ORC - Im Elbe-Stahlwerk in Riesa wird künftig Prozesswärme ausgekoppelt und für die Dampf- und Stromerzeugung genutzt. Der Betreiber investiert 18,5Mio.€. In weniger als zehn Jahren sollen sich die Kosten amortisiert haben.
Als am 28. Oktober im Riesaer Elbe-Stahlwerk Feralpi der Energiefluss für den Elektrostahlofen gekappt wurde, war der Grund nicht allein die übliche Routinewartung der Anlagen. In diesem Jahr dauerte die Abschaltung des Werkes deutlich länger als sonst.
Denn künftig wird ein großer Teil der Prozesswärme aus den Ofengasen zur Nutzung ausgekoppelt. Rund zwei Jahre, so der Energiebeauftragte des Unternehmens, Dr. Tim Bause, haben die internen Untersuchungen der möglichen Varianten und die Vorbereitungen auf die Installation der neuen Anlagen gedauert. Ende Oktober waren alle Leitungen verlegt, der Neubau für den Dampfspeicher, Turbine und Generator errichtet und auch ein Vertrag mit den zuständigen Stadtwerken Riesa besiegelt. Der kommunale Versorger nimmt künftig Prozessdampf ab, der über eine rund 1,4km lange Trasse an ein Reifenwerk geliefert wird.
18,5Mio.€ standen für das Projekt bereit, mit dem ab Dezember 2013 rund 35MW Prozesswärme genutzt werden sollen, die während der Schmelzprozesse anfallen – allerdings diskontinuierlich, was eine der großen Herausforderungen war, wie Bause erklärt. Denn das Reifenwerk benötigt den Dampf nicht nur dann, wenn bei Feralpi gerade Stahl gekocht wird, was bislang die Stadtwerke mit ihrem Heizwerk sicherstellten. Doch mittels eines Dampfspeichers, der rund 20min überbrücken kann, wird dies sichergestellt. Die Zeit reicht aus, um selbst im Havariefall die Ersatzerzeugung bei den Stadtwerken einzuleiten. Im Normalfall allerdings werden Dampferzeugung im Stahlwerk und die Abnahme in dem Reifenwerk weitgehend parallel laufen, auch wenn die Erzeugung »mit dem Ofen atmen« wird, wie Bause berichtet.
Ein Stahlwerk gehört zu den Strom-Großverbrauchern. An den Gesamtkosten machen Strom und Gas rund 11% aus, berichtet Bause. Und das, obwohl auch die Elbe-Stahlwerke als privilegierter Großverbraucher weitgehend von den EEG-Umlagen und der Stromsteuer befreit ist und von den gesunkenen Börsenpreisen profitiert. »Ein solcher Kostenblock drängt darauf, nach Effizienzpotenzialen durchleuchtet zu werden«, sagt Bause. Die heißen Gase, die beim Schmelzprozess im Ofen mit einem Volumen von 90 bis 110TNm3 entstehen, wurden bisher von etwa 980 Grad in mehreren Prozessschritten heruntergekühlt.
Allein bei der Kühlung mit Wasser im Bereich der Primärleitung auf 40°C werden 18MW Leistung in die Atmosphäre abgegeben. Nach der sogenannten Quenche – ein für die Rauchgasreinigung erforderliches Kühlverfahren – fallen weitere 17MW an. »Wir haben zunächst untersucht, welche Vor- und Nachteile sich unter unseren Bedingungen aus den diversen Nutzungsmöglichkeiten dieses Energiepotenzials ergeben«, sagt Bause. So sei etwa die Nutzung des Wärmestromes für eine Vorwärmung des Schrottes oder eine Rückführung der Energie in den Schmelzprozess nur bei erheblichen Eingriffen in die vorhandene, sehr kompakt konstruierte Anlage möglich gewesen.
Insbesondere für dann notwendige Zusatztechnik zur Abgasreinigung wären hohe Investitionen erforderlich gewesen. Als realisierbar wurden hingegen die Nutzung von Prozesswärme zur Dampferzeugung und die Stromproduktion eingeschätzt.
Die meisten Vorteile bringt die Erzeugung von Dampf, das Verfahren ist technologisch einfach und kann direkt in der Nähe des Schmelzofens mittels eines neuen Abhitzekessels erfolgen, der mit einem Zwangs- und einem Naturumlauf betrieben wird. Allerdings musste für den erzeugten Dampf von etwa 270°C und bis zu 45bar Druck erst ein Abnehmer gefunden werden, der mit den diskontinuierlich anfallenden Mengen etwas anfangen kann – für die Stahlerzeugung wird diese Energie nicht benötigt. »Wir haben schließlich mit den Stadtwerken Riesa einen Partner finden können, an den wir stündlich etwa 10 Tonnen liefern. Auf den Jahresverbrauch gerechnet sind das rund 64,3GWh Erdgas, wobei die Stadtwerke mit ihrer eigenen gasbasierten Erzeugung entsprechend ausgleichen können.« Da der aus dem Stahlwerk gelieferte Dampf ohne zusätzliche Brennstoffkosten erzeugt wird, werden nicht nur 12.700t CO2 eingespart, der Verbund rechnet sich auch für beide Partner.
Bis zu 20t/h Dampf werden zusätzlich genutzt, um für den Eigenverbrauch über eine kleine ORC-Turbine mit 3.000kW installierter Leistung Strom zu produzieren. Eine direkte Nutzung des Dampfes war leider nicht möglich, dazu reicht die nahe am Sattdampf liegende Temperatur von rund 270°C bei 45bar Arbeitsdruck nicht aus.
Die Turbine des italienischen Herstellers Turboden nutzt deshalb Silkonöldampf als Trägermittel, das über einen Wärmetauscher erhitzt wird.
Der Wirkungsgrad liegt zwar mit nur rund 19% deutlich niedriger als bei modernen Hochdruck-Dampfturbinen, soll aber als Jahresertrag etwa 17,5GWh liefern, was rund 3% des Jahresstromverbrauches des Stahlwerkes bedeutet. Während die Größenklasse dieser Turbine Standard für mittelgroße BHKW und Biogasanlagen ist, ist die Energiespeisung mittels Dampf Neuland. Für Turbine und Generator wurde extra eine neue Halle errichtet, die auch den Dampfspeicher und Kondensator aufnimmt. Nach dem Wiederanfahren der Stahlproduktion in Riesa müssen Dampferzeuger und Turbine in ersten Testläufen zeigen, ob die Berechnungen stimmen.
In weniger als zehn Jahren soll sich der Millionenaufwand rechnen; ein erträglicher Wert, der aber noch um den Umwelteffekt erweitert wird. Das Stahlwerk erhielt für das Projekt gemeinsam mit den Stadtwerken Riesa den Sächsischen Umweltpreis 2013. Prof. Dr. Hans Müller-Steinhagen, Rektor der Technischen Universität Dresden und Teil der siebenköpfigen Jury, zeigte sich in seiner Laudatio beeindruckt. »Die Koppelung von zwei technologisch ausgereiften Prozessen, nämlich die Stahlherstellung und die Stromerzeugung, ist bereits anspruchsvoll«, so Müller-Steinhagen. »Dazu kommt der Transport von Dampf bei hohem Druck über mehrere Kilometer, verbunden mit einer zuverlässig regelbaren Einspeisung an den Verbindungspunkten und beim endgültigen Nutzer.«
Dies in einem Verbund von unterschiedlichen Unternehmen zu erreichen, sei ein ausgezeichnetes Beispiel dafür, dass technologische Kompetenz in Verbindung mit unternehmerischer Weitsicht einen signifikanten Beitrag zu einem nachhaltigen Schutz unserer Umwelt und zu einer Sicherung unserer Energieversorgung beitragen könne, so der TU-Rektor.
Manfred Schulze
