Luftgekühlte Kondensatoren machen den Wasserverbrauch der Kraftwerke überflüssig

Viele Kraftwerke werden durch sich ändernde Umweltgesetze und öffentlichen Druck gezwungen, bestehende Kraftwerke auf Kühlwassersysteme mit geschlossenem Kreislauf oder sogar auf Trockenkühlung umzurüsten, anstatt weiterhin Kühlwasser aus Flüssen oder Meeren zu verwenden. Vor allem in trockenen Regionen ist einfach nicht genug Wasser vorhanden, um den Bedarf von Kraftwerken und Menschen gleichzeitig zu decken. (Siehe POWER, Januar 2008, „Costlier, scarcer supplies dictate making thermal plants less thirsty.“)

Der pragmatische Projektentwickler kann sich auch schon früh im Projekt für die Trockenkühlung entscheiden, weil sie die Standortoptionen für das Kraftwerk erhöht und die Genehmigung für den Bau erheblich beschleunigen kann, weil die Fragen der Wassernutzung vom Tisch sind. Eine Verkürzung des Projektzeitplans um nur sechs Monate kann die Wirtschaftlichkeit eines Projekts völlig verändern und die höheren Kapitalkosten der Trockenkühlungsoptionen leicht aufwiegen.

Trockenkühlungsanwendungen sind in den USA nicht auf trockene Regionen beschränkt, sondern werden auch für Anlagen in östlichen, nördlichen und bergigen Gebieten spezifiziert, in denen Wasser in der Regel reichlich vorhanden ist (Abbildung 1). Warum ist das so? In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass es weitaus mehr Gründe gibt, die für die Trockenkühlung im Allgemeinen und den luftgekühlten Kondensator (ACC) im Besonderen sprechen, als nur der Mangel an verfügbarem Wasser (siehe Seitenleiste). So gibt es beispielsweise deutliche Anzeichen dafür, dass sich die Trockenkühlung zu einer Standardoption in der Kraftwerksplanung entwickelt. Sogar in Gebieten mit reichhaltigen Wasserressourcen – wie England, Irland, Belgien, Luxemburg und Norditalien (Abbildung 2) – wird diese Technologie eingesetzt. Das größte Gas- und Dampfturbinenkraftwerk in Europa hat eine Leistung von 1.200 MW und verwendet einen luftgekühlten Kondensator.

China ist sehr besorgt über die weitere Belastung seiner Wasservorräte und hat für viele seiner neuen Kraftwerke die Trockenkühlung eingeführt. In der Tat hat China für mehr als 35.000 MW seiner wachsenden Flotte neuer Kraftwerke luftgekühlte Kondensatoren installiert und den Markt für Installationen in den letzten Jahren dominiert (Abbildung 3). In den letzten zwei Jahren hat China durchschnittlich einen neuen ACC pro Monat für neue Kohlekraftwerke mit typischen Kapazitäten von 2 x 300 MW oder 2 x 600 MW gekauft (Abbildung 4).

In China, wie auch an anderen Standorten weltweit, muss ein Kraftwerksstandort nicht mehr in der Nähe einer Wasserquelle liegen, wenn ACC gewählt wird. Stattdessen kann der Standort im Hinblick auf Übertragungs- und Gasverteilungsleitungen (für Kombikraftwerke) oder Eisenbahnlinien (für Kohlekraftwerke) optimiert werden. In China befinden sich Anlagen für feste Brennstoffe in der Regel in der Nähe von Kohleminen, was das jüngste Interesse des Landes an Luftkühlung erklärt.

Schließlich können die Grundstückskosten gesenkt werden, wenn kein Standort an einem See, Fluss oder Meer benötigt wird.

Markttrends positiv

Zwischen den 1960er und 1990er Jahren gab es in Europa nur einen sehr kleinen Markt für große oder mittelgroße Kraftwerke. Stattdessen setzte man auf große kohlebefeuerte Kraftwerke und Kernkraftwerke. Im Nahen Osten, in China, Südafrika und den USA wurden dagegen Trockenkühlungsanlagen immer beliebter, weil es dort an Wasser mangelte (in Kohlebergwerken, in Wüstengebieten oder aus ähnlichen Gründen). Nach 1990 begann der Weltmarkt für Trockenkühlung zu explodieren und hat sich allein in den letzten 13 Jahren etwa verzwanzigfacht (Abbildung 5).

Auf sehr kurze Sicht wird der Markt für Trockenkühlgeräte in China angesichts des enormen Strombedarfs in diesem schnell wachsenden Land wahrscheinlich weiterhin recht aktiv sein. Ein angemessenes Wachstum wird auch in Europa erwartet, da viele Länder der Europäischen Union ein erneutes Interesse an der Bewirtschaftung ihrer künftigen Wasserversorgung haben. Der Nahe Osten (Region der Emirate) und Indien werden in naher Zukunft sicherlich ebenfalls zwei sehr wichtige Märkte werden. In den USA ist der Markt seit Mitte 2005 stetig gewachsen.

Fallstudie: Das Astoria Energy-Kraftwerk, New York City

Vielleicht war das 550-MW-Projekt Astoria Energy, das auf einem 23 Hektar großen Gelände am East River in Astoria, Queens, New York City (NYC) errichtet wurde, eines der anspruchsvollsten Kombikraftwerksprojekte überhaupt. Die ACC-Konstruktion verwendete Ventilatoren mit einem Durchmesser von 36 Fuß, die auf geringe Geräuschentwicklung ausgelegt waren, da sich die Stimmräume der weltberühmten Steinway Piano Factory direkt gegenüber der Anlage befinden. Das Projekt wurde im Mai 2006 in Betrieb genommen.

Das 565 Millionen Dollar teure Astoria Energy war die größte Anlage, die seit über 25 Jahren in New York gebaut wurde. Die Anlage ist eine 2 x 1-Konfiguration mit zwei GE 7FA-Gasturbinen, zwei Alstom-Abhitzedampferzeugern, einer Alstom-Dampfturbine und einem luftgekühlten Dampfkondensator von SPX Cooling Technologies.

Das Projekt wurde in weniger als 24 Monaten nach dem ersten Spatenstich fertiggestellt. Einem erfahrenen Anlagenbauer mag dieser Zeitplan wie ein Spaziergang im Central Park vorkommen – wenn man eine grüne Wiese im Mittleren Westen hat. Nicht so in New York City, wo die LKWs nur begrenzten Zugang zu diesem kleinen Industriestandort ohne große Abstellfläche haben. Das bedeutet, dass der Bauablauf durch tägliche, pünktliche Materiallieferungen unterstützt werden musste, so dass es sich um ein Just-in-Time-Bauprojekt handelte. Was das Werksgelände jedoch bot, war ein Tiefwasserzugang, der die Anlieferung der Ausrüstung per Binnenschiff ermöglichte. Das Projekt Astoria Energy hat die Grenzen der Modularisierung von Ausrüstungen außerhalb des Standorts verschoben, und der zweijährige Projektzeitraum zeugt von seinem Erfolg.

Die Hauptauftragnehmer des Projekts, zu denen The Shaw Group, Alstom Power und SPX Cooling Technologies gehörten, haben typische Baupraktiken umgestaltet, indem sie wichtige Module, einschließlich vollständig montierter HRSGs und des Luftkondensators, außerhalb des Staates zusammenbauten und dann per Schiff zum Standort transportierten. Ein interessanter praktischer Grund, warum das Projekt genehmigt wurde: NYC verlangt, dass 80 % des gesamten Stroms innerhalb der fünf Stadtbezirke erzeugt wird, da die Übertragungskapazitäten in die Stadt begrenzt sind.

Eine der größten Hürden bei der Genehmigung durch NYC bestand darin, ein Kraftwerk zu entwerfen, das die Nutzung des East River für die Durchlaufkühlung ausschließt. In der endgültigen Genehmigung ist festgelegt, dass der ACC kein Wasser verbraucht oder in die Umwelt ableitet.

Vorgefertigte Baugruppen verschiffen. Der ACC für dieses Projekt bestand aus 24 Modulen/Lüftern und wurde 300 Meilen südlich von New York in einer Werft in der Nähe von Norfolk, Virginia, vormontiert. Diese Anlage außerhalb des Standorts bot Platz und Zeit, um die ACC-Module lange vor dem Zeitpunkt, an dem sie am Standort Astoria benötigt wurden, vorzumontieren. Das gemäßigtere Klima steigerte die Arbeitsproduktivität in Virginia, und, was ebenso wichtig ist, der Standort bot mehr als ausreichend Platz für die Materiallagerung und die Hebeausrüstung (Abbildung 6).

Der ACC mit 24 Modulen wurde in 12 nebeneinander liegenden Modulabschnitten gebaut (Abbildung 7). Jeder der 12 ACC-Abschnitte hatte eine Breite von fast 43 Fuß, eine Länge von 85 Fuß und eine Höhe von 49 Fuß und wog etwa 300 Tonnen. Zwei Abschnitte des ACC wurden auf einen Lastkahn gehoben, und dann wurden zwei Lastkähne zusammen mit einem Schlepper von Virginia zur Baustelle transportiert (Abbildung 8).

Schnelle Montage und Inbetriebnahme. Nur neun Monate nach der Auftragsvergabe trafen die ACC-Abschnitte zur Endmontage am Standort Astoria ein. Als die Lastkähne an der Baustelle ankamen, wurden sie sofort auf einen flachen, motorisierten Dolly für den industriellen Einsatz entladen und neben der bereits vor Ort errichteten ACC-Stahlkonstruktion in Position gerollt (Abbildung 9). Ein 1.000-Tonnen-Kran hob jedes der 12 Module an seinen Platz, und zwar etwa zwei Abschnitte pro Woche (Abbildung 10).

Die Dampfleitung, die ebenfalls außerhalb der Baustelle vormontiert wurde, kam für die Endmontage auf der Baustelle in Längen an, die durch die Abmessungen des Langkahns bestimmt wurden. Insgesamt wurden 80 % der für die Montage des ACC erforderlichen Arbeitsstunden in Virginia geleistet, was zu erheblichen Kosteneinsparungen im Vergleich zur Fertigung vor Ort führte (Abbildung 11). Im Vergleich zu anderen ACC-Kombikraftwerksprojekten in der Region konnte durch die Modularisierung der Zeitaufwand für die Installation der ACCs um 50 % reduziert werden.

-William Wurtz ([email protected]) ist Vice President und General Manager für Trockenkühlung in Amerika bei SPX Cooling Technologies Inc.