Energie - Strom

Referenten: Dimitriadou Agapi, Komi Evangelia, Lykou Maria


5.  Das Heizkraftwerk Mitte

Das Heizkraftwerk Mitte wurde als Beispiel ausgewählt, da es eine ganz neue und moderne Anlage ist. Außerdem hat es die Besonderheit, dass es mitten in der Stadt liegt. Das bedeutet, dass es sehr hohe Standards an Umweltanforderungen erfüllen muss.

Wir betrachten das HKW als ein System, das mit seiner Umgebung agiert. Man kann die Teilsysteme vom HKW im Input-Output Diagramm erkennen. Die werden anschließend ausführlich erklärt.


Inhaltsverzeichnis
1.   Strombedarf in Deutschland und Berlin
2.   Stromerzeugung und Emissionen
3.   Prognose der installierten Kraftwerksleistung bis 2020 in Deutschland
4.   Verteilung des Stroms
5.   Das Heizkraftwerk Mitte
6.   Thesen
7.   Quellen


Heizkraftwerk Mitte
Heizkraftwerk Mitte

Quelle: BEWAG

Kraft- und Heizkraftwerke Berlin
Kraft- und Heizkraftwerke Berlins

Quelle: BEWAG

Input-Output Input-Output-Diagramm von HKW-Mitte
Eigene Darstellung




5.1  Geschichte des Standortes

Am Standort Heizkraftwerk Mitte ist seit 1964 ein Heizkraftwerk in Betrieb.
Am Anfang wurde es mit Schweröl aus Russland betrieben und seit 1982 mit Erdgas. Das Heizkraftwerk spielte eine sehr wichtige Rolle bei der Strom- und Wärmeverteilung im Ostberlin. Die Gesamtleistung war 96 MW elektrisch und 484 MW thermisch, davon 232 MW aus Heizwassererzeugern.
Anfang der 90er Jahre wurden nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz neue Sanierungsmaßnahmen notwendig. Es wurde somit entschlossen, am selben Standort ein neues Heizkraftwerk zu bauen anstatt das alte zu sanieren. Nach der Fertigstellung des Neubaus 1997 wurde das alte außer Betrieb genommen. Der Altbau wurde nicht umgerissen da die aus Asbest gebaute Fassade schwer zu entsorgen ist und wurde aufgrund dessen zu fremd genutzten Lagerräume umfunktioniert.

Die Neuanlage, die mit dem Prinzip der "Kraft-Wärme-Kopplung" funktioniert, hat eine Leistung von 440 MW elektrisch und 638 MW thermisch. Sie versorgt etwa 53.000 Wohnungen, 395 öffentliche Einrichtungen und 435 Kunden aus dem Bereich Dienstleistungen, Gewerbe und Industrie. Zurzeit arbeiten dort 53 Mitarbeiter, davon 30 Beschäftigte in Wechselschichten.
Es gibt fünf Schichten und pro Schicht arbeiten immer 3 Leute.





Lageplan

Lageplan

Quelle: BEWAG

5.2  Anlagen

Das HWK-Mitte ist eine so genannte "Kombi-Anlage". Zwei Gasturbinen, zwei nachgeschaltete Abhitzkessel und eine Dampfturbine werden also hier so miteinander kombiniert, dass die Anlage gleichzeitig Strom und Wärme mit einem sehr hohen Brennstoffenergie-Ausnutzungsgrad (etwa 90%) produzieren kann.

 
Schnittdarstellung des Kraftwerks Schnittdarstellung des Kraftwerks mit den wichtigsten Anlagen

Quelle: BEWAG




5.3  Brennstoffe

Im HKW-Mitte wird hauptsächlich Erdgas verbrannt, welches durch Pipelines von dem Europäischen Erdgasverbund das Kraftwerk erreicht. Seine Ursprünge sind von Sibirien, Norwegen und der Nordsee. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, das Erdgas durch das GASAG Flächennetz das HKW zu transportieren.
Bevor das Erdgas jedoch in Betrieb genommen werden kann muss es erstmal gemessen und dann verdichtet werden. Die Bemessung findet in der Erdgasmessstation statt. Dieser Prozess ist notwendig, da der Energiegehalt des Brennstoffes sich je nach Quelle unterscheidet.

Verdichterstation
Verdichterstation

Eigenes Foto

Brennstoffeinsatz als Prozess Brennstoffeinsatz als Prozess

Eigene Darstellung


Die Verdichtung findet nachher in den Erdgasverdichter statt, die das Gas mit einem Trassendruck von 2,5 bis 6 bar erreicht. Für den Einsatz des Gases in den Gasturbinen muss der Gasdruck durch den Verdichter in fünf Stufen auf 27 bar erhöht werden. Im Verdichter werden dafür durch eine Motorwelle die Laufräder der fünf Stufen angetrieben. Das Gas wird vom Laufrad jeder Stufe axial angesaugt. Im nachgeordneten Diffusor erfolgt dann für die jeweilige Stufe eine Druckerhöhung. Das Gas erhitzt sich bei der Verdichtung sehr stark und deshalb muss es durch Kühlanlagen nach der zweiten und fünften Stufe abgekühlt werden.
Nach den zwei Prozessen darf es dann in den Gasturbinen des HKWs weitergeleitet werden.

Erdgasverdichter ohne Schallschutzhaube
Erdgasverdichter ohne Schallschutzhaube

Quelle: BEWAG

Hauptgasleitungsdiagramm Hauptgasleitungsdiagramm

Eigene Darstellung

Datenquelle: BEWA


Als Ersatzbrennstoff wird leichtes, schwefelarmes Heizöl benutzt. Dieses kommt aus Rotterdam, von der Internationalen Entladestelle. Sein tatsächlicher Ursprung kann schwer genau bestimmt werden. Das Heizöl erreicht das Kraftwerk hauptsächlich durch den Wasserweg (Elbe und Spree). Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, es mit Tankfahrzeugen zu transportieren.

Von den Entladestellen wird es unterirdisch durch eine braune Leitung zu den Heizölpumpen geleitet. Da wird es in den ca. 9.000 m3 großen, doppelwandigen Heizöltank gepumpt, wo es auch gelagert wird.

Der Tank ist aus Sicherheitsgründen mit einer automatischen Lecküberwachung ausgestattet. Das Heizöl muss immer eine Temperatur von ca. 15 °C haben. Wenn seine Temperatur niedriger als 15 °C ist, können Kristallpartikel entstehen und somit kann es nicht mehr für die Zwecke des Heizkraftwerks, d.h. für die Strom und Wärmeproduktion benutzt werden.
Um das Öl auch bei tiefen Temperaturen stets einsatzbereit zu halten, wird der Tank über eine Bodenheizung mit der Abwärme des Maschinentrafos versorgt.

Heizöltank
Heizöltank
Die Tankwagenentladungsstelle ist zu sehen.

Eigenes Foto

Schiffsentladungsstelle

Schiffsentladungsstelle
Die Entladepumpe ist zu sehen.

Eigenes Foto

Heizpumpenhausprinzip Heizpumpenhausprinzip

eigene Darstellung

Datenquelle: BEWAG




5.4  Funktion

Das Erdgas kommt nach dem Verdichtungsprozess in die Gasturbinen. In ihren Ringbrennkammern verbrennt Erdgas unter hohem Druck bei einer gleichmäßig hohen Temperatur von ca. 1.100 °C. Anschließend strömt das heiße Verbrennungsgas durch die fünf Schaufelräder der Gasturbine. An den Schaufeln wird die Strömungsenergie des Gases in Rotationsenergie umgewandelt. Der direkt an die Turbine gekoppelter Generator wandelt mit 3.000 Umdrehungen pro Minute die mechanische in elektrische Energie um. Somit wird Strom produziert.
Das Verbrennungsgas wird dann mit einer maximalen Temperatur von 545 °C zum Abhitzkessel geleitet. Der 40 Meter hohe Kessel ist eine schwebende Konstruktion und wird nur von dünnen Stahlstützen gehalten.
Diese aufwändige "Stahlkesselkonstruktion" wurde gewählt, da der Kessel, aufgrund der großen Temperaturunterschiede frei dehnbar sein muss.

Ein Fundament wurde dementfolge sofort ausgeschlossen, denn es rissgefährdet wäre. Mit der Wärmeenergie des Rauchgases wird in übereinander liegenden Heizflächen Dampf, der über die Dampfsammler in die Dampfturbine mit einer Temperatur von max. 525 °C strömt, erzeugt.

Zusätzlich sind Heizflächen zur Vorwärmung des Heizwassers im oberen Bereich jedes Abhitzkessels integriert. Mit diesen Heizflächen wird ein Teil des Rücklaufwassers direkt durch das Rauchgas erwärmt und wieder dem Fernwärmnetz zugeführt. Das abgekühlte Rauchgas verlässt mit einer Temperatur von ca. 70 °C über den Schornstein das HKW.

Gasturbine
Aufnahme von der Gasturbine

Eigenes Foto

 
Gasturbine Schnitt durch Gasturbine mit gekoppeltem Generator

Quelle: BEWAG


Pumpen Pumpen Stahlstützen der "Stahlkesselkonstruktion"

Eigenes Foto (links)


Pumpen, die den Kessel mit hochreinem Wasser versorgen

Eigenes Foto (rechts)


In der Dampfturbine wird die Strömungsenergie des Dampfes an den 36 Schaufelreihen der Dampfturbine in Rotationsenergie umgewandelt. Der gekoppelte Generator wandelt die mechanische in elektrische Energie um. Der gesamte entspannte Dampf wird aus der Dampfturbine über zwei riesige Abdampfstutzen und zwei Anzapfungen auf drei Wärmetauschern (Heizkondensatoren) geleitet. Mit der Restwärme des Dampfes wird hier das abgekühlte Heizwasser des Fernwärmenetzes Mitte aufgeheizt.
Der Dampf kondensiert bei der Wärmeabgabe. Das Kondensat wird anschließend in den Speisewasserbehälter zurückgepumpt und erneut in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingespeist.

Das vom Dampf erwärmte Heizwasser gelangt den Kunden mit einer Temperatur von max. 135 °C und wird für Raumheizung, Warmwasserbereitung und Kälteerzeugung (Klimatisierung) eingesetzt. Das Wasser kommt ins HKW abgekühlt zurück, d.h. mit einer Temperatur von ca. 50-70 °C.

Abhitzkesseldampferzeuder-Modul
Abhitzkesseldampferzeuder-Modul

Quelle: BEWAG

Dampfturbine mit gekoppeltem Generator

Schnitt durch Dampfturbine mit gekoppeltem Generator

Quelle: BEWAG

Heizkondensatoren Heizkondensatoren Abbildungen von Heizkondensatoren

Eigene Fotos


Funktionsdiagramm von Heizkraftwerk Mitte Funktionsdiagramm von Heizkraftwerk Mitte

Eigene Darstellung

Datenquelle: BEWAG



unten:
Input-Output Energiediagramm

Eigene Darstellung

Datenquelle: BEWAG

Input-Output Energiediagramm



5.5  Betriebsstoffe

Als Betriebsstoffe werden die zusätzlichen Chemikalien, die hauptsächlich für die Wasserzubereitung benutzt sind, bezeichnet. Für den Einsatz im Wasser-Dampf-Kreislauf wird das Wasser in Filtern und Ionenaustauschern befreit. Diese chemische Wasseraufbereitungsanlage muss ab und zu mit Salzsole (NaCl), Natronlauge (NaOH) und Salzsäure (HCl) regeneriert werden. Der Chemikalieneinsatz hängt von der behandelten Wassermenge sowie -qualität auch. Maßnahmen zur Wassereinsparung betreffen nachher auch unmittelbar den Chemikalienverbrauch.

 
Betriebsstoffverbrauch für die Wasseraufbereitung Betriebsstoffverbrauch für die Wasseraufbereitung
für die Jahre 2001-2003

Quelle: BEWAG


Die Verwendung von Natronlauge und Salzsäure zum Regenerieren der Ionenaustauscher der Wasseraufbereitungsanlagen ist direkt von der eingesetzten Zusatzwassermenge abhängig. In den letzten Jahren konnte der Verbrauch kontinuierlich gesenkt werden. Der Verbrauch von Salzsole zur Regeneration der Ionenaustauscher der Heiznetz- Teilstromaufbereitung ist abhängig von der Qualität des Fernheizwassers und daher nicht allein vom Kraftwerk zu beeinflussen.
In den letzten Jahren konnte der Chemikalienverbrauch in HKW-Mitte gegenüber den Auslegungen erheblich reduziert werden. Der Hauptgrund dafür ist der geringe Anteil an Ölbetrieb, da Ölbetrieb mehr Wasser und eine zusätzliche Vollentsalzungsanlage fordert.
 
Wasserwerte Wasserwerte für das Jahr 2003

Quelle: BEWAG


5.6  Wasserbezug

Das HKW-Mitte benötigt 12 Millionen cbm Spreewasser pro Jahr. Davon wird das 99,74 % für Kühlzwecken benutzt und wird wieder eingeleitet. für Betriebszwecken wird das 0,24 % benutzt und für Sanitärzwecken das 0,02%. Dadurch gilt das HKW-Mite als einer der größten Gewässernutzer Berlins.
Das Wasser wird in zwei Stufen aufbereitet, bevor es in den Wasser-Dampf Kreislauf eingesetzt werden kann. Die erste Stufe ist die mechanische Reinigung. Im ersten Schritt der Reinigung werden alle groben Teile von den Siebbandmaschienen entfernt. Danach wird eine weitere Reinigung durchgeführt, indem das Wasser durch den Immediumfilter, die Ozonanlage, den Reaktionsbehälter und den Mehrschichtsfilter fließt. Die feineren Partikeln werden somit zurückgehalten und das Wasser kommt in einem Reinwasserbecken.

Ein Teil dieses Reinwassers wird danach die zweite Reinigungsstufe unterziehen und wird den chemischen Wasseraufbereitungsanlagen zugeführt.
In dieser Phase fließt das Reinwasser durch die Vollentsalzungsanlage und die Einspritzwasseranlage und wird durch verschiedene Filter und Hilfsanlagen durchgeführt. Einige davon sind der Aktivkohlenfilter, der Kationen-Austauscher, der CO2-Rieseler, der Anionen-Austauscher und der Mischbrettaustauscher. Härtebildner und sonstige Salze werden durch diesen Prozess entfernt. Am Ende beiden Reinigungsphasen entsteht vollentsalztes Wasser. Das wird unter anderen für die Dampferzeugung benötigt.

Wasserbehälter
Wasserbehälter

eigenes Foto



Für die Fernheizwasserherstellung wurde bisher eine Teilstromenthärtung über Ionenaustauschern durchgeführt. Heute sind jedoch die Qualitätsanforderungen für das Fernheizwasser deutlich gestiegen. Eine mobile Enthärtungsanlage wurde deswegen aufgestellt. Die wird bei Bedarf betrieben und kann bei allen BEWAG Standorten benutzt werden, an denen in das Fernheiznetz eingespeist wird.

Der Bedarf an Wasser konnte etwa auf die Hälfte der geplanten Menge reduziert werden. Die Aufwärmspanne zwischen Wasserbezug und -wiedereinleitung ist auch geringer als früher: Statt der genehmigten 10 °C beträgt sie durchschnittlich 5 °C. Große Einsparrungen bei der Wasseraufbereitung wurden auch durch den Verzicht auf den Heizöleinsatz erreicht.
Bis zu 65.000 cbm chemisch aufbereitetes Zusatzwasser werden so jährlich vermieden.
Ionenaustauscher, CO2-Rieseler
Ionenaustauscher, CO2-Rieseler

eigenes Foto


5.7  Wasseraufbereitung

Das HKW-Mitte hat ein offenes Nebenkühlwassersystem, das über zwei Zwischenkühler den geschlossenen Zwischenkühlwasser-Kreislauf mit Spreewasser rückkühlt. Über diesen Kühlkreislauf werden z.B. die Kühlanlagen der großen Pumpen, der Generatoren, der Gasturbinen, der Dampfturbine und der Erdgasverdichter sowie der Kondensatkühler mit Kühlwasser versorgt.

Das Kühlwasser, das Einspritzwasser für die Ringbrennkammern bei Heizölbetrieb der Gasturbinen sowie das Zusatzwasser für die Dampferzeugung in den Abhitzkesseln und für das Fernwärmesystem werden der Spree entnommen, gefiltert und chemisch aufbereitet.

Aktivkohlefilter
Aktivkohlefilter für Wassereinigung

eigenes Foto


Wasseraufbereitungsprozess

Wasseraufbereitungsprozess

eigene Darstellung

Datenquelle: BEWAG



5.8  Emissionen

Zu den Emissionen eines Heizkraftwerks zählen gasförmige Luftschadstoffe, Staub und Lärm. Da das HKW Mitte mitten in der Stadt liegt, muss man mit großer Sensibilität mit den Nachbarn umgehen. Diese spezielle Verantwortung wird z.B. durch einen hohen Aufwand beim Lärmschutz Rechnung getragen. Somit wird durch den Betrieb des Heizkraftwerks Mitte der Geräuschspiegel im Umfeld nicht erhöht.

De Benutzung von Erdgas als Hauptbrennstoff hat einen positiven Ein fluss auf den gas- und Staubförmigen Emissionen, da es in Vergleich mit anderen Brennstoffen sehr rein ist. Es enthält nur wenige Stoffe, die bei der Verbrennung zu Luftschadstoffen wie Schwefeloxid oder Stickoxiden reagieren. So ist Gas nahezu schwefelfrei, während der Anteil in Heizöl EL bis zu 0,2 Prozent beträgt. Die Staubemissionen sind durch Erdgasverbrennung ebenfalls deutlich niedriger.

Die Emissionsmengen des Betriebes wurden den Auslegungswerten gegenübergestellt. Es ist zu bemerken, da der Gasanteil so groß ist, dass die tatsächlichen Emissionen für SO2 und CO bei Bruchteilen den geplanten Mengen liegen. Bei NOx liegen die tatsächlichen Werte bei ca. 70% des Auslegungswertes.

Außer den SO2 -, NOx- und CO-Emissionen gibt es auch die Emissionen des Klimagases Kohlendioxid (CO2). Die unterscheiden sich von den klassischen Luftschadstoffen in mehrfacher Hinsicht und somit existieren keine Grenzwerte sowie auch keine großtechnisch eingesetzte Messgeräte für CO2. Die Emissionen lassen sich deswegen, auf der Grundlage von Brennstoffdaten sich berechnen. CO2 entsteht zwangsläufig bei jeder Verbrennung. Es gibt nämlich zurzeit noch keine Möglichkeit von der Technik her, einer Abgasreinigung in Analogie zur Entschwefelung oder Entstickung. Die Menge von CO2, die produziert wird, hängt immer von der Art und der eingesetzten Menge des benutzten Brennstoffes. Somit sind die Effizienzsteigerungen und der Brennstoffauswahl die Ansatzpunkte für eine klimaschonende Energieerzeugung.

Da in HKW-Mitte vorrangig Erdgas verbrannt wird, hat es ein gutes CO2-Emissionsverhalten. Mit dem "Kraft-Wärme-Kopplung"-Prinzip (Gas- und Dampfturbinentechnik) werden zudem Effizienzwerte erreicht, die deutlich über dem weltweiten Durchschnitt der Energieerzeugungsanlagen mit fossilen Brennstoffen liegen. In Vergleich mit der alten Anlage, produziert das neue Kraftwerk etwa 60% weniger CO2-Emissionen.

Spezifische CO2 Emissionen
Spezifische CO2 Emissionen im Vergleich

Stromerzeugung

Quelle: BEWAG

Spezifische Emissionen
Spezifische Emissionen für Stromerzeugung

für die Jahre 2001-2003

Quelle: BEWAG

Emissionen Absolute Emissionen für die Jahre 2001-2003

Quelle: BEWAG




5.9  Abfälle

Das Heizkraftwerk Mitte hat eine geringe Abfallmenge, wenn man bedenkt wie viele Brenn- und Betriebsstoffe es benötigt. Da es auch Heizöl als Brennstoff benutzt, ist der Betrieb aufwändiger Rauchgasreinigungsanlagen notwendig, die wiederum Abfälle und Einsatzstoffe produzieren. Das HKW-Mitte kann jedoch auf nachgeschalteten Reinigungsanlagen verzichten, aufgrund des vorwiegenden Erdgaseinsatzes und der modernen Kraft-Wärme-Kopplung Technik.

Die Anlageplanung wurde auch nicht ohne Rücksicht auf die Umwelt gemacht. Der große Altbau wurde nicht sofort umgerissen. Auf Grunde seiner schwer zu beseitigen Fassade aus Asphalt, sowie auch aus Gründe des Lärm- und Staubschutzes wird er schrittweise über einen längeren Zeitraum rückgebaut und erzeugt deshalb zusätzliche Abfälle.

Die anfallenden Abfallmengen betrugen 2003 243 Tonen (Im Vergleich mit 2001 wo sie 212,9 Tonen betrugen und 2002 wo sie 247,6 Tonen betrugen). Der Anteil der Entsorgung aus Abbrucharbeiten der Anlage war letztmalig enthalten. Planmäßig wurden die Heizwassererzeuger und ein Ölabscheider der Altanlage demontiert. Dieses Jahr ist also eine Reduzierung des Abfallaufkommens erwartet. Abfälle, die z.B. Bei Reinigungsarbeiten anfallen, entstehen in größeren Abständen. Dies begründet über die Jahre auftretende Mengenunterschiede bei Schlämmen aus Abscheideanlagen. Der gegenüber den Vorjahren höhere Wert für Siedlungsabfälle ergibt sich allein augrund einer Zuordnungsänderung zwischen verschiedenen Beweg-Bereichen. Ein Teil dieser Abfälle wurde früher aufgrund bestehender vertraglicher Vereinbarung mit der Hausverwaltung entsorgt und bilanziert.

Für die gesamte BEWAG gibt es ein internes, behördlich als Abfallanlage anerkanntes Abfall- und Recycling-Center. Da werden Abfälle aller Betriebsstellen zentral gesammelt, demontiert, sortiert getrennt und so für die Wiederverwertung aufbereitet, wie z.B. auch die Abfälle aus dem Rückbau der Altanlage des Heizkraftwerkes Mitte. Das Abfall- und Recycling- Center liefert Container vor Ort und übernimmt die Logistik und die Nachweisführung für die Abfälle.

Abfallmengen
Abfallmengen für die Jahre 2001-2003

Eigene Darstellung

Datenquelle: BEWAG

Abfallsentsorgungssystem Abfallsentsorgungssystem

Eigene Darstellung


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1.   Strombedarf in Deutschland und Berlin
2.   Stromerzeugung und Emissionen
3.   Prognose der installierten Kraftwerksleistung bis 2020 in Deutschland
4.   Verteilung des Stroms
5.   Das Heizkraftwerk Mitte
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