Prototypentwicklung zur Nutzung von niederkalorischem Grubengas

Im Projekt »LowCH4-MDT-Modul« entsteht eine Anlage mit Schwachgas-verbrennung, Dampferzeugung und Mikro-Dampfturbine

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Beiträge der Projektpartner

Das Fraunhofer UMSICHT ist u.a. für Vorplanung und Technikrecherche zuständig und treibt die Technologieentwicklung vora

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Prototypenanlage

Module und Schnittstellen der Prototypenanlage.

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Probebesaugung

Probebesaugung am Standort Herne im Frühjahr 2020.

Projektziele

Für die Grubengasverwertung mit Methankonzentrationen unter 18 Vol.-% stehen zurzeit keine wirtschaftlich einsetzbaren Technologien zur Verfügung. Um auch langfristig die Emission erheblicher Mengen an Treibhausgas zu vermeiden, soll im Projekt »LowCH4-MDT-Modul« der Prototyp einer modularen Anlage mit Schwachgasbrenner, Dampfkessel und Mikrodampfturbine entwickelt, errichtet und demonstriert werden. Dieser Prototyp soll eine zuverlässige Verwertung von Grubengas zwischen fünf und 18 Vol.-% CH4 ermöglichen und dadurch CH4-Emissionen von heute etwa 270 Mio. Nm³/a (entsprechend 3,6 Mio. t CO2-äq/a) für mindestens ein weiteres Jahrzehnt vermeiden.

Hierzu wird die Spezifikation einer entsprechenden Anlage durch Abgleich mit Standortdaten für Grubengasnutzungen im Ruhrgebiet festgelegt. Darauf aufbauend wird der modulare Gesamtprototyp konzipiert, entwickelt, geplant, gebaut und an einem Grubengasstandort der Stadtwerke Herne AG in Betrieb gesetzt, optimiert und in Probebetrieb gesetzt. Auf Basis der technischen und wirtschaftlichen Ergebnisse erfolgt abschließend eine Potenzialbetrachtung für die Grubengasstandorte im Ruhrgebiet.

Nutzen

Die Gasverwertung aus stillgelegten Kohlegruben mittels Gas-Otto-Motoren liefert heute durch Vermeidung von Methanemissionen (GWP Global Warming Potential von 25 für CH4) einen signifikanten Beitrag zur Minderung von CH4- bzw. CO2-äq Emissionen und verringert auch die Gefährdungen durch diffuse oberirdische Grubengasaustritte erheblich.

Diese Art der Grubengasverwertung boomte mit der Aufnahme von Grubengas als geförderte Energie ins EEG im Jahre 2000. Über die Jahre verringerten sich die CH4-Konzentration im Grubengas von ursprünglich etwa 40 bis 70 Vol.-% CH4 erheblich. Die übliche motorische Grubengasverwertung erfordert aber minimale CH4-Konzentrationen von ca. 18 Vol.%, die an den Grubengasnutzungsstandorten zunehmend unterschritten werden. Dieses Projekt soll zur Entwicklung einer technischen und wirtschaftlichen Alternative zur Anschlussnutzung bei Konzentrationen unter 18 Vol.-% beitragen. Interessierte Betreiber von Grubengasanlagen mit zu stark abgesunkener CH4-Konzentration können dann ohne großen Zeitverlust auf die erprobte Technologie LowCH4-MDT-Modul zurückgreifen.

Die Rolle von Mikrodampfturbinen

Dampfturbinenanlagen weisen aufgrund des bei Dampfkraftanlagen gegenüber Motoren niedrigeren Wirkungsgrades eine niedrigere Stromerzeugungskapazität als Motoren auf. Die Emissionsminderung aus der Grubengasnutzung an den meisten Standorten sowie der Beitrag zur Gefahrenabwehr bleiben aber bei der alternativen Anschlussnutzung für einen längeren Zeitraum erhalten. Aus wirtschaftlichen Gründen steigt der Anreiz, am Standort Abwärme aus dem Dampfkraftprozess an Nahwärmeabnehmer in der näheren Umgebung der Grubengasnutzung zu liefern.

Gelingt es, für die Standorte, an denen die gefasste Methankonzentration unter 18 Vol.-% sinkt, eine alternative technologische Verwertungslösung zur motorischen Nutzung zu entwickeln und zu etablieren, kann die wirtschaftliche Grubengasverwertung längerfristig weitergeführt werden. Damit bleiben die wertvollen Beiträge zur Vermeidung anthropogener Methanemissionen sowie zur Abwehr von Gefahren diffuser oberflächlicher Grubengasaustritte erhalten.

Herausforderungen

Entwicklungspotenzial einer technologisch neu konzipierten Grubengasnutzung

Die Schwachgasbrenner sind im Projekt so auszulegen, dass sie mit einer möglichst großen Bandbreite an niedrigen Methangehalten von fünf bis 18 Vol.-% betrieben werden können. Für Grubengas sind dabei zusätzlich sehr hohe und auch mitunter wechselnde Anteile an CO2-, N2- und Wasserdampf zu berücksichtigen.

Es werden klein dimensionierte Dampfkessel für Schwachgasbrenner in Ausführung als modulare, örtlich versetzbare Einheit notwendig. Die Versetzbarkeit der Gasnutzungsmodule zur Anpassung an veränderte Standortparameter ist bei der Grubengasnutzung von hoher wirtschaftlicher Bedeutung.

Für diesen Anwendungsfall sind neuartige Mikro-Dampfturbinen von 150 bis 300 kWel auszulegen, zu designen und zu erproben.

Für den künftigen Einsatz der neuen Anlagenkonfiguration an anderen Standorten werden Prognosetools für die Grubengasentwicklung sowie eine Wirtschaftlichkeitsbewertung des Anlageneinsatzes erarbeitet.

Projektpartner

  • DMT GmbH & Co. KG (gefördert)
  • Stadtwerke Herne AG (assoziiert)