Prinzipien der Dampf-Kraft-Koppelung am Beispiel der Starke-Herstellung*

Von K. Hemmersbach, Krefeld

Die Kraft-Warme-Kopplung ermoglicht eine okonomische und umweltfreundliche Verwendung der Primar-Energien mit Ausnut- zungsgraden von 80 - 90% gegeniiber 30 - 40% bei der separaten Strom-Erzeugung. Anlagen zur Kraft-Warme-Kopplung werden wegen der Einsparung an Primar-Energie in vielen Landern durch staatliche Investitions-Beihilfen gefordert. In der Starke-Industrie bietet sich von der Struktur des Bedarfs an Kraft und Warme her die Anwendung der Kraft-Warme-Kopplung an. Die Einsparung an Primar-Energie durch die Kraft-Warme- Kopplung ist eine Moglichkeit, langfristig durch eine einmalige Investition die Produktionskosten zu senken. Die Technologie der Kraft-Warme-Kopplung ist seit langem bekannt. Es stehen eine Vielzahl von Alternativen zur Verfiigung, die im konkreten Einzelfall unter Beriicksichtigung verschiedener begrenzender Faktoren den jeweiligen Erfordernissen anzupassen sind. Eine Weiterentwicklung der Technologien im Hinblick auf bessere Brennstoff-Ausnutzung, mehr UmweltfreundIichkeit, Nut- zung von ballastreicheren Brennstoffen ist weltweit zu beobachten.

Principles of Heat-Power Co-Generation in Relation to Production of Starch. Heat-power co-generation allows the most economic use of primary fuels with minimal disturbance of the environment. Co- generation systems are 80- 90% energy efficient compared to only 30-40% for power generation only. In many countries co- generation systems are being subsidized by the state in order to encourage the more efficient use and hence conservation of primary energy. The structure of the heat-power demand in the starch industry is suited to heat-power co-generation. It is possible to lower production cost to energy savings gained by a one-time investment in heat-power co-generation. Heat-power co-generation technology is well known, and a number of alternative systems is available, which can be adapted for any particular energy demand. Further development of the technologies involved in co-generation with respect to more efficient utilization of fuel, reduction of environmental problems, and utilization of fuels high in non-combustible material is being carried out world-wide.

1 Einleitung

Mit zunehmender Verknappung und Verteuerung der Primar- energie 01, Gas und Kohle ist eine rationelle und umwelt- freundliche Nutzung der Brennstoffe von fundamentaler Bedeutung . Die Kraft-Warme-Kopplung ist eine schon lange bekannte Moglichkeit einer besseren Ausnutzung der Primar-Energie. Die Betriebsweise von Anlagen zur kombinierten Erzeugung von Elektrizitat und Warme wird als Kraft-Warme-Kopp- lung bezeichnet. In weiten Bereichen der Industrie, insbesondere in der Starke- Industrie, werden sowohl Warme als auch Elektrizitat in den Produktions-Prozessen benotigt. Die Kraft-Warme-Kopplung ist d a m interessant, wenn sie eine effektive Ersparnis an Primar-Energie gegenuber der separaten Produktion von Strom und Warme erbringt. Dieses Prinzip entlastet die Volkswirtschaft durch einen geringeren Bedarf an Primar-Energie und entlastet im Einzelunternehmen die Produktionskosten, da im eigenen Betrieb die benotigte elektrische Energie erheblich gunstiger als durch offentliche Kondensationskraftwerke hergestellt werden kann.

2 Energiewirtschaftlicher Vorteil der Kraft- Warme-Kopplung

Der erreichbare energiesparende Effekt der Kraft-Warme- Kopplung ist vom Strom- und Dampfverbrauch abhangig. Das Leistungs-Verhaltnis der Kraftwerksprodukte Strom und Dampf wird als Stromkennzahl bezeichnet (Elektrische Netto-Leistung in MW zu Nutzwarme in MW). Die Stromkennzahl charakterisiert die Belastung einer Anlage.

Abbildung 1 zeigt den Brennstoff-Ausnutzungsgrad bei separater Produktion von Strom und Warme in Abhangigkeit von der Stromkennzahl. Die Kurve basiert auf einem

100 1

Basis: q - Heizkessel 85%

- Stmrnerze1qg.37%

M W 0 1 2-

MW

rn Abbildung 1. und Warme.

St rom kennzah I SZ

Wirkungsgrad der separaten Erzeugung von Strom

Wirkungsgrad eines reinen Dampfkessels von 85% und einem Wirkungsgrad fur die Stromerzeugupg von 37 YO (Mittelwert der offentlichen Kraftwerke ohne Ubertragungs- *

Verluste). Die GroBenordnung der Verluste bei reiner Stromerzeugung macht die Bemuhungen der Energiepolitik verstandlich, die Verlustwarme z. B. als Fernwarme zu nutzen. Die Differenz des Wirkungsgrads eines Kraftwerks mit Cogeneration und des Wirkungsgrades der separaten Pro- duktion von Dampf und Strom entspricht dem moglichen Einsparungspotential an Primar-Energie.

* Vortrag anlaBlich der 33. Starke-Tagung der Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung in Detmold vom 21. -23. April 1982.

starch/starke 35 (1983) Nr. 1, S. 1-4 0 Verlag Chemie GmbH. D-6940 Weinheim 1983 1 0038-9056/83/0101-0001S 02.50/0

Die Stromkennzahlen der Fabriken der Maisstarke-Industrie hangen von der ProzeB- und Produkt-Struktur der jeweiligen Fabrik ab. Die Stromkennzahl liegt im Mittel bei S = 0,2 MW Strom/MW Warme, bei dampfintensiven Fabriken kann die Stromzahl auf S = 0,l absinken, kraftintensive Fabriken mit geringerem Dampfbedarf konnen Stromkenn- zahlen bis S = 0,4 aufweisen. Die Stromkennzahl allein sagt jedoch nichts uber den gesamten Energiebedarf einer Fabrik aus.

3 Energieverbrauch und Stromkennzahl von Maisstarke-Fabriken

Der gesamte Aufwand an Primar-Energie in der Maisstarke- Industrie wird bestimmt durch die Produktstruktur, die ProzeBfuhrung und die Apparatetechnik. Bei modernen Fabriken, die rnit energiesparenden Apparaturen und Syste- men ausgerustet sind, ist ein Verbrauch von weniger als 3 500 kJ/kg Mahlung moglich. Alte Anlagen rnit komplizier- ter Struktur benotigen bis zum Dreifachen dieses Wertes. Die Aufteilung des Energiebedarfs einer typischen Maisstar- ke-Fabrik ist in Abbildung 2 dargestellt. Die eingesetzte Primar-Energie wird zum groBten Teil zur Dampf- und Strom-Erzeugung benutzt. Der geringere Teil wird fur die direkte Beheizung von Trocknern und fur den Eigenbedarf des Kraftwerks eingesetzt. Die wichtigsten Dampfverbraucher sind : - Verdampfer fur Quellwasser und Zuckersafte, - Trockner fur Keime, Starke, Kleber und Maiskleberfutter, - Konvertoren fur die Umsetzung von Starke in Zuckersaf-

- Warmetauscher zur Einstellung der notwendigen ProzeD- te >

temperaturen.

Pri mor- En erg ie _TI-

Abbildung 2. Energie-Struktur einer Maisstarke-Fabrik.

Analysen des Stromverbrauchs zeigen einen uberraschend hohen Aufwand fur den Massentransport mittels Pumpen, Ventilatoren und mechanischen Forderelementen. Der pro- zegtechnisch notwendige Aufwand an elektrischer Energie fur den Mahl- und SeparationsprozeB sowie fur Ruhren und Mischen betragt etwa 30% des insgesamt benotigten Stroms.

Der Gesamtaufwand an Primar-Energie sowie der Verbrauch an Strom und Warme (Stromkennzahl) wird im wesentlichen von der eingesetzten Apparate-Technik bestimmt. Die Aus- wirkung der Apparate-Technik auf den Bedarf an Primar- Energie und auf die Strom-Dampf-Bilanz sei am Beispiel verschiedener Verdampfer-Anlagen verdeutlicht (Abb. 3).

r

Em-

Abbildung 3. Verdampfer-Anlagen in der Starke-Industrie.

Der Energiebedarf zur Wasserverdampfung ohne Beruck- sichtigung des Flussigkeitstransports betragt je kg Wasser z. B. bei - einstufiger Verdampfung etwa 2 800 kJ Dampf, - dreistufiger Verdampfung etwa 925 kJ Dampf, - Verdampfung mit mechanischer

Brudenkompression etwa 150 kJ Strom. Bei den Trocknern 1d3t sich ebenfalls der Energieverbrauch durch die Wahl des Trockner-Systems beeinflussen. Die Alternativen - direkte Beheizung mit Gas oder 0 1 sowie indirekte Beheizung uber Dampf - werden in zunehmendem MaBe durch Systeme der Warmeruckgewinnung erganzt. Diese Beispiele verdeutlichen, daB der Energiebedarf und die Energie-Struktur einer Starkefabrik durch die verfahrens- technische Auslegung der energie-intensiven ProzeB-Schritte gepragt wird. Die richtige Wahl der ProzeBapparaturen im Hinblick auf einen moglichst geringen Energie-Verbrauch sollte nicht als Einzelbetrachtung vorgenommen werden, sie sollte nur im Zusammenhang rnit dem gesamten Energie-Konzept der Fabrik getroffen werden.

4 Leistungsbereiche der Kraftwerkstypen

Die verschiedenen Kraftwerkstypen weisen unterschiedliche Strom-Kennzahlen auf, d. h. die Stromleistung eines Kraft- werkes steht in einem bestimmten Verhaltnis zur Warmelei- stung. Abb. 4 zeigt vier verschiedene Kraftwerkstypen rnit Kraft- Warme-Kopplung, deren Leistungsbereiche sind in Abbil- dung 5 dargestellt. Die Wirkungsgrade und der spezifische Warmeverbrauch der genannten Kraftwerkstypen sind in Tabelle 1 gegenuberge- stellt [3]. Zum Vergleich sind die Werte fur reine Kondensa- tionskraftwerke der offentlichen Stromversorgung aufge- fuhrt.

2 starch/starke 35 (1983) Nr. 1, S. 1-4

n

En tna h me - )(on den 5. Tur bl nc Gcg en d r uc k - Tur bi nc

A A

Gasturbinc mit Abhitzckesscl E7a Kraf twcrk

Abbildung 4. Kraftwerks-Typen.

Kombinicrtcs Gas- Dampf -

0.8

0.6

a4

a2

@ia Heizleistung

Abbildung 5 . Leistungsbereich der Kraftwerkstypen (Beispiel f ir ProzeBdampf 3 bar).

Tabelle 1 . Spez. Warmebedarf verschiedener Kraftwerkstypen.

Wirkungsgrad Spez. % Warmebedarf

MJ/kWh

Kondensations-Kraftwerk 37 9,7 Entnahme-Kond. Kraftwerk etwa 65 595

Gas-Turbinen Heizkraftwerk etwa 80 4 s Kombi-ProzeB etwa 80 4 s

Gegendruck-Kraftwerk etwa 85 4 2

Gegendrucken (ProzeDdampf). Gasturbinen mit Abhitzekes- sel erreichen Stromkennzahlen bis S = 0,45, bei kombinier- ten Gas-Dampf-Turbinen sind sogar Stromkennzahlen bis S = 0,8 moglich. Nur die Entnahme-Kondensationsturbine kann praktisch in jedem Fall die gewunschte Strom- und Warmeproduktion decken, allerdings auf Kosten hoherer Kondensator-Verlu- ste.

5 Wi rtschaftl ich kei t

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen auf dem Gebiet der Ener- gie-Erzeugung sind sehr komplexer Natur. Die Ermittlung der Energiekosten hangt auf der einen Seite von berechenba- ren physikalischen GroDen wie der Stromkennzahl des Kraftwerkes ab, auf der anderen Seite gehen in die Rechnung politisch bedingte Faktoren ein, wie der Brennstoffpreis, Kosten fur den Kapitaldienst, Subventionen. Berucksichtigt man ferner, daD das Verhaltnis von Strom und Warme durch die Wahl weniger ProzeBapparaturen wie Trockner und Verdampfer in erheblichem Umfang beeinflunbar ist, dann sind Wirtschaftlichkeitsberechnungen nur fur den konkreten Fall aussagefahig. Allgemein gultige Empfehlungen sind kaum moglich. An Hand eines Beispiels wird trotzdem versucht, den Vorteil der Kraft-Warme-Kopplung gegenuber der Dampferzeugung mit Fremdstrombezug fur eine Starke- fabrik aufzuzeigen (Abb. 6).

. 50 bor

2 8 O O C q K -0,85-@0

40 34 wml

Gas M wm R'emlatran 150 m/Im

Dompf 35t/h,Zbar, 21.4 MW

lSt/h,lObar, 8.3 MW m 8000 Betriebsstunden

20 % 100 %

42.4 40.4 34.9

1.3 6.3

42.4 41.7 41.2 - - -

Abbildung 6. ohne Kraft-Warme-Kopplung.

Primarenergie-Kosten einer Starke-Fabrik mit und

Bei geringem Strombedarf im Verhaltnis zum Warmebedarf (niedrige Stromkennzahl) eignet sich die Gegendruck-Turbi- ne am besten. Eine Stromkennzahl hoher als S = 0,3 ist jedoch kaum zu erreichen. Die Stromausbeute hangt ab vom Dampfdruck (bis zu 180 bar) und der Dampftemperatur (bis zu 540°C), dem Entspannungsverlauf sowie den geforderten

Diese Rechnung beschrankt sich auf die Primarenergie- Kosten bei vorgegebenem Strom-Dampf-Verbrauch. Da jeder konkrete Einzelfall einzigartig ist, sind Angaben uber Investitionskosten und daraus abgeleitete Kosten fur Kapi- taldienst, Abschreibung, Reparatur usw. nicht in Betracht gezogen worden.

starch/starke 35 (1983) Nr. 1 , S. 1-4 3

Das Beispiel zeigt zweierlei, einmal das Einsparungspotential durch die Kraftwarme-Kopplung, zum anderen die Abhan- gigkeit der Kosten vom Brennstoff-Preis. Die wichtigsten Parameter zur Beurteilung der Wirtschaft- lichkeit von Energie-Erzeugungsanlagen sind :

Die Kraft-Warme-Kopplung reduziert den Verbrauch an Primar-Energie und ist weniger umweltbelastend, da erheb- lich weniger Verlustwarme iiber Luft oder Wasser an die Umgebung abgegeben werden murj.

Der Brennstoff-Preis im Verhaltnis zum Fremdstrom- Preis. Die Brennstoff-Verfiigbarkeit, vor allem bei kapitalinten- siven Anlagen, bei denen mit einer langen Lebensdauer gerechnet wird. Die Brennstoff-Qualitat im Hinblick auf Umweltschutz- Verordnungen. Der Einsatz minderwertiger, ballastrei- cher Brennstoffe bietet bei geeigneter Kraftwerkstechnik die Moglichkeit, einen preisgiinstigen Brennstoff einzuset- zen. Als Beispiel sei auf die Fluid-Bed-Technik verwiesen. Der Primar-Energie-Verbrauch. Er wird bestimmt durch die Technik der Produktionsprozesse, durch die auch das Strom-Dampf-Verhaltnis, die benotigte Regelbarkeit und die jahrliche Betriebsstundenzahl festgelegt werden. Die Investitionskosten in Abhangigkeit von der Art und Grorje der Anlagen. Subventionen. In den meisten europaischen Landern werden nicht unerhebliche Subventionen fur Anlagen mit Kraft-Warme-Kopplung gegeben, die bei Wirtschaftlich- keitsbetrachtungen eine erhebliche Rolle spielen konnen.

Literaturnachweis

[I] Horner, G . : ,,Moglichkeiten und Grenzen der Kraft-Warme- Kopplung". VDI-Berichte Nr. 338, 1979.

[2] Kehlhofer, R . : ,,Vergleich von Kraftwerken mit Warme-Kraft- Kopplung". VGB-Seminar ,,Industrie/Heizkraftwerke". 1979.

[3] LGffel, H . : ,,Wirtschaftlichkeit der Eigenstromerzeugung". Techn. Mitteilungen 1970, Heft 5.

[4] Bnloh, A : ,,Energiewirtschaft bei Eindampf- u. Trocknungspro- zessen". VDI-Berichte Nr. 345, 1979.

[5] W e d , E : ,,Dampferzeuger rnit Wirbelschichtfeuerung". In Jahrbuch der Dampferzeugertechnik"4, S. 352 - 363, Vulkan- Verlag, Essen 1980.

[6] Schilling, H . D . : ,,Die Wirbelschichtfeuerung - Einsatzmoglich- keiten fur die Strom- und Warmeerzeugung aus Kohle". VDI- Berichte Nr. 322, 1978.

Anschrift des Verfsssers: Dip1.-Ing. K . Hemmersbach, Maizena Gesellschaft mbH, Dusseldorfer Str. 191, D-4150 Krefeld 12 (Linn). (Eingegangen: 15. September 1982)

The Starch of Pueraria tuberosa - Comparison with Maize Starch

By P. L. Soni and A. Agarwal, Dehra Dun (India)

Puertrriu tuberosu starch was isolated from the tuber and purified. Scanning electron microscopy of the starch showed polygonal shaped granules which were almost ofthe same particle size as those of maize starch. P. tuberosti starch has lower amylose content, almost same gelatinization temperature range and water binding capacity, more swelling and solubility compared to maize starch. Paste viscosity characteristics show high peak viscosity but also indicate fragile nature of granules in comparison to maize starch.

Die Starke von Puertrriu tuberosci - Vergleich mit Maisstarke. Die Starke von Puerurru tuberosu wurde aus den Knollen isoliert und gereinigt. Die Raster-Elektronenmikroskopie der Starke zeigte polygonale Korner von fast der gleichen Korngrolle wie die yon Maisstarke. Die Starke hat einen niedrigeren Amylosegehalt, nahezu den gleichen Verkleisterungstemperatur-Bereich und das gleiche Wasserbindungsvermogen, jedoch starkere Quellung und Loslich- keit im Vergleich zu Maisstarke. Die Kleisterviskositats-Charakteri- stik zeigt hohe Spitzenviskositgt, lafit jedoch gleichzeitigim Vergleich zu Maisstiirke eine geringere Stabilitat der Korner erkennen.

1 Introduction 2 Materiai and Methods

Pirerariu tuberosa [ I ] is a large perennial climber with very Preparation of Starch large tuberous roots, distributed throughout India, Tubers of pueruria tuberosa were collected from Debra Dun

Forests. The thick skin was peeled off, tubers were cut into small pieces (2.5 cm in o.l yo solution of sodium bisulfite. Extraction ofthe starch was done according to the method of Badenhuizen [2]. Five consecutive

starch t o a level comparable to that of maize starch. It was then defatted by refluxing with methanol (80%) followed by extraction with petroleumether (60 - 80 "C) .

except in very humid or very arid regions, and ascending up to 1.200 m. It has been found quite satisfactory from the point of soil erosion control, soil cover and restoration of soil fertility. Its tubers are large' 30-60 cm long and 25-30 cm broad'

connected with the main roots by thin roots. The yield of tubers is reported to be about 5.0 to 7.5 t/ha. They taste like liquorice and said to be eaten raw or boiled. They are reported [l] to contain dry matter 85.1, total carbohydrates 64.6, crude

.25 cm) and dipped

weighing to 35 kg' are Often found in strings washings were made to decrease the protein content of the

protein 10.9 and ether extract 0.5%. This communication reports the investigations carried out on the starch isolated Proximate Analysis

from this tuber. -

4

Standard AACC methods [3] were followed for moisture,

8 Verlag Chemie GmbH. D-6940 Weinheim 1983 starch/starke 35 (1983) Nr. 1, S. 4-7 0038-9056/83/0101-OO04 S02.50/0