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Bosch Thermotechnik

Industrielle Abwärme zur Stromerzeugung nutzen

| Autor/ Redakteur: Jan Sagefka / Stéphane Itasse

Statt Abwärme als Abfallprodukt industrieller Prozesse mit Einsatz elektrischer Energie an die Umwelt abzugeben, kann man sie auch zur Stromerzeugung einsetzen. Mit Organic-Rankine-Cycle-Anlagen lassen sich selbst geringere Temperaturgefälle nutzen, was die Gesamteffizienz von Prozessen erhöht.

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Bild 1: ORC-Anlagen zur Abwärmenutzung lassen sich auch auf der Grundfläche eines 20-Fuß-Standardcontainers unterbringen.
Bild 1: ORC-Anlagen zur Abwärmenutzung lassen sich auch auf der Grundfläche eines 20-Fuß-Standardcontainers unterbringen.
(Bild: Bosch KWK Systeme)

Der Organic-Rankine-Cycle (ORC) ist ein Dampfkreisprozess, bei dem statt des häufig verwendeten Wasserdampfes ein organisches Arbeitsmittel zum Einsatz kommt. Das organische Arbeitsmittel verdampft bei Umgebungsdruck deutlich unter dem Siedepunkt von Wasser. Somit kann verwertbarer Arbeitsdampf, also Dampf mit hohem Druck, bei deutlich geringeren Temperaturen erzeugt werden als mit Wasser.

ORC-Technik ermöglicht Ausnutzen relativ geringer Temperaturgefälle

Dadurch ist auch bei geringem Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Rückkühlung eine Abwärmenutzung zur Stromerzeugung mittels ORC-Anlagen möglich. Die größte technische Herausforderung bei ORC-Anlagen liegt darin, ein Entspannungsaggregat für den erzeugten Arbeitsdampf einzusetzen, das im erzeugten Temperatur- und Druckverhältnis eine optimale Nutzung der bereitgestellten Wärme ermöglicht.

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Der von Bosch eingesetzte magnetgelagerte Turboexpander ist eines der effizientesten Entspannungsaggregate. Die hermetisch gekapselte Bauweise mit einer Kombination aus Turbine und Generator ermöglicht eine effiziente Nutzung des Arbeitsdampfes. Der Turboexpander ist besonders dicht, da durch die hermetische Kapselung kein Verlust von Arbeitsfluid möglich ist, was dem Umweltschutz zugutekommt. Außerdem treten keine Reibungsverluste in den Lagern durch Magnetlagerung auf, was eine höhere Effizienz mit sich bringt. Die Symmetrie des Schaufelrades ist optimal an das Bosch-System angepasst worden, ebenfalls für eine höhere Effizienz.

ORC-Anlagen sind auf optimierte Nettostromproduktion ausgelegt

Weiterhin sind die ORC-Anlagen von Bosch auf eine optimierte Nettostromproduktion ausgelegt. Dies ist die Basis für eine wirtschaftlich attraktive Nutzung der Abwärme. Mit einem Nettowirkungsgrad von rund 10 % sind die Systeme von Bosch die effizientesten in ihrem Einsatzbereich. Bei der Auswahl der Komponenten wie Pumpen oder Verflüssiger wurde auf besonders effiziente Produkte geschaut, da diese nicht mehr Strom verbrauchen als unbedingt notwendig.

Damit wird nur ein unvermeidbarer Anteil des produzierten Stroms für den Betrieb der ORC-Anlage aufgewandt; es wird ebenfalls darauf geachtet, dass die Anlage so eingesteuert wird, dass ein maximaler Nettoertrag möglich ist. Es wäre möglich, mehr Bruttoleistung zu erzeugen, aber durch mehr Aufwand für Pumpen und Kühlen hieße das nicht automatisch mehr Nettostrom.

In der Praxis gibt es ein weit gefächertes Anwendungsspektrum für ORC-Anlagen. Gerade die geringe erforderliche Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Rückkühlung ermöglicht es dem ORC-Prozess, nahezu jede Form von Abwärme zu verwerten. Derzeit sind Abwärmequellen ab circa 120 °C wirtschaftlich sinnvoll zu erschließen. Temperaturen unter 100 °C stellen, bei der vorrangig verwendeten Kühlung des Arbeitsmediums gegenüber der Außenluft, eine große Herausforderung dar: Hier schränken die hohen Außenlufttemperaturen in den Sommermonaten die sinnvolle Nutzbarkeit extrem ein, da mit zunehmenden Außentemperaturen das Temperatur- und damit auch das Druckgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu gering wird, um wirtschaftlich interessante Wirkungsgrade zu erreichen.

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