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Kalina-Kreisprozess

Der Kalina-Kreisprozess ist ein in den 1970er Jahren von dem russischen Ingenieur Alexander Kalina entwickeltes Verfahren für den Betrieb von Dampfturbinen zwecks Nutzung von Wärmequellen mit besonders niedriger Temperatur. Es ähnelt dem Prinzip des Organic Rankine Cycle insofern, dass auch hier ein Arbeitsmedium mit niedrigem Siedepunkt verwendet wird. Es handelt sich jedoch nicht um einen organischen Stoff, sondern um ein Gemisch von Ammoniak (NH₃) und Wasser.

Dass als Arbeitsmedium ein Gemisch und nicht um eine reine Substanz verwendet wird, ist hier von besonderer Bedeutung, da sich die Zusammensetzung des Gemischs (d. h. die Ammoniak-Konzentration) beim Durchlaufen des Zyklus ständig ändert. Bei Wärmezufuhr verdampft nämlich ein größerer Teil des Ammoniaks, und anschließend wird in einem Separator der ammoniakreiche Dampf von der flüssigen Phase getrennt (siehe Abbildung 1). Der Dampf treibt die Dampfturbine an, während die abgetrennte heiße Flüssigkeit zuerst in einem Hochtemperatur-Wärmeübertrager abgekühlt wird, dann ein Drosselventil durchströmt und schließlich mit dem von der Turbine kommenden (entspannten) Dampf vereinigt wird. Der Druck des Dampfs wird hierbei weiter reduziert, da die zugeführte Flüssigkeit ärmer an Ammoniak ist.

Ähnlich wie im grundlegenden Verfahren des Clausius-Rankine-Zyklus wird der Dampf dann in einem Kondensator vollständig verflüssigt, um sein Volumen zu reduzieren, danach über eine Pumpe wieder auf hohen Druck gebracht und dem Dampferzeuger zugeführt.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads kann zusätzlich ein Regenerator (oder genauer ein Rekuperator) eingesetzt werden, d. h. ein Wärmeübertrager, der dem Dampf vor dem Kondensator einen Teil der Wärme entzieht und damit die Flüssigkeit auf dem Weg zum Dampferzeuger vorerwärmt. Eine weitere Vorerwärmung erfolgt in dem oben genannten Wärmeübertrager mithilfe der Flüssigkeit, die im Separator gewonnen wird.

Weitere technische Aspekte und Anwendungen

Da im Dampferzeuger Ammoniak bevorzugt verdampft wird, sinkt dessen Anteil in der flüssigen Phase beim Durchlaufen des Dampferzeugers, wobei der Siedepunkt allmählich ansteigt. Das entsprechende Ansteigen der Temperatur ist thermodynamisch günstig; es erlaubt eine bessere Ausnutzung des thermodynamischen Potenzials der Wärmequelle. (Der Anteil des Ammoniaks kann auch gezielt auf die jeweiligen Temperaturverhältnisse eingestellt werden.) Ein ähnlicher Vorteil tritt auch im Kondensator auf. Aus diesen Gründen lässt sich mit dem Kalina-Kreisprozess ein deutlich höherer Wirkungsgrad erzielen als mit dem ursprünglichen Organic Rankine Cycle (wo die Siedetemperatur bei gegebenem Druck konstant bleibt). Dies gilt insbesondere im Bereich recht tiefer Temperaturen der Wärmequelle; eine Kalina-Anlage kann schon mit etwas weniger als 100 °C auskommen. Dies erleichtert insbesondere die Nutzung von Wärme aus Geothermie, aber auch aus anderen Quellen, beispielsweise industrielle Abwärme oder restliche Wärme von anderen Wärmekraftmaschinen.

Andererseits ist eine solche Anlage im Vergleich zu einer ORC-Anlage deutlich komplexer, insbesondere wegen der nötigen Trennung von Dampf und Flüssigkeit vor der Turbine. Auch die Handhabung des ätzenden und giftigen Ammoniaks wirft einige Probleme auf. Seine korrosive Wirkung erfordert die Verwendung spezieller Stähle (oder von Titan), und ein Austritt des Ammoniakgases im Betrieb oder bei der Wartung muss sicher vermieden werden. Wegen der resultierenden relativ hohen Investitionskosten sind bisher nur sehr wenige Kalina-Anlagen gebaut worden.

Siehe auch: Organic Rankine Cycle, Dampfturbine, Geothermie