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09 | 2017

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Energie Umso mehr steigt

Energie Umso mehr steigt die Nachfrage nach direkt verfügbaren Energielösungen. Nutznießer sind Anbieter von mietbaren Stromgeneratoren, die in nur wenigen Tagen, ortsunabhängig und beliebig skalierbar einsetzbar sind. Entwicklung des globalen Motorenmarktes Für das Wachstum vieler Schwellenländer ist eine ununterbrochene und erschwingliche Bereitstellung von Energie unabdingbar. In Regionen, in denen sich die industrielle Produktion nicht auf ein flächendeckendes und stabil geregeltes Stromnetz verlassen kann, bieten Mietgeneratoren für den kontinuierlichen Einsatz eine attraktive Lösung: Es sind keine vorhergehenden Investitionen in die Infrastruktur nötig, da die Generatoren fest in Standard-Container installiert sind, und sich einfach transportieren und aufstellen lassen. Zudem kann nach Bedarf schnell nachgerüstet werden – von Einzelgeneratoren bis zu Generatoren-Parks, die die Leistung ganzer Kraftwerke abbilden können. Auch die Kosten für den Betrieb selber sind gesunken, da der Ölpreis seit dem Jahr 2014 rückläufig ist. Zu den Order stärksten Regionen der mobilen Stromgeneratoren 2016 zählen laut Power Generation Order Survey 2016: Südostasien und Australien mit 45 % Marktanteil, der Mittlere Osten mit 13 %, Asien mit 12 %, Nordamerika mit 10 % und Westeuropa mit 9 %. Von den über 30 000 Motoren für die mobile Stormversorgung, die jährlich neu auf den Markt kommen, werden rund die Hälfte als Standby- und Notfallgeneratoren vorgehalten. Weitere 15 000 sind im Dauerbetrieb mit einer durchschnittlichen Lebensleistung von zehn Jahren. Die Mehrheit dieser Motoren haben eine Energieleistung von 1,01 bis 2 MW. Gefolgt von Motoren mit einer Leistung von 0,5 bis 1 und 2,01 bis 3,5 MW. Gelänge es die Effizienz der neu auf den Markt kommenden Motoren zu erhöhen, wäre dies ein deutlicher Fortschritt, sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus der Perspektive des Umwelt- und Klimaschutzes. Das Problem: Bereits hoch entwickelte Verbrennungsmotoren zu verbessern, ist mit einem großen Entwicklungsaufwand verbunden. Für jedes Prozent mehr Effizienz sind zwischen zwei und fünf Jahre kostenintensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu veranschlagen. Eine praktikablere und kostengünstigere Lösung existiert in Form einer neuen Generation von Abwärmerecycling-Modulen, die auf einer Weiterentwicklung des Organic-Rankine-Cycle (ORC)-Verfahrens basieren. Diese Module sind in der Lage, den Wirkungsgrad eines Motors sofort um bis zu drei Prozentpunkte zu steigern. Schlüssel zur Energiequelle Abwärme Ob in der Stahl-, Keramik-, Papier- oder Glasindustrie, ob Schiffs- oder Motoren für die Stromerzeugung an Land – praktisch jeder industrielle Prozess und Motor produziert Abwärme, die bislang meistens an die Umwelt abgegeben wird. Zwischen 20 und 50 % der eingesetzten Energie für den Betrieb eines Motors oder Produktionsprozesses geht auf diese Weise verloren. Das entspricht in etwa einem Energieäquivalent von 100 Mio. l Diesel, was jede Stunde weltweit verschwendet werden. Dieses energetische Potenzial zu nutzen, ist eine der wichtigsten Herausforderungen mit Blick auf einen wirtschaftlicheren und umweltgerechteren Umgang mit Energieträgern. Das gilt insbesondere für die Nutzung im niedrigen Temperaturbereich ab 60 °C. Möglich ist das inzwischen mit der aktuellen Generation von ORC-Modulen, was auch bereits umgesetzt wird. Beim ORC-Verfahren handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess, mit dem es möglich ist, auch kleine Quellen thermischer Energien wirtschaftlich zu elektrischer Energie zu veredeln. Das Verfahren kommt immer dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle- und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf betriebenen Turbine ist. Frühere Lösungen waren zu kostenintensiv in der Unterhaltung, störanfällig und wurden in der Regel als Einzelanfertigungen installiert. In den letzten rund zehn Jahren ist es gelungen, eine neue Generation von Modulen zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Diese arbeiten praktisch störungsfrei, lassen sich aus der Ferne warten und können unabhängig vom eigentlichen Produktionsprozess oder dem Betrieb eines Motors zuoder abgeschaltet werden. Eine weitere wichtige Weiterentwicklung: Anders als die früheren ORC-Einzelanfertigungen werden die Module der neuen Generation unter Einsatz erprobter, bewährter und robuster Standard-Industriekomponenten inzwischen in Serie produziert und sind in nur wenigen Stunden nach Lieferung einsatzbereit. Zusätzlich sind auch die Abmessungen der Module nun um ein Vielfaches kompakter und dadurch praktisch überall einsetzbar wo Wärme als Abfallprodukt entsteht. Lösung für die mobile Stromversorgung Mit den Modulen der neuen Generation steht Anbietern mobiler Stromversorgungen eine stabile, kostengünstige und sofort einsetzbare Technologie zur Verfügung, die unternehmerische Vorteile mit sich bringt. Gleichzeitig bietet der Einsatz entsprechender Technologie mit Blick auf den gesamten Markt der mobilen Energieversorgung einen wirkungsvollen Hebel hinsichtlich der Reduzierung klimaschädlicher Abgase und des effizienten und verantwortungsvolleren Umgangs mit endlichen Ressourcen. Orcan Energy offeriert mit der ePACK-Container-Lösung ein auf die Bedarfe der mobilen Stromversorgung entwickeltes Produkt. Wie die Stromgeneratoren selbst, wird das Modul in Standardcontainern verbaut und ist daher einfach zu transportieren und ebenso leicht anschließbar. Die Lösung wurde speziell für Diesel- und Gasmotoren mit Leistungen von 1 bis 1,7 MW (el.) entwickelt. Der Effekt: Bei gleichem Ressourcen-Input kann die erzeugte Menge an Strom um bis zu 100 kW (el.) und bei Stromgestehungskosten von unter 0,03 €/kWh gesteigert werden. Gleichzeitig spart ein ePACK bis zu 500 t CO 2 /a ein. Der Ausstoß von NO x , SO x verringert sich um 5 bis 7 %. Hochgerechnet auf die neu auf den Markt kommenden Motoren für den Dauerbetrieb im mobilen Einsatz bedeutet dies eine Einsparung von rund 7,5 Mio. t CO 2 und einen zusätzlichen Stromoutput von über 9 000 GWh/a. Fazit Energieverbrauch und wirtschaftliches Wachstum in aufstrebenden Märkten führen zu wichtigen Fragen sowohl für die Wirtschaft des Landes als auch für die Umwelt. Die weiterentwickelte ORC- Technologie flächendeckend in den Markt für mobile Stromgeneratoren einzuführen, kann nicht nur unternehmerische Potenziale ausschöpfen, sondern mit Blick auf die Vorgaben des Pariser Klimaabkommens auch zur Reduzierung von klimaschädlichen Abgasen und der Einsparung wertvoller Ressourcen beitra- Dr. Andreas Sichert, Orcan Energy AG, München, andreas.sichert@orcan-energy.com 40 UmweltMagazin September 2017

Energie Mehrzonen-Feststoffwärmespeicher für Industrie und Gewerbe Neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien wird eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz – insbesondere im Bereich der industriellen Abwärmenutzung – unverzichtbar sein, um eine nachhaltige Energieversorgung sicherzustellen. Ein neuartiger Feststoffwärmespeicher soll dazu einen Beitrag leisten. Entwickelt wird dieser unter Beteiligung der Betonwerk Ribnitz GmbH, Pantlitz, gemeinsam mit der Hochschule Wismar. Bild 1: Prinzipieller Aufbau des Mehrzonenwärmespeichers. Bei vielen Prozessen in Industrie und Gewerbe fallen große Abwärmeströme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus an, die derzeit noch häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Schätzungen zufolge beträgt in Deutschland das jährliche Energieeinsparpotenzial im Bereich industrieller Abwärme in einem Temperaturbereich ab 60 °C rund 450 PJ oder 125 TWh [1]. Die Nutzung dieses Energiepotenzials setzt allerdings leistungsfähige Wärmespeicher voraus, die die Lücke zwischen dem häufig fluktuierenden Abwärmeanfall und dem kontinuierlichen oder zeitversetzten Wärmebedarf schließen können. In einem FuE-Kooperationsprojekt entwickelt das Betonwerk gemeinsam mit der Hochschule Wismar einen energieeffizienten Mehrzonenwärmespeicher (MZWS) auf Betonbasis, der die kurz- bis mittelfristige Speicherung von Abwärme auf einem Temperaturniveau bis etwa 400 °C ermöglichen soll. Mit dem Konzept des mehrzonigen Aufbaus eines Wärmespeichers sollen die Wärmeströme so gesteuert werden, dass die bereitgestellte und benötigte Wärme auf mehreren Temperaturniveaus mit geringen Wärmeverlusten an die Umgebung und bei gleichzeitig maximaler Nutzung der Wärmequelle kurzfristig eingespeist, gespeichert und wieder entladen werden kann. Dies kann durch ein intelligentes Be- und Entladesystem in Verbindung mit einem adaptierten Wärmedämmsystem realisiert werden (Bild 1). Im Vergleich zu konventionellen Einzonenwärmespeichern vereint der Mehrzonen-Feststoffwärmespeicher mehrere Vorteile in sich. Nutzung industrieller Abwärme und erneuerbarer Wärme Die in der Industrie temporär oder kontinuierlich anfallende Abwärme sowie die über erneuerbare Energieanlagen erzeugte Wärme können auf verschiedenen Temperaturniveaus bis zu 400 °C gespeichert und wieder genutzt werden. Für diese Aufgabe wurde eine Beton rezeptur entwickelt, bei der die verwendeten Zuschlagstoffe eine hohe Belade- und Entladeleistung, Wärmeleitfähigkeit, Hitzebeständigkeit sowie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten garantieren soll. Die volumenspezifische Wärmekapazität liegt mit rund 2 600 kJ/(m 3 K) deutlich oberhalb der Wärmekapazität der üblicherweise als Speichermassen verwendeten Betone [2]. Niedrige Transmissionswärmeverluste und Wärmespeicherung Die um den Speicherkern angeordneten Wärmespeicherzonen sind durch hitzebeständige Zwischenraumdämmungen voneinander getrennt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Zwischendämmung und hohe -speicherkapazität der äußeren Speicherzonen führt während der dynamischen Belade- und Entladeprozesse zu einem verzögerten Wärmetransport von innen nach außen und damit zu einem niedrigen Temperaturgradienten zwischen der äußeren Zone und der Umgebung. Dadurch lassen sich die Transmissionswärmeverluste an die Umgebung um bis zu 90 % im Vergleich zu einem Einzonenwärmespeicher reduzieren. Während des laufenden Betriebs des Mehrzonenwärmespeichers stellen sich in den verschiedenen Zonen, in Abhängigkeit von den jeweils zu- und abgeführten Wärmemengen, unterschiedliche Temperaturen mit einem fallenden Gradienten von innen nach außen ein. Die zur Verfügung stehende Wärmeenergie lässt sich somit auf bedarfsgerechten Temperaturniveaus für diverse Anwendungen nutzen. Erhöhung der Vor- und Rücklauf-Temperaturspreizung Während der Beladung des Speicherkerns erhöht sich mit steigender Kernauch die Rücklauftemperatur des Beladekreislaufs. Diese Restwärme kann zur Beladung der nächst kühleren Speicherzone genutzt werden, so dass im Gesamtsystem eine hohe Temperaturspreizung und damit eine energieeffiziente Ausnutzung der Wärmequelle aufrechterhalten werden kann. UmweltMagazin September 2017 41

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