Hybrid-Dampfkessel: Mehr Sicherheit und Flexibilität bei sinkenden Kosten mit Hybrid-Dampferzeuger

Hybrid-Dampfkessel (auch Hybridkessel oder Hybrid-Dampferzeuger) nutzen verschiedene Energiequellen zur Erzeugung von Dampf. Weit verbreitet ist die Kombination von fossilen Brennstoffen und elektrischer Energie, die viele Vorteile bietet. Neben einem größeren Regelbereich gehört dazu auch ein geringeres Ausfallrisiko. Brennstoffe lassen sich flexibler einsetzen und die Betriebskosten sind häufig niedriger. Wie ein Hybrid-Dampfkessel funktioniert, welche Kombinationen infrage kommen und warum sich der Einsatz eines Hybriddampferzeugers lohnt, erklärt Deutsche-thermo.de im folgenden Ratgeber.

Die Themen im Überblick

Hybrid-Dampferzeuger setzen auf verschiedene Energieträger

Geht es in der Technik um hybride Systeme, kombinieren diese verschiedene Technologien oder Energieträger in einer Anlage. So ist es auch bei Hybrid-Dampfkesseln, die neben einem konventionellen Brennstoff wie Gas oder Heizöl auch auf elektrische Energie setzen. Diese lässt sich zumeist mit Einschubheizkörpern (Heizpatronen) bereitstellen, um Großwasserraumkessel auf hohe Temperaturen zu bringen und Speisewasser zu verdampfen. Neben industriell vorgefertigten Hybridkesseln für Dampf lassen sich hybride Dampferzeuger auch nachträglich zusammenstellen. Möglich ist das durch die Kombination von klassischen Dampfkesseln und Elektrodampferzeugern, die eine Anlage alternativ oder parallel über einen gemeinsamen Verteiler speisen.

Geringere Emissionen und sinkende Betriebskosten durch Überschussstrom

Die Kombination von Brennern und Elektroheizpatronen sorgt in Hybrid-Dampfkesseln für zahlreiche Vorteile. So sinkt der Einsatz fossiler Brennstoffe durch den Betrieb mit Strom. Die lokalen Emissionen fallen geringer aus und auch Betriebskosten können eingespart werden. Letzteres ist immer dann der Fall, wenn günstiger Überschuss- oder Nachtstrom in der Dampferzeugung zum Einsatz kommt oder Betreiber am Regelenergiemarkt teilnehmen.

Hohe Leistung mit breitem Regelbereich und flexibler Spitzenlastabdeckung

Durch ihre Leistung eignen sich Hybrid-Dampfkessel für viele Einsatzbereiche. Denn sie liefern in der Regel bis zu 8 MW oder rund 10 Tonnen Dampf pro Stunde. Die thermische Energie der Heizpatronen lässt sich dabei nutzen, um den Anfahrprozess zu optimieren, Teillasten effizient abzufangen oder Spitzenlasten flexibel zu bedienen. Dazu steht sie wahlweise allein oder ergänzend zur Verbrennungsenergie zur Verfügung.

Kontinuierliche Dampferzeugung mit Abwärme aus anderen Prozessen

Interessant sind Hybrid-Dampferzeuger auch, wenn Prozessabwärme zur Verfügung steht. Diese geht über Abgaszüge im Kessel an das Speisewasser über. Fällt die verfügbare Energiemenge oder reicht diese bei Spitzenlasten nicht mehr aus, lassen sich Differenzen flexibel ausgleichen. Möglich ist das mit integrierten Brennern und/oder Elektroheizpatronen.

Baugröße der Hybridkessel unterscheidet sich nicht von Standardkesseln

Kommen Hybrid-Dampfkessel als Kombianlagen zum Einsatz, unterscheidet sich ihre Baugröße nicht von der Größe konventioneller Anlagen. Dafür sorgen zwei lange Flanschheizkörper, die sich parallel zu den Abgaszügen in den Großwasserraumkessel einschieben lassen. Sie sitzen in der Regel im unteren Bereich und lassen sich flexibel von außen anschließen und ansteuern.

Bild: Hybrid-Dampfkessel gleicht konventionellem Dampferzeuger, verfügt aber zusätzlich über am Boden einschiebbare Heizpatronen.

Kombination von Brennstoff und Strom bringt viele Vorteile

Viele Gründe sprechen dafür, einen Hybrid-Dampfkessel zu mieten oder zu kaufen. So zum Beispiel die Betriebssicherheit der gesamten Anlage. Diese steigt, da sich Ausfälle fossiler Energieträger oder technischer Komponenten zumindest anteilig überbrücken lassen. Der Einsatz von Strom beugt Komplettausfällen vor und erhält die Versorgung wichtiger Verbraucher aufrecht.

Ein weiterer Vorteil liegt in den Kosten. Die Kombination von fossilen Energieträgern und Strom sorgt häufig für messbare Einsparungen, da Kessel auf diese Weise effizienter arbeiten. Sie können am Regelenergiemarkt teilnehmen und profitieren von geringeren Emissionskosten wie der CO₂-Abgabe.

Vorteile finden sich darüber hinaus auch im Betrieb der Hybrid-Dampfkessel. So lässt sich der Anfahrprozess durch die elektrischen Heizpatronen optimieren. Dampf steht schneller zur Verfügung und Kondensationsprobleme durch niedrige Temperaturen bleiben aus. Letzteres schafft eine große Flexibilität bei der Wahl der Brennstoffe. Hier kommen auch solche zum Einsatz, die einen niedrigen Rauchgastaupunkt haben oder mit Bestandteilen versehen sind, die bei Kondensation zu Problemen führen.

Günstig ist darüber hinaus auch die Leistungsabdeckung. Da sich die Heizpatronen alternativ oder parallel einsetzen lassen, verfügen Hybrid-Dampfkessel über einen großen Regelbereich. Dieser ermöglicht es, sowohl geringe Teillasten als auch hohe Spitzenlasten flexibel abzudecken. Hinzu kommt die Tatsache, dass Brenner in Kombination mit den Heizpatronen weniger takten. Das reduziert den Verschleiß und spart Kosten.

Die größten Vorteile der Hybrid-Dampfkessel in der Übersicht:

• Betriebssicherheit (fossile Ausfälle und Brennerausfälle teilweise überbrücken)
• Kostenersparnis (Einsatz von Nachtstrom, Überschussstrom, Regelenergie)
• höherer Wirkungsgrad (günstiger und gleichmäßiger Brennerbetriebsbereich)
• großer Regelbereich (niedrige Teillasten und hohe Spitzenlasten flexibel decken)
• optimierter Anfahrprozess (keine Taupunktprobleme und flexible Brennstoffwahl)
• schnelle Verfügbarkeit (flexibles Anfahren mithilfe elektrischer Energie)
• geringerer Verschleiß (geringere Taktraten durch Einsatz der Heizpatronen)
• Klimafreundlichkeit (geringerer fossiler Verbrauch, weniger Schadstoffemissionen)

Arten, Aufbau und Funktionsweise der Hybrid-Dampfkessel

Hybrid-Dampfkessel sind in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Hersteller unterscheiden dabei zum einen die kombinierten Technologien zur Wärme- bzw. Dampferzeugung und zum anderen den Aufbau der Anlagen.

Hybridkessel für Dampf mit Brenner und elektrischen Heizpatronen

Geht es um Hybrid-Dampferzeuger, ist in der Regel ein Kessel mit Brenner und elektrischer Unterstützung gemeint. Die Anlagen nutzen Strom über Einschubheizkörper mit einer Leistung von bis zu 8 MW zur Unterstützung konventioneller Brenner. Letztere setzen dabei unter anderem auf Gas oder Heizöl. Infrage kommen aber auch Brennstoffe wie Wasserstoff, Flüssiggas, Schwach-, Klär- oder Biogas sowie Abfallprodukte aus der Industrie (Styrol, Toluol, Tierfett, Fischöl etc.).

Brenner und Heizpatronen sitzen dabei üblicherweise in einem Großwasserraumkessel. Dabei handelt es sich einfach beschrieben um einen großen, mit Speisewasser gefüllten Behälter. In diesem verlaufen Heizpatronen und Abgasrohre in mehreren Zügen, über die thermische Energie auf das Wasser übergeht.

Kombination aus Dampfkessel und Abhitzekessel in Hybridanlagen

Neben Hybrid-Dampfkesseln mit Brenner und Heizpatrone gibt es auch Lösungen, die einen Dampf- und einen Abhitzekessel kombinieren. Diese kommen ohne elektrische Heizpatrone aus, verfügen aber über einen zusätzlichen Zug im Wasserraum. Dieser ist nötig, um Rauchgase aus vorgelagerten Prozessen am Speisewasser vorbeiführen zu können, um dieses zu erhitzen. Genügt die Wärme der Abhitzequelle nicht mehr, schaltet die Regelung den konventionellen Brenner hinzu, um weiterhin ausreichend Dampf zu produzieren.

Interessant ist die Kombination aus Dampf- und Abhitzekessel insbesondere bei dem Betrieb von BHKWs. Die Blockheizkraftwerke erbringen dabei in der Regel die Grundlast, während konventionelle Brenner bei höheren Lasten thermische Energie zusteuern. Genau wie bei Hybrid-Dampfkesseln mit Heizpatronen sorgt das für eine höhere Effizienz und niedrigere Betriebskosten. Hinzu kommt die mögliche Platzersparnis gegenüber der Installation zwei einzelner Anlagen.

Kompakte Kombigeräte oder mehreren Wärmeerzeugern kombiniert

Neben den eingesetzten Technologien lassen sich Hybrid-Dampferzeuger auch nach ihrem Aufbau unterscheiden. So gibt es neben den oben vorgestellten Kombigeräten (Heizpatrone im Kessel) auch individuell zusammengestellte Lösungen. Diese setzen in der Regel auf Einzelanlagen, die einen gemeinsamen Verteiler speisen. Möglich ist es zum Beispiel, einen Dampfkessel und einen Elektro-Dampferzeuger parallel am Verteiler anzuschließen. Welche Anlage dabei zu welchem Zeitpunkt zum Einsatz kommt, entscheidet eine intelligente Regelung. Diese überwacht Leistungs- sowie Lastdaten und steuert die einzelnen Wärmeerzeuger (optional auch einen Dampfspeicher) effizient sowie zuverlässig.

Bild: Einschubheizkörper in einem Elektro- oder Hybrid-Dampfkessel

Während Kombigeräte vorwiegend bei Neu- und Ersatzinstallationen zum Einsatz kommen, eignen sich individuelle Lösungen auch im Bestand. So lässt sich ein konventioneller Dampfkessel mit einem zusätzlichen Elektrodampferzeuger hybridisieren.

Mögliche Leistungsbereiche und Dampfmengen der Kessel

Hybrid-Dampfkessel erreichen eine Leistung von bis zu acht Megawatt und produzieren dabei rund 10 Tonnen Dampf pro Stunde. Während es sich dabei um Standardwerte handelt, lassen sich Anlagen nach eigenen Anforderungen auch individuell herstellen. Der Fall ist das immer dann, wenn höhere Leistungs- oder Druckwerte gefragt sind. Alternativ lassen sich mehrere Dampferzeuger gemeinsam betreiben, um die Dampfleistung flexibel skalieren zu können.

Einsatzbereiche der hybriden Dampferzeuger mit Brenner und Heizstab

Die hohe Leistung ermöglicht es, Hybrid-Dampfkessel in verschiedenen Bereichen einzusetzen. So zum Beispiel in der Industrie, in Wäschereien oder Chemiebetrieben. Weitere Einsatzfelder finden sich im Lebensmittelbereich, in der Holzwirtschaft sowie in Kraftwerken und Biogasanlagen. Selbst Krankenhäuser, Labore und große Küchen setzen auf Dampf aus hybriden Anlagen, um den eigenen Bedarf zu decken.

Besonders interessant ist die Kombination aus Verbrennung und elektrischer Dampferzeugung dabei, wenn Überschussstrom zur Verfügung steht. Das ist unter anderem bei BHKW-Anlagen oder großen Photovoltaikflächen der Fall. Wer keinen Strom selbst produziert, kann dennoch von der Technik profitieren, wenn er flexible Strompreise (Nachtstrom oder in Zukunft auch flexibler EE-Strom) bekommt. Ist elektrische Energie günstig verfügbar, lässt sich Dampf sogar auf Vorrat erzeugen und vorübergehend in Dampfspeichern einlagern.

Flexible Stromlasten begünstigen den Ausbau regenerativer Energien

Die hohe Flexibilität der elektrischen Lasten ermöglicht einen raschen und sicheren Ausbau regenerativer Energien. Denn auf diese Weise können Netzbetreiber Lasten verschieben, um die Netzsituation auszugleichen. Ist Strom im Überschuss vorhanden, arbeiten die Anlagen dabei elektrisch auf Vorrat. Sind die Netze stark ausgelastet, lässt sich die elektrische Leistung hingegen drosseln. Durch den zusätzlichen Brenner für Öl, Gas und Co. bekommen Verbraucher davon in der Regel nichts mit.

Wichtig zu wissen ist, dass Anlagenbetreiber in der Regel eine Vergütung bekommen, wenn sie Netzbetreibern die steuerbare Energie zur Verfügung stellen. Voraussetzung ist, dass sie dabei am Regelenergiemarkt teilnehmen.

Voraussetzungen zum Anschluss der Hybrid-Dampferzeuger

Neben ausreichend Platz zur Installation kommt es auf die Verfügbarkeit der verschiedenen Energieträger an. Gas, Heizöl oder andere Stoffe müssen dabei mit hoher Qualität in der benötigten Kapazität vorhanden oder nachrüstbar (Gasanschluss, Öltank etc.) sein. Wichtig ist außerdem ein Stromanschluss, dessen Leistung der Heizleistung der Einschubheizkörper entspricht.

Individuelle Planung für zuverlässigen und wirtschaftlichen Betrieb

Genau wie bei konventionellen Dampferzeugern kommt es auch bei Hybrid-Dampfkesseln auf eine individuelle Planung an. Diese beginnt mit einer Aufnahme der Anforderungswerte.

• Welche Leistung ist zu erbringen?
• Wie muss der Dampf beschaffen sein?
• Wie viel Platz steht in der Anlage bereit?

Antworten auf diese Fragen helfen dabei, einen Anforderungskatalog aufzustellen und die Technik passgenau zu dimensionieren. Geht es um die Wirtschaftlichkeit, kommt es darüber hinaus auf die benötigten Energieträger an.

• Woher kommt der Strom für den Hybrid-Dampfkessel?
• Lässt sich Abwärme aus anderen Prozessen nutzen?
• Gibt es Reststoffe oder eigene Erzeugnisse, die als Energieträger infrage kommen?

Mit Antworten auf diese Fragen können Fachplaner Aussagen zu den möglichen Kosten und Einsparungen machen. Sie bewerten die Wirtschaftlichkeit und zeigen auf, ob es sich im individuellen Fall lohnt, einen Hybrid-Dampfkessel zu kaufen.

Regelmäßige Wartung sichert hohe Effizienz und lange Haltbarkeit

Auch wenn Hybridkessel in puncto Verschleiß im Vorteil sind, kommen auch sie nicht ohne regelmäßige Wartungsarbeiten aus. Neben Sichtprüfungen in kurzen Intervallen gehören dazu wiederkehrende Untersuchungen der sicherheitsrelevanten Komponenten. Zugelassene Überwachungsstellen (ZÜS) wie der TÜV oder die DEKRA führen dabei innere, äußere sowie Druck- und Festigkeitsprüfungen durch. Wie oft das erforderlich ist, hängt grundsätzlich von der Anlagengröße und der entsprechenden Gefährdungsbeurteilung ab. Anforderungen dazu finden sich unter anderem in der TRBS 1201 Teil 2 “Technische Regeln für Betriebssicherheit – Prüfungen bei Gefährdungen durch Dampf und Druck”.

FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Hybridkesseln für Dampf

Was ist ein Hybrid-Dampfkessel?

Ein Hybrid-Dampfkessel (auch Hybridkessel oder Hybrid-Dampferzeuger) ist ein Kessel zur Erzeugung von Dampf, der mehrere Technologien kombiniert. Üblich ist die Verbindung von Brennern und elektrischen Flanschheizkörpern. Während erstere verschiedene Energieträger und Reststoffe verbrennen, wandeln die Einschubheizstäbe elektrische Energie in thermische um.

Wo liegen die Vorteile der hybriden Dampferzeuger?

Hybrid-Dampfkessel emittieren weniger Schadstoffe. Sie schonen fossile Energieträger und erreichen höhere Wirkungsgrade. Überdies decken die Kombigeräte bei sinkenden Taktzahlen einen größeren Leistungsbereich ab. Sie fahren schneller ohne Kondensatprobleme hoch und sind bei technischen Defekten oder dem Ausfall fossiler Energieträger zumindest teilweise vor Stillständen geschützt. Ein weiterer Vorteil findet sich in den Betriebskosten. Sowohl Verbrauchs- als auch Wartungs- und Instandhaltungskosten fallen in der Regel niedriger aus als bei konventionellen Kesseln.

Für wen eignet sich ein Hybridkessel für Dampf?

Hybrid-Dampferzeuger eignen sich für Betriebe, die ihren CO₂-Ausstoß senken und ihre Sicherheit steigern wollen. Ebenso kommen die Anlagen für Nutzer infrage, denen Überschussstrom (z. B. PV-Strom) oder günstiger Zeitstrom (z. B. Nachtstrom) zur Verfügung steht.

Welche Energiequellen können kombiniert werden?

Typisch ist die Kombination von fossilen Brennstoffen und elektrischem Strom. Ebenso lassen sich aber auch konventionelle Dampf- mit Abhitzekesseln kombinieren. Im zuletzt genannten Fall befindet sich neben den Abgaszügen auch ein Abhitzestrang im Wasserraum des Kessels. Dieser leitet heiße Prozessabgase hindurch, um überschüssige Energie aus anderen Teilen der Anlage (etwa BHKW-Abgas) zur Dampferzeugung zu nutzen. Deckt die Abwärme den Leistungsbedarf nicht mehr, schaltet die Regelung den konventionellen Brenner hinzu.

Welche Bauarten von Hybrid-Dampfkesseln gibt es?

Grundsätzlich handelt es sich bei Hybridkesseln um Kombigeräte, die Brenner, Abgaszüge sowie Heizpatronen oder Abhitzestränge in einer Anlage kombinieren. Während diese für Neu- und Ersatzinstallationen infrage kommen, lassen sich auch funktionierende Bestandsanlagen hybridisieren. Dazu erweitern Fachhandwerker einen Dampfkessel mit einem Elektrodampferzeuger und einem Dampfspeicher (optional). Alle Anlagen sind parallel an einen Verteiler angeschlossen, über den sich die Verbraucher bedarfsgerecht mit Dampf versorgen lassen.

Wie viel Dampf lässt sich mit einem Hybridkessel erzeugen?

Die Leistung liegt im Durchschnitt bei etwa 8 MW, wodurch sich 1 bis 10 Tonnen Dampf pro Stunde erzeugen lassen. Bei höheren Leistungsanforderungen oder speziellen Bedingungen in Bezug auf Druck und Temperatur lassen sich Hybrid-Dampferzeuger auch individuell herstellen – entweder in Form von Kombigeräten oder als flexible Kombination verschiedener Wärme- und Dampferzeuger.

Welche Voraussetzungen sind für einen Hybrid-Dampfkessel zu erfüllen?

Neben ausreichend Platz und einem entsprechenden Brennstoffanschluss kommt es auch auf ausreichend Strom an. Nötig ist dabei ein 400 bis 690 Volt Anschluss mit der Anschlussleistung der eingesetzten Flanschheizkörper. Überdies kommt es auf eine individuelle Planung sowie Auslegung und eine wiederkehrende Wartung der Technik an.