Letzte Aktualisierung: 20.05.2021

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Organic Rankine Cycle: Prinzip & Anwendungen

Mit Hilfe eines Organic Rankine Cycle (ORC) lässt sich thermische Energie auch bei relativ niedrigen Temperaturen (100°-350°C) in mechanische bzw. elektrische Energie umwandeln. Das ORC-Prinzip basiert auf dem herkömmlichen Dampfkraftwerksprozess (Clausius Rankine Cycle) mit dem Unterschied, dass anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsmedium eingesetzt wird. Organische Arbeitsmedien haben den Vorteil, tiefere Siedetemperaturen zu besitzen, sodass auch Abwärme mit Temperaturen unter 350 °C zur Stromerzeugung nutzbar gemacht werden kann.

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Wie funktioniert ein Organic Rankine Cycle?

Hintergrund

Der Organic Rankine Cycle (Abkürzung: ORC) ist ein Verfahren zum Betrieb von Dampfturbinen. Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine (1820-1872) zurück. Der OR-Cycle ist ein Clausius-Rankine-Prozess, bei dem statt Wasser ein organisches Medium als Arbeitsmittel eingesetzt wird.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig ist für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine.

Funktionsweise

Vor dem ORC-Prozess wird dazu Wärme von z.B. industriellen Abgasströmen, aus Feuerungsanlagen oder Geothermiequellen über einen Wärmetauscher auf einen Arbeitsmedium (häufig Thermoöl) übertragen. Dann erst folgt der eigentliche Rankine-Kreislauf, an den die Wärme wiederum über einen Wärmetauscher übergeben wird.

Die Antriebswärme verdampft das Arbeitsmedium des ORC-Prozesses und der Dampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Der Dampf wird nach der Turbine wieder abgekühlt und kondensiert in den Wärmetauscher zurückgeschickt.

Arbeitsmedien

Der ORC nutzt dabei organische Stoffe, die bei weit unter 100°C vom flüssigen Zustand in Dampf übergehen. Je nach Zusammensetzung des Arbeitsmittels variieren Verdampfungsdruck und Verdampfungstemperatur. Generell liegen diese beiden Parameter jedoch weit unter den Verdampfungsparametern von Wasser.

Die niedrigen Siedetemperaturen ermöglichen es Abwärme zwischen 120 und 450 °C zu verstromen, die sonst nur zu Wärmezwecken hätte genutzt werden können. Der Kalina-Cycle bzw. Kalina-Prozess gehört mit einem Gemisch aus Wasser und Ammoniak zu den ORC-Anwendungen mit einem sehr niedrigen Siedepunkt.

Tabelle: Mögliche Arbeitsmedien in ORC-Prozessen (Quelle: in Anlehnung an https://de.wikipedia.org/wiki/Organic_Rankine_Cycle)
Arbeitsmedium Siedetemperatur (bei Normaldruck)
Ammoniak (NH3) -33,45 °C
Ethanol (C2H5OH) 78,00 °C
Wasser 99,85 °C
n-Butan C4H10 -0,55 °C
n-Pentan C5H12 36,05 °C
C6H6 (Benzol) 79,85 °C
C7H8 (Toluol) 110,45 °C
R134a (HFC-134a) -25,15 °C
C8H10 137,85 °C
R12 -29,95 °C
HFC-245fa 15,25 °C
HFC-245ca 25,05 °C
R11 (CFC-11) 23,05 °C
HFC-236fa -1,15 °C
R123 27,85 °C
CFC-114 3,55 °C
R113 47,25 °C
n-Perfluorpentan C5F12 29,25 °C

Durch die Verwendung organischer Arbeitsmedien sind die Turbinen meist Sonderanfertigungen. Zudem sind die Arbeitsmedien teilweise aggressiv, so dass die Oberflächen der Turbinen und der Wärmeübertrager beschichtet oder anders gegen Korrosion geschützt werden müssen. Auch die Dichtung der Kreisläufe ist aufwendiger als bei Wasser.

Um technischen, wirtschaftlichen und Anforderungen an den Klimaschutz gerecht zu werden, werden heute aber auch synthetische Arbeitsmedien verwendet, die in ihren Stoffeigenschaften genauer an die speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des ORC-Kreisprozesses angepasst werden und so auch höhere thermodynamische Wirkungsgrade erzielt werden können.

Eine Fallstudie von Wissenschaftlern am Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth hat die CO2-Emissionen des deutschen Geothermiekraftwerks Kirchstockach untersucht. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die CO2-Emissionen eines ausschließlich zur Stromerzeugung eingesetzten Geothermie-Kraftwerks zu mehr als einem Drittel vom jeweils verwendeten Arbeitsmedium abhängen. Würden statt der bisher üblichen Fluide natürliche Kältemittel oder Hydrofluorolefine (HFO) verwendet, lassen sich die CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung erheblich senken.

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Anwendungsfelder von ORC-Systemen

Die Organic-Rankine-Cycle-Technik wird heute häufig in Verbindung mit Gasturbinen, Holzfeuerungen und Geothermie eingesetzt, um aus Abwärme Strom und Prozesswärme zu gewinnen.

BHKW und Holzheizkraftwerke

Wenn in Biogasanlagen keine Möglichkeit der Wärmenutzung in der Umgebung vorhanden ist, bietet die ORC-Technik eine Möglichkeit, die Abwärme des Blockheizkraftwerks (BHKW) nochmals zur Stromerzeugung zu nutzen. Auch in Holzheizkraftwerken fällt Abwärme mit hohen Temperaturen an, die mit einem ORC-Dampfkraftprozess nutzbar gemacht werden kann.

In der Regel kommt dazu ein Thermoölkreislauf zwischen dem HKW und der ORC-Anlage zum Einsatz, der die Energie aufnimmt. Wahlweise kann diese Energie dann dem ORC-Prozess zugeführt und zur Stromproduktion genutzt oder bei entsprechendem Wärmebedarf über einen Wärmetauscher an z. B. eine Fernwärmeleitung ausgekoppelt werden.

Die Abgaswärmenutzung des Heizkraftwerks mit einer ORC-Turbine kann so den elektrischen Wirkungsgrad der KWK-Anlage erhöhen, so dass sich ein höherer Gesamtwirkungsgrad ergibt. So können ebenfalls auch CO2-Emissionen vermieden werden und nachwachsende Energieträger wie Holz deutlich effizienter als bisher genutzt werden.

Die ORC-Technik kann natürlich auch mit fossil betrieben Blockheizkraftwerken kombiniert werden, um deren Abgaswärme (~450°C) zu verstromen.

Geothermiekraftwerke

Eine große Stärke der ORC-Technik ist, dass Abwärme bereits ab Temperaturen unter 100°C zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Dieses Potenzial machen sich Geothermiekraftwerke zunutze.

Bei sehr heißen geothermischen Quellen wie z. B. in Indonesien wird der Dampf zunächst direkt genutzt, um eine klassische Turbine anzutreiben. Das Heißwasser steigt dabei mit hohem Druck aus einem Reservoir im Erdinneren über einen Bohrschacht nach oben und verdampft durch Entspannung im Kraftwerk. Der Dampf wird dann zur Turbine geleitet, die mit Hilfe eines Generators Strom erzeugt.

Nicht verdampftes Wasser wird vor dem Zurückpressen dann per ORC-Anlage verstromt. Mit der im heißen Wasser vorhandenen Wärmeenergie kann sie noch zusätzlich bis zu 10 % Strom erzeugen.

In Deutschland sind hydrogeothermische Quellen nicht so heiß, um den Heißdampf „direkt“ zu verstromen. Hier wird der ORC-Prozess dann als primäres Kraftwerk eingesetzt, um überhaupt Strom bei Temperaturen um 120 bis 140°C produzieren zu können.

Geothermische Stromerzeugung: ORC oder Kalina?

Die tiefe Geothermie in Deutschland kann – wie oben bereits angedeutet – aufgrund der „niedrigeren“, wirtschaftlich erschließbaren Reservoirtemperaturen von 100 °C bis 200°C nur mittels Sekundärkreislauf verstromt werden. Infrage kommen der Organic Rankine Cycle (ORC) und der Kalina-Prozess.

Unter dem Kalinaprozess oder genauer Kalina-Kreisprozess oder Kalina-Cycle Verfahren versteht man ein in den 1970er Jahren vom russischen Ingenieur Alexander Kalina entwickeltes Wärmeaustauschverfahren zur Dampferzeugung, das Wassertemperaturen um 90 Grad nutzen kann. So kann schon bei geringeren Bohrtiefen ein Erdwärmekraftwerk betrieben werden.

Silke Köhler hat in der Doktorarbeit „Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse“ an der Helmholtz-Gemeinschaft ORC- und Kalina-Technik verglichen und die Spezifika analysiert.

Sie kommt zu dem Schluss, dass im unteren Temperaturbereich, und zwar insbesondere bei Luftkühlung, Kalina-Anlagen Vorteile aufweisen, während ORC-Anlagen im oberen Temperaturbereich bessere Stromausbeuten versprechen.

Das Besondere dabei ist, dass die Kalina-Anlagen dem Thermalwasser weniger Wärme entziehen als ORC-Anlagen. Sie wandeln diese Wärme aber mit einem höheren thermischen Wirkungsgrad in elektrische Energie um.

Im Gegensatz zu den ORC-Anlagen verschiebt sich bei den Kalina-Anlagen der Punkt der maximalen Leistung mit zunehmender Temperatur der Wärmequelle hin zu höheren Rücklauftemperaturen des Thermalwassers. Dies kann vorteilhaft sein, wenn Abwärme zu Heizzwecken bereitgestellt werden soll.

Letztlich spielen aus wirtschaftlicher Sicht die Thermalwassertemperatur und die Art der Kühlung eine wichtigere Rolle als die Entscheidung zwischen ORC- oder Kalina-Anlage, da beide Techniken an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden können.

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