Mit Hilfe einer neuartigen Turbinentechnologie, die heisse Luft statt Wasserdampf verwendet, kann eine sonst unauffällige Fernwärmeanlage im Kanton Freiburg Wärme und Strom für rund 1000 Haushalte liefern. Das Konzept greift auf nahe verfügbare Holzabfälle als Brennstoff zurück und liesse sich auf viele andere Schweizer Gemeinden übertragen.
Verfasst von Leonid Leiva
Das Fernwärmenetz des Westschweizer Energieversorgers Celsius Goupe E in Düdingen, FR, zeigt, wie mit neuen Technologien das Potenzial einheimischer erneuerbarer Energien in der Schweiz angezapft werden kann. Die Anlage, die im Rahmen des ersten Massnahmenpakets der Energiestrategie 2050 als eines von 13 Leuchtturmprojekten vom Bundesamt für Energie (BFE) gefördert wird, liefert jährlich 20’000 Megawattstunden Wärme für die gemeindeeignen Gebäude und private Haushalte. Als Brennstoff verwertet sie lokal erhältliche, preisgünstige Holzabfälle aus dem Wald. Allein diese Form der Wärmeerzeugung aus klimaneutralen Brennstoffen stellt einen wichtigen Beitrag zum Umbau des Schweizer Energiesystems dar. Denn die zwei grossen Holzfeuerungen der Düdinger Anlage ermöglichen die Einsparung von 380’000 Liter Heizöl und senken die Emissionen aus der lokalen Wärmeversorgung um 1000 Tonnen CO2.
Die Heizzentrale produziert aber neben Wärme auch Strom. Dies geschieht mittels einer Heissluftturbine, die von der Firma Schmid Energy Solutions entwickelt worden ist. Die Turbine treibt einen Generator an, der wiederum eine elektrische Leistung von 100 Kilowatt erzeugt. Die Anlage erreicht dank eines ausgeklügelten Wärmerückgewinnungsdesigns unter Nutzung der heissen Turbinenabluft als Verbrennungsluft einen Gesamtwirkungsgrad für die Produktion von Wärme und Strom von 77 Prozent.
Eine solche Wärme-Kraft-Kopplungsanlage in dieser Leistungsklasse stellt ein Novum dar. Sie ermöglicht es den Fernwärmezentralen sowie Industrie-, Gewerbe- oder Dienstleistungsbetrieben, sich weitgehend autark mit Wärme und Elektrizität zu versorgen. Geeignete Anwender der Technologie wären laut Dietrich Vogel von der Schmid Energy Solutions Wärmeverbünde, die auch in der Übergangssaison einen Wärmebedarf von 450 Kilowatt elektrisch aufweisen. Das sei wichtig, damit die Turbine kontinuierlich betrieben werden kann. «Von solchen Wärmeverbünden gibt es in der Schweiz circa 100 bis 200», sagt Vogel. Zudem könnten aber auch andere Abnehmer mit relativ hohem Wärmebedarf wie Zoos oder Fussballstudien von den Vorteilen der Technologie profitieren.
Den Hauptnutzen der Heissluftturbine liegt laut Dietrich Vogel darin, dass sie eine Lücke ausfüllt in einem Leistungsbereich, für den sich etablierte Technologien nicht auszahlen würden. «Stromerzeugungskonzepte wie der Wasserdampfkreislauf oder der ORC-Kreislauf sind erst ab einer gewissen Baugrösse wirtschaftlich», sagt Dietrich Vogel. Eine weitere Alternative würde in der Holzvergasung bestehen, bei der ein energiereiches, sogenanntes Synthesegas entsteht, aus dem künstliches Erdgas gewonnen werden kann. Aber die Vergasung erfordere eine sehr hohe Holzqualität, was wiederum die Kosten im Betrieb erhöht, wie Vogel zu bedenken gibt.
Die Heissluftturbine in Düdingen hingegen könne Holz ohne jegliche Aufbereitung verwerten. «Sie bietet eine Möglichkeit zur dezentralen Stromerzeugung aus naturbelassenen Waldhackschnitzeln», versichert Vogel. Für die Anlage sei Holz mit einem Wassergehalt von bis zu 55 Prozent kein Problem. Natürlich kommt es beim Brennstoff Holz, der an und für sich CO2-neutral ist, vor allem darauf an, dass er in der Nähe der Anlage verfügbar ist. Lange Transportwege vom Wald zum Kraftwerk würden das Konzept mit grauer Energie belasten und dessen Umweltbilanz verschlechtern.
In technischer Hinsicht ist die Heissluftturbine nach Ansicht der Verantwortlichen von Schmid Energy Solutions bereits ausgereift. In die Entwicklung hat die Firma 10 Jahre investiert. Sie wurde aber auch von Förderbeiträgen des Bundesamtes für Energie (BFE) unterstützt. Das BFE hat den Bau der Heizzentrale in Düdingen als eines seiner Leuchtturmprojekte ausgewiesen. Nun sollen die Kosten der Technik weiter gesenkt werden, sodass sie in Zukunft auch ohne Subventionen kommerzielle Reife erlangt. Einen wichtigen Kostenfaktor stellt der Wärmetauscher dar. Dieser ist in der Düdinger Anlage dafür zuständig, die im Rauchgas aus der Holzverbrennung enthaltene Wärme an die zu erhitzende Luft weiterzugeben. Da die Wärmeübertragung auf Luft eine grössere Fläche erfordert als im Fall von Wasser, muss der Wärmetauscher besonders gross dimensioniert sein. Dies und die Tatsache, dass der Wärmetauscher aus hitzebeständigem Edelstahl gebaut ist, um den hohen Temperaturen der Gase standzuhalten, treiben die Kosten in die Höhe. Kostensenkungen werden deshalb Optimierungen des Wärmetauschers voraussetzen. «Das Ziel ist eine rentable Heissluftturbine ohne Fördermittel, was allerdings noch nicht in dem nächsten Entwicklungsschritt erreicht werden wird», sagt Projektleiter Dietrich Vogel. Und fügt dann hinzu: «Wir arbeiten dran.»
Als Mitarbeiter der Faktor Journalisten (bis Januar 2019 ) verfasste Leonid Leiva zahlreiche Beiträge für Energie-Experten. Heute ist er Kommunikationsspezialist am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon.
