Mit Dampfkraft Strom erzeugen

Thermodynamisch basiert jeder Dampfkraftprozess zur Stromerzeugung auf dem gleichen Kreisprozess. Wasser wird unter Druck verdampft, in einer Turbine wieder entspannt und anschließend wird der Dampf wieder kondensiert. Dieser Kreisprozess wird Clausius-Rankine-Prozess bezeichnet. Der Organic-Rankine-Cycle-Prozess basiert ebenfalls auf diesem Funktionsprinzip. Der entscheidende Unterschied liegt im eingesetzten Arbeitsfluid, welches ein organisches Fluid statt Wasser ist. Erfahren Sie jetzt mehr zum ORC-Prozess und Technologien von GETEC.

Nachdem Themenschwerpunkte wie Energieeffizienz, CO2-Einsparungen und regenerative Energieversorgungen in den Fokus der Energiewirtschaft gerückt sind, wurde versucht, ungenutzte Potenziale für eine optimierte Energieerzeugung und Energieversorgung zu identifizieren. Dabei stand auch das Thema der industriellen Abwärmenutzung im Fokus der Untersuchungen, Entwicklungen und Forschungen. Es zeigte sich, dass ein sehr hohes Nutzungspotenzial im Bereich industrieller Abwärme, unabhängig des Temperaturniveaus, vorhanden ist. Allerdings liegt der Großteil der energetischen Ressourcen aus Abwärme in einem Temperaturbereich, in dem ein klassischer Clausius-Rankine-Prozess nicht ökonomisch sinnvoll betrieben werden kann. Durch den Einsatz organischer Arbeitsmittel beim ORC-Prozess gelingt es, die Wärmemengen auf niedrigerem Temperaturniveau für eine Umwandlung in Nutzenergie zu erschließen.

Der ORC-Prozess ermöglicht somit eine weitere Steigerung der Energieeffizienz im industriellen Sektor und trägt zur Schonung fossiler Brennstoff-Ressourcen und zur Senkung der CO2-Emissionen bei.


Entwicklung des ORC-Prozesses

Etablierte Hersteller von ORC-Anlagen verfügen mittlerweile über mehr als 30 Jahre Erfahrung bei der Entwicklung und Herstellung von ORC-Anlagen. Die Anlagentechnik erreicht daher hohe Verfügbarkeiten und ist individuell sowie vielseitig einsetzbar.

Der ORC-Prozess wurde entwickelt, um Wärme auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau für eine Stromerzeugung nutzbar zu machen. Ein klassischer Wasser-/Dampfkreisprozess benötigt ein relativ hohes Temperaturniveau, um die spezifisch notwendige Antriebsenergie für eine Verdampfung von Wasser aufzubringen. Der Wirkungsgrad des Gesamt-Prozesses hängt dabei stark von den Parametern Druck und Temperatur des Wasserdampfes, der in einer Turbine entspannt wird, ab.

Das eingesetzte Arbeitsmittel beim Organic Rankine Cycle besteht aus organischen Bestandteilen. Je nach Zusammensetzung des Arbeitsmittels variieren Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur. Generell liegen diese beiden Parameter jedoch weit unter den Verdampfungsparametern von Wasser. Somit lassen sich auch Wärmequellen mit niedriger Temperatur nutzen, da spezifisch weniger Energie für die Verdampfung aufgebracht werden muss.

Die ORC-Technologie wurde im Laufe der Jahre auf verschiedenste und zahlreiche Anwendungsgebiete angepasst, sodass aktuell ein breites Anwendungsfeld für ORC-Anlagen aufgebaut wurde. Durch Variation der Arbeitsmittel lassen sich speziell auf das vorherrschende Temperaturniveau der Wärmequelle abgestimmte Module herstellen, was somit den bestmöglichen Wirkungsgrad der Anlage ermöglicht.

Bei Hochtemperaturanwendung (Temperaturniveau um 300 °C) liegt der Wirkungsgrad von ORC-Anlagen etwa bei 20 %. Mit Spezialentwicklungen lassen sich auch Wirkungsgrade von 24 % erreichen.

Bei Niedertemperatur-Anlagen (Temperaturniveau zwischen 90 und 150 °C) liegt der Wirkungsgrad meist bei 6 bis 10 %.

Der elektrische Leistungsbereich bei ORC-Modulen reicht aktuell von Kleinanlagen mit < 100 kWel bis hin zu Großanlagen mit > 10 MW.



Funktionsprinzip des ORC-Prozesses

Der thermodynamische Kreisprozess entspricht im Wesentlichen dem Clausius-Rankine-Kreisprozess.

 

Im Wärmeübertrager wird das Arbeitsfluid mit Hilfe des wärmeübertragenden Mediums (Thermoöl oder Druckwasser) des Zwischenkreislaufes erhitzt und verdampft (1 → 2). Anschließend erfolgt die Expansion des überhitzten Dampfes in der Turbine (2 → 3). Die bei der isobaren Abkühlung des Dampfes abgegebene Wärme dient zur Vorwärmung des Arbeitsfluids im Regenerator (3 → 4). Im Kondensator wird der entspannte Dampf des Arbeitsmediums weiter gekühlt und kondensiert (4 → 5). Die Kondensationswärme wird entweder über Kühltürme abgeführt oder als Warmwasser für Heizzwecke weiterverwendet. Eine Pumpe erhöht wieder den Druck im Arbeitsmittel (5 → 6). Nach der Vorwärmung des Arbeitsfluids im Regenerator (6 → 1) wird das Arbeitsfluid im Verdampfer wieder verdampft und überhitzt. So schließt sich der Kreisprozess. Der Unterschied zum Clausius-Rankine-Kreisprozess ist die Einbindung eines zusätzlichen Wärmeübertragers, dem Regenerator, der für die Erhöhung des Wirkungsgrades wichtig ist.



Technische Besonderheiten, Vor- und Nachteile der ORC-Technologie

Wie vorherig bereits beschrieben, wird als Arbeitsmedium ein organisches Medium eingesetzt, welches bei sehr niedrigen Drücken und Temperaturen verdampft werden kann. Durch den Einsatz unterschiedlichster Fluide mit entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften lässt sich der Prozess optimal auf den gegebenen Anwendungsfall abstimmen. Dies garantiert stets den optimal möglichen Wirkungsgrad der ORC-Anlage.

Eine weitere Besonderheit von ORC-Modulen ist deren Kompaktheit. Sämtliche Komponenten, wie Verdampf, Turbine, Regenerator und Kondensator sind meist kompakt in einem Gehäuse (oder auf einem Stahlrahmen) installiert. Daher wird die thermische Antriebsenergie, die zur Verdampfung des Arbeitsmediums notwendig ist, meist über einen Zwischenkreislauf zum ORC-Modul transportiert. Als Wärmeträgermedium in diesem Zwischenkreislauf werden meist Thermalöle eingesetzt. Alternativ wird auch Druckwasser zum Wärmetransport von Abwärmequelle zu Organic Rankine Cycle eingesetzt.

Der ORC tritt bei der Stromerzeugung in Konkurrenz zur klassischen, weitentwickelten Technik der Dampfturbinen. Allerdings besitzt der Organic Rankine Cycle einige Vorteile, die die ORC-Technologie für viele Anwendungen interessant macht.

  1. Es können Temperaturniveaus von 90 °C bis 800 °C für eine Verstromung nutzbar gemacht werden.
  2. Da die Expansion nahezu flüssigkeitsfrei geschieht, kommt zu keinen Erosions- und Korrosionserscheinungen an der Turbine
  3. ORC-Anlagen besitzen ein sehr gutes Teillastverhalten. In Einzelfällen ist ein Betriebszustand bei 10 % der Nennlast möglich.
  4. Der Betrieb der Anlage läuft völlig automatisch und beaufsichtigungsfrei. Das ORC-Modul beinhaltet keinerlei Druckkörper nach TRD, die eine Beaufsichtigung erforderlich machen würden.
  5. Im Gegensatz zu Dampfturbinen ist das An- und Abfahren relativ simpel und anwenderfreundlich.
  6. Bei erzeugbaren elektrischen Leistungen unterhalb von 2 MWel erweisen sich ORC-Anlagen häufig als ökonomischer als herkömmliche Dampfturbinen

Den vorherig beschriebenen Vorteilen stehen jedoch ein paar Nachteile gegenüber.

  1. Es kann beim Einsatz von Thermoöl als Wärmeträgermedium zu Korrosionserscheinungen am Wärmeübertrager kommen.
  2. Bei hohen elektrischen Leistung (> 2 MWel) ist die Anlagentechnik relativ kostenintensiv.


Anwendungsgebiete der ORC-Technologie

ORC-Module sind vielfältig und sehr flexibel einsetzbar. Die nachfolgende Grafik zeigt das Einsatzgebiet der ORC-Technologie und deren Einordung bezüglich anderer Technologien im Bereich Umwandlung von thermischer Energie in Nutzenergie.



Nutzung industrieller Abwärme auf Hoch- und Niedertemperaturniveau

Der Einsatz von ORC-Anlagen zur industriellen Abwärmenutzung auf Hoch- und Niedertemperaturniveau zählt zu den Hauptanwendungsgebieten der ORC-Technologie. Abhängig von den Temperaturniveaus und vorhandenen Abwärmemengen wird die Wärme meist über einen Zwischenkreislauf zum ORC-Modul transportiert. Im Verdampfer gibt das Wärmeträgermedium seine Wärme ab und verdampft somit das organische Arbeitsfluid im ORC-Kreislauf. Als Wärmeträgermedium im Zwischenkreislauf werden zu meist Thermoöle oder Heißwasser eingesetzt.

Anwendungsgebiete finden sich daher nahezu in allen Industriezweigen, wo eine entsprechende Menge an Abwärme vorhanden ist. Beispielhaft sind insbesondere die Zementindustrie, die Glasindustrie und die Metallindustrie zu nennen.

Je nach Anwendungsfall können Abwärmemengen am gleichen Standort auf unterschiedlichen Temperaturniveaus vorhanden sein. Dafür wurde ein sogenanntes "Split"-System entwickelt, welches es ermöglicht, Wärmequellen auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus in einem ORC-Modul zu nutzen.

Eine weitere Entwicklung seitens der Hersteller von Organic Rankine Cycle Modulen ist die Eliminierung des Zwischenkreislaufes für den Wärmetransport. Der apparative Aufwand bei einem herkömmlichen Abwärmenutzungskonzept mit Zwischenkreislauf ist hoch und kostenintensiv. Daher entwickelten die Hersteller diverse Direktverdampfer. Damit wird das Medium, beispielswiese heiße Abgases, direkt durch den Verdampfer des ORC-Moduls geleitet. Der apparative Aufwand ist deutlich geringer. Da besonders bei Abgasen aus Verbrennungsprozessen und Herstellungsprozessen große Sorgfalt bei der Auskoppelung der thermischen Energie zu zeigen ist, bietet sich ein Zwischenkreislauf trotz höherem Aufwand an. Bei einem Direktverdampfer bestünde im ungünstigsten Fall die Gefahr der Korrosion und Schädigung des Verdampfers direkt am ORC-Modul.

Ein weitverbreitetes Anwendungsgebiet für ORC-Module ist der Einsatz in Biomasseheizkraftwerken. Dort werden Biomassefeuerungsanlagen mit ORC-Modulen kombiniert.

Die bei der Verbrennung der Biomasse anfallende thermische Energie wird über den Kessel auf einen Thermoölkreislauf übertragen. Der Thermoölkreislauf speist anschließend den Organic Rankine Cycle mit Wärme.

Mittels des notwendigen Kühlwassers für den ORC steht zudem Fernwärme zur Verfügung. Während ORCs für eine Abwärmenutzung mit Kühlwasser um die 25 °C gekühlt werden, um einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erreichen, wird in diesem Anwendungsfall der ORC mit 70 °C Wasser gekühlt und auf 90 °C erwärmt. Dadurch wird die abgeführte Kondensationswärme nicht über Kühltürme an die Umgebung abgegeben, sondern einer weiteren Nutzung zugeführt. Das erhöht den Gesamtwirkungsgrad der ORC-Anlage. Der erzeugte Strom kann zudem über das EEG vergütet werden.

Das sehr gute Teillastverhalten des ORCs erlaubt zudem eine unproblematische wärmegeführte Fahrweise des Heizkraftwerkes.

Bei der Geothermie liegen die für die Nutzung verfügbaren Temperaturniveaus bei 90 bis 150 °C. Die thermische Nutzung von Geothermie mittels Wärmepumpe ist im Privatsektor und in der Wohnungswirtschaft schon etabliert. Mit der ORC-Technologie und den einsetzbaren Arbeitsmedien ist es möglich, die Wärme trotz des niedrigen Temperaturniveaus in Strom umzuwandeln.

Der Wirkungsgrad des ORCs liegt dabei bei 6 bis 10 %, was ebenfalls durch die niedrigen Temperaturen bedingt ist.

Bei diesem Anwendungsfall wird die Abgaswärme einer BHKW-Anlage in einem ORC-Modul zur Stromversorgung genutzt. Dadurch erhöht sich die elektrisch erzeugte Leistung der Gesamtanlage.

Angewandt wird diese Kombination einerseits zur Vergrößerung der Erzeugungsleistung und andererseits wird die thermische Leistung des BHKWs bei nicht vollständiger Wärmeabnahme einer anderen Nutzung zugeführt. Dies kann unter bestimmten Bedingungen entscheidend für die Einhaltung des Hocheffizienzkriteriums sein, welches u.a. über die Zuteilung des KWK-Zuschlages für den erzeugten Strom des BHKWs entscheidet.



Organic Rankine Cycle Technologie von GETEC

Mit der ORC-Technik hat sich eine Technologie auf dem Energieanlagenmarkt etabliert, die sich sehr vielfältig und auf nahezu jeden Anwendungsfall individuell angepasst einsetzen lässt. Durch den Einsatz eines ORC-Moduls lassen sich sowohl energetische Synergien miteinander verknüpfen als auch wirtschaftliche Vorteile (KWK-Vergütung, EEG-Vergütung) generieren.

Die Anlagentechnik gilt als standfest und betriebssicher. Zudem zeichnen sich ORC-Anlagen durch ein sehr gutes Teillastverhalten aus, was das Anwendungsgebiet noch weiter verbreitert.

GETEC setzt auf diese Technologie ein. So sind aktuell mehrere ORC-Anlagen in Biomasseheizkraftwerken im Einsatz. Aber auch im Bereich der industriellen Abwärmenutzung verfügt GETEC über Referenzen.

Zukünftig wird die Forschung und Entwicklung im Bereich der ORC-Anlagen weiter voranschreiten und die Effizienz der ORC-Module weiter verbessern.

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