ORC Module

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Organic Ranking Cycle (ORC) - Module bis 3 MW zur Stromerzeugung aus Abwärme

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 3 MW (elektrisch) im Einsatz.


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, 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.


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. 3 MW 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 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.

Modularität

Das ORC-Modul kann bis zu einer Baugröße von 800kW, komplett vormontiert und auf einem Grundrahmen geliefert werden.
Hier sind alle Bauteile des Turbogenerators, wie z. B. Wärmeaustauscher, Verrohrung, Speisepumpe des Verdampfungsmediums, Turbine, Generator und sonstige Aggregate auf einem Grundrahmen aufgebaut. Transport und Montage der Anlage sind daher relativ einfach und kostengünstig durchführbar.

Die Energieerzeugung in Biomasse Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen mit ORC 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° - C330°C erhitzt.
  2. Das Thermoöl transportiert die thermische Energie zum ORC-Modul. Dort wird das Arbeitsmedium verdampft und treibt den Turbogenerator an, welcher elektrische Energie produziert.
  3. Die bei der Kondensation des Arbeitsmediums entstehende Wärme wird zur Erwärmung von Wasser genutzt, welches zur Beheizung von Gebäuden oder Prozessen z. B.  von Holztrocknern, verwendet werden kann.

Die Eigenschaften der Hauptsysteme können wie folgt zusammengefasst werden:

  • Die Biomasse wird in Feuerungen verbrannt, die nach modernsten Gesichtspunkten gebaut und den verwendeten Brennstoffen angepasst sind. Solche Feuerungen werden in hohen Stückzahlen gebaut und erfolgreich betrieben. Hoch entwickelte Ausrüstungen, wie Filter, Meß- Regel- und Sicherheitseinrichtungen, Entaschung, Biomasse-Zuführung usw. sorgen für einen zuverlässigen, sicheren, effizienten und umweltschonenden Betrieb dieser Anlagen.
  • Zur Wärmeübertragung und als Arbeitsmedium werden organische Flüssigkeiten eingesetzt. Diese Medien sind für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert und bieten viele Vorteile, 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 eine hohe Leistungsfähigkeit, Flexibilität, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit erreicht. Die verwendeten Turbinen verfügen in der Regel über einen relativ großen Rotor, haben eine niedrige periphere Geschwindigkeit und werden direkt mit dem Generator verbunden. Alle Elemente des ORC-Modules können im Werk vormontiert und getestet werden. Auf diese Weise wird die Montage und Inbetriebnahme vor Ort erheblich vereinfacht. Im Gegensatz zu Dampf, verursacht das eingesetzte organische Medium keine Ablagerungen, keine Korrosion, keine Erosion und keine Frostschäden. Dadurch ist eine sehr lange Betriebszeit der Anlage sichergestellt.
  • Die gesamte Anlage kann ohne permanente Kontrolle gefahren werden. Eine umfassende 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.
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