ORC-Technik

Zur Wandlung von Wärme zu elektrischem Strom wir üblicherweise Wasser in einem Wasser-Dampfkreislauf betrieben. Dabei wird das Wasser mit einer Kreislaufpumpe im Kreis gepumpt. Dabei wird das Wasser in einem Wärmetauscher erhitzt und verdampft. In der dahinter geschalteten Turbine oder einem Schraubenexpander wird der heiße, kompromierte Wasserdampf entspannt und abgekühlt. Die dabei entzogene Wärme wird zunächst in mechanische Energie und dann in einem Generator zu elektrischer Energie gewandelt. Im Anschluss wird das immernoch teilweise gasförmige Wasser in einem Kondensator oder Kühlturm vollständig verfüssigt und abgekühlt. Danach wird das Wasser wieder der Pumpe zugeführt und wiederum komprimiert.

Ist die Temperatur der Wärmequelle zu niedrig, so wird der klassische Wasserdampf-Kreislauf ineffizient. Durch den Austausch des Arbeitsmediums zu einem Fluid mit niedrigerem Siedepunkt kann analog ein thermodynamischer Kreislauf aufgebaut werden. Durch die Wahl eines geeigneten Fluids können so zusätzliche Wärmequellen zur Stromerzeugung erschlossen werden. Diese Kresiprozesse werden als Organic Rankine Cycle (ORC) bezeichnet.

Heute kommt das Verfahren vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei der Nutzung von Rest- und Abfallwärme zum Einsatz. Die Entspannungsmaschinen (Turbine, Schraubenexpander, Dampfmotor/Hubkolbenexpander) werden typischerweise mit Silikonöl, Kältemittel oder brennbarem Gas wie z. B. Propan betrieben.

Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine zurück, einen schottisch-britischen Physiker und Ingenieur.

Die steigenden Anforderungen an Unternehmen und urbanen Regionen zur CO2 Reduktion führen zu größeren Investitionen in Technologien zur Nutzung von bisher ungenutzten (Ab)wärmequellen. Hierdurch wächst der Markt für ORC (Organic Rankine Cycle), als verfügbare Technologie zur Nutzung von Niedertemperaturwärme. Als Wärmequellen stehen die Geothermie, Biomasse und industrielle Abwärme zur Verfügung. Durch ORC kann der Wärmesektor mit dem Stromsektor gekoppelt werden.

Insgesamt ist das globale Potenzial der Abwärme beträchtlich. Indem wir diese ansonsten verschwendete Energie auffangen und nutzen, können wir die Energieeffizienz verbessern, die Treibhausgasemissionen reduzieren und einen nachhaltigeren Ansatz für den Energieverbrauch in verschiedenen Sektoren fördern.

ORC-Systeme bieten eine kosteneffektive und effiziente Lösung für die Rückgewinnung von Abwärme in verschiedenen Industriezweigen, darunter die verarbeitende Industrie, die Öl- und Gasindustrie, die chemische Industrie und die Zementindustrie. In diesen Sektoren fallen große Mengen an Abwärme an, und durch den Einsatz von ORC-Systemen können sie ihre Energieeffizienz verbessern, die Betriebskosten senken und ihre CO2-Bilanz verbessern.

Aufgrund der nicht ausreichend instrumentierten Betriebsanlagen sind Bilanzierungen und Optimierungen nicht oder nur eingeschränkt möglich. Ebenso ist der Umbau bestehender Anlagen aufgrund von Betriebseinschränkungen schwierig.

Die Auswahl des ORC-Arbeitsfluids ist zusammen mit der vorliegenden Temperaturspreizung des Prozesses ein wesentlicher Parameter zur Optimierung der Nettoleistung. Zusätzlich sind aber auch Umwelteinflüsse wie GWP und ODP der Arbeitsfluide zu berücksichtigen. Aufgrund unserer Untersuchungen haben wir für den Temperaturspreizung von 30°/150°C Propan als Arbeitsfluid ausgewählt.