AEG Starkstrom-Anlagenbau Magdeburg

Leitfaden zur Bewertung von Micro Organic Rankine Cycle (ORC) Systemen im elektrischen
Leistungsbereich bis 200 kW!
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Vorwort
Die nachfolgenden Ausführungen sollen auf einfache Art erläutern, worauf potentielle Nutzer beim
Kauf von Micro Organic Rankine Cycle (ORC) Systemen für den Netzbetrieb achten sollten. Bei
unseren Recherchen zum Thema „Micro ORC - aktueller Stand“ stießen wir zum Teil auf Angebote,
Veröffentlichungen und Beiträge in denen technische Lösungen beschrieben wurden, die einem
„Perpetuum Mobile“ entsprechen. Für einen Laien ist es schwer seriöse von unseriösen Angeboten
zu unterscheiden. Wir haben Beiträge gefunden, in denen Wirkungsgrade von über 50%
versprochen wurden. Sicher gibt es in ORC Systemen Teilkomponenten, die einen solchen
Wirkungsgrad haben, aber eine ORC System als ganzes, wird nie einen annährenden Wirkungsgrad
erreichen können.
Daher brachten wir in den nachfolgenden Ausführungen zwei Parametern des Organic Rankine
Cycle sehr genau:
1. die Wirkungsgrade als ein rein technische Parameter zur Beschreibung des energetischen
Verhaltens eines Systems
2. die Amortisationszeit
Beide Parameter sind theoretisch eindeutig definiert, werden aber in der Literatur sehr
unterschiedlich ausgelegt. Der erste Parameter „der Wirkungsgrad“ ist ein rein technischer
Parameter, für den die Grundlagen in Abschnitt 1 erläutert werden. Der zweite Parameter „die
Amortisationszeit“ verbindet den Parameter Wirkungsgrad mit kaufmännischen Betrachtungen und
führt somit zu einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Investition. Der Parameter „Amortisationszeit“
wird erst im Abschnitt 4 nach der genauen Aufarbeitung der verschiedenen in der Literatur
verwendeten Wirkungsgrade und der Erläuterung der verschiedenen Technologien zur Realisierung
von Micro ORC Systemen beschrieben.
Anhand von einfachen Rechenbeispielen soll gezeigt werden, wie man die verschiedenen
Wirkungsgrade und damit eine einfache wirtschaftliche Abschätzung einer Investition durchführen
kann. Der Leser soll eine Übersicht erhalten, welche Kenngrößen eines Micro ORC Systems mit
einem Anbieter detailliert abzustimmen sind, um Angebote vergleichbar zu machen.
1
Thermodynamik als Grundlage für den Organic Rankine Cycle (ORC)
Um die Erläuterungen zu den Besonderheiten der Micro ORC Systeme verstehen zu können, werden
in diesem Abschnitt einige Grundlagen der Thermodynamik behandelt.
Die nachfolgenden Ausführungen sollen allgemeinverständlich die theoretischen Zusammenhänge
der Thermodynamik für diesen speziellen Fall erläutern. Daher werden keine Differenziale oder
Integrale Bestandteil der nachfolgend beschriebenen Gleichungen sein. Detaillierte Informationen
können in Thermodynamischer Literatur oder dem VDI Wärmeatlas nachgelesen werden.
1.1
Thermodynamische Kreisprozesse
Bei einem thermodynamischen Kreisprozess erfolgen mehrere Zustandsänderungen nacheinander
so, dass der ursprüngliche Zustand wieder erreicht wird. Einer der bekanntesten Kreisprozesse ist der
Carnot Prozess. Der Carnot Prozess beschreibt die Wärmekraftmaschinen, Kältemaschinen oder
Wärmepumpen.
In den Wärmekraftmaschine wird Wärmeenergie in kinetische Energie gewandelt. Die meisten
genutzten Wärmekraftmaschinen, wie Dampfmaschinen, Verbrennungsmotoren oder Turbinen
arbeiten periodisch und führen daher einen Kreisprozess aus. Auch der Clausius Rankine Cycle, wie
schon der Name sagt, gehört zu den periodisch arbeitenden Wärmekraftmaschinen. Eine
Sonderform des Clausius Rankine Cycle ist der Organic Rankine Cycle, dessen Besonderheiten im
Abschnitt 2 erläutert werden.
Bevor mit der Beschreibung des Clausius Rankine Cycle als Beispiel für eine Wärmekraftmaschine
fortgefahren wird, werden zu nächst einige Begriffe, die für das Verständnis notwendig sind
erläutert.
Berlin, 10.09.2007
Leitfaden.doc
Die spezifische Enthalpie h beschreibt den Energiegehalt eines Mediums und wird in der Einheit
kJ/kg oder kWh/kg angegeben. Die spezifische Enthalpie ist ein Maß für den Energiegehalt in
Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Man kann sagen, jedes Medium hat bei jedem Druck
und jeder Temperatur eine andere spezifische Enthalpie.
Die spezifische Entropie s beschreibt die thermodynamische Wahrscheinlichkeit des jeweiligen
Zustands und wird in kJ/kg*K oder kWh/kg*K angegeben. Die spezifische Entropie ist nur also
Entropieänderung messbar. Mit der Feststellung, dass die Entropie immer größer gleich Null sein
muss, wird der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Einfach umschrieben besagt der
zweite Hauptsatz, dass die Wärme ohne Energiezufuhr immer von heiß nach kalt fließt.
Die Verdampfungsenthalpie r ist die Energie die einem Medium zugeführt werden muss, um dieses
zu verdampfen und wird in kJ/kg oder kWh/kg angegeben. Die Verdampfungsenthalpie ist die
Differenz aus den spezifischen Enthalpien von gasförmigem und flüssigem Medium bei einem
bestimmten Druck bzw. einer bestimmten Temperatur.
Die Wärmemenge Q ist das Produkt aus dem Massenstrom m und der Änderung der spezifischen
Enthalpie ∆h oder dem Massenstrom m, der spezifischen Wärmekapazität cp und der
Temperaturänderung ∆T. Die Wärmemenge wird in kWh angegeben.
Q = m ⋅ cp ⋅ ∆T = m ⋅ ∆h
Die Arbeit W der Wärmekraftmaschine beschreibt die mechanische Energie, die am Expander
abgenommen werden kann. Die Arbeit wird ebenfalls in kWh angegeben.
1.2
Der Clausius Rankine Cycle
Der Clausius Rankine Cycle läuft zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke ab und kann
dabei mechanische Energie erzeugen. In Bild 1-1ist dies in einem T-s Diagramm verdeutlicht.
Bild 1-1 Darstellung des Clausius Rankine Cycle in einem T-s Diagramm
In Bild 1-1 ist der Clausius Rankine Prozess (rot) als Kreisprozess zwischen der Wärmequelle und der
Wärmesenke dargestellt. Die Arbeit (grüner Pfeil) wird aus der isentropen Expansion, dargestellt
durch den Sprung von Punkt B nach C1, gewonnen. Die gesamte rot umrandete Fläche stellt die
notwendige thermische Energie dar.
Der Kreisprozess kann einfach wie folgt beschrieben werden, wenn man in Pkt. A mit der
Beschreibung beginnt:
Im Pkt. A hat das Arbeitsmedium bei einer bestimmten Temperatur (die sich auf Basis der
Wärmequelle einstellt) und einem zugehörigen Druck einen Energiegehalt hA. Bei der isothermen
Expansion (von Pkt. A nach Pkt. B) bleiben die Temperatur und der Druck des Arbeitsmediums
gleich. Die aufgenommene Energie aus der Wärmequelle führt zu einer Verdampfung des
Arbeitsmediums bei gleichzeitiger Erhöhung der Enthalpie des Arbeitsmediums um die
Verdampfungsenthalpie r auf die Enthalpie hB. Theoretisch würde die Wärmequelle ebenfalls
isotherm (unendliche Wärmequelle) verlaufen, was in der Realität selten der Fall sein wird. Eine
solche unendliche Wärmequelle ist die solare Wärmequelle.
2
Im Pkt. B ist das gesamte Arbeitsmedium verdampft und wird isentrop nach Pkt. C (C1) expandiert.
Bei der isentropen Expansion wird durch den Expander (Turbine, Kolbenmaschine, Schraubenmotor
usw.) die Enthalpie ∆h des Arbeitsmediums in Arbeit W gewandelt. Dadurch verändert sich die
Prozesswerte aller thermo-physikalischen Eigenschaften des Arbeitsmediums wie Enthalpie, Druck
und Temperatur. Theoretisch sollte die Expansion ohne Entropieanstieg ∆s=0 ablaufen, was einen
Expanderwirkungsgrad von ηex =100% (siehe Abschnitt 1.3) voraussetzt. Daher findet die Expansion
in Abhängigkeit vom Expanderwirkungsgrad ηex nach Pkt. C1 statt. Die Expansionslinie im T-s
Diagramm ist um so steiler, je höher der Expanderwirkungsgrad ist.
Die isobare Kompression von Pkt. C1 nach C findet durch Wärmeentzug über die Wärmesenke
statt.
Bei der Isothermen Kompression (von Pkt. C nach Pkt. D) wird dem Arbeitsmedium weitere Wärme
über die Wärmesenke entzogen. Dadurch verflüssigt sich das Arbeitsmedium bei gleichzeitig
sinkender Enthalpie auf hD. Zum Wärmeentzug wird in der Regel eine Kühlung eingesetzt, für die
ebenfalls Arbeit aufgewandt werden muss.
Das Arbeitsmedium ist in Pkt. D komplett verflüssigt und durch die isentrope Kompression nach Pkt.
A wird der Kreisprozess geschlossen. Theoretisch findet auch diese Kompression ohne
Entropiezuwachs (∆s=0) statt. Auf Grund der thermo-physikalischen Eigenschaften der
Arbeitsmedien ist eine Entropieanhebung entsprechend Bild 1-1 unumgänglich.
1.3
Theoretische Wirkungsgrade im Kreisprozess
Entsprechend der in Abschnitt 1.2 beschriebenen Wirkungsweise des Kreisprozesses können
folgende Wirkungsgrade an einem solchen definiert werden. (Nachfolgend werden keine
Herleitungen dargestellt, da diese in der einschlägigen Literatur nachgelesen werden können.)
Der theoretisch maximale Wirkungsgrad des Carnot Kreises wird durch den Carnot Wirkungsgrad ηC
ηC =
T
W QH + QK
=
= 1− K
QH
QH
TH
Formel 1-1
beschrieben. Die einzelnen Faktoren haben folgende Bedeutung:
•
•
•
•
QH
QT
TH
TK
Energie der Wärmequelle die auf das Arbeitsmedium übertragen wird [kWh]
Energie der Wärmesenke die dem Arbeitsmedium entzogen wird [kWh]
Verdampfungstemperatur [K]
Verflüssigungstemperatur [K]
3
In Bild 1-2 ist der Carnot Wirkungsgrad als theoretisch maximal möglicher Wirkungsgrad eines
Kreisprozesses über der Verdampfungstemperatur TH für verschiedene Verflüssigungstemperaturen
TK dargestellt.
60%
Carnot Wirkungsgrad
50%
40%
TK=10°C
30%
TK=20°C
TK=30°C
20%
TK=40°C
TK=50°C
10%
100
200
300
Verdampfungstemperatur TH[°C]
Bild 1-2 Carnot Wirkungsgrad in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur
Aus Bild 1-2 können folgende Thesen abgeleitet werden:
1. Der Carnot Wirkungsgrad ist um so größer, je größer die Verdampfungstemperatur TH ist.
2. Der Carnot Wirkungsgrad ist um so größer, je kleiner die Verflüssigungstemperatur TK ist.
Der Carnot Wirkungsgrad vernachlässigt die thermodynamischen Eigenschaften des
Arbeitsmediums und die thermodynamischen Verluste bei der isentropen Expansion und isothermen
Kompression. Desweiteren wird von unendlichen Wärmequellen- und Wärmesenken ausgegangen.
Daher können folgende weitere theoretischen Wirkungsgrade aus dem T-s Diagramm abgeleitet
werden:
• thermischer Wirkungsgrad ηth
• Expanderwirkungsgrad ηm
Der Carnot Wirkungsgrad ist ein sehr theoretischer Wirkungsgrad, der praktisch nie erreicht werden
kann. Einen wesentlich praxisnäheren Wirkungsgrad stellt der thermische Wirkungsgrad ηth dar, der
die thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmediums berücksichtigt. Dieser Wirkungsgrad ist
min. 30% geringer als der Carnot Wirkungsgrad. Der thermische Wirkungsgrad stellt eine technische
Obergrenze bei der Umsetzung des Kreisprozesses dar. Da im Organic Rankine Cycle mit
„beliebigen“ Arbeitsmedien gearbeitet wird, geht der Abschnitt 3.3 detaillierter auf dieses Thema
ein. Der thermische Wirkungsgrad ηth kann nicht mit einfachen mathematischen Mitteln berechnet
werden, da die thermo-physikalischen Eigenschaften des Arbeitsmediums stark nichtlineare
Funktionen von Druck und Temperatur sind.
Der Expanderwirkungsgrad ηex definiert die Güte des im Kreisprozess eingesetzten Expanders. Durch
verschiedenste
Verluste im Expander, wie Reibung, Schmierung usw. wird
der
Expanderwirkungsgrad ηex immer kleiner 100% sein. Daher wird die Expansion entsprechend Bild 1-1
immer von Pkt. B nach Pkt C1 und nicht direkt nach C verlaufen. (siehe Abschnitt 3.4)
Aus dem Produkt des thermischen Wirkungsgrads ηth und dem Expanderwirkungsgrads ηex ergibt
sich der mechanische Wirkungsgrad η m = η th ⋅ η ex =
W
. Der mechanische Wirkungsgrad ist ein Maß
QH
für den Wirkungsgrad des reinen Arbeitsmedienkreises ohne Berücksichtigung aller Verluste. Für die
Definition des Gesamtwirkungsgrades eines Micro ORC Systems sind weitere Wirkungsgrade zu
berücksichtigen, die in den nachfolgenden Abschnitten erläutert werden.
4
1.4
Zusammenfassung
Um thermodynamische Prozesse besser verstehen zu können, muss man als erstes akzeptieren, das
Wärmemenge nicht gleich Wärmemenge ist, sondern die Wärmemenge Q mit einer höheren
Temperatur höherwertig ist als mit einer geringeren Temperatur.
Daher sollte die Verdampfungstemperatur im Kreisprozess immer so hoch wie möglich gewählt
werden. Die Grenze für die Verdampfungstemperatur sollte durch die Wärmequelle und nicht
durch Anlagenteile bestimmt sein.
Die Verflüssigungstemperatur sollte immer an die Umgebungsbedingungen angepasst werden, um
die nutzbare Arbeit zu maximieren.
2
2.1
Was ist ein Organic Rankine Cycle (ORC)?
ORC Grundlagen
Der Organic Rankine Cycle ist ein Clausius Rankine Prozess, bei dem an Stelle von Wasser ein
organisches Medium als Arbeitsmittel eingesetzt wird. Als organische Arbeitsmedien werden neben
den Kohlenwasserstoffen auch immer stärker synthetische Arbeitsmedien wie Siliconöle eingesetzt.
In Abhängigkeit vom eingesetzten Arbeitsmedium und der Wärmequelle können entsprechend
Abschnitt 3.1 zwei ORC Strukturen unterschieden werden. Da ganz eindeutig der Trend zu
sogenannten „trockenen Arbeitsmedien“ geht, ist in Bild 2-1 die Struktur für einen Micro Organic
Rankine Cycle mit Rekuperator dargestellt. Die Funktion des Rekuperators besteht darin, die
thermische Energie des trockenen Arbeitsmediums nach der Expansion zur Vorwärmung des
verflüssigten Arbeitsmediums zu nutzen. Bei sogenannten feuchten oder leicht trockenen (siehe
Beispiel 2 in Abschnitt 3.1) Arbeitsmedien kann der Rekuperator entfallen.
Bild 2-1 Schematische Darstellung eins Micro ORC Systems mit Wärmequelle, Wärmesenke für
trockene Arbeitsmedien
In Bild 2-1 wird deutlich, das weitere Komponenten mit dem zugehörigen Wirkungsgrad zur
Bewertung eines gesamten Micro ORC Systems zu betrachten sind:
• Generatorwirkungsgrad
• Eigenbedarfswirkungsgrad
Der Generatorwirkungsgrad beschreibt die Güte des Generators und liegt bei modernen Geräten
zwischen 95 und 99%. An dieser Stelle werden alle ORC System Hersteller auf Standardprodukte von
etablierten Generatorherstellern zurück greifen.
Der Eigenbedarfswirkungsgrad beschreibt das Verhältnis aus Klemmleistung zu Generatorleistung.
Die Klemmleistung stellt die Leistung dar, die von dem System ins Stromnetz gespeist werden kann.
An dieser Stelle ist die Gesetzgebung nicht eindeutig. Als Klemmleistung kann die reine
netzsynchronisierte Generatorleistung aber auch die netzsynchronisierte Leistung abzüglich jedes
5
beliebigen Verbrauchers von der Auskopplung der Wärmequelle bis zur Wärmesenke bezeichnet
werden. Daher sollte jeder Nutzer genau hinterfragen, wie die Klemmleistung des ORC Systems sich
zusammensetzt. Weitere Informationen zu den Eigenleistungen befinden sich im Abschnitt 4.2.
In der Beispielberechnung in Abschnitt 4.3 wird die vergütete Leistung abzüglich aller im ORC
System auftretenden Verluste berechnet. Für die Berechnung des Eigenbedarfswirkungsgrades
kann die Klemmleistung gleich der vergüteten Leistung gesetzt werden.
2.2
Ist der Organic Rankine Cycle (ORC) eine getestete und genutzte
Technologie?
Ja, ORC wird seit über 40 Jahren eingesetzt und es existieren weltweit 3.000 Installationen im
Leistungsbereich von 300 bis 7.000 kW elektrische Leistung, die teilweise seit über 20 Jahren rund um
die Uhr arbeiten. Vor allem in unwegsamen Regionen und unter unwirtlichen
Umgebungsbedingungen wie auf Öl- und Gasplattformen sind ORC Systeme im Einsatz. Ein Grund
dafür ist der robuste Aufbau und die daraus resultierende störungsfreie und wartungsarme
Arbeitsweise.
2.3
Zusammenfassung
ORC Systeme sind auf Grund des prinzipiell einfachen Aufbaus sehr robust und wartungsfrei.
Potentielle ORC Nutzer sollten genauestens prüfen, welche Verluste in die Klemmleistung
eingerechnet werden. Die Klemmleistung ist in der Regel die Basis für die Berechnung der
Amortisationszeit, da diese als vergütete Leistung gesetzt wird. Einige Anbieter argumentieren, dass
die Einspeisevergütung je kW höher ist als die Einkaufskosten für den Eigenbedarf je kW. Es sollte
beachtet werden, dass keine Preisgarantie für den für den Stromzukauf, wie für die
Stromeinspeisung besteht.
3
Technologische Ansätze zur Umsetzung von ORC Systemen
In den nachfolgenden Betrachtungen gehen wir von einer Hochtemperatur Wärmequelle aus, wie
sie Abgasströme von Gas- oder Dieselmotoren darstellen. Für Niedertemperaturquellen unter 200°C
müssen die genannten Vor- und Nachteile nicht zwingend zutreffen.
3.1
Grundkonzepte
Das Grundkonzept eines gesamten Micro ORC Systems ist immer gleich und besteht aus folgenden
Anlagenteilen:
•
•
•
•
•
•
•
•
Verdampfer mit Wärmeentnahme aus einem thermischen Prozess
Arbeitsmedium
Expander mit Generator
Verflüssiger mit Wärmesenke
Konzept der Netzanpassung
Pumpe
Rekuperatur (siehe Beispiel 1)/ Zusätzliche Wärmeeinspeisung (siehe Beispiel 2)
Regelung / Steuerung
Da wir in dieser Betrachtung nur von Wärmequellen oberhalb von 200°C ausgehen, sollten die
Verdampfer nicht direkt in den Abgasstrom der thermischen Quellen moniert werden. Daher macht
es Sinn die thermische Quelle durch eine Thermoölkreis vom Verdampfer zu entkoppeln.
Nachfolgend werden zwei Konzepte genauer untersucht, die sich schon im Grundansatz stark
unterscheiden. Um die Konzepte ohne Bezug auf eine bestimmte Wärmequelle besser vergleichen
zu können, werden die Prozesswerte normiert und die des Beispiels 1 auf 100% gesetzt.
6
Beispiel 1
trocken z.B. Hexan C6H14
210°C
50°C
100%
100%
100%
100%
100%
22%
Abgaswärme
Luftgekühlter Kondensator
Turbogenerator
über Inverter
Ja
einfach
Beispiel 2
Arbeitsmedium
Verdampfungstemperatur
Kondensationstemperatur
Normierte Energieentnahme QH
Normierter Massenstrom m
Normierte Enthalpieänderung ∆h
Normierte mech. Leistung W
Normierte Kühlleistung QK
Mechanischer Wirkungsgrad ηm
Wärmequelle
Wärmesenke
Expander
Netzsynchronisation
Modulbauweise
Nachrüstung
trocken z.B. Iso-Butan C4H10
120°C
40°C
100% + 44% (Motorkühlung)
180%
40%
84%
160%
13%
Abgaswärme und Kühlwasser
Wassergekühlter Kondensator
„Schraubenmotor“ mit Generator
über Regelventil
Nein
Komplex, da Eingriff in Motorkühlung
In den dargestellten T-h- Diagrammen entsprechen die dargestellten Kreuze den einzelnen in
Abschnitt 1.1 beschriebenen Kreisprozessschritten. Das hellblaue Kreuzchen entspricht einer
isentropen Expansion bei ∆s = 0.
7
3.2
Die Wärmeentnahme
Bei einem Gas- oder Dieselmotor, die in dieser Arbeit als Wärmequelle im Focus stehen, sind zwei
Arten von Energieentnahmen möglich:
1. im Abgas auf einem sehr hohen Temperaturniveau von zwischen 200... 280°C in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit des Ölstroms
2. im Motorkühlwasser auf einem Temperaturniveau von max. 85°C
Für die Wärmeentnahme im Abgas gibt es zwei Schwerpunkte, auf die ein Nutzer achten sollte:
1. Die Beachtung von abgasspezifischen Parametern wie
• Gaszusammensetzung,
• Partikelbelastung,
• Kondensationstemperaturen
und verfahrenstechnische Parameter der Wärmequelle, die häufig nur einen bestimmten
Druckabfall im Abgaskanal zulassen (in der Regel 40...50 mbar). Auf Grund der
abgasspezifischen Parameter müssen folgende Punkte bei der Auslegung beachtet werden:
•
•
•
•
•
Minimal Ausgangstemperatur des Abgases (Kondensation von gefährlichen Flüssigkeiten)
Oberflächengestaltung des Wärmetauschers (Festsetzen von Partikeln)
Wartungsklappen
Isolation
Material des Wärmetauschers
Gerade die minimale Ausgangstemperatur wird häufig bei Effizienzberechnungen von ORC
Anlagen außer Acht gelassen, da die maximale thermische Energie dem Abgasstrom
entnommen werden soll.
2. Die Beachtung der DIN 4754 „Wärmeübertragungsanlagen mit organischen Wärmeträgern“ mit
TÜV Zulassung und der VDI 3033 „Betreiben, Warten und Instandsetzen von
Wärmeübertragungsanlagen mit organischen Wärmeträgern“
Diese Punkte sollten in einem Angebot explizit erwähnt sein.
Eine zusätzliche Entnahme von thermischer Energie aus dem Motorkühlkreis entsprechend Beispiel 2
hat zur Folge, das bei einer Nachrüstung ein Eingriff in den vorhandenen Kühlkreislauf notwendig ist.
Bei einer Neuinstallationen kann die Nutzung der Motorwärme im ORC Kreis zu einer Verringerung
der zu installierenden Motorkühlleistung führen. Durch die Einbindung des ORC Systems in die
Motorkühlung sind Motor und ORC Kreis nicht mehr entkoppelt. Daher können Störungen oder ganz
normale Betriebszustände des ORC Systems zu gravierenden Störungen im Motorbetrieb führen.
Besonders Wirkungsgradsteigernd wirkt sich die Nutzung der Motorabwärme bei Absenkung der
Kondensationstemperatur im Beispiel 2 aus. Bei einer Kondensationstemperatur um 10°C ist der
mechanische Wirkungsgrad gleich dem des Beispiels 1 (siehe Abschnitt 4.3). Dabei ist zu beachten,
das die Kühlleistung für die Erzeugung der Wärmesenke wesentlich größer auszulegen ist.
Natürlich können mehrere Wärmequellen über die Zusammenschaltung von Ölkreisen zum Betrieb
einer ORC Anlage genutzt werden (siehe Bild 3-1). Dies macht nur für ein Konzept entsprechend
Beispiel 1 Sinn, da die Zusammenführung der Wasserkreise nicht möglich ist.
Gasmotor
Gasmotor
Gasmotor
MG
Bild 3-1 Darstellung der Speisung eines ORC Systems aus 3 Wärmequellen
8
Zusammenfassung:
Technisch können beide genannten Wärmequellen des Motors zum Betrieb des ORC Systems
genutzt werden, aber nur die Wärmeentnahme im Abgasstrom entkoppelt 100%-ig Motorbetrieb
vom ORC Betrieb. Durch die Nutzung der Motorabwärme erhöhen sich die Wirkungsgradeffekte bei
Absenkung der Kondensationstemperatur so weit, bis die gesamte Motorabwärme im ORC Kreis
genutzt wird.
3.3
Arbeitsmedium
Ein bestimmendes Element im Micro Organic Rankine Cycle ist das verwendete Arbeitsmedium.
Das Arbeitsmedium ermöglicht mit seinen thermo-physikalischen Eigenschaften die Anpassung des
ORC Systems an die Wärmequelle.
Zwei grundlegende Typen von Arbeitsmedien können unterschieden werden, trockene
(retrograden) wie Hexan oder die Silikonöle aber auch der Kohlenwasserstoff Iso-Butan und feuchte
wie Wasser oder Methanol (siehe Bild 3-2). Die Unterscheidung der beiden Typen ist leicht an Hand
der Entalpiekurve möglich.
300
Temperatur [°C]
250
200
kritischer Temperatur
150
100
Hexan (trocken)
Methanol (feucht)
Iso-Butan (trocken)
50
0
-1
0
1
2
3
4
5
Entalpie [kJ/kg*K]
Bild 3-2
T-s Diagramme zur Darstellung des Verlaufs von trockenen und feuchten Arbeitsmedien
Alle aktuell in der Entwicklung befindlichen ORC Systeme arbeiten mit trockenen Arbeitsmedien, da
bei diesen eine Verflüssigung und damit Tröpfchenbildung im Expander ausgeschlossen werden
kann. Der Einsatz trockener Arbeitsmedien erübrigt eine Überhitzung des Arbeitsmediums, da diese
nur einen relativ geringen Beitrag zur Leistungssteigerung liefert.
Das Arbeitsmedium sollte so gewählt werden, dass die kritische Temperatur ca. 10% über der
maximal möglichen Verflüssigungstemperatur liegt (siehe Bild 3-2). Dadurch wird die isentrope
Expansion und die damit verbundene Enthalpieänderung maximiert. Das hat zur Folge, dass der
thermische Wirkungsgrad maximiert und die Verdampfungsenthalpie minimiert wird. Die
Minimierung der Verdampfungsenthalpie hat wiederum zur Folge, dass der Massenstrom bei der
Verdampfung maximiert wird. Beides Enthalpieänderung ∆h und Massenstrom m maximieren
wiederum die theoretisch mögliche Arbeit am Expander W=Q=m*∆h.
Momentan werden viele neuen synthetischen Arbeitsmedien wie Hexamethyldisiloxan
(CH3)3SiOSi(CH3)3 aus der Gruppe der Silikonöle getestet. Neue Arbeitsmedien können theoretisch
zu einer 10%-igen Erhöhung der Wirkungsgrade von Micro ORC Systemen führen.
Zusammenfassung:
Unsere Berechnungen haben ergeben, dass bei gleicher Wärmequelle immer die Lösung mit der
höheren Verdampfungstemperatur die besseren Wirkungsgrade besitzen. Auch die Erhöhung des
Massenstroms entsprechend Beispiel 2 kann den Verlust der Enthalpieänderung ∆h nicht
ausgleichen.
3.4
Expander mit Generator
In den letzten 30 Jahren sind die Expander für ORC Systeme aus adaptierten Dampfturbinen
aufgebaut worden. Die Dampfturbinen sind Axialturbinen die erst ab einer Leistung von 300 kW
wirtschaftlich arbeiten.
9
Auf Grund der veränderten Rahmenbedingungen für die Energieeinspeisung und die
Energiekostenentwicklung können ORC Systeme mit einer elektrischen Leistung kleiner 300 kW
wirtschaftlich betrieben werden. Für diesen entstehenden Markt Lösungen werden augenblicklich
verschiedenste Expandertechnologien für den Organic Rankine Cycle getestet.
Flügelzellenmotor (Luftdruckmotor)
Standardprodukt aus der Drucklufttechnik
Arbeitet bei geringer Drehzahl bis 3000 1/min
•
•
•
•
•
Vorteile
Einfacher und robuster Aufbau
Kompakte Bauweise
Serienprodukt, in großer Stückzahl eingesetzt
Preiswert in den vorhandenen Leistungen
Einfache Wartung
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Nachteile
Max. bis 120°C einsetzbar
Max. bis 10 bar einsetzbar
Lieferbar bis max. 8 kW
Geringer Expanderwirkungsgrad ηex<50%
Viele Dichtflächen
Starke thermische Verformungen, die eine bessere
Dichtung unmöglich machen
jährliche Wartungen
Ölschmierung im Arbeitsmedienkreis notwendig
Schlecht regelbar
Kolbenexpansionsmaschine
Spezielle Entwicklung für ORC Anlagen
Entwicklung basiert auf Dampfexpansionstechnik
Arbeitet bei geringer Drehzahl bis 3000 1/min
Vorteile
• Für sehr hohe Temperatur einsetzbar > 400°C
• Für sehr hohe Drücke einsetzbar > 100 bar
• Hoher Expanderwirkungsgrad ηex>80%
• Gute Skalierbarkeit auf Schwankungen von Qth
• Schmierung außerhalb des Arbeitsmedienkreises
• In beliebiger Leistung lieferbar
Schraubenmotoren
Als Schraubenverdichter Standardprodukt aus der
Kältetechnik, Augenblicklich sind die eingesetzten
Schraubenmotoren nur umgebaute
Schraubenverdichter
Arbeitet bei geringer Drehzahl bis 3000 1/min
Vorteile
• Hoher Expanderwirkungsgrad ηex>70%
• Serienprodukt als Schraubenverdichter, in großer
Stückzahl eingesetzt
• Viele Erfahrungen aus der Kältetechnik
• In beliebiger Leistung lieferbar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Nachteile
Komplexer Aufbau mit 4 Kolben, diversen Lagern
und einer Linear-Drehbewegungswandlung
Viele bewegte Einzelteile
Störanfällig
Regelmäßige Wartungen notwendig
Komplexe Wartungsaufgaben
Nachteile
Max. bis 120°C bei Druckdifferenzen bis 30 bar
oder max. bis 300°C bei Druckdifferenzen bis 5 bar
einsetzbar
Komplexer Aufbau mit 2 Schrauben, 4 Lagern und
großen Dichtflächen
jährliche Wartungen notwendig
bei hohen Drücken Ölschmierung im
Arbeitsmedienkreis notwendig
Turbogenerator
Spezielle Entwicklung für ORC Anlagen
Entwicklung basiert auf Expansionstechnik aus der
Gasindustrie, Verdichter- und Luftzerlegetechnik
Arbeitet bei sehr hohen Drehzahlen > 30.000 1/min
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Vorteile
Für hohe Temperatur einsetzbar bis 300°C
Für hohe Drücke einsetzbar bis 30 bar
Hoher Expanderwirkungsgrad ηex>85%
Sehr robuster und einfacher Aufbau
Keine mechanische Übersetzung zwischen
Generator und Expander (Integrierter Generator)
Nur ein bewegtes Bauteil, und zwei Lager
In beliebiger Leistung lieferbar
Keine Schmierung notwendig
Sehr geringer Wartungsaufwand, lange
Standzeiten > 40.000 Stunden
10
•
Nachteile
geringe Skalierbarkeit auf Schwankungen von Qth
( ±20% um optimalen Arbeitspunkt)
3.5
Leistungseinspeisung
Für die Leistungseinspeisung mit Netzsynchronisationen können zwei grundlegende Konzepte
unterschieden werden:
1. Regelung der Frequenz über die Expanderdrehzahl – abgeleitet aus der Kältetechnik
Der Generator wird direkt oder über ein Getriebe an den Expander gekoppelt. Die
Drehzahlregelung erfolgt über Klappen oder Schieber an den Expandern. Diese Technologie
kann auf Grund der enorm hohen Drehzahl bei Turbogeneratoren nicht angewandt werden.
2. Der vom Generator gelieferte Strom wird frequenzunabhängig über einen Wechselrichter
(AC/AC Wandlung) auf das Netz angepasst – abgeleitet aus der Wind- und Solarenergie
Der Generator kann im Expander, wie bei den Turbogeneratoren oder extern über ein Getriebe
gekoppelt sein. Die Generatorfrequenz wird nicht geregelt. Die AC/AC Wandlung ist ein rein
elektronisches Verfahren, bei dem die Generatorspannung gleichgerichtet und dann
entsprechend der Netzfrequenz zerhackt und gewandelt wird. Die Wechselrichtertechnik kann
mit einem Wirkungsgrad von ca. 95% als Standardprodukte vom Markt bezogen werden.
3.6
Verflüssiger mit Wärmesenke
Jeder Organic Rankine Cycle benötigt zur Verflüssigung des Arbeitsmediums wie ein Clausius
Rankine Prozess eine Wärmesenke QK. Die notwendige Leistung der Wärmesenke richtet sich nach
der verfügbaren Energie der Wärmequelle QH und dem Expanderwirkungsgrad. Optimaler Weise
sollte die Niedertemperaturenergie der Wärmesenke ebenfalls genutzt werden. In vielen
Anwendungsfällen ist eine thermische Abwärmenutzung nicht möglich.
In diesen Fällen muss die zur Verflüssigung des Arbeitsmediums notwendige Energie komplett über
Rückkühlwerke abgeführt werden. Grundlegend können zwei Konzepte unterschieden werden:
Wassergekühlter Kondensator
Entsprechend Beispiel 1 wird der Kondensator über
einen Wasserkreis mit einem Luftkühler gekühlt.
• Die Energieerzeugung ist ein werkseitig
aufgebautes und geprüftes Serienprodukt mit
allen notwendigen Zulassungen
• Höhere Kondensationstemperatur (40...50°C)
• zusätzlicher Kreisprozess kompletter Technik
notwendig
• Pumpe im Kühlkreis als zusätzlicher
Energieverbraucher,
Luftgekühlter Kondensator
Entsprechend Beispiel 2 wird ein Luftgekühlter
Kondensator eingesetzt.
• Tiefe Kondensationstemperaturen möglich
(30...40°C)
• Mehr Arbeitsmedium im Umlauf
• Großer Arbeitsmedienkreis (Dichte, Leckage)
• Bei Innenaufstellung Vorort Montage des
Arbeitsmedienkreises notwendig
Die wassergekühlte Kondensation eröffnet die Option trotz Einsatz eines ORC Systems die
Kondensationswärme zu entnehmen und so aufzubereiten, das eine thermische Nutzung möglich
ist. Eine Lösung mit gleichzeitiger Erwärmung auf ein Fernwärmeniveau von 80°C ist in Bild 3-3
dargestellt.
Bild 3-3 Kondensationswärmeentnahme mit Aufbereitung bis 80°C
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Das in Bild 3-3 dargestellte Konzept zur Kopplung von Fernwärme und ORC Stromerzeugung macht
auch bei reinen KWK Anwendungen Sinn. In Abschnitt 1.4 wurde beschrieben, dass die Energie auf
einem Niveau von 200°C und mehr wesentlich wertvoller ist als auf einem Niveau von 80°C. Daher
kommt die Wärmeauskopplung aus dem Motorabgasstrom mit 80°C für die Fernwärmenutzung
einer Energievernichtung gleich.
Auf der Luftseite können in beiden Konzepten (Luftgekühlter Kondensator, wie Wassergekühlter
Kondensator) die Luftkühler besprüht, oder sogar nasse Rückkühlwerke bzw. Kondensatoren
eingesetzt werden. Dadurch könnte die Kondensationstemperatur im Mittel um ca. 10°C gesenkt
und damit der Wirkungsgrad der Anlage entsprechend Bild 1-2 gesteigert werden. Die „nasse“
Rückkühltechnik ist auf Grund der hohen Kosten für die Wasseraufbereitung erst ab einer
Kühlleistungen von 1 MW thermisch effektiv. Eine „nasse“ Rückkühllösung sollte in jedem Fall genau
wirtschaftlich durchgerechnet werden.
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Wirtschaftliche Betrachtung der Micro ORC Systeme
Nachfolgende Ausführungen sind speziell auf den Markt von Biogasanlagen ausgerichtet und
können auf Grund technischer Anpassungen auch auf klassische KWK Anwendungen appliziert
werden.
4.1
Grundlagen zum Erneuerbare Energie Gesetz (EEG)
Im EEG sind 3 Vergütungssätze für die Einspeisung von Strom festgelegt.
4.2
Bestimmung des Eigenbedarfs eines Micro ORC Systems
Die in Bild 2-1 dargestellten Pfeile könnten zu der Vermutung führen, das nur die Energie der
Wärmequelle in den Prozess eingebracht wird. Dies ist in der Praxis nicht der Fall, da auch für die
Erzeugung der Wärmesenke Energie aufgewendet werden muss. Eine Ausnahme bilden die
Systeme, deren Abwärme als Fernwärme genutzt werden kann (siehe Abschnitt 3.6).
Wie im Abschnitt 3.6 beschrieben, werden in den meisten Anwendungsfällen von ORC Systemen
auch die Wärmesenken mit erheblichen Kosten negativ in die Gesamtbilanz des ORC Systems
eingehen.
Je nach Konzept treten folgende Eigenbedarfsverbraucher auf:
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Pumpen in der Wärmeentnahme (im Ölkreis)
Lüfter am Rückkühlwerk bzw. Kondensator
Pumpe im Arbeitsmittelkreis
Verluste der Netzanpassung
Verluste der elektronischen Komponenten
Pumpe im Kühlwasserkreis (Beispiel 1)
Pumpe im Vorwärmkreis (Beispiel 2)
Die Höhe der einzelnen Verbraucher hängt von den verschiedensten verfahrenstechnischen
Parametern ab, die in diesem Skript nicht detailliert und ausführlich aufgelistet werden können.
Die Eigenbedarfsquote bei ORC Systemen beträgt ca. 20% der netzsynchronen Generatorleistung.
In nachfolgendem Abschnitt werden für die beiden Beispiele aus Abschnitt 3.1 detaillierte Kostenund Einnahmenberechnungen dargestellt.
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4.3
Die Berechnung der Amortisationszeit
Nachfolgend werden auf Basis einer Standard 500 kW Biogasanlage für beide unter Abschnitt 3.1
beschriebenen Beispiele eine Berechnung der Vergütung, der Kosten und der Amortisationszeit
vorgenommen.
Parameter der Biogasanlage bei 100% Last (Herstellerdatenblatt vom 28.10.2005):
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Eingesetzte Primärenergie:
Motortyp:
Elektrische Klemmleistung:
Abgasmassenstrom:
Abgastemperatur:
Abgasaustrittstemperatur:
Entnehmbare Abgasleistung:
Kühlwasserwärme:
Inbetriebnahmejahr der Biogasanlage:
1.341 kW
Deutz TCG 2016 V12
537 kW
2.958 kg/h
497 °C
170 °C
290 kW
210 kW
2006
Beispiel 1
Beispiel 2
290 kW th.
0 kW th.
3 kW el.
3 kW el.
63 kW el. (TK=50°C)
100 l
4 kW
7 kW
2 kW
50 kW el.
221 kW th.
4 kW el.
4 kW el.
8 kW el.
42 kW el.
Wärmequelle
Entnommene Abgasenergie
Entnommene Kühlwasserenergie
Pumpenleistung Ölkreis
Elektrische Bilanz
Energieerzeugung
Expanderleistung (inkl. Generator)
Füllmenge Arbeitsmedium
Pumpenleistung Arbeitsmedium
Inverterverluste
Weitere Verluste
Elektrische Bilanz
Wärmesenke
Abzuführende Leistung
Pumpenleistung Wasserkühlung
Ventilatorleistung
Elektrische Bilanz
Vergütbare Leistung
31.500 €
18.300 €
6.300 €
2.500 €
Jährliche Betriebsparameter
Betriebsstunden
Wartungskosten
Wartungsvertrag
Grundvergütung
NaWaRo Zuschlag
Bonus (Technologie, KWK)
Jahresbilanz
Einnahmen aus Grundvergütung
Einnahmen aus NaWaRo
Einnahmen aus jedem Bonus
Kosten
6 Jahre
4 Jahre
5 Jahre
3,5 Jahre
Geschätzte Amortisationszeiten
Aus Grundvergütung
Aus Grundvergütung + NaWaRo
Aus Grundvergütung + Bonus
Aus Grundvergütung + NaWaRo + Bonus
7.500
0,5 % von Investsumme
1.500 €
0,10 €/kWh
0,058 €/kWh
0,02 €/kWh
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290 kW th.
130 kW th.
4 kW el.
4 kW el.
54 kW el. (TK=40°C)
120 l
5 kW
3 kW
46 kW el.
370 kW th.
0 kW el.
7 kW el.
7 kW el.
39 kW el.
7.500
1 % von Investsumme
1.500 €
0,10 €/kWh
0,058 €/kWh
0,02 €/kWh
29.000 €
17.000 €
6.000 €
5.000 €
9 Jahre
6 Jahre
7 Jahre
5 Jahre