknertypen. Zur Trocknung der Rohlinge wird Warmluft eingesetzt. Die Trocknung erfolgt in mehreren Stufen bei Endtemperaturen zwischen 100 und 200°C. Luftumwälzgeräte sorgen für eine intensive Luftumwälzung und -vermischung, da zur Qualitätssicherung des Besatzes an jeder Stelle im Trockner möglichst gleiche Bedingungen herrschen sollten.
Bei Kammertrocknern werden die einzelnen Kammern periodisch und getrennt voneinander beschickt und die einzelnen Trocknungsvorgänge zu unterschiedlichen Zeiten gestartet.

Meist sind jedoch so viele Kammern vorhanden, dass sich bezüglich der Gesamtenergiezufuhr ein nahezu kontinuierlicher Betrieb ergibt.
Üblicherweise sind Brennofen und Trockner in der Ziegelindustrie über einen Wärmeverbund miteinander gekoppelt. In der Brennzone des Ofens erhält der Ziegel bei sehr hohen Temperaturen seine Festigkeit und seine typischen Eigenschaften. Nach dem Brennen werden die Ziegel im Ofen je nach Prozess in einem ein- oder mehrstufigen Gegenstromkühler auf Ausfahrtemperatur gebracht. Die dabei entstehende Kühlwärme wird über einen Zuluftkanal dem Trockner zugeführt und dort zur Rohlingstrocknung verwendet.
In der Praxis zeigt sich, dass bei bestimmten Produkten die Ofenabluft aus der Kühlzone nicht ausreicht, um den gesamten thermischen Energiebedarf des Trockners vollständig zu decken. In solchen Fällen muss durch einen Gasbrenner zusätzliche thermische Energie für den Trockner erzeugt und in das System eingebracht werden. Der Gasbrenner ist üblicherweise im Zuluftkanal vor dem Trockner installiert. Je nach Anwendungsfall erreicht der eingesetzte Brenner hohe Laufzeiten und erzeugt durch den hohen Gasverbrauch entsprechend hohe Energiekosten.

Kostenreduzierung durch Nutzung von Mikrogasturbinenabgas
Die Kosten für die Erzeugung der zusätzlich erforderlichen Wärme für den Trockner kann durch den Einsatz einer hocheffizienten Kraft-Wärme-Kopplung deutlich reduziert werden. Dabei wird neben Wärme gleichzeitig Strom für den Eigenbedarf erzeugt. In Ziegeleien und der Keramikindustrie sind Mikrogasturbinen hierfür besonders gut geeignet, da sie die komplette thermische Energie gasförmig und auf hohem Temperaturniveau zur direkten Nutzung im Trockner zur Verfügung stellen.
Falls die Kühlluft aus dem Ofen für die Trocknerbeheizung nicht ausreicht, besteht die Möglichkeit, eine Mikrogasturbine zu integrieren und das heiße Turbinenabgas in den Zuluftkanal zwischen Ofen und Trockner einzubinden (siehe Bild 1). Der gleichzeitig erzeugte Strom kann vorrangig zur Eigennutzung in der Produktion verwendet werden. Dadurch verringert sich der externe Strombezug, was eine deutliche Kostensenkung nach sich zieht. Die hohe Verfügbarkeit in der Produktion bleibt durch die Redundanz des vorhandenen Gasbrenners nach wie vor bestehen.

Das Dürr Compact Power System
Für solche Anwendungsfälle bietet der Anlagen- und Maschinenbauer Dürr mit dem Compact Power System (CPS) eine wirtschaftliche Lösung, die auf Mikrogasturbinentechnologie basiert. Das CPS kann eine elektrische Leistung von 100 kW erzeugen und je nach Strombedarf modulierend im Bereich von 30 bis 100 kW betrieben werden. Die thermische Leistung beträgt je nach Abgastemperatur 210 bis 520 kW. Je nach Abgasnutzung werden mit dem CPS Gesamtwirkungsgrade von bis zu 98% erreicht.
Weitere CPS-Merkmale sind ein minimaler Wartungsaufwand mit deutlich niedrigeren Kosten als bei BHKW-Motoren, hervorragende Abgaswerte (CO und NOx > 15 ppm) sowie eine hohe Verfügbarkeit. Damit eignet sich das CPS sehr gut zur Eigenstromversorgung und Prozesswärmeerzeugung von Trocknern in Ziegeleien.
Das Herzstück des Systems bildet die Turbomaschine, die sich aus Verdichter, Turbine und Generator zusammensetzt (siehe Bild 2). Die Turbine treibt über eine ölgelagerte Welle den Verdichter und den Generator an. Die für den Betrieb der Mikrogasturbine erforderliche Luft wird aus der Umgebung angesaugt und im Verdichter komprimiert, bevor sie zur Effizienzsteigerung intern vorgewärmt wird. Gemeinsam mit dem erforderlichen Brennstoff wird die vorgewärmte Luft der Brennkammer zugeführt und dort äußerst schadstoffarm verbrannt. Gleichzeitig wird die Turbine mit einer Drehzahl von bis zu 70.000 Umdrehungen pro Minute angetrieben, so entsteht hochfrequenter Strom. Dieser wird nach der Gleichrichtung über eine Leistungselektronik in Wechselstrom von 50 oder 60 Hertz gewandelt und mit dem vorhandenen Netz synchronisiert. Alternativ zum netzsynchronen Betrieb sind auch Insellösungen möglich. Das systembedingt schadstoffarme Abgas (CO und NOx < 15 ppm) kann flexibel für den nachgeschalteten Prozess genutzt werden. Besonders bei Trocknungsprozessen hat die Mikrogasturbine den Vorteil, dass die gesamte Nutzwärme auf einem hohen Temperaturniveau im Abgas zur Verfügung steht. Die Abgastemperatur kann durch Anpassung des internen Rekuperators auf Kundenwunsch zwischen 270 °C und 650 °C eingestellt werden.

Je nach Energiebedarf und Betriebsweise des Trockners kann das Dürr Compact Power System individuell auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnitten und in das Gesamtsystem eingebunden werden (siehe Bild 3). Der wirtschaftliche Betrieb des Compact Power Systems wurde bereits an verschiedenen Öfen und Trocknern in der Automobil-, Textil- und Keramikindustrie erfolgreich nachgewiesen.

Autarke Trocknerbeheizung bei Entkopplung vom Ofen
In der Ziegeleibranche wird seit längerer Zeit eine Entkopplung von Ofen und Trockner diskutiert. Sollte eine solche Entkopplung in Zukunft tatsächlich möglich sein und der Wärmeverbund bei Neuanlagen entfallen, können bei der Trocknerbeheizung neue, wirtschaftlichere Beheizungsmöglichkeiten zum Einsatz kommen. Aufgrund der hohen Temperaturen in den Ziegeltrocknern, können diese beispielsweise ausschließlich durch Mikrogasturbinenabgas beheizt werden (siehe Bild 4). Dies gewährleistet eine hocheffiziente Wärmebereitstellung.
Dürr setzt solche Trocknerbeheizungen bereits erfolgreich bei Kunden in der Automobil- und Textilindustrie ein.

Hohe Verzinsung des eingesetzten Kapitals
Ideale Einsatzbedingungen für ein CPS sind gegeben, wenn ein möglichst kontinuierlicher Volllastbetrieb möglich ist, etwa zur Grundlastversorgung, also wenn Anlagen mehrschichtig rund um die Uhr laufen. Bei der Projektierung ist der Strom- und Wärmebedarf des Kunden entsprechend zu analysieren. Basierend auf den erhobenen Daten muss festgelegt werden, ob das CPS wärme- oder stromgeführt betrieben werden soll. Je nach Bedarf wird das Compact Power System von Dürr an die kundenspezifischen Anforderungen angepasst.
Grundsätzlich gilt: Je mehr Betriebsstunden und je größer die Spreizung zwischen Strom- und Gaspreis, desto schneller rechnet sich die Investition. Je nach Einsatzfall liegen die Amortisationszeiten für die Systeme zwischen zwei und vier Jahren.
Zusätzlich positiven Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit einer KWK-Investition haben Förderungen, die für hocheffiziente Anlagen in einigen europäischen Ländern gewährt werden. In Deutschland gibt es zum Beispiel eine Minderung  der EEG-Umlage, eine Vermeidung des Netznutzungsentgelts oder die Rückerstattung der Mineralölsteuer.