Kraftwerke mit Gasmotoren in Kombination mit erneuerbaren Energien

GASVERFÜGBARKEIT UND REGIONEN, IN DENEN ENERGIE AUS GAS ALS AUSGLEICH EINGESETZT WERDEN KANN

Gas trägt einen wesentlichen Teil zu sauberem Strom und sauberer industrieller Produktion bei. Prognosen über die weltweite Nachfrage zufolge wird der Anteil von Erdgas am weltweiten Energiemix von 19 Prozent im Jahr 2014 auf 23 Prozent im Jahr 2040 steigen und mit Kohle als zweitwichtigstem Energieträger nach Erdöl gleichziehen (IEA, 2016).

Die weltweite Nachfrage nach Gas wird insbesondere durch China und Indien befeuert.  China wird 2035 mehr Gas verbrauchen als die Europäische Union. Sowohl in China als auch in Indien spielt Gas eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung des Kohleverbrauchs und der damit verbundenen Luftverschmutzung. Im Jahr 2014 produzierten die Nicht-OECDLänder Asiens etwa so viel Gas wie sie verbrauchten. Dabei wiesen China und Indien ein deutliches Defizit zwischen Produktion und Nachfrage auf, Länder wie Myanmar, Indonesien und Malaysia hingegen einen Produktionsüberschuss. Der Nettoimportbedarf dieser Region lag daher bei knapp unter zwei Prozent der Nachfrage. Bis 2040 wird für die Region von einem durchschnittlichen jährlichen Anstieg der Nachfrage um 3,6 Prozent ausgegangen (IEA, 2016).

Abbildung 1 zeigt das Gasdefizit der Region, d.h. Gasproduktion minus Gasnachfrage. Im Jahr 2014 betrug Chinas Gasdefizit 58 Milliarden Kubikmeter, das Gasdefizit Indiens 17 Milliarden Kubikmeter. Das Gasdefizit beider Länder zusammen belief sich daher auf 75 Milliarden Kubikmeter. Im Gegensatz dazu produzierten die übrigen Länder Asiens (außer China und Indien) einen Gasüberschuss von 51 Milliarden Kubikmetern. Das Gasdefizit aller Nicht-OECD-Länder Asiens lag 2014 somit bei 24 Milliarden Kubikmetern. Für 2040 wird  für China ein Gasdefizit von 264 Milliarden Kubikmetern und für Indien ein Gasdefizit von 100 Milliarden Kubikmetern prognostiziert. Auch für den Rest Asiens wird für 2040 von einem Gasdefizit von 103 Milliarden Kubikmetern ausgegangen, sodass das  Gesamt- Gasdefizit der Nicht-OECD-Länder Asiens 2040 bei 467 Milliarden Kubikmetern läge.

Die Nachfrage wird durch starkes Wachstum aller gasverbrauchenden Branchen in China und Indien sowie durch die beginnende Nutzung von Gas als bedeutender Brennstoff im Rest der Region angetrieben. Demgegenüber steht jedoch eine jährliche Wachstumsrate der Gasproduktion von zwei Dritteln des Nachfragewachstums. Das Ergebnis dieser veränderten Produktions- und Nachfragesituation ist ein Anstieg des regionalen Defizits auf etwa 32 Prozent der Nachfrage bis 2040, d.h. die Region wird zu einem signifikanten Nettoimporteur von Gas (IEA, 2016).

Prognosen gehen für die Region davon aus, dass der Anteil der Stromerzeugung an der Gasnachfrage mit etwa 37 Prozent konstant bleibt. Demgegenüber wird erwartet, dass der direkt von der Industrie genutzte Gasanteil von 21 Prozent auf fast 30 Prozent steigen wird. Dieser prozentuale Anstieg der Gasnachfrage direkt durch die Industrie stellt in Kombination mit der insgesamt steigenden Nachfrage nach Gas und dem zukünftig großen regionalen Defizit eine bedeutende Herausforderung für die wirtschaftliche Entwicklung dar. Viele Regierungen haben sich klar zum Ziel gesetzt, die Kohlenstoffintensität ihrer zunehmenden wirtschaftlichen Aktivitäten zu reduzieren und die geographische Vielfalt dieser Aktivitäten zu erweitern. Die Ergänzung der Netzstromversorgung durch fluktuierende erneuerbare Energien dient der Erreichung des  ersten Ziels. Allerdings sind geeignete Standorte für fluktuierende erneuerbare Energie und wünschenswerte Standorte für eine expandierende Industrie häufig nicht deckungsgleich. Sofern die Stromnetze verbessert werden können, ist es sinnvoll, die benötigten Regelkraftwerke in räumlicher Nähe zu den neuen Zentren der Stromnachfrage zu errichten. Auf diese Weise können die benötigten Gaspipelines sowohl für den Bedarf durch die Industrie als auch zur Versorgung der Kraftwerke genutzt werden.  

TECHNOLOGIEN IM VERGLEICH

Bei der Entwicklung dezentraler Stromerzeugungssysteme zur Ergänzung erneuerbarer Energiequellen stehen zwei primäre Antriebslösungen zur Wahl: Gasmotoren (Hubkolbenmotoren) und Gasturbinen. Beide haben sich weltweit in tausenden von Anlagen zur reinen Stromerzeugung (Simple Cycle) und Kraft-Wärme-Kopplung (Erzeugung von Wärme und Strom, KWK) bewährt. Im Laufe der Jahre wurden beide Technologien bezüglich Effizienz, Zuverlässigkeit, Emissionen und Betriebskosten stetig verbessert und werden dies auch weiterhin.

Sehr effektiv ist die Verwendung von Gas zur Stromerzeugung in Anlagen mit Verbrennungsmotor oder in Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken (GuD-Kraftwerken). Mit der zuverlässigeren Verfügbarkeit von Gas  hat sich der Markt für Verbrennungsmotoren für Dauerleistung hin zu reinen Gasmotoren entwickelt. Im Jahr 2014 war der Marktanteil reiner Gasmotoren im hauptsächlich auf Dauerleistung ausgelegten Markt für Stromerzeugung bei Systemen mit einer Leistung von mehr als 3,5 Megawatt erstmals größer als die Anteile von Schwerölmotoren und Motoren mit Dual Fuel zusammen. Siehe hierzu auch Abbildung 2 (DGTW, 2015).  

Die Vorteile der Stromerzeugung mittels großer Verbrennungsmotoren wurden bereits in vielen Publikationen dargestellt. In einem Zeitalter der Deregulierung und der Zunahme von Projekten zur unabhängigen Stromerzeugung wird das Marktsegment im Leistungsbereich von 50 bis 200 Megawatt in Asien / China / Indien durch diese Technologie gut bedient. In der Regel ersetzen  Stromerzeugungsprojekte dieser Größenordnung bestehende Kraftwerke mit schnelllaufenden Verbrennungsmotoren oder ermöglichen schnell zusätzliche Kapazitäten auf lokaler oder regionaler Ebene. Letztendlich besteht die Wahl der Technologie häufig in einer Wahl zwischen GuD-Kraftwerken und Kraftwerken mit großen Verbrennungsmotoren, entweder im Simple-Cycle-Betrieb als Kombi-Kraftwerk oder als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung.

VORTEILE VON KRAFTWERKEN AUF BASIS VON GASMOTOREN

Durch die zusätzliche Versorgung der Region Asien/China/Indien mit Gas — entweder per Pipeline oder durch als LNG transportiertes und anschließend regasifiziertes Gas — wird Gas seinen Anteil am Energieverbrauch von heute ungefähr acht Prozent auf etwa dreizehn Prozent im Jahr 2040 steigern. Die durchschnittliche jährliche Steigerungsrate liegt dabei bei 3,7 Prozent und damit deutlich über der Nachfragezuwachsrate der zur Stromerzeugung benötigten Energie von 2,5 Prozent (IEA, 2016).

Einige der Vorteile von Kraftwerken auf Basis von Gasmotoren werden im Folgenden erläutert.

KURZE BAU- UND INBETRIEBNAHMEZEIT

Sobald die Finanzierung geklärt ist und die Ausführungsbestätigung erteilt wurde, ist Zeit ein kritischer Faktor. In einer öffentlichen Ausschreibung in Indien boten zwei Bauträger vor kurzem Lösungen mit Verbrennungsmotor mit einer Projekt-Zeitschiene von 14 Monaten bis zum kommerziellen Inbetriebnahmedatum an. Die GuD-Lösung hingegen erforderte 18 Monate. In Regionen mit unregelmäßiger Stromversorgung kann die kürzere Zeitschiene eine schnellere Entwicklung der lokalen Wirtschaft ermöglichen. Die kürzere Lieferzeit der Verbrennungsmotoren  verkürzt die Projektlaufzeit. Durch Verwendung gleicher modularer Elemente für die Kraftwerksauslegung ist ein paralleles Arbeiten vor Ort möglich, sodass die Bauzeit verkürzt werden kann. Die Verwendung bereits vorab geprüfter und anschließend zur Baustelle transportierter Module reduziert die Errichtungszeit vor Ort und das Risiko einer längeren Inbetriebnahme. Außerdem ermöglicht die Größe der einzelnen Aggregate einen Zusammenbau und Test der großen Komponenten wie Zusatzmodule, Schornsteine, Kühl- und Ladeluftsysteme bereits vorab im Werksumfeld, bevor sie zum Versand in 40-Fuß-Standardcontainer zerlegt und zum Standort des Kraftwerks transportiert werden. Auf der Baustelle müssen sie nur noch eingebaut und in Betrieb genommen werden (siehe Abbildungen 4 und 5).

VERBINDUNG VON GASMOTOREN MIT ERNEUERBAREN ENERGIEN

Im Energiesektor vollzieht sich derzeit eine der größten Transformationen seit seinen Anfängen. Entwicklungsländer erleben eine schnelle Industrialisierung und damit eine wachsende Nachfrage nach Strom. Private und gewerbliche Verbraucher in der gesamten Region Asien/ China/Indien erwarten eine kostengünstige und zuverlässige Stromversorgung. In vielen Ländern dieser Region war die Nachfrage nach Strom bisher gering. Diese Länder müssen nun die dreifache Herausforderung bewältigen, mehr Strom zu erzeugen, die für die Übertragung  erforderliche Infrastruktur zu schaffen und die Verteilung zu ermöglichen.

Bis 2040 wird eine jährliche weltweite Gesamtwachstumsrate der Stromkapazität von 2,3 Prozent erwartet. Diese beinhaltet 3,5 Prozent Wachstum von kohlenstoffarmen und erneuerbaren Energien und ermöglicht so einen viel langsameren Kapazitätsanstieg von 1,5 Prozent bei den fossilen Brennstoffen. Diese Änderungen beinhalten auch eine Änderung in der Nachfrage nach fossilen Brennstoffen hin zu Gas. Siehe hierzu Abbildung 7 (IEA, 2016). Der Leistungszuwachs in Asien außer China und Indien wird auf etwa 4,0 Prozent geschätzt und beinhaltet eine beindruckende Wachstumsrate von 5,5 Prozent für kohlenstoffarme und erneuerbare Energien (IEA, 2016).

In vielen dieser Länder fehlen bisher eine flächendeckende Stromversorgung sowie eine landesweite Netzinfrastruktur. Dies macht es doppelt schwer, das Wachstum fluktuierender erneuerbarer Energien schneller voranzutreiben als das Gesamtwachstum der Stromkapazität. In diesen Fällen kann dezentrale Energieerzeugung aus erneuerbarer Energie in großem Stil abseits des Stromnetzes ein Weg sein, Verbraucher schnell mit Strom zu versorgen. Die Bereitstellung einer stabilen elektrischen Leistung und die zukünftige Integration in ein landesweites Netz müssen jedoch sorgfältig geplant werden.  

Das Microgrid-Konzept ist ideal für die Kombination von Verbrennungsmotoren mit erneuerbaren Energiequellen, gestützt durch Batteriespeicher, geeignet. Mit einer derartigen Lösung lässt sich die Systemeffizienz steigern:  

1. Wenn beispielsweise die Sonne scheint und die Solarmodule Strom produzieren, ist ein Betrieb der Generatoren mit fossilen Brennstoffen nicht erforderlich. Außerdem können die Batterien geladen werden. Hierdurch lassen sich Kraftstoffkosten, Emissionen und Wartungsbedarf der Generatoren reduzieren.
2. Wenn die Sonne nicht scheint, kann der Kunde eine zuverlässige Versorgung über alternative Energiequellen sicherstellen. Die Verbrennungsmotoren sind flexibel, können jederzeit mit Kraftstoff betrieben werden und sind nicht auf Tageslichtzeiten und Sonnenschein angewiesen. Kürzere Perioden können leicht durch Batteriespeicher überbrückt werden, ohne dass hierfür die Verbrennungsmotoren gestartet werden müssen.

Der Trend zu alternativen und nachhaltigen Energiequellen hat in den letzten Jahren zur weiten Verbreitung von Photovoltaik-Freiflächenanlagen geführt. Sonnenenergie ist umweltfreundlich und unerschöpflich, allerdings weder konstant noch vorhersehbar verfügbar. Dunkelheit und Witterungsbedingungen können zu Schwankungen in der Energieversorgung führen.  

Eine Lösung für dieses Problem bieten mit fossilen Brennstoffen betriebene Aggregate, die zuverlässig rund um die Uhr Energie liefern. Zusammen mit den Projektpartnern können RRPS und mtu Onsite Energy den Kunden auf ihre Bedürfnisse zugeschnittene Lösungen bieten, die die Vorteile von z.B. Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern und Gaskraftwerken kombinieren und so ein zuverlässiges und nachhaltiges System bilden.

Neben ihrem geringen Platzbedarf werden Aggregate mit Verbrennungsmotor in Microgrids auch für ihre Fähigkeit, schnell hochzufahren, geschätzt. Diese schnelle Verfügbarkeit minimiert oder verhindert nicht nur Stromausfälle, sondern trägt auch zur Optimierung eines solchen dezentralen Netzes bei. Dabei bezieht sich Optimierung auf die Fähigkeit einer modernen Microgrid-Steuerung, die unterschiedlichen Ressourcen des Microgrids so zu nutzen, dass die bestmögliche Wirtschaftlichkeit erzielt wird. Die auch als “Gehirn” des Microgrids bezeichnete Steuerung ist eine Software, die alle Ressourcen des Microgrids managt und die Trennung und Verbindung mit dem zentralen Stromnetz regelt. Die Steuerung berechnet ständig die beste oder optimale Mischung der Ressourcen für  das Microgrid. Als Basis dienen Energiepreise, Kraftstoffverfügbarkeit, Wetter und andere Faktoren. Da Verbrennungsmotoren schnell gestartet und abgeschaltet werden können und in der Regel über eine vorhandene Kraftstoffquelle verfügen, sind sie ein flexibles Werkzeug, das die Steuerung nutzen kann. So kann das Aggregat schnell gestartet werden, wenn die Energieerzeugung mittels Sonnen- oder Windkraft plötzlich nachlässt. Darüber hinaus können mit dem Aggregat Spitzenlasten abgefedert oder die Nachfrage zu anderen Zeiten gesteuert werden (Microgrid Knowledge, 2016).

Unabhängig von den Steigerungsraten ist klar, dass die Leistung aus fluktuierenden, erneuerbaren Energien zunehmen wird. Als Faustregel gilt, dass aus wirtschaftlicher und betrieblicher Sicht eine Grenze für den maximalen Leistungsanteil existiert, der durch fluktuierende, erneuerbare Energien zur Verfügung gestellt werden kann und dass diese Grenze in etwa dem Leistungsfaktor (durchschnittlich erzielbare Leistung bezogen auf die Nennleistung) entspricht (Jenkins, 2015). Diese angenommene, maximale wirtschaftliche und technische Grenze wird derzeit umfassend diskutiert; die Auswirkungen der Kapazität aus fluktuierenden erneuerbaren Energien werden bei einer wesentlich geringeren Durchdringung jedoch bereits jetzt in Netzwerken weltweit spürbar.

Es wird erwartet, dass die Flexibilität der Gasmotorentechnologie eine wesentlich größere Rolle bei der Aufrechterhaltung der Netzstabilität spielen wird. Der Übergang von großen, zentralen Spitzenlastkraftwerken und Gasturbinen zu kleineren Einheiten legt für die Zukunft mehr motorbasierte Kraftwerke nahe.

Die Erwartung einer steigenden Nachfrage nach Flexibilität und Effizienz, geringeren Emissionen und niedrigeren Kosten wird die technischen Anforderungen an die Gasmotorentechnologie weiter steigern.  

Eine Flexibilisierung der Stromversorgung zur Integration mehr erneuerbarer Energien aus Wind und Sonne scheint oberste Priorität zu haben und derzeit am wichtigsten zu sein. Außerdem ist die Stromnachfrage weniger stabil als bisher, sondern zunehmend durch Nachfragespitzen geprägt. Um diese Spitzen so präzise wie möglich bedienen zu können, ist eine schnelle und flexible Stromerzeugung erforderlich. Genau dies leisten Verbrennungsmotoren.