Kraft-Wärme-Kopplung mit ORC-Modulen

Der organische Rankine-Prozeß

ORC-Module stellen eine effiziente und zuverlässige Möglichkeit zur Nutzung relativ niedriger Temperaturen für die Erzeugung elektrischer Energie dar.

Bereits seit mehr als einem Jahrzehnt sind Anlagen dieser Bauart an vielen Orten, mit Leistungen von wenigen kW bis zu 2,0 MW (elektrisch) im Einsatz.

Stromerzeugung aus ORC-Modulen

Das Konzept

Der organische Rankine-Prozess (Organic Ranking Cycle, ORC) ist ein thermodynamischer Kreislaufprozess und entspricht dem Zyklus einer konventionellen Dampfturbine, mit Ausnahme des Mediums, welches im System verwendet wird. In ORC-Modulen wird, anstelle von Wasser, eine organische Flüssigkeit mit hoher molekularer Masse eingesetzt.

Die organische Flüssigkeit zirkuliert in einem Kreislauf und wird mit Hilfe einer Pumpe komprimiert. Anschließend wird es in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher, unter Nutzung der Wärmeenergie aus dem Primär–Wärmeträger (Thermoöl), verdampft.

Der organische Flüssigkeitsdampf wird entspannt und treibt die Turbine an. Anschließend wird der entspannte Dampf in einem weiteren Wärmetauscher, beispielsweise durch Kühlwasser, wieder kondensiert.

Schließlich wird das Kondensat wieder komprimiert und zum Verdampfer gepumpt, wodurch der thermodynamische Kreislauf geschlossen ist.

Weder der Primär – Wärmeträger noch das Kühlmedium stehen in direktem Kontakt mit der Arbeitsflüssigkeit oder der Turbine.

Für Hochtemperatur - Anwendungen kann nach der Turbine ein Regenerator eingebaut werden, um den Wirkungsgrad des Kreislaufes weiter zu verbessern.

Auf der Suche nach weiteren Optimierungsmöglichkeiten wurde im Rahmen der ganzheitlichen Betrachtung der ORC-Module und der vorgeschalteten Wärmeübertragungsanlage im Hause Maxxtec das Teilstromprinzip entwickelt.

Dieses System erlaubt eine wesentlich bessere Ausnutzung der im Abgas von Holzfeuerungsanlagen enthaltenen Energie für die Erzeugung elektrischer Energie. Dieses System hat sich zwischenzeitlich als Standard überall dort durchgesetzt wo die Erzeugung elektrischer Energie, gegenüber der Wärmeerzeugung, im Vordergrund steht. 

Modularität

Das ORC-Modul wird, bis zu einer Baugröße von 500kW, komplett vormontiertund auf einem Grundrahmen geliefert.

Hier sind alle Bauteile des Turbogenerators, wie z. B. Wärmeaustauscher, Verrohrung, Speisepumpe des Verdampfungsmediums, Turbine, Generator und sonstige Aggregate aufgebaut. Transport und Montage der Anlage sind daher relativ einfach und kostengünstig durchführbar.

ORC-Modul während des Transports

Allgemein

Zwischenzeitlich dürfte sich die ganze Welt darüber im Klaren sein, daß die Verfügbarkeit fossiler Energiequellen nicht unerschöpflich ist. Darüber hinaus verursacht die Emission von Milliarden Tonnen Kohlendioxyd aus fossilen Brennstoffen in die Erdatmosphäre bereits heute spürbare Umweltschäden, deren langfristige Auswirkungen heute noch gar nicht absehbar sind.

Nachdem grüne Organisationen schon viele Jahre auf diese Problematik aufmerksam gemacht haben, wurden zwischenzeitlich in vielen Ländern Anreizsysteme etabliert, um dieser Entwicklung entgegenzuwirken. Neben dem Handel mit Emissionszertifikaten wurden in einigen Ländern hohe Einspeisevergütungen für die Energieerzeugung mit alternativen Energieträgern eingeführt.

In diesem Zusammenhang ist auch die Verbrennung und anschließende Verstromung von Biomasse eine wichtige erneuerbare Energiequelle. Aufgrund nationaler und internationaler Entwicklungsprogramme rückt die Nutzung dieser Ressourcen zwischenzeitlich zunehmend in den Mittelpunkt. 

Der Biomasse-Produktions-Verbrauchs-Zyklus auf unserer Erde ist, dank dem in Millionen von Jahren gut eingestelltem natürlichen Gleichgewicht ausgeglichen, so dass der Atmosphäre kein Kohlendioxyd hinzugefügt wird. Biomasse kann fast überall produziert werden. Mit wenigen Ausnahmen unterliegt diese Energiequelle weder den Ungewissheiten des internationalen Handels, noch werden Kriege um die Ausbeutung der Vorkommen geführt.

Nach dem zweiten Weltkrieg, als Europa weitgehend zerstört war, wurde Holz zum letzten Mittel, um Wärme zu gewinnen und die Energie zur Fortbewegung von Fahrzeugen zu erzeugen. Man muss jedoch nicht apokalyptisch denken, um Biomasse - Energie zu schätzen: Sie ist sauber, umfassend verfügbar, und oft preiswerter, zumindest aber wettbewerbsfähig zu fossilen Brennstoffen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn Holzabfälle verfügbar sind.

Elektrizität zu produzieren ist ein Weg, aus einem hochwertigen Material z. B. Holz, eine hochwertige Art von Energie zu erzeugen.  Elektrizität kann benutzt werden, um Motoren anzutreiben, Licht zu erzeugen, Metalle zu verarbeiten, Wärme zu erzeugen, etc. Sie kann – im Gegensatz zu Wärme - über weite Entfernungen zu anderen Menschen transportiert und an diese verkauft werden. Elektrische Energie hat daher einen wesentlich höheren Nutzwert als Wärmeenergie.

Im Grunde gibt es zwei Wege zur Erzeugung elektrischer Energie aus Biomasse in einem Leistungsbereich bis ca. 2MW elektrisch, Verbrennung oder Vergasung.

Im Vergasungs-Prozess wird die Biomasse teilweise von Luft - oder mit Dampf angereicherter Luft - oxidiert. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft muss niedrig gehalten werden, damit ein brennbares Gas entsteht. Das Gas setzt sich hauptsächlich aus Kohlenstoff - Monoxyd, Wasserstoff und Stickstoff, sowie Teer, Flugaschen und anderen Substanzen, die aus der Pyrolyse der Biomasse resultieren, zusammen

Sofern das Gas abgekühlt und durch chemische Behandlung zuverlässig gereinigt wird, kann damit ein Verbrennungsmotor betrieben werden, um einen Generator zu anzutreiben.

In diesem Zusammenhang wurde bereits eine Anzahl von Versuchen mit Stirling- Motoren durchgeführt. Diese wären weniger anfällig für Schwankungen in der Gas – Zusammenstellung. Derzeit sind Stirling – Motoren allerdings nur in relativ kleinen Leistungsbereichen kommerziell verfügbar.

Biomasse ist sehr vielseitig in Zusammensetzung, Feuchtigkeits - Niveau, Stückgröße, Ascheanteil, Dichte, Staubanteil, etc. Die Produktion und Verwendung von Gas ist nur wirtschaftlich, wenn das Ausgangsmaterial streng ausgewählt wird und wenn die Einstellung und Wartung des Vergasers regelmäßig und zuverlässig durchgeführt werden.

Der zweite Prozess, die Verbrennung von Biomasse, findet in der Brennkammer eines Kessels statt. Für eine vollständige Verbrennung ist eine ausreichende Luftmenge und hohe Temperatur erforderlich. Die Kriterien für eine gute Verbrennung werden zuverlässig erreicht. Moderne Verbrennungsanlagen werden so ausgerüstet und geregelt, dass sie effizient sind und die Umwelt nicht belasten. Darüber hinaus sind diese Anlagen sehr leistungsfähig und wenig wartungsintensiv. Biomasse – Verbrennungs – Anlagen wurden lange Zeit mit Dampfkesseln und Dampfturbinen kombiniert. Dampfsysteme haben jedoch bei Leistungen unter einigen Megawatt entscheidende Nachteile: Sie sind im Aufbau sehr aufwendig und im Betrieb sehr kompliziert, arbeiten mit enorm hohen Dampfdrücken, benötigen eine exakte Kontrolle der Wasserqualität, der Betrieb muss von hochqualifiziertem Personal überwacht werden, die Wartung und das An- und Abfahren der Anlage sind sehr aufwendig. Darüber hinaus benötigt ein konventionelles Dampfsystem einen Überhitzer, welcher eine kritische Komponente im Zusammenhang mit einer Biomassefeuerung darstellt. Weiterhin hat Wasser den Nachteil dass bei Anlagenstillständen während den kalten Jahreszeiten das gesamte System, zur Verhinderung von Frostschäden, vollständig entleert werden muss. Daher wurden ORC-Turbogeneratoren entwickelt. Diese Systeme erlaubt die Erzeugung von Elektrizität in kleinen „power-per-unit“ - Turbinen unter Einsatz von Biomasse-Feuerungen und Thermoöl- Wärmeübertragungssystemen.

ORC - Module 550kWel.

Der Prozess läuft in folgenden Schritten ab:

1. Biomasse wir in einer Brennkammer verbrannt. Mit Hilfe der heißen Rauchgase wird  

   Thermoöl auf eine Temperatur von ca. 300°C - 330°C (Vorlauf des Thermoölkessels)

   erhitzt.

2. Das Thermoöl wird zum ORC-Modul transportiert. Der Turbogenerator entzieht dem

   Thermoöl Wärme und produziert elektrische Energie. Im Kondensator

   wird Wasser erwärmt.

3. Das warme Wasser wird z. B. zur Beheizung von Gebäuden oder von Holztrocknern

    verwandt.

Die Eigenschaften dieses Prozesses können wie folgt zusammengefasst werden:

• Die Biomasse wird in Feuerungen verbrannt, die nach modernsten Gesichtspunkten gebaut sind, und die in hohen Stückzahlen erfolgreich betrieben werden. Diese Anlagen, mit Ihren Ausrüstungsteilen, wie Filter, Meß- Regel- und Sicherheitseinrichtungen, Entaschung, Biomasse-Zuführung usw. sind heutzutage sicher, zuverlässig, sauber und leistungsfähig.

• Zur Wärmeübertragung wird Thermoöl eingesetzt. Dieses Medium bietet eine Reihe von Vorteilen wie: niedriger Druck im gesamten System, hohe Trägheit und Unempfindlichkeit gegenüber Leistungsänderungen, geringe Frostempfindlichkeit, sichere Kontrolle und Bedienung. Die relativ niedrige Temperatur von rund 300°C im Vorlauf gewährleistet eine lange Einsatzdauer des Wärmeträgeröls

• Die erzeugte Wärme wird mit einem ORC-Turbogenerator in Elektrizität umgewandelt. Durch das ORC-Verfahren wird hohe Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit erreicht. Die Turbine verfügt über einen relativ großen Rotor, hat eine niedrige periphere Geschwindigkeit und wird direkt mit dem Generator verbunden. Alle Elemente des ORC-Modules werden im Werk vormontiert und getestet. Auf diese Weise wird die Montage vor Ort erheblich vereinfacht. Im Gegensatz zu Dampf, verursacht das eingesetzte organische Medium keine Korrosion, keine Erosion in den Ventilsitzen, Rohren und den Turbinenschaufeln. Dadurch ist eine sehr lange Betriebszeit der Anlage sichergestellt.

• Bei der Konstruktion des Turbogenerators wurden konservative Kriterien berücksichtigt. Der Turbogenerator kann innerhalb von wenigen Minuten gestartet werden. Auch das ferngesteuerte Anfahren des Systems ist möglich. Die gesamte Anlage kann ohne permanente Kontrolle gefahren werden. Eine komplette Datenauswertung erlaubt dem Betriebspersonal innerhalb kürzester Zeit den Zustand der Anlage zu kontrollieren. Die Betriebsdaten können per BUS oder Modem zu übergeordneten oder entfernten Leitsystemen übermittelt werden.