ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung an BHKW-Motoren

Kurzlebenslauf: Dr.‐Ing. Wilhelm Althaus Fraunhofer‐Institut für Umwelt‐, Sicherheits‐ und Energietechnik UMSICHT Osterfelder Strasse 3 DE‐46047 Oberhausen Tel. 0208/8598‐1186 Fax: 0208/8598‐1423 Mobil: 0172/8413224 e‐mail: [email protected] Wilhelm Althaus ist stellvertretender Leiter des Geschäftsfeldes Energie‐Effizienz‐Technologien und Leiter des Teams ORC bei Fraunhofer UMSICHT. Nach dem Studium des Chemieingenieurwesens und einer Promotion zu Reibungsminderern in der Fernwärmeversorgung an der Universität Dortmund, war er seit 1991 zunächst als Gruppenleiter Umwelt‐ und Sicherheitstechnik, dann als Abteilungsleiter Energieversorgung, dann als Bereichsleiter/Geschäftsfeldleiter Energietechnik maßgeblich an Aufbau und Etablierung des jungen Fraunhofer‐Instituts UMSICHT in Oberhausen engagiert. Kernkompetenzen des Instituts liegen insbesondere in Prozessentwicklung und innovativem Anlagenbau. Die Energietechnik bei Fraunhofer UMSICHT mit heute rund 60 Mitarbeitern hat sich in den letzten 20 Jahren starke Standbeine in der eher dezentralen innovativen Energietechnik mit Bereitstellung und Speicherung von Strom, Wärme und Kälte, bei der Nutzung von Biobrennstoffen und Sondergasen, in der Kraft‐Wärme‐Kopplung und Abwärmenutzung mit Fernwärme, Nahwärme und ‐kälte sowie im Energiemanagement und bei der Energiespeicherung geschaffen. Dr. Althaus leitet bei Fraunhofer UMSICHT seit 2005 die Arbeitsgruppe ORC und hat seitdem die Entwicklung kleiner ORC‐Prozesse, zunächst mit dem Fokus auf der Abwärmeverstromung von Gasmotoren vorangetrieben. Dr. Althaus ist Mitglied mehrerer Fachgremien, z.B. im VGB powertech Fachausschuss Nutzung erneuerbarer Energien und dezentrale Erzeugung und im Processnet‐Fachausschuss Energieverfahrenstechnik der VDI‐GVC. ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung an BHKW-Motoren
Entwicklungs-/
Demonstrationsprojekt mit
Feldversuch
Dr.-Ing. Wilhelm Althaus
Tel. 0208/8598-1186 , e-mail: [email protected]
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
ORC (Organic Rankine Cycle) – Prozessprinzip
Turbogenerator
Verdampfer
Turbine
Wärmequelle/
Wärmeaufgabe
G
~
~
Zusatzstromerzeugung aus
Abwärme
€/kWhel -
€/kWhth ¯
Wärmeabgabe/
Wärmeabnahme
VLh -
Kondensator
ORC-Modul
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
€/kWhth -
ORC – Anwendungsbereiche
BiofestbrennstoffFeuerungen
Max.
Temperatur 600
der Antriebswärmequelle
in °C
500
Abgaswärme
von
Motoren,
Turbinen,
HochtemperaturBrennstoffzellen
400
300
MicroCHP
Industrielle
Abwärmenutzung
CSP
Concentrating
Solar Power
(Parabolrinnen u.ä.)
200
100
Solarthermie
Geothermie
Motorwärme
20
1
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
10
100
1000
10.000
100.000
Leistung
in kWel
Abwärmequellen eines Motors
Vorlauftemperatur
Abgaswärme
relative Menge
400-600°C
37-45%
- Gemischkühler 1
80-95°C
48-62%
- Motorblockkühlung
Gemischkühler 2
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Hochtemperatur
HT-ORC
Verdampfung bei
180-270°C
Motorwärme
- Ölkühler
ORC-Prozess-Prinzip
Exergetischer Blödsinn; kann in
eingeschränkten Bereichen
wirtschaftlich Sinn machen
Niedertemperatur
NT-ORC
50-60°C
2-8%
Verdampfung bei
65-95°C
30
Wirkungsgrad ist beschränkt:
% Irreversibilität der Wärmeübergänge
% Irreversibilität der Reibungsund Wärmeverluste
=>
ηORC, real <
ηORC,
real
NT
T U↑
10
0,6 ηORC, C
= 10 – 25% "machbar"
= f (AF)
0
HT-ORC
% Irreversibilität der Turbine
20
NT-ORC
Carnot-Wirkungsgrad
ηORC, real in %
ηORC, C = 1 – TU / Tcycle, max
Beschleunigte Therm./ox. Zersetzung AF
Erzielbare Effizienz eines ORC-Prozesses
HT
Höchste ORC-Prozesstemperatur Tcycle, max in °C
Steinbeis-Transferzentrum Stuttgart, EU-NEGST, 2005 mit Ergänzungen Fraunhofer UMSICHT 2008
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Potenzial des ORC-Prozesses bei Motoren
Vereinfachtes Energiefluss-Diagramm
Integration von HT- und NT-ORCProzess in ein bestehendes BHKW
(insges. ca. 1000 kWel)
Maximale Leistungserhöhung bei der
Stromerzeugung des Motors:
1
HT-ORC : +10,0%
2
NT-ORC : + 5%
Σ + 15%
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
2
ηORC < 8%
1
ηORC < 20%
Prioritäten der Entwicklung
1
Prüfstandbetrieb
- zu teuer
(Brennstoffkosten, Personal)
- zu kurze Laufzeiten
=> an der Prüfung von
Prototypen an realen
kontinuierlichen Abwärmequellen
führt kein Weg vorbei
=> Erprobung vorrangig an
Kundenanlagen
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
2
3
4
Prozessentwicklung ORC für Motoren-BHKW
n Arbeitsfluid-Auswahl
Gesamtzahl gebaute ORCModule für Motoren-BHKW
Fraunhofer-Eigenforschung
n Prozesskonzept incl. MSR20
n Auswahl/Entwicklung der
Expansionsmaschine
n El. Einspeisekonzept
Feldversuch
Phase 1
Start
heute
15
n Sicherheitskonzept
n Wärmetauscherauswahl
/-konstruktion
Feldversuch
Phase 2
Plan
10
n Komponentenauswahl
n Prozesskonstruktion
5
Ist
n Pilotanlage
n Feldversuch
1
2005
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
2010
2015
Jahr
Partner beim Feldversuch Phase 1
Abwärmekontraktoren
BHKW-Packager
Feldanlagenbetreiber
Entwicklungsteam
Projektpartner
Vermarktung
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Energieversorger / Netzbetreiber
Projektentwickler /
Biogasanlagenbauer
Stromeinspeisung
Entwicklung,
Engineering,
Systemintegration
Motorenbetreiber
Feldanlagenüberlassung zur
Nutzung
Teilezulieferung
Komponentenzulieferer
Monitoring,
Auswertung
Entwicklungsziele der ORC-Module
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Arbeitsfluide und Prozessführung
n Thermodynamische
Daten von AF
ASPEN, THERMOFLEX
K
Valovice
Silikonöl
e
Si
ie
in
l
de
Altenberge
KW
Verdampfung
nie
n Simulation von
ORC-Prozessen
Kritischer Punkt
Ta
uli
REFPROP (NIS USA),
FluidProp (TU Delft);
Peng-Robinson(P-R-EoS),
Multiparameterzustandsgleichungen (S-W-EoS)
Kondensation
n Prozessspezifikation
n Prozessoptimierung
n Arbeitsfluidauswahl
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Fraunhofer Hochtemperator ORC - Merkmale
skalierbare Hochleistungs-
integrierter Abgaswärmetauscher
wärmeübertrager
= Verdampfer, kein Wärmeträgerölkreislauf zur Abgaswärmezuführung
Turbine mit Synchrongenerator und
Umrichter, keine rot. Dichtungen,
konv. Gleitlager, Schmierung mit AF
Abwärme bis 80°C VLT
Arbeitsfluide des ORC:
Kohlenwasserstoffe
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Entwicklung Turbogenerator
Optimierung der
Düsen-, Laufradund Auslaufgeometrie
n Zentripetal durchströmte Gleichdruckturbine (radial inflow),
Leitrad als Lavaldüse, Überschallanströmung
n Auslegungsdruckverhältnis bis 100
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Entwicklung Verdampfer
n Preiswürdigkeit
n Sichere Verdampfung
n Einfache Abreinigung auf der Abgasseite
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Entwicklung Rekuperator/Kondensator
n Preiswürdigkeit
n Effiziente
Rekuperation
n Kondensation ohne
Unterkühlung
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Feldanlagen Phase 1 – Erzielte Ergebnisse
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Hochtemperator ORC A-100 HT – Effizienz
Genauigkeit
Wirkungsgrad
Wärmeleistung
Wasmerslage
± 0,8 %
±8 %
2007
Valovice
2010
Altenberge
2010
Flörsheim-Wicker 2012
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Elektrischer Wirkungsgrad in %
Nettowirkungsgrade unterschiedlicher Prozessausführungen des
A-100 HT:
FlörsheimWicker
19
18
17
Ziel
A-100 HT
16
15
Valovice
14
13
Wasmerslage
Altenberge
12
11
10
100
200
300
300
400
500
600
Verfügbare Abgasw ärm e in kWth
600 ca. Motorleistung in kWel
700
1200
800
Hochtemperator ORC A-100 HT – Leistung
ORC FlörsheimWicker 2
GM6+7
GM6 allein
Leistungsfahrt
an GM 6/7
GM6
GM7
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Hochtemperator ORC A-100 HT – Dynamik
Leistungsänderungen des ORC bei
Fahrplanbetrieb
des dem ORC
vorgeschalteten
BHKW infolge
Parallelbetrieb eines
wärmegeführten
Satelliten-BHKW´s
n
Dynamik ca.
40-100% der
elektrischen
Leistung des ORC
bzw.
ca. 50-100% der
Abgaswärmeleistung des Motors
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Umschaltungen Jenbacher
Clean Air-Filter
Hochtemperator ORC A-100 HT–Verfügbarkeit
ORC Altenberge:
seit Abschluss IBN und
Optimierung 99% der
Betriebszeit des Motors
verfügbar
n
n
Résummé aller Feldversuch-ORC-Anlagen:
nach IBN 80% - 99%
der Motorbetriebszeit
verfügbar
Stark abhängig von den
Standortbedingungen (z.B.
Motorstillstände, Netzschwarzfälle), der Standfestigkeit eingesetzter
Komponenten und der
Betriebsführung durch den
Betreiber
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
kWel
Tagesmittlere Leistung
Tag-Nacht-Zyklus
CE-Zertifizierung
Gefördert durch:
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Standorte 1
Wasmerslage 2007
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Valovice (CZ) 2010
Standorte 2
Altenberge 2010
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Flörsheim-Wicker
1+2
2012
Zusammenfassung
n Anlagenevolution: relativ kleine Änderungen, Betriebssicherheit
vor Erkenntnisgewinn
n Planung und Systemintegration je Feldanlage zeitaufwendig
n Kostenreduzierung erwartungsgemäß, Kosten aber noch über
anlegbarem Preis
n Technische Erwartungen (insbesondere Wirkungsgrade, Dynamik,
Automatik, CE-Zertifizierung, Netzkonformität) bei den
Feldanlagen A-100 HT bisher nahezu erfüllt.
n Anlagenverfügbarkeit nach IBN und Optimierung zunehmend
besser; Kontrolle aller Montageschritte, sorgfältige IBN und
aufmerksame Betriebsführung durch Betreiber mitbestimmend
n Verfügbarkeitseinschränkungen durch versteckte Montagefehler,
Störungen komplexer Komponenten (z.B. Turbogenerator,
Schnellschlussventil, MSR), ungünstige Standortrandbedingungen
und mangelhafte Betriebsführung
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
ORC
mit UMSICHT
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages