Verstromung der Abwärme – Eine Alternative - DLR-RLP
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1 Verstromung der Abwärme – Eine Alternative ? Helmut Riebesell, Dipl.-Ing. Geschäftsführer CONPOWER Technik GmbH & Co. KG Schwarze Breite 17 34260 Kaufungen [email protected] 2 Verstromung der Abwärme – Eine Alternative ? Helmut Riebesell, Dipl.-Ing. Geschäftsführer CONPOWER Technik GmbH & Co. KG Schwarze Breite 17 34260 Kaufungen [email protected] Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? BHKW Abwärme Abgas 3 Kühlwasserkreis + Abfallwärme 4 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Abwärmenutzung Prozessbedingte Abwärme > Verbrennungsabgas (HT) > Motor-Kühlung (NT) Thermische Energie Fermenterheizung (20-30%) Nutzwärme Intern/Extern Entsorgung der Abfallwärme 5 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Abwärmenutzung Prozessbedingte Abwärme > Verbrennungsabgas (HT) > Motor-Kühlung (NT) Thermische Energie Fermenterheizung (20-30%) Nutzwärme Intern/Extern Entsorgung der Abfallwärme Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar (2. Hauptsatz) Umwandlung in mechanische Energie (mit Generator in Strom) 6 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Abwärmenutzung Die Luft wird komprimiert auf p.1 Die innere Energie hat zugenommen, hat Arbeit aufgenommen p.0 Luftpumpe mit atmosphärischem Druck p.1 Die Kraft schiebt den Kolben Kraft x Weg = Arbeit Die Luft entspannen Und bewegt dabei den Kolben zurück (ideal ohne Verluste bis in die Ausgangsstellung) und die innere Energie kann Arbeit leisten Bei der Entspannung von einem Gas mit Überdruck kann man mechanische Arbeit leisten 7 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Abwärmenutzung Durch die Verdampfung (Phasenwechsel) geht bei konstantem Raum immer mehr Medium in den gasförmigen Zustand (Dampf) über und der Druck steigt Kraft x Weg = Arbeit Auch hier kann durch Entspannung die Eingebrachte (jetzt thermische) Energie Arbeit leisten Bei der Entspannung von Dampf mit Überdruck kann man mechanische Arbeit leisten Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 8 Abwärmenutzung / Thermodynamik Wandlungsgrad ηc nach Carnot berechnet sich aus dem Verhältnis der höchsten und der niedrigsten Temperatur des Prozesses nach der Formel (Temperaturen sind in Kelvin): Exergie Exergie bezeichnet den Teil der Gesamtenergie eines Systems, der Arbeit verrichten kann Anergie Anergie bezeichnet den Teil der Gesamtenergie eines Systems, der keine Arbeit verrichten kann Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 9 Abwärmenutzung / Thermodynamik Thermodynamischer Kreisprozess Q3-4 4 Absolute Temperatur 3 T3(h) Abgeführte Arbeit W (t2-3 x S1-2) 2 S2 1 S1 Q1-2 Entropie Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 10 Abwärmenutzung / Thermodynamik Thermodynamischer Kreisprozess Q3-4 4 Absolute Temperatur 3 T3(h) Abgeführte Arbeit W (t2-3 x S1-2) 2 S2 1 S1 Q1-2 Entropie Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 11 Abwärmenutzung / Thermodynamik Thermodynamischer Kreisprozess Q3-4 4 Absolute Temperatur 3 T3(h) Abgeführte Arbeit W (t2-3 x S1-2) Exergie T2(n) 2 1 Anergie 0 Kelvin S2 S1 Q1-2 Entropie Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 12 Abwärmenutzung Kreisprozess zur Abwärmenutzung: Dampfkreisprozess: Clausius-Rankine-Kreisprozess 4 -> 1 Im Dampferzeuger wird mit Zufuhr von Wärme Dampf erzeugt 1 -> 2 In einer Entspannungsmaschine (Motor/Turbine) entspannt sich der Dampf (der Druck sinkt) und dabei wird mechanische Arbeit erzeugt, die einen Generator antreibt 2 -> 3 In einem Kondensator wird der Dampf mit dem niedrigem Druck wieder durch Kühlen kondensiert (verflüssig) 3 -> 4 Die Flüssigkeit nach dem Kondensator wird mit einer Pumpe in den Verdampfer gedrückt Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 13 Abwärmenutzung Arbeitsmedium Kreislaufprozess Abgas / heiße Abluft: Organische Medien Wasser Kreislaufprozess mit Wasserdampf Steam-Rankine-Cycel (SRC) Kühlwasser: 250°C - 900°C ~ 90°C Kreislaufprozess mit organischen Arbeitsmedium Organic-Rankine-Cycle (ORC) 14 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Abwärmenutzung: CONPOWER ORC-Anlage Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 15 Einsatz der CONPOWER Niedertemperatur ORC-Anlage Einsatzgebiet Verstromung von Restwärme ab 85°C Hoher Nutzen Modulgrößen mit 185, 313, 500 und 1000 kW thermisch Wartungsfreier Betrieb durch Vollwartungsvertrag Anlagenzugriff über Internet Hocheffiziente durch Turbine als Entspannungsmaschine Kein gefährliches /brennbares Medium 16 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Biogasanlage Platten (Inbetriebnahme Mai 2011) 17 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Biogasanlage Habscheid (Inbetriebnahme Januar 2013) 18 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Biogasanlage Üttfeld (Inbetriebnahme Januar 2013) 19 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Wirkungsgradsteigerung: CONPOWER SRC-Anlage Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 20 Einsatz der CONPOWER HT SRC-Anlage Vielseitiges Einsatzgebiet • • • • Bei Abgastemperaturen ab 250°C bis 900°C Verbrennungsmotoren, fossile und regenerative Energien, Alle Blockheizkraftwerke mit KWK oder NT-ORC Bei thermischen Leistungen von 70 kW bis 800 kW Hoher Nutzen • • • Anteilige Wandlung von Abwärme in Strom Eigenstromverbrauch / Netzeinspeisung möglich Kondensationswärme weiter nutzbar Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? 21 CONPOWER Hochtemperatur Steam Rankine Cycle (HT-SRC) Anlage Dampfmotor Die Entwicklung erfolgte mit einem Ingenieurbüro zusammen, welches auf 15 Jahre Erfahrung mit Dampfmotoren im mobilen Bereich zurück greifen kann Entwicklungs-Spezifikationen • Hohe Beständigkeit Langsamläufer mit 1500 U/min Optimiert auf Dauerbetrieb • Hohe Effizienz Hoher mechanischer Wirkungsgrad Hoher isentropischer Wirkungsgrad • Für stationären Einsatz • Serienfertigungstauglich Dampfmotor (Kolben-Expander) 22 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Effizienzsteigerung und Abwärmenutzung: SRC und ORC 23 Verstromung von Abwärme – Eine Alternative ? Abwärmenutzung Prozessbedingte Abwärme > Motor-Kühlung (NT) Prozessbedingte Abwärme > Verbrennungsabgas (HT) HT Kreisprozess SRC-Anlage Umwandlung in Strom Intern/Extern Thermische Energie Fermenterheizung (20-30%) Nutzwärme Intern/Extern Umwandlung in Kälte Intern/Extern NT Kreisprozess ORC-Anlage Umwandlung in Strom Intern/Extern 24 Verstromung der Abwärme – ist eine Alternative !
