ORC-Technik nutzt Niedertemperaturwärme

Abwärme zu Strom veredeln

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).

Mehr zum Projekt

ORC-Pilotanlage

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

DeVetec GmbH

Förderkennzeichen:

0327436A,C-F