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3 | 2012

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Technik &Management

Technik &Management Energie/Erneuerbare Energien Der ORC-Dampfexpansionsmotor in der Demonstrationsanlage Fenne. Abwärme zu Strom veredeln Ein Dampfexpansionsmotor, verknüpft mit ORC-Technologie, ermöglicht eine effiziente Stromerzeugung aus den Abwärmeströmen von Industriebetrieben und grünen Kraftwerken. Joachim Meyer Nicht nur in der industriellen Produktion, sondern auch bei der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien fällt reichlich Abwärme an. Diesewurde bisherhäufig ungenutzt an die Umwelt abgegeben,dakeine passenden technischen Verfahren für eine wirtschaftliche Nutzung zurVerfügung stehen.Steigende Energiepreise und immer höhere Anforderungen durch Umweltauflagen, besonders aus dem Bereichdes Klimaschutzes, forderndie Industrie jedoch heraus, hier Maßnahmenzuergreifen,umwettbewerbsfähig zu bleiben. Vor diesem Hintergrund hat die DeVeTec GmbH einen ORC-Dampfexpansionsmotor als Kolbenmaschine entwickelt. Das Saarbrücker Technologieunternehmen arbeitet bereits seit demJahr 2002zusammen mit der Automobilindustrie daran, die Abwärmevon Autoabgasenmit Hilfeder Organic Rankine Cycle(ORC)-Technologie als Strom zurückzugewinnen.Automotorenwandeln nur einDritteldes ihnenzugeführten BrennstoffsinNutzenergie um, zwei Drittel werden als Abwärme ungenutzt über die Abgasanlage und das Kühlsystemandie Atmosphäre abgegeben.Die Abwärmenutzung ist eine Chance, den Kraftstoffverbrauch und die CO 2 -Emissionenzureduzieren. WasimAutomobilbau im Kleinen bereits erfolgreich praktiziert wird, wurde mit einem weiterführenden Projektkonzept auf große Abwärmeströme übertragen, wie sie in der Stahl-, Chemie-, Glas- und Keramikindustrie oder bei Biogas- und Biomassekraftwerken vorkommen. Im Jahr 2007 wurden die ersten Entwicklungsschritte in diese Richtung unternommen, Ende 2009 ging eine Demonstrationsanlage am Abgasstrang eines großen Grubengasmotors im KraftwerkFenne im Saarland in Betrieb. Seit dem Jahr 2010 laufen vierweitere, vomBundeswirtschaftsministerium geförderte Feldtests, die jeweils unterschiedliche Abwärmequellen zur direkten Stromerzeugung nutzen. Im Bereich von 100 bis 200 Kilowatt Beim Verfahren des DeVeTec-ORC handelt essich umeinen klassischen Dampfkreisprozess, bei demein organisches Arbeitsmittel eingesetzt wird, das bei niedrigeren Temperaturen als Wasser verdampft. Das Verfahren ansich wird bereits vermehrt in Leistungsklassenab500 Kilowatt elektrisch(kW el )angewandt. Dies bedingt jedoch sehr große Abwärmeströme von mehr als sechs Megawatt thermisch(MW th ). Um jedoch auch die vielen dezentralen Wärmequellen mit einer Leistung von weniger als 4MW th nutzen zu können, bedarf esneuer Lösungen, die sich im Bereich von 50 bis 300 kW el rechnen. Hierzu entwickelt DeVeTec eine ORC- Kolbenmaschine mit einer sehr großen einstufigen Druckdifferenz, die sichvariabel im Leistungsbereich von 100 bis 200 kW el wirtschaftlich betreiben lässt. Dabei wird der Abwärmestrom eines Prozesses oder einer entsprechenden Wärmequelle zur Verdampfung eines organischen Mediums in einem Kreisprozess bei moderatem Druck genutzt, das dann ineinem Expander auf einen 40 UmweltMagazin März 2012

Grafik: DeVeTec Fließschema einer Anlagenkonfiguration mit ORC- Dampfexpansionsmotor niedrigeren Druck entspannt, einem Kondensator zugeführt und anschließend von der erneuten Verdampfung auf denhöheren Druckverdichtetwird. Dampfexpansionsmotor statt Turbine Bislang wurde das ORC-Verfahren vorwiegend in Kombination mit Turbinen eingesetzt, die allerdings imTeillastbetrieb Wirkungsgradverluste aufweisen. Ein flexibleresEinsatzprofil bietetdie Kombination mit einemDampfexpansionsmotor. Hier ist eine variable Abstimmung auf unterschiedliche Temperatur- und Druckniveaus möglich. Ausdem gleichen Wärmeangebotkann ein ORC-Prozess mit dem DeVeTec- Dampfexpansionsmotordeutlichmehr Stromerzeugen als in Kombination mit Turbinen. Dabei kann im Anschluss an die Stromerzeugung die dann nochvorhandene Abwärme augenblicklich weiterverwendet werden, zum Beispiel für Heizzwecke, Trocknungs- oder Kühlungsprozesse. Die von DeVeTec entwickelte ORC- Kolbenmaschine, inklusive der dazugehörigen Wärmeübertragungsanlage, wurdeimJahr 2009erstmalig am Kraftwerk Fenne im Saarland unter den hohen Sicherheitsanforderungen des Kraftwerkstandards in Betrieb genommen. Die Demonstrationsanlage ist dort ineinem aktiven Kraftwerk aneinen der 14 Grubengasmotoren angebunden und läuft imBetrieb ohne Beaufsichtigung. Das Kraftwerk steht unter Bergrecht, was dazu führte, dass die Inbetriebnahme sowohl mit bergamtlichen Genehmigungen belegt, als auch durch den TÜV begleitet wurde. Bisher ist nicht bekannt, dass eine annähernd gleicheTechnologie entwickelt oderdemonstriert wurde. Schätzungsweise kommen in Deutschland etwa 500 Industriebetriebe, vor allem aus der Metallverarbeitung, Glasproduktion, Stahl-,Chemie- und Papierindustrie sowie rund 1000 größere Blockheizkraftwerke, als künftige Einsatzorte infrage. Einer der vier Feldteststandorte: die Biogasanlage in Kirchwalsede Vier Feldtestanlagen in unterschiedlichen Bereichen Der Feldtest wird jetzt zeigen, wie die Gesamtkonzeption viele tausend Betriebsstunden durchsteht. Als Feldtestanlagen werden neben der Biogasanlage in Kirchwalsede, die im ersten Quartal 2012 in Betriebgeht, die Abwärmeströme einer Salzsäureaufbereitungsanlage in einem Chemiepark und einer einer Schmelzwanne in der Glasindustrie genutzt. Der vierte Feldtest wird voraussichtlich Abwärme einer Gießerei in der Automobilindustrie in Stromumwandeln. Nicht nur für die Feldtestkampagne, sondern auch für die spätere Vermarktung wird die ORC-Kolbenmaschine nebst Standardkomponenten ineinen 30-Fuß-Container eingebaut. Dadurch, dass die Wärmetauscher außerhalb des Containers platziert werden, ist das System schnell an die jeweilige Wärmequelle adaptierbar. Zusätzlich haben die Kunden den Vorteil, dasssichder Dampfexpansionsmotor ohne Probleme in bereits bestehende Prozesseeingliedern lässt und im Betrieb ohne Beaufsichtigung laufen wird. Es entsteht kein zusätzlicher Personalmehraufwand, der CO 2 -neutral produzierte Strom kann sofort genutzt werden und erfordert keinen weiteren Einsatz vonBrennstoffen. DurchStandardisierung bei denKomponenten als auch durch die Direktverdampfung, bei der künftig Komponenten wie Thermalölkreislauf, Rekuperator und Vorwärmer entfallen können, benötigen solche Anlagen weniger Bauteile als andere amMarkt angebotene Lösungen, woraus niedrigere Investitionskostenresultieren. Damit lassen sich neue Markt- und Anwendungsfelder ökonomisch rentabel erschließen und helfen bei der schnelleren Verbreitung und Akzeptanz derORC-Technologie. Bilder (2): DeVeTec JoachmMeyer, DeVeTec GmbH, Saarbrücken, j.meyer@devetec.de UmweltMagazin März 2012 41

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