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Organic Rankine Cycle

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Akronym: ORC

Definition: ein Verfahren für den Betrieb von Dampfturbinen oder Dampfmaschinen zur Nutzung von Wärmequellen mit relativ niedriger Temperatur

Englisch: organic Rankine cycle

Kategorie: Kraftmaschinen und Kraftwerke

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 19.12.2014; letzte Änderung: 16.09.2016

Dampfturbinen, die Wasserdampf als Arbeitsmittel verwenden, werden sehr häufig als Wärmekraftmaschinen eingesetzt, insbesondere in großen Kraftwerken. Die thermodynamischen Eigenschaften des Wasserdampfs machen diesen als Arbeitsfluid allerdings ungeeignet, wenn Wärmequellen mit relativ niedriger Temperatur genutzt werden sollen – beispielsweise Wärme aus tiefer Geothermie.

Das war Pech für Herrn Clausius: Sein Name wurde gestrichen, obwohl es eigentlich korrekt hätte heißen sollen “Organic Clausius Rankine Cycle”.

In solchen Fällen setzt man gelegentlich das Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) ein, und zwar als Alternative zum Clausius-Rankine-Kreisprozess, der theoretischen Grundlage der herkömmlichen Dampfturbinen. “Organic” steht hier dafür, dass gewisse organische Stoffe (im Sinne der Chemie) als Arbeitsmittel verwendet werden. Einige Beispiele für solche Arbeitsmittel (die teilweise sonst auch als Kältemittel verwendet werden) werden im Folgenden genannt:

Es gibt eine Vielzahl von Arbeitsmedien, die für ORC-Anlagen geeignet sind – mit spezifischen Vor- und Nachteilen, die je nach der konkreten Situation mehr oder weniger ins Gewicht fallen.

Teils wird auch Silikonöl verwendet, welches nicht eindeutig als organische Substanz einzuordnen ist. Eindeutig anorganisch ist ein Gemisch von Ammoniak (NH3) und Wasser, das bei einem modifizierten Verfahren, dem Kalina-Kreisprozess, eingesetzt wird. Häufig verwendet man Stoffgemische (Mehrstoffdampfprozess).

Allen Arbeitsfluiden gemeinsam ist, dass sie im Vergleich zu Wasser relativ niedrige Siedepunkte aufweisen, was den Betrieb bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.

Für die Auswahl eines Arbeitsfluids sind diverse Eigenschaften zu berücksichtigen: nicht nur die thermodynamischen Eignung für das zu nutzende Temperaturgefälle, sondern auch ggf. die Giftigkeit, die Korrosivität, das Potenzial der Wassergefährdung und die Klimaschädlichkeit (im Falle eines Austritts), die Brennbarkeit und natürlich auch der Preis.

Manchmal wird die verwendete Wärme zunächst auf ein Thermoöl übertragen und danach in einem zusätzlichen Wärmeübertrager auf das eigentliche Arbeitsmedium. Dies ermöglicht einerseits den drucklosen Betrieb beispielsweise eines Biomasse-Heizkessels und verhindert andererseits die Zersetzung des Arbeitsmediums durch lokal überhöhte Temperaturen.

Technische Aspekte von ORC-Anlagen

Das Grundprinzip ORC pflegt kaum etwas über die Art der technischen Realisierung fest – nicht einmal, ob eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine verwendet wird.

Der Begriff “Organic Rankine Cycle” bezeichnet nur das physikalische Grundprinzip, nicht aber eine bestimmte technische Ausführung. Er besagt nicht einmal, ob für die Entspannung des Dampfs eine Dampfturbine verwendet wird oder aber beispielsweise eine Dampfmaschine (Hubkolbenmaschine). Tendenziell bietet sich für höhere Leistungen der Einsatz einer Turbine an, während Hubkolbenmaschinen für kleine Leistungen günstiger sein können.

Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Anlage für die jeweiligen Bedingungen bezüglich Temperaturen der Wärmequelle und Wärmesenke, Leistungen und verwendetem Arbeitsmittel optimiert werden. Es ist also nicht möglich, einfach eine Standard-Dampfturbine mit einem anderen Arbeitsmittel zu versehen. Die grundlegenden Verfahren sind allerdings dieselben wie bei konventionellen Dampfturbinen; beispielsweise werden oft Verdampfer und Überhitzer eingesetzt, um einen trockenen Dampf mit höherer Enthalpie zu erhalten. Die Turbine bzw. der Motor treibt einen Generator an, mit dem die elektrische Energie gewonnen wird.

Die in der Praxis erreichten Wirkungsgrade liegen meist deutlich unter dem Carnot-Wirkungsgrad, der das theoretische Potenzial beschreibt. Zudem ist auch der Carnot-Wirkungsgrad wegen der relativ geringen Dampftemperaturen nicht allzu hoch. Bei relativ niedrigen Dampftemperaturen von z. B. 100 °C kann noch ein elektrischer Anlagenwirkungsgrad von 10 % möglich sein, bei höheren Temperaturen von z. B. 250 °C auch deutlich über 20 %.

Anwendungen des Organic Rankine Cycle

Im Folgenden werden einige typische Anwendungen von ORC-Anlagen kurz vorgestellt. Über deren Wirtschaftlichkeit können keine allgemeinen Aussagen gemacht werden, da diese stark von den jeweiligen Umständen abhängt – etwa von der Größe des erschließbaren Potenzials (maximale Wärmeleistung und zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz) und von diversen anderen Faktoren, die jeweils im konkreten Fall analysiert werden müssen.

Geothermie

Auch wenn der Wirkungsgrad der Verstromung gering ist, kann diese sinnvoll sein, wenn eine lokale Nutzung der gewonnenen Wärme schwierig ist.

Bei der tiefen Geothermie erreicht man selbst mit sehr tiefen Bohrungen meist keine Temperaturen des geförderten Wassers, die wesentlich oberhalb von 100 °C liegen. Mithilfe einer ORC-Anlage lässt sich daraus trotzdem elektrische Energie gewinnen, wenn auch mit einem relativ geringen Wirkungsgrad von oft weniger als 20 %. Da die Abwärme der Anlage auf einem noch wesentlich tieferen Temperaturniveau anfällt, wird deren Nutzung erschwert. Von daher erschiene es im Prinzip sinnvoller, die erzeugte Wärme direkt zu nutzen anstatt zur relativ ineffizienten Stromerzeugung. Wenn allerdings eine geothermische Energiequelle an einem Standort zur Verfügung steht, wo kein entsprechender Wärmebedarf besteht, kann die Stromerzeugung nach dem ORC-Prinzip trotzdem sinnvoll sein.

Solarkraftwerke

Größere Solarkraftwerke basieren oft auf Parabolrinnenkollektoren. Diese können Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreichen, was zum Betrieb herkömmlicher Dampfturbinen ausreicht. Für kleinere dezentrale Anlagen – beispielsweise mit einer Leistung in der Größenordnung von einem Megawatt – kommt jedoch auch die ORC-Technik infrage. Insbesondere wenn die Wärme zwischengespeichert werden soll, um beispielsweise auch die Stromerzeugung in der Nacht zu gestatten, ist die verfügbare Temperatur noch etwas geringer, sodass die Verwendung der ORC-Technik höhere Wirkungsgrade erlauben kann. Man spricht in diesem Fall von SORC-Anlagen (solar organic Rankine cycle). Von ihnen wurden bisher nur wenige Exemplare realisiert.

Ergänzung anderer Wärmekraftmaschinen

Manche Wärmekraftmaschinen produzieren Abgase, die noch erhebliche Mengen von Wärme enthalten. Wenn beispielsweise ein großes Blockheizkraftwerk mit Gasmotoren arbeitet, kann diesen mit Hilfe eines Wärmeübertragers ein Teil der Wärme auch auf einem hohen Temperaturniveau von z. B. 300 °C oder 400 °C entnommen werden. Diese Hochtemperaturwärme lässt sich in einer ORC-Anlage gut nutzen, um zusätzliche elektrische Energie zu gewinnen (“Nachverstromung”), den gesamten elektrischen Wirkungsgrad also deutlich zu erhöhen. (In manchen Fällen kann sogar eine konventionelle Dampfturbine verwendet werden.) Dies ist energetisch günstiger, als das Abgas nur für die Gewinnung von Niedertemperaturwärme zu nutzen. Nach dem genannten Wärmeübertrager kann ein zweiter eingesetzt werden, um die restliche Wärme als Niedertemperaturwärme zu gewinnen.

Die Abwärme aus dem ORC-Prozess lässt sich im Prinzip immer noch nutzen, wobei dies angesichts der deutlich tieferen Temperatur tendenziell schwieriger ist.

Kraft-Wärme-Kopplung

Beispielsweise für die Nutzung von Biomasse in dezentralen Anlagen könnte die Verwendung von ORC-Prozessen relativ gute Wirkungsgrade trotz moderater Temperaturen ermöglichen. (Die Verbrennungstemperatur liegt bei Biomasse oft deutlich tiefer als bei fossilen Brennstoffen.) Man verwendet hier beispielsweise einen Thermoölkessel, in dem Silikonöl auf eine Temperatur von z. B. 300 °C aufgeheizt und dann dem ORC-Prozess zugeführt wird. Die moderate Temperatur erlaubt einen relativ guten Kesselwirkungsgrad.

Industrielle Abwärme

Industrielle Abwärme ist eine besonders interessante Quelle für die Verstromung mithilfe einer ORC-Anlage.

Bei industriellen Prozessen entstehen oft nennenswerte Mengen von Abwärme bei Temperaturen oberhalb von 100 °C. Soweit diese Wärme nicht direkt wieder nutzbar ist, lässt sie sich mit einer ORC-Anlage zur Stromerzeugung nutzen. Beispielsweise allen bei Zementöfen Abgase mit einer Temperatur von z. B. 280 °C an, und diese Wärme lässt sich mit einem Wirkungsgrad von rund 20 % verstromen. Auch Abwärme von einem Klinkerkühler lassen sich auf diese Weise nutzen. Die erzeugbare elektrische Leistung kann deutlich oberhalb von einem Megawatt liegen (bei einer Feuerungsleistung von z. B. 100 MW), sodass ein erheblicher Ertrag entsteht.

Meereswärmekraftwerke

Bei der Nutzung von Meereswärme sind die verfügbaren Temperaturen und Temperaturunterschiede besonders gering.

Ein Meereswärmekraftwerk nutzt Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Tiefen im Meer. Man könnte in tropischen Regionen beispielsweise Oberflächenwasser mit Temperaturen oberhalb von 20 °C und gleichzeitig Tiefenwasser mit ca. 5 °C als Wärmesenke verwenden. Dieses sehr tiefe Temperaturniveau könnte mit entsprechend angepassten ORC-Anlagen genutzt werden. Obwohl die Wirkungsgrade aufgrund der geringen Temperaturdifferenz prinzipiell nur bei einigen Prozent liegen können, sind durchaus Anlagen mit Leistungen in der Größenordnung von 100 Megawatt denkbar.

Siehe auch: Kalina-Kreisprozess, Clausius-Rankine-Kreisprozess, Thermodynamik, Dampfturbine, Wärmekraftmaschine, Geothermie, Solarkraftwerk, Kraft-Wärme-Kopplung
sowie andere Artikel in der Kategorie Kraftmaschinen und Kraftwerke

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