ORC-Technik nutzt Niedertemperaturwärme

Abwärme zu Strom veredeln

Anlage mit Organic-Rankine-Cycle ORC

© DeVeTec GmbH

Wer Strom erzeugt oder industrielle Hochtemperaturprozesse betreibt, produziert Abwärme. Oft wird die Abwärme nicht verwertet, da keine wirtschaftliche Nutzung möglich scheint. Kleine Anlagen mit Organic-Rankine-Cycle (ORC) versprechen Abhilfe: Sie machen die Abwärme als Strom nutzbar, erhöhen die Wirtschaftlichkeit und senken den CO2-Ausstoß. Saarländische Forscher haben einen Motor entwickelt, der für ein breites Leistungsspektrum aus Niedertemperaturwärme sehr effizient Strom erzeugt.

Motoren wandeln etwa ein Drittel ihres Brennstoffs in Nutzenergie um. Zwei Drittel werden zu Abwärme. Zumeist verschwindet diese Wärmeenergie ungenutzt durch den Auspuff oder den Kamin. Das wollen Forscher aus Saarbrücken ändern. Seit 2004 arbeitet dort ein Spin-off-Unternehmen der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes im Auftrag der Autoindustrie.

Große deutsche Hersteller wollen die Wärme der Autoabgase in mobile Dampfkreisläufe führen, um so den Brennstoffverbrauch um rund ein Zehntel zu senken. 2007 kam der Diplomingenieur Michael Schmidt auf die Idee, mit dieser Technik in der Industrie die Stromausbeute zu erhöhen. „Viele Teile unseres Dampfexpansionsmotors kommen aus der Serienfertigung und ließen sich leicht für Wärmeströme aus kleinen Kraftwerken modifizieren.“ Seit 2009 gibt es eine Demonstrationsanlage an einem Grubengasmotor im nahen Kraftwerk Fenne. Inzwischen entwickeln 12 Mitarbeiter in Saarbrücken Dampfkreisläufe für Motoren und testen neue Teile über jeweils gut tausend Betriebsstunden in der Demoanlage.

Mehr Strom mit weniger Bauteilen

Abb. 1: Vergleich der Temperaturen in °C und der elektrischen Leistung (Pel ) von Turbine und Dampfexpansionsmotor. © DeVeTec GmbH

Stand der Technik, um Abwärme zu nutzen, sind ORC-Turbinen- Anlagen. Wegen ihres Thermoöl-Zwischenkreislaufs besitzen sie oft eine aufwendige Anlagentechnik. Fraunhofer-Forscher in Oberhausen haben Turbinen entwickelt, die ohne Thermoöl auskommen. Doch Turbinen verfügen über einen engen optimalen Betriebspunkt, was bei geringerer Auslastung im Teillastbetrieb zu deutlichen Einbußen im Wirkungsgrad führt.

Dagegen führt beim ORC-Prozess mit Dampfexpansionsmotor ein hohes Temperaturgefälle im Wärmetauscher (WT) zu einem höheren Gesamtwirkungsgrad, welcher eine doppelt so hohe Stromproduktion (Pel) bei gleichem Wärmeangebot erlaubt (Abb. 1). Das hohe Enthalpiegefälle des Motors begründet die hohe Effizienz. Das heißt: Es wird relativ viel in der Abwärme verfügbare Energie in nutzbare Energie überführt.

Energetisch interessant ist an beiden ORC-Modulen die weitere Nutzung der Abwärme: Das Kühlwasser aus dem Kondensator steht noch als Nutzwärme zum Trocknen oder Heizen zur Verfügung. Dadurch konnte an der Demonstrationsanlage des Dampfexpansionsmotors im saarländischen Fenne ein Gesamtnutzungsgrad von über 90% der eingesetzten Wärmeenergie nachgewiesen werden. Im Gegensatz zur Turbine hat sich gezeigt, dass hier ein und derselbe Motor für verschiedene Leistungsstufen zwischen 100 und 200 kW geeignet ist. Dadurch ist eine variable Abstimmung auf unterschiedliche Druck- und Temperaturniveaus möglich. Schmidt nennt eine Erfahrung aus Fenne: „Wenn im Sommer die Kühlwassertemperatur ansteigt, können wir das Expansionsverhältnis und somit die Leistung des Gaskolbenmotors anpassen. Eine Turbine müsste stillstehen.“

Organic-Rankine-Cycle (ORC)

Namensgeber war der schottische Physiker William Rankine (1820-1872), der als Mitbegründer der Thermodynamik gilt. Der ORC gleicht dem aus Kohlekraftwerken bekannten Dampfkreislauf. Nur wird hier das Arbeitsmittel Wasser durch ein organisches Arbeitsmittel ersetzt, das bei niedrigerer Temperatur verdampft und somit effizientere thermodynamische Eigenschaften als Wasser besitzt. Um größtmögliche Wirkungsgrade zu erreichen, bestimmt die Temperatur der Wärmequelle, ob Alkohole, (Silikon-)Öle oder Kältemittel eingesetzt werden. Sie ermöglichen auch mit Abwärme unter 600 °C, einen effektiven Dampfdruck auf die Entspannungsmaschine (Expansionsmotor oder Turbine) zu bringen, mit deren drehender Welle ein Generator Strom erzeugt. ORC-Technik kann sowohl Abwärme aus Industrieprozessen nutzen als auch aus erneuerbaren Energiequellen. In Frage kommen also sowohl Großbäckereien, Glas- und Papierfabriken, Stahl- und Zementwerke als auch Blockheizkraftwerke, die mit Biomasse, Bio-, Gruben- oder Deponiegas arbeiten sowie Erdwärme (Geothermie) oder Sonnenenergie (Solarthermie).

Demoanlage als Entwicklungszentrale

Layout der Demonstrationsanlage. © DeVeTec
Michael Schmidt hat ein Viertel der Entwicklungsarbeit der neuen ORC-Technik in die Regel- und Steuerungstechnik investiert. © BINE Informationsdienst

Der Kraftwerksstandort Fenne beheimatet eine der weltweit größten Motorenanlagen zum Verstromen von Grubengas, das hauptsächlich aus Methan (CH4) besteht. Es wird beim unterirdischen Steinkohlenbergbau frei und strömt auch aus stillgelegten Gruben. Die Demonstrationsanlage ging an einem der 14 Grubengasmotoren mit je 3 MW Leistung zu Beginn des Jahres 2009 in Betrieb. Aus dem Abgassystem wird Wärmeleistung von maximal 1,3 MW abgeleitet (in Abb. 2 rot markiert). Der Abgasstrom ist über 400 °C heiß. Die Wärme wird im 7 m hohen Verdampfer zu großen Teilen auf das Arbeitsmedium Ethanol übertragen. Es fließt im grün markierten Kreislauf. Das Ethanol wird bis zu 300 °C heiß.

„Jeder, der Ethanol hört, denkt an die Brennbarkeit“, weiß Michael Schmidt. „Aber das gilt für viele organische Arbeitsmittel. Wir haben in Fenne ein Viertel unserer Entwicklungsarbeit in eine Regel- und Steuerungstechnik investiert, die nun nach anerkanntem Industriestandard einen sicheren Betrieb ohne Beaufsichtigung erlaubt.“ Dabei gelten höchste Sicherheitsanforderungen, denn der Betrieb erfolgt in geschlossenen Räumen und das Kraftwerk untersteht dem Bergrecht. Das Kühlwasser strömt mit maximal 90 °C aus dem Kondensator (blau). Es steht zu weiteren Zwecken wie Heizung, Trocknung oder Kühlung (nach Adsorption) zur Verfügung. In Fenne wärmt das Kühlwasser das Kondensat für andere Kraftwerksblöcke vor.

Feldtest gestartet

An der Biogasanlage in Kirchwalsede hebt ein Kran die Wärmetauscher und die Kaminrohre als Dachkonstruktion auf den Standardcontainer mit ORC-Modul. © DeVeTec

„Für Abwärmeströme zwischen 200 °C und 500 °C haben wir einen hocheffizienten ORC-Prozess entwickelt, der in Deutschland für bis zu 500 Industriebetriebe und etwa 1.000 größere Blockheizkraftwerke mit einer Leistung über 1,2 MW geeignet ist“, sagt Schmidt zum beginnenden Feldtest mit vier verschiedenen Anlagentypen. „Unser Motor ist im Gegensatz zu Turbinen drehzahlunabhängig und daher für schwankende Wärmeströme auch im Teillastbereich gut geeignet. Wir können statt Strom auch mechanische Wellenleistung verkaufen, mit der sich zum Beispiel Druckluft aus Abwärme herstellen lässt.“

Der Feldtest wird zeigen, wie die Gesamtanlage viele Tausend Betriebsstunden durchsteht. Als Testanlagen sollen neben einer Biogasanlage bei Bremen die Abwärmeströme von Schmelzwannen in der Glasindustrie, von Gussöfen in der Metallindustrie sowie in der Chemieindustrie genutzt werden. „Alles mit bewährten Industriepartnern, damit wir 2013 wie geplant die Marktreife erreichen“, betont Schmidt. Dann sollen auch die sechs ORC-Module samt Dampfexpansionsmotoren an eine Metallgießerei nach Bad Kitzingen gehen, wo gerade ein vom Bundesumweltamt gefördertes Projekt begonnen hat. Durch die erstmalige großtechnische Umsetzung der neuartigen Anlagenkombination zur Abwärmenutzung will das Unternehmen seine CO2-Emissionen jährlich um über 8.000 Tonnen verringern. Durch den Einsatz der Dampfexpansionsmotoren statt der sonst üblichen Turbinen und den Einsatz von Ethanol statt Silikonöl als ORC-Arbeitsmittel kann neben elektrischem Strom auch Druckluft hergestellt werden.

Für den Feldtest bauen die Entwickler das ORC-Modul in einen standardisierten Container ein. Weil die Wärmetauscher außerhalb des Containers platziert werden, ist das System schnell an die jeweilige Wärmequelle adaptierbar. Schon bei der ersten Feldtestanlage „Kirchwalsede“, einer Biogasanlage bei Bremen, befinden sich nur die Komponenten im Container, die bei jeder neuen ORC-Anlage als Standard dienen. Dazu gehören das Maschinenbett mit dem Dampfexpansionsmotor sowie Generator, Ölkühlung, Pumpenstation, technische Lüftung und die Schaltschränke inklusive der eigenentwickelten Regelungs- und Bedieneinheit. Innerhalb des Containers befinden sich Maschine, Pumpe und Schaltschränke in getrennten Räumen. Dadurch sind alle Teile des ORC-Moduls separat begehbar. Der Motor ist so positioniert, dass er ohne größeren Aufwand und ohne Demontage des Generators über einen im Container befindlichen Mobilkran oder einen herkömmlichen Gabelstapler stirnseitig entnommen werden kann. Dies steigert die Wartungsfreundlichkeit sowie die Geschwindigkeit eines kompletten Austausches.

Um Grundfläche und somit auch die Gründung für die weiteren Komponenten wie Wärmetauscher oder Notkühler zu sparen, entwickelten die Saarländer eine separate Dachkonstruktion, die mit einem passenden Rahmen auf dem Container platziert wird. Der Container wurde entsprechend der Lastverteilung verstärkt, statisch neu berechnet und geprüft. Die Grundfläche der gesamten Anlage reduziert sich dadurch auf die Grundfläche eines 30-Fuß-Containers (9 m Länge).
 

Weiterer Forschungsbedarf

In einem Verbundprojekt mit einem Spezialchemiekonzern entwickeln die Saarbrücker neue ORC-Arbeitsmittel. Auf einem neuen Prüfstand sollen drei bis fünf getestet werden, die entweder bei Niedertemperaturen der Abwärme unter 150 °C oder über 450 °C funktionieren. Neue Arbeitsmittel sollen langlebig und stabil arbeiten, ohne umweltschädlich, toxisch oder entzündlich zu sein. „Hierbei gibt es keine Konkurrenz zu Turbinen. Daran sind alle ORC-Techniker interessiert“, meint Schmidt. „Das gilt auch für die Entwicklung besserer Wärmetauscher. Hier sehe ich zu wenige echte Innovationen.“ Zusammen mit einem Hersteller von Wärmetauschern sucht er nach einem Direktverdampfer für staubbeladene Rauchgase mit Temperaturen von über 600 °C. Gleichzeitig soll der Säureausfall im Rauchgas bei unter 130 °C vermieden werden, um den Korrosionsschutz zu verbessern. Dabei sollen neue Abreinigungs- und Filtersysteme für partikelbelastete Rauchgase helfen.

Vermarktung läuft

Inzwischen liegen genügend Betriebserfahrungen vor, um die Wirtschaftlichkeit des ORC-Dampfexpansionsmotors berechnen zu können. Angeschlossen an den Ofen einer Gießerei können aus einer Abwärme von 3 MW durch zwei Motoren mit je 200 kW Leistung 2,8 Mio. kWh Strom im Jahr erzeugt werden. Dadurch kann sich die ORC-Anlage in weniger als 5 Jahren amortisieren – bei Nutzung der Restwärme zum Heizen in weniger als 3 Jahren (Kalkulation mit 6,5 ct/kWh sowie Umlagen und Entgelte). Für Industriebetriebe ist zusätzlich attraktiv, dass die Anlage ohne Personalaufwand per Fernüberwachung betrieben wird. Die ORC-Anlage aus Saarbrücken synchronisiert sich vollautomatisch mit dem Stromnetz. Speziell bei diskontinuierlichen Abwärmeströmen ist dies zwingend erforderlich, damit die neue ORC-Technik ihre Vorzüge in der Praxis voll ausspielen kann.

Der Markt der verschwendeten Energie

Angesichts häufiger Klagen der Industrie über zu hohe Energiepreise klingt es wie Hohn: Der Marktwert der ungenutzten Abwärme in Deutschland übersteigt 25 Milliarden Euro im Jahr. Forscher haben errechnet, dass der Endenergieeinsatz für industrielle Prozesswärme mit gut 1.600 Petajoule (PJ) im Jahre 2007 etwa zwei Drittel des Endenergiebedarfs der deutschen Industrie betrug. Dabei entsteht fast überall Abwärme. Die Quellen sind vielfältig: Maschinen, die Wärme an die Umgebung abstrahlen; Abwässer aus Wasch-, Färbe- oder Kühlungsprozessen; Abgase aus Öfen und Motoren. Man schätzt für die deutsche Industrie ein technisch-wirtschaftliches Abwärmepotenzial bei Temperaturen größer 140 °C von 316 PJ pro Jahr oder 12 % des industriellen Endenergieeinsatzes und weitere 160 PJ pro Jahr zwischen 60 und 140 °C. Hierbei sind die Potenziale in kleinen und mittleren Unternehmen oder aus neuen Blockheizkraftwerken noch gar nicht berücksichtigt. Bei einer inländischen Energiegewinnung von etwa 4.000 PJ pro Jahr werden wahrscheinlich bis zu 1.000 PJ oder fast ein Viertel der in Deutschland gewonnenen Energie als Abwärme verschwendet.

Da die thermische Nutzung von Abwärme vielerorts an Grenzen stößt, ist es besonders attraktiv, aus der Abwärme vielseitiger zu verwendenden Strom zu gewinnen. Insbesondere mit ungenutzter Abgaswärme der Motoren von Blockheizkraftwerken, die mit (Bio-)Gas betrieben werden, lässt sich die Effizienz der Motoren erheblich verbessern. Die Entwickler neuer ORC-Module mit Turbinen oder Dampfexpansionsmotoren versprechen, die elektrische Leistungsausbeute zusätzlich zur Motorleistung um bis zu 14 Prozentpunkte zu steigern. So wollen die Forscher die Vision eines dezentralen Motoren- und Dampfkraftwerkes mit elektrischen Gesamtwirkungsgraden bis nahe 50% verwirklichen. Mit diesen „MuD-Kraftwerken“ kann sich die dezentrale Stromerzeugung mit zeitnah umsetzbarer Technologie den Wirkungsgraden moderner Großkraftwerke (GuD) annähern.

Auch klimapolitisch wäre viel zu gewinnen, wenn aus sonst „weggekühlter“ Abwärme Strom wird. Das Nutzen einer typischen industriellen Abwärmequelle von 2 MW kann über 4.000 t CO2 pro Jahr vermeiden. Um solche Abwärmequellen systematisch zu erschließen, entstehen in immer mehr Bundesländern öffentliche Verzeichnisse. In Sachsen entsteht ein „Abwärme-Atlas“ und im Saarland ein „Wärmesenken-Kataster“.

Mehr zum Projekt

ORC-Pilotanlage

Abschlussbericht als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

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