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VerfahrenBiomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit ORC-Technologie
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ORC-Technologie - Grundlagen |
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Die ORC-Technologie
resultiert aus einer langjährigen Entwicklung mit dem Ziel, Solarenergie,
geothermische Energie sowie Energie aus Biomasse und Abwärme dezentral und sinnvoll zur
Wärme- und Stromerzeugung zu
nutzen.
Verfahren
Der ORC-Prozess
("Organic Rankine Cycle")* basiert auf einem dem Wasser-Dampf-Prozess ähnlichen
Verfahren mit dem Unterschied, dass anstelle von Wasser ein organisches
Arbeitsmedium verwendet wird.
*) benannt nach dem
britischen Ing. und Physiker William John Macquorn Rankine (1820-1872)
Arbeitsmedien
Für die in
Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gegebenen Rahmenbedingungen eignet sich
Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silikonöl sehr gut als Arbeitsmittel.
Dieses organische Arbeitsmedien besitzen günstigere Verdampfungseigenschaften
(niedrige Verdampfungstemperatur) bei tieferen
Temperaturen und Drücken. In d. R. wird z. B.
Silikonöl verwendet.
Leistungsbereich
Elektrische Leistung ab 200 kWh el
wirtschaftlicher Einsatz:
Elektrische Leistung: 500 bis 2.000
kWhel
Thermische Leistung: 3.000 bis 8.000 kWhth
Brennstoffbedarf: 6.000 bis 20.000 t/a
Vorteile
der ORC-Technologie:
- Ausgezeichnete
Teillastfähigkeit
- Technologiereife
(marktreife
Anlagen verfügbar)
- Kein
Dampfkesselwärter notwendig
- Hohe
Automatisierbarkeit
- Geringe
Instandhaltungskosten
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ORC-Anlage - Funktionsprinzip
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Biomasse wird z. B. in einem Biomassekessel verbrannt,
(Hackgut, Holzspäne, Energiegetreide, Getreideabfälle, Staub etc., aber auch
andere regenerative Energien und Abwärme etc.)
- das Rauchgas durchströmt einen Thermoölkessel
- Über
Thermoölkreislauf wird dem Dampferzeuger (Verdampfer)
Wärme zugeführt
- Silikonöl verdampft,
Dampf treibt Turbine an
- Turbine ist mit Generator gekoppelt, Generator
erzeugt Strom
- entspannter Dampf gelangt über Rekuperator in einen
Kondensator
- abgeführte Wärme wird für Heißwassererzeugung oder
Prozesswärme genutzt
- Kondensat wird über Pumpe wieder auf Betriebsdruck gebracht und
über den Rekuperator in den Verdampfer geleitet.
Thermoölkessel
dient zur Erzeugung von
Prozesswärme auf hohen Temperaturniveaus (Vorlauftemperaturen >150 °C bis 300
°C).
Im Unterschied zu
herkömmlichen Heißwasser- oder Dampfkesseln ist mit diesen Anlagen ein nahezu
druckloser Betrieb möglich (max. 10 bar).
Dies bringt vor
allem bei industriellen Anwendungen wirtschaftliche Vorteile. Strenge und
kostenintensive Überwachungspflichten fallen dadurch weg. Außerdem sind auch
keine speziell ausgebildeten und zugelassenen Dampfkesselwärter dafür
notwendig.
Einsatzenergien und Brennstoffe
- Solar- und
geothermische Energie
-
Hackgut, Holzspäne,
Energiegetreide, Getreideabfälle etc.
-
Staub etc.
Quelle: BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz
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Einbindung einer ORC-Anlage in ein
Biomasse-Heizkraftwerk (Beispiel) |
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Funktionsprinzip
>
Schema ORC-Prozess,
>
Bildbeispiel ORC-Modul*
*) Bildquelle:
http://www.gmk.info
Die von der
Biomassefeuerung (Biomassekessel) erzeugte Wärme wird über einen
Thermoölkessel* an den ORC-Prozess übertragen.
Thermoöl wird als
Wärmeträgermedium verwendet, da dadurch die für den Betrieb des ORC-Prozesses
erforderlichen Temperaturen (Thermoöl-Vorlauftemperatur 300°C) erreicht werden
können und gleichzeitig ein praktisch druckloser Kesselbetrieb (es ist kein
Dampfkesselwärter erforderlich) möglich ist.
Durch die vom
Thermoöl an den ORC-Prozess übertragene Wärme wird das eingesetzte organische
Arbeitsmedium verdampft.
Der Dampf gelangt zu
einer langsam laufenden Axialturbine, in der er unter Entspannung ins
Vakuum mechanische Arbeit leistet, die im direkt an die Turbine gekoppelten
Generator (kein Zwischengetriebe erforderlich) elektrische Energie
erzeugt.
Der entspannte Dampf wird einem
Regenerator zur internen Wärmerückgewinnung zugeführt, der den
elektrischen Wirkungsgrad erhöht.
Anschließend gelangt der
Arbeitsmitteldampf in den Kondensator.
Die von dort abgeführte Wärme kann
als Prozess- bzw. Fernwärme genutzt werden.
Über eine Pumpe wird das Kondensat schließlich wieder auf Betriebsdruck
gebracht und dem Verdampfer zugeführt. Damit ist der ORC-Kreislauf
geschlossen.
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Rauchgasreinigung
Das aus der Biomassefeuerung
austretende Rauchgas wird in einem Multizyklon grob gereinigt.
Danach wird es
einer Rauchgaskondensationsanlage zugeführt, in der ein Großteil der
noch im Rauchgas enthaltenen fühlbaren und latenten Wärme rückgewonnen wird,
die ebenfalls als Fern- und Prozesswärme genutzt werden kann.
Gleichzeitig wird es dabei
gewaschen und somit fein gereinigt und schließlich über den Kamin abgeführt.
Heißwasser-Temperaturen
Der ORC-Prozess ist so ausgelegt,
dass Heißwasser-VL-Temperaturen zwischen 80 und 100°C sowie Spreizungen
zwischen 10 und 30°C variabel gefahren werden können.
Die RL-Temperaturen liegen
dabei zwischen 55 und 70°C. Dadurch kann das erforderliche
VL-Temperaturniveau des Heißwasserkreislaufes an die Erfordernisse der
einzelnen Wärme- bzw. Kälteabnehmer optimal angepasst werden.
Hydraulik
Hydraulisch sollte dabei der
ORC-Prozess immer dem Rauchgas-Economiser vorgeschaltet sein, damit die
Heißwasser-Austrittstemperatur aus dem ORC-Prozess so niedrig wie möglich
gehalten werden kann.
Elektrischer
Wirkungsgrad
Je niedriger die erforderliche
Heißwasser-VL-Temperatur am Austritt aus dem ORC-Kondensator, desto höher
der elektrische Wirkungsgrad. |
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Wirkungsgrade und technische Daten des
ORC-Prozesses |
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Die Einbindung des ORC-Prozesses in
die Gesamtanlage erfolgte unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen
Stromproduktion bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen
Heißwasser-Vorlauftemperaturen der Wärmeabnehmer.
Elektrischer Wirkungsgrad
Die durch die Wärmeabnehmer und die
gewählte Anlagenverschaltung vorgegebenen Heißwasser-Temperaturen am
ORC-Kondensator im Nennauslegungsfall (Vorlauf 80°C; Rücklauf 60°C)
ermöglichen einen elektrischen Wirkungsgrad von 17,7%.
Teillastverhalten, Teillastwirkungsgrad
Da dezentrale
Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen normalerweise aus wirtschaftlichen wie
energetischen Gründen wärmegeführt betrieben werden sollten, kommt dem
Teillastverhalten und dem Teillastwirkungsgrad des ORC-Prozesses große
Bedeutung zu.
Dieser ist aufgrund der
eingesetzten langsam laufenden Axialturbine und aufgrund der thermodynamischen
Eigenschaften des eingesetzten organischen Arbeitsmittels als ausgezeichnet zu
beurteilen. |
Bei 40% der
Nennleistung beträgt der elektrische Wirkungsgrad noch immer 85% des
Volllastwirkungsgrades, was durch Messdaten an der Anlage Admont bestätigt
wurde.
Vorteil
Dieser Umstand
stellt einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu Dampfturbinen und
auch Dampfmotoren dar, bei denen ein stärkerer Wirkungsgradabfall im
Teillastbetrieb auftritt.
Turbine
Die Axialturbine, die im
ORC-Prozess eingesetzt wird, arbeitet mit einer geringen Umlaufgeschwindigkeit
und Drehzahl und daher geringer mechanischer Beanspruchung.
Sie ermöglicht dadurch auch einen
direkten Antrieb des Generators ohne Zwischengetriebe, wodurch der elektrische
Wirkungsgrad erhöht wird.
Durch das im Vergleich zu
Wasser-Dampf-Prozessen geringere spezifische Enthalpiegefälle beim Entspannen
ist eine einfache und zuverlässige Turbinenkonstruktion möglich.
Die genannten Faktoren führen zu
einer hohen Turbinenlebensdauer sowie einer hohen Verfügbarkeit der Anlage. |
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Sicherheit, Regelung |
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Sicherheitstechnische Aspekte
Besonders hervorzuheben sind die
hohen sicherheitstechnischen Aspekte der ORC-Anlage.
Alle Schweißnähte der Druckbehälter
der ORC-Anlage wurden vom TÜV 100% röntgengeprüft und druckgeprüft, wodurch
eine wiederkehrende Prüfung durch einen Technischen Überwachungsverein
entfällt.
Regelung
Die Regelung der ORC-Anlage erfolgt
über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die sowohl einen
automatischen An- und Abfahrbetrieb als auch eine Synchronisation an das
elektrische Netz ermöglicht.
Lastwechsel der Anlage werden
ebenfalls vollautomatisch über die Vorlauftemperatur des Wasserkreislaufes am
Kondensator geregelt. |
Es besteht keine
Anwesenheitserfordernis eines Betreibers, auch eine notwendige Abschaltung des
Aggregates wegen Störfällen wird von der Steuerung vollautomatisch
durchgeführt.
Dasselbe gilt für das Anfahren
der Anlage.
Im vorgewärmten bzw. noch warmen
Zustand kann die ORC-Anlage innerhalb von etwa 5 Minuten (nach Durchlaufen der
erforderlichen Sicherheitsabfragen) an das elektrische Netz gekoppelt werden.
Teillastbetrieb mit breiter
Modulation
Ein kontinuierlicher Betrieb der
ORC-Anlage ist zwischen 10% und 100% der Nennlast möglich. |
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Personalbedarf, Wartung und
Instandhaltung |
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Personalbedarf
Die Anbindung des
ORC-Prozesses an die Biomassefeuerung wird über einen Thermoölkreislauf
bewerkstelligt.
Der Wärmeträger
Thermoöl ermöglicht einen drucklosen Betrieb bei gleichzeitig hohen
Betriebstemperaturen, wodurch kein Dampfkesselwärter erforderlich ist.
Somit verringern
sich die Personalkosten im Vergleich zu Dampfanlagen.
Es entfällt zudem
die Wasseraufbereitung, die bei Wasser bzw. Dampf als Wärmeträgermedium
notwendig wäre.
Der beschriebene
Betrieb einer ORC-Anlage unterliegt nicht dem Dampfkesselbetriebsgesetz
sondern nur der Druckbehälterverordnung des Kesselgesetzes.
Zuverlässigkeit ORC-Aggregate zeichnen sich durch
eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Störungsanfälligkeit aus, was durch die
Erfahrungen aus dem langjährigen Einsatz auf dem Gebiet der Geothermie
bestätigt wird. |
Betriebskosten
Da der Kreislauf des ORC-Prozesses
geschlossen ist und somit keine Verluste des Arbeitsmittels auftreten, sind
die Betriebskosten gering.
Es fallen nur moderate Kosten für
Verbrauchsmittel (Schmiermittel), Instandhaltung und Personal an.
Durch die vollautomatische Regelung
ist ein praktisch unbemannter Betrieb des ORC-Prozesses möglich.
Wartung
und Instandhaltung
Hinsichtlich der erforderlichen
Wartung und Instandhaltung ist standardmäßig eine einmalige Routineüberprüfung
der Anlage pro Jahr durch die Herstellerfirma vorgesehen, die ein bis zwei
Tage dauert.
Eventuelle Störfälle sind über die
Prozessvisualisierung und automatische Betriebsdatenspeicherung via
Personalcomputer klar nachvollziehbar und werden dem Betreiber über ein
Telenot-System sofort mitgeteilt. |
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Entwicklungen
kleiner ORC-Anlagen zur Nachverstromung
ungenutzter Abwärme von BHKWs etc. |
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Das Prinzip des
ORC-Prozesses ermöglicht Stromgewinnung bei vergleichsweise niedrigen
Temperaturen auf Basis eines organischen Kältemittels als Arbeitsmedium.
Bereits ab einer
thermischen Eingangsleistung von 0,5 MW Abwärme und niedrigen VL-Temperaturen
von 120 bis 150 °C im Heißwasserkreislauf ist die Verstromung von Abwärme
sinnvoll.
Aus z. B. 800 kW th
Abwärme können immerhin noch ca. > 70 kWel
Strom gewonnen werden.
Elektrischen Wirkungsgrad
ηel =
ca. 18 %
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Nutzbare Abwärme
mit niedrigen Temperaturniveau
aus:
- Industrie
(Prozesswärme)
-
Bioenergie (Nachverstromung aus BHKWs)
(Biomasse, Biogas, Klärgas, Deponiegas)
-
Thermische Solarenergie als Quelle
(thermische Solaranlagen, Solarkraftwerke)
Prinzip ORC-Technologie:
Abwärme wird über einen Wärmetauscher (Thermoöl- oder Heißwasserkreislauf) geführt und
erhitzt das Kältemittel in einem geschlossenen ORC-Kreislauf. Dadurch wird
schon bei niedrigen Temperaturen ein hoher Dampfdruck aufgebaut.
Der Druck treibt eine Turbine an,
die ihrerseits mit einem Stromgenerator verbunden ist. Danach wird das Medium
über einen Luftwärmetauscher verflüssigt, abgekühlt und wieder dem
Verdampfungsprozess zugeführt.
Quelle:
http://www.koehler-ziegler.de |
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Neu!
ORC-Technologie mit Wasser statt Thermoöl zur
Verstromung von Abwärme |
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ORC-Technologie mit
Heißwasserkreislauf
Von den bis zu 50%
der weltweiten Industrieabwärme konnten bisher nur Abwärmequellen mit hoher
thermischer Leistung ab ca. 2.500 kW mit Temperaturen um 300 °C in der Praxis
für die Stromerzeugung genutzt werden, da es keine effizienten Lösungen gab.
Bosch KKW Systeme
bietet nun eine ORC-Anlage mit einer magnetgelagerten Entspannungsturbine ab
einer thermischen Leistung von 500 kWth und VL-Temperaturen von 90 bis 150 °C
an.
Im Gegensatz zu
herkömmlichen ORC-Anlagen wird bei der Zuführung
der Abwärme statt eines Thermoölkreislaufes ein Heißwasserkreislauf verwendet.
Bei der Verwendung
von Thermoöl kann nur ein geringer Teil der Abwärme zur Erzeugung von Strom
genutzt werden.
ORC-Anlagen mit
Heißwasserkreislauf nutzen zusätzlich Abwärme aus dem Niedertemperaturbereich
und sind somit in der Gesamtbetrachtung um bis zu 10 % leistungsfähiger als
thermoölbasierte Anlagen, trotz des kleineren elektrischen Wirkungsgrades (ηel
= 13 %). -> s. Beispiel
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Elektrischen Wirkungsgrad
ηel = 13 %
Beispiel: Strom
aus 800 kWth verfügbarer Abwärme
1. Wärmeträger
Wasser, elektr. Wirkungsgrad ORC η = 13%
800 kWth
Abwärme - 200 kWth nicht nutzbare Abwärme
= 600 kWth
x 0,13 = 77 kWel + Restwärme
2. Wärmeträger
Thermoöl, elektr. Wirkungsgrad ORC η = 18%
800 kWth
Abwärme - 400 kWth nicht nutzbare Abwärme
= 400 kWth
x 0,18 = 72 kWel + Restwärme
Als Arbeitsmedium im
ORC-Kreislauf wird das umweltfreundliche Kältemittel R245fa (Pentaflourpropan)
verwendet.
Wirtschaftlichkeit
Bei einer Betriebsdauer von ca.
8.000 h/a amortisieren sich die Investkosten lt. Hersteller schon nach ca. 4 bis 5 Jahren.
Quelle:
http://www.koehler-ziegler.de; VDI Nachrichten 21.10.11, Nr. 42
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Mini-ORC-Turbine |
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Zur Nutzung nicht
genutzter Abgas- und Motorabwärme aus vorhandenen BHKWs mit Gas- und
Dieselmotoren der Leistungsklasse 250 bis 500 kWel
entwickelt die LTi Adaturb GmbH Dortmund eine neue Mini-ORC-Turbine.
Damit lassen sich
zusätzlich je nach Turbine 30 bzw. 60 kWel
Strom gewinnen.
Der
Anlagenwirkungsgrad des ORC-Prozesses soll lt. Hersteller bei der Nutzung von
Abwärme bis zu 95°C bei ca. 10%, bei Nutzung der BHKW-Abgaswärme > 200°C bei
bis zu 20% liegen.
Bis 2009 soll der Feldtest
abgeschlossen sein.
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In Erprobung befinden sich
auch technisch unterschiedliche kleine ORC-Anlagen bis ca. 120 kWel:
- Dampfmotoren mit
einem ORC-Arbeitsmittel
- Schraubenmotoren
in ORC-Kreisläufen
- unterschiedliche
Turbinentypen
- unterschiedliche
ORC-Arbeitsmittel.
Wirtschaftlichkeit
Bei kleinen Anlagen lassen sich
Stromvergütungen in
der Summe bis ca. 0,21 €/kWh erzielen.
Entscheidend ist die Anzahl der
erreichten Betriebsstunden im Nennbetrieb. Anzustreben sind
Amortisationszeiten von ca. 6 Jahren.
Quelle:
SBZ 5/2009;energy 2.0 Juni 2008 www.energy20.net
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Für
wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen
Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung. |
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