Feldversuch ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung

Transcrição

Abschlussbericht
Entwicklungs-/Demonstrationsprojekt mit
Feldversuch »ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung an BHKW-Motoren«
Feldversuch ORC FKZ-Nr. 0327436C
© Fraunhofer UMSICHT
für:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
ERG1
Villemobler Strasse 76
53123 Bonn
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie auf Grund eines Beschlusses
des deutschen Bundestages gefördert.
Oberhausen, den 30. April 2013
Feldversuch ORC
Gefördert von
Koordiniert vom
Projektpartner
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
Dürr Cyplan Ltd.
Carl-Benz-Str. 34
74321 Bietigheim-Bissingen
EnviTec Biogas AG
Boschstrasse 2
48369 Saerbeck
Entsorgungsgesellschaft Steinfurt mbH
Bahnhofstr. 65 a
48341 Altenberge
Rhein-Main Deponienachsorge GmbH
Steinmühlenweg 5
65439 Flörsheim-Wicker
Enagra GmbH & Co KG
Auf der Grub 1
54472 Monzelfeld
ENARO Quarnbek GmbH
Gut Quarnbek
24107 Quarnbek
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
I
Bericht erstellt von:
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheitsund Energietechnik UMSICHT
Institutsleiter
Prof. Dr.-Ing. Eckhard Weidner
Osterfelder Straße 3
46047 Oberhausen
Projektteam:
Dr.-Ing. Wilhelm Althaus | Projektleiter
Telefon: 0208 85 98-11 86
E-Mail:
[email protected]
Dipl.-Ing. Ralf Paucker
Telefon: 0208 85 98-11 89
E-Mail:
[email protected]
M.Sc.-Ing. Johannes Grob
Telefon: 0208 85 98-11 29
E-Mail:
[email protected]
Dipl.-Ing. Björn Bülten
Telefon: 0208 85 98-13 75
E-Mail:
[email protected]
Dipl.-Ing. Björn Hunstock
Telefon: 0208 85 98-11 46
E-Mail:
[email protected]
Urheberrechtshinweis
Copyright
Das Urheberrecht an den im Rahmen dieses Projektes von Fraunhofer UMSICHT erstellten Konzepten, Entwürfen, Analysen, Studien und sonstigen Unterlagen liegt bei Fraunhofer UMSICHT. Die Übertragung von Urheberrechten bedarf der Schriftform.
Der Förderungsgeber ist zur Nutzung des vorliegenden Berichts für die nach dem Förderbescheid vorgesehenen Zwecke berechtigt. Vervielfältigungen sind nur mit der ausdrücklichen Zustimmung von Fraunhofer UMSICHT zulässig. Veränderungen, Übersetzungen oder digitale Nachbearbeitungen sind nicht zulässig. Eine Weitergabe an Dritte
mit Ausnahme von öffentlichen Fördermittelstellen ohne schriftliche Freigabe durch
Fraunhofer UMSICHT ist nicht zulässig.
© Copyright Fraunhofer UMSICHT, 2013
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
II
Inhalt
1
1.1
1.2
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
1.4.5
1.5
1.6
2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
2.1.6
2.1.7
2.1.8
30. April 2013
Kurzdarstellung
Aufgabenstellung
Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben
durchgeführt wurde
Planung und Ablauf des Vorhabens
Ziele der Projektpartner
Vergleich der Zeitplanung bei Projektstart mit dem
realen Ablauf des Projektes
Ergebnisse in Kurzform
Stand des Wissens und der Technik
Angabe bekannter Konstruktionen, Verfahren und
Schutzrechte, die für die Durchführung des Vorhabens
benutzt wurden
Angabe der verwendeten Fachliteratur sowie der
benutzen Informations- und Dokumentationsdienste
Überblick über ORC-Technologie und laufende
Entwicklungen zur Applikationserweiterung
Applikation der ORC-Technologie zur
Abwärmenachverstromung bei Biogasmotoren
Patentsituation
ORC-Turbinen
Zusammenarbeit mit anderen Stellen
17
17
Darstellung des Projektverlaufs
Erzielte Ergebnisse
Welche Art ORC-Auslegung für einen bestimmten
Biogasmotor?
Komponentenbeschreibung mit prozess- und
sicherheitstechnischen Anforderungen an die
Anbindung eines ORC-Prozesses an Biogasmotoren
Verwendung neuartiger organischer Arbeitsfluide
Anwendung eines stationären Kreislaufrechenmodelles
zur Simulation und Optimierung des ORC-Prozesses
Auswahl und Optimierung der Turbogeneratoren
Konzeption der Wärmeübertrager
Konstruktion, Aufbau und Statik des ORC-Moduls
Aufstellungsplan und Systemintegration des ORCModuls am Standort
84
84
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
21
23
24
27
32
43
43
44
52
57
66
73
83
84
87
101
103
108
113
116
119
III
2.1.9
2.1.10
2.1.11
2.1.12
2.1.13
2.1.14
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.4
3.4.1
3.4.2
3.4.3
30. April 2013
Inbetriebnahme, Optimierung, Monitoring und CEZertifizierung der ORC-Feldanlagen
Erzielte Leistungen, Wirkungsgrade und
Teillastverhalten der ORC-Anlagen
Dynamik und Netzkonformität der ORC-Anlagen
Hinweise zum Betrieb HT- und NT-ORC-Anlagen
Investitionskosten der gebauten ORC-Feldanlagen
Störungen, Ausfälle und Reparaturen der einzelnen
Feldanlagen
Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten
Arbeit
Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der
Ergebnisse
Während der Durchführung des Vorhabens bekannt
gewordener Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens
bei anderen Stellen
Erfolgte Veröffentlichungen der Ergebnisse
Anhang
Kurzdarstellung Feldanlage Valovice
Ausgangssituation
Konzept
Besonderheiten am Standort
Besondere konstruktive Veränderungen des ORCModuls
Aufstellsituation
Kurzdarstellung Feldanlage Altenberge
Ausgangssituation
Konzept
Aufstellsituation
Kurzdarstellung Feldanlagen Flörsheim-Wicker
Ausgangssituation
Konzept
Besondere konstruktive Veränderungen der ORCModule
Aufstellsituation
Kurzdarstellung Feldanlage Bietigheim-Bissingen
Ausgangssituation
Konzept
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
120
128
160
167
169
171
181
181
182
185
186
189
189
189
189
190
190
191
193
193
193
194
194
195
197
197
197
198
200
201
206
206
206
207
IV
3.4.4
3.4.5
3.5
3.5.1
3.5.2
3.5.3
3.5.4
3.5.5
3.6
3.6.1
3.6.2
3.6.3
3.6.4
3.6.5
30. April 2013
Aufstellsituation
Kurzdarstellung Feldanlage Platten
Ausgangssituation
Konzept
Aufstellsituation
Kurzdarstellung Feldanlage Quarnbek
Ausgangssituation
Konzept
Aufstellsituation
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
207
208
209
209
209
210
210
211
213
213
213
213
215
215
V
Glossar: Erläuterung der Fachbegriffe
„anlegbarer Preis“
gerade noch wettbewerbsfähiger Preis
Arbeitsfluid
auch: Arbeitsmittel, hierunter wird der Stoff verstanden, der in einem
Kreisprozess im Kreislauf läuft
Axial-Turbine
Turbine mit parallel zur Welle durchströmtem Laufrad
BHKW
Block-Heiz-Kraftwerk
Bottoming Cycle
Nachgeschalteter Prozess zur Wirkungsgraderhöhung eines Energiewandlers
Carnot-Prozess
Idealprozess, Kreisprozess bestehend aus 2 isentropen und 2 isothermen Zustandsänderungen
Computational Fluid Dynamics: Numerische Methode um strömungsmechanische Probleme zu rechnen
Clausius Rankine Cycle
CFD-Simulation
CRC
Dampfkolbenmotor
Expansionsmaschine, bei der Wärmeenergie mittels eines Kolbens in
mech. Arbeit umgewandelt wird
Dampf-Kraftwerk
Anlage, bei der durch einen Kreisprozess elektrischer Strom produziert
wird mit 1) Kompression des Arbeitsfluides, 2) Erwärmung und Verdampfung, 3) Entspannung über Turbine und 4) Kondensation
Direktverflüssiger
Bauart eines (luftgekühlten), liegenden (Kältemittel)kondensators
EEG
das deutsche Erneuerbare-Energien-Gesetz, das die Mindeststromeinspeisevergütung für Strom aus erneuerbaren Energien für einen längeren Zeitraum festschreibt
Eigenbedarf
Auch Eigenverbrauch, elektrische Leistung die zum Antrieb der internen Aggregate des Kraftwerks benötigt wird
el
Abkürzung: elektrisch. Angabe der elektrischen Leistung
Teil der Gesamtenergie eines Systems, der Arbeit verrichten kann,
wenn dieses in das thermodynamische Gleichgewicht mit der Umgebung gebracht wird
Exergie
Expansionsmaschine
Kraftmaschine, die ihre Energie aus der Expansion des Energieträgers
gewinnt
Fliegende-LaufradAnordnung
Anordnung, bei der das Laufrad nur einseitig gelagert ist. Bei dieser
Anordnung entsteht keine durchgängige Nabe
Gleichdruckturbine
auch Aktionsturbine, Impulsturbine, im Gegensatz zur Reaktionsturbine mit gleicher Druckhöhe vor und hinter jedem Laufrad arbeitende
Dampf- oder Gasturbine; bei Wasserturbinen veraltet für Freistrahlturbine (Pelton-Turbine)
Gleitlager
Gleitlager sind flüssigkeits- oder gasgeschmierte Maschinenelemente,
die Rotoren im Maschinengehäuse radial oder axial führen und die
vom Rotor ausgehenden Belastungen aufnehmen.
Hochtemperatur (HT)
Im Sinne eines ORC-Prozesses mit Verdampfungstemperaturen oberhalb 200°C
isentrop
(ideale) Zustandsänderung bei konstanter Entropie
Kraftmaschine
Maschine zur Umsetzung einer Energieform (thermische, kinetische,
elektrische Energie) in mechanische Energie zum Antrieb von Arbeitsmaschinen oder Fahrzeugen oder bei der Energieumwandlung
Kraft-Wärme-Kopplung: Prozess, der sowohl elektrischen Strom als
auch Wärme produziert und nutzt
KWK
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
VI
Latente Wärme
Laufrad
Leitrad
Im Leitrad wird der Dampf durch Druckabbau beschleunigt und Drall
erzeugt
Magnetlager
berührungslose Lagerung ohne Materialkontakt mit Hilfe von geregelten magnetischen Kräften
Zustandspunkt von einem Stoff, bei der Flüssigkeit und Dampf im
thermodynamischen Gleichgewicht stehen
Nassdampfgebiet
NawaRo
Nachwachsende Rohstoffe, bei Biogasanlagen meist Maissilage als
Substrat der Biogasanlage
Niedertemperatur
(NT)
Im Sinne eines ORC-Prozesses mit Verdampfungstemperaturen unterhalb 110°C
ORC
Organic Rankine Cycle – Ein Dampfkraftprozess mit einem organischen Arbeitsmittel anstelle von Wasser; Kreisprozess, der aus Wärme
Kraft bzw. Strom produziert.
Rankine Prozess
Clausius-Rankine-Prozess, Kreisprozess, der die Funktion eines
Dampfkraftwerks abbildet, mit 1) Kompression des Arbeitsfluides, 2)
Erwärmung und Verdampfung, 3) Entspannung über Turbine und 4)
Kondensation
Rekuperator
auch Regenerator, Bauteil eines Hochtemperatur-ORC-Prozesses, der
sensible Wärme eines überhitzen Niederdruckdampfes zur Vorwärmung des Kondensats unter Druck überträgt
Scroll
Er besteht aus zwei ineinander verschachtelten Spiralen, von denen
eine feststehend ist und die andere kreisförmig in der ersten bewegt
wird. Dabei berühren sich die Spiralen mehrfach und bilden innerhalb
der Windungen mehrere ständig kleiner werdende Kammern. Das zu
verdichtende Material gelangt in diesen Kammern bis zum Zentrum,
wo es dann seitlich austritt.
Sensible Wärme
Wärme die sich bei Zufuhr oder Abfuhr unmittelbar in einer Änderungen der Temperatur äußert
Silikonöl
Polymere mit -Si-O-Si-O-… Molekülkette, freie Valenzen meist mit
Methylgruppen abgesättigt; chem. Aufbau ähnlich Kohlenwasserstoffen; hydrophobe, beständige Flüssigkeiten mit guten Schmiereigenschaften
th
Abkürzung: thermisch, Angabe der Wärmeleistung bzw. Wärmemenge/Zeit
Turbogenerator
Elektrischer Generator, der von einer Turbine angetrieben wird,
überwiegend mit hoher Drehzahl
VLBh
Volllastbetriebsstunden; erzeugte Arbeit dividiert durch die maximale
Leistung (angewendet für Strom, Wärme, Erzeugung oder Bezug)
Wälzlager
Lager, bei denen die beiden zueinander beweglichen Teile, also im
üblichen Fall Welle oder Achse und Gehäuse, durch rollende Körper
getrennt sind.
Zeitverfügbarkeit
Verhältnis der Verfügbarkeitszeit (Betriebs- und Reservezeit) eines
Kraftwerks zur Kalenderzeit
Turbine mit zentripetal zur Welle durchströmtem Laufrad
Zentripetal-Turbine
30. April 2013
Bei einem Phasenübergang eines Stoffes aufgenommene oder abgegebene Energiemenge. Die Temperatur des Mediums ändert sich
nicht
Im Laufrad wird durch Dralländerung des Dampfes Arbeit erzeugt
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
VII
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
Konzeption eines Standardbaukastens wesentlicher
Anlagenbauteile
20
Abbildung 2:
Projektprioritäten Phase 1
21
Abbildung 3:
Übersicht Arbeitspakete
22
Abbildung 4:
Partnerkonstellation bei Projektende
23
Abbildung 5:
ORCKreisprozesssimulation in THERMOFLEX
32
Abbildung 6:
Stoffdatenaspekte
33
Abbildung 7:
Technische Entwicklungsschritte zur Verbesserung des
ORC-Direktverdampfers im Rahmen des laufenden
Projektes »Feldversuch ORC/Phase 1«
35
Technische Entwicklungsschritte zur Verbesserung des
ORC-Rekuperator-Kondensators im Rahmen des
laufenden Projektes »Feldversuch ORC/Phase 1«
36
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten
Wärmeleistung, alle Feldversuch-ORC-Module, Vergleich
mit der jeweiligen Zielspezifikation
37
Dynamik bei Laständerungen im Fahrplanbetrieb des
vorgeschalteten Motors beim Modul A-100 (Altenberge)
38
Für den Feldversuch realisierte Steuerungs- und
Monitoring-Lösung der ORC-Module
39
Verfügbarkeit des ersten ORC-Modules A-100 in
Wasmerslage im Jahr nach Inbetriebnahme und
Optimierung (2008)
40
Verfügbarkeit des ORC-Modules A-100 in Altenberge
nach der Inbetriebnahme bis Projektende 07/2012
40
Bisher im Projekt Phase 1 realisierte
Kostenreduzierungen für das Hochtemperatur-ORCModul A-100 zur Abgaswärmeverstromung von BHKW;
zum Vergleich Kosten NT-ORC-Modul W-25 und HTORC-Modul A-50 (jeweils bezogen auf den Gesamtpreis
incl. Systemintegration am Standort)
42
Prinzip eines ORC-Prozesses
52
Abbildung 8:
Abbildung 9:
Abbildung 10:
Abbildung 11:
Abbildung 12:
Abbildung 13:
Abbildung 14:
Abbildung 15:
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
VIII
Abbildung 16:
Anwendungsbereiche von ORC-Prozessen und etablierte
Marktanbieter
53
Applikationsmöglichkeiten für ORC-Prozesse,
Abschätzung installierbare elektrische Leistung in
Deutschland, Fraunhofer UMSICHT, 2007
55
Abbildung 18:
Größenklassenverteilung von Biogasanlagen (DBFZ )
57
Abbildung 19:
Spezifische Investitionskosten von Biogasanlagen
58
Abbildung 20:
Bisher bekannt gewordene Kosten von ORC-Modulen
(Recherche Fraunhofer UMSICHT 2011)
58
Abwärmequellen eines Motoren-BHKW und
Hauptprozessvarianten nachgeschalteter ORC-Prozesse
59
Grundsätzlicher Aufbau und Schnittstellen von NT- und
HT-ORC-Prozessen an Motoren
60
Abbildung 23:
Beschaltung HT-ORC-Prozess-Schnittstellen bei Motoren
62
Abbildung 24:
Erzielbare Wirkungsgrade von ORC-Prozessen in
Abhängigkeit von der Verdampfungstemperatur und
Kondensationstemperatur
64
Kraftmaschinen (Expansionsmaschinen) für ORCProzesse
73
Typisches Laval-Düsenprofil, Quelle: [Harinck, 2009],
Indizierung in Abbildung:
75
Strömungswirkungsgrad einer Laval-Düse in
Abhängigkeit des Druckverhältnisses, Quelle: [Verdonk,
1987]
75
Laufradprofil einer axialen Überschallturbine, Quelle:
[Goldman, 1968]
77
Laufradprofil einer axialen Überschallturbine mit
Kontraktion, Quelle [Verneau, 1987]
77
Schlierenaufnahme der Strömung im Profil mit
konstanter Passagenbreite, Quelle: [Stratford, 1960]
78
Schlierenaufnahme der Strömung im optimierten Profil,
Quelle: [Stratford, 1960]
78
Kennfeld einer vermessenen vollbeaufschlagten axialen
Überschallturbine [Verneau, 1987]
79
Simulationsergebnisse der Laufradströmung von [Rashid,
2006]
82
Abbildung 17:
Abbildung 21:
Abbildung 22:
Abbildung 25:
Abbildung 26:
Abbildung 27:
Abbildung 28:
Abbildung 29:
Abbildung 30:
Abbildung 31:
Abbildung 32:
Abbildung 33:
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
IX
Abbildung 34:
Abbildung 35:
Abbildung 36:
94
Grundsätzlicher Aufbau und Schnittstellen des HT-ORCModuls ohne Wärmenutzung am Kondensator,
Zuständigkeiten hersteller-/betreiberseitig; Übersicht
96
Vereinfachtes Verfahrensfließbild eines
Hochtemperaturprozesses
103
Abbildung 37:
Vergleich potenzieller Arbeitsfluide im T, s - Diagramm
104
Abbildung 38:
Zustandsänderung einer Turbine im h, s-Diagramm
110
Abbildung 39:
Beschilderung der Bedienelemente einiger ORC-Module 122
Abbildung 40:
Touchpanel-Anzeigen vor Ort im ORC-Modul und frei
konfigurierbare Verlaufsdiagramme für
Monitoring/Fehleranalyse
122
Abbildung 41:
ORC-Wartungsfahrzeug Fraunhofer UMSICHT
125
Abbildung 42:
Preiswerte Überdachungen
126
Abbildung 43:
CE-Zertifikat des TÜV und Herstellererklärung zu einem
ORC-Modul
127
Abbildung 44:
Template für die Herstellerschilder zu den ORC-Modulen
im Projekt
127
Abbildung 45:
Bilanzgrenzen der Kennzahlermittlung am ORC-Modul
128
Abbildung 46:
Abgaswärmeleistung, ORC Valovice
132
Elektrischer Eigenbedarf über der elektrischen
Bruttoleistung, ORC Valovice
133
Nettoleistungen über der zugeführten
134
Brutto- und Nettowirkungsgrade über der zugeführten
134
Bruttowirkungsgrad über der elektrischen
Bruttoleistung, ORC Valovice
135
Nettowirkungsgrade über der jeweiligen elektrischen
Nettoleistung, ORC Valovice
135
Abgaswärmeleistung, ORC Altenberge
136
Bruttoleistung, ORC Altenberge
137
Abbildung 47:
Abbildung 48:
Abbildung 49:
Abbildung 50:
Abbildung 51:
Abbildung 52:
Abbildung 53:
30. April 2013
Vorgeschlagene abgasseitige Einbindung des HT-ORCProzess
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
X
Abbildung 54:
Abbildung 55:
Abbildung 56:
Abbildung 57:
Abbildung 58:
Abbildung 59:
Abbildung 60:
Abbildung 61:
Abbildung 62:
Abbildung 63:
Abbildung 64:
Abbildung 65:
Abbildung 66:
Abbildung 67:
Abbildung 68:
Abbildung 69:
Abbildung 70:
Abbildung 71:
30. April 2013
137
138
Bruttoleistung, ORC Altenberge
138
Nettoleistung, ORC Altenberge
139
Abgaswärmeleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 3/4
140
Bruttoleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 3/4
141
141
142
143
Nettowirkungsgrad über der jeweiligen elektrischen
Nettoleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 3/4
143
144
145
Elektrische Nettoleistungen über der zugeführten
145
146
146
Nettoleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 6/7
147
Abgaswärmeleistung, ORC Bietigheim-Bissingen
148
Bruttoleistung, ORC Bietigheim-Bissingen
148
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
XI
Abbildung 72:
Abbildung 73:
Abbildung 74:
Abbildung 75:
Abbildung 76:
Abbildung 77:
Abbildung 78:
Abbildung 79:
Abbildung 80:
Abbildung 81:
Abbildung 82:
Abbildung 83:
Abbildung 84:
Abbildung 85:
Abbildung 86:
149
149
Bruttoleistung, ORC Bietigheim-Bissingen
150
Nettoleistung, ORC Bietigheim-Bissingen
150
Abgaswärmeleistung, ORC Platten
151
Bruttoleistung, ORC Platten
151
Abgaswärmeleistung, ORC Platten
152
Abgaswämeleistung, ORC Platten
152
Bruttoleistung, ORC Platten
153
Nettoleistung, ORC Platten
153
Heißwasserwärmeleistung, ORC Quarnbek
154
Bruttoleistung, ORC Quarnbek
155
Heißwasserwärmeleistung, ORC Quarnbek
155
Heißwasserwämeleistung, ORC Quarnbek
156
Bruttoleistung, ORC Quarnbek
156
Abbildung 87:
Nettowirkungsgrade über der elektrischen Nettoleistung,
ORC Quarnbek
157
Abbildung 88:
Wärmeleistung, alle Feldversuch-ORC, Vergleich mit
Zielspezifikation des Vorhabens
158
Elektrische Nettoleistung 1 über der zugeführten
Wärmeleistung, alle Feldversuch-ORC
158
Abbildung 89:
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
XII
Abbildung 90:
Bruttowirkungsgrad über der zugeführten
Wärmeleistung, alle Feldversuch-ORC, Vergleich mit der
Zielspezifikation
159
Abbildung 91:
Nettowirkungsgrad 1 über der zugeführten
Wärmeleistung, alle Feldversuch-ORC
159
Abbildung 92:
Energieströme des ORC-Prozesses
163
Abbildung 93:
Dynamik des ORC-Prozesses bei Laständerungen im
Fahrplanbetrieb des vorgeschalteten Motors beim Modul
A-100 (Altenberge)
163
Abbildung 94:
Netzqualität der Einspeisung mittels Umrichter
165
Abbildung 95:
Normierte Kosten der ORC-Module im Projekt
»Feldversuch ORC/Phase 1«
169
Alarmmeldungen und Stillstandzeiten ORC und Motor
Valovice
174
Alarmmeldungen und Stillstandzeiten ORC und Motor
Altenberge
175
Anzahl der Alarme der ORC-Module Valovice und
Altenberge im Vergleich
177
Aufgelaufene Summe der Alarmdauern der ORCModule Valovice und Altenberge im Vergleich
177
Abbildung 96:
Abbildung 97:
Abbildung 98:
Abbildung 99:
Abbildung 100: Alarmmeldungen und Stillstandzeiten ORC und Motoren
Flörsheim-Wicker GM 3/4
178
Abbildung 101
Alarmmeldungen und Stillstandzeiten ORC und Motoren
Flörsheim-Wicker GM 6/7
179
Abbildung 102: Alarmmeldungen und Stillstandzeiten ORC und Motor
Platten
179
Abbildung 103: Alarmmeldungen und Stillstandzeiten ORC und Motor
Quarnbek
180
Abbildung 104: Motorengebäude mit Abgaskamin und vorhandener
Fundamentplatte in Valovice
191
Abbildung 105: Aufstellkonzept zwischen dem Motorengebäude (rechts)
und der Böschung zum Gärresteteich (links)
191
30. April 2013
Abbildung 106: Anlieferung ORC-Modul Valovice
191
Abbildung 107: Anschluss Abgasweg Valovice an ORC-Modul
192
Abbildung 108: Gesamtansicht ORC-Installation Valovice
192
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
XIII
Abbildung 109: Deponiegas-/Biogas-Container-BHKW mit Jenbacher
Clean Air Filter
195
Abbildung 110: Vorhandene Aufstellfläche für ORC-Modul mit
Jenbacher Clean Air Filter und Abgaskamin
195
Abbildung 111: Aufgestelltes ORC-Modul A-100
195
Abbildung 112: Abgasanschluss des ORC-Moduls am Jenbacher Clean
Air Filter
196
Abbildung 113: ORC-Modul mit zugehörigem Trockenkühler
196
Abbildung 114: ORC-Modul abschließend überdacht
196
Abbildung 115: Luftbild Deponie Flörsheim-Wicker, Technikgebäude,
Anlieferungsbereich
201
Abbildung 116: Aufstellsituation der beiden ORC-Module in FlörsheimWicker
201
Abbildung 117: Gebäudeansicht Technikgebäude, u. a. mit Gasmotoren
1 bis 5
202
Abbildung 118: Dach des Technikgebäudes mit Kaminen der Motoren 3
und 4
202
Abbildung 119: Containermodule GM 6+7 mit vorhandener
Stahlbauplattform
203
Abbildung 120: Containermodule GM 6+7 mit vorhandener
Stahlbauplattform
203
Abbildung 121: Einbringung eines vormontierten ORC-Modules an GM
3+4 auf dasDach des Motorengebäudes
204
Abbildung 122: Auf dem Dach des Motorengebäudes fertig installiertes
ORC-Modul an GM 3+4 mit Trockenkühler und
Wetterschutz
204
Abbildung 123: Zweites ORC-Modul an GM 6+7 mit Trockenkühler auf
der Stahlblauplattform oberhalb von zwei
Motorencontainern, eingerüstet zur
Wetterschutzmontage
205
Abbildung 124: Zuführung des heißen Motorenabgases und Verdampfer
des ORC-Moduls GM 6+7
205
Abbildung 125: Gasse zwischen ORC-Modul und Trockenkühler GM 6+7 205
30. April 2013
Abbildung 126: Aufbaukonzept am Standort Bietigheim-Bissingen
206
Abbildung 127: Vorhandene Messeinrichtungen am TAR
207
Abbildung 128: Aufladung auf Tieflader am Montagebetrieb
208
Abschlussbericht
Feldversuch ORC XIV
Abbildung 129: Einbringung des ORC-Moduls ins Technikum bei Dürr
208
Abbildung 130: Aufgebaut und angeschlossen, betriebsfertig im
Technikum bei Dürr Cyplan Ltd.
208
Abbildung 131: Geländeaufriss Biogasanlage Platten
211
Abbildung 132: Biogas-Container-BHKW mit Technik-Containern am
Standort Platten
211
Abbildung 133: Rückansicht der Containergruppe mit Biogasfiltern
212
Abbildung 134: ORC-Modul und Trockenkühler auf der Stahlplattform
oberhalb des Technik-Containers
212
Abbildung 135: Blickgasse zwischen Trockenkühler ORC-Modul und
Trockenkühler des Gasmotors
212
Abbildung 136: Motorengebäude mit Abgaskamin, links
Aufstellungsbereich ORC Quarnbek
215
Abbildung 137: Vorgesehene Aufstellungsfläche NT-ORC Quarnbek
216
Abbildung 138: Konzept Aufstellungsplan
216
Abbildung 139: Angelieferte ORC-Anlage mit 1. Vorwärmer/Verdampfer 216
30. April 2013
Abbildung 140: Montagearbeiten am Direktverflüssiger
217
Abbildung 141: Anschluss Wärmezuführung am Motorengebäude
217
Abbildung 142: Optimierte Anlage mit 2. Vorwärmer/Verdampfer
217
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
XV
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Entwicklungsspezifikation der 3 kleinen ORC-Module im
Projekt »Feldversuch ORC/Phase 1«
18
Status der ORC-Feldanlagen im abgeschlossenen Projekt
»Feldversuch ORC/Phase 1«
36
Tabelle 3:
ORC-Patente verschiedener Hersteller
68
Tabelle 4:
Vor/Nachteile Platten/Rohrbündelwärmetauscher
88
Tabelle 5:
Randbedingungen für den HT-ORC Kreisprozess, im
Überblick
105
Randbedingungen für den NT-ORC Kreisprozess im
Überblick
107
Definition dynamisches und stationäres
Betriebsverhalten
160
Gegenüberstellung von Ursachen und Wirkung
dynamischer Effekte
162
Tabelle 9:
Normierte Kosten der ORC-Feldanlagen
170
Tabelle 10:
Betriebsrandbedingungen an den Standorten Valovice
und Altenberge
176
Tabelle 11:
Modellcharakter Feldversuch ORC
182
Tabelle 12:
Zielgruppenabdeckung Feldversuch ORC
183
Tabelle 2:
Tabelle 6:
Tabelle 7:
Tabelle 8:
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC XVI
1
Kurzdarstellung
1.1
Aufgabenstellung
Das Projekt verfolgt das Gesamtziel, aus ungenutzter Abgas- und Kühlwasserwärme von Motoren-BHKW mittels ORC-Prozessen zusätzlichen Strom zu gewinnen und Energie- und Exergiebilanz der Motoren erheblich zu verbessern.
Zum Zeitpunkt der Antragstellung erschienen damit Steigerungen der elektrischen Leistungsausbeute bis +17 % bezogen auf die vormalige Motorenleistung erreichbar. Der ORC-Prozess zur Abgaswärmeverstromung liefert je nach
Abwärmeverfügbarkeit am Motor bis 12 % zusätzliche elektrische Leistung,
der ORC-Prozess zur Kühlwasserwärmenutzung bis 5 % zusätzlich, jeweils bezogen auf die ursprüngliche Motorenleistung. Damit sollte das Projekt dazu
beitragen, die Vision eines dezentralen MuD-Kraftwerkes (Motoren- und
Dampfturbinenkraftwerk) mit elektrischen Gesamtwirkungsgraden bis nahe
50 % zu verwirklichen, womit auch dezentrale Stromerzeugung mit zeitnah
umsetzbarer Technologie an den Wirkungsgrad moderner Großkraftwerke
heranreichen würde.
Das beantragte Projekt baute auf in den Jahren 2005 bis 2008 bereits geleisteten Vorarbeiten der Fraunhofer-Gesellschaft auf. Ergebnis der Vorarbeiten war
zum Projektstart ein bereits seit rund 11.000 h im Automatikbetrieb laufender
Prototyp einer solchen ORC-Anlage zur Abgaswärmenutzung von zwei BiogasBHKW mit je 523 kWel, Motor.
Im Projekt sollten zusätzlich zu diesem bereits erstmalig realisiertem ORC-Typ
Alpha-A-100, zwei weitere ORC-Prozessausführungen, für die in der Zeit
meistverkauften Biogas-BHKW etwas oberhalb 500 kWel, Motor realisiert werden:
zur Kühlwasserwärmeverstromung W-25 und zur Abgaswärmeverstromung
A-50. Die drei Prozessausführungen A-100, A-50, W-25 sollten jeweils im Feldversuch erprobt und in vier Entwicklungsschritten
Pilot=Alpha:
1 Einheit
Beta:
2 Einheiten
Gamma:
3 Einheiten
Delta:
5 Einheiten
im Feld erprobt und sukzessive in den Aspekten Effizienz, Zuverlässigkeit und
Herstellungspreis verbessert werden. Im Rahmen der Phase 1 des Feldversuches, auf die sich der vorliegende Bericht bezieht, waren zunächst vorrangig
die Entwicklungsschritte Alpha und Beta vorgesehen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
17
Tabelle 1:
Entwicklungsspezifikation der 3 kleinen ORC-Module
im Projekt »Feldversuch ORC/Phase
1«
Im Rahmen der Weiterentwicklung waren folgende Verbesserungsansätze zu
prüfen und ggf. umzusetzen:
A) Arbeitsfluid
Arbeitsfluidwechsel, Neuauslegung und Effizienzsteigerung
B) Prozessgestaltung
Regelung Zulauftemperatur des Arbeitsfluids zum Verdampfer
Spülmöglichkeit der Schmierleitung zur Turbine
Pumpenentlüftungsleitung vom Pumpenkopf zum Hotwell
Split-System (zusätzliche Wärmeeinkopplung im Bypass zum Rekuperator)
Eindüsung von kaltem Fluid am Kondensator zur Restenthitzung
Optimierung Dampfzustand vor Abscheider
Nässemessung Turbineneintrittsdampf für Prozessoptimierung
Kühlung des Schmiermittelabflusses aus Turbine
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
18
C) Optimierung von Prozesskomponenten
Abdichtung und Lager der Prozessspeisepumpe
Erprobung anderer Rekuperator-/Kondensator-Bauarten
Einsatz anderer Verdampfer-Bauarten
Austausch einzelner Komponenten gegen solche mit optimierter Spezifikation/Funktion
Turbogenerator (Effizienzsteigerung und Vereinfachung des Turbinenaufbaus, Verbesserung Wartbarkeit, bessere Überwachung)
D) Konstruktion
Reduzierung der Druckfestigkeit von Apparaten
Vereinfachung des Anlagenaufbaus und Reduzierung der Komponentenanzahl
Reduzierung der Anzahl von Dichtungen/Verschraubungen
Detailverbesserungen an der Aufstellungsplanung (Bedienung, Zugänglichkeit, Wartungsfreundlichkeit)
Einführung eines Arbeitsfluidvorratstanks
einfache, kühlluftdurchlässige Umfassung und Überdachung vorsehen
Anordnung von Messstellen optimieren
Abscheiderkonstruktion zur Nässeabscheidung optimieren
E) Montage
Montage der Kleinverrohrung, Elektroverkabelung und eines Teils der
Wärmedämmung möglichst in Werkstattfertigung vor Auslieferung,
um den Nachinstallationsaufwand auf der Baustelle zu minimieren
F) Schaltanlage, Bedienung und Steuerung
Reduzierung der messtechnischen und leittechnischen Ausstattung
Schaltschrankaufteilung neu konzipieren
Verbesserung der Signalabschirmung in der Schaltanlage durch optimierte Komponentenanordnung und Kabelwege
Verbesserung Visualisierung und Monitoring
Anfahren des Prozesses optimieren
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
19
G) Auflegung einer Kleinserie
senkt Einkaufskosten für Komponenten, Dienstleistungen und senkt
die prozessspezifischen Entwicklungs- und Engineeringkosten
H) später: Technische Integration mit dem Motorenpackage
„ORC als thermischer Turbolader“ => Integrationsaufgaben bei
–
Gestell, Verrohrung, Dämmung
–
Schaltanlagenbau, Steuerung, Einspeisung
–
Rückkühlung
Letztlich sollte durch Weiterentwicklung und sukzessive Verbesserung im Rahmen des Projektes der anlegbare Preis für eine erfolgreiche Markteinführung
des ORC-Bottoming-Cycle im Bereich der Biogasanlagen-BHKW angenähert
werden. Ziel war neben der Technologieentwicklung und –erprobung und der
Bereitstellung marktfähiger und erprobter ORC-Technologie auch der Aufbau
eines international wettbewerbsfähigen Hersteller-Zulieferer-Clusters für gekoppelte Motor-ORC-Anlagen.
Um den Planungs- und Fertigungsaufwand zu verringern, sollte ein Standardbaukasten von Anlagenteilen entwickelt werden, die in Abhängigkeit der
Anwendung und der Leistung miteinander kombiniert werden können. Hierdurch sollte es möglich werden, die ORC-Module schnell an die jeweilige Motorenanlage anzupassen und sowohl schon während des Projektes als auch bei
einer künftigen Produktion den Aufwand für Fertigung und Lagerhaltung zu
verringern.
Abbildung 1:
Konzeption eines
Standardbaukastens
wesentlicher Anlagenbauteile
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
20
1.2
Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde
Im Rahmen der in Phase 1 anstehenden Arbeiten wurden anfangs die wesentlichen Prioritäten des Entwicklungsgangs festgelegt. Zunächst erschien die
Entwicklung einer funktionstüchtigen Lösung für den großen Bestand vorhandener Biogasmotoren als separate Nachrüstlösung vorrangig. Vor einer denkbaren, weitergehenden Integration von ORC-Prozessen in ein Motorenpackage
sollte zudem auch erst der Nachweis einer ausreichenden Betriebssicherheit
und Verfügbarkeit bei separaten Prozessen erbracht werden.
In der Entwicklung hatten daher Sicherheit, Effizienz, Verfügbarkeit, niedrige
Herstellungskosten und Standardisierung in der genannten Reihenfolge Priorität vor weiteren möglichen Zielen, die in späteren Entwicklungsphasen (Phase
2, danach bei der Vermarktung) parallel verfolgt werden müssen.
Abbildung 2:
Projektprioritäten Phase 1
Eigenschaften:
↑ zu erhöhen
↓ zu reduzieren
Neben der eigentlichen technischen Entwicklung und Konstruktion sollte im
Vorhaben die praktische Erprobung von ORC-Prozessen an Motoren verschiedener Betreiber breiten Raum einnehmen um die reale Einsetzbarkeit der Konstruktionen zu erproben und zu demonstrieren.
Dies machte eine Einbindung der Motorenbetreiber als Projektpartner obligatorisch. ORC-Prozesse können zwar durch einen Entwickler bereitgestellt, aber
lediglich in Zusammenarbeit mit einem Motorenbetreiber an Versuchsstandorten errichtet und in das vorhandene System integriert werden. Im Vorfeld
macht eine intensive Abstimmung zwischen dem späterem Betreiber und dem
Entwickler des ORC-Prozesses Sinn, da die Standortrandbedingungen Einfluss
auf Details der Auslegung nehmen können.
Daraus ergibt sich je errichteter Feldanlage ein sukzessives und abgestimmtes
gemeinsames Vorgehen von Entwickler und Betreiber.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
21
Abbildung 3:
Übersicht Arbeitspakete
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
22
1.3
Planung und Ablauf des Vorhabens
Abbildung 4 gibt zuerst einen Überblick über die im Projekt kooperierenden
Partner:
Abbildung 4:
Partnerkonstellation bei Projektende
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
23
1.3.1
Ziele der Projektpartner
Die Projektpartner kooperieren bei Entwicklung und Erprobung der ORCAnlagen für die Abwärmeverstromung an Motoren. Sie verfolgen dabei jeweils
unternehmensspezifische Ziele:
Teilziele von Fraunhofer UMSICHT
Fraunhofer UMSICHT entwickelt seit 2005 ORC-Prozesse zur Ankopplung
an stationäre BHKW-Motoren. Die grundsätzliche Machbarkeit wurde
durch eine erste abgasgetriebene Hochtemperatur-ORC-Pilotanlage Alpha-A-100 belegt.
Eine Reihe inzwischen bekannter technischer Unzulänglichkeiten müssen
allerdings durch technische Weiterentwicklung behoben werden. Die Sicherstellung der Prozesssicherheit in allen Betriebszuständen der ORCAnlagen hat dabei herausragende Bedeutung. Deshalb wird für alle Feldanlagen eine CE-Zertifzierung angestrebt. Die Netzkonformität bei
Stromeinspeisung ist durch geeignete Konzeption und Konstruktion zu
erreichen und durch Qualitätsmessungen zu belegen.
Es besteht die Notwendigkeit, entsprechend den vorwiegend verwendeten Motorenleistungen im Biogasgeschäft das ORC-Typenprogramm in
Richtung kleinerer ORC-Module auszubauen, d.h. einen kleineren Abgaswärme-getriebenen Hochtemperatur(HT)-ORC-Prozess A-50 sowie einen
von der Kühlwasserwärme angetriebenen Niedertemperatur(NT)-ORCProzess W-25 zur Verfügung zur stellen. Damit steht dann für BHKWMotoren in einem Motorenleistungsbereich von ca. 400 – 1.500 kWel, Motor
eine etwa passende ORC-Lösung zur Verfügung. Nach Möglichkeit soll
auch ein KWK-ORC-Konzept mit Nutzung der Kondensationswärme (Abwärme) des ORC-Prozesses erprobt werden.
Die wirtschaftliche Betrachtung erfordert noch eine erhebliche Reduzierung der Systemkosten der ORC-Anlagen. Dies soll durch Entwicklung eines intelligenten Baukastensystems und den Einstieg in eine kleinere Serienfertigung für die ORC-Module im Rahmen des Projektes erreicht werden. Gleichzeitig wird einer standardisierten Systemintegration am Standort Beachtung geschenkt. In der praktischen Anwendung haben neben
hoher Effizienz, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und automatisiertem Betrieb ebenso die Wartungsarmut und bei Bedarf die Wartungsfreundlichkeit große Bedeutung. Deshalb wird das Betriebsverhalten der Feldanlagen einem kontinuierlichen Monitoring unterworfen.
Das Ziel höchstmöglicher Effizienz der ORC-Prozesse und die Steigerung
des elektrischen Gesamtwirkungsgrades der kombinierten BiogasmotorenORC-Anlagen auf Werte bis knapp unter 50 % (Vision MuD-Prozess) wird
dabei nicht außer Acht gelassen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
24
Teilziele der Dürr Cyplan Ltd.
Dürr Cyplan liefert Schlüsselkomponenten und Anlagentechnik im Bereich
der ORC-Technik, stellt den langfristigen Service für Anlagen bereit und
berät Investoren, Endkunden und Anlagenbauer.
Dürr Cyplan ist interessiert an der engen Kooperation beim Aufbau des
ORC-Typenprogramms und der Entwicklung und Erprobung der ORCAnlagen an den Feldanlagenstandorten. Dürr Cyplan wird die Entwicklungsergebnisse zur Grundlage des Aufbaus einer eigenen Fertigungsstätte für ORC-Kompaktmodule von 20-500 kWel Leistung machen. Darüber
hinaus will Dürr Cyplan die spätere kommerzielle Herstellung und Vermarktung der entwickelten ORC-Modul-Typen übernehmen. Deshalb ist
dem strategisch anzugehenden Baukastensystem - heruntergebrochen bis
auf die Komponentenebene - frühzeitig Aufmerksamkeit zu schenken.
Dürr Cyplan bringt Know-How im Bereich konzeptionell neuer Turbogeneratoren und bei der Projektierung betriebssicherer, hoch verfügbarer und
hocheffizienter ORC-Prozesse ein.
Teilziele der ENARO Quarnbek GmbH
Die ENARO Quarnbek GmbH hat an einem Biogas-BHKW trotz einer Reihe
von angeschlossenen temporären Abwärmenutzungen (Fermenterheizung, Liegenschaftsbeheizung, Trocknung) im Laufe des Jahres immer
noch ein großes, aber schwankendes Rest-Abwärmepotential am Standort
Quarnbek. Aus wirtschaftlichen Gründen und wegen der Unsicherheit im
Hinblick auf die Entwicklung der für den ORC verfügbaren Restwärme
konzentriert sich das Interesse auf einen spezifisch preiswerteren NT-ORCProzess W-25.
ENARO interessiert sich seit Planung und Errichtung ihrer Anlage für die
Installation eines ORC zur Restwärmeverwertung der motorischen Verstromung. ENARO hat sich deshalb entschlossen als Feldanlagenbetreiber
in dem Projekt mitzuwirken.
Teilziele der ENAGRA GmbH & Co. KG
ENAGRA ist Betreiber einer größeren Biogasanlage mit einem großen
Restwärmepotenzial bei der motorischen Verstromung von Biogas, das
extern nicht sinnvoll genutzt werden kann. ENAGRA hat deshalb Interesse
an einer möglichst effizienten Rest-Abgaswärmeverstromung der installierten BHKW. Zusätzlich besteht Interesse am Betrieb der Abgaswärmeangetriebenen ORC-Anlagen mit möglicher Auskopplung wärmetechnisch
noch nutzbarer ORC-Kondensationswärme für Heiz- bzw. Trocknungszwecke mit Blick auf andere Biogasanlagenstandorte im Unternehmens-
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
25
portfolio.
ENAGRA als expandierendes Unternehmen mit mehreren Biogasstandorten sieht ORC-Prozesse als innovativen Baustein von fortschrittlichen Biogasanlagen und als strategisches Unterscheidungsmerkmal gegenüber
konkurrierenden Unternehmen. ENAGRA will daher Erfahrungen mit der
Technologie sammeln, um sie planerisch und betriebstechnisch sinnvoll
einbinden zu können, speziell auch in Verbindung mit dem hauseigenen
Versorgungscontainer als Steuerzentrale der Biogasanlage. Auch weitergehende Applikationen der NT-ORC-Technologie im Erdwärmebereich und
in der industriellen Abwärmenutzung sind von Interesse.
Teilziele der Entsorgungsgesellschaft Steinfurt mbH (EGST)
Die Entsorgungsgesellschaft Steinfurt betreibt ein Deponiegas/BiogasBHKW mit einem zurzeit recht hohen Abgaswärmeanfall. Nur die Kühlwasserwärme des Gasmotors wird bisher eingeschränkt für Beheizungszwecke genutzt. Daher will die EGST die Abgaswärme einem effizienten
HT-ORC-Prozess zur Verstromung zuführen und eine ORC-Feldanlage betreiben. Bei der Realisierung wird der Aufbau eines entsprechenden HTORC-Prozesses A-100 verfolgt, mit dem die Einnahmesituation des Standortes verbessert werden soll.
Teilziele der Rhein-Main Deponienachsorge GmbH (RMN)
Die Rhein-Main Deponienachsorge GmbH betreibt den Rhein-MainDeponiepark mit der Deponie Flörsheim-Wicker als Hauptsitz der RheinMain Deponie GmbH (RMD), der Main-Taunus-Recycling GmbH (MTR) und
der Rhein-Main Deponienachsorge GmbH (RMN). Hier wurden Hausmüll
oder hausmüllähnliche Abfälle verfüllt.
Das dem Gasfassungssystem der Deponie nachgeschaltete Deponiegaskraftwerk besteht aus 7 Motoren. Aufgrund der nachlassenden Deponiegasmenge wurde am Standort eine große Biogasanlage gebaut, um die
verfügbare Gasmenge zur motorischen Nutzung wieder aufzustocken.
Insgesamt verfügt die Deponie Flörsheim-Wicker über 7 Gasmotoren mit
einer Gesamtleistung von 5,3 MWel Hiervon werden 5 Gasmotoren mit
einer Gesamtleistung von 3,8 MWel für die Verstromung von Deponiegas
und 1,5 MW für die Verstromung von Biogas aus dem Biogaskraftwerk
verwendet. Nachdem eine Reihe Anstrengungen zur externen Abwärmenutzung aufgegeben werden mussten, will die RMN die vorhandene Motorenanlage zur Verbesserung der Einnahmensituation mit ORC-Prozessen
zur Abwärmeverstromung ausstatten.
Im Rahmen des Feldversuches ORC sollen zwei Hochtemperatur-ORCProzesse A-100 HT in die Motorenanlage integriert werden. Die RMN will
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
26
durch den Probebetrieb am Standort Flörsheim-Wicker Erfahrungen für
die Ausstattung weiterer Standorte mit Abwärmenachverstromungsanlagen gewinnen.
Teilziele der EnviTec Biogas AG
EnviTec Biogas hat sich im Rahmen der Realisierung des Pilotprozesses Alpha-A-100 bei der agri.capital GmbH am Standort Wasmerslage bereits
vor Beginn dieses Projektes in Eigenschaften und Nutzungsmöglichkeiten
des ORC-Prozesses eingearbeitet. EnviTec Biogas sieht den ORC-Prozess
als strategischen Baustein im eigenen Produktportfolio, das die gesamte
Wertschöpfungskette für die Herstellung und Nutzung von Biogas in
schlüsselfertigen standardisierten, industriellen Biogasanlagen mit wenigen
Leistungsstufen abbildet.
EnviTec wird einen weiteren ORC der Baureihe A-100 in einer von EnviTec
gelieferten schlüsselfertigen Biogasanlage einsetzen, um zusätzliche eigene Erfahrungen mit der Technologie zu gewinnen. EnviTec Biogas will zusätzlich an einer standardisierten Systemintegration in Verbindung mit
dem eigenen Produktprogramm arbeiten.
1.3.2
30. April 2013
Vergleich der Zeitplanung bei Projektstart mit dem realen Ablauf
des Projektes
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
27
Arbeitsplan bei Projektbeginn
Jahr
Monat
Projektmonat
2009
2010
I. Quartal II. Quartal III. Quarta
1
2
3 4
5
6
7
8
2011
2012-2016
I. Quartal II. Quartal III. Quartal IV. Quartal I. Quartal II. Quartal III. Quartal IV. Quartal Nachgelagertes Moni-
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 toring und Reporting
Projektkoordination
Arbeitspakete
Klärung Standortrandbedingungen der Feldanlagen
2/B-1 Auslegung Rückkühlung/KWK
1
3
4
5
6
6-1
6-2
6-3
6-4
6-5
7
7-i
7-ii
7-iii
7-iv
7-v
7-vi
Patentrecherche Auswertung
Arbeitsfluidauswahl
Strategie Baukastenkonzept
Auslegung, Planung, Einkauf:
Prozess, Sicherheitskonzept
Turbogeneratoren
Verdampfer
Rekuperatoren/Kondensatoren
Genehmigung, Anzeige Netzbetreiber
Feldanlagen: Bau, Installation,
IBN, Optimierung, CE
Alpha-W-25
2xBeta-W-25
Alpha-A-50
2xBeta-A-50
2xBeta-A-100
1xGamma-A-100
Legende zu 7. Feldanlagen:
Bau, Installation, Inbetriebnahme, Optimierung, CE
8
9
10
11
12
30. April 2013
7.1+7.2/ B-2 Detailplanung, Konstruktion, MSR,
Elektro,, Beschaffungen,
Montagen, Integration
7.3/B-3 Anlieferung ORCModul, Systemintegration,
Inbetriebnahme
7.4-1/B-4 Optimierung
7.4-2/B-4 Wärmedämmung ORC-Modul, CEZertifizierung und Übergabe
B-5 Geordneter Betrieb der Feldanlage
Troubleshooting
Monitoring, Reporting
Modelle, Nachkalkulation
Auswertung, Berichte
ZB
ZB
AB
Projektbesprechungen
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
28
Realer Ablauf des Projektes (Stand bei Berichterstellung im Januar 2013)
Jahr
2009
2010
2011
2012
2012-2016
Nachgelagertes Monitoring und Reporting
Quartal
Monat
III. Quartal IV. Quartal I. Quartal II. Quartal III. Quartal IV. Quartal I. Quartal II. Quartal III. Quartal IV. Quartal I. Quartal II. Quartal III.
7
8
9 10 11 12
1
2
3 4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3 4
5
6
7
8
9 10 11 12 1
2
3 4
5
6
7
Projektkoordination
Arbeitspakete
Klärung Standortrandbedingungen der Feldanlagen
2/B-1 Auslegung Rückkühlung/KWK
1
3
4
5
6
6-1
6-2
6-3
6-4
6-5
7
8
9
10
11
12
30. April 2013
Patentrecherche Auswertung
Arbeitsfluidauswahl
Strategie Baukastenkonzept
Auslegung, Planung, Einkauf:
Prozess, Sicherheitskonzept
Turbogeneratoren
Verdampfer
Rekuperatoren/Kondensatoren
Genehmigung, Anzeige Netzbetreiber
Feldanlagen: Bau, Installation,
IBN, Optimierung, CE
Troubleshooting
Monitoring, Reporting
Modelle, Nachkalkulation
Auswertung, Berichte
ZB
ZB
ZB
ZB
ZB
Projektbesprechungen
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
29
AB
Jahr
Quartal
Monat
2009
7
Feldanlagen: Bau, Installation, IBN, Optimierung,
CE
7-i
1xAlpha-W-25 (ENARO)
7-iii
1xBeta2-A-100 (EGST)
7-iv
1xAlpha A-50
2010
III. Quartal
IV. Quartal
I. Quartal
7
10
1
8
9
11
12
2
II. Quartal
3 4
5
6
2011
III. Quartal
IV. Quartal
I. Quartal
7
10 11
1
8
9
12
2
3 4
II. Quartal
5
6
2012
III. Quartal
IV. Quartal
I. Quartal
7
10 11
1
8
9
12
2
3 4
II. Quartal
5
6
III. Quartal
IV. Quartal
7
10 11
8
9
12
(ENAGRA)
7-v
1xBeta1-A-100 (EnviTec)
7-vi
1xAlpha A-50 (Dürr Cyplan)
7-vii
2xGamma-A-100 (RMN)
Legende zu 7. Feldanlagen:
Bau, Installation, Inbetriebnahme, Optimierung, CE
30. April 2013
7.1+7.2/ B-2 Detailplanung, Konstruktion, MSR, Elektro, BeschaffungenMontagen, Integration
7.3/B-3 Anlieferung ORCModul, Systemintegration, Inbetriebnahme
7.4-1/B-4 Optimierung
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
7.4-2/B-4 Wärmedämmung ORCB-5 Geordneter Betrieb der FeldModul, CE-Zertifizierung und
anlage
Übergabe
30
Ganz erheblich störend auf die organisatorische Abwicklung des Feldversuch
ORC Phase 1 hat sich der mehrfache Ausfall von Finanzierungsgebern/Betreibern ausgewirkt. Anstelle von ursprünglich drei unterschiedlichen ORCModulen eines Projektpartners wurden zunächst zwei gleiche, dann vielleicht
drei gleiche angefordert, dann wurde der Projektpartner insolvent, dann wurden zwei Module auf den neuen Projektpartner RMN in Flörsheim-Wicker übertragen. Ein weiterer Projektpartner änderte mehrfach Ausführung und Anzahl
seiner angeforderten ORC-Module. Eines der übrigen ORC-Module wurde
dann von Dürr Cyplan übernommen und bei Dürr Cyplan im Technikum aufgebaut.
Die zur Projektarbeit parallele Suche nach neuen Partnern war im Vorhaben
daher alternativlos. Andererseits konnten schon laufende Aufträge zum Bau
von ORC-Modulen nicht einfach storniert werden. Deshalb war der parallele
Lauf von Planung, Bau, Inbetriebnahme und Optimierung von Feldanlagen gestört und es traten unplanbarer Personalmehraufwand und baulicher Mehraufwand auf.
Viele geplante Feldanlagenprojekte haben sich zeitlich nach hinten verschoben,
einige konnten erst einige Monate nach kalendarischem Projektende abgeschlossen werden. Hierfür sind ganz unterschiedliche Ursachen maßgebend
gewesen. Die wesentlichen Verzögerungen wurden verursacht durch:
Ausfall/Wechsel der Feldanlagenbetreiber
Unklarheiten über den Standort und die Spezifikation der gewünschten ORC-Anlagen
sich hinschleppende Vorbereitungen zur Einbindung der ORC-Anlagen
vor Ort
jahreszeitlich bedingte Verzögerungen durch Probleme bei der Inbetriebnahme der ORC-Module (infolge Außentemperaturen unter 6 °C)
unerwartete, mit der Aufstellung am Standort zusammenhängende
Probleme des Betriebes (z.B. übertragene mechanische Schwingungen,
häufige Netzschwarzfälle, schlechte und häufig ausfallende Anlagendatenfernübertragung)
unerwartet große und langwierige Probleme mit der Herstellung der
Funktion einzelner Komponenten einiger ORC-Module (Turbogeneratoren, Wärmeaustauscher)
deutlich erhöhter Troubleshooting-Aufwand bei einigen ORCModulen, teilweise zurückzuführen auf mangelnde Aufmerksamkeit
bei der Betriebsführung
organisatorisch bedingte Verzögerungen bei Komplettierung der Anlagendokumentation und CE-Zertifizierung
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
31
1.3.3
Ergebnisse in Kurzform
Gegenstand der ersten geförderten Phase der ORC-Entwicklung war die Entwicklung zweier Typen von Hochtemperatur-ORC-Modulen für die Abgaswärme von BHKW und eines Niedertemperaturmodultyps für die Motorwärme von
BHKW.
Simulationswerkzeuge
Bei Fraunhofer UMSICHT wurden zuerst verschiedene Simulationswerkzeuge
für die Berechnung von ORC-Prozessen und Einzelapparaten aufgebaut und im
Laufe der Zeit durch Abgleich mit konkret gebauten Apparaten und Prozessen
im Anwendungsbereich zunehmend verfeinert. Inzwischen existieren für die
Gesamtprozesse, für Apparate und für Apparateauslegungen sowie Konstruktions- und Systemintegrationsaufgaben Simulationen und Workflows in EXCEL,
ASPEN und THERMOFLEX, die den bisher bearbeiteten Bereich sinnvoll abbilden
können.
Abbildung 5:
ORCKreisprozesssimulation
in THERMOFLEX
Stoffdaten
Stoffdaten von interessanten Arbeitsfluiden stellen dabei generell ein besonderes Problem dar. ORC-Prozesse haben ihre relevanten Arbeitspunkte relativ nah
am kritischen Punkt, in dessen Nahbereich viele Stoffdaten, insbesondere die
Wärmekapazitäten besonders starken Änderungen unterliegen. Am Austritt
der Turbine befinden sich die Zustandspunkte des Prozesses in einem relativ
stark überhitzten Gebiet, in dem kalorische Stoffdaten vieler organischer Fluide
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
32
besonders hohen Ungenauigkeiten unterliegen. Nach längeren Recherchen,
punktuellen Überprüfungen im eigenen Reaktionskalorimeter und einigen genaueren externen Stoffdatenauftragsmessungen greift Fraunhofer UMSICHT je
nach Arbeitsfluid heute auf Zustandsgleichungen von NIST (REFPROP), der TU
Delft (FluidProp) und der Ruhr Universität Bochum (Span, Wagner) zurück.
Genaue Stoffdaten sind vor allem für die Berechnung der Turbogeneratoren
und von Verdampfer und Rekuperator wesentlich. Sie werden dann entscheidend, wenn Fragen der Prozessoptimierung gelöst werden sollen, indem Zustandsparameter des Kreisprozesses oder geometrische Bauteilparameter der
Turbine optimal eingestellt werden sollen. Bei neuen Arbeitsfluiden müssen dezidierte Überprüfungen der Datenlage erfolgen, die oft unsicherer ist als zunächst vermutet.
Abbildung 6:
Stoffdatenaspekte
- Zustandsgleichungen
(EoS)
- Mischbarkeiten mit
Wasser und ggf. mit
Wasser/Ethylenglykol
- Hydratbildungen von
Kohlenwasserstoffen
mit Wasser und ggf.
Wasser/Ethylenglykol
Betrieblich sind noch einige andere Stoffdaten interessant. Exemplarisch sei
hier auf die Mischbarkeit der Arbeitsmedien mit Wasser bzw. Wasser/Ethylenglykol (aus frostgeschützten Kühlkreisläufen) eingegangen. Wasser gelangt
auch bei geringen Leckagen auf der Vakuumseite von Hochtemperatur-ORCProzessen mit der feuchten Außenluft in den Arbeitsfluidkreislauf, ganz allgemein bei Montagearbeiten/Öffnung des Kreisprozesses bei widrigen Wetterbedingungen, Wasser/Glykol ggf. bei Leckagen zwischen Arbeitsfluid- und Kühlkreislauf, sowie ggf. bei Fehlbefüllung durch den Anwender in den geschlossenen Arbeitsmittelkeislauf. Daher ist die Mischbarkeit zwischen Wasser einerseits und Wasser/Glykol andererseits mit den Arbeitsmedien von praktischem
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Feldversuch ORC
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Interesse. Wasser im Prozess stört aufgrund von Korrosionserscheinungen und
bei den Niedertemperatur-ORC-Prozessen ggf. aufgrund der Hydratbildung mit
niederkettigen Kohlenwasserstoffen schon bei Außentemperaturen oberhalb
des Gefrierpunktes. Hierzu wurden zum Teil spezifische Analytiken entwickelt,
um den Wasser bzw. Glykolgehalt punktuell prüfen zu können.
Turbogenerator-Optimierung
Die Entwicklung besonders effizienter Turbogeneratoren erfordert letztlich
ausgehend von ersten vorliegenden praktischen Ergebnissen den Einsatz von
CFD-Simulationen für die Geometrieoptimierung der Turbine. Für die CFDSimulationen wurde die Software ANSYS CFX eingesetzt. Damit die Software
beispielsweise die Realgas-Eigenschaften des eingesetzten Arbeitsmittels oder
die An- bzw. –abströmung von Leit-/Laufradprofilen korrekt rechnen kann,
wurden einige Parameter der Software modifiziert. Vergleiche zwischen den
praktischen Betriebsmesswerten und den numerischen Ergebnissen zeigen gute
Übereinstimmungen.
Durch den Einsatz von CFD-Simulationen konnte letztlich der isentrope Turbinenwirkungsgrad bis auf etwa 80% gesteigert werden.
Es lohnt, die Turbogenerator-Optimierung systematisch weiter auszubauen, einerseits, weil andere Baugrößen, Arbeitsmedien und Betriebsbedingungen
wieder veränderte Parametereingangssätze und den Abgleich mit Messergebnissen erfordern, anderseits aber auch, weil hier noch Effizienzsteigerungspotenziale zu heben sind.
Stand der Entwicklung und Umsetzung der ORC Feldanlagen
Die bei abwärmegetriebenen ORC-Prozessen obligatorische Funktionsprüfung
bei realen Kunden – sie ist für abwärmegetriebene ORC-Prozesse die einzig finanzierbare (Langzeit-) Funktionsprüfung und der einzige aus Betreibersicht
akzeptierte Funktionsbeleg – muss für den Endkunden und die Entwickler vertretbar bleiben. Fraunhofer UMSICHT konzentrierte sich deshalb gemeinsam
mit dem Entwicklungspartner Dürr Cyplan Ltd. im Projekt »Feldversuch
ORC/Phase 1« auf die Realisierung funktionstüchtiger, vollständig automatisch
laufender Feldanlagen.
Die Konstruktion der ORC-Module wurde dabei in relativ kleinen, pragmatisch
unter Risikogesichtspunkten tragbaren Schritten modifiziert. Bei kleinen Entwicklungsschritten/ Änderungen bleibt das zusätzliche Funktionsrisiko tragbar
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Feldversuch ORC
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und dennoch gibt es bei jeder Anlagengeneration Verbesserungen und auch
Kostenreduzierungen.
Größere und auch vermeintlich kleine Änderungen (z.B. Tausch des Fabrikats
von Sensoren, Änderungen in der Schaltanlage, Steuerungsänderungen) führen in der ORC-Modulkonstruktionen vorhersehbar und zum Teil auch nicht
vorhersehbar zu erheblichem Entwicklungsaufwand, Konstruktionsaufwand
und anfänglichen u. U. erheblichen Betriebsproblemen und Optimierungsaufwand beim Kunden.
Gezielt verbessert wurden schrittweise vor allem die eingesetzten Turbinen,
Wärmeraustauscher, Speisepumpen und Wechselrichter.
Bei Fraunhofer wurden im Rahmen der Vorarbeiten und des ausgelaufenen
BMWi-Projektes »Feldversuch ORC/Phase 1« ORC-Module der Typen A-100
und A-50 (alle im Kondensationsbetrieb) zur Abgaswärmenutzung von BiogasBHKW sowie ein Modul W-25 zur Motorwärmenutzung konzipiert.
Vom Typ A-100, der sich für Motoren zwischen etwa 800 und 1.500 kWel, Motor
eignet, wurden bereits 5 Stück (davon 4 im Vorhaben Feldversuch/Phase 1),
jeweils in modifizierter Ausführung gebaut. Alle diese Module wurden CEzertifiziert, in die Betriebsführung durch die Standortbetreiber übergeben und
laufen seit 0,5 bis 5 Jahren im Vollautomatik-Betrieb. In Flörsheim-Wicker wurden die Module A-100 im Rahmen der Optimierung noch für die Verwertung
größerer Abwärmengen oberhalb der Spezifikation des Moduls ertüchtigt, da
die zwei vorgeschalteten Motoren hier mehr Abwärme liefern als eigentlich für
das Modul zulässig.
Abbildung 7:
Technische Entwicklungsschritte
zur Verbesserung
des ORCDirektverdampfers
im Rahmen des
laufenden Projektes »Feldversuch
ORC/Phase 1«
- Plattenwärmetauscher
- Rohrbündel 1
- Rohrbündel 2
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Abbildung 8:
Technische Entwicklungsschritte
zur Verbesserung
des ORC-Rekuperator-Kondensators im Rahmen
des laufenden
Projektes »Feldversuch ORC/Phase 1«
- Plattenwärmetauscher
- Rohrbündel 1
- Rohrbündel 2
Tabelle 2:
Status der ORCFeldanlagen im
abgeschlossenen
Projekt »Feldversuch ORC/Phase 1«
Tabelle 2 stellt bei Leistungen und Wirkungsgraden Bestwerte vor. Betriebliche
Mittelwerte sind in Abbildung 9 dargestellt.
Seit Herbst 2011 befindet sich das erste kleinere ORC-Modul A-50 zur Abgaswärmenutzung von Motoren zwischen 400 und 800 kWel, Motor im Technikum
von Dürr Cyplan erfolgreich im Probebetrieb. Die wesentlichen Spezifikationsmerkmale konnten dort abgebildet werden. Die Auslegung des ORC-Moduls
wurde mit Blick auf den ersten Anwender ENAGRA leicht verändert, insoweit
etwas höhere Leistungen erzielt werden können als ursprünglich für das Vorhaben als Aufgabe spezifiziert. Ende 2011 wurde ein praktisch baugleiches
ORC-Modul am Standort Platten aufgebaut und im Laufe 2012 in Betrieb gesetzt und optimiert. Die im Technikumsbetrieb bei Dürr nachgewiesenen Leis-
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Feldversuch ORC
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tungsmerkmale konnten hier nach der Optimierung ebenfalls dargestellt werden.
Ein weiterer Prototyp eines ORC-Moduls zur Motorwärmeverstromung W-25
befindet sich am Standort Quarnbek (S-H) im Dauerbetrieb. Nach langen Verzögerungen und Problemen wurde zum Projektende ein stabiles Betriebsregime gefunden und die erzeugte Leistung ist im Rahmen der heute tatsächlich
gelieferten Abwärme spezifikationsgerecht.
Die CE-Zertifizierung ist an allen Standorten abgeschlossen.
Fraunhofer UMSICHT und Dürr Cyplan haben begonnen, Wartung und Service
fortzuführen bzw. die Betreiber bei durchzuführenden Eigenwartungen zu unterstützen. Phase 1 des Feldversuches ist damit abgeschlossen.
Bei den abgaswärmegetriebenen Hochtemperaturprozessen Typ A-100 wurden
die Wirkungsgradentwicklungsziele (bezogen auf die erreichten Bruttoleistungen) übertroffen. Dasselbe gilt für die beiden installierten kleineren Hochtemperaturmodule A-50. An beiden Standorten (Bietigheim-Bissingen und Platten)
werden die Wirkungsgradentwicklungsziele (bezogen auf die erreichten Bruttoleistungen) übertroffen. Der NT-Prozess W-25 liegt etwas unterhalb der Erwartungen, allerdings auch eine Folge der vom Betreiber zu hoch angesetzten
Abwärmemengen und damit Überdimensionierung.
Abbildung 9:
Elektrische Bruttoleistung über der
zugeführten Wärmeleistung, alle
Feldversuch-ORCModule, Vergleich
mit der jeweiligen
Zielspezifikation
Bei einer HT-ORC-Anlage wurde Silikonöl eingesetzt. Dies wurde bei den nachfolgenden HT-ORC-Anlagen durch andere Kohlenwasserstoffe erfolgreich sub-
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Feldversuch ORC
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stituiert werden. Bei deutlich geringeren Arbeitsfluidkosten konnten dadurch
höhere Leistungen, geringere Pumpenleistungen und deutlich höhere Bruttound Nettowirkungsgrade erreicht werden.
Der Betriebsbereich der aufgebauten ORC-Module liegt mindestens zwischen
40-100 % der elektrischen Leistung des ORC sowie 50-100 % der zugeführten
Wärmeleistung des ORC und deckt damit die Bedürfnisse der vorgeschalteten
Motoren ab. Lediglich bei übermäßig großer Wärmezufuhr oder Vorschaltung
mehrerer Motoren kann anwenderseitig ggf. der Bedarf nach Abruf eines noch
ausgedehnteren Betriebsbereichs aufkommen.
Die Dynamik der HT-ORC-Prozesse ist ausreichend gut. Die Prozesskomponenten haben unterschiedliches Regelverhalten. Verdampfer und Kondensator reagieren bedingt durch die große thermische Masse nur langsam auf Betriebsänderungen. Speisepumpe und Turbogenerator reagieren schnell. Armaturen
fahren mit der Laufzeit des elektrischen Antriebs. Die Einstellung der Regelparamter der Anlage unter Berücksichtigung der Standortanforderungen, der Belange der Sicherheitstechnik und der physikalischen Begrenzungen der Elemente ist daher je nach Standort und Auslegung parallel zu sonstigen Optimierungsarbeiten ein zeitraubendes Optimierungsproblem.
Abbildung 10:
Dynamik bei
Laständerungen im
Fahrplanbetrieb
des vorgeschalteten Motors beim
Modul A-100 (Altenberge)
Generell waren Inbetriebnahme, Optimierung und in einigen Fällen auch Troubleshooting und Wartung der Anlagen erheblich zeitaufwendiger als vorkalkuliert. Diese scheinbar mangelnde Reife zeigt auf, dass der Workflow in den Bereichen Planung, Abstimmung mit dem jeweiligen Standortbetreiber, Bau,
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Feldversuch ORC
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Montage, Inbetriebnahme und Optimierung noch deutliches Verbesserungspotenzial aufweist.
Das Hauptproblem bei den auftretenden Störungen und ihrer Beseitigung bei
den ORC-Modulen im Feldversuch ist ein oft komplexes Fehlerbild – häufig mit
Überlagerung mehrerer unabhängiger Fehlerursachen - und eine erst langsam
gewachsene Betriebserfahrung des Troubleshooting-Teams bei Fraunhofer
UMSICHT/Dürr Cyplan.
Zwar erleichtern Monitoring und Fernüberwachung die Wartung vor Ort, aber
das Team Fraunhofer UMSICHT/Dürr Cyplan befasste sich durchgehend mit
Problemen durch Ausfall oder nicht spezifikationsgerechter Funktion der aufgebauten ORC-Module. Als Fehlerursachen kamen dabei grundsätzlich in Frage:
unbeabsichtigte Montagefehler mechanisch/elektrisch
Fehler in der Steuerung bzw. bei Einstellparametern der Steuerung
Versagen eingesetzter Komponenten durch raue Betriebsbedingungen
oder rauen Umgang
Fehlbedienung durch den Anwender
Auch relativ lange Reaktionszeiten der ORC-Module und damit lange Verzugszeiten beim Auftreten von Fehlern bzw. nach ihrer Beseitigung erschwerten die
Arbeit.
Im Einzelfall konnte selbst gezielte Zerstörung empfindlicher Teile vor Ort durch
Dritte nicht ausgeschlossen werden.
Abbildung 11:
Für
den Feldversuch realisierte
Steuerungs- und Monitoring-Lösung der ORCModule
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Feldversuch ORC
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Eine genauere Analyse der bei Bau, Inbetriebnahme und automatischem Dauerbetrieb auftretenden Probleme und Störungen gab zunehmend wertvolle
Hinweise bei der künftigen Durchführung des Baus und der Inbetriebnahme
von kleinen ORC-Anlagen. Der bisherige Erfahrungsgewinn ist in jedem Fall
evident, besonders gut darstellbar an
der Verringerung der Zeiten, die für die Inbetriebnahme am Standort
aufgewendet werden mussten,
der in Summe deutlich gestiegenen Verfügbarkeit der Anlagen.
Abbildung 12:
Verfügbarkeit des ersten ORC-Modules A100 in Wasmerslage im
Jahr nach Inbetriebnahme und Optimierung (2008)
Abbildung 13:
Verfügbarkeit des ORCModules A-100 in Altenberge nach der
Inbetriebnahme bis
Projektende 07/2012
(im Sommer 2011
wurde dem BHKW vor
dem ORC ein zweites
Satelliten-BHKW parallelgeschaltet, das in der
Einbindungszeit einige
Störungen verursacht
hat)
Die Inbetriebnahme- und Optimierungszeit bis zu einem akzeptablen automatischen Dauerbetrieb betrug bei allen Neukonstruktionen (neues Modul,
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Feldversuch ORC
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oder erhebliche konstruktive oder steuerungstechnische Veränderung gegenüber der Vorläuferausführung) mindestens 6 Monate, ohne große Veränderungen am ORC-Modul selbst und bei geeigneter Witterung kann diese Zeit
dagegen auf bis zu 6 Wochen verkürzt werden.
Die Verfügbarkeiten der an den Endkunden bereits übergebenen Prozesse
Typ A-100 belaufen sich auf 6.500 h/a für die erste Anlage in Wasmerslage. Im
Projekt ist diese für das ORC-Modul in Altenberge schon bis auf 8.600 h/a gestiegen. Neben der rein technischen Optimierung der ORC-Module ist auch die
Unterstützung seitens des Teams Fraunhofer UMSICHT/Dürr Cyplan und die
engagierte Mitwirkung des jeweiligen Betreibers wesentlich für die Erzielung
guter Verfügbarkeiten.
Grundsätzlich hat sich der überwiegend vollautomatisch überwachte Betrieb des ORC bewährt. Fraunhofer UMSICHT beobachtet zusätzlich im Rahmen des Monitorings per Fernüberwachung die Anlage, nutzt die Fernüberwachung auch zur Störungsanalyse und plant vorausschauend die Behebung erkannter Probleme. Der Betreiber vor Ort kann durch schnelle Kontrolle des
ORC-Moduls und Fehlerquittierung bei gemeldeten Störungen des Moduls das
Seine beitragen, damit die Anlage nach einer unkritischen Störung schnell wieder in Betrieb geht. Aufgrund der noch sehr konservativen Sicherheitsphilosophie finden derzeit noch relativ viele Alarme und Abschaltungen des ORCModuls vor Erreichen wirklich gefährlicher Betriebszustände statt. Hier ist dann
eine Betreiberkontrolle vor der Freigabe des Weiterbetriebs (Fehler-Quittierung)
vorgesehen. Der Betreiber sollte weiterhin regelmäßige Kontrollgänge machen,
Wartungsarbeiten wirklich turnusmäßig erledigen (Filterreinigung Schmierkreisfilter, Arbeitsfluidnachfüllung, Filtertausch an der Schaltanlage). Ggf. müssen
auch Rückkühler oder Abgasseite des Verdampfers gereinigt werden, wenn der
Staubanfall vor Ort bzw. eine große Partikelfracht im Abgas dies erfordern.
Vom Betreiber bei der Anlagenüberwachung erkannte Verschlechterungen und
kleinere Betriebsprobleme sollten sofort mit Fraunhofer UMSICHT/Dürr Cyplan
diskutiert werden, um ein unnötiges Auswachsen der Probleme zu vermieden.
Die Intensität der Anlagenüberwachung und die Qualifikation der Betreibermitarbeiter an den aufgebauten Feldanlagen sind bei den beteiligten Betreibern durchaus unterschiedlich. Bei schon unterdurchschnittlich laufenden Biogasanlagen und Motoren finden sich ebenso unterdurchschnittlich
laufende ORC-Module. Deshalb wird auch in Zukunft ein großer Streubereich
der erzielten Betriebsresultate nicht ganz vermeidbar sein. Eine noch stärkere
Automatisierung der Fehleranalyse, auch eine präventive Erkennung sich
anbahnender Störungen per Fernüberwachung kann ein Ansatz sein, generell
Störungen und Fehler an den Anlagen noch umfassender ganz zu vermeiden
oder zumindest schneller und präventiver reagieren zu können. Weiterhin kann
erwogen werden, in der Steuerung des ORC-Moduls eine Reihe von präventiven Abschaltungen zugunsten einer höheren Verfügbarkeit entfallen zu lassen.
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Feldversuch ORC
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Die erreichten Kostenreduzierungen bei den von Fraunhofer bisher erstellten Prototypen vom ORC-Modul Typ A-100 (Alpha, Beta, Gamma), liegen
oberhalb der vor Projektbeginn »Feldversuch ORC/Phase 1« vorkalkulierten Erwartungen auf Basis eines Lernfaktors von 0,9, etwa einer Degressionskurve
mit einem Lernfaktor zwischen 0,75 und 0,8 folgend. Die Modulkosten incl.
Sysremintegration für die Applikation an Motorenabwärme bewegen sich damit schon stark auf den hier anlegbaren Preis (< 3.500 €/kW ) zu. Regelrechte
TCO-Betrachtungen sind noch nicht möglich, da hier ein ausreichender Erfahrungsrücklauf aus dem Monitoring der Feldanlagen abgewartet werden muss.
Die ersten Module des HT-ORC A-50 liegen trotz geringerer Baugröße schon
deutlich unterhalb der spezifischen Einstandskosten für den ersten HT-ORC A100 α. Die erwarteten Lernfaktoren fallen für die Hochtemperatur-ORCModulen im Kondensationsbetrieb also in dieser Phase der Entwicklung besser
(kleiner) aus als gedacht. Auch der erste NT-ORC in Quarnbek ist immer noch
spezifisch preiswerter als der erste HT-ORC in Wasmerslage. Relativierend ist zu
erwähnen, dass Personalaufwendungen für Bau, Inbetriebnahme, Optimierung
und Troubleshooting während der Gewährleistungsdauer bei der Kostenermittlung nicht berücksichtigt sind und auch keine kommerziell notwendigen Gewinnmargen eingerechnet sind. Insoweit sind die Kosten im Rahmen des Projektes relativ stark gesenkt worden, allerdings gerechnet in Vollkosten eine
kommerziellen Fertigungsbetriebs sind die Vollkosten nebst Margen und Rücklagen derzeit noch nicht anlegbar. Zusätzlich muss bei einer kommerziellen
Vermarktung das doch recht hohe Einzelprojektrisiko beachtet werden. Auch
im Rahmen dieses Projektes traten bei den einzelnen Feldanlagen kaufmännische und technische Probleme auf.
el, ORC
Abbildung 14:
Bisher im Projekt
Phase 1 realisierte
Kostenreduzierungen für das Hochtemperatur-ORCModul A-100 zur
Abgaswärmeverstromung von
BHKW; zum Vergleich Kosten NTORC-Modul W-25
und HT-ORCModul A-50 (jeweils bezogen auf
den Gesamtpreis
incl. Systemintegration am Standort)
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Feldversuch ORC
42
1.4
Stand des Wissens und der Technik
1.4.1
Angabe bekannter Konstruktionen, Verfahren und Schutzrechte,
die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden
Die Strategie von Fraunhofer UMSICHT und des Vermarktungspartners Dürr
Cyplan besteht in:
der Anwendung der Inhalte von Altveröffentlichungen (insbes.
[Huppmann, 1985], und [Lajorla, 1989]),
der Vermeidung von Patentverletzungen gültiger Patente.
Nach bisherigem Kenntnisstand sind keine Anlagen, Konstruktionen und Verfahren mit gewerblichem Rechtsschutz bekannt, die die hier beschriebene
ORC-Technologie beinhalten. Schutzrechte und Patente liegen in den einzelnen
Teilbereichen wie beispielsweise Turbogenerator, Wärmetauscher, Verfahrensdetails vor. Diese gelten i. d. R. für spezielle Detaillösungen, betreffen die
erarbeite Konzeption und Konstruktion nicht.
Eigene Verfahrens- und Funktionselementmerkmale werden zukünftig durch
die mit Fraunhofer kooperierenden Entwicklungspartner bereitgestellt. Hier sei
insbesondere auf die von Dürr Cyplan gehaltenen Schutzrechte verwiesen:
WO2007088194A2 Organic Rankine Cycle (ORC) Turbogenerator
DE102007008609A1 ORC-System für Verbrennungsmotoren
DE102007044625A1 Turbine zum Einsatz in ORC-Kreisprozessen
DE102009011847A1 Verdampfersystem für Rauchgase in ORC-Kreisprozessen
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
43
1.4.2
Angabe der verwendeten Fachliteratur sowie der benutzen Informations- und Dokumentationsdienste
Folgende Fachliteratur wurde im Rahmen der Projektbearbeitung verwendet:
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
51
1.4.3
Überblick über ORC-Technologie und laufende Entwicklungen zur
Applikationserweiterung
ORC-Prozesse sind Kreisprozesse nach Art des Dampfkraftprozesses (Clausius
Rankine Cycle), in dem allerdings anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsfluid eingesetzt wird.
Abbildung 15:
Prinzip eines ORCProzesses
Wird der Clausius Rankine Cycle dem Organic Rankine Cycle gegenüber verglichen, so ist der Arbeitsanteil bei Verwendung eines Kohlenwasserstoffes geringer als bei Wasser. Im Detail ist es so, dass die spezifische Enthalpiedifferenz
zwischen Ein- und Austritt der Turbine bei Wasser höher ist, jedoch wird
dadurch der Massenstrom einer mit Wasser betriebenen Anlage deutlich geringer. Ebenso ist eine Rekuperation bei Wasser nicht möglich, da die Entspannung bei Wasser ins Zweiphasengebiet erfolgt und somit das Arbeitsfluid nicht
überhitzt wird. Beide Prozesse sind vom Prinzip her ähnlich, unterscheiden sich
doch in einigen Kernpunkten so sehr, dass unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten in der Technik für beide vorhanden sind und beide Vorteile bieten. Der ORC-Prozess bietet Vorteile bei der Verstromung von Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau als konventionelle Kraftwerke.
ORC-Prozesse werden als KWK-Anlagen in Verbindung mit Biomassefeuerungen und Nahwärmenetzen oder industrieller Wärmenutzung (z. B. Trocknung,
Prozesswärme) ab etwa 200 bis rund 2.500 kWel, ORC serienmäßig eingesetzt.
Die Anwendbarkeit im Bereich geothermischer Stromerzeugung steht außer
Frage, ist derzeit bei Leistungen ab etwa 1.000 kWel, ORC bis hin zu ca. 50 MWel,
ORC ausgeführt worden, wobei die Anlagen standortspezifisch konzipiert und in
Einzelfertigung erstellt werden und Modulgrößen von etwa 1.000 bis
7.500 kWel, ORC eingesetzt werden. Dasselbe gilt für größere Projekte zur Verstromung industrieller Abwärme mittels ORC-Anlagen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
52
Abbildung 16:
Anwendungsbereiche
von ORC-Prozessen
und etablierte Marktanbieter
Der Einsatz kleinerer ORC-Anlagen unter 200 kWel, ORC bei einer Reihe weiterer
Applikationsmöglichkeiten im Bereich der Liegenschaftsbeheizung und Nahwärmenetze mit ORC-KWK-Anlagen auf Basis von Biomassefeuerungen, im
Bereich der solarthermischen Stromerzeugung, der Abwärmeverwertung von
Turbinen und Brennstoffzellen, aber auch der Einsatz in Mikro-KWK-Anlagen
als Hausheizgeräte sowie generell die Nutzung im Leistungsbereich von 1 bis
200 kWel, ORC, wird seit Jahren diskutiert und beforscht, ohne dass bisher ein
wirklich kommerzielles Produkt angeboten wird. Die etablierten ORC-ProzessHersteller (Turboden/IT, GMK/DE, Adoratec_Maxxtec/DE sowie ORMAT und
Barber-Nichols/beide USA) konzentrieren sich bisher auf Biomassefeuerungen,
Geothermie und industrielle Abwärme.
Es gibt allein in Deutschland eine seit rund 6 Jahren stetig wachsende Anzahl
von über 30 Firmen/Institutionen, die für das Segment relativ kleiner ORCAnlagen zwischen 10 und 200 kWel, ORC nach eigenen Angaben ORC-Prozesse
entwickeln. Im Ausland erklärt dies eine ähnlich hohe Anzahl von Unternehmen. Dennoch ist im interessanten Leistungsbereich bis 200 kWel, ORC bis heute
kein erprobtes, bewährtes, weit verbreitetes kommerzielles Produkt verfügbar.
Als fortgeschrittene Entwickler im Bereich kleiner ORC-Prozesse seien hier (ohne Vollständigkeitsanspruch) erwähnt: Fraunhofer/Dürr Cyplan (DE), UTC
(USA), Calnetix/GE Jenbacher (USA), Tri-O-Gen (NL), eneftech (CH), Conpower(DE) und GMK (DE). Eine Reihe von Entwicklern, z. B. Voith (DE), Spilling
(DE), DeVeTec (DE), versuchen auch kleine CRC-Prozesse (Dampfkraftprozesse)
mit Kolbenmaschinen im genannten Leistungsbereich einsatzfähig zu machen.
Schon länger laufende fortgeschrittene Entwicklungen mit kleineren Dampfschraubenexpandern für Wasserdampf- und ORC-Prozesse (z. B. IDEA (DE),
BIOS (A), Köhler und Ziegler/Bosch Thermotechnik (DE)) fanden bisher auch
noch keine weite Verbreitung.
Für die meisten Entwicklungen gilt, dass sie wegen verschiedener Schwierigkeiten im Bereich der Entwicklungsfinanzierung, der Technik, der Erprobung oder
der Vermarktung nur langsam vorankommen. Die deutsche WSK Energie- und
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
53
Umwelttechnik GmbH musste wegen erheblicher technischer Probleme mit der
eingesetzten Kraftmaschine (Schraubenexpander) und dem ORCProzesskonzept die Geschäftstätigkeit vor wenigen Jahren aufgeben. Andere
Schraubenexpander-Prozesskonzepte werden an einigen Stellen, u.a. bei
Electratherm (USA) und Orcan Energy (DE) weiter verfolgt, über einen Durchbruch wurde bisher aber nicht berichtet. GMK (DE) hat einige Pilotanlage in
Betrieb genommen, aber bisher ist zu Ergebnissen wenig berichtet worden.
Adaturb/Lust Lti Renewable Energy (DE) hat einige Pilotanlagen installiert, die
Aktivitäten scheinen aber derzeit weitgehend zum Erliegen gekommen zu sein.
Der Weltmarktführer für HT-ORC-Module zwischen 400 und 2.500 kWel, ORC,
Turboden (IT), hat die Weiterentwicklung kleiner HT-ORC-Anlagen bei ca.
200 kWel Leistung zur Zeit augenscheinlich eingestellt. Der neue Eigner von
Turboden, Pratt&Whitney (USA) konzentriert sich auf die Weiterentwicklung
des hauseigenen UTC Pure Cycle (Mitteltemperatur-ORC).
Marktangebot, Wirtschaftlichkeit, Marktnachfrage
Serienmäßig waren am Markt bisher nur ORC-Prozesse > 300 kWel, ORC verfügbar. Zwischen 300 kWel, ORC und 2.500 kWel, ORC werden die meisten ORCModule als Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen in Verbindung mit Biofestbrennstofffeuerungen und einer Wärmeabnahme am Kondensator des ORC eingesetzt. Große ORC-Prozesse oberhalb 2.500 kWel, ORC je Modul finden vorwiegend Anwendung bei der Nutzung von geothermischer Wärme, Industrieabwärme und auch solarer Wärme. Technisch werden die ORC-Module dabei bis
7.500 kWel, ORC ausgeführt, bei noch größeren elektrischen Leistungen enthalten die Gesamtanlagen meist mehrere parallel geschaltete ORC-Module.
Wirtschaftlich entscheidend für ORC-Prozesse sind:
ein sehr niedriger Preis für die Wärme, mit der der ORC beheizt wird,
Stromverrechnungspreis (Einspeisevergütung oder Bezugsverdrängung)
eine nicht zu hohe Gesamtinvestition (Wärmeerzeugung/Wärmezufuhr
+ ORC-Modul/Einbindung + Kühlung/Wärmeabfuhr),
eine möglichst lange Betriebsdauer des ORC-Moduls im Jahr und
geringe Kühlkosten bzw. eine ausreichend hohe Wärmevergütung.
Der spezifische Preis für ORC-Module liegt je nach Größe, technischer Ausführung und Nutzungsrandbedingungen heute in einem Band zwischen 1.000
und 8.000 €/kWel, ORC. Größere Ausführungen bauen in aller Regel preiswerter.
Desto kleiner die Leistung eines benötigten ORC-Moduls desto weniger sind
gleichzeitig teure kundenspezifische Modifikationen möglich. Bei größeren
ORC-Modulen kann dahingehend mehr Anpassungsaufwand betrieben werden.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
54
Über die bisherigen Standards hinaus werden eine Reihe weiterer Applikationsmöglichkeiten im Bereich der Liegenschaftswärmeversorgung und
Nahwärmenetze mit ORC-KWK-Anlagen auf Basis von kleineren Biomassefeuerungen, im Bereich der solarthermischen Stromerzeugung, der Abwärmeverwertung von Turbinen und Brennstoffzellen, aber auch der Einsatz in MikroKWK-Anlagen als Hausheizgeräte, die Leistungssteigerung von Motoren für
PKW, Nutzfahrzeuge sowie generell die Nutzung im Leistungsbereich von 1 bis
200 kWel, ORC seit Jahren diskutiert und beforscht.
Abbildung 17:
Applikationsmöglichkeiten für ORCProzesse, Abschätzung
installierbare elektrische Leistung in
Deutschland, Fraunhofer UMSICHT, 2007
Potenzialschätzungen belegen den großen Einsatzbereich derartiger ORCProzesse.
Nach einer mehrjährigen Entwicklungsphase ist die Applikation zur Abwärmeverstromung von Biogasmotoren im Gegensatz zu vielen anderen Ansätzen
insgesamt deutlich vorangekommen. Hier versuchen sich heute einige Hersteller mit ORC-Modulen kleinerer Leistung zwischen 10 und 250 kWel, ORC für die
Nachverstromung von BHKW-Abwärme am Markt zu behaupten. Alle hier engagierten Hersteller arbeiten noch an der Produktformung.
Ein großes Marktinteresse an neuen ORC-Applikationen wird auch durch die
zunehmende Anzahl von Vertriebsunternehmen und Geschäftsmodellanbietern
aufgezeigt, die versuchen hier einen profitablen Markteinstieg zu finden. Viele
dieser Marktakteure betreiben selbst allerdings bei konkreter Nachfrage keine
eigene Prozessentwicklung, sondern setzen verfügbare ORC-Prozesse oder
auch funktionierende Expansionsmaschinen voraus, die von Dritten bezogen
werden sollen.
Dem großen Marktinteresse steht derzeit aber keine entsprechend große
konkrete Marktnachfrage gegenüber, da insbesondere in Deutschland viele
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
55
interessierte Betreiber über eine Verstromung von Wärme im Rahmen des EEG
nachdenken, hier aber durch die anhaltende Diskussion um Bestand bzw. kurzfristige erhebliche Änderungen am EEG verunsichert sind und sich ORCAnlagen fallweise in einem rechtlich nicht exakt fixierten Bereich der Stromvergütung bewegen. Daher haben alle ORC-Anbieter und -Entwickler derzeit
Probleme konkret interessierte Betreiber für gemeinsame Projekte zu finden.
Das EEG 2012 legt dem Betreiber neu zu errichtender Biogasanlagen eine obligatorische, mindestens 60 %ige Erzeugung des Stroms in Kraft-WärmeKopplung und damit eine obligatorische Nutzung mindestens eines nicht unerheblichen Teils der jährlich produzierten Abwärme des Motors auf. Pauschal
25 % davon wird für die nötige Fermenterheizung angerechnet. 35 % sonstige Erzeugung in KWK verbleiben zusätzlich nachzuweisen. Hierbei wird auch
die einem ORC zur Nachverstromung zugeführte Abwärme des Motors nach
Anlage 2 zum EEG 2012 angerechnet. Ein ORC lässt sich unabhängig von Vertragsverhältnissen mit Dritten zur Wärmenutzung zusätzlich installieren und
wird damit für viele Betreiber besonders interessant.
Da sich die Grundlagen für die Vergütung für Strom aus nachgeschalteten
ORC-Anlagen hinter Biogasmotoren in den letzten Jahren mit jeder EEGNovelle geändert hat, muss die erzielbare Vergütung im individuellen Fall – insbesondere bei einer Nachrüstung - beim Netzbetreiber ggf. unter Hinzuziehung eines Fachanwaltes geklärt werden. Hierbei spielt der Anlagenbegriff
(Motor + ORC = eine Anlage oder mehrere separate Anlagen) eine Rolle. Unstrittig ist meist, dass der ORC dieselbe Vergütung erhält wie der Biogasmotor
in der höchsten Leistungsstufe der Motorenanlage. Ob im früher gültigen
rechtlichen EEG-Regime ein Technologiebonus auch für den von Motor erzeugten Strom vergütet wird, war mehrfach strittig, allein für den Strom des ORC
wurde er dagegen in aller Regel gewährt. Unterschiede gibt es auch bei der
Berücksichtigungsfähigkeit der dem ORC zugeführten Wärme beim KWKBonus der Motoren. Ein Vorteil des ORC kann dabei im leichten Anstieg der
Stromkennziffer der Gesamtanlage (Motor + ORC) oder auch in der Anerkennung der dem ORC zugeführten Antriebswärme als genutzte Wärme liegen.
Bei fortgeschrittenen Entwicklern ist derzeit oft auch Ernüchterung über
tatsächlich erzielte Wirkungsgrade, die auftretenden Detailprobleme und die
aus Anwendersicht doch noch recht hohen Systemkosten der ORC-Prozesse
zur Abwärmenutzung eingetreten. Die bei den Prototypen real erzielten Prozesswirkungsgrade liegen oft noch unter den Erwartungen und unter den
thermodynamischen Potenzialen. Die wenigen Anlagenbetreiber berichten
über Probleme mit den als Energiewandler eingesetzten Kraftmaschinen, mit
Auslegung und Betriebsverhalten der eingesetzten Wärmeaustauscher und Nebenkomponenten.
Verglichen mit dem anlegbaren Preis liegen die Kosten funktionstüchtiger
und am Standort komplett eingebundener Prototypen aus Anwendersicht
meist noch zu hoch.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
56
1.4.4
Applikation der ORC-Technologie zur Abwärmenachverstromung
bei Biogasmotoren
Ein aussichtsreicher Anwendungsbereich und Gegenstand dieses Abschlussberichtes ist die Wirkungsgradsteigerung und Rest-Abwärmeverwertung
bei stationären Motoren-BHKW-Anlagen.
Die Kopplung von ORC-Prozessen mit Biogasmotoren wird aufgrund des
expandierenden Biogas-Marktes und einer fortschreitenden Industrialisierung
und Standardisierung der Biogasanlagen und der eingesetzten Motorenmodule
als besonders interessant erachtet.
Die hier betriebene Prozessentwicklung und Felderprobung wurde durch das
latent große Interesse von Biogasanlagenbetreibern, Biogasanlagenherstellern
und Biogasmotorenpackagern sowie Abwärmekontraktoren angestoßen.
Es existierten Ende 2011 allein in Deutschland knapp 8.000 Biogasanlagen;
jährlich wurden zuletzt über 1.000 neue Biogasanlagen gebaut.1 Biogasmotoren um 500 kWel, Motor stellen wegen der Stromvergütungsreduzierung des EEG
ab 500 kWel jahresmittlerer Einspeiseleistung die derzeit meistgebauten Biogasanlagen dar.
Abbildung 18:
Größenklassenverteilung von Biogasanlagen (DBFZ 2)
Marktgängig sind Biogas-Motoren bis maximal etwa 1.500 kWel, Motor. An einer
Biogasanlage werden meist ein bis drei Motoren eingesetzt. An über 80 % der
Anlagen steht ungenutzte Abgaswärme der Motoren an mehr als 7.500 Voll1
http://www.biogas.org/edcom/webfvb.nsf/id/DE_Branchenzahlen/$file/12-11-29_Biogas%20Branchenzahlen%202011-20122013.pdf
2
http://www.dbfz.de/web/fileadmin/user_upload/Presseinformationen/2012/PM_Biogasanlagen_FINAL.pdf
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
57
lastbetriebsstunden (VLBh) zur Verfügung. Die Motorwärme wird oft nur zu
etwa 2.500 VLBh zur Fermenterheizung eingesetzt, inzwischen häufiger auch
für diverse saisonale Trocknungszwecke.
Verglichen mit dem anlegbaren Preis (< 3.500 €/kW incl. der nötigen Einbindung vor Ort, vgl. Abbildung 19), liegen die Kosten funktionstüchtiger ORCPrototypen (Modulpreise ohne Einbindung, vgl. Abbildung 20, für die Nutzung
bei Biogasmotoren vorrangig interessant im Leistungsbereich < 200 kWel, ORC)
heute oft noch deutlich über den aus Anwendersicht anlegbaren Preisen.
el, ORC
In der Realität ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass sich durch die grundsätzliche Auslegung gleicher Prozesstypen für unterschiedliche Leistungsbereiche
(Stufung der Modulbaureihe) Kostensprünge auf der Leistungsskala ergeben
können und dass projektspezifische Randbedingungen auf die Modul- und Systemintegrationskosten starken Einfluss nehmen können.
Abbildung 19:
Spezifische Investitionskosten von Biogasanlagen
= anlegbarer spezifischer Preis von ORCProzessen zuzüglich
Kosten der Systemintegration zur zusätzlichen Abwärmeverstromung von BHKW
(Recherche Fraunhofer
UMSICHT 2008)
Abbildung 20:
Bisher bekannt gewordene Kosten von ORCModulen (Recherche
Fraunhofer UMSICHT
2011)
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
58
An einem Motoren-BHKW wird als Grundlage für den Antrieb eines ORCProzesses Wärme auf dem Niedertemperatur (NT)- oder/und Hochtemperatur (HT)-Niveau abgegeben (vgl. Abbildung 21).
Grundsätzlich ist die HT-Abwärme (Abgaswärme) des Motors natürlich auf
Wärmeträgerkreisläufe mit niedrigerer Vorlauftemperatur übertragbar, dies ist
jedoch mit einem Exergieverlust und dem Effizienzverlust einer möglichen Verstromung mittels ORC verbunden. Da aber andererseits noch ein erheblicher
Teil der Motorenabwärme auf einem Temperaturniveau unterhalb von 100°C
anfällt, sollten für die effiziente Verstromung von Motorenabwärme als
Ergebnis dieses Projektes ein NT- und ein HT-ORC-Prozess bereitgestellt
werden. Selbst eine Serienschaltung des HT- und des NT-ORC-Prozesses und
eine starke Integration mit dem Motorenmodul selbst (Schaltanlage, Aufbau,
Rückkühlung) erscheint bei einem ausreichenden Reifegrad denkbar.
Abbildung 21:
Abwärmequellen eines
Motoren-BHKW und
Hauptprozessvarianten
nachgeschalteter ORCProzesse
Wirtschaftlich kann ein NT-ORC-Prozess auch zur Verstromung der Abgaswärme Sinn machen, wenn der Motor für verfügbare HT-ORC-Prozesstypen zu
klein ist.
Die zwei Hauptvarianten der ORC-Prozesse, NT und HT, können je nach
Auslegung und Schnittstellen unterschieden werden.
Der NT-ORC-Prozess an Motoren kann entweder von der Kühlwasserwärme
oder von der Kühlwasserwärme und Abgaswärme angetrieben werden. Je
nach den Gegebenheiten kann noch ein Teil der NT-Gemischwärme des Motors (anfallend bei 50-60 °C) eingekoppelt werden. Wird bei der zusätzlichen
Einkopplung der Abgaswärme ein Teil der Kühlwasserwärme nicht verwendet,
können auch etwas höhere Vorlauftemperaturen des ORC-Heizkreises eingestellt werden. Mit zunehmender Vorlauftemperatur des Heizkreises ist dann allerdings die tatsächlich verstromte Motorabwärme rückläufig. Auf eine interne
Rekuperation der Wärme aus dem entspannten, überhitzten Dampf nach der
Kraftmaschine wird aus Kostengründen bei kleinen NT-ORC, wie sie für Motoren benötigt werden, meist verzichtet. Der Einsatz eines Luftkondensators oder
Direktverflüssigers bei Luftkühlung, noch besser einer Flusswasser- oder Brunnenwasserkühlung oder eines Nasskühlers ist aus Effizienzgründen obligato-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
59
risch. Eine Wärmenutzung der Kondensationswärme des NT-ORC ist wegen
der erforderlichen niedrigen Kondensationstemperatur kaum möglich.
Abbildung 22:
Grundsätzlicher Aufbau und Schnittstellen
von NT- und HT-ORCProzessen an Motoren
Der HT-ORC-Prozess wird am Motor ausschließlich mit der Abgaswärme angetrieben. Bei ORC-Anlagen für hohe Antriebstemperaturen (> 300°C) wird die
Wärme bisher konventionell über einen Zwischenkreislauf mit Thermoöl eingekoppelt. Weiterhin sind Turbine und Generator zwei getrennte Einheiten. Ein
Thermoölkreislauf als Prozessschnittstelle zum Gasmotor macht bei kleinen
ORC-Prozessen allenfalls eingeschränkt Sinn. Der Thermoölkreis bildet zwar eine einfache Schnittstelle, jedoch verteuert dieser das System insgesamt um
mehr als 30%. Außerdem werden dadurch viele Schwierigkeiten vom ORCModul in die Peripherie und damit in die Betreiberverantwortlichkeit verlagert.
Thermoölkreisläufe sind einem umfangreichen, Kosten treibenden Netzwerk
technischer Regeln unterworfen, die restriktiv viele Sicherheitseinrichtungen
und Redundanzen nötig machen. Zusätzlich werden ein weiterer Wärmetauscher und zwei notstromversorgte Umwälzpumpen für heißes Thermoöl notwendig. Ein Thermoölkreislauf zur Abgaswärmezuführung erhöht deshalb die
Investitionskosten, Betriebskosten und den Eigenbedarf, verringert die Effizienz
und erhöht das Gesamtbetriebsrisiko. Im Gegensatz hierzu sinken die Systemkosten durch eine Direktverdampfung erheblich und der Anlagenaufbau wird
insgesamt einfacher. Einem direkten Anschluss der Abgaswärme an den ORC
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
60
ist daher Präferenz zu geben, wenn die Abgaszuführung nicht zu lang und
aufwendig wird.
Aus Effizienzgründen macht beim HT-ORC-Prozess meist ein sogenannter Rekuperator (auch Regenerator) Sinn. Grund dafür ist, dass bei den i. d. R. einbis zweistufigen Entspannungsmaschinen auf der Niederdruckseite noch relativ
heißer ORC-Medium-Dampf vorliegt, dessen sensible Wärme noch zur regenerativen Vorwärmung von Speisefluid zum Verdampfer genutzt werden kann.
Das bei Biomasse-ORC-Anlagen häufig eingesetzte Split-System mit einer zusätzlichen Vorwärmung von Arbeitsfluid parallel zum Rekuperator kann je nach
Auslegung auch Verwendung finden. Die mehrstufige Ausführung von HTORC-Prozessen erfordert teure, mehrstufige Kraftmaschinen sowie teure und
fehleranfällige Regelungstechnik. Dies erscheint bei der kleinen Leistungsdimension der Prozesse zwischen 20 und 200 kWel, ORC nicht angemessen. Für
maximale Effizienz wird der Kondensationsdruck/die Kondensationstemperatur
des HT-ORC-Prozesses so tief gelegt, dass eine sowohl technisch als auch ökonomisch sinnvolle Wärmeabfuhr durch Umgebungsluft bzw. Wasser möglich
ist. Beschränkt wird dies zudem durch die von der Kraftmaschine verarbeitbare
Enthalpiedifferenz. Eine Auslegung des HT-ORC-Prozesses als KWK-Anlage mit
Vorlauftemperaturen sekundärseitig des ORC-Kondensators von bis etwa 80°C
ist möglich. Wenn dies im konkreten Fall aufgrund günstiger Rahmenbedingungen realisierbar ist, dann liegt auch die Prozessvariante mit dem größtmöglichen Nutzungsgrad vor.
Die äußere Beschaltung eines ORC-Prozesses ist bei Motorenanlagen
durchaus nicht unbedeutend für das Gesamtsystem und sollte separat Beachtung finden.
Beim NT-ORC-Prozess ist eine Parallel- und Serienschaltung der Wärmequellen
aus einem oder mehreren Motoren möglich. Auch beim HT-ORC-Prozess ist eine Parallelschaltung der Abgaswärme mehrerer Motoren auf einen Wärmeabnehmer (z. B. Verdampfer ORC-Prozess) möglich. Der NT-ORC-Prozess ist
grundsätzlich einfacher aufgebaut als der HT-ORC-Prozess. Doch erfordert die
konzeptionelle Einbindung verschiedener Abwärmequellen an einer konkreten
Motorenanlage auch unter Berücksichtigung weiterer externer Wärmenutzungen an der Motorenabwärme (Fermenterheizung, Gebäudeheizungen/Nahwärme, Gärsubstrateindampfung, Getreidetrocknung, Klärschlammtrocknung,
Holztrocknung, …) unterschiedliche Auslegungen und Beschaltungen der
Wärmezuführung eines ansonsten identischen NT-Prozesses. Die Regelung der
Wärmversorgung des ORC aus mehreren Quellen am Motor sowie zur Versorgung unterschiedlicher Wärmeabnehmer kann aufwendig werden.
Eine Auslegung des NT-ORC-Prozesses auf Temperaturen der Wärmezuführung zwischen 50 und 110°C ist am sinnvollsten, da dies den Bereich der motorisch erzeugbaren NT-Abwärme vollständig abdeckt und gleichzeitig ein relativ preiswertes und qualitativ hochwertiges Komponentenangebot verfügbar
macht. Der NT-ORC-Prozess selbst muss dann für Temperaturen bis 110 °C
und Drücke bis max. 16 bar ausgelegt werden.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Bei der Abgaswärmeeinkopplung des HT-ORC-Prozesses liegt der zulässige
Abgasgegendruck (= Enddruck Turbolader - Druck Austritt Kamin) der Motoren meist zwischen 30 und 60 mbar. Der für den ORC-Verdampfer selbst zulässige Abgasdruckverlust wird durch Druckverluste in Schalldämpfer, Abgasweg und ggf. in der Abgasreinigung weiter verringert.
Die Abgaszuführung ist je angeschlossenem Motor durch drei Abgasklappen
umschaltbar, die den Bypass-Betrieb des Motors bei stillstehendem ORC erlauben. Zuletzt muss bei den HT-ORC-Prozessen das „kalte Ende“ beachtet werden. Die Auslegung für Kondensationsbetrieb oder als KWK-Anlage für NTWärme-Auskopplung am ORC-Kondensator (bis 80°C) ergibt unterschiedliche
Lösungen.
Abbildung 23:
Beschaltung HT-ORCProzess-Schnittstellen
bei Motoren
Bei der Aufstellung vor Ort sind die Platzverhältnisse für ORC-Modul und
Kühlung/Wärmeauskopplung sowie die nötige Einspeisung und meist auch
Zählung des erzeugten Stroms zu berücksichtigen. Die Ankopplung von Hochtemperatur-ORC-Anlagen an die Abgaswärme erfordert die Berücksichtigung
des zusätzlichen Gegendrucks in der Abgasabführung und eine Berücksichtigung der zulässigen Abgasauskühlung (Taupunkt) des Abgases. Beim Anschluss über einen Heißwasserkreis muss in der Wärmeverschaltung die Grädigkeit eingesetzter Wärmetauscher und die bedarfsgerechte Regelung aller
Wärmeverbraucher (z.B. Niedertemperatur-ORC, Fermenterheizung, Gebäudeheizung, Trocknung) in Verbindung mit der Kühlwasserregelung des Motors
funktionstüchtig konzipiert werden.
Für NT-ORC-Prozesse kommen weniger Arbeitsfluide in Frage, für HT-ORCProzesse steht eine größere Zahl organischer Arbeitsfluide zur Verfügung. Kältemittel als Arbeitsfluide wurden zwar in früheren Entwicklungen präferiert
und auch die größeren laufenden Entwicklungen in den USA von Calnetix und
UTC setzen auf R245fa, konnten sich jedoch aus Effizienz-, Kosten- und Umweltschutzgründen bisher nicht durchsetzen. Halogenierte Kältemittel sind zu-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
62
dem von einem ggf. noch früher einsetzenden weltweiten Verbot betroffen.
Silikonöle oder Kohlenwasserstoffe als Arbeitsfluide sehen wir daher als aussichtsreicher an.
Für die Verwendung eines Arbeitsfluides in einer ORC-Anlage wesentliche
Eigenschaften eines Arbeitsfluides sind dabei: Marktverfügbarkeit in größeren
Mengen, Effizienz der resultierenden ORC-Prozesse, thermische Beständigkeit,
Toxizität, Umwelteigenschaften, Gebrauchseigenschaften und Preis. Fraunhofer UMSICHT hat durch Prozesssimulation, Marktrecherche und LangzeitHochtemperatur-Beständigkeitsversuche, auch bei Kontakt mit unterschiedlichen Werkstoffen, eine Auswahl besonders aussichtsreicher HT-ORCArbeitsfluide getroffen. Berichte anderer Forschergruppen, die sich ausschließlich mit der thermodynamischen Analyse der Prozesse befassen (z. B. [Drescher,
2008]) bestätigen die Erkenntnisse.
Ein wesentlicher Diskussionspunkt sind die erzielbaren Wirkungsgrade des
NT- und HT-ORC-Prozesses bei Motorenanlagen. Seriöse Entwickler gehen
vom Erfahrungswert aus, dass vom Wirkungsgrad eines Idealprozesses (CarnotWirkungsgrad), der durch die höchste und niedrigste Prozessmitteltemperatur
bestimmt wird, in der Realität nur etwa 40-60 % erzielbar sind, vgl. z.B. [Köhler, 2005b]. Zusätzlich muss beachtet werden, dass oberhalb von 270°C Prozesstemperatur die Thermostabilität der interessanten ORC-Arbeitsmedien sehr stark abnimmt und daher mit zunehmender thermischer Zersetzung zu rechnen ist.
Um vereinfacht den Carnot-Wirkungsgrad zu berechnen kann anstelle der
aufwendigeren Prozessmitteltemperaturbestimmung die Verdampfungs- und
Kondensationstemperatur herangezogen werden. Diese Methode liefert meist
einen ausreichend genauen Anhaltswert. Je nach Prozessmerkmalen wie beispielsweise Arbeitsfluidauswahl, Rekuperation ja/nein, eingesetzte Kraftmaschine und deren Wirkungsgrade, etc. ergeben sich andere Vorfaktoren die
den thermodynamisch erzielbaren Wirkungsgrad des ORC-Prozesses beeinflussen. Als grober Schätzwert lässt sich der realistisch maximal erzielbare Wirkungsgrad in % nach einer modifizierten Formel von Carnot (Gleichung 2) wie
folgt berechnen:
Wirkungsgrad netto =
abgegebene elektrische Leistung in kWel, ORC
zugeführte Antriebswärme in kWth
 Kondensationstemperatur in K 

Wirkungsgrad netto = 1 −
 Verdampfungstemperatur in K 
⋅ 100 ⋅ VF ⋅ (1 − EB)
mit
und
und
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Gleichung 1
Gleichung 2
EB ~ 0,12 für HT-ORC (Anhaltswert)
EB ~ 0,25 für NT-ORC (Anhaltswert)
VF ~ 0,4 bis 0,6 (Anhaltswert)
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
63
EB ist der Eigenbedarf des Prozesses
VF ist als Vorfaktor ein Maß für die Abweichung des realen
Prozesses vom idealen Carnot-Prozess
Es ist im Einzelfall zu hinterfragen, welcher Wirkungsgrad vom jeweiligen Hersteller angegeben wird und welche Eigenbedarfsanteile dort schon berücksichtigt sind. Eigenbedarf des ORC-Betriebs entsteht durch die Prozessspeisepumpe, durch die Kühlwasserpumpe, durch das Messen/Steuern/Regeln des Prozesses, und durch den Aufwand zur Wärmeabfuhr am Kondensator (z.B. Strom
für Kühlwasserprumpe und Lüftermotoren am Trockenkühler). Wichtig sind
dabei auch die festgelegten Temperaturverhältnisse (Eintritt Kühlung, Austritt
Kühlung) am Kondensator.
Abbildung 24:
Erzielbare Wirkungsgrade von ORCProzessen in Abhängigkeit von der Verdampfungstemperatur
und Kondensationstemperatur
Zuletzt ist noch als wesentlich zu erwähnen, dass Wirkungsgrad und produzierte Leistung eines für eine bestimmte Maximalleistung ausgelegten ORCProzesses (mit der entsprechenden Dimensionierung und dem entsprechenden
den Preis) selbstverständlich von der real zugeführten Wärmeleistung bzw. von
der realen Wärmeleistung des vorgeschalteten Motors abhängen. Geht der
Motor in Teillast und gibt weniger Abwärme ab, dann nimmt damit auch die
Leistung des ORC-Moduls etwa linear ab. Die Steigung und Lage dieser Charakteristik kann durch konstruktive Änderungen beeinflusst werden. Der Wirkungsgrad des ORC-Moduls ändert sich daher mit dem Betriebspunkt der Anlagenkombination Motor+ORC.
Ein an einen Motor angeschlossener NT-ORC-Prozess kann zukünftig zum Ende
einer kontinuierlichen Entwicklung und Optimierung bis etwa 10% elektrischen Wirkungsgrad erreichen, ein HT-ORC-Prozess bis etwa 25%. Perspektivisch kann die Einheit Motor+ORC dann Wirkungsgrade wie in Großkraftwerken erzielen. Doch heute ist die Entwicklung noch nicht abgeschlossen und
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Nutzer von ORC-Anlagen müssen sich noch mit geringeren Wirkungsgraden
begnügen.
Werden moderne Hochleistungsmotoren eingesetzt, die noch nicht Marktstandard sind und elektrische Wirkungsgrade von 44 bis 46 % aufweisen können,
so kann der Gesamtwirkungsrad der Motorenanlage durch Nutzung einer
nachgeschalteten ORC-Anlage bis auf 47-49 % gesteigert werden. Damit wird
die Vision eines dezentralen MuD-Prozesses (Motoren und DampfkraftanlagenProzess) mit Wirkungsgraden bis 50 % nahezu erreichbar. Mit marktverfügbarer, dezentraler Technik und im Falle der Biogasmotoren sogar Verstromung
eines erneuerbaren Brennstoffs wären dann bald Wirkungsgrade wie bei der
effizienten Verstromung von fossilen Brennstoffen in Großkraftwerken greifbar. MAN Diesel belegt dies in einer anderen Motorengrößenklasse für MAN
B&W Pflanzenöl-Großmotoren der 6,5 MWel-Klasse mit ORC-Prozessen von
etwa 500 kWel, ORC (in dem britischen Blue-NG-Projekt werden 48,9 % GesamtWirkungsgrad angestrebt) 3.
Zum Nachweis der grundlegenden sicherheitstechnischen Eignung müssen ORC-Module in der Regel vom Hersteller nach der Europäischen Druckgeräterichtlinie CE-zertifiziert werden. Der ausgelieferten Anlagendokumentation
ist das TÜV-CE-Zertifikat und die Konformitätserklärung des Herstellers beizufügen. Die Pflichten des Betreibers bestehen im ordnungsgemäßen Anschluss
und Betrieb der Anlagen vor Ort und in der Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit durch technische und organisatorische Maßnahmen sowie in der
Durchführung ggf. notwendiger wiederkehrenden Prüfungen. Konkretisiert
werden diese Pflichten im Geräte- und Produktionssicherheitsgesetz (GPSG)
sowie nachgeordnet in der Druckgeräteverordnung und in der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV). Der Betreiber muss die vorhandene Gefährdungsbeurteilung für den Standort um die Berücksichtigung des ORC ergänzen,
technische und organisatorische Maßnehmen und Prüffristen festlegen und
ggf. auch das Explosionsschutzdokument erweitern. Hierbei sind die standortspezifischen Gegebenheiten zu berücksichtigen.
Mittels ORC-Prozessen kann die ungenutzte BHKW-Abwärme zu Strom umgewandelt werden. Dies gilt nicht nur für Biogasmotoren, sondern für BHKW
ganz allgemein, wobei Biogasmotoren allerdings einen hervorragend geeigneten Einstiegsmarkt für eine derartige Abwärmenachverstromungstechnologie
darstellen, da hier besonders hohe Marktpreise bei der Markteinführung der
Technologie anlegbar sind (vgl. Abbildung 19).
3
Presse-Information MAN Aktiengesellschaft, 04.11.2008 und 02.12.2009: Technologie von MAN Diesel für umweltfreundlichen
Strom in London
http://www.man.de/MAN-Downloadgalleries/All/2Presse/Pressemeldungen/2008/081104_MD_Kraftwerk_London_D.pdf
http://mandieselturbo.com/files/news/filesof11412/Green%20energy%20in%20London%20with%20MAN%20BW%20engines.
pdf
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
65
Zusätzliche Stromerzeugung aus ungenutzter Abgas- und Motorwärme der Biogasmotoren erhöht den Wirkungsgrad der Stromerzeugung aus Biogas erheblich (50 % Gesamtwirkungsgrad bei BHKW perspektivisch erreichbar, damit
Gesamtwirkungsgrad wie bei Großkraftwerken!) und verschafft dem Biogasanlagenbetreiber zusätzliche Einnahmen aus gesetzlich festgelegter Stromeinspeisevergütung. Das Marktinteresse ist deshalb erheblich, vgl. z. B. Fachkonferenzen des Fachverbandes Biogas4 – ohne dass bisher tatsächlich eine geeignete
Technologie weite Verbreitung gefunden hat.
Die große Marktnachfrage wird auch durch die geradezu explodierende Anzahl
von Entwicklern und Technologie- und Geschäftsmodellanbietern aufgezeigt,
die versuchen hier einen profitablen Markteinstieg zu finden. Viele dieser
Marktakteure betreiben selbst allerdings bei konkreter Nachfrage keine eigene
Prozessentwicklung, sondern setzen verfügbare ORC-Prozesse oder auch funktionierende Expansionsmaschinen voraus, die von Dritten bezogen werden sollen und noch nicht ausreichend erprobt sind.
1.4.5
Patentsituation
Eine Vielzahl der Grundlagen und Erfindungen wurden bereits vor 30 Jahren
erforscht bzw. publiziert. Ein umfangreiches Werk stellt beispielsweise die Arbeit von Huppmann et al aus dem Jahr 1985 [Huppmann, 1985] dar. Darin
werden die wesentlichen Grundlagen über Berechnung, Auslegung, Konstruktion und Aufbau von ORC-Prozessen gelegt. In dieser Zeit hat sich auch in Italien eine Forschungsgruppe um Prof. Mario Gaia mit ähnlichen Frage- und
Problemstellungen beschäftigt. Mit diesem Wissen wurde 1980 die Firma Turboden s.r.l. gegründet, die dann durch verschiedene Einzelprojekte Erfahrung
in unterschiedlichem Leistungs- (>350 kWel) und Temperaturbereich sammelte.
Ormat Industries Ltd. blickt auf eine Firmengeschichte seit 1965 zurück. GMK
GmbH übernahm u.a. Aktivitäten der insolventen GET Gesellschaft für Energietechnik mbH. Weitere Firmen wie Adoratec GmbH, LTi Adaturb GmbH,
Freepower Ltd., Tri-O-gen B.V., Bosch KWK Systeme GmbH und Conpower
Technik sind erst in den letzten Jahren aktiv im ORC-Bereich tätig geworden.
Die nachfolgende Patentrecherche soll einen Überblick über aktuelle Patente
geben. Jedoch kann diese Kurzfassung, aufgrund der hohen Anzahl an Patenten, nicht den Anspruch auf Vollständigkeit und Richtigkeit erfüllen. Es wurde
eine Einteilung nach folgenden Oberpunkten vorgenommen:
Anlagenverschaltung
Wärmetauscher
Fluide
4
http://www.fachverband-biogas.de/
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Schmierung
Turbine
Lagerung
Generator
Dichtung
Während des Projektes wurde in regelmäßigen Abständen ein kurzes PatentScreening durchgeführt und eine regelmäßige Neubewertung der Patente vorgenommen.
Die Patentstrategie von Fraunhofer UMSICHT und des Vermarktungspartners
Dürr Cyplan Ltd. bestand in
der Nutzung der Inhalte von Altveröffentlichungen (insbes. [Huppmann, 1985], [Larjola, 1989])
der Vermeidung von Patentverletzungen gültiger Patente,
der Patentierung einiger Entwicklungsdetails durch Dürr Cyplan, u.a.
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–
WO2007088194A2 Organic Rankine Cycle (ORC) Turbogenerator
–
DE102007008609A1 ORC-System für
Verbrennungsmotoren
–
DE102007044625A1 Turbine zum Einsatz in ORC-Kreisprozessen
–
DE102009011847A1 Verdampfersystem
für Rauchgase in ORC-Kreisprozessen
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Tabelle 3:
30. April 2013
ORC-Patente verschiedener Hersteller
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Abschlussbericht
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1.5
ORC-Turbinen
Großen Einfluss auf das ORC-Prozesskonzept hat die eingesetzte Kraftmaschine (Expansionsmaschine), damit verbunden ihr Arbeitsprinzip, die verarbeitbare Enthalpiedifferenz, das Lagerkonzept, das Kühlkonzept, das Schmierkonzept (soweit erforderlich), aufgrund des brennbaren Arbeitsmediums das
Dichtkonzept und die Art der elektrischen Ankopplung an das Netz.
Die entsprechenden Kraftmaschinen sind im angestrebten Leistungsbereich
nicht am Markt verfügbar. Die meisten Entwickler arbeiten daher mit
umgedrehten und modifizierten Kältemittelkompressoren (ScrollExpander aus umgebauten Klimaanlagenkompressoren, Turboexpander als Reaktionsturbinen aus umgedrehten Kältemittelkompressoren,
Schraubenexpander aus umgedrehten Schraubenkompressoren, …),
modifizierten Druckluft-Arbeitsmaschinen (Wälzkolbenexpander, Flügelzellenmotoren, Kolbenmaschinen, …) und
modifizierten Wasserdampfturbinen oder Erdgasentspannungsturbinen.
Es hat sich bei zurückliegenden ORC-Prozessentwicklungen gezeigt, dass modifizierte Expansionsaggregate, die auch noch für andere Einsatzmedien
und Einsatzzwecke konzipiert wurden, suboptimal betrieben werden und meist
nicht zu erfolgreichen Entwicklungen geführt haben, auch wenn die Kostensituation in allen Fällen zunächst für die Modifizierung marktgängiger Maschinen
sprach.
Abbildung 25:
Kraftmaschinen (Expansionsmaschinen)
für ORC-Prozesse
Fraunhofer UMSICHT nutzt deshalb bisher ebenso wie die erfolgreichen Marktakteure im größeren Leistungsbereich speziell für den Einsatz in ORC-
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
73
Prozessen in Kooperation mit E&P Turbo Ltd. konstruierte und erprobte Turbinen. Es handelt sich um Turbinen mit einigen konstruktiven Besonderheiten,
die bei Effizienz, Wartung und Betrieb Vorteile verschaffen. Die Turbinen bedürfen aufgrund der verwendeten Arbeitsfluide einer besonders sorgfältigen
Optimierung der Düsen-, Laufrad- und Auslaufgeometrie.
Die Netzanbindung und Frequenzregelung von Kraftmaschinen für kleine ORCAnlagen wird entweder durch direkt netzgekoppelte Generatoren mit fester
Drehzahl und einem dann ggf. nötigen Getriebe oder mittels drehzahlvariabler
Kraftmaschine in Verbindung mit elektronischen Frequenzumrichtern realisiert.
Lagerung, Kühlung und Schmierung sind verbundene Merkmale der Arbeitsmaschinen. Für die Lagerung werden fast ausnahmslos Wälzlager, Gleitlager, in
Einzelfällen auch Magnetlager eingesetzt. Wälzlager sind hinsichtlich der zulässigen Drehzahlen beschränkt, zwar für einige modifizierte Kraftmaschinen,
aber nicht für relativ kleine, hochtourige Turbomaschinen einsetzbar. Magnetlager machen zwar u. U. den Verzicht auf ein Schmiersystem möglich, verursachen dann aber Probleme bei der Wärmeabfuhr vom Rotor (mit temperaturempfindlichen Magneten), Wirbelstromverluste und erfordern Zusatzeinrichtungen zur Absicherung des Schwarzfalls (zusammenbrechendes Versorgungsnetz). Gleitlager sind eine konventionelle, damit preiswerte, betriebssichere
und langlebige Technik, benötigen aber Schmierung/Kühlung.
Wegen der zentralen Bedeutung der Turbinentechnik für die Prozesseffizienz
soll im Folgenden kurz auf wesentliche Grundlagen der eingesetzten Turbinentechnik eingegangen werden.
Strömung in Laval-Düsen
Um ein Gas auf hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, muss das Leitradprofil einer Turbine als Laval-Düse ausgeführt werden (siehe Abbildung 26).
Das Gas gelangt in den konvergenten Teil der Düse und wird bis zum engsten
Querschnitt beschleunigt. Im divergenten Teil findet eine weitere Beschleunigung statt.
In Turbinenströmungen können verlustbehaftete Verdichtungsstöße auftreten.
Damit im divergenten Teil der Laval-Düse keine Verdichtungsstöße entstehen
und das Strömungsprofil am Austritt der Düse möglichst gleichmäßig ist, wird
die Kontur des divergenten Teils der Düse meist mit dem Charakteristikenverfahren ausgelegt (siehe [Liepmann, 2001] oder [Zucrow, 1976]). Hierbei wird
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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die isentrope, drehungsfreie Potentialgleichung analytisch entlang den Charakteristiken des Strömungsfeldes gelöst und darüber die Geometrie berechnet.
Abbildung 26:
Typisches LavalDüsenprofil, Quelle:
[Harinck, 2009], Indizierung in Abbildung:
t: Throat (engster
Querschnitt), 2: Austrittsquerschnitt
Abbildung 27:
Strömungswirkungsgrad einer Laval-Düse
in Abhängigkeit des
Druckverhältnisses,
Quelle: [Verdonk,
1987]
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
75
Der Wirkungsgrad von Laval-Düsen hängt stark vom Druckverhältnis der Düse
ab. [Verdonk, 1987] hat den Strömungswirkungsgrad einer schräg angestellten
Laval-Düse für eine axiale Überschallturbine in Abhängigkeit des Druckverhältnisses experimentell bestimmt (siehe Abbildung 27). Für die Düse wurden maximale Strömungswirkungsgrade von 0,85 bei einem Druckverhältnis von π
=160 gemessen. Wird das Druckverhältnis gesenkt oder erhöht hat dieses einen erheblichen Abfall des Wirkungsgrades zu Folge (π =60: η’=0,745, π
=230: η’=0,82).
Es kann zusammengefasst werden, dass durch einen nicht angepassten Gegendruck sowohl verlustbehaftete Verdichtungsstöße als auch eine Strahlablenkung auftreten können. Eine zweidimensionale analytische Berechnungsmöglichkeit der Strahlablenkung und der Verluste gibt [Traupel, 1956]
für ideale Gase und axial schräg angestellte Laval-Düsen an. Als Berechnungsgrundlage dienen die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie.
Eine Besonderheit bei Laufradprofilen, welche mit Überschallgeschwindigkeit
angeströmt werden wobei die Meridiankomponente der Strömung im subsonischen Bereich liegt ist, dass der Anströmwinkel des Laufrades nur von der
Machzahl am Eintritt des Profils (Relativsystem) und der Geometrie der Saugseite abhängt. Dieser Zusammenhang wurde zuerst von [Kantrowitz, 1945] beschrieben und wird ’Unique Incidence’ genannt. Einen umfassenden Überblick
über dieses Strömungsphänomen in axialen Gittern geben u. a. [Lichtfuss,
1974] und [Stratford, 1959].
Da demnach der Anströmwinkel von Überschalllaufrädern nur durch die Machzahl und die Geometrie der Saugseite festgelegt ist, liegt somit der Abströmwinkel der Laval-Düse und somit der Druck am Austritt der Düse durch den
’Unique Incidence’ fest.
Daraus resultieren nach [Horlock, 1966] verschiedene möglichen Strömungsverhältnisse
und eine Variation der Drehzahl führt zu unterschiedlichen Strömungsverhältnissen am Austritt der Düse und führt dort ggf. zum Auftreten von Verdichtungsstöße am Austritt der Laval-Düse auf, wodurch der Wirkungsgrad abfällt
Strömung in Überschalllaufrädern
Um die Strömungsverluste im Laufrad von axialen Überschallturbinen gering zu
halten, wurden Designmethoden u. a. von [Boxer, 1952] und darauf aufbauend von [Stratford, 1960], [Goldman, 1968a+b], [Goldman 1972] sowie von
[Colclough, 1966a+b] entwickelt. Das Ziel dieser Methoden besteht darin, eine
Strömung im Profil zu erhalten, die durchgehend im Überschall stattfindet. Die
Profile sollten also so konstruiert sein, dass keine geraden Stöße im Laufrad
auftreten. Der Ansatz der Designmethoden besteht darin, dass die Strömung
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
76
im Laufrad wie ein Potentialwirbel umgelenkt werden soll. Ein typisches Laufradprofil ist in Abbildung 28 dargestellt.
Abbildung 28:
Laufradprofil einer
axialen Überschallturbine, Quelle: [Goldman, 1968]
Abbildung 29:
Laufradprofil einer
axialen Überschallturbine mit Kontraktion,
Quelle [Verneau,
1987]
Die Schaufelprofile bestehen im Wesentlichen aus zwei konzentrischen Kreisen
(AA und CC) zwischen denen sich der Potentialwirbel ausprägen kann. Weiterhin sind zwei Übergangspassagen vorhanden (AB und CD). B und D verbindet
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
77
eine gerade Linie, um die eintretende Strömung in die Passage zu leiten. Damit
im gesamten Laufradprofil Überschallgeschwindigkeit herrschen kann, muss
die Strömung „gestartet” sein. Das Starten von Überschallströmungen wurde
u. a. von [Lichtfuss, 1974] sowie [Starken, 1971] untersucht. Eine ungestartete
Strömung kann dann entstehen, wenn im Gitterkanal ein engerer Querschnitt
vorhanden ist, als am Eintritt des Gitters. In Abbildung 29 ist exemplarisch ein
solches Gitter dargestellt.
In [Tanaka, 1982] und [Tanaka, 1984] wurde systematisch die Strömung in axialen Überschalllaufradprofilen in einem Gitterprüfstand untersucht, wobei die
Design-Methode von [Colclough, 1966a] und [Colclough, 1966b] angewendet
wurde. Als Strömungsmedium wurde Luft gewählt. Es wurden die Druckverteilung auf Druck- und Saugseite der Profile gemessen sowie Schlierenaufnahmen
gemacht. Dabei war an Druckmessungen zu erkennen, dass sich die Grenzschicht auf der Saugseite durch die Interaktion mit einem Verdichtungsstoß ablöst. Es wird angegeben, dass durch eine Vergrößerung des Teilungsverhältnisses c/s auf 3,3 eine Ablösung vermieden werden kann. Dieses Verhältnis ist fast
doppelt so groß wie das optimale Teilungsverhältnis von Unterschalllaufrädern.
Vergleichbare Hinweise sind auch in [Traupel, 2001] angegeben. Eine Untersuchung zum Einfluss der Vorderkantendicke auf die Verluste in der Strömung
zeigte, dass die Verluste mit dicker werdender Vorderkante rapide zunehmen.
Abbildung 30:
Schlierenaufnahme der
Strömung im Profil mit
konstanter Passagenbreite, Quelle: [Stratford, 1960]
Abbildung 31:
Schlierenaufnahme der
Strömung im optimierten Profil, Quelle:
[Stratford, 1960]
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Feldversuch ORC
78
[Stratford, 1960] führte mit Luft als Medium ebenfalls Gitterversuche mit axialen Überschallprofilen durch. Zunächst wurde die Strömung in spitzen Laufradprofilen mit konstanter Passagenbreite untersucht. Bei einer Machzahl von 1,9
wurde ein Strömungswirkungsgrad von 0,86 gemessen. Auch in diesem Versuch wurde eine Ablösung auf der Saugseite des Profils festgestellt (vgl. Abbildung 30). Durch die Anwendung eines ähnlichen Design-Konzeptes wie bei
von [Colclough, 1966a] und [Colclough, 1966b], wobei zusätzlich eine Kontraktion im Schaufelkanal realisiert wurde, konnte die Ablösung vermieden und
der Strömungswirkungsgrad auf 0,90 gesteigert werden (vgl. Abbildung 31).
Axiale Überschallturbinen
Aufbauend auf den Erkenntnissen der Gitterversuche wurden axiale Überschallturbinen u.a. von [Verneau, 1987] und [Kurzrock, 1989] konstruiert und
vermessen.
[Verneau, 1987] hat insgesamt vier axial durchströmte Überschallturbinen für
ORC Anwendungen in der Größenordnung von 3 bis 1300 kW untersucht. Die
Berechnung der Profilform von Laval-Düse und Laufrad erfolgte zunächst mit
einem Charakteristikenverfahren und anschließend mit einer Grenzschichtrechnung. Da es bei überschallangeströmten Impulslaufrädern zu Ablösungen
kommen kann, wurden die Laufräder mit einem geringen Reaktionsgrad konstruiert. Dies wurde durch eine Steigung der Höhe des Profils realisiert. Hierdurch wird die Strömung im Laufrad beschleunigt und die Gefahr einer Grenzschichtablösung somit verringert. Dem Kennfeld (Abbildung 32) der einstufigen
vollbeaufschlagten Turbine ist zu entnehmen, dass ein Gesamtwirkungsgrad
von bis zu 0,78 erreicht wird.
Abbildung 32:
Kennfeld einer vermessenen vollbeaufschlagten axialen
Überschallturbine
[Verneau, 1987]
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Feldversuch ORC
79
[Verdonk, 1987] hat Vorversuche für eine einstufige vollbeaufschlagte axiale
Überschallturbine mit einem Druckverhältnis von π=200 und einer Leistung von
1,2 MW mit dem Arbeitsmedium Wasser untersucht. Die Berechnung der Profilform der Laval-Düse ähnelt dem Verfahren von [Verneau, 1987]. Bei den Vorversuchen wurden Düsen- und Laufradwirkungsgrad separat bestimmt. Der
Verlauf des Strömungswirkungsgrades der Laval-Düse über das Druckverhältnis
ist in Abbildung 27 dargestellt. Für das Laufrad wurde für einen Reaktionsgrad
von Null ein Strömungswirkungsgrad von 0,67 gemessen. Wird der Reaktionsgrad erhöht, so steigt der Wirkungsgrad des Laufrads auf bis zu 0,85. Für den
Auslegungspunkt der Turbine wird ein isentroper Gesamtwirkungsgrad von
0,649 berechnet.
[Kurzrock, 1989] hat einstufige vollbeaufschlagte axiale Überschallturbinen untersucht. Es wurden insgesamt vier verschiedene Düsenprofile und zwei verschiedene Laufradprofile miteinander kombiniert und das Druckverhältnis und
die Drehzahl variiert. Als Arbeitsmittel wurde CO2 gewählt. Es wurden drei achsensymmetrische Laval-Düsemn mit elliptischem Austritt und eine zweidimensionale mit rechteckigem Austritt konstruiert. Das erste Laufradprofil wurde mit
konstanter Passagenbreite und das zweite mit einer Kontraktion in der Passage
gefertigt. Hierbei wurde auf das Verfahren von [Goldman, 1968a], [Goldman,
1968b], [Goldman, 1972] zurückgegriffen. Für das Laufradprofil mit konstanter
Passagenbreite wurde ein maximaler Gesamtwirkungsgrad von 0,76 in Verbindung mit dem zweidimensionalen Düsenprofil gemessen. Mit dem gleichen
Düsenprofil wurde unter Verwendung des Laufradprofils mit Kontraktion ein
maximaler Gesamtwirkungsgrad von 0,77 gemessen. Aus diesem Ergebnis
wurde geschlossen, dass eine Kontraktion keinen großen Effekt auf den Wirkungsgrad der Turbine hat.
Radiale Überschallturbinen
Die Literaturrecherche hat ergeben, dass bisher keine zentripetal durchströmte
Überschallturbine untersucht wurde, welche voll beaufschlagt wird und in welcher die Relativgeschwindigkeit am Laufradeintritt im Überschall liegt. Allerdings gibt es Ausführungen von radialen Turbinen die zumindest in einigen Bereichen strömungsmechanisch ähnlich sind.
In [Buijtenen, 2003] wird über die Entwicklung und Simulation einer radialen
Überschallturbine berichtet. Als Arbeitsmedium wurde Toluol verwendet. Bei
der Auslegung wurde darauf geachtet, dass die Relativströmung am Laufradeintritt im Unterschallbereich liegt. Weiterhin wurde ein Reaktionsgrad von ca.
0,25 realisiert. Dies hat zur Folge, dass kein Verdichtungsstoß am Eintritt des
Laufrades entsteht. Der simulierte Wirkungsgrad der Turbine wird mit ca. 0,81
angegeben. Allerdings wird auch erwähnt, dass ein nicht unerheblicher Fehler
bei der Bestimmung des Wirkungsgrades durch die Wahl der Zustandsgleichung möglich ist.
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Feldversuch ORC
80
In [Cho, 2010] wurde eine dreistufige teilbeaufschlagte radiale Überschallturbine experimentell und numerisch untersucht. Als Arbeitsmedium wurde Luft
gewählt. Es wurde im Experiment ein maximaler Wirkungsgrad von 0,39 gemessen. Aufgrund der partiellen Beaufschlagung der Laufräder entstehen in
der Turbine zusätzliche Ventilationsverluste.
Numerische Strömungssimulationen von Überschallturbinen
[Xiao, 2009] hat die Freistrahl-Strömung in einer Laval-Düse numerisch und experimentell untersucht. Ein Vergleich zwischen Experiment und Simulation
zeigte, dass das SST-Turbulenzmodell die Strömung und insbesondere die Ablösung aufgrund eines nicht angepassten Druckverhältnisses am besten wiedergibt.
Zu der Real-Gas Strömung in radialen schräg anstellten Laval-Düsen existieren
numerische Untersuchungen, die teilweise mit Experimenten verglichen wurden ([Hoffren, 2002], [Turunen-Saaresti, 2006], [Harinck, 2009]). In den genannten Artikeln wurde das gleiche schräg angestellte Laval-Düsenprofil untersucht. Als Medium wurde Toluol verwendet. Es wurden unterschiedliche Solver
benutzt: Fluent, Finflo und zFlow weiterhin Stoffdaten unterschiedlicher Quelle
und mit unterschiedlicher Einbindung. Als Ergebnis aus den drei Artikeln kann
festgehalten werden, dass die richtige Auswahl der Zustandsgleichung und des
Solvers einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der numerischen Simulation hat, wenngleich sie keine Empfehlung für einen Solver oder eine Zustandsgleichung liefern.
In [Hefazi, 1995] und [Hefazi, 1996] wurde die Strömung in axialen Überschalllaufradprofilen numerisch untersucht. In [Hefazi, 1995] wurden zunächst die
Laufradprofile aus den Experimenten von [Tanaka, 1982] und [Tanaka, 1984]
nachsimuliert und die simulierten Ergebnisse mit den experimentellen Messwerten verglichen. Es wurde der Solver Rvcq3d (Rotor Viscous Code Quasi-3-D)
verwendet. Als Turbulenzmodell diente das Johnson King Modell. Ein Vergleich
zwischen Messwerten und numerischen Ergebnissen zeigte gute Übereinstimmung. In [Hefazi, 1996] wurden anschließend einige „numerische Experimente“ durchgeführt, wobei der Einfluss der Vorderkantendicke, der Teilung und
des Umlenkungswinkels untersucht wurde. Die Ergebnisse sind ähnlich zu den
experimentellen Ergebnissen von [Tanaka, 1982] und [Tanaka, 1984].
[Rashid, 2006] ist in seinem Artikel der Frage nachgegangen, wieso die Wirkungsgrad-Berechnung bei der Auslegung von Curtis Rädern ungenauer ist, als
bei anderen Turbinenarten. Als Ursache machen sie die komplizierte Rotor/Stator Interaktion aufgrund des „Unique Incidence“ in Überschalllaufrädern
aus. In dem Artikel werden sowohl experimentelle Untersuchungen an einem
Curtis Rad als auch numerische Simulationen des ersten Laufrades durchgeführt. Für die numerische Simulation wurde der Solver TURBO mit dem k-εTurbulenzmodell verwendet. Die Simulationsergebnisse zeigen eine großflächi-
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Feldversuch ORC
81
ge Ablösung auf der Saugseite des Profils (vgl. Abbildung 33). Ein Vergleich
zwischen der simulierten Ablösestelle mit Schmutzrückständen auf dem im Experiment getesteten Laufrad zeigt eine gute Übereinstimmung.
Abbildung 33:
Simulationsergebnisse
der Laufradströmung
von [Rashid, 2006]
[Griffin, 2000] hat durch den Vergleich von Experiment und Strömungssimulation einer axialen Überschallturbine gezeigt, dass es für das Simulationsergebnis entscheidend ist, dass alle Komponenten der Turbine (Leit- und Laufrad)
gekoppelt simuliert werden müssen. Erst durch die Kopplung wird gute Übereinstimmung zwischen Experiment und numerischer Simulation erzielt. Dies ist
aufgrund der zuvor genannten starken Rotor/Stator Interaktion nachvollziehbar.
In [Cho, 2010] wurde ein zentripetal durchströmtes, teilbeaufschlagtes, dreistufiges Curtis Rad mit dem SST-Modell simuliert und mit Messwerten verglichen.
Der Vergleich zeigt, dass durch die numerische Simulation mit dem SST-Modell
das Drehmoment der Turbine auf 5 % genau berechnet wurde.
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Feldversuch ORC
82
1.6
Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Im Rahmen des Projektes erfolgte eine intensive Zusammenarbeit der
Projektpartner untereinander.
Weiterhin spielte der Informationsaustausch mit den beteiligten Zulieferfirmen für Elemente der ORC-Module eine wesentliche Rolle für das
Gelingen des Projektes.
Darüber hinaus wurden Kontakte zu folgenden Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen gepflegt:
1. Informationsaustausch mit Prof. Stoff bzgl. Turbomaschinen, Lehrstuhl für Fluidenergiemaschinen (FLEM), Ruhr-Universität-Bochum
2. Informationsaustausch mit Prof. Scherer bezüglich Kreisprozessen
und CFD Simulation, Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT), Ruhr-Universität-Bochum
3. Informationsaustausch mit Prof. Span bezüglich Stoffdaten und Solar-ORC, Lehrstuhl für Thermodynamik (THERMO), RuhrUniversität-Bochum
4. Versuche an der Magnetschwebewaage zur Vermessung von
Dampfdichten, Lehrstuhl für Verfahrenstechnische Transportprozesse, Prof. Weidner, Ruhr-Universität-Bochum
5. Vermessung der Silikonöl-Dichte in der Flüssigkeit, Dr. Ihmels, LTP
GmbH, Oldenburg
6. Zustandsgleichungen für Kohlenwasserstoffe, National Institute of
Standards and Technology (NIST)
7. FluidEXL Stoffwertbibliothek, Prof. Kretzschmar, Hochschule
Zittau/Görlitz
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Feldversuch ORC
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2
Darstellung des Projektverlaufs
Grundsätzlich folgte die Abwicklung des Vorhabens dem in Abbildung 3 dargestellten Verlauf. Die im Projekt entstandenen ORC-Module mussten für eine
ganze Reihe von Standorten konzipiert werden und parallel dazu auch die
Entwicklung und Verbesserung vorangetrieben werden.
Nach Installation der ersten ORC-Module traten notwendige Inbetriebnahmeund Optimierungsarbeiten sowie Troubleshooting an den laufenden Anlagen
und damit auch ein erheblicher Aufwand wenig verschiebbarer und dringlicher
Arbeiten hinzu. Damit waren letztlich sehr viele Vorgänge zeitparallel bzw. nur
wenig zeitverschoben zueinander zu bewältigen.
Der Zeitverzug in einigen Feldanlagenprojekten (vgl. Ziffer 1.3.2) führte auch
zu einem gehäuften Arbeitsanfall im letzten Bearbeitungsjahr des Projektes
und machte Arbeiten zum Abschluss des Bearbeitungsumfanges noch bis zu 6
Monate nach Projektende nötig. Letztlich sind aber alle vereinbarten Aufgaben
bewältigt worden.
2.1
Erzielte Ergebnisse
2.1.1
Welche Art ORC-Auslegung für einen bestimmten Biogasmotor?
Zur grundsätzlichen Entscheidung zwischen der Ausführung eines ORCProzesses in Hochtemperatur- bzw. Niedertemperatur-Ausführung ist zunächst
das versorgungstechnische, energiewirtschaftliche und rechtliche Anwendungsumfeld zu berücksichtigen.
Es geht vorrangig um die Verstromung nicht benötigter Abwärme von Motoren, vor allem an Biogasanlagen. Hierbei ist zuerst mit dem Betreiber zu klären,
wie viel Abwärme zur Verstromung tatsächlich verfügbar ist. Zusätzlich liegen
bei einer schon teilweise ausgebauten Abwärmenutzung hierzu oft keine exakten Informationen vor, da die Wärmeabgabe an die Fermenterheizung oder an
angeschlossene Trocknungsprozesse oft nicht exakt gemessen wird. Selbst die
meist noch verfügbaren Energiebilanzen der Motoren sind mit Vorsicht zu verwenden. Gerade die Angaben der primären Wärmeleistung des Motors sind
vorab mit Ungenauigkeiten von meist 5-8 % der angegebenen Wärmeabgabe
versehen. Diese bezieht sich zudem auf eine fiktive, real meist aber nicht vorliegende Biogaszusammensetzung und Wärmeverluste beim Wärmetransport
vom Motor zum ORC-Modul sind natürlich hier nicht berücksichtigt.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
84
Dann kann im Rahmen des berücksichtigten ORC-Modulprogramms entschieden werden, mit welchem Modul unter Berücksichtigung der Modulinvestitionskosten, des sich ergebenden Betriebsbereiches dieses ORC-Modules mit
dem Betriebsbereich des Motors am Standort, des erzeugten Stroms sowie des
benötigten Eigenbedarfes die wirtschaftlich interessantesten Verhältnisse getroffen werden. Eine genauere Bezifferung der Systemintegrationskosten kann
dabei erst erfolgen, wenn die Systemintegration ansatzweise durchgeplant ist.
Die genauen Kosten der Systemintegration im Rahmen dieses Vorhabens werden in Tabelle 9 wiedergegeben. Als grobe Schätzwerte für die Systemintegrationskosten eines HT-ORC-Prozess können nach den Erfahrungen des Vorhabens ca. 13-23 % für die 100 kW und ca. 25-35 % für die 50 kW Module veranschlagt werden. Bei einem NT-ORC-Prozess ist mit Systemintegrationskosten
von 30-40 % zu kalkulieren. Dabei werden „normale“ Aufstellungsverhältnisse
angesetzt. Im Rahmen des Vorhabens wurden bedingt durch örtliche Gegebenheiten aber auch drei sehr teure Aufstellungen vor Ort (auf Stahlplattformen oberhalb von Containeranlagen bzw. über Dach eines Gebäudes) ausgeführt, bei denen die Systemintegrationskosten diesen Rahmen deutlich sprengen.
Vergleicht man NT- und HT-ORC-Prozesse so gibt es vier wichtige Unterscheidungsmerkmale im Hinblick auf die Anwendung an Biogasmotoren:
HT-ORC-Prozesse nutzen nur die Abgaswärme und sind regelungstechnisch einfach einzubinden,
NT-ORC-Prozesse nutzen die Motorwärme und ggf. die Abgaswärme
und sind regelungstechnisch wesentlich aufwendiger in bereits vorhandene Einrichtungen zur Wärmenutzung einzubinden,
NT-ORC-Prozesse haben deutlich schlechtere Wirkungsgrade als HTORC-Prozesse und
die Abwärme der HT-ORC-Prozesse (hier: ca. 80-85 % der zugeführten Wärme) lässt sich bei geeigneter Ausführung der HT-ORC-Module
noch nutzbar machen, die der NT-ORC-Prozesse (hier mehr als 90 %
der zugeführten Wärme) i. d. R. nicht.
Meist liegt an vielen Biogasanlagen ein nur in engen Bereichen schwankender
Motorbetriebszustand über den Jahresverlauf vor. Die Biogas-Verbrennungsmotoren werden zwar bei kleineren Störungen oder schlechter und schwankender Gasqualität in Teillast (50-95 %) betrieben, jedoch erreicht eine Großzahl die Motoren Volllaststundenzahlen von über 8000 h/a.
Die Abgaswärmeleistung der Motoren ist à priori nur aus Datenblättern bekannt. Der reale Zustand weicht demgegenüber mehr oder weniger ab. Die
Abgaseintrittstemperaturen schwanken je nach Motorenhersteller und Effizienz
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Feldversuch ORC
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von 430-530 °C. Um das ORC-Modul optimal für den Anwendungsfall auszulegen und zu optimieren, waren im Rahmen dieses Vorhabens meist Anpassungen am engsten Querschnitt der Düsen der ORC-Turbine nötig, um den
gewünschten Druck und Massenstrom des ORC-Prozesses bei Volllast des Motors zu erreichen. Die Auslegung der Wärmeaustauscher war in allen Fällen gut
an die angetroffenen Verhältnisse angepasst. Lediglich eine Aufstellung eines
Rückkühlers oberhalb der Kühlwasserkühler eines BHKW führte aufgrund von
relativ hohen Umgebungslufttemperaturen zu schlechten Kühlverhältnissen der
betroffenen ORC-Anlage. Wird das Motoren-Modul nach einiger Betriebszeit
ausgetauscht, so sind hier unter Umständen erneut Anpassungen nötig um die
ORC-Anlage weiter im optimalen Bereich zu betreiben. Aus exergetischen
Gründen ist bei einer Abgaswärmequelle ein HT-ORC vorzuziehen. Dabei können schon heute Netto-Wirkungsgrade von über 18 % erreicht werden.
Bei der zur Verfügung stehenden Kühlwasserwärme empfiehlt es sich detaillierte Wärmemengenmessungen über einen längeren Zeitraum durchzuführen um
aussagekräftige und belastbare Basisdaten zu bekommen. In der Praxis hat sich
gezeigt, dass diese Daten bei vielen Betreibern als auch Herstellern nicht bekannt sind. Des Weiteren ist zu beachten, dass es Anlagen gibt, die nahezu die
komplette Kühlwasserwärme für die Eigenversorgung benötigen und in diesem
Fall eine Integration eines NT-ORC-Prozesses keinen Sinn macht. So gilt es bei
der Bestandsaufnahme des Wärmenetzes die Wärmeleistung als auch die Temperaturen im Jahresverlauf zu betrachten. Typische Kühlwasservorlauftemperaturen liegen bei ca. 85 °C und haben eine Spreizung von 10 – 15 K.
Der Verrechnungswert des vom ORC erzeugten Stromes ist von grundlegender
Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit des Anlagenbetriebs und der getätigten
Investition. Es ist ein grundsätzlicher Unterschied, ob der Strom zur Eigenbedarfsdeckung eingesetzt werden soll oder ob er nach KWK-Gesetz oder EEG
eingespeist werden soll. Auf die bestehenden Varianten bei der Einspeisung
nach EEG wurde oben bereits hingewiesen (Ziffer 1.4.3). Gespiegelt an den
Randbedingungen vor Ort (vorhandene Motorenanlage, ggf. Zeitpunkt der Errichtung, Wärmebedarf, Anschluss- und Aufstellungsmöglichkeiten) spannt
sich damit ein großer Bogen technischer und wirtschaftlicher Varianten auf, der
projektspezifisch zu sortieren und zu bewerten ist.
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Feldversuch ORC
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2.1.2
Komponentenbeschreibung mit prozess- und sicherheitstechnischen Anforderungen an die Anbindung eines ORC-Prozesses an
Biogasmotoren
Prozesskonzept
Die wesentlichen prozesstechnischen Komponenten für einen HT-ORC-Prozess
sind Rohrleitungen, Wärmetauscher, Turbine, Pumpen, Armaturen und Dichtungen. Alle arbeitsfluidbenetzten Komponenten sollen für das ausgewählte
Arbeitsmittel, vorherrschende Drücke und Temperaturen geeignet sein.
Die maximalen Betriebsbedingungen werden beim HT-ORC für die Hochdruckseite (Seite vor dem Turbineneintritt) mit 0-19/25 bar abs. und -10/300 °C
festgelegt. Für die Niederdruckseite (Seite vom Turbinenaustritt) wird eine Auslegung von 0/6,7 bar abs. und -10/150 °C favorisiert.
Nachfolgend werden die Hauptbestandteile des Kreisprozesses näher beschrieben. Darin wird auf Hauptanforderungen, innovative Ausführungen und Prozesskonzepte sowie den Aufbau der Bauteile näher eingegangen.
Turbine
Die Turbine stellt das Herzstück der Energieumwandlung dar. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Turbinenkonzepte, unter anderem wird zwischen
Gleichdruck- (Impuls) und Reaktionsturbinen unterschieden.
Ausgewählt wurde als geeignete Bauart eine einstufige GleichdruckradialDampfturbine. Gleichdruckturbinen können mit Teilbeaufschlagung betrieben
werden, weil eine Expansion in den Laufschaufeln nicht stattfindet. Generell
gilt, dass Gleichdruckturbinen ein größeres Enthalpiegefälle ausnutzen können,
wodurch die Turbinen mit weniger Stufen auskommen. Sie können sehr gut in
kleinen Leistungsbereichen eingesetzt werden, da bei ihnen im Gegensatz zu
Reaktionsturbinen die Spaltverluste eine geringe Rolle spielen. Im Vergleich zu
Wasser-Dampf-Prozessen weisen ORC-Prozesse geringere spezifische Enthalpiegefälle beim Entspannen auf und zeichnen sich durch eine einfache und zuverlässige Turbinenkonstruktion aus. Ein geringer Reaktionsanteil bei der Turbinenauslegung kann aus Sicht einer stabilen axialen Fixierung des Turbinenläufers und zur Steigerung des Turbinenwirkungsgrades Sinn machen.
Die Dampfturbine wird für einen bestimmten Leistungsbereich ausgelegt. Die
Leistung die zur Verfügung steht, erhält man aus der gegebenen Enthalpiedifferenz (Wärmegefälle) und dem Dampfdurchsatz (Massenstrom). Da bei der
Energieumsetzung in der Turbine Verluste auftreten, sind diese zu berücksichtigen. Die Turbinenwirkungsgrade hängen vor allem von der Ausgestaltung der
Beschaufelung und Düsen ab.
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Feldversuch ORC
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Wärmeaustauscher
In einem Wärmeaustauscher findet die Wärmeübertragung zwischen mindestens zwei Medien statt.
Im ersten Schritt ist die Bauart des Wärmeübertragers auszuwählen. Es gibt
grundsätzlich zwei verschiedene Systeme am Markt, die für den Einsatz in
ORC-Anlagen geeignet sind. Zum einen herkömmliche Rohrbündelwärmetauscher und zum anderen geschweißte Plattenwärmetauscher.
Die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Konzepte der Wärmeübertrager
sind in Tabelle 4 aufgeführt.
Tabelle 4:
Vor/Nachteile Platten/Rohrbündelwärmetauscher
Plattenwärmetauscher
+ hoher Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung
+ kompakte Bauweise
+ minimale Verschmutzungsneigung
+ geringe Grädigkeit
+ oft preiswerter
– geringe Drücke von 25 bis 100 bar
– geringe Temperaturen max. 400 °C
– gedichtete Plattenapparate ungeeignet
Rohrbündelwärmetauscher
+ hohe Drücke
+ hohe Temperaturen
+ keine Dichtungen
+ Gute Reinigungsmöglichkeit
+ Massive Bauart dadurch hohe Betriebszeiten möglich
– größere Abmessungen und höheres
Gewicht
– schlechtere Wärmeübertragung
– weniger potentielle Lieferanten, z.T.
geringer Erfahrungshorizont
– erhöhtes Risiko bei Neuauslegung
Für die ORC-Anlagen zur Nutzung von Motorenabwärme wurde bei Fraunhofer UMSICHT mit geeigneten Apparaten beider Bauarten differenzierte Erfahrungen gemacht. Einerseits sind Plattenwärmetauscher ungeschlagen in der
Flexibilität der Dimensionierung der Wärmeübertragungsfläche und damit besonders geeignet für ein modulares Typenprogramm. Andererseits gibt es
weltweit nur sehr wenige qualifizierte Hersteller für ausreichend druck- und
temperaturfeste sowie vollverschweißte Plattenwärmeübertrager. Die Apparate
sind in der Regel für Hochtemperatur-ORC-Anlagen eher teuer oder eher unzuverlässig. Rohrbündelwärmeübertrager können dagegen durch geeignete
Konstruktion in einem weiten Feld der Anwendung in ORC-Anlagen angepasst
werden, bleiben aber relativ groß und schwer und weisen bei der Wärmeüber-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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tragung auch oft höhere Grädigkeiten als Plattenwärmeaustauscher auf. Der
zulässige Druckverlust der Apparate muss immer berücksichtigt werden.
Für die unterschiedlichen Wärmeübertrager wie Rekuperator, Kondensator und
Abhitzekessel (Vorwärmer und Verdampfer) müssen unterschiedliche Wärmeübertragerkonzepte gewählt werden, da die physikalischen Vorgänge in den
Wärmetauschern unterschiedlich sind. Im Abhitzekessel wird das Arbeitsmedium durch Wärmezufuhr zuerst vorgewärmt und anschließend verdampft, während das Heizmedium Wärme abgibt. Generell gilt sowohl für den Anfahrbetrieb als auch für den Dauerbetrieb, dass eine gleichmäßige und kontinuierliche
Durchströmung der Arbeitsmittelseite und ein gewisser Flüssigkeitsstand sichergestellt wird, um Zersetzungen des Fluids zu vermeiden. Bei ungünstigen
Strömungsverhältnissen besteht auch die Gefahr von Dampfschlägen.
Der Rekuperator stellt einen Flüssigkeit-Dampf-Wärmeübertrager dar. Dabei
wird im Rekuperator der austretende Turbinenabdampf abgekühlt, da dieser
bei den verwendeten Arbeitsmedien am Turbinenaustritt überhitzt vorliegt. So
kann die im Turbinenabdampf vorhandene sensible Wärme im Kreisprozess
weiter genutzt werden. Im Kreuz-Gegenstrom wird das flüssige Arbeitsmittel
nach der Speisepumpe vorgewärmt bevor es in den Abhitzekessel fließt. Generell kann festgehalten werden, dass im stationären Betrieb keine Phasenänderung im Rekuperator stattfindet.
Der aus dem Rekuperator austretende und bereits abgekühlte Dampf wird im
Kondensator weiter enthitzt und anschließend vollständig kondensiert (heiße
Seite; Primärkreis) Die nicht kondensierbaren Gase sammeln sich hingegen an
der kältesten Stelle im Kondensator. Diese kälteste Stelle befindet sich am Eintritt des Wasser/Glykol-Gemisches (kalte Seite, Sekundärkreis).
Arbeitsmittelpumpe/Speisepumpe
Bei der Arbeitsmittelpumpe kommen normalerweise mehrstufige Kreiselpumpen zum Einsatz. Die Pumpengeometrie muss nicht spezifisch an jedes Arbeitsmittel angepasst werden, jedoch sind die Größe des Förderrades und die
Anzahl der Förderstufen abhängig davon, wie groß die erforderliche Fördermenge und die zu überwindende prozessseitige Druckdifferenz zwischen Vakuumseite und Druckseite ist.
Es gibt eine Vielzahl von Pumpenherstellern, die verschiedene Baugrößen in ihrer Produktpalette anbieten, jedoch ist die erreichbare Förderhöhe der einstufig
ausgelegten Pumpen begrenzt. Durch das Hintereinanderschalten mehrerer
Pumpenstufen wird die Gesamtförderhöhe gleich der Summe der Einzelförderhöhen, und man kann dadurch auch hohe Drücke realisieren.
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Feldversuch ORC
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Der Antrieb der Arbeitsmittelpumpe erfolgt in großen Dampfkraftanlagen häufig direkt über einen Dampfantrieb. Dieses Konzept ist allerdings für ORCAnlagen weniger geeignet, da es nur aufwendig zu realisieren ist und eine regelungstechnisch oft unerwünschte starre Kopplung zwischen Turbinenbetrieb
und Pumpenbetrieb hergestellt würde, wodurch die Effizienz beider Systeme
vermindert wird. In der Regel wird daher ein Antrieb der Speisepumpe über einen Elektromotor gewählt.
Bei der Speisepumpe wird zwischen Elektromotor und Pumpenwelle eine Magnetkupplung verwendet, somit sind keine rotierenden Dichtsysteme erforderlich. Es kann dadurch auch gewährleistet werden, dass an dieser kritischen
Stelle kein Arbeitsmittel aus dem Prozess austritt. Zur Regelung der Speisepumpe wird diese durch einen Frequenzumformer mit Antriebsenergie versorgt.
Sicherheitskonzept
Das Hauptgefährdungspotenzial des ORC-Moduls im Betrieb liegt im Überdruck, der in Teilen der Anlage herrscht, sowie bei einigen Arbeitsmitteln wie
Kohlenwasserstoffen und Silikonölen in der Brennbarkeit und möglichen Explosionsgefahr des Arbeitsmittels in Gegenwart von Luftsauerstoff. Weiterhin geht
eine Gefährdung von den in Teilen der Anlage herrschenden hohen Temperaturen aus.
Der Gefährdung durch den Überdruck wird durch Aufbau, Verschaltung, Konstruktion, Fertigung und Prüfung der ORC-Anlage nach der Druckgeräterichtlinie begegnet. Letztlich ist eine Konformität nach PED/DGRL 97/23/EG herzustellen (z. B. ausgelegt nach AD2000). Weiterhin sind in Bezug auf Arbeitsmittel und Explosionsschutz die DIN 4754, die BGR 104; ein Betrieb nach BGR
500, die VDI 3033 bzw. ihre Nachfolgenormen zu berücksichtigen.
Die Gefährdung durch Brand oder Explosion des Arbeitsmediums wird in zwei
Bereichen betrachtet:
1. Innerhalb des Behälter- und Rohrleitungssystems der Anlage
2. Außerhalb des Behälter- und Rohrleitungssystems
Die Vermeidung einer Zündquelle als Maßnahme zur Verhinderung von Brand
oder Explosion kann nicht für alle Bauteile realisiert werden. Innerhalb der Anlage sind durch rotierende Bauteile (z. B. Turbogenerator mit baubedingt großen Drehzahlen oberhalb 15.000 U/min) zu große Energiemengen gespeichert.
Außerhalb der Anlage liegt die Temperatur des Abgases (Anschlussleitungen
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
90
zum ORC-Modul) oberhalb der Selbstentzündungstemperatur des Arbeitsmediums.
Die wesentliche Maßnahme zur Vermeidung von Gefahren durch Brände/Explosion innerhalb der Anlage beruht deshalb darauf, den Gefahrenherd
sicher nach außen abzukapseln. Dann erfolgt keine Gefährdung infolge eines
Brandes oder infolge einer Explosion. Alle Komponenten (Behälter, Armaturen
und Rohrleitungen) werden deshalb mindestens explosionsdruckstoßfest
> 6,7 bar rel. ausgelegt. Als zusätzliche Maßnahme wird das Eindringen von
Luftsauerstoff in die Anlage bzw. das Austreten von Arbeitsfluid aus dem ORCKreislauf nach außen durch auf Dauer technisch dichte Ausführung vermieden.
Zusätzlich wird die Ansammlung von im Vakuumteil der Anlage von außen
eingedrungenen kleinen Leckageluftmengen mit Bildung potenziell explosionsfähiger Gemische durch regelmäßiges Abpumpen eingedrungener Luft durch
die Vakuumhaltung des Prozesses verhindert. Einem Ansammeln explosionsfähiger Atmosphäre bei kleineren Leckagen sowie Bränden und Explosionen außerhalb der Anlage wird durch ausreichende Belüftung, bevorzugt durch Außenaufstellung entgegengewirkt. Eine geeignete technische Ausführung aller
Verbindungen und regelmäßige Kontrollen der Anlagen auf Leckagen sichern
die Dichtheit ab, so dass die Anlage als auf Dauer technisch dicht betrachtet
werden kann. Zusätzlich erfolgt eine softwaremäßige Kontrolle sicherheitsrelevanter Prozessparameter.
Die Hochdruckseite des HT-ORC-Prozesses wird durch ein Sicherheitsventil abgesichert. Dies entlastet bei einem zu hohen Druck das Arbeitsmittel auf die
Niederdruckseite des Prozesses. Passive Sicherheit wird hierbei durch ausreichend große stationäre Wärmekapazität des Vakuumteils zur Niederschlagung
des eintretenden Dampfes gewährleistet. Eine Berstscheibe sichert zusätzlich
den Vakuumteil des Prozesses. Beim NT-Prozess wird lediglich der Hochdruckteil durch ein Sicherheitsventil abgesichert, welches an die Umgebung abbläst.
Entsteht ein zu hoher Druck auf der Niederdruckseite so kann dieser sich über
die offene Verbindung an der Pumpe in den Hochdruckteil abbauen.
Die Gefährdung durch hohe Temperaturen wird durch die Isolierung der heißen Prozessteile verringert.
Die Turbine wird auf Überdrehzahl und Schwingung überwacht. Ein Schnellschlussventil riegelt bei Fehlern oder im Schwarzfall die Dampfzufuhr zur Turbine sofort ab.
Der Turbogenerator wird mit hermetisch geschlossener Einheit ausgeführt. Der
ORC-Prozess kann damit komplett ohne rotierende Dichtflächen (z. B.
Gleitringdichtungen) nach außen ausgeführt werden, womit wesentliche Störungs- und Unsicherheitsfaktoren ausgeräumt sind. Der Turbogenerator wird
mit einem Notschmiersystem für den Schwarzfall ausgestattet.
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Feldversuch ORC
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Weiterhin wird eine Gefährdung von Personen durch den vollautomatischen
Betrieb verhindert. In der Anlage ist kein Bedienpersonal notwendig. Die Bedienung beschränkt sich auf einen i. d. R. Kontrollgang innerhalb 72h von ca.
10 min sowie die Analyse von Fehlern. Die Wahrscheinlichkeit der Anwesenheit
von Personen während einer Gefahr im Betrieb liegt bei < 1:100.
Der Betreiber muss mit sicherheitsrelevanten Maßnahmen an der Peripherie die
Einhaltung der Abgastemperaturen oder Warmwassertemperaturen an den
Schnittstellen garantieren und bei Überschreitung der Grenzwerte (Abgasaustrittstemperaturen) die Wärmeaufgabe auf den ORC durch automatische Abschaltung des wärmeliefernden Motors über einen Sicherheitstemperaturbegrenzer sicher wegschalten. Flankiert wird dies softwareseitig seitens der ORCSteuerung, die bei zu hoher Wärmezufuhr einen Abgasbypass zur ORC-Anlage
freigibt und die Abgasklappen zum und vom ORC-Modul schließt bzw. die Anforderung von Heizwasser stoppt.
Bei Wartung sind Schutzmaßnahmen erforderlich (Inertisierung, Lüftung, keine
Zündquellen, Potenzialausgleich).
Elektrotechnisch muss der ORC-Prozess auf der Einspeisungsseite die EMVRichtlinie 89/336/EWG und die Niederspannungsrichtlinie 73/23/EWG einhalten, was durch Auswahl eines entsprechenden Wechselrichters bzw. entsprechender Schutzelemente gelingt. Entsprechend den Richtlinien der VDE,
VDEW, VWEW und VDN für den Parallelbetrieb von Stromerzeugungsanlagen
sind folgende Schutzeinrichtungen eingebaut, die bei der Anlage auf den Generatorschalter bzw. Frequenzumrichter aufgeschaltet werden:
Kurzschlussschutz,
Überlastschutz,
frequenzunabhängiger Spannungsrückgangs- bzw. Spannungssteigerungsschutz,
spannungsunabhängiger Frequenzschutz,
5-Minuten Einschaltsperre bei Wiederkehr der EVU-Spannung.
Somit ist ORC-betreiberseitig die VWEW/BDEW Richtlinie für den Anschluss
und Parallelbetrieb von Eigenerzeugungsanlagen am NS-Netz eingehalten.
Standortspezifische Sonderregelungen durch den Netzbetreiber sind darüber
hinaus gesondert zu beachten.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Organisches Arbeitsmittel für HT-Prozesse:
Ein ausreichender Schutz gegen unkontrolliertes Austreten des Arbeitsmittels
an die Umgebung bzw. zum Schutz des Grundwassers vor einer möglichen
Kontamination wird durch geringes Füllvolumen, die auf Dauer technisch dichte Ausführung, automatische Überwachung und Betreiberkontrollen sowie eine komplette Umfüllmöglichkeit in den Vorratsbehälter der Anlage gewährleistet.
Die jeweils länderspezifischen Regeln zum Umgang mit dem Arbeitsmittel sind
zu beachten.
Regelungstechnisches und steuerungstechnisches Detail-Konzept
Das ORC-Modul soll vollautomatisch elektrische Energie in Abhängigkeit der
zugeführten Wärmemenge erzeugen. Eine Bedienung und Überwachung
durch Personal soll nicht erforderlich sein. Im automatischen Betrieb sowie zum
automatischen An- oder Abfahren sollen sich keine Personen im Anlagenbereich aufhalten müssen. Bei Ausfall der Stromversorgung soll die Anlage in einen sicheren Zustand gehen. Es bleibt aber dennoch notwendig, die Anlage
regelmäßig zu inspizieren, deren äußerlichen Zustand zu begutachten und zu
dokumentieren sowie im Besonderen auf Leckagen oder ungewöhnliche Geräusche zu achten. Darüber hinaus soll sich die ORC-Anlage selbständig abschalten, wenn ungewöhnlich hohe Arbeitsmittelverluste erkannt werden.
Die Steuerung des ORC- Moduls hat folgende Aufgaben zu gewährleisten:
An- und Abfahren,
Netzan- und -entkopplung des ORC-Moduls
Lastabhängige Regelung des ORC-Moduls,
Aufrechterhaltung des Unterdruckes des Kondensators,
Abfahren der ORC-Anlage bei Auftreten von Fehlerfällen.
Der Betätigungskreis eines NOT-AUS-Tasters vor Ort muss zur sicherheitsgerichteten Abschaltung der ORC-Anlage führen. Dabei werden die Speisepumpe
und der Turbogenerator abgeschaltet. Ansonsten wird die ORC-Anlage durch
eine SPS zur Steuerung des Betriebs geordnet abgefahren. Dabei werden zwei
Rauchgasklappen direkt vor und nach dem ORC-Verdampfer sowie eine Klappe
parallel zum ORC-Modul installiert. Der Umschaltvorgang der Klappen erfolgt
innerhalb 30 Sekunden. Liegt keine Störung und Netzausfall vor und die ORC
Anlage soll geordnet abgefahren werden, so wird die Anlage automatisch von
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Feldversuch ORC
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der SPS in einen sicheren Betriebszustand gebracht. Im Rahmen der Abfahrprozedur wird die Abgasbypassklappe geöffnet, dann die zwei anderen Abgasklappen geschlossen. Danach kühlt die ORC-Anlage bei laufendem Kühlkreislauf ab.
Abbildung 34:
Vorgeschlagene abgasseitige Einbindung
des HT-ORC-Prozess
Die Wegschaltung der Abgaswärme des Motors wird bei Ansprechen eines Sicherheitstemperaturbegrenzers STB im Abgasweg hinter dem Verdampfer ausgelöst. Hierzu wird der Motor abgeschaltet.
Befindet sich die ORC-Anlage im betriebsbereiten Zustand, werden nach dem
Einschalten die Abgaswege zum Verdampfer geöffnet. Das Bypassventil der
Turbine wird geöffnet, der Kühlwasserkreislauf aktiviert und die Speisepumpe
eingeschaltet. Das Arbeitsmittel im Abhitzekessel beginnt infolge von Wärmeübertragung aus dem heißen Abgas zu sieden. Über das geöffnete Bypassventil
strömt der Arbeitsmitteldampf durch den Rekuperator und wird im Kondensator wieder verflüssigt. Das Kondensat läuft in das Sammelgefäß unten am
Kondensator (den sogenannten Hotwell). In Abhängigkeit vom Füllstand am
Hotwell wird die Drehzahl der Speisepumpe geregelt, das Kondensat auf Druck
gebracht und wieder in den Verdampferkreislauf zurückgeführt.
Mit Erwärmung und steigernder Wärmeleistung der Anlage steigen die Menge
des umlaufenden Arbeitsmittels und der Frischdampfdruck. Bei Überschreiten
eines Mindestwertes öffnet die Schnellschlussklappe zur Turbine und es
schließt das Bypassventil der Turbine. Der Arbeitsmitteldampf strömt im Turbogenerator über die Turbinenschaufeln und beschleunigt den Turbogenerator
auf Nenndrehzahl.
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Feldversuch ORC
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Mit Erhöhung der Drehzahl des Turbogenerators steigt die von ihm erzeugte
Spannung. Überschreitet sie einen Schwellwert, beginnt der nachgeschaltete
Wechselrichter elektrische Energie ins Netz zu speisen. Im Generator wird hierdurch ein Drehmoment entgegen der Drehrichtung der Turbine erzeugt. Entsprechend der durch den Turbogenerator strömenden Dampfmenge bildet sich
ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Strömungsenergie und abgeführter
Elektroenergie. Dabei ist die abgegebene Generatorleistung etwa proportional
zum zugeführten Zudampfmassenstrom.
Das ORC-Modul reguliert seinen Arbeitspunkt entsprechend der eingekoppelten Wärme durch die Drehzahl der Speisepumpe. Eine der verdampften Arbeitsfluidmenge entsprechende Menge an Kondensat wird durch die Speisepumpe wieder in den Druckteil der Anlage gefördert.
Beim Abschalten des Motors sinkt die erzeugte Dampfmenge und die ins Netz
eingespeiste Leistung verringert sich. Nach Unterschreiten einer elektrischen
Mindestleistung wird die ORC-Anlage abgeschaltet. Hierzu wird die Wärmezufuhr durch Öffnung der Abgas-Bypassklappe und Schließen der Abgasklappen
unterbrochen. Nach Absinken der Einspeiseleistung des Wechselrichters auf
null wird die Schnellschlussklappe vor der Turbine geschlossen und die Speisepumpe und der Kühlkreislauf abgeschaltet.
Bei Wärmezufuhr werden ca. 30 Minuten für einen Kaltstart bis zur vollen Leistungsabgabe des ORC-Moduls benötigt. Beim Herunterfahren ist ca. 1 Minute
bis zum Stillstand der Turbine erforderlich. Durch geringes Volumen im Arbeitsmittelraum des Vorwärmers/Verdampfers sinkt der Druck nach Abschalten
des Abgasstromes anfangs um etwa 1-2 bar pro Minute.
Bei Spannungsausfall oder Notabschaltung unterbricht die Zudampfarmatur
vor der Turbine durch Schnellschluss sofort den Dampfstrom zur Turbine. Angetrieben von dem im druckführenden Teil der Anlage vorhandenen Druckreservoir wird der Turbogenerator noch bis zum Stillstand geschmiert. Die Wärmezufuhr zur Anlage wird wenn nötig durch Abschalten des Motors durch den
im Abgasweg nach dem Verdampfer angeordneten STB unterbrochen. Nach
dem Besichtigen des Anlagenzustandes und dem Quittieren der Fehlermeldungen kann die Anlage dann durch den Bediener wieder in den betriebsbereiten Zustand versetzt werden. Bei Überschreiten des zulässigen Betriebsdruckes erfolgt eine Entlastung über Sicherheitsventile. Eine Überschreitung der
zulässigen Betriebstemperatur wird von einem STB im Abgasstrom nach dem
Verdampfer detektiert. Sie wirkt direkt auf die Motorabschaltung. Da die
Wärmequelle fehlt, fährt das ORC–Modul dann automatisch herunter und
schaltet ab.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Abbildung 35:
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Grundsätzlicher Aufbau und Schnittstellen des HT-ORC-Moduls ohne Wärmenutzung am Kondensator, Zuständigkeiten hersteller-/betreiberseitig; Übersicht
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Zur Information der Betreiber, Bediener und des Wartungs- und Servicepersonals werden sämtliche Fehler- und Alarmmeldungen aufgezeichnet. Das Personal kann sich so bei Bedarf jederzeit einen Überblick über den Betriebszustand
der ORC-Anlage verschaffen.
Alle Anlagenparameter werden protokolliert und wesentliche Parameter in einer Visualisierung am Steuerschrank fortlaufend angezeigt. In einer Statuszeile
der Visualisierung werden zusätzlich Fehlermeldungen angezeigt.
Überschreitungen von Grenzwerten werden in der Steuerung ausgewertet und
die Anlage entsprechend so gesteuert, dass die Grenzwerte nachfolgend wieder unter- bzw. überschritten werden. Bei Beeinträchtigung der Betriebssicherheit wird die Anlage vollautomatisch in einen sicheren Zustand gefahren.
Besonderheiten bei NT-ORC-Prozessen
Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale zum HT-Prozess sind:
Kühlwasserwärme und ggf. Abgaswärme werden in einen Kreislauf
eingekoppelt
Gemischwärme (VL/RL: 54 / 50 °C) des Motors kann ggf. für die Vorwärmung eingesetzt werden, dadurch wird ein Rekuperator überflüssig
Ein Teil der Wärme kann parallel zum ORC in ein Nahwärmenetz eingekoppelt werden oder anderen Verbrauchern zugeleitet werden
Wasser/Glykol-Gemisch statt heißem Abgas auf der Wärmeträgerseite
Direktkondensation: Kondensation des Arbeitsmittels nach der Turbine
in einem Verflüssiger der von Umgebungsluft gekühlt wird
Entsprechend den Anforderungen des Prozesses wird ein organisches Arbeitsmittel mit hohem Dampfdruck eingesetzt. Beim Umgang und Betrieb der Anlage sind die Sicherheitsdatenblätter (SDB) zu beachten. Diese müssen im Vorfeld
gesichtet werden. Die jeweils länderspezifischen Regeln zum Umgang mit dem
Arbeitsmittel sind zu beachten. Nur autorisierten Fachfirmen und dem Hersteller ist der Umgang mit dem Arbeitsmittel erlaubt.
Aufgrund des verwendeten Arbeitsmittels und der damit verbundenen Gefahren bei einem möglichen Austritt wird eine Außenaufstellung bevorzugt. Sollten Undichtigkeiten an der Anlage festgestellt werden, so ist die Anlage unverzüglich spannungsfrei zu schalten und entsprechende Maßnahmen (Gefahrenanalyse Biogasanlage & ORC, SDB, Kontakt mit Hersteller, autorisierten Fachfirmen, Feuerwehr) zu ergreifen. Bei einem Leck gilt generell, dass Zündquellen
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Feldversuch ORC
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in unmittelbarer Nähe unbedingt zu vermeiden sind und eine gute Belüftung
gewährleistet werden muss.
Zur Arbeitsmittel-Mengeneinstellung und Befüllung der Anlage empfiehlt sich
ein aus der Kältetechnik geeignetes Absaug- und Befüllgerät. Zu beachten ist,
dass die entsprechenden Verbindungsstücke und -schläuche für das Arbeitsmittel geeignet sind und diese geerdet werden.
Wird die Anlage zum ersten Mal gefüllt, so ist eine Evakuierung vorzunehmen
und die Anlage Zug um Zug zu befüllen, bis eine ausreichende Füllmenge enthalten ist.
Bei der Entleerung der Anlage wird das Arbeitsmittel mittels Schlauch und Absauggerät aus dem Flüssigentnahmeanschluss der Anlage gesaugt und in einen
dafür zugelassenen Entsorgungsbehälter gefüllt. Anschließend wird die Anlage
inertisiert. Es ist sicherzustellen, dass die untere Explosionsschutzgrenze unterschritten wird. Die Entleerung darf nur von Fachpersonal erfolgen!
Zertifizierung nach Druckgeräterichtlinie und betreiberseitige Prüfung
nach Betriebssicherheitsverordnung
Abschließend soll festgehalten werden, dass die Sicherheitskonzepte und regelungs- und steuerungstechnischen Detail-Konzepte in mehreren ScopingTerminen und bei den sukzessiven Zertifizierungen mit dem TÜV Nord eingehend besprochen, diskutiert und stellenweise ergänzt wurden. Die Baugruppen
wurde letztlich vom TÜV Nord geprüft und mit einer Einzelprüfung nach Modul
G zertifiziert.
Generell hat der Hersteller von ORC-Prozessen (im Rahmen dieses Vorhabens:
Fraunhofer UMSICHT) die ORC-Module nach der Europäischen Druckgeräterichtlinie CE zu zertifizieren. Alle Betreiber erhielten zusammen mit der kompletten Anlagendokumentation das TÜV-CE-Zertifikat zur Anlage und die EGKonformitätserklärung von Fraunhofer UMSICHT.
Die Pflichten des Betreibers bestehen im ordnungsgemäßen Anschluss und Betrieb der Anlagen vor Ort und in der Aufrechterhaltung der Betriebssicherheit
durch technische und organisatorische Maßnahmen sowie in der Durchführung
der wiederkehrenden Prüfungen. Konkretisiert werden diese Pflichten im Geräte- und Produktionssicherheitsgesetz (GPSG) sowie nachgeordnet in der
Druckgeräteverordnung und in der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV).
Die Aufgaben des Betreibers sind dabei
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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1. die Erstellung der Gefährdungsbeurteilung (Ergänzung der vorhandenen Gefährdungsbeurteilung für den bisherigen Standort, nach § 3 BetrSichV mit Einschätzung neuer Gefahren und Dokumentation der ergriffenen Maßnahmen zur Abwehr dieser Gefahren)
2. die Erstellung des Explosionsschutzdokumentes (Ergänzung des vorhandenen Explosionsschutzdokumentes, nach § 6 BetrSichV)
3. die Festlegung der Prüffristen für wiederkehrende Prüfungen.
Hierbei sind die standortspezifischen Gegebenheiten zu berücksichtigen.
Die Beiziehung einer zÜS (TÜV o.ä.) oder auch für Teilaspekte befähigter Personen (Sachkundige) macht in den meisten Fällen Sinn. Der für Fraunhofer
UMSICHT im Rahmen der CE-Zertifizierung tätige TÜV Nord (bereits mit profunder Anlagenkenntnis der ORC-Anlagen sowie teilweise Ortskenntnissen) hat
die nötige Prüfung nach Betriebssicherheitsverordnung mit einem Arbeitsaufwand von weniger als einem Tag zzgl. Reiseaufwand für einen Ortstermin veranschlagt. Beim TÜV gewöhnlich vorzulegende Dokumente für die Prüfung
nach BetrSichV sind:
Nachweis Baugruppenprüfung (durch Konformitätserklärung des Herstellers und zugehöriges TÜV-Zertifikat)
Gefährdungsbeurteilung (§ 3 BetrSichV, Explosion, heiße Flächen, Gefahrstoffe, mechanische Gefährdungen, Festlegung von Prüfungen
[ZÜS, bef. Person]
Festlegung von Prüffristen im Rahmen der sicherheitstechnischen Bewertung für Druckbehälter (5 Jahre innere Prüfung, 10 Jahre Druckprüfung, ggf. alle 5 Jahre Druckprüfung, wenn innere Prüfung nicht
möglich oder eingeschränkt)
Explosionsschutzdokument (§ 6 BetrSichV), Betrachtung der Stoffe,
potentiellen Zündquellen, technische und organisatorische Maßnahmen, Ex-Zonenplan, Blitzschutz (Entwurf für isolierte Betrachtung des
ORC wird seitens Fraunhofer UMSICHT bereitgestellt)
Prüfung des Explosionsschutzes durch zÜS bzw. mindestens durch eine
befähigte Person (§ 14 BetrSichV).
Die Gefährdungsbeurteilung und das Ex-Schutzdokument müssen vom
Betreiber verantwortlich ausgestellt werden. Der Hersteller des ORCModuls stellt i.d.R. für seine Belange hierzu vorgearbeitete Ausführungen zur Verfügung
Am konkreten Standort kann die Art der Einbindung einer neuen ORC-Anlage
in vorhandene Genehmigungen (z.B. nach BImmschV und Berücksichtigung
damit verbundener Auflagen und Pflichten) für den vorhandenen Anlagenbe-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
99
stand den Umfang der vorzulegenden Unterlagen bzw. auch die Fristen der
wiederkehrenden Prüfungen beeinflussen. Generell erhöht sich der Aufwand
mit der Komplexität und Anzahl vorhandener Betriebseinrichtungen in der Nähe des ORC-Standortes und hängt auch von der Art der Aufstellung ab. Aufstellungen über vorhandenen Anlagen oder Gebäuden können den Aufwand
gegenüber der Aufstellung auf einem ebenerdigen Fundament erhöhen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Übersicht lediglich allgemeine Informationen enthält. Die Informationen können weder eine ggf. nötige Fachberatung/Rechtsberatung ersetzen noch berücksichtigen sie die jeweiligen besonderen Gegebenheiten des Einzelfalles. Insbesondere erhebt sie keinen Anspruch
auf Richtigkeit oder Vollständigkeit, da das relevante Vorschriftenwerk einem
steten Wandel unterliegt. Für eine konkrete Fachberatung/Rechtsberatung sollte daher betreiberseitig ggf. ein Fachberater/Rechtsanwalt hinzugezogen werden.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
100
2.1.3
Verwendung neuartiger organischer Arbeitsfluide
Die Auswahl des Arbeitsmittels nimmt wesentlichen Einfluss auf Wirkungsgrad,
Wirtschaftlichkeit und Ausgestaltung der Anlagenkomponenten einer ORCAnlage.
Arbeitsmittelauswahl
Um alternative Arbeitsmittel zu finden, die für den Einsatz in dem gewünschten ORC-Prozess geeignet sind, waren umfassende Literaturrecherchen nötig.
In einer Vielzahl von Abhandlungen die sich mit dem Thema ORC-Technik auseinandersetzen, sind Hinweise auf entsprechende Arbeitsmittel vorhanden, z.B.
[Schulitz, 1986], [Wagner, 2005], [Lai Na 2010]. Aus »Stoffwerte von sonstigen
chemisch einheitlichen Flüssigkeiten und Gasen« des VDI-Wärmeatlas konnten
weitere alternative Stoffe entnommen werden. Exotische Stoffe mit einzubeziehen ist wenig sinnvoll, da diese meist schwierig zu beschaffen und aufgrund
ihrer seltenen Verwendung dann auch teuer sind. Herkömmliche Kältemittel
sind ebenso teure Arbeitsmittel. Deshalb und aufgrund des meist hohen Ozonschädigungspotentials wurden diese im Vorfeld ausgeschlossen.
Die Wahl des Arbeitsmittels hat bei der Planung und Auslegung eines ORCProzesses eine besondere Bedeutung. Von dem Arbeitsmittel hängen die erreichbaren Wirkungsgrade, die Dimensionierung der Wärmetauscher und der
Turbine sowie die Wirtschaftlichkeit der Anlage ab. Für die vorausgewählten
Arbeitsfluide wurde ein einheitlicher quantifizierender Kriterienkatalog erstellt
und angewendet, der die Arbeitsmitteleigenschaften einerseits mit Maßzahlen
bewertet und die Kriterien gegeneinander gewichtet, andererseits wurden viele
potenzielle Arbeitsfluide bei Gültigkeit definierter Ausschlusskriterien von der
weiteren Betrachtung ausgeschlossen.
Zuletzt wurde für einige ausgewählte, verbliebene Arbeitsfluide wurde für die
Arbeitsmittel eine Versuchseinrichtung zur Langzeit-Hochtemperatur-Exposition
von Proben geplant, gebaut und getestet. Hierzu wurde eine Versuchsplanung
erstellt sowie das Programm der begleitenden Folgeuntersuchungen zur Bestimmung von Langzeitthermostabilität und Alterungsverhalten festgelegt. Die
hierbei in langwierigen Versuchen ermittelten Abbauraten wurden aber lediglich als Anhaltspunkt gewertet werden, da sie sich allein durch die erfolgten
Doppelbestimmungen noch nicht statistisch korrekt belegen lassen. Zudem
wurden Zersetzungsraten lediglich bei einer Temperatur gemessen.
Die Überprüfung der Thermostabilität erfolgt in Anlehnung an DIN 51528, in
der Wärmeträgermedien auf ihre Thermostabilität untersucht werden. Dabei
sollen die Proben statisch getempert werden. Zur Beurteilung der Thermostabilität sind die Massenanteile an Hoch- und Niedrigsiedern zusammen mit den
gasförmigen und unverdampfbaren Zersetzungsprodukten des wärmebeanspruchten Arbeitsstoffes in ihrer Gesamtheit als Zersetzungsgrad zu erfassen.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
101
Um eine sichere Aussage der Temperaturbeständigkeit zu erlangen, wird bei
einer Prüftemperatur von 270 °C eine Prüfdauer von 420 h festgelegt. Die
wärmebehandelten flüssigen Stoffe wurden nach dem Erfassen der gasförmigen Zersetzungsprodukte weiter gaschromatographisch untersucht. Es wurden
Viskosität und Neutralisationszahl bestimmt, sofern bei der Gaschromatographie eine Veränderung der Stoffeigenschaften beobachtet wird. Es wurden jeweils ca. 30 g des zu prüfenden Stoffes in das Probegefäß gefüllt, anschließend
wurde das Probegefäß inertisiert um den Sauerstoff daraus zu entfernen und
dann verschlossen. Im nächsten Schritt kann das Probegefäß samt metallisch
dichtendem Nadelventil in einen geeigneten Ofen gegeben werden.
Die Prüfgefäße wurden im Temperiergerät von Raumtemperatur auf die Prüftemperatur aufgeheizt und dort gehalten. Am Ende der Versuchszeit wurden
die Probegefäße vorsichtig entspannt. Von der eventuell vorhandenen Gasphase wurde eine Probe genommen. Die zurückbleibende flüssige Phase wurde in
ein Probegefäß gegeben und weiter untersucht.
Die Alterung der Stoffe konnte vor allem anhand von GC-FID-Untersuchungen
(Gaschromatographie- Flammenionisationsdetektor) charakterisiert werden.
GC-MS (Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung) war demgegenüber unspezifisch. Außerdem konnte die Feststellung der Neutralisationszahl nützliche Hinweise liefern. Die Veränderung der chemischen Zusammensetzung eines Arbeitsmittels brachte generell nur eine geringe Veränderung der Viskosität mit sich, die im vorhandenen Rotationsviskosimeter nicht
gemessen werden konnte, da die Viskositäten am unteren Ende des Messbereiches lagen.
Ergebnisse
Bei allen Versuchen zur Thermostabilität hat sich gezeigt, dass Sauerstoff mit
Abstand den größten Einfluss auf die Alterung eines Stoffes hat. Bei Betrieb einer ORC-Anlage sollte daher unbedingt ein Eindringen von Sauerstoff in den
Kreislauf, vor allem durch Sicherstellen der Dichtigkeit des Vakuumteils einer
ORC-Anlage weitgehend vermieden werden.
Die Ergebnisse der untersuchten Fluide unterscheiden sich relativ deutlich und
lieferten Anlass zum Ausschluss einiger Gruppen von Kohlenwasserstoffen von
der weiteren Berücksichtigung. Für die besser geeigneten Stoffe bestanden
durchaus Unterschiede, die im Rahmen des angewendeten Bewertungsverfahrens gegen die jeweiligen Bezugskosten abgewogen wurden.
Letztlich ergaben sich für die zu entwickelnde Applikation eines Hochtemperatur-ORC drei klare Favoriten, zwei für den Kondensationsbetrieb (ohne Wärmenutzung am Kondensator des ORC und einer für den KWK-Betrieb (mit
Wärmenutzung am Kondensator des ORC.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
102
2.1.4
Anwendung eines stationären Kreislaufrechenmodelles zur Simulation und Optimierung des ORC-Prozesses
Zur Bearbeitung des Projektes ist ein vereinfachtes Verfahrensfließbild eines
Hochtemperatur-ORC-Prozesses Abbildung 36 erstellt worden, um die einzelnen Bauteile und Komponenten zuordnen zu können. Dieses Bild hilft zudem
für das Verständnis der thermodynamischen Auslegung.
Bei der prozess- und sicherheitstechnischen Planung sind verschiedene grundlegende Ansätze für den Bau einer ORC-Anlage überdacht und überprüft worden. Dabei wurden verschiedene Themenschwerpunkte, wie Speisepumpe,
Turbogenerator, potenzielle Arbeitsfluide, Direktverdampfer, Rekuperator,
Kondensator näher behandelt und die Integration in die bestehende Infrastruktur, wiederholt detailliert diskutiert und bewertet.
Abbildung 36:
Vereinfachtes Verfahrensfließbild eines
Hochtemperaturprozesses
Es ergaben sich daraus folgende strategische Ansätze:
Ein Turbogenerator mit Turbine ist alternativen Ausführungen mit Kolben-, Scroll- und Schraubenexpansionsmaschinen vorzuziehen.
Als potenzielle Arbeitsfluide wurden für die HT-ORC-Module die per
Vorauswahl und im Labor qualifizierten Arbeitsfluide für ORC-Anlagen
ausgewählt.
Beim HT-ORC ist eine Direktverdampfung mit heißem Abgas des Motors technisch und sicherheitstechnisch umsetzbar und aufgrund der
geringeren Investitions- und Betriebskosten und dem reduzierten Gefahrenpotenzial einer Beheizung mit einem Thermoölkreislauf vorzuziehen.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
103
Rekuperator und Kondensator des HT-ORC-Prozesses werden in einem
gemeinsamen Mantel montiert.
Die Abwärme aus dem Kondensator wird über Luftkühler/Notkühler an
die Umgebung abgegeben, falls kein Wärmebedarf besteht.
Die Stoffdaten in der Simulation wurden überwiegend mit Hilfe von FluidProp
berechnet und der Kreisprozess durch ein eigens entwickeltes Programm bzw.
mit Hilfe von ASPEN oder Thermoflex simuliert. In der Abbildung 36 sind die
verschiedenen mit Hilfe des Modells betrachteten Apparate und Aggregate,
z.B. Wärmeübertrager, Pumpe und Turbine abgebildet.
Im Temperatur-Entropie T, s - Diagramm (Abbildung 37) sind exemplarisch die
unterschiedlichen thermodynamischen Eigenschaften einiger potenzieller Arbeitsfluide verdeutlicht. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass die Taulinie
aller eingezeichneten Fluide mit positiver Steigung verläuft. Bei Wasser und einigen anderen organischen Medien verläuft die Taulinie mit negativer Steigung.
Abbildung 37:
Vergleich potenzieller
Arbeitsfluide im T, s Diagramm
Für die Berechnung eines Hochtemperatur-ORC-Kreisprozesses sind verschiedene Vorgaben nötig:
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
104
Tabelle 5:
Randbedingungen für den HT-ORC Kreisprozess, im Überblick
Eingabeparameter
Einheit
Medium Wärmequelle
Eintrittstemperatur
°C
Austrittstemperatur
°C
Wärmeleistung
kW
Verdampfungstemperatur
°C
Überhitzung
K
°C
Unterkühlung
K
Druckverlust Abhitzekessel (Arbeitsmittelseite)
mbar
Druckverlust Rekuperator Niederdruckseite
mbar
Druckverlust Rekuperator Hochdruckseite
mbar
Druckverlust Kondensator kühlwasserseitig (gesamt)
mbar
Isentroper Wirkungsgrad Turbine
%
Isentroper Wirkungsgrad Pumpe
%
Generatorwirkungsgrad
%
Wirkungsgrad Blocktrafo
%
Enthitzungsgrad Rekuperator
%
Kühlmedium 1
Vorlauftemperatur
°C
Rücklauftemperatur
°C
Um Kreisprozesse auszulegen und für deren Optimierung werden verschiedene
Diagramme genutzt. Hilfreich ist hier eine Temperatur – Enthalpiestrom - Darstellung. Daraus lassen sich unter anderem die zu- und abgeführten Wärmeströme als auch die Turbinen- und Pumpleistung ablesen. Ebenso kann aus den
Diagrammen der Pinch-Point (Grädigkeit) ermittelt werden.
Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass die Kreisprozesse mit den favorisierten Arbeitsfluiden keine Pinch-Point (PP) - Überschneidungen aufzeigen und
folglich die Wärmeübertragung stattfinden kann.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
105
Für den Hochtemperatur-ORC-Prozess im Kondensationsbetrieb geben eine
große elektrische Nettoleistung, eine geringe Speisepumpenleistung und eine
geringe rekuperierte Wärmeleistung den Ausschlag für die Wahl des optimalen
Arbeitsfluides.
Für den Hochtemperatur-ORC-Prozess im KWK-Betrieb werden die Kreisprozess-Randbedingungen angepasst. Die Kondensattemperatur wird dazu angehoben, wodurch sich das Druckverhältnis über der Turbine bei gleichem Arbeitsfluid verringert. Um hier entgegenzuwirken und zudem hohe Kreisprozesswirkungsgrade zu erreichen, werden deshalb die Sattdampfparameter etwas angehoben. Zusätzlich verringert sich der Pinch-Point und die Grädigkeit
zwischen Arbeitsmittelkreis und Wärmequelle gegenüber dem Kondensationsbetrieb. Dies liegt daran, dass die Rekuperatoraustrittstemperatur flüssigkeitsseitig ansteigt. Das Abgas wird dadurch weniger ausgekühlt und folglich
sinkt die eingebrachte Wärmeleistung. Auch hier weisen die Kreisprozessberechnungen wieder einen klaren Favoriten der vorausgewählten Arbeitsfluide
aus.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
106
Für den Niedertemperatur-ORC-Prozess muss der Eingangsparametersatz der
Kreisprozessberechnung etwas abgeändert werden:
Tabelle 6:
Randbedingungen für den NT-ORC Kreisprozess im Überblick
Eingabeparameter
Einheit
Medium Wärmequelle I: Abgas-, Kühlwasserwärme
Eintrittstemperatur
°C
Austrittstemperatur
°C
Wärmeleistung Wärmequelle 1
kW
Medium Wärmequelle II: Gemischwärme
Eintrittstemperatur
°C
Austrittstemperatur
°C
PP Wärmequelle 2 - ORC-Medium
K
ORC-Medium
Verdampfungstemperatur
°C
Überhitzung
K
°C
Unterkühlung
K
Druckverlust Verdampfer (gesamt)
mbar
Druckverlust Direktverflüssiger (gesamt)
mbar
Druckverlust Vorwärmer 2
mbar
Isentroper Wirkungsgrad Turbine
%
Isentroper Wirkungsgrad Pumpe
%
Generatorwirkungsgrad
%
Wirkungsgrad Blocktrafo
%
Kühlmedium (Wärmesenke): Umgebungsluft
°C
Austrittstemperatur Luft:
°C
Die Betrachtung des Kreisprozesses bei dem Niedertemperatur-ORC führt zu
der Empfehlung, auf einen Rekuperator zu verzichten und stattdessen eine
Vorwärmung des Arbeitsfluides vor dem Verdampfer mit der Gemischwärme
des Motors zu präferieren.
Selbstverständlich belegten die Berechnungen auch die wesentlich geringeren
zu erwartenden Wirkungsgrade im Vergleich zu einem Hochtemperatur-ORCProzess und wiesen einen Arbeitsfluid-Favoriten aus.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
107
2.1.5
Auswahl und Optimierung der Turbogeneratoren
Die meisten Dampfturbinen sind heutzutage mit einem Getriebe starr verbunden, bzw. drehen mit Netzfrequenz. Bei Turbinen im Megawattbereich sind die
spezifischen Kosten für ein Getriebe relativ gering. Im Leistungsbereich
P< 1 MWel könnten Turbogeneratoren eine Alternative zu herkömmlichen Systemen darstellen.
Unter dem Begriff Turbogenerator versteht man eine gekoppelte Maschine, die
aus einer Turbine und einem Generator besteht. Dabei werden die Turbinenschaufeln direkt auf der Welle des Generatorläufers angebracht.
Die Vorteile solcher Systeme sind:
geringere Investitionskosten aufgrund des eingesparten Getriebes,
optimale Anpassung der Turbine an Teillastzustände durch variable
Drehzahl und somit höchsten Wirkungsgrade bei unterschiedlichen
Lasten prinzipiell möglich,
geringes Bauvolumen durch hohe Drehzahlen,
Wegfall von mindestens vier zusätzlichen Lagerböcken,
Wegfall eines Getriebes und Vermeidung von Getriebeverlusten,
Verwendung von verschleißarmen Lagern,
Vermeidung von drehenden und bewegten Dichtflächen zur Umgebung,
Fundamente sind nicht notwendig und
große Wartungsintervalle und sehr geringe Wartungskosten.
Die Nachteile können wie folgt zusammengefasst werden:
Investitionskosten für einen Frequenzumrichter,
Umwandlungsverluste des Frequenzumrichters und
nur wenige Firmen verfügen über Auslegungs- und Fertigungs-Knowhow eines Turbogenerators.
Bei der Entscheidungsfindung für einen geeigneten Turbogenerator ist im Hinblick auf das Anwendungsumfeld ein einfaches und robustes Lager- und
Schmiersystem für die Lager vorzuziehen. Idealerweise kann als Schmiermittel
das Arbeitsfluid selbst verwendet werden. Ein teurer separater Schmierölkreis
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
108
und eine Schmierölaufbereitung entfallen, ebenso wie Verunreinigungen des
Arbeitsfluidkreises durch das Schmieröl. Weiterhin muss das Lager-/Schmiersystem notfallbetriebsfähig bei Schwarzfall/Netzausfall und Notabschaltungen
der Anlage sein.
Eine Herausforderung bei ORC Prozessen im kleinen Leistungsbereich besteht
darin, die spezifischen Investitionskosten so gering wie möglich zu halten. Aus
diesem Grund wurde der Fokus bei der Wahl der Turbomaschine auf kompakte
einstufige Turbinen gelegt. Diese haben zwar tendenziell einen schlechteren
Wirkungsgrad als mehrstufige Reaktionsturbinen, sind jedoch aufgrund ihrer
Kompaktheit um einiges preiswerter. Letztendlich muss bei der Auswahl der
Turbomaschine ein Kompromiss zwischen maximal zu erzielenden Wirkungsgrad und gleichzeitig geringen Fertigungskosten gefunden werden.
Aufgrund der oben genannten Überlegungen wurde eine kompakte einstufige,
schnelldrehende, zentripetal durchströmte Impulsturbine vom Hersteller E&P
Turbo eingesetzt.
Beschreibung der Turbine
Bei ORC-Anlagen werden große Druckverhältnisse und damit verbunden entsprechende Enthalpiegefälle zwischen Ein- und Austritt der Turbine realisiert.
Bei einstufigen Gleichdruckturbinen liegt dieses Druckverhältnis an einer einzigen Stufe an. Das gesamte Enthalpiegefälle wird im Leitrad in kinetische Energie umgewandelt. Im Laufrad erfolgt lediglich eine Umlenkung der Strömung.
Die Zustandsänderung in einer Turbine kann in einem h, s-Diagramm dargestellt werden (Abbildung 38).
Als durchgezogene vertikale schwarze Linie ist die isentrope Zustandsänderung
dargestellt. Durch das dazugehörige Enthalpiegefälle
co2
∆hts = ∆hs +
2
Gleichung 3
ist die maximal erzielbare Arbeit festgelegt (Index t bezieht sich auf den Totalzustand und Index s auf den statischen Zustand). Diese Arbeit wird in der Realität nicht erreicht, da die wirkliche Zustandsänderung mit Verlusten behaftet ist
(rote vertikale Linien) und somit nur das Enthalpiegefälle
ai = ∆ht
genutzt werden kann (blaue Linie).
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
109
Abbildung 38:
Zustandsänderung
einer Turbine im h, sDiagramm
Zur Quantifizierung der Verluste wird für einstufige Turbinen, bei denen die kinetische Energie am Austritt des Laufrads als Verlust bewertet werden soll, üblicherweise folgender Wirkungsgrad verwendet:
ηts =
ai
∆hs +
co2
2
Gleichung 4
Hierbei handelt es sich um den inneren isentropen Arbeitswirkungsgrad. Er
setzt die innere Arbeit ins Verhältnis zum isentropen Enthalpiegefälle, wobei
die Abströmgeschwindigkeit als unendlich klein angenommen wurde (vgl.
[Traupel, 2001]).
Untersuchung der Turbine in der Prototypenanlage
Zu Beginn der Forschungsaktivitäten bei Fraunhofer UMSICHT im Bereich Abwärmeverstromung durch ORC-Anlagen (Prototypanlage Wasmerslage) wurde
der Fokus bei der Gesamtanlagenplanung und bei der Komponentenauslegung
stark auf die Sicherheit und die Robustheit (Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit)
gelegt. Dieser Fokus wurde gewählt, da die Prototypanlage nicht in einem
Technikum, sondern bei einem Kunden installiert wurde, so dass die Anlage
überhaupt laufen und das investierte Kapital zurückfließen sollte. Erst nachdem
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
110
sichergestellt werden konnte, dass der Turbogenerator und der ORC-Prozess
insgesamt laufen, wurde der Fokus auf die Effizienzsteigerung des Gesamtprozesses gelegt.
Eine Auswertung der Messdaten dieser Anlage ergab, dass ein großer Teil der
Verluste in der Turbine entstehen, deren isentroper Wirkungsgrad (Definition
siehe oben) nur etwa 63% betrug. Ein Vergleich mit den Wirkungsgraden von
axialen Überschallturbinen ([Verneau, 1987]: 78 %, [Kurzrock, 1989]: 77 %)
ließ den Wirkungsgrad der Turbine allerdings steigerungsfähig erscheinen. Allerdings konnten die dort angewandten Design-Kriterien für Axialturbinen nicht
1:1 auf die hier eingesetzte Zentripetalturbine übertragen werden.
Optimierung der Turbine im Feldversuch ORC
Eine gezielte Verbesserung des isentropen Wirkungsgrades der Turbine kann
erst erreicht werden, wenn die strömungsmechanischen Verluste lokalisiert
sind, d.h. den einzelnen Komponenten (Leitrad, Laufrad, Diffusor) zugeordnet
werden können. Deswegen musste zunächst die Strömung in diesen Komponenten analysiert werden. Da Turbinen dieser Bau- und Betriebsart noch nicht
experimentell oder numerisch untersucht wurden, kann nur sehr eingeschränkt
durch Ähnlichkeitsbetrachtungen auf die Verluste der einzelnen Komponenten
geschlossen werden. Im Stand des Wissens wurde allerdings erläutert, dass
numerische Strömungssimulationen von entsprechenden axialen Turbinen teilweise gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erzielen
können. Die Simulation von Strömungen in Turbinen ist allerdings generell
komplex und die Simulationsergebnisse können fehlerhaft sein. Um die Genauigkeit der Ergebnisse der numerischen Simulation einordnen zu können, müssen die Simulationsergebnisse deshalb mit experimentellen Daten verglichen
werden.
Aus diesen Gründen wurde als Methode zur Lokalisierung und Quantifizierung
der Verluste in der Turbine die numerische Strömungssimulation gewählt. Zusätzlich wurden in einigen Feldtestanlagen in Kooperation mit dem Turbinenhersteller E&P Turbo weitere Druckmessungen in den Turbinen installiert.
Durch den Verlauf des Druckes während der Expansion kann einerseits direkt
auf mögliche strömungstechnische Effekte geschlossen werden und andererseits dienten diese Messungen zum Vergleich zwischen Experiment und Simulation.
Die Optimierung erfolgte in mehreren Schritten.
1. Zunächst wurden die einzelnen Komponenten der Turbine mittels numerischer Simulation untersucht und hierdurch strömungsmechanische
Verluste lokalisiert und quantifiziert.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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2. Anschließend wurde in der Simulationsumgebung die Geometrie variiert und so die Strömungsführung verbessert.
3. Einige der in der Simulation veränderten Geometrien wurden in Feldtestanlagen eingebaut und so experimentelle Daten gesammelt
4. Weiterhin wurden die experimentellen mit den numerischen Ergebnissen verglichen
Durch die Erkenntnisse aus den CFD-Simulationen wurde letztendlich eine Turbinengeometrie entwickelt, welche in einer Feldtestanlage maximale isentrope
Wirkungsgrade zwischen 78 und 80 % erzielt. Dieser optimierte Wirkungsgrad
liegt nun im gleichen Bereich wie jener von entsprechenden axialen Turbinen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
112
2.1.6
Konzeption der Wärmeübertrager
Eine Hochtemperatur-ORC-Anlage enthält drei wesentliche Wärmeübertrager:
Abhitzekessel (Vorwärmer, Verdampfer)
Rekuperator
Kondensator
Die genannten Wärmetauscher sind wie in Abbildung 36 im Kreisprozess angeordnet. Die Spezifikation der Wärmeübertrager ergibt sich aus dem stationären Kreislaufrechenmodell. Darin werden die verfahrenstechnischen Randbedingungen vorgegeben, wie Druck, Temperatur, Druckdifferenz, etc. Die verfahrenstechnische/wärmetechnische Auslegung erfolgt nach VDI-Wärmeatlas.
Da es sich bei diesen Apparaten um Druckgeräte handelt ist eine Festigkeitsberechnung nach dem Regelwerk AD 2000 durchzuführen, zudem sind die Apparate nach der europäischen Druckgeräterichtlinie 97/23/EG zu berechnen und
zu fertigen.
Während des Projektes erfolgten eine verfahrenstechnische Auslegung, eine
Festigkeitsauslegung und eine konstruktive Auslegung für alle Wärmeübertrager. Im Folgenden werden einige Aspekte für die Auswahl und Konstruktion
geeigneter Wärmeübertrager erläutert.
Abhitzekessel/Verdampfer HT-ORC
Die Bauweise eines Abhitzekessels stellt eine konstruktive als auch verfahrenstechnische Herausforderung dar. Zum einen soll der Arbeitsfluid-Holdup im
Verdampfer gering sein, zum anderen sollen mögliche Verschmutzungen durch
das Abgas abgereinigt werden können.
Plattenwärmetauscher sind für die Führung heißer Abgase eher unüblich. Bei
einer mantelseitigen Abgasführung in Rohrbündeln können Verschmutzungen
in der Regel nur durch das Ziehen des Bündels entfernt werden. Daher erfordert eine Abreinigung i. d. R. mehr Zeit als bei der rohrseitigen Abgasführung.
Zudem muss das Arbeitsfluid komplett abgelassen werden. Vorteil der mantelseitigen Abgasführung ist, dass Verschmutzungen im Abgas zunächst geringere Auswirkungen auf die Leistung und den Druckverlust haben.
Bei der wärmetechnischen Auslegung sollte generell die zulässige thermische
Grenze des Arbeitsfluides beachtet werden.
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Feldversuch ORC
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Rekuperator
Ein Rekuperator kühlt den überhitzten Abdampf der Turbine ab und erwärmt
im Gegenstrom das Kondensat, welches vom Kondensator zum Verdampfer
fließt, auf. Rekuperatoren sind als Gas/Flüssig-Wärmeübertrager als Plattenund Rohrbündelwärmetauscher erhältlich.
Bei ORC-Anlagen werden vorrangig Rohrbündelwärmetauscher als Rekuperatoren eingesetzt. Die verwendeten Rohre können sowohl glatt als auch berippt
sein. Die Führung des Arbeitsfluides erfolgt dampfseitig mehrpässig.
Kondensator
Kondensatoren sind sowohl in Platten- als auch in Rohrbündelbauweise erhältlich. Mit der Auslegung und dem Bau von Kondensatoren sind die meisten
Wärmetauscherhersteller vertraut. Dabei werden meist Glattrohre verwendet,
die an den Enden in der Rohrplatte eingeschweißt bzw. eingewalzt werden.
Rohrseitig dient die freigesetzte Kondensationswärme des Kreisprozesses zur
Aufheizung des Kühlkreislaufes. Diese Wärmeleistung kann für Heizzwecke
verwendet werden. Falls dies nicht sinnvoll ist, so kann mithilfe von Rückkühlern die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden.
Mantelseitig werden die Arbeitsfluidtropfen und Flüssigkeit in einem Sammelgefäß unterhalb des Kondensators gesammelt. Aus diesem Vorrat wird die
Speisepumpe gespeist.
Auslegung der Tischkühler
Die Rückkühler für die ORC-Anlagen ohne Abwärmenutzung wurden in enger
Zusammenarbeit mit einem Tischkühlerhersteller ausgelegt.
Für die zwei HT-ORC-Baureihen (50, 100) wurde jeweils ein geeigneter
Luft/Wasser-Wärmetauscher verwendet, der für die meisten Gebiete in
Deutschland einsetzbar ist. Hauptaugenmerk wurde auf eine geringe elektrische Lüfterleistung und akzeptable Baugröße gelegt. Generell gilt: je größer die
Wärmetauscherfläche ist, umso geringer ist die Lüfterleistung. Dies bedeutet
bei einer großen Tauscherfläche, dass die Baugröße und die damit verbundenen Apparatekosten stark ansteigen. Eine gelegentliche Abreinigung des ange-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
114
saugten Schmutzes aus der bei der betrachteten Anwendung auf Biogasanlagen meist staubbelasteten Luft ist anzuraten.
Besonderheiten beim NT-ORC
Beim NT-ORC wird das Arbeitsmittel direkt in einem speziellen Trockenkühler
direkt kondensiert (kein Kühlwasserzwischenkreislauf!) und mantelseitig durch
Umgebungsluft gekühlt, dabei wird das Arbeitsmittel zuerst enthitzt und anschließend kondensiert.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
115
2.1.7
Konstruktion, Aufbau und Statik des ORC-Moduls
Nach der verfahrenstechnischen Auslegung des Prozesses (Kreisprozessrechnung, Massen- und Energiebilanzen) und konstruktiven Auslegung der Wärmeübertrager und des Turbogenerators sind die Abmessungen und Gewichte
der platzintensiven Bauteile bekannt. Aus der verfahrenstechnischen Auslegung und den Spezifikationen der Hauptapparate und Hautaggregate ergeben
sich die Spezifikationen der weiteren nötigen Funktionselemente. Deren Abmessungen und sonstigen Eigenschaften werden durch Anfragen ermittelt.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden dabei für alle Funktionselemente folgende allgemeine Ausführungsrichtlinien festgelegt:
1. Beständigkeit und Eignung für Betriebsfluide:
Beständig gegen Arbeitsfluid
Beständig gegen Kühlsole im Kühlkreislauf
Geeignet für Anwendungstemperatur und Anwendungsdruck nach
Position im Prozess, ggf. Ausführung nach DGRL
Geeignet für Anwendung außen
2. Mechanische Verbindungen:
Dichtigkeit
Bevorzugte Arten von Verbindungen
3. elektrische Hilfsenergie
für Sensoren und kleinere Antriebe
für größere Antriebe und Motoren
4. Messgeräte:
Signalausgänge
meteorologische Klasse
Anzuwendende Messprinzipien
5. Elektrische Betriebsmittel
Alle elektrischen Einrichtungen müssen nach den z.Z. gültigen Regeln der
Technik für einen einwandfreien Betrieb nach den
VDE – Vorschriften,
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
116
DIN/IEC – Normen,
elektrischen Anlagen und Betriebsmittel VBG4
und der
Betriebssicherheitsverordnung
errichtet werden.
Alle elektrischen Einrichtungen sind den örtlichen Umwelteinflüssen (vor allem Außenaufstellung) und den betrieblichen Erfordernissen anzupassen.
Spannung
Schutzart
Kabelbühnen, Kabelschutzrohre sind gemäß DIN EN 61537 auszurichten,
einschließlich des erforderlichen Befestigungsmaterials, Schrauben und Kleinmaterial entsprechend der erforderlichen Kabelführung und dem Einbau der
mechanischen Anlageteile.
Blitzschutz und Potentialausgleich sind nach den gültigen DIN VDE Vorschriften
DIN VDE 0100 und DIN VDE 0185 Teil 1 und Teil 2 auszuführen.
Regelkreise und Ablaufsteuerung wurden realisiert über eine SPS Siemens
S7/300.
Die Schaltanlage des ORC-Moduls wird in zwei separaten Schaltschränken realisiert:
Steuerschrank
beinhaltet alle Komponenten für Steuerung, Regelung und Versorgung
des Kleinkraftwerkes
Einspeisung
beinhaltet alle Komponenten zur Umformung, Schaltung und Einspeisung des erzeugten Stroms in das Niederspannungsnetz
Der Großteil der Messaufnehmer, Aktoren und Antriebe befindet sich im Gestell des ORC-Moduls. Außerhalb des Aufbaurahmens befinden sich ein Teil des
externen Kühlkreislaufes mit Tischkühler und die Abgaswege nebst Umschaltklappen zwischen Wärmequelle und Aufbaurahmen.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
117
Für die notwendigen Verbindungen zwischen allen Funktionselementen des
ORC-Prozesses gibt ein RI-Fließbild den Gesamtaufbau vor. Dieses RI-Fließbild
berücksichtigt die Anforderungen seitens Verfahrenstechnik, Sicherheitstechnik
und Betriebsführung.
Damit können dann Gesamtkonstruktionspläne des ORC-Moduls gezeichnet
werden. Die Querschnitte und Führung der verbindenden Rohrleitungen sind
ihrer Funktion, ihren Betriebsbedingungen und ihren vorgegebenen Anschlüssen anzupassen.
Zur Befestigung des Kondensators in hinreichender Höhe ist ein Halterahmenunterbau notwendig. Der Turbogenerator nebst den Armaturen zwischen Abscheider und Turbogenerator ist für Wartungs- und Reparaturzwecke zugänglich zu machen. Für Transport und Aufstellung des ORC-Moduls am Betriebsstandort sind ein Gestellunterbau sowie Halterungen für alle Apparate, Aggregate, Rohrleitungen, Armaturen, Kabeltrassen und Elektrotechnik notwendig.
Aus den Vorgaben ergibt sich daraus ein Gesamtkonstruktionsplan (Aufstellungsplan), z.B. als 3-D-Zeichnung abgebildet. Dabei sind bereits alle Komponenten mit den notwendigen Verbindungen berücksichtigt.
Die Statik des ORC-Moduls (Gestellstatik) kann nach Vorliegen der Gesamtkonstruktion und Vorliegen der Einzelgewichte aller Komponenten angefertigt
werden. Die Statik muss die Standfestigkeit des ORC-Moduls am Aufstellungsort sowie bei allen Transportvorgängen berücksichtigen.
Die Unterkonstruktion unterhalb des ORC-Modules am Aufstellungsort (Flächenfundament, Streifenfundamente, Stahlplattform) ist ggf. standortspezifisch zu berücksichtigen.
Im Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Dürr Cyplan versucht, die Idee eines
Prozessbaukastens zu verwirklichen, in dem auch für unterschiedliche ORCAusführungen möglichst gleiche oder sehr ähnliche Bauteile und Komponenten
eingesetzt werden. Der Vorteil eines verringerten Aufwands für Ersatzteilvorhaltung und Risikogehalt veränderter ORC-Konstruktionen ist evident.
Zuletzt hatte das Vorhaben den Auftrag einen Cluster von Zulieferern aufzubauen, die Entwicklungsbeiträge liefern können und Erfahrungen beim der Fertigung bestimmter Funktionseinheiten liefern können. Zum Vorhabensende
standen für die meisten Funktionseinheiten mindestens zwei eingearbeitete
Fertigungsbetriebe zur Verfügung. Lediglich beim Turbogenerator wurde wegen des hohen Entwicklungsaufwandes und der engen Verzahnung mit der
Prozessgestaltung lediglich mit einem Lieferanten zusammengearbeitet, der
wesentliche Merkmale seiner technischen Lösung auch geschützt hat.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
118
2.1.8
Aufstellungsplan und Systemintegration des ORC-Moduls am
Standort
Ausgangspunkt der Aufstellungsplanung und Systemintegration am Standort
ist zunächst die Schnittstellenfestlegung. Der Standortbetreiber muss hier vornehmlich die wärmeseitige Anbindung des ORC-Moduls klären. Hierzu gehört
eine verbindliche Festlegung welche Motorabwärme für die Abwärmeverstromung noch zur Verfügung steht und ob die Kondensationsabwärme des ORCModuls noch für weitere Zwecke benötigt wird.
Ferner hat der Standortbetreiber dem Strom-Netzbetreiber vor Ort die Installation des ORC-Modules anzuzeigen und die Modalitäten von Anschluss und
Zählung des ORC-Stromes mit ihm zu klären. Der Genehmigungsbehörde der
Biogasanlage ist die Änderung (Installation eines zusätzlichen ORC-Modules)
anzuzeigen und es sind ggf. Abstimmungsgespräche mit den nachgeordneten
Fachbehörden zu Einzelaspekten zu führen.
Hersteller des ORC-Moduls und Standortbetreiber müssen sich über eine sinnvolle Aufstellung des ORC-Moduls einigen. Hierbei spielen die Flächen zur Aufstellung von ORC-Modul und Rückkühlung, die Wege zur Heranführung der
Antriebswärme und zur Abfuhr der Kondensationswärme sowie die Wege zur
Herstellung aller äußeren elektrischen Verbindungen eine Rolle. Auch ExBereiche der ORC-Anlage müssen im Hinblick auf die betriebliche Umgebung
am Standort berücksichtigt werden. Nicht zuletzt muss am Standort auch der
Antransport des relativ schweren, vormontierten ORC-Moduls über geeignete
Verkehrswege möglich sein.
Danach muss der ORC-Hersteller einen Aufbauplan, insbesondere äußere Abmessungen seines ORC-Moduls bereitstellen und der Standortbetreiber entsprechende Pläne der Umgebung, in die das Modul eingefügt werden soll. Danach sind alle Rohrleitungsverbindungen vorzuplanen.
Im Falle der Heranführung heißen Motorabgases zur Beheizung des ORC Moduls sind die Abgasgegendrücke des Motors unter Berücksichtigung des durch
den Anschluss des ORC-Moduls verursachten Zusatzdruckverlustes für alle
denkbaren Betriebszustände nachzurechnen. Werden die motorseitigen Abgasgegendrücke eingehalten, kann das ORC-Modul entsprechend der Rohrleitungsvorplanung angeschlossen werden. Danach wird die Rohrleitungsplanung
detailliert ausgeführt.
Nach Lieferung des ORC-Moduls zum Standort werden die notwendigen Fachgewerke für den Anschluss ausgeführt (i.d.R. Stahlbau, Rohrleitungsbau, Elektroinstallation, Wärmedämmung).
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
119
2.1.9
Inbetriebnahme, Optimierung, Monitoring und CE-Zertifizierung
der ORC-Feldanlagen
Bei der Inbetriebnahme der gebauten ORC-Module wurden nach folgenden
Prioritäten vorgegangen:
Im Rahmen des Vorhabens wurden die Module anfangs noch nicht wärmegedämmt am Standort angeliefert. Gegen Projektende wurde die Wärmedämmung von drei HT-ORC-Modulen bis auf äußere Anschlussstellen und Transportgefährdete Bereiche bereits im Montagebetrieb angebracht. Transportiert
wurden die ORC-Module umplant auf Semitiefladern. Dies ergab insbesondere
einen geringeren Arbeitsaufwand bei der Installation der Wärmedämmung in
den Fertigungshallen im Vergleich zur Montage der Wärmedämmung am Aufstellungsort. Hieraus resultierte eine Arbeits- und damit Kosteneinsparung beim
Gewerk Isolierung ohne erhöhte Transportkosten. Wesentlicher Nachteil dieser
Vorgehensweise ist, dass infolge des Transportes entstandene Leckagen
schlechter gefunden werden, bzw. ein erhöhter Montageaufwand vor Ort
notwendig ist um die Leckagen zu beheben.
Nach der Auslieferung zum Standort wurde zuerst die Stromversorgung zur
Schaltanlage hergestellt, zumindest zum Steuerschrank. Danach wurden Zug
um Zug die Signalwege nochmals getestet und Messgeräte und Aktoren auf
korrekte Funktion überprüft. Separat transportierte empfindliche Geräte wurden eingebaut und geprüft. Die Funktion extern gelieferter Zubauteile wie beispielsweise der Rauchgasklappen wurde getestet und in die Anlagensteuerung
eingebunden.
Bei den sorgfältig vorgetrockneten ORC-Modulen wurde dann vollständige
Dichtigkeit gestellt. Danach erfolgte die Befüllung mit Arbeitsfluid. Parallel dazu
wurde zur inneren Trocknung und Dichtigkeitsherstellung wurde die Netzeinspeisung (Leistungseinspeisung) und Kommunikation nach außen hergestellt,
weiterhin wurde das ORC-Modul an die vorgesehene Wärmequelle durch verbindende Rauchgasrohre angeschlossen und somit die Anbindung an die
Wärmequelle hergestellt. Im gleichen Zuge erfolgte die Anbindung an den
Kühler. Hier wurde in den Kühlkreislauf eine Wasser-Glykol-Sole eingefüllt.
Dann wurde das ORC-Modul erstmals angefahren und die wesentlichen Prozessfunktionen im Zusammenwirken mit der Steuerung im Bypassbetrieb geprüft. Anschließend konnte dann eine erste Stromerzeugung und Einspeisung
erfolgen.
Nach dem Sammeln erster Betriebserfahrungen wurden die Regelkreise des
ORC-Moduls eingestellt und danach einige Tage erste Betriebserfahrungen gesammelt. Meist zeigten sich in den folgenden Wochen noch einige verdeckte
Parametrierfehler, leichte Steuerungsfehler oder kleinere Komponentenmängel,
die konsequent beseitigt wurden.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
120
Sehr eng gesetzte Warn- und Alarmwerte erzwangen in dieser Inbetriebnahmephase zunächst häufiger ein automatisches Abfahren der Anlage. Dieses
wurde bewusst während der ersten Inbetriebnahmetage in Kauf genommen,
damit auch geringe Fertigungstoleranzen oder fehlerhafte Arbeiten durch die
beauftragten Firmen keinen Schaden an den Anlagen erzeugen konnten. Danach wurden Warn- und Alarmwerte etwas entschärft und die vollautomatischen Betriebszeiten immer länger ausgedehnt, bis die Anlage in einen vollautomatischer Betrieb übergegangen war. In Summe der erfolgten Maßnahmen
stieg in der Regel die Verfügbarkeit der ORC-Anlage bereits stark an.
Mit dem Sammeln von Betriebserfahrung im überwachten Automatikbetrieb
gingen dann erste Analysen des Betriebsverhaltens und der Effizienz der ORCAnlage einher. Optimierungsmaßnahmen bezüglich der Effizienz der Abwärmeverstromung zielen im Wesentlichen auf folgende Bereiche ab:
Einstellung des optimalen Arbeitsfluidholdups in der ORC-Anlage,
Optimierung des Abscheiders für Feuchtigkeit im Frischdampf,
Optimierung der Turbinengeometrie,
Optimierung der Inertgasausschleusung und
Einstellung der Regelparameter für Speisepumpe, Rückkühlung.
Zur Optimierung der Verfügbarkeit wurden meist an folgenden Bereichen gearbeitet:
Parametereinstellungen für Anfahren, Abfahren und Optimierung von
Warnwerten zur vorsorglichen Abschaltung des ORC-Moduls,
Parametereinstellung des Vakuumsystems zur Inertgasausschleusung,
Optimierung der Lagerstandfestigkeit des Turbogenerators und
Dimensionierung des Schmierkreisfilters.
Bereits bei der Optimierung des ORC-Modul wurde das Betriebspersonal am
Standort nach Möglichkeit in die Arbeiten eingebunden, um Know-how zum
Einschalten, Anfahren, Abfahren und Ausschalten der ORC-Anlage sowie zur
Behebung kleinerer Störungen zu transferieren, da die Mitarbeit des Betreibers
hier auch schon frühzeitig einen erheblichen Einfluss auf die Verfügbarkeit des
Systems hat. Bei einigen Modulen wurden alle Armaturen und Anschlüsse mit
Schildern beschriftet um im Störungsfall die Fernkommunikation zwischen Mitarbeitern des Betreibers und von Fraunhofer UMSICHT zu erleichtern. Es sei
auch erwähnt, dass sehr ausführliche Fotodokumentationen aller durchgeführten Arbeitsschritte Wartung und Fehlerbehebung immer wieder deutlich unterstützt haben.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
121
Abbildung 39:
Beschilderung der Bedienelemente einiger
ORC-Module
Für die Steuerung vor Ort und Monitoring/Fernwartung wurde ein System aufgebaut, das die Ansprache der ORC-Module über DFÜ erlaubt.
Abbildung 40:
Touchpanel-Anzeigen
vor Ort im ORC-Modul
und frei konfigurierbare Verlaufsdiagramme
für Monitoring/Fehleranalyse
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
122
Handparametrierung, Handbedienung und Messdatenvisualisierung sind an einem kleinen Touchpanel vor Ort möglich. Auch eine Prozessdatenspeicherung
wird vor Ort im Steuerschrank durchgeführt.
Die einzelnen Messwerte bestehen aus Temperaturwerten, Druckwerten,
Schwingung und Drehzahl des Turbogenerators und elektrischen Messwerten
wie dem elektrischen Eigenbedarf der Anlage sowie der eingespeisten elektrischen Nutzleistung der ORC-Anlage. Hinzu kommen noch die digitalen Messwerte wie Schaltzustände von Relais´ und Aktoren, Rückmeldungen von Antrieben und den Alarm- und Warnwerten der Anlagen, welche bei Über- bzw.
Unterschreitung von Grenzwerten gebildet werden und zu Schalthandlungen
oder Reglereingriffen in der Anlagensteuerung genutzt werden. Die digitalen
Ein- und Ausgabewerte der Steuerung werden ohne Genauigkeitsverlust erfasst. Die erfassten Werte werden mit einer Zeitauflösung von einem Messdatenabbild pro Sekunde an die Speicherroutine übergeben.
Die auf diese Weise gebildete Datengrundlage wird dann zyklisch in einem
Rundlaufarchiv geschrieben. Die Zeitspanne bis zum Überschreiben der Rundlaufarchive beträgt aktuell ca. 6 Wochen, somit ist ein Datenverlust auch bei
unterbrochener Erreichbarkeit der einzelnen Anlage fast auszuschließen, da ein
Zeitraum von 6 Wochen in der Regel ausreicht um einen Fehler in der Kommunikation zur Anlagensteuerung zu beheben.
Als Datenformat wir hier das in der Steuerung zur Verfügung stehende Datenformat der Siemens S7-Steuerung genutzt. Dieses Datenformat bietet die Möglichkeit über die analogen Sensorwerte hinaus noch weitere Zustände des einzelnen Messpunktes wie beispielsweise, Leitungsbruch der Verbindung zwischen Sensor und Steuerung und Unter- oder Überschreitung der gültigen
Messgrenzen zu erfassen. Die so gewonnenen Rohdaten werden auf dem
Speichermedium der Visualisierung in unterschiedlichen Gruppen aufgezeichnet. Jede einzelne Aufzeichnungsgruppe wird hierbei nur dann geschrieben,
wenn sich mindestens ein Messwert der Gruppe geändert hat. Durch die Unterteilung der Messwerte in Gruppen wird das Datenaufkommen auf dem
Speichermedium weiter reduziert.
Folgende Gruppen wurden definiert:
Geringe Änderungsgeschwindigkeit wie beispielsweise Temperaturwerte,
Mittlere Änderungsgeschwindigkeit wie beispielsweise Druckwerte,
Schnelle oder undefinierte Änderungsgeschwindigkeit wie beispielsweise elektrische Leistungsgrößen, Drehzahl oder Unwucht,
Digitale Werte wie beispielsweise Alarme oder Rückmeldungen der Aktoren.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
123
Durch dieses Vorgehen werden die einzelnen Aufzeichnungsgruppen nicht
zwingend sekündlich geschrieben. Es erfolgt jedoch kein Informationsverlust,
da die Messwerte sich innerhalb der Zeitspanne, welche nicht mitgeschrieben
wird, nicht geändert haben. Das Datenaufkommen zur Übertragung auf den
zentralen in Oberhausen vorhandenen Messdatenserver verringert sich jedoch
deutlich. Hier hat sich gezeigt, dass die zu übertragenen Daten durch das Verfahren etwa halbiert wurden. Dies war notwendig, da die meisten Feldversuchsanlagen nur über eine Telefonleitung zu erreichen sind. Die Datenübertragung erzeugt somit Kosten für die Benutzung der Telefonleitung, welche
hierdurch halbiert werden konnten. Typische Übertragungszeiten für das
Messdatenaufkommen eines Anlagentages über eine schlechte Telefonleitung
mit einer maximalen Übertragungsrate von 33.600 Bit/s liegen somit unterhalb
von 30 Minuten je Tag.
Auf dem zentralen Server in Oberhausen werden die entstandenen Aufzeichnungslücken automatisch ergänzt und in der Darstellung der Messdaten wieder zur Verfügung gestellt. Die Messdaten der an die Messdatenaufzeichnung
angeschlossenen Anlagen werden zyklisch mit einer frei einstellbaren Pausenzeit auf den zentralen Messdatenserver in Oberhausen synchronisiert. Hierbei
hat sich eine Synchronisationsfolge von einmal morgens um ca. 8:00 h, dann
mittags um ca. 12:00 h und weiterhin gegen 16:00 h als vorteilhaft erwiesen.
Über das automatische Synchronisieren hinaus ist es möglich auf Anforderung
einzelne Feldversuchsanlagen zusätzlich einmalig zu synchronisieren. Somit
ergibt sich auch die Möglichkeit auf Nachfragen von Feldversuchspartnern, für
die eine Information aus den aktuellen Messdaten benötigt wird, zeitnah zu
reagieren.
Die auf dem zentralen Messdatenserver in Oberhausen gesammelten Daten
werden in einer SQL-Datenbank zur Verfügung gestellt. Somit ist eine automatisierbare Auswertung der Anlagenzustände durch scriptgesteuerte Auswertung auf dem Server möglich. Weiterhin ist eine Anbindung der Datengrundlage an weitere Softwareprodukte wie beispielsweise Microsoft Excel schnell und
ohne großen Aufwand zu realisieren. Zudem ist die Möglichkeit gegeben, die
erfassten Anlagendaten für spezielle Anforderungen als CSV-Datei zu exportieren.
Danach wurde bei Fraunhofer UMSICHT als Frontend, eine relativ frei konfigurierbare Messdatenvisualisierung aufgesetzt, der viele Diagramme in diesem
Bericht entstammen. Mittelfristig wären auf dieser Basis als Weiterentwicklung
auch automatisierte Auswertungen und Überwachungsroutinen möglich. Im
Rahmen dieses Vorhabens wurden Auswertungen aber immer manuell konfiguriert und beurteilt, oft im Vorfeld einer Wartung oder eines Troubleshootings
zur Fehleranalyse und Arbeitsvorbereitung. Aufgrund der geringen Anzahl der
im Feldversuch installierten Anlagen war hier eine mögliche Parametrierung der
Software zur Informationsweiterleitung von Standardfehlern nicht zu realisieren. Die erst im Laufe des Feldversuchs gewachsene Erfahrung bezüglich der
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
124
Kategorisierung von Standard- und Sonderfehlern des Anlagenbetriebs ist auch
aktuell noch nicht so weit fortgeschritten, dass sichere statistische Grundlagen
bestehen, welche eine schnelle automatische Diagnose von Fehlerzuständen aller Anlagen erlauben. Vielmehr ist ein Erfahrungsschatz gewachsen, welcher
für die einzelne Anlage eine sichere Diagnose der anlagentypischen Fehlerfälle
erlaubt. Eine pauschalisierte Betrachtung aller Anlagen ist jedoch nur in Teilbereichen möglich, da jede Weiterentwicklungsstufe auch wieder neue und zuerst nicht vorhersehbare Eigenarten hervorgebracht hat. Grundsätzlich ließen
die technischen Möglichkeiten auch eine automatische Fehlererkennung zu.
Für die Inbetriebnahme, Optimierung und das Troubleshooting wurde am Institut zusätzliche Ausrüstung angeschafft:
Helium-Lecksuchgerät,
IR-Kamera,
PID-Gas-/Dampfmessgerät für Silikonöl und Kohlenwasserstoffe,
Personenschutzmonitore (UEG) für Kohlenwasserstoffe,
Atex-Fasspumpe,
Drehschieber-Vakuumpumpen größerer Förderleistung und
Standardwerkzeug und speziell angefertigte Werkzeuge.
Abbildung 41:
ORCWartungsfahrzeug
Fraunhofer UMSICHT
Die Ausrüstung wurde i.d.R. in einem eingerichteten Wartungsfahrzeug mitgeführt. Hier waren für Wartungseinsätze neben Werkzeug und Ausrüstung auch
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
125
ein Vorrat der wichtigsten kleineren Bauelemente der ORC-Anlage und notwendiges Verbrauchsmaterial aufgeladen.
Nach Abschluss der Optimierung wurden die meisten ORC-Anlagen mit einem
seitlich offenen Dach überdacht, um einen vorteilhaften Witterungsschutz zu
erreichen.
Abbildung 42:
Preiswerte Überdachungen
Im Vorfeld der Inbetriebnahme wurde in Absprach mit dem TÜV-Nord mit der
CE-Zertifizierung der Anlagen begonnen. Die CE-Zertifizierung der ORCModule erfolgt nach der europäischen Druckgeräterichtlinie (DGRL) 97/23/EG.
Hierzu wird von allen verbauten Druckgeräten eine komplette Herstellerdokumentation angefordert und vorgeprüft. Daraus wird dann eine Liste der eingebauten Druckgeräte mit allen zugehörigen Herstellernummern, Zertifikaten und
den Fluidgruppen, Auslegungsdrücken, Prüfdrücken und Kategorien dieser
Druckgeräte angefordert. Diese Dokumentation wird gemeinsam mit einer ausführlichen Gefahrenanalyse und dem Betriebshandbuch dem bearbeitenden
TÜV vorgelegt. Dieser zertifiziert nach einem Ortstermin zur Prüfung der Dokumentation und der Einstellung des Sicherheitstemperaturbegrenzers das
ORC-Modul dann als Baugruppe nach DGRL nach Modul G. Sobald das CEZertifikat des TÜV vorlag, wurde die entsprechende Herstellererklärung erstellt
und das Herstellerschild angebracht.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
126
Abbildung 43:
CE-Zertifikat des TÜV
und Herstellererklärung
zu einem ORC-Modul
Abbildung 44:
Template für die Herstellerschilder zu den
ORC-Modulen im Projekt
Gefördert
durch das
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
127
2.1.10
Erzielte Leistungen, Wirkungsgrade und Teillastverhalten der ORCAnlagen
Die Auswertung und Analyse der verschiedenen ORC-Prozesse an den Feldanlagenstandorten erfolgt mittels Kennzahlen, die aus den Messdaten gewonnen
werden und die Aufschluss über die Effizienz des Prozesses geben.
Für die Bildung von Kennzahlen ist als Grundlage immer ein bestimmter Bilanzraum heranzuziehen. Für die vorgenommene Bewertung werden drei verschiedene Bilanzräume betrachtet. Dadurch wird der einzelne Prozess in verschiedenen Ebenen betrachtet. Abbildung 45 stellt die verschiedenen Bilanzgrenzen
dar. Die Pfeile stehen für Energieströme und sind quantitativ den Ergebnissen
der Anlagen angepasst. Energieströme, die eine Bilanzgrenze passieren, werden in ebendieser berücksichtigt.
Abbildung 45:
Bilanzgrenzen der Kennzahlermittlung am
ORC-Modul
Netzeinspeisung
Abwärme
Wärmezufuhr
ORC-Anlage
Wärmeverlust
Speisepumpenleistung
Eigenverbrauch 1
Eigenverbrauch 2
Der innere Bilanzraum I (blau unterlegte Grafik) umfasst einzig die Kraftwerkseinheit der ORC-Anlage. Hier werden die thermodynamisch relevanten Prozesseinflüsse betrachtet. Zugeführt werden der Anlage ein Wärmestrom Q& zu
(zur Verfügung gestellt von Rauchgaswärme bei den HT-Prozessen bzw. von
Heißwasserwärme beim NT-Prozess) und die Leistung für die Speisepumpe der
Anlage PSp . Abgeführt werden die Bruttoleistung PB , die ins Netz eingespeist
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
128
wird, die Kondensatorwärme Q& ab , die über den Luftkühler an die Umgebung
abgegeben oder im Fall eines KWK-Betriebs als Nutzwärme weiter verwendet
werden kann und ein Verlustwärmestrom Q& V , in dem die maßgeblichen thermischen Verluste der Anlage enthalten sind.
Bilanzraum II (rot) berücksichtigt weiterhin die Leistung des Schaltschrankes
und der Vakuumpumpe, die keinen Einfluss auf den thermodynamischen Prozess haben, jedoch für den Betrieb des Kraftwerks benötigt werden. Diese Leistungen werden mit der Speisepumpenleistung zusammen als Eigenverbrauch
1, PEv1 zusammengefasst.
Im Bilanzraum III (schwarz) werden zusätzlich zum Eigenverbrauch 1 die nur bei
Kondensationsbetrieb der ORC-Anlage (Keine KWK-Nutzung) benötigten Leistungen der Kühlwasserpumpe und des Trockenkühlers berücksichtigt und ergeben dazu addiert den Eigenverbrauch 2, PEv2 .
Zur vollständigen Auswertung werden sämtliche Energieströme benötigt. Für
den NT-Prozess werden die Wärmeströme der beiden Heißwasserströme über
Volumenstrom und Temperaturdifferenzen bestimmt. Die Summe der beiden
Wärmeströme Motorkühlwasser und Gemischkühlwasser des vorgeschalteten
BHKW ergibt die dem Prozess zugeführte Wärmeleistung. Die direkte Erfassung des zugeführten Wärmestromes ist dagegen bei den HT-Prozessen nur
schwierig möglich, da für das Abgas nur Messdaten der Temperatur vorhanden
sind, sich der Abgasvolumenstrom und seine Zusammensetzung jedoch nur
sehr aufwendig ermitteln lassen. Dies ist jedoch an keiner Feldanlage verfügbar
bzw. wäre auch nur sehr kostenaufwendig zusätzlich realisierbar. Aus diesem
Grund wird die zugeführte Wärme für die ORC-Anlagen über eine Bilanz ermittelt. Unter Berücksichtigung der Bilanzgrenzen I ergibt sich dadurch für den
zugeführten Wärmestrom bei HT-Prozessen:
Q& zu = PB + Q& ab + Q& V − PSp
Gleichung 5
Dabei sind die Bruttoleistung, der abgeführte Wärmestrom, der Verlustwärmestrom und die Speisepumpenleistung über Messdaten ermittelbar. Aus allen
verfügbaren Bilanzgrößen lassen sich die Kennzahlen zur Prozessbeurteilung
bilden, die nachfolgend erläutert sind:
Elektrischer Bruttowirkungsgrad
P
ηB = & B
Q
Gleichung 6
zu
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
129
Elektrischer Nettowirkungsgrad 1
η N1 =
PB − PEv1
Q& zu
Gleichung 7
Elektrischer Nettowirkungsgrad 2
ηN2 =
PB − PEv 2
Q& zu
Gleichung 8
Für alle Anlagen werden repräsentative Zeiträume von ungefähr einem halben
Jahr ausgewählt, sodass sowohl Winterbetriebspunkte als auch Sommerbetriebspunkte der jeweiligen Anlage zur Verfügung stehen. Diese Datengrundlage wird zur Analyse benutzt. Eine Ausnahme bildet die Anlage in BietigheimBissingen, welche nur geringe Betriebszeiten aufweist und hauptsächlich für
kürzere Grundsatzuntersuchungen und zu Demonstrationszwecken betrieben
wird. Die Datengrundlage bei der Anlage in Bietigheim-Bissingen bezieht sich
daher auf ausgewählte Versuchsreihen.
Zur Anlagenauswertung ist es nötig, stationäre Punkte zu betrachten, da Anfahrvorgänge und ein träges Prozessverhalten à priori falsche Bewertungen
verursachen würden. Aus diesem Grund werden die ausgewählten Rohmessdaten auf Basis der thermischen Eingangsleistung in Leistungsklassen von 10 kWth
eingeteilt und hierauf aufbauend die o.g. Wirkungsgrade berechnet. Als stationäre Betriebspunkte werden dann allerdings nur Datensätze betrachtet, die
eine bestimmte Anzahl an Datenpunkten aufweisen, so ist ein Anfahrvorgang
mit großer Wahrscheinlichkeit auszuschließen. Über die jeweiligen Leistungsklassen können dann jeweils für die Wirkungsgrade, Leistungen und Verbräuche Mittelwerte gebildet werden, um zeitliche Schwankungen und Ausreißer
zu minimieren. Dabei werden nicht selektierte Maximalwerte sondern betriebliche Mittelwerte nach dem Kriterium ausreichender Stationarität dargestellt.
Kombinationen von Eingangswärmeströmen und Ausgangsleistungen, welche
mit einer geringeren Häufigkeit als 1 % der gesamten Messdatengrundlage
vorkommen werden hierbei unberücksichtigt gelassen, da es sich hierbei um
instationäre Betriebspunkte beim An-, Abfahren und bei großen Lastsprüngen
der Anlage handelt.
Aus dieser Datenermittlung ergeben sich nachfolgende Diagramme.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
130
Es gibt in der Praxis nicht „das“ Betriebsdiagramm einer ORC-Anlage.
Aufgrund verschiedener Ursachen streuen reale, über einen längeren Zeitraum
gewonnene Messwerte selbst derselben ORC-Anlage immer relativ stark und
schwanken über einen längeren Zeitraum etwas, da viele anlagentechnische,
betriebliche und äußere Einflussgrößen zusammen den realen Wirkungsgrad
bestimmen.
Die folgenden Auswertungen zu den einzelnen Versuchsanlagen bei den HTORC-Anlagen A-50 und A-100 zeigen, dass die erwarteten Leistungen der Anlagen speziell im Teillastbetrieb gegenüber der Entwicklungsspezifikation weitestgehend übertroffen werden. Im Volllastbetrieb werden die erwarteten Leistungen erreicht bzw. leicht übertroffen.
Das Unterschreiten der erwarteten Leistungen der NT-ORC-Feldversuchsanlage
in Quarnbek ist auf eine überschätzte verfügbare Abwärmemenge und damit
einer Überdimensionierung der ORC-Anlage zurückzuführen.
Das leichte Unterschreiten der erwarteten elektrischen Leistungen der Feldversuchsanlage in Valovice bei hohen thermischen Eingangswärmeleistungen ist
insbesondere darauf zurückzuführen, dass bei der Anlage in Valovice noch ein
Silikonöl als Arbeitsfluid eingesetzt wird. Zu Projektbeginn erschien allen Beteiligten das Risiko zu groß, ein neues Arbeitsfluid gerade in der am weitesten
entfernt liegenden Feldanlage im Ausland einzusetzen.
Der danach vorgenommene Arbeitsfluidwechsel, die Weiterentwicklung des Direktverdampfers, des Rekuperator-Kondensators und des Turbogenerators hat
dann in den weiteren Feldversuchsanlagen zu einem Erreichen der Zielwerte
und in den zuletzt aufgebauten Anlagen in Flörsheim-Wicker und BietigheimBissingen/Platten zu einer deutlichen Überschreitung der Zielspezifikation geführt.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
131
ORC Valovice
Abbildung 46:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Valovice
In Abbildung 46 ist die elektrische Bruttoleistung der Anlage Valovice über der
zugeführten Abgaswärmeleistung aufgetragen. Der dargestellte lineare Zusammenhang beider Größen suggeriert einen trivialen Zusammenhang, der an
dieser Stelle jedoch nicht zutreffend ist. Vielmehr ist das Zusammenspiel von
Eingangswärmeleistung und elektrischer Leistung sehr komplex, da viele verschiedene Parameter die Größen beeinflussen können. Die elektrische Leistung
ergibt sich bei einem Kreisprozess aus der über die Turbine erzeugten mechanischen Leistung der Welle. In der Turbine wird das Arbeitsmedium von einem
hohen Druck auf einen niedrigen Druck entspannt, dabei wird die in dem Fluid
enthaltene Energie über die Schaufeln der Turbine an die Welle abgegeben. Ein
Maß für den Energiegehalt ist die Enthalpiedifferenz zwischen Turbineneintritt
und -austritt. Die Enthalpie kann über Stoffdatengleichungen ermittelt werden
und diesen liegen meistens komplexe nichtlineare Gleichungen zugrunde, die
bspw. aus den Größen Druck und Temperatur verschiedene Zustandsgrößen
berechnen können. Die elektrische Leistung ergibt sich dann aus der Multiplikation der Enthalpiedifferenz mit dem Massenstrom des Arbeitsmittels (abzüglich von Verlusten an Welle, Generator, Umrichter). Die elektrische Leistung
hängt demnach vom Druck und der Temperatur des Arbeitsmittels vor und
nach der Turbine ab und von dem Massenstrom des Arbeitsfluides. Diese Faktoren werden durch die thermische Eingangsleistung, die Turbinengeometrie
und die Außentemperatur beeinflusst.
Der lineare Zusammenhang lässt vermuten, dass der Bruttowirkungsgrad (Quotient aus Elektrischer Bruttoleistung und zugeführter Abgaswärmeleistung) nä-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
132
herungsweise konstant ist. Das bedeutet, dass der Wirkungsgrad sowohl in der
Teillast, als auch in der Volllast keinen großen Schwankungen unterworfen ist.
Aus diesem Diagramm wird weiterhin deutlich, dass bei Motorteillast (geringe
zugeführte Abgaswärmeleistung) oder bei Anfahrvorgängen der Anlage die
Leistung des ORC niedrig ist. Demnach sollte der Betreiber bestrebt sein dem
ORC ausreichend Wärme zur Verfügung zu stellen, um die Energieausbeute zu
erhöhen.
Abbildung 47:
Elektrischer Eigenbedarf über der elektrischen Bruttoleistung,
ORC Valovice
Der elektrische Eigenbedarf stellt die Differenz aus Brutto- und Nettoleistung
dar. In Abbildung 47 wird die Abhängigkeit von der elektrischen Bruttoleistung
dargestellt. Maßgeblich für den Eigenbedarf ist der Massenstrom. Mit steigendem Massenstrom erhöht sich sowohl der Bedarf für die Speisepumpe als auch
die gesamte Wärmemenge im Prozess. Daher muss auch mehr Wärme über
den Trockenkühler abgeführt werden. Bei erhöhter elektrischer Leistung steigt
sowohl der Massenstrom, als auch die abzuführende Wärmemenge an. Aus
diesem Grund steigt der Eigenbedarf auch kontinuierlich linear an. Abweichungen von der linearen Ausgleichsgerade unterliegen den Schwankungen in
den Messwerten der Betriebspunkte, welche durch externe Störgrößen verursacht werden.
Der relativ hohe Eigenbedarf der Anlage bei hohen elektrischen Leistungen ist
letztlich dem steigenden Volumenstrom, der steigenden Druckdifferenz an der
Speisepumpe und der hohen abzuführenden Kondensatorleistung zuzuschreiben. Ebenso ist klimatisch bedingt der Trockenkühler im Sommer an seiner
Leistungsgrenze und läuft unter Volllast.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
133
Der Unterschied zwischen beiden Eigenbedarfskurven zeichnet sich durch die
Leistung der Trockenkühler und der Kühlwasserpumpe aus, die als Offset den
Eigenbedarf erhöhen, da die Kühlwasserpumpe und eine von mehreren Lüftergruppen ständig läuft. Dies erklärt die nahezu identische Steigung, aber den
unterschiedlichen Schnittpunkt mit der y-Achse. Durch die Rückkühlung gegen
die Umgebung erhöht sich der Eigenbedarf um ca. 4 kWel.
Abbildung 48:
Nettoleistungen über
der zugeführten Abgaswärmeleistung,
ORC Valovice
Abbildung 49:
Brutto- und Nettowirkungsgrade über der
zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC
Valovice
Der zuvor angesprochene Zusammenhang zwischen zugeführter Wärmeleistung und der elektrischen Bruttoleistung setzt einen annährend konstanten
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
134
Wirkungsgradverlauf voraus. In Abbildung 49 zeigt sich eben dieser Verlauf.
Der Bruttowirkungsgrad unterliegt nur geringen Änderungen (etwa 2 %Punkte). Dieser Verlauf des Wirkungsgrades findet sich auch in den Abbildung
50 und Abbildung 51 wieder. Dort ist jeweils der Wirkungsgrad (Brutto und
Netto) über der entsprechenden Leistung aufgetragen. Auch hier unterliegen
die Messwerte keinen großen Schwankungen und geben den bisherigen Trend
sehr gut wieder.
Abbildung 50:
Bruttowirkungsgrad
über der elektrischen
Bruttoleistung, ORC
Valovice
Abbildung 51:
Nettowirkungsgrade
über der jeweiligen
elektrischen Nettoleistung, ORC Valovice
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
135
ORC Altenberge
Für die Anlage in Altenberge ergeben sich qualitativ die gleichen Diagramme.
Die elektrische Bruttoleistung ist wieder in einem linearen Zusammenhang mit
der Abgaswärmeleistung verknüpft und maßgeblich durch den Massenstrom
und die weiteren Faktoren (Druck, Temperatur, vgl. Valovice) bestimmt. Die
Messdaten bieten sehr gute stationäre Betriebspunkte, da es kaum Ausreißer
der Messwerte gibt, die dem Trend nicht folgen.
Abbildung 52:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Altenberge
Der in Abbildung 53 aufgetragene Eigenbedarf zeigt die Unterschiede zu Valovice deutlich. In der ORC-Anlage Altenberge wird ein Kohlenwasserstoff als
Arbeitsmittel eingesetzt und dies senkt den Eigenbedarf im Vergleich zum Silikonöl beim ORC in Valovice, da der erforderliche Arbeitsmittelvolumenstrom
und damit die erforderliche Speisepumpenleistung stark reduziert wird. Zusätzlich kann bei gleich bleibendem Wärmeeintrag die Bruttoleistung auch gesteigert werden, da sich zusätzlich der Wirkungsgrad erhöht. Ebenso zeigt sich
hier, dass die Kühlwasserpumpenleistung und der Bedarf des Trockenkühlers
nahezu als Offset hinzuaddiert werden kann. Der zusätzliche Bedarf beträgt
hier etwa 4 kWel, er liegt demnach in einer ähnlichen Größenordnung wie der
entsprechende Eigenbedarfsanteil in Valovice. Dies entspricht der Erwartung,
da es sich hier prinzipiell um Anlagen gleichen Typs handelt.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
136
Abbildung 53:
ORC Altenberge
Abbildung 54:
ORC Altenberge
Der Eigenbedarfszuwachs durch Rückkühlung zeigt sich auch in dem Vergleich
der Nettoleistungen in Abbildung 54. Der streng lineare Verlauf über der Abgaswärmeleistung war bereits in den vorherigen Diagrammen zu erkennen.
Das andere Arbeitsmittel wirkt sich auch auf die Wirkungsgrade aus. Diese
konnten im Vergleich zur Anlage in Valovice insgesamt gesteigert werden. Ge-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
137
nerell sollte der Wirkungsgrad mit steigender Anlagenleistung steigen, sofern
nicht nur der Massenstrom, sondern auch die Frischdampfparameter optimiert
werden und keine Begrenzung durch die Turbine vorhanden ist. Die verbesserte Anlage (neuer Verdampfer, neues Arbeitsmittel, etc.) zeigt Vorteile im Wirkungsgrad in der Teillast. Diese sind höher als in der ORC-Anlage Valovice.
Ebenso wurde der maximale Bruttowirkungsgrad auf über 16 % erhöht (vgl.
Abbildung 55).
Abbildung 55:
Altenberge
Abbildung 56:
Bruttowirkungsgrad
Bruttoleistung, ORC
Altenberge
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Feldversuch ORC
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Abbildung 57:
Nettowirkungsgrade
elektrischen Nettoleistung, ORC Altenberge
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
139
ORC Flörsheim-Wicker, GM 3/4
Abbildung 58:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 3/4
Die ORC-Anlage Wicker 3/4 zeigt als Anlage der neuesten Generation mit die
höchsten Wirkungsgrade der Anlagen des Typs A-100. Die Anlagen in Wicker
arbeiten mit einer gegenüber Valovice und Altenberge erhöhten Eingangswärmeleistung, da jeweils zwei Gasmotoren die Wärme für ein ORC-Modul liefern. Abbildung 58 zeigt ein breites Leistungsspektrum der ORC-Anlage 3/4.
Die elektrische Bruttoleistung konnte in der Anlage auf 110 kWel gesteigert
werden. In den Betriebsdaten wird ein Teillastfall von knapp 50 % dargestellt.
Durch den Einsatz einer kleineren Kühlwasserpumpe konnte der Eigenbedarf 2
etwas verringert werden.
Die Leistung des lokal notwendigen Saugzugs wurde weder bei ORC an
GM 3+4 noch beim ORC-Modul an GM 6+7 beim Eigenbedarf berücksichtigt,
da so lange Abgaswege wie am Standort Wicker eher die Ausnahme sein dürften. Nennenswerte Saugzugleistungen fallen in beiden Fällen erst beim Betrieb
mit beiden Motorabgaswärmströmen an, beim Betrieb mit nur einem Abgaswärmestrom liegen die Saugzugleistungen jeweils im Bereich von 1 bis 2 kWel.
Beim Betrieb mit beiden Abgaswärmeströmen kann die Saugzugleistung, je
nach gefordertem maximalem Abgasgegendruck deutlich ansteigen.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Abbildung 59:
ORC Flörsheim-Wicker
GM 3/4
Abbildung 60:
GM 3/4
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
141
Abbildung 61:
Flörsheim-Wicker GM
3/4
In Abbildung 61 zeigt sich deutlich ein Maximum der Wirkungsgrade im Bereich von 450 bis 500 kWth Eingangswärmeleistung. Danach sinkt der Wirkungsgrad ab, was entsprechend den vorherigen Messwerten der Bruttoleistung auch zu erwarten war. Die Anlage wird oberhalb etwa 100 kWel durch eine Turbinenbypassregelung gedrosselt, die den Massenstrom in der Turbine bei
sehr hohen Wärmeeingangsleistungen reduziert, da der Umrichter dieses ORCModuls bei 110 kWel limitiert ist. Das bedeutet, dass sich trotz erhöhter Eingangsleistung die Prozessparameter nicht so einstellen können, dass die Bruttoleistung und ebenso der Wirkungsgrad entsprechend gesteigert wird. Weiterhin unterstützt der Einsatz einer kleinen Kühlwasserpumpe, sowie die Auslastung der Wärmeaustauscher wie oben erwähnt diesen Effekt.
Erkennbar sind aber die Lerneffekte, die bei dem Prozess der letzten Generation schon eingetreten sind. Die Nettowirkungsgrade konnten deutlich gegenüber den Vormodellen gesteigert werden. Insbesondere die Weiterentwicklung
der Apparate und die Optimierung der Turbine sind hier die maßgeblichen
Gründe für die Effizienzsteigerung.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Abbildung 62:
Bruttowirkungsgrad
Bruttoleistung, ORC
3/4
Abbildung 63:
Nettowirkungsgrad
elektrischen Nettoleistung, ORC FlörsheimWicker GM 3/4
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
143
ORC Flörsheim-Wicker, GM 6/7
Abbildung 64:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 6/7
Die Anlage Wicker 6/7 unterscheidet sich nur in einigen Punkten von der
Schwesteranlage am gleichen Standort. Die Wärmezuführung erfolgt hier auch
von zwei (anderen) Gasmotoren, deren thermische Leistung sogar noch höher
ist. Daher wird hier eine maximale elektrische Leistung von über 120 kWel erreicht. Die Teillastfähigkeit beträgt hier sogar knapp 40 % (siehe Abbildung
64).
Der Eigenbedarf verhält sich passend zu der Anlage 3/4 (Abbildung 65). Mit
dem Unterschied, dass hier eine größere Kühlwasserpumpe verbaut wurde.
Leider ist der Effekt, welcher sich durch Nutzung dieser stärkeren Kühlwasserpumpe im Vergleich zur Anlage Wicker 3/4 zeigen sollte nicht eindeutig zu
quantifizieren. Dies ist der ungünstigen vom Betreiber vorgeschriebenen Aufbausituation geschuldet. Während das Modul 3/4 auf dem Dach bei guten
Kühlbedingungen arbeiten kann, ist das Modul 6/7 oberhalb der Motorenkühlwasserkühler angebracht. Hierdurch wird nicht die entsprechend der Außenbedingungen zu erwartende Kühllufttemperatur erreicht, sondern die Kühlluft des Trockenkühlers für den ORC durch die Motorkühler vorgeheizt.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
144
Abbildung 65:
GM 6/7
Abbildung 66:
Elektrische Nettoleistungen über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Flörsheim-Wicker GM 6/7
Ein Wirkungsgradmaximum ist hier nicht so deutlich auszumachen. Aber der
Wirkungsgrad stagniert bei hohen Eingangswärmeleistungen. Eine Einspeisungsbegrenzung wie bei dem Modul 3/4 war nicht nötig, da hier ein Umrichterfabrikat größerer Leistung getestet wurde. Weiterhin ist aufgrund der
schlechten Kühlbedingungen, welche dem Standort geschuldet sind, eine Auslastung der Wärmeaustauscher früher erreicht, dies wirkt sich dann auch ver-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
145
ringernd auf den Wirkungsgrad der ORC-Anlage 6/7 bei hohen thermischen
Eingangsleistungen aus.
Abbildung 67:
6/7
Abbildung 68:
Bruttowirkungsgrad
Bruttoleistung, ORC
6/7
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
146
Abbildung 69:
Nettowirkungsgrade
elektrischen Nettoleistung, ORC FlörsheimWicker GM 6/7
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
147
ORC Bietigheim-Bissingen
In der Anlage Bietigheim wurden verschiedene Arbeitsmittel eingesetzt. So
konnten verschiedenen Kondensationstemperaturen eingestellt werden. Folgende Diagramme zeigen beispielhaft Messdaten mit einem Arbeitsmittel. Dabei ergibt sich eine maximale Bruttoleistung von knapp 60 kWel. Auch hier beträgt die Teillastfähigkeit 40 % (vgl. Abbildung 70).
Abbildung 70:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Bietigheim-Bissingen
Abbildung 71:
ORC BietigheimBissingen
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
148
Abbildung 72:
ORC BietigheimBissingen
Abbildung 73:
Bietigheim-Bissingen
Abbildung 73 zeigt, dass die Wirkungsgrade hier ebenfalls kaum schwanken.
Das heißt, in der Teillast beträgt der Wirkungsgrad noch 16 % während in der
Volllast 18 % erreicht werden, also über den Betriebsbereich nur eine Schwankung um 2 %-Punkte.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
149
Abbildung 74:
Bruttowirkungsgrad
Bruttoleistung, ORC
Bietigheim-Bissingen
Abbildung 75:
Nettowirkungsgrade
elektrischen Nettoleistung, ORC BietigheimBissingen
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
150
ORC Platten
Die ORC-Anlage Platten ist nahezu baugleich zum ORC Bietigheim. Die maximale Leistung ist etwa gleich. In Teilllast ergeben sich in Platten jedoch etwas
höhere Bruttoleistungen. Demnach ist hier ein besserer Teillastwirkungsgrad zu
erwarten. Dies bestätigt Abbildung 79, es zeigt sich sogar, dass der Wirkungsgrad in dem niedrigen Leistungsbereich besser ist als bei höheren Eingangsleistungen. Ursache hierfür ist wahrscheinlich ein Überschreiten des Maximums
des Turbinenwirkungsgrades bei den höheren Leistungen.
Abbildung 76:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Abgaswärmeleistung, ORC Platten
Abbildung 77:
ORC Platten
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
151
Durch die Auslegung der Turbinengeometrie wurden erste Versuche zum Betrieb bei höheren Kondensationstemperaturen ermöglicht. Die aktuell verbaute
Turbinengeometrie ermöglicht somit einen Betrieb der Anlage mit signifikant
höheren Kühlwassertemperaturen, die in diesem Fall noch nicht aufgetreten
sind. Hierdurch ist der elektrische Hilfsenergiebedarf des Trockenkühlers reduziert. Der Offset zwischen Eigenbedarf 1 und 2 ist somit verringert, auch im
Vergleich zu der Anlage in Bietigheim-Bissingen. Dies liegt an den höheren
Kühlwasservorlauftemperaturen, dadurch wird ein geringerer Luftvolumenstrom zu Kühlung benötigt, was die Lüfterleistung reduziert.
Abbildung 78:
ORC Platten
Abbildung 79:
zugeführten Abgaswämeleistung, ORC
Platten
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Feldversuch ORC
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Abbildung 80:
Bruttowirkungsgrad
Bruttoleistung, ORC
Platten
Abbildung 81:
Nettowirkungsgrade
elektrischen Nettoleistung, ORC Platten
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Feldversuch ORC
153
ORC Quarnbek
Als Auslegungspunkt für die NT-ORC-Anlage in Quarnbek war eine Bruttoleistung von 42,5 kWel bei einer Wärmeleistung von 621 kWth vereinbart. Leider
konnte die Auslegungswärmeleistung jedoch zu keiner Zeit des Betriebs stabil
erreicht werden, sie konnte nur manuell kurzzeitig eingestellt werden. Dabei
wurde dann auch die vereinbarte Bruttoleistung kurzfristig dargestellt.
Durch Erweiterung des Nahwärmenetzes während des Projektverlaufes nahm
die verfügbare Wärmeleistung sogar zum Ende des Projektes weiter ab. Real
möglich sind maximal 500 kWth. Des Weiteren waren die ursprünglich angestrebten Vorlauf/Rücklauf-Temperaturen (100/84 °C) nicht erreichbar. Beides
minderte Leistungen und Wirkungsgrade gegenüber den ursprünglichen Auslegungswerten erheblich. Speziell die signifikant geringere Wärmevorlauftemperaturen von nur etwa 84 °C, welche im günstigsten Fall im Dauerbetrieb erreicht werden kann, wirkt sich stark mindernd auf die tatsächlich erreichbaren
Wirkungsgrade und Leistungen aus.
Abbildung 82:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Heißwasserwärmeleistung, ORC
Quarnbek
Im letzten Projektdrittel wurde die ORC-Anlage, insbes. die Turbine, an die
dauerhaft geminderte Wärmeleistung und Vorlauftemperatur angepasst und
die Verringerung des maximal zu erreichenden Wirkungsgrades zu Gunsten eines stabilen Betriebs in Kauf genommen. Deshalb ist die Gesamtanlage bezogen auf die real vorliegenden Bedingungen zur Versorgung mit Antriebswärme
nicht optimal ausgelegt und es werden relativ niedrige Leistungen und Wirkungsgrade in den heute real fahrbaren Betriebspunkten festgestellt. Die Turbine hat ihr Wirkungsgradmaximum jetzt im Bereich der stationär maximal ver-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
154
fügbaren Eingangswärmeleistung bzw. resultierenden elektrischen Bruttoleistung.
Abbildung 83:
ORC Quarnbek
Abbildung 84:
der zugeführten Heißwasserwärmeleistung,
ORC Quarnbek
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
155
Abbildung 85:
zugeführten Heißwasserwämeleistung, ORC
Quarnbek
Der aufgrund der angepassten Turbinengeometrie realisierte maximale Wirkungsgrad liegt bei ca. 470 kWth.
Abbildung 86:
Bruttowirkungsgrad
Bruttoleistung, ORC
Quarnbek
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Abbildung 87:
Nettowirkungsgrade
Nettoleistung, ORC
Quarnbek
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
157
Alle Feldversuch-ORC Anlagen im Vergleich
Verweisend auf die Eingangsbemerkungen zu diesem Kapitel ist zu den Vergleichsdiagrammen anzuführen, dass die angestrebten Entwicklungsziele im
Laufe des Projektes Feldversuch ORC im Wesentlichen erreicht wurden. Nur die
Feldversuchsanlage des Typs A-100-β sowie des Typs W-25-α blieben leicht unterhalb der laut Zielspezifikation erwarteten Leistungen zurück. Die anderen
Anlagen liegen auf den erwarteten Leistungskurven oder übertreffen die Erwartungen sogar.
Abbildung 88:
Elektrische Bruttoleistung über der zugeführten Wärmeleistung, alle FeldversuchORC, Vergleich mit
Zielspezifikation des
Vorhabens
Abbildung 89:
Elektrische Nettoleistung 1 über der zugeführten Wärmeleistung, alle FeldversuchORC
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
158
Abbildung 90:
Bruttowirkungsgrad
über der zugeführten
Wärmeleistung, alle
Feldversuch-ORC, Vergleich mit der Zielspezifikation
Abbildung 91:
Nettowirkungsgrad 1
über der zugeführten
Wärmeleistung, alle
Feldversuch-ORC
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
159
2.1.11
Dynamik und Netzkonformität der ORC-Anlagen
Stationäre Zustände von Energieanlagen beschreiben Betriebspunkte eines Prozesses, in denen die Messdaten bzw. Kenngrößen des Prozesses zeitlich nicht
variieren und über einen gewissen Zeitraum als konstant angesehen werden
können. Diese Zustände ergeben sich oft nach einer gewissen Betriebszeit.
Vergleichbar ist dies mit einem Tempomat am Auto. Wird dieser aktiviert, beschleunigt das Auto bis es die Soll-Geschwindigkeit erreicht hat, danach wird
diese nur in minimalen Fällen unter- oder überschritten. Nach einer gewissen
Zeit erreichen Anlagen also ein stationäres Betriebsverhalten.
Energieanlagen, welche auf einem CRC- bzw. ORC-Prozess basieren, erreichen
einen stationären Zustand nur langsam. Um einen stationären Betriebspunkt zu
erreichen durchläuft eine ORC-Anlage verschiedene transiente Betriebspunkte,
in denen sich die Messdaten und demnach also die Betriebspunkte der
ORC-Anlage zu den Zeitschritten davor und danach ändern. In diesem Fall
spricht man von einem dynamischen Verhalten. Dynamisch und statisch beziehen sich also nicht auf die Tatsache, dass ein Fluid in der Anlage fließt, sondern
darauf, dass sich Prozesswerte über den zeitlichen Verlauf ändern können.
Tabelle 7:
Definition dynamisches und stationäres Betriebsverhalten
Dynamisch
Prozessgrößen ändern sich über den betrachteten zeitlichen Verlauf
Stationär
Prozessgrößen bleiben über den betrachteten
zeitlichen Verlauf nahezu konstant.
Die Besonderheit bei Kreisprozessen wie dem ORC-Prozess ist, dass Effekte zyklisch auftreten können, da das Fluid wie die Namensgebung schon sagt, sich in
einem Kreislauf befindet. So kann die Möglichkeit bestehen, dass Effekte einer
Eigendynamik unterliegen und sich aufschwingen.
Bei den ORC-Anlagen gibt es verschiedene Ursachen für ein dynamisches Verhalten des Prozesses. Diese Ursachen sind in den meisten Fällen extern bedingt
und nur selten intern.
Generell lässt sich jedoch sagen, dass Anlagen der in diesem Projekt untersuchten Größenordnung träge reagieren. Das bedeutet, dass interne und externe
Ursachen oder Effekte (sog. Störgrößen) nicht unbedingt direkt eine Wirkung
zeigen bzw. diese nicht unbedingt sofort oder schnell sichtbar ist. Das erschwert eine sinnvolle Reaktion auf ungewünschte Störungen, kann aber auch
dafür sorgen, dass mögliche Probleme durch Dämpfung gemildert werden.
Die Ursache für die Trägheit des ORC-Prozesses liegt vornehmlich in drei Punkten:
30. April 2013
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Feldversuch ORC
160
Anlagengröße und somit wirksame Wärmekapazitäten,
Arbeitsfluidmenge und
Prozessregelung.
Die Anlage ist ein Wärmekraftprozess und besitzt daher Wärmeübertrager.
Wird Wärme nun in den Prozess eingebracht, muss erst einmal das Anlagenmaterial des Verdampfers auf Temperatur gebracht werden. Maßgeblich hierfür sind die Wärmeleitung und die Wärmekapazität des am Wärmeaustausch
beteiligten Metalls. Zuerst ist also der Wärmestrom aus dem Verdampfer in
den restlichen Kreisprozess geringer als der aus dem wärmeliefernden Medium
entnommene Wärmestrom. Die Differenz verbleibt als Temperaturänderung in
der stationären Wärmekapazität des beteiligten Wärmetauschers. Dieser Prozess braucht eine Weile, bis der stationäre Betriebsfall erreicht ist. Ebenso wirken die weiteren Wärmekapazitäten wie Abscheider, Rohrleitungen, weitere
Wärmeaustauscher, das Kreisprozessmedium selbst, sowie ggf. auch das
Kühlwasser des Prozesses, nebst Rohrleitungen und Trockenkühler bis ein stationärer Zustand asymptotisch erreicht wird. Es spielt auch der absolut Wert
des eingebrachten Primärwärmestroms eine große Rolle. Zum einen ergibt sich
aus dem eingebrachten Primärwärmestrom der benötigte Massenstrom des
Arbeitsmittels, um bei den sich einstellenden Prozessbedingungen den Wärmetransport zu ermöglichen. Zum weiteren bestimmt der absolute Wert des
eingebrachten Wärmestroms in Kombination mit der aufgrund der Umgebungsbedingungen möglichen Wärmeabfuhr und sich somit ergebenden Kondensattemperatur des Arbeitsmediums, den Arbeitspunkt der ORC-Anlage,
welcher sich einstellt. Je nach Arbeitspunkt der Anlage ergeben sich somit andere Wärmemengen, welche im Prozess gespeichert werden müssen und somit
auch ein anderer asymptotischer Temperaturverlauf innerhalb der Anlage.
Weiterhin besitzt der Prozess verschiedene Regelkreise, die den Prozessbetrieb
sicherstellen und regeln. Ausgehend von Messdaten der Sensoren werden diese Betriebsmesswerte genutzt um Komponenten und Armaturen im Prozess zu
regeln. Durch diese Regelung stellt sich ein dynamisches Verhalten ein, das
ebenfalls eine gewisse Trägheit besitzt. Aus diesem Grund ist die Wahl des
Reglertyps und Parametrierung von großer Wichtigkeit und für einen sicheren
stationären Betrieb unabdingbar, ebenso für einen dynamisch kontrollierten
Betrieb. Falsch eingestellte Regler führen zu einem Aufschwingen der Prozessgrößen und verhindern so das Erreichen eines stationären Betriebszustandes.
Externe Störgrößen wie die Außentemperatur, die Sonneneinstrahlung, die
Luftfeuchte, Regen oder andere Witterungseinflüsse wie Windgeschwindigkeiten führen insbesondere auf der Kondensatorseite des Prozesses zu deutlichen
Auswirkungen auf die Prozessparameter.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
161
Tabelle 8 stellt die Hauptursachen und Auswirkungen für das dynamische Verhalten der ORC-Anlagen dar.
Tabelle 8:
Gegenüberstellung von Ursachen und Wirkung dynamischer Effekte
Ursache
- Anfahrvorgang der Anlage
-
Komponenten müssen sich erst aufheizen, Arbeitsfluid
nimmt nicht den ganzen Wärmestrom auf
-
Fluid und / oder Apparate bzw. Rohrleitungen in isolierten Bereichen der Anlage können noch warm sein und
beim Umwälzen des Arbeitsmittels für Temperatur- und
Druckanstiege verantwortlich sein
-
Die kalte Anlage hat noch keinen kontinuierlichen Umlauf, daher ist die Anlagenregelung über den Füllstand
ebenfalls diskontinuierlich
-
Temperatursensoren sind kalt und nehmen nur langsam
durch die Schutzhülle bedingt die wahre Prozesstemperatur an
-
Die Anfahreffekte kehren sich teilweise um
-
Die Anlage ist noch sehr heiß und benötigt Zeit, bis sie
abgekühlt ist und wieder betriebsbereit ist
-
Die Temperaturänderungen bzw. gespeicherten Wärmemengen in den Wärmetauschern verlangsamen die
Temperatur- und Druckabsenkungen
- Witterungsbedingte Einflüsse
von außen
-
Temperaturschwankungen wirken sich auf die Kühlleistung des Trockenkühlers aus. Hohe Kühlwasservorlauftemperaturen verursachen einen Temperaturanstieg im
Kondensator und damit einen Leistungsverlust der Anlage. Die Temperaturschwankungen des Kühlwassers sind
bis hin zur Änderung der Rauchgasaustrittstemperatur
durch die gesamte Anlage zu verfolgen
- Teillastverhalten Biogasmotor
-
Die verschiedenen Lastfälle der Wärmequelle wirken sich
auch auf den ORC-Prozess aus
-
Teillast des Motors verursacht einen ORC-Prozess im Teillast-Betrieb
-
Reaktion auf die verminderte Wärmemenge und veränderten Temperaturen mit Verzögerung
-
ORC-Prozess reagiert verspätet, aufgrund der Wärmekapazität von Arbeitsfluid und Anlagenmaterial
-
Die Anlagen werden mit Armaturen und Sensoren gesteuert und geregelt
-
Regelungen sollen für einen gleichmäßigen und kontinuierlichen Betrieb sorgen und reagieren streng genommen
nie binär. So führt beispielsweise das Fahren des Bypassventils je nach Ausgangsbetriebspunkt zu deutlichen
Schwankungen des Arbeitsmitteldurchflusses.
- Abfahrvorgang der Anlage
- Interne Regelkreise
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Wirkung
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
162
Vereinfacht man die Betrachtungsweise kann ein dynamisches Verhalten beim
ORC-Prozess in erster Linie auf thermische Effekte zurückgeführt werden. Die
Dynamik des Prozesses ergibt sich somit aus den Energieströmen des Prozesses, welche als Übersicht in Abbildung 92 dargestellt sind und des Prozessumfeldes und den Wärmekapazitäten des Prozessaufbaus.
Abbildung 92:
Energieströme des
ORC-Prozesses
Wärmequelle
•
•
Q
Q
•
Kühlwasser
Q
Umgebung
ORC-Prozess
•
W
•
Generator
E
Verteilungsnetz
Abbildung 93:
Dynamik des ORCProzesses bei Laständerungen im Fahrplanbetrieb des vorgeschalteten Motors beim Modul A-100 (Altenberge)
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
163
Regelung der Einspeiseleistung und Netzkonformität der gelieferten
Elektroenergie
Die Regelung der Einspeiseleistung folgt aufgrund der Anlagencharakteristik
(Totzeiten, Verzugszeiten, im speziellen Wärmekapazitäten) im Besonderen der
angebotenen Wärmeleistung der Abwärmequelle und weiterhin den Tagesund Jahresschwankungen der Kühlbedingungen. Ziel bei den installierten Feldversuchsanlagen war die Maximierung der elektrischen Nettoleistung.
Somit folgt die Regelung der Anlage dem Konzept der Maximierung der
elektrischen Nettoleistung der ORC-Anlage.
Nicht nur die reine Lieferung von Elektroenergie, sondern auch die Qualität der
gelieferten Elektroenergie stellt eine zu erbringende Leistung dar.
Im Besonderen ist die DIN EN 50160 als Grundlage für die Qualität der elektrischen Energie zu beachten. Speziell bei der gewählten Einspeisung durch einen
Stromrichter/Wechselrichter muss in Abhängigkeit des Anschlusspunktes der
ORC-Einspeisung und in Kombination eventuell auch älteren und unter Umständen auch empfindlichen Bestandselektroinstallationen besonders auf die
Einhaltung der geforderten Grenzwerte zur Einspeisung von Elektroenergie in
das Niederspannungsnetz geachtet werden. Hervorzuheben ist in diesem Zusammenhang der THDI (Gesamtoberschwingungsgehalts des Stroms) und der
THDU (Gesamtoberschwingungsgehalts der Spannung) sowie die Grenzwerte
für die einzelnen Harmonischen.
Beispielhaft soll hier eine Qualitätsanalyse der durch den ORC gelieferten Elektroenergie dargestellt werden. In Abbildung 94 (unten) sieht man, dass die am
Einspeisepunkt gemessenen aktuellen Istwerte des Oberschwingungsanteils
(rote Säulen) die in der DIN EN 50160 vorgegebenen Grenzwerte für den Oberschwingungsgehalt am Einspeisepunkt des ORC (dargestellt durch die Querstriche oberhalb der roten Säulen) um mindestens eine Größenordnung, unterschreiten. Dargestellt wird die Auswertung für alle drei Außenleiter des Drehstromnetzes, in welche die ORC-Anlage einspeist. Zu erkennen ist, dass eine
nennenswerte Einspeisung in die Oberwellen nicht stattfindet. Es ist nur der bei
der Einspeisung durch Frequenzumformer übliche Anteil in der 5ten und 7ten
Oberwelle zu erkennen.
Zu beachten ist, dass die Uhr des Netzqualitätsanalysators nicht synchron mit
der Uhr der Messdatenaufzeichnung läuft.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
164
Abbildung 94:
Netzqualität der Einspeisung mittels Umrichter
Verlauf der Einspeiseleistung und der Oberschwingungsanteile für jede Phase
Auflösung des Oberschwingungsanteils in die
einzelnen Harmonischen
zu einem Zeitpunkt
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
165
Darstellung des Oberschwingungsanteils als
Farbverlauf bezogen auf
die Grenzwerte der
DIN EN 50160
Darstellung der Leistungseinspeiseaufzeichnung der
ORC-Anlage
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
166
2.1.12
Hinweise zum Betrieb HT- und NT-ORC-Anlagen
Die ORC-Anlagen sind keine trivialen Anlagen. Es gilt der Grundsatz „erst denken, dann handeln“. Für den täglichen normalen Betrieb der Anlage reichen
Kenntnisse über die Funktionsbedienung der Anlage und gesunder Menschenverstand aus. Dazu zählt z.B. die Beachtung der Warnhinweise. Einfache wiederkehrende Tätigkeiten können ebenfalls nach kurzer Einweisung durch
Fraunhofer UMSICHT ohne Probleme durch Fachpersonal des Betreibers übernommen werden. Komplexere Eingriffe und Reparaturen setzen jedoch spezielle Kenntnisse voraus und sollten nicht ohne Erfahrung oder Anleitung durch
geschultes Fachpersonal durchgeführt werden.
Für den normalen Betrieb der Anlage verfügt der Prozess über ein Touch-Panel
und vier Knöpfe zum Bedienen der Anlage, sowie einen NOT-AUS-Schalter.
Starten der Anlage
Die Anlage kann gestartet werden, wenn die Leuchte „Betriebsbereit“ leuchtet. Mit dem Schalter „Anlage Ein“ wird ein automatischer Start der Anlage
ermöglicht. Diese beginnt selbstständig die Schrittkette abzufahren, um einen
stationären Anlagenbetrieb zu erreichen. Dabei werden definierte Prozessschritte und Tests durchlaufen bis die Anlage beginnt dauerhaft elektrische
Leistung einzuspeisen.
Stoppen der Anlage
Die Anlage ist durch den Schalter „Anlage Aus“ kontrolliert herunterzufahren,
wenn der Betrieb des ORC-Prozesses gestoppt werden soll.
Not-Aus der Anlage
Für Gefahr oder Not-Situationen ist an der Anlage ein entsprechender Not-AusKnopf vorhanden. Dieser ist aber nur in ebensolchen Situationen einzusetzen,
da eine häufige und unnötige Nutzung zu Schäden an und in der Anlage führen kann, sowie die Anlagenbestandteile je nach Prozesszustand bis an die
Leistungsgrenzen belastet.
Betrieb der Anlage
Im laufenden Betrieb kann die Anlage am Touch-Panel überwacht werden. In
verschiedenen Menüs werden die Messdaten der ORC-Anlage dargestellt und
zudem der Status der für den Betrieb wichtigen Komponenten wie z.B. Rauchgasklappen oder Füllstände visualisiert. Eine Kontrolle dieser Messwerte ebenso
wie eine Sichtkontrolle der Anlage ist regelmäßig notwendig, um möglichst
schnell Probleme oder Störungen zu erkennen und zu beseitigen.
30. April 2013
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Feldversuch ORC
167
Quittieren von Alarmen und Warnungen
Das Quittieren von Alarmen und Warnungen erfolgt durch den Quittierungsknopf. Anstehende Alarme blockieren das erneute Anfahren der Anlage und
sollen erst nach Fehlerklärung quittiert werden.
Handbetrieb
Eine Handsteuerung der Anlage ist nur zu Test- und Wartungszwecken einzusetzen; dann auch nur unter Anleitung oder von erfahrenen Fachkräften selbst
zu bedienen. Eine unsachgemäße Nutzung der Handregelung kann zu schweren Schäden in der Anlage führen, die eine Notabschaltung und irreparable
Schäden zur Folge haben kann. Durch die Handsteuerung kann die normal
einprogrammierte Regelung der Anlage umgangen werden und wird teilweise
von Hand betrieben. Die Vorwarnwerte der Anlagensteuerung werden blockiert, bei unsachgemäßer Handhabung können durch harte Abschaltungen
der Anlage Schäden hervorgerufen werden.
Wartungsarbeiten und Reparaturen
Wartungs- und Reparaturarbeiten jeder Art müssen aus Sicherheitsgründen im
Anlagenstillstand durchgeführt werden. Zudem kann es sein, dass die Anlage
in bestimmten Bereichen noch zu heiß ist, um Arbeiten am offenen Prozess
auszuführen. Für bestimmte Wartungsarbeiten ist das gesamte Arbeitsfluid in
den Vorratsbehälter zu fördern und vom Prozess mittels Kugelhahn zu trennen.
Nach Beendigung der Arbeiten muss das Arbeitsmittel wieder in den Prozess
zurückgefördert werden und gleichzeitig die richtige Arbeitsmittelmenge eingestellt werden.
Anlagenstillstand
Steht die Anlage länger, können sich an Tiefpunkten in der Anlage Wasser oder verschmutzte Arbeitsmittelreste ansammeln. Diese sind vor Wiederinbetriebnahme des Prozesses möglichst zu entfernen.
Frostschutz
Je nach Außentemperatur muss der Frostschutz der Kühlflüssigkeit angepasst
werden. Dies muss der Betreiber selbständig vornehmen. Die ORC-Anlage kann
an Tiefpunkten einfrieren, wenn wider Erwarten und wider Anweisung Wasser
(auch Kleinstmengen) in der Anlage enthalten ist und die Anlage nicht in Betrieb war.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
168
2.1.13
Investitionskosten der gebauten ORC-Feldanlagen
Die Kostengrößen hier beziehen sich auf die Fertigung als Einzelmodule oder in
kleinen Stückzahlen von bis zu 3 Modulen pro Jahr. Erste Prototypen „α“ weisen besonders hohe Investitionskosten und Personalaufwendungen auf. Hier
liegen dann mehrere völlig neue Merkmale von Funktionselementen vor. Bewegt man sich innerhalb einer Konstruktion und ändert nur einige Komponenten ab, wird weniger Personalmehraufwand erzeugt, der aber schlecht kalkulierbar bleibt, weil die damit ggf. verbundenen Probleme nicht vollständig vorherbestimmt werden können. Werden wesentliche Konstruktionsmerkmale
übernommen, aber die Dimensionierung/Leistungsgröße des ORC-Moduls verändert, so liegt der Zusatzaufwand zwischen den vorgenannten Situationen.
Tabelle 9 gibt eine Übersicht über die normierten Kosten der ORC-Feldtest
anlagen des Projektes. Normiert wird auf die erzielte Bruttoleistung, danach
auf den anlegbaren Preis bei der Verstromung von Biogasmotorenabwärme,
danach auf die spezifischen Kosten des ersten vor Projektbeginn gebauten
ORC A-100 α. Personalkosten für Planung, Abwicklung, Bauüberwachung, Inbetriebnahme und Troubleshooting/Instandhaltung während der Projektlaufzeit
sind bei dieser Aufstellung nicht berücksichtigt, auch keine unternehmerischen
Gewinne des Herstellers und keine Aufschläge für Kosten während der Gewährleistungszeit. Abbildung 95 zeigt, dass bei der Baureihe A-100 signifikante
Kostenreduzierungen der ORC-Modulpreise erreicht wurden. Der starke Abfall
beim A-100 γ ist durch die hohe Bruttoleistung am Standort etwas überzeichnet. Bei der Baureihe A-50 konnten trotz einiger neu eingeführter Komponenten ein erhebliche Lerneffekt aus Konstruktion und Betrieb der A-100 Module
eingebracht werden. Weiterhin zeigt sich, dass die Systemintegrationskosten
am Standort nicht vernachlässigt werden dürfen.
Abbildung 95:
Normierte Kosten der
ORC-Module im Projekt
»Feldversuch ORC/Phase
1«
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
169
Tabelle 9:
Normierte Kosten der ORC-Feldanlagen
Standort
30. April 2013
Valovice
Altenberge
FlörsheimWicker
BietigheimBissingen
Platten
Quarnbek
A-100 α
A-100 β
A-100 β2
A-100 γ
A-50 α
A-50 β
W-25 α
2,15
1,35
1,25
0,78
1,12
1,14
1,62
[1]
2,45
1,67
1,53
1,61
1,46
1,58
2,15
[1]
1
0,63
0,58
0,36
0,52
0,53
0,75
[1]
1
0,68
0,62
0,66
0,60
0,64
0,881
ORC-Modul Typ
Spezifische Kosten
normiert auf anlegbaren Preis
Spez. Modulpreis/anlegbarer Preis
Spez. Gesamtpreis incl.
Systemintegration
/anlegbarer Preis
Spezifische Kosten
normiert auf spez. Kosten des Moduls A-100 α
Spez. Modulpreis normiert auf Kosten der
Ausführung A-100 α
Spez. Gesamtpreis incl.
Systemintegration
normiert auf Kosten
der Ausführung A-100 α
Wasmerslage
[1]
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
170
2.1.14
Störungen, Ausfälle und Reparaturen der einzelnen Feldanlagen
Grundsätzlich ist es trivial, dass der Betrieb eines ORC-Prozesses nur bei ausreichender Wärmeleistung am laufenden Motor möglich ist. Desto mehr Abwärme zur Verfügung steht desto mehr Leistung hat ein angeschlossener ORCProzess.
Läuft der Motor in der Teillast, läuft auch der ORC-Prozess in Teillast. Es ist eine
modul- und auslegungsspezifische zugeführte Wärmemindestleistung notwendig, damit der ORC-Prozess zusätzlichen Strom produzieren kann. Bei Verwendung von Trockenkühlern wirkt der Tag-Nacht-Außentemperaturzyklus leistungsbeeinflussend auf den Kreisprozess.
Verfügbarkeitseinschränkend für den ORC-Prozess sind generell ein unstetiger
Motorenbetrieb und Netzschwarzfälle. Netzschwarzfälle stellen hohe Anforderungen an die Sicherheitskette im ORC-Prozess und machen zum Teil – bisher nach erneuter Netzschaltung das Quittieren aufgelaufener Störmeldungen vor
dem automatischen Wiederstart notwendig.
Reguläres An- und Abfahren des ORC-Moduls erfordert aufgrund der recht
großen aufzuheizenden bzw. abzukühlenden Massen je nach verfügbarer
Wärmeleistung jeweils Zeiten im Viertelstunden- bis Stundenbereich (Kaltstart).
Ja nach der Länge der Abkühlphase zwischen zwei ORC-Starts kann der automatische Neustart des ORC-Moduls nicht beim ersten Versuch funktionieren.
Zyklische Abkühl-/Aufheizphasen wirken zusätzlich auch materialbelastend auf
die Baugruppen des ORC-Moduls.
Fraunhofer UMSICHT war während der Laufzeit des Feldversuches für Inbetriebnahme, Optimierung und das Troubleshooting der ORC-Anlagen zuständig.
Der Betrieb vollautomatisch laufender ORC-Anlagen ist – wie dieses Vorhaben
belegt hat - auch für kleine Baugrößen möglich und schon heute ohne viele
oder längere ungeplante Ausfälle bei guten Wirkungsgraden realisierbar.
Auch kleine und prinzipiell unbedeutende Störungen können zur Abschaltung
von ORC-Prozessen führen. Gerade bei Prozessen in Entwicklung und daher
noch streng konservativer Sicherheitsphilosophie ist sicher ein aufmerksamer
Betreiber gefordert, der dann eine Kontrolle der gestörten Baugruppe vornehmen muss und danach den ORC-Prozess i. d. R. zügig wieder starten kann.
Auch ORC-Prozesse kleinerer Leistung erfordern kontinuierliche Beobachtung
und kleinere Wartungshandgriffe durch den Betreiber:
regelmäßige Kontrollgänge mit Kontrolle der wichtigsten Betriebsdaten,
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
171
zeitnahe Kontrolle und ggf. Wiederinbetriebsetzung durch Quittierung
von Warn- und Alarmmeldungen,
Reinigung eines Schmierkreisfilters im Abstand einiger Wochen bis
Monate,
Nachfüllen von Betriebsmitteln (Kühlsole, Arbeitsfluid) im Abstand einiger Monate,
je nach Abgasqualität ggf. abgasseitige Abreinigung des Direktverdampfers in angemessenen Zeitabständen und
je nach Luftqualität luftseitige Abreinigung des Trockenkühlers und
Austausch der Schaltanlagenzuluftfilter in angemessenen Zeitabständen.
Ein aufmerksamer Betreiber kann sich abzeichnende Probleme bereits im Vorfeld durch aufmerksame Beobachtung der Prozessdaten anhand anlagenintegrierter Visualisierung oder externer Auswertung an der Datenschnittstelle ausgewiesener Daten, bei Bedarf auch in Kooperation mit Fraunhofer UMSICHT
erkennen und präventiv dagegen angehen. Eine allein reagierende und zudem
evtl. noch langsam reagierende Betriebsführung des ORC-Moduls führt zu
schlechterer Verfügbarkeit und schlechteren Betriebsergebnissen. Insbesondere
zwischenzeitliche längere Stillstände einzelner ORC-Anlagen wirkten sich deutlich verschlechternd auf die Gesamtverfügbarkeit aus.
Das Hauptproblem bei den auftretenden echten Störungen und ihrer Beseitigung bei kleinen ORC-Modulen war ein zunächst oft unübersichtliches Fehlerbild und eine (noch) geringe Betriebserfahrung des Troubleshooting-Teams bei
Fraunhofer UMSICHT. Zwar erleichtern Monitoring und Fernüberwachung die
Fehleranalyse, Arbeitsvorbereitung und die Wartung vor Ort, aber das Team
befasste sich relativ häufig mit prinzipiell kleineren Problemen durch:
Montagefehler (Dichtungen, Verschraubungen, Flanschdeckel, vertauschte Kabel-Anschlüsse usw. , dies hauptsächlich während der Inbetriebsetzung der Anlagen),
Versagen oder nicht spezifikationsgerechte Funktion eingesetzter
Komponenten infolge rauer Betriebsbedingungen bei Außenbetrieb
(Leitungen kleiner Dimension, Korrosionseffekte an Bauteilen, Vereisungen, nach einiger Betriebszeit versagende Armaturen oder Messgeräte aus nicht klar nachvollziehbaren Gründen, neu konstruierte Komponenten im Turbogenerator) und
kleine Fehler in der Steuerung bzw. bei Einstellparametern der Steuerung.
Auch relativ lange Reaktionszeiten der ORC-Module und damit lange Verzugszeiten bis zum Auftreten von Fehlern bzw. bis zur Erreichung eines wieder eingelaufenen Betriebszustandes nach Vornehmen von Reparaturen erschweren
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
172
zum Teil eine zügige Problemlokalisierung. Nach Öffnung einer ORC-Anlage für
Inspektions- oder Wartungszwecke mit Eindringen von Inertgas dauert es i.d.R.
einige Tage bis über die automatische Inertgasausschleusung alles Inertgase
wieder aus der Anlage herausgefördert ist. Bis dahin können Rekuperator und
Kondensator nicht spezifikationsgerecht arbeiten.
Inzwischen ist der Erfahrungsschatz gewachsen und es stehen erste Workflows
zur Fehlerlokalisierung zur Verfügung.
Dennoch haben die ORC-Module insgesamt schon heute einen Entwicklungsstand erreicht, bei dem die ORC-Module etwa so gut verfügbar sind wie die
vorgeschalteten Motoren. Die meisten Alarme beim ORC-Modul haben präventiven Charakter und erfordern keine Reparaturen, sondern nur eine kurze Kontrolle und Fehlerquittierung. Die Behebung echter Störungen am ORC-Modul
im Rahmen dieses Projektes erforderte infolge eines nicht professionell aufgebauten Servicenetzwerkes teilweise noch längere Zeit als bei den Motoren.
Dennoch können sich die Ergebnisse sehen lassen.
Ein gesonderter Blick soll nachfolgend auf die Alarmmeldungen der ORCAnlagen geworfen werden. Hierzu zwei Definitionen vorab:
Eine Warnung wird ausgegeben bei Annäherung an konstruktiv oder durch
Richtlinien vorgegebenen Grenzwerten. Eine Reaktion der Steuerung/Regelung
ermöglicht es die Alarmwerte nicht zu erreichen. Warnwerte werden somit an
betriebliche Gegebenheiten angepasst um entweder automatische Reaktionen
der Regelung oder manuelle Eingriffe des Bedienpersonals zu ermöglichen
Ein Alarm ist ein Überschreiten konstruktiv oder durch Richtlinien vorgegebener Grenzwerte. Alarme erfordern eine automatische Reaktion der Steuerung
um einen potenziellen wirtschaftlichen Schaden von Anlagenkomponenten oder der Peripherie zu verhindern. Die Alarmwerte sind im Rahmen dieses Vorhabens konservativ gesetzt worden, um durch hohe Sicherheitsfaktoren noch
unterhalb der zulässigen Belastung der Anlagenkomponenten zu bleiben und
zusätzlich zu den Sicherheitsfaktoren der konstruktiven Auslegung einen weiteren Abstand zum strukturellen Versagen von Anlagenkomponenten sicherzustellen. Ein Alarm führt immer zur automatischen Anlagenabschaltung und
muss vom Bedienpersonal quittiert werden, da eine Kontrolle der Anlage anzuraten ist. Die meisten Alarme werden durch Routinen der SPS ausgelöst. In der
Regel werden mehr Alarme als Abschaltungen generiert. Ansonsten können
Abschaltungen hardwaremäßig nur durch den Sicherheitstemperaturbegrenzer
oder Netzschwarzfälle ausgelöst werden.
Die Anlagenverfügbarkeit einer Energieanlage ist von großer Bedeutung. Mit
einer hohen Verfügbarkeit kann der Betreiber einen höheren Profit erwarten
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
173
und zudem auch Grundlastaufgaben übernehmen, wenn direkt Verbraucher
für Wärme und/oder Strom angeschlossen sind. BHKW sind generell so ausgelegt, dass sie mit einer möglichst hohen Anzahl an Betriebsstunden im Jahr arbeiten. Dasselbe gilt für die meisten bisher installierten ORC-Prozesse. Die
Amortisationszeit verkürzt sich mit der Anzahl an Betriebsstunden pro Jahr.
Die Betriebsstunden können durch verschiedene Ursachen gesenkt werden.
Dazu gehören planmäßige und unplanmäßige Wartungsarbeiten sowie Störungen und Fehler, die zum Anlagenstillstand führen.
Nachfolgend werden in den Abbildungen für die einzelnen Feldanlagen die
Stillstandzeiten aufgelistet, die den ORC-Prozess durch Fehler bzw. Alarme am
Betrieb gehindert haben. Ebenso sind die Stillstandzeiten des Motors aufgeführt. Zu den Stillstandzeiten des Motors läuft ohnehin keine ORC-Anlage. Wäre sie aber in der Lage zu laufen, d. h. es liegt kein interner Alarm vor, so wird
dies nicht als Stillstandzeit der ORC-Anlage gewertet, da sie theoretisch lauffähig wäre.
In den Diagrammen ist zum einen die Alarmdauer des ORC-Prozesses aufgeführt. Das ist die Dauer, die ein einzelner Alarm anliegt bis er behoben ist und
die Anlage wieder läuft. Zudem werden diese Zeiten aufsummiert, um eine Gesamtausfallzeit zu erhalten. Ebenfalls aufgetragen ist die Ausfallzeit des Motors, bei denen der ORC theoretisch lauffähig gewesen wäre. Die Aufsummierung der Stillstandzeiten beginnt bei den Anlagen frühestens nach der erfolgten Inbetriebnahme, sodass nur tatsächliche Störungen berücksichtigt werden,
die den eigentlichen Anlagenbetrieb verhindert haben.
Abbildung 96:
Alarmmeldungen und
Stillstandzeiten ORC
und Motor Valovice
30. April 2013
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Feldversuch ORC
174
Abbildung 96 zeigt die Summe der Stillstände des Motors und der ORC-Anlage
in Valovice, Tschechien. Es ist eine hohe Zahl an Stillständen erkennbar, ebenso
gibt es viele Stillstände mit relativ langer Ausfallzeit. Die langen Ausfallzeiten
beruhen vor allem auf einer schlechten Reaktionszeit des Betreibers und bei
nötigen größeren Eingriffen auf langsamerer Reaktionszeit von Fraunhofer
UMSICHT, durch einige nicht schnell verfügbare Ersatzteile und auch durch die
weite Anreise. Auch der Motor weist eine hohe Zahl an Stillständen auf, in denen der ORC-Prozess ebenfalls nicht gelaufen ist. Der Motor hatte in einem
Beobachtungszeitraum von knapp 2 ½ Jahren knapp 900 h Stillstandzeit. Die
ORC-Anlage kommt auf 3000 h. Wie das Betriebsjahr 2011 zeigt, kann aber
auch dieser ORC-Prozess über längere Zeit nahezu störungsfrei im Betrieb gehalten werden. Beide Summen sind aber für einen Betreiber nicht tolerierbar
und werden im weiteren Verlauf näher erläutert.
Abbildung 97:
Alarmmeldungen und
und Motor Altenberge
Altenberge weist in Abbildung 97 mit nur 300 h Stillstand des Motors einen
Wert auf, der nur einem Drittel von Valovice im selben Zeitraum entspricht.
Ebenso ist die Ausfallzeit der ORC-Anlage in einem Zeitraum von 2 Jahren bei
nur ca. 55 h. Auffällig ist, dass die Dauer der Stillstände für den ORC in Altenberge deutlich geringer ist als in Valovice. Die Ausfallzeiten sind sehr kurz, da
der Betreiber vor Ort Störungen schnell registriert, schnell kontrolliert und
Alarme quittiert oder kleinere Probleme selbst sofort löst. Zudem war eine
schnelle Reaktionsgeschwindigkeit bei größeren Eingriffen seitens Fraunhofer
UMSICHT durch die nahe Anbindung an Oberhausen einfacher zu bewerkstelligen.
Die Unterschiede zwischen beiden ORC-Modulen Valovice und Altenberge erscheinen nicht groß:
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
175
anderer Verdampfer
anderes Arbeitsfluid
Geometrie der Turbine und Drehzahl Turbogenerator etwas anders
Turbinenkonstruktion im Detail etwas anders
Rekuperator-Kondensator-Konstruktion in Kleinigkeiten geringfügig
anders
Einstellparameter der SPS etwas anders
unterschiedliche Umrichter (gleiche Baureihen, etwas unterschiedliche
Nennleistungen, Valovice: 100 kW, Altenberge 120 kW)
Weitere Unterschiede zwischen den Betriebsrandbedingungen an beiden
Standorten und der Art der Systemintegration sind vorhanden.
Tabelle 10:
Betriebsrandbedingungen an den Standorten Valovice und Altenberge
Valovice
Altenberge
Eingezwängte Lage zwischen Böschung des
Gärresteteichs und BHKW-Gebäude
Freie Lage in offenem Gelände
Kontinentaleres Klima (heißer/kälter)
Gemäßigtes Klima
Häufige Netzschwarzfälle
Keine Netzschwarzfälle
Häufige Motorausfälle, mehrfache Ausfälle der Sehr selten Motorstörungen, kein Ausfall der
Biogasanlage
Biogasanlage
Bedienpersonal Betreiber meist nur wenige
Stunden/Tag vor Ort, Rufbereitschaft BGALieferant
Fachkundiges Bedienpersonal meist 8 Stunden/Tag vor Ort + ortsnahe Rufbereitschaft
Abgasverrohrung schwarz
Abgasverrohrung weiß
Überdachung nur der Schaltanlage
Einfache Überdachung Gesamtanlage
In Summe führen diese zunächst geringen Unterschiede beider Module/Standorte aber zu erheblich häufigeren Störungen am Standort Valovice und
nur wenigen Betriebsstörungen der ORC-Anlage am Standort Altenberge
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
176
Abbildung 98:
Anzahl der Alarme der
ORC-Module Valovice
und Altenberge im Vergleich
Abbildung 99:
Aufgelaufene Summe
der Alarmdauern der
ORC-Module Valovice
und Altenberge im
Vergleich
Die Reaktionszeit des Betreibers bei Alarmen beträgt in Valovice durchschnittlich ca. 8,5 h, und ist damit etwa zehnmal so lang wie in Altenberge (0,8 h).
Zudem bestand in Valovice das Problem, das die Ersatzteilvorhaltung bei
Fraunhofer UMSICHT in der Frühphase des Projektes noch nicht so gut ausgebaut war und auf einige ausgefallene Ersatzteile lange gewartet werden musste. Zudem war der ORC Valovice durch ein paar exotische Mängel gekennzeichnet, im Wes. eingebaute versteckte Mängel von Vorlieferanten, die sich
erst nach und nach auswirkten und zudem schwer zu lokalisieren waren. Zu-
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
177
sätzlich bewirkte die lange Anfahrtsdauer eine Verlängerung der Zeit bis zur
Behebung echter Störungen durch Fraunhofer UMSICHT.
Trotz vollautomatisch überwachtem Betrieb des ORC durch die SPS ist eine
Mindestleistung der Wärmezufuhr für den Start des ORC notwendig (Motorausfälle und Minderlast => Ausfall ORC). Dabei sorgt eine schnelle Kontrolle
des ORC-Moduls bei gemeldeten Störungen/Abschaltungen und schnelle Fehlerquittierung für kurze Stillstandzeiten. Der regelmäßige Kontrollgang durch
den Betreiber und die Erledigung eigentlich minimaler Wartungsarbeiten (Filterreinigung alle 6-12 w, Arbeitsfluidnachfüllung 3-6 m, Filtertausch an Schaltanlage 1-12 m je nach Schmutzanfall, ggf. Reinigung des Rückkühlers und des
Abgasweges) ist wichtig und sorgt für störungsfreie Funktion. Betreiber, die
dies unterlassen, müssen mit einem Anwachsen der Störungshäufigkeit rechnen. Auch die sofortige Meldung und Diskussion in der Anlagenüberwachung
erkennbarer Verschlechterungen, ungewöhnlicher Beobachtungen und von Betriebsproblemen mit dem Hersteller erleichtert die Fehlersuche und erspart längere Stillstände.
Abbildung 100:
Alarmmeldungen und
und Motoren FlörsheimWicker GM 3/4
Abbildung 100 zeigt das Bild einer ausgereiften Anlage am Standort FlörsheimWicker mit reaktionsschnellem und kundigem Bedienpersonal, das bisher nur
eine kurze Stillstandzeit hatte. Die Alarmdauer ist sehr gering, ebenso die Stillstandzeit, sowohl des Motors als auch des ORC. Zum einen ist dies durch die
Anlage der dritten Generation bedingt und zum anderen durch die bisher noch
kurze Laufzeit.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
178
Am gleichen Standort weist die ORC Anlage Wicker GM 6/7 schon deutlich
höhere Stillstandstandzeiten auf. Hier lagen verschiedene Probleme vor, die
während der eigentlichen Inbetriebnahme ab April 2012 behoben wurden. Inzwischen ist ebenfalls ein sehr stabiler Betriebszustand erreicht.
Abbildung 101
Alarmmeldungen und
und Motoren FlörsheimWicker GM 6/7
Abbildung 102:
Alarmmeldungen und
und Motor Platten
Anders als die relativ kurze und problemlose Inbetriebnahme des Anlagentyps
in Bietigheim-Bissingen zeigt die Anlage in Platten in Abbildung 102 selbst für
eine neu konstruierte Anlage eine hohe Alarmdauer und Stillstandzeit auf. Der
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
179
Start der Inbetriebnahme fiel in den Winter 2011/2012, damit in klimatisch ungünstige Verhältnisse und kam in dieser Zeit nur schleppend voran.
Obwohl bei denselben Vorlieferanten erstellt wie die Anlage in BietigheimBissingen, bewirkten noch vorhandene Qualitätsstreuungen der ersten Generation des Anlagentypus und schwierige Integrationsbedingungen am Standort
eine sehr holprige Inbetriebnahme. So wurden bei erstem Turbinenbetrieb
deutliche Schwingungen des Biogasmotors detektiert, die zu häufigen Anlagenausfällen geführt haben und umfangreiche Umbauten an der Abgaswärmezuführung und Turbinenumbaumaßnahmen zur Folge hatten. Die Anlage
konnte erst im Herbst 2012 aus der eigentlichen Inbetriebnahme herausgeführt
werden, ist seitdem aber im Automatikbetrieb.
Die ORC-Anlage in Quarnbek wies ebenfalls typische Prototypenprobleme auf.
Zudem wurde für die Optimierung der zunächst in einem unpassenden Arbeitsbereich dimensionierten Turbine relativ viel Zeit aufgewendet. Ebenso wie
in Platten wurde die Anlage erst im Herbst 2012 aus der eigentlichen Inbetriebnahme herausgeführt, ist seitdem aber im Automatikbetrieb.
Abbildung 103:
Alarmmeldungen und
und Motor Quarnbek
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
180
2.2
Wichtigste Positionen des zahlenmäßigen Nachweises
Der zahlenmäßige Nachweis wurde am 11.01.2013 von der Fraunhofer Zentrale aus München ausgestellt und an das PTJ, Jülich versendet.
2.3
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Die beschriebene ORC-Technik war bei Projektbeginn noch nicht funktionstüchtig am Markt verfügbar. Heute stellen die entwickelten HT-ORC-Module
im Markt mit einigen Alleinstellungsmerkmalen eine schon relativ ausgereifte
Konstruktion dar. Das entwickelte NT-ORC-Modul hat den Status der funktionierenden Erstanlage/Pilotanlage mit erkanntem Verbesserungspotenzial erreicht.
Für die derzeit herstellbaren ORC-Module nach Konstruktion und Bau in diesem Vorhaben kann mit Kosten von 2.700-5.000 €/kWel, ORC für den HT-ORC
und von ca. 5.000 €/kWel, ORC für den NT-ORC gerechnet werden. Dabei treten
selbst mit den in diesem Projekt erarbeiteten deutlich erweiterten Grundlagen
immer noch erhebliche Kosten für Personal für die Weiterentwicklung, konkrete Komponentenauslegung und -entwicklung sowie Inbetriebnahme und Prozessoptimierung auf. Die anlegbaren Kosten der ORC-Technik sind daher auch
nach Abschluss des Projektes momentan noch etwas hoch für viele interessierte Anwender.
Die überwiegend mittelständischen Unternehmen im Bereich der Fertigung und
Nutzung kleiner ORC-Anlagen für Motoren haben die Möglichkeiten inzwischen dennoch erkannt. Zum jetzigen Zeitpunkt existieren allerdings aus Hersteller- und Anwendersicht noch eine ganze Reihe von Realisierungsrisiken, die
man erst nach bewiesener längerer Lauffähigkeit einer Gesamtanlage als ausgeräumt ansehen kann. Zu dem im Projekt erreichten Stadium der Entwicklung
ist damit das technische und wirtschaftliche Risiko für kleine und mittlere Unternehmen noch hoch.
Die Projektpartner haben sich diesem Entwicklungs- und Pilotprojekt in einem
interdisziplinären Entwicklungsteam zusammengefunden und konnten nur mit
der gewährten substanziellen Förderung erfolgreiche Pilotprojekte gestalten. Es
war nicht zu erwarten, dass die konzipierten Feldanlagen vom Tage der Inbetriebnahme an die voraus berechneten technischen und wirtschaftlichen Ergebnisse erbringen. Im Gegenteil hat sich in der Realität gezeigt, dass erhebliche unerwartete Schwierigkeiten und Probleme, erheblicher Zeitverzug und zusätzlicher finanzieller Aufwand für einen erfolgreichen Projektabschluss nötig
waren. Nicht nur mussten in mühevoller und zeitraubender Kleinarbeit eine
ganze Reihe anfänglicher Unzulänglichkeiten beseitigt werden, zusätzlich wa-
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Feldversuch ORC
181
ren teilweise größere an einzelnen Standorten aufkommende spezielle Probleme zu lösen.
Zudem hat sich gezeigt, dass interessierte Anlagenbauer auch bei diesen kleinen Anlagenbauprojekten mit einem erheblichen, eher kaufmännischen Projektrisiko umgehen müssen, da wesentliche Schnittstellenparameter nicht eingehalten werden, im Projektverlauf erheblich geändert werden oder Kunden
ganz ausfallen können. Das Marktrisiko erscheint im Rückblick hoch, da sich
die verfolgte Anwendung im Bereich der EEG-Motorenanlagen in einem sehr
stark regulierten Bereich bewegt und Gesetzesänderungen hier stark und umfassend auf die Absatzchancen durchschlagen können. Eine Diversifizierung
mit ähnlicher Technologie in erweiterten Anwendungsbereichen erscheint
dringend angeraten.
Fraunhofer selbst stehen keine eigenen Mittel zur Verfügung, so dass der Antragsteller dabei auf eine Förderung aus öffentlichen Mitteln angewiesen ist.
Die Finanzierung von Eigenmitteln aus Auftragsforschungsprojekten ist nicht
möglich, da den Einnahmen aus der Auftragsforschung (Industrieprojekte) entsprechender Aufwand gegenübersteht. Freie Finanzierungsmittel aus diesem
Bereich sind daher nicht oder jedenfalls noch nicht im notwendigen Umfang
vorhanden. Erträge aus Lizenzen etc. können für eine Finanzierung der Eigenmittel ebenfalls nicht eingesetzt werden.
2.4
Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit der Ergebnisse
Es hat sich gezeigt, dass durch die im Projekt geleistete Vorarbeit viele bisher
unbeantwortete Fragen grundlegend beantwortet werden konnten. Daher
werden einer Umsetzung des entwickelten Konzepts hohe Erfolgsaussichten
eingeräumt. Eine Quantifizierung des Modellcharakters des Projekts ist in Tabelle 11 dargestellt. Die Darstellung der Zielgruppenabdeckung enthält Tabelle
12.
Tabelle 11:
Modellcharakter Feldversuch ORC
Anforderungen
Ergebnisse Feldversuch ORC
Bemerkungen
Machbarkeit
Wurden die angestrebten
Projektziele erreicht und
Die Projektziele wurden mit wenigen Abstriwenn nicht, warum
chen erreicht.
nicht?
Transferfähigkeit
Akteursgruppe (Anzahl)
Nennung und Quantifizierung der Akteure, die
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
182
Anforderungen
- von den Produkten/Ergebnissen aus dem
Projekt profitieren können (Nachfragepotenzial)
- Interesse zeigen oder
gezeigt haben, das Projekt so oder in veränderter Form fortzuführen
Wurden bestimmte Prozesse/Entwicklungen mit
dem Projekt angestoßen,
die zu einer Verstetigung
der Projektergebnisse/Produkte führen können?
Tabelle 12:
eigene Verwendung
Anlagenbesitzer und
–hersteller, Planer
Hersteller von Komponenten
Fachpublikum
Fachzeitschriften und
Branchenzeitschriften
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Bemerkungen
interessierte Anwender (>1.000), Hersteller
von Baugruppen und Komponenten (>200),
wissenschaftliche Community (>50), andere
Hersteller oder Entwickler von ORC-Modulen
(>20)
interessierte Anwender (Dürr Cyplan bereits
im Gespräch mit einigen 100 potentiellen
Kunden), Hersteller von ORC-Modulen (Dürr
Cyplan), Komponentenhersteller (>20), wissenschaftliche Community (Fraunhofer UMSICHT im Gespräch mit >3)
Mit dem Projekt wurde eine wichtige Grundlage zur Nutzung von Motorenabwärme zur
Nachverstromung geschaffen. Dürr Cyplan als
wichtiger Projektpartner führt die Entwicklung
kommerziell weiter. Fraunhofer UMSICHT und
Dürr Cyplan arbeiten an Applikationserweiterungen, bei denen wesentliche ORCProzessmerkmale dieser Entwicklung übernommen und weiterentwickelt werden können.
Zielgruppenabdeckung Feldversuch ORC
Zielgruppe/Definition
Messen
Ergebnisse Feldversuch ORC
geplante u
durchgeführte
Maßnahmen zur
Erschließung der
Zielgruppe
BMWi-Förderprojekt für eine
Applikationsentwicklung mit
Kopplung eines
HT-ORC mit kleinen Biomassefeuerungen gestartet
Gespräche
Aktueller Stand zur
Abdeckung der Zielgruppe
Bemerkung
Projekt angelaufen
Präsentation der Ergebnisse, Vorprojekte
Gespräche, Anfra- Präsentation der Ergebgen
nisse, Einbindung in laufende Projekte
Vortrag bei FachLaufend durch Vermarkkonferenzen und
tungspartner Dürr
Fachausschüssen
Cyplan und Fraunhofer
UMSICHT
fachliche und po- Laufend durch Vermarkpuläre Veröffentli- tungspartner Dürr
chungen
UMSICHT
Präsentation des
Regelmäßig durch Dürr
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
183
Zielgruppe/Definition
geplante u
durchgeführte
Maßnahmen zur
Erschließung der
Zielgruppe
Themenschwerpunkts ORC
Aktueller Stand zur
Abdeckung der Zielgruppe
Bemerkung
UMSICHT
Bezüglich der wirtschaftlichen Erfolgsaussichten besteht eine anhaltend hohe
Nachfrage nach kleinen ORC-Kraftwerken. Gegenüber einer Erstanlage, bei der
mit relativ hohen Investitionskosten gerechnet werden muss, da das Design
zunächst für alle Elemente des ORC-Prozesses und deren Verschaltung und
Steuerung konzipiert, verfeinert und erprobt werden muss, konnten die Kosten
im Rahmen dieses Projektes durch eine konsequente Verbesserung und Optimierung aller Bauteile erheblich verringert werden. In Anwendungsfällen mit
guten Randbedingungen können damit schon heute akzeptable Amortisationszeiten erzielt werden. Für eine breite Anwendung ist noch ein stückweit weitere Produktoptimierung und Kostenreduzierung zu leisten.
Im Bereich ORC besteht bereits ein aufgebautes Unternehmensnetzwerk mittelständischer Unternehmen, die gemeinsam mit Fraunhofer UMSICHT Entwicklung, Erprobung, Produktion und Vermarktung kleiner ORC-Prozesse vorantreiben. Fraunhofer UMSICHT und diese Partner greifen Anregungen zu
weiteren Applikationsgebieten und Anschlussentwicklungen bereits jetzt dankbar und engagiert auf.
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
184
2.5
Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordener Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen
Im Laufe der Bearbeitung des Vorhabens lieferten eine Reihe externer Veröffentlichungen Anregungen für die eigene Arbeit.
Es wurde zunächst für den Anwendungsbereich von ORC-Prozessen in Verbindung mit Biofestbrennstoffen eine Reihe von Arbeiten veröffentlicht, die sich
mit der Problemstellung der Optimierung des Arbeitsmediums befassten. Die
beschriebenen Ansätze waren in der Regel aus der thermodynamischen Betrachtung von Modellprozessen abgeleitet, z.B. [Drescher 2008, Bruno 2008].
Über praktische Anwendungen mit Verwendung neuer Arbeitsfluide in realen
ORC-Modulen ist dagegen nur sehr wenig berichtet geworden.
Die Arbeitsfluidoptimierung ist Gegenstand noch laufender neuer Vorhaben bei
verschiedenen Forschungseinrichtungen und Industriekonsortien.
Lai Ngoc Anh im Forscherteam um Prof. Fischer, Universität Wien, haben veröffentlicht, dass die BACKONE bzw. PC-Saft Gleichung für einige der hier erwähnten Arbeitsmittel besser geeignet sei. Diese Ergebnisse wurden hier nicht
mehr berücksichtigt.
Parallel zur laufenden Prozessentwicklung an ORC-Prozessen mit den hier beschriebenen Merkmalen bei Fraunhofer UMSICHT sind eine Reihe von Informationen über alternative Prozesskonzepte für ORC-Module zwischen etwa 10
und 250 kWel Leistung bekannt geworden. Einige dieser Entwickler sind in Abschnitt 1.4.3. bzw. 1.4.4 dieses Berichtes erwähnt. Nicht alle Entwickler proklamieren die Anwendung bei Motorenanlagen als möglichen Einsatzbereich
Ihrer Verfahrensentwicklung. Die Prozesskonzepte unterscheiden sich u. a. bei
den jeweils favorisierten Arbeitsfluiden, den verwendeten Arbeitsmaschinen
und ggf. bei der der genauen Ausführung der Turbine (Gleichdruck/Reaktionsturbine, Lagerung, Kühlung, Schmierung). Allen Entwicklungen ist
gemeinsam, dass im Detail nur sehr wenig Information veröffentlicht wird und
dass Prozesse meist nur als »en bloc«-Module angeboten werden, aber nicht
die verwendeten Einzelkomponenten. Deshalb werden die HardwareInformationen der Einzelkomponenten nur allenfalls lückenhaft offengelegt.
Der Informationsaustausch zwischen den einzelnen Entwicklern ist gering.
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Feldversuch ORC
185
2.6
Erfolgte Veröffentlichungen der Ergebnisse
In folgenden Veröffentlichungen wurden Projektergebnisse vorgestellt:
Vorträge auf Fachausschüssen
Grob, J.: Challenge and future plans of small Organic-Rankine-Cycles for biogas engines, Herausforderungen und geplante Entwicklungsschritte für die
Kopplung von Organic-Rankine-Cycles (ORC)-Prozessen mit Biogasmotoren, ,
Uni Karlsruhe, 02.06.2008, Fraunhofer UMSICHT, 24.07.2008
Althaus, W.: Klein-ORC (Organic Rankine Cycle) – von der Entwicklung bis zur
Felderprobung, UMSICHT-Kuratorium, 30.10.2009
Althaus, W.: Entwicklung kleiner ORC-Prozesse für die Abwärmenutzung von
Biogasmotoren; Jahrestreffen der ProcessNet-Fachausschüsse »EnergieVerfahrenstechnik« und »Gasreinigung«, Dortmund, 17.-18. März 2010
Althaus, W.: Energieeffizienztechnologien bei Fraunhofer UMSICHT, Sitzung
Vortrag VGB Power Tech Fachausschuss Renewable Energy Systems/Distributed
Generation, 20.10.2011, Essen
Konferenzbeiträge
Althaus, W.: ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung an BHKW-Motoren, Vortrag,
23. Kasseler Abfall- und Bioenergieforum, Witzenhausen-Institut, Kassel,
14.04.2011
Schulzke, T.; Bülten, B.; Althaus, W.: Direkte Rauchgaswärmenutzung über
ORC-Anlagen; In: Hochschule Zittau/Görlitz (FH) (Hrsg.). Elektroenergie aus Biomasse in dezentraler Anwendung - Technik, Ökonomie, Ökologie, 2011,
S. 60-71
Hornberger, J.: ORC-Anlagen - 10% mehr Strom aus der gleichen Biogasanlage?, Repowering von Biogasanlagen, Vortrag Biomasse Fachgespräch
FnBB/IBBK, Föhren, 01.06.2011, sowie Vortrag Biogas Expo & Congress
20.-21.10.2011, Messe Offenburg
Althaus, W.: ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung an BHKW-Motoren, Entwicklungs-/ Demonstrationsprojekt mit Feldversuch, Vortrag BMWi-Statusseminar
Dezentrale Energiesysteme, Erfurt, 16.04.2012, und Sitzung des Industrieverbandes Grubengas, Oberhausen, 24.05.2012
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
186
Bülten, B.; Grob, J.; Hunstock, B; Althaus, W..; Eckert, F.: Nutzung innovativer
Turbinentechnik zur dezentralen Abgaswärmeverstromung durch ORC Anlagen, Posterpräsentation, 44. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, 23.24.10.2012, Technische Universität Dresden, 2012
Fink, J.: ORC Technologie zur Steigerung der Energieeffizienz von Verbrennungsmotoren; Vortrag Session C4, Forum 3 am 20.02.2013; Waste to Energy,
Bremen
Veröffentlichungen
Grob, J.; Paucker, R.; Eckert, F.; Althaus, W.: Untersuchung von Nachschaltprozessen an Verbrennungsanlagen, ProcessNet Thermodynamik-Kolloquium
2008, Erlangen; in: VDI-Gesellschaft Energietechnik: ThermodynamikKolloquium und Ingenieurdaten. Kurzfassungsband : 24. - 26. September
2008, Universität Erlangen-Nürnberg, Düsseldorf : VDI-Gesellschaft Energietechnik -GET-, Fachausschuss Thermodynamik, 2008, S.80
Grob, J. ; Mieck, S. ; Bülten, B. ; Hunstock, B.; Paucker, R. ; Althaus, W.: Betriebserfahrungen mit Hochtemperatur-ORC-Anlagen als Nachschaltprozess an
Verbrennungsmotoren, ProcessNet Expertenforum Thermodynamik und Ingenieurdaten 2009, Berlin; in: Hencke, E.-G. ; VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt -GEU-, Fachausschuss Thermodynamik, Düsseldorf: Expertenforum
"Thermodynamik" und "Ingenieurdaten" : 5. - 7. Oktober 2009, TU-Berlin;
Handout für Teilnehmer; Düsseldorf : VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt,
Fachausschuss Thermodynamik, 2009, 1 S.
Ridder, D.: Beschreibung des Fraunhofer Hochtemperatur- ORC- Prozesses am
BHKW der Zentraldeponie Altenberge, Pressemitteilung Entsorgungsgesellschaft Steinfurt mbH, Altenberge, 29.04.2010
Küffner, G.: Strom aus Abwärme, Frankfurter Allgemeine Zeitung, Beilage
Technik und Motor, 18.05.2010
Dürr Cyplan: Biogasanlagenbauer stimmen ihr Angebot auf das EEG 2012 ab,
EUWID Neue Energien, Nr. 23, 2011, S. 7
Rudolph, W.: Strom für Hof und Melkstand, Biogas Journal, Nr. 6, 2011,
S. 44-47
Dürr Cyplan: Strom aus der Abwärme von Verbrennungsmotoren, Produktion,
Nr. 43, 2011
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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Dürr Cyplan: ORC-Technologie von Dürr steigert Energieeffizienz von Biogasanlagen, Pressemitteilung, Dürr Cyplan Ltd., 10.09.2011
Fink, J.: Strom aus Abwärme, www.entsorga-magazin.de, Nr. 11-12, 2011,
S. 24
Rudolph, W.: Raus aus der Nische, ORC-Anlagen zur Verstromung von BHKWAbwärme, Joule, Nr. 2, 2012
Waid, J.: ORC im Praxistest, Energiepflanzen Nr. 3, 2012, S. 12-15
Fraunhofer UMSICHT: Zwei Hochtemperatur-ORC-Module am Standort Flörsheim-Wicker im Betrieb, Pressemeldung Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen,
15.03.2012
Zwei ORC-Module in Betrieb, Brennstoff Wärme Kraft BWK, Nr. 64, 2012,
S. 36
Stückemann, K.: Was ist eigentlich...ORC?, Landwirtschaftliches Wochenblatt
Westfalen-Lippe. Ausgabe A (Oktober 2012)
Hunstock, B.; Bülten, B. Guetari, S. B: Solarthermisches Kraftwerk mit ORC,
Energy 2.0 Kompendium 2013, S.122-124
Messen
Messeteilnahme Gemeinschaftsstand »Fraunhofer Verbund Energie«, u.a. zum
Thema „ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung an BHKW-Motoren“: Hannover
Messe 2008, Energy, , Fraunhofer UMSICHT, ISE, ICT, IBP, IFF, IGB, IITB, IKTS,
ISI, 21. bis 25. April 2008, Hannover
Messeteilnahme Gemeinschaftsstand »Fraunhofer Bioenergy«: Fraunhofer
UMSICHT, Fraunhofer IWES und Fraunhofer IKTS, 6. bis 10. Juni 2011, 19th
European Biomass Conference & Exhibition 2011, Berlin
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Abschlussbericht
Feldversuch ORC
188
3
Anhang
3.1
Kurzdarstellung Feldanlage Valovice
3.1.1
Ausgangssituation
Am Standort Valovice ist eine der ersten Biogasanlagen der EnviTec Biogas AG
in Tschechien installiert. Bis zur Abnahme des ORC erfolgte die Betreuung seitens der EnviTec Biogas AG. Danach wurde die errichtete ORC-Anlage unternehmensintern an die EnviTec Biogas Central Europe s.r.o. übergeben und von
dort bis Projektende weiterbetreut.
Bevorzugt eingesetzte Substrate der Biogasanlage in Valovice sind ca. 60 %
Maissilage und 40 % Schweinegülle.
BHKW-Anlagenbauer: GE Jenbacher, Jenbach, Österreich
Motor-Typ: J-320 GS, ca. 1064 kWel
Das bisherige Wärmenutzungskonzept der Gasmotorenabwärme bestand aus
der Nutzung der Motorwärme zur Fermenterbeheizung (ca. 4000 VLBh, Spitze
ca. 300 kWth). Mittelfristig sollte evtl. verfügbare Motorwärme oder ORCAbwärme zur Beheizung benachbarter Tiermastanlagen eingesetzt werden.
3.1.2
Konzept
Ausgangspunkt war die Nutzung der Abgaswärme durch Verstromung im
ORC-Prozess und ggf. eine geplante Niedertemperaturwärmenutzung.
Aufgebaut wurde zuerst ein ORC Typ A-100 im Kondensationsbetrieb, mit der
Option diesen ggf. später auf Wärmeauskopplung umzustellen. Eine entsprechende Wärmenachfrage konnte vom Betreiber vor Ort aber bis Projektende
vertraglich nicht gesichert werden.
Die Arbeitsfluidauswahl erfolgte in Tschechien zugunsten eines bereits erprobten Silikonöls, da aufgrund der Terminlage nur sehr wenig Bauzeit zur Verfügung stand und die Projektleitung bei UMSICHT das Risiko scheute, ein neues
Arbeitsfluid zuerst im Ausland einzusetzen. Zudem war unklar, wie sich ein
neues Arbeitsfluid auf die TÜV-Zertifizierung auswirken würde und welche Zusatzaufwände für die TÜV-Zertifizierung speziell im Ausland entstehen würden.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
189
3.1.3
Beim ORC in Valovice war der ORC-Prozess in sehr gedrängter Anordnung zwischen dem Motorengebäude und der Böschung eines Gärrestteiches aufzubauen. Hierbei war insbesondere der verfügbare Platz für den abgasseitigen
Anschluss sehr knapp bemessen. Nach einigen Iterationsschritten wurde eine
rohrleitungstechnische Lösung zum Einhalten der Platzrestriktionen und der zulässigen Abgasgegendrücke gefunden, die aber ein Versetzen des schon aufgebauten Kamins erforderte.
Die Kompensation der Dehnungen der Abgasleitungen war dabei zunächst
nicht befriedigend gelöst. Deshalb wurde nach einer Betriebszeit von einem
Jahr ein Umbau der Abgasverrohrung notwendig.
Die CE-Zertifizierung des ORC-Moduls ist abgeschlossen.
3.1.4
Besondere konstruktive Veränderungen des ORC-Moduls
Das ORC-Modul enthält gegenüber dem Vorgänger (Wasmerslage) erheblich
veränderte Wärmeaustauscher mit Wärmeaustauscherflächen in Rohrbündelausführung. Damit verbunden war eine komplette Neukonstruktion aller
verbindenden Rohrleitungen. Die Speisepumpe wurde durch einen anderen Typ
ersetzt. Der Turbogenerator wurde hinsichtlich Wartbarkeit, Turbinenschmierung und Dichtigkeit optimiert. Die Funktionalität des Turbinenschnellschlusses
und die Auslegung des Turbinenbypassventiles wurden optimiert. Der Turbogenerator und einige andere Teile rund um den Turbogenerator wurden durch
eine Wartungsplattform einfacher zugänglich gemacht. Ein ArbeitsmittelVorratsbehälter wurde der Anlage hinzugefügt.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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3.1.5
Aufstellsituation
Abbildung 104:
Motorengebäude mit
Abgaskamin und vorhandener Fundamentplatte in Valovice
Abbildung 105:
Aufstellkonzept zwischen dem Motorengebäude (rechts) und
der Böschung zum
Gärresteteich (links)
Turbine
Abbildung 106:
Anlieferung ORCModul Valovice
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
191
Abbildung 107:
Anschluss Abgasweg
Valovice an ORCModul
Abbildung 108:
Gesamtansicht ORCInstallation Valovice
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
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3.2
Kurzdarstellung Feldanlage Altenberge
3.2.1
Ausgangssituation
Auf der abgedeckten Zentraldeponie Altenberge wird seit 1997 eine Gasgewinnungs- und Verwertungsanlage betrieben. Dort wird mittels Gasbrunnen
im Deponiekörper Deponiegas abgesaugt und dieses einem Gasmotor zugeführt. Da nach dem bisherigen Betriebszeitraum die absaugbare Deponiegasmenge langsam zurückgeht und die Gasqualität (Methangehalt) langsam abnimmt, hat der Betreiber, die Entsorgungsgesellschaft Steinfurt mbH 2005 gemeinsam mit Betreiberpartnern eine Biogasanlage errichtet, die zusätzliches Biogas erzeugt, das dem Deponiegas beigemischt wird und gemeinsam in einem
angeschlossenen BHKW verstromt wird. Bevorzugt eingesetzte Substrate der
Biogasanlage sind ca. 70 % Maissilage und 30% Trockenmist und Hühnerkot
BHKW-Anlagenbauer: GE Jenbacher, Jenbach, Österreich
Motor-Typ: JGC-316 GS-B.LC , ca. 802 kWel
Das bisheriges Wärmenutzungskonzept der Gasmotorenabwärme besteht aus
Nutzung der Motorwärme zur Fermenterheizung und Substratvorheizung mit
ca. 300.000 kWh/a (ca. 3000 VLBh, Spitze ca. 100 kWth); Nutzung von ca.
20.000 kWh Motorwärme zur Beheizung der Gebäude der Deponiesickerwasseraufarbeitung sowie ca. 1.200.000 kWh für Holz- und Getreidetrocknung
und zuletzt Nutzung von ca. 350.000 kWh für Heizung, Warmwasser in einem
benachbarten Gehöft. Zukünftig war ggf. eine Klärschlammtrocknung mittels
Motorabwärme vorgesehen. Letzteres wurde im Zeitverlauf der Detailplanung
dann aber verworfen. Im Sommer 2011 wurde der Bau eines Satelliten-BHKW
abgeschlossen. Dieses wärmegeführte BHKW mit innerstädtischer Lage wurde
über eine Biogasleitung an die vorhandene Gasfassung und Gaserzeugung angeschlossen. Wegen des dadurch reduzierten Gasangebotes am Standort läuft
das BHKW und damit der ORC am Standort seitdem mit stärker schwankender
und insgesamt etwas reduzierter Leistung.
3.2.2
Konzept
Ausgangspunkt war die vorgesehene Abgaswärmenutzung durch Verstromung
im ORC-Prozess und ggf. eine geplante Niedertemperaturwärmenutzung.
Zunächst sollte das ORC-Modul das Abgas nur auf etwa 280°C auskühlen damit ein heißer Abgasstrom verblieb, dessen Restwärme alternativ für die geplante Klärschlammtrocknung oder additiv zur Restmotorwärme und eines Teils
der Gemischwärme in einem NT-ORC-Modul Typ W-25 verwertet werden sollte. Daher war zunächst ein Einsatz des ORC-Moduls Typs A-50 in KWKAuslegung vorgesehen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
193
Später im Lauf der Planung wurde die Option der Restwärmenutzung zugunsten einer vollständigen Abgasauskühlung auf ca. 180°C fallen gelassen und
daher für die nun größere verfügbare Abgaswärmenge das ORC-Modul Typ A100 in Kondensationsauslegung mit einem gezielt neu ausgewählten Kohlenwasserstoff als Arbeitsfluid eingesetzt.
3.2.3
Beim ORC in Altenberge standen in der Nähe des BHKW Fundamente zur Aufstellung des ORC-Prozesses und des zugeordneten Tischkühlers zur Verfügung.
Für die Einspeisung und Kommunikationsleitungen konnte weitgehend auf
vorbereitete Kabelwege zurückgegriffen werden.
Der durch den im Abgasweg eingebauten Jenbacher Clean Air Filter begrenzte
Spielraum für zusätzlichen Abgasgegendruck machte erhebliche Probleme bei
der Systemintegrationsplanung. Seitens des Motors ist der Abgasgegendruck
auf ca. 60 mbar begrenzt. Davon nehmen der Jenbacher Clean Air Filter und
der Schalldämpfer des Motors bei Motorvollast gemeinsam bereits ca. 37 mbar
in Anspruch. Dies erforderte eine mehrfache Anpassung der Abgasverrohrung
und des ORC-Verdampfers in der Planung sowie einen Wechsel des Kaminzuges bis ein geeignetes Druckverlustbild für störungsfreien Motorbetrieb erreicht
war.
Bei der Aufstellung des ORC-Moduls wurde der zugehörige Trockenkühler
mangels ausreichenden Platzes auf der vorgesehenen Fundamentfläche auf ein
benachbartes freies Fundament gestellt.
Das ORC-Modul wurde in ca. 6 Monaten gebaut, innerhalb von ca. 4 Wochen
am Standort integriert und in weiteren ca. 2 Wochen in Betrieb genommen,
danach noch ca. 2 Monate optimiert und läuft seitdem sehr zufriedenstellend
mit nur sehr wenigen Störungen und sehr wenigen planmäßigen Abschaltungen. Die CE-Zertifizierung des ORC-Moduls ist abgeschlossen.
3.2.4
Das ORC-Modul enthält einen gegenüber dem Vorgänger (Valovice) modifizierten Verdampfer, Kondensator und Rekuperator sowie einen modifizierten Turbogenerator. Die Abreinigungsmöglichkeit des Verdampfers auf der Abgasseite
wurde verbessert. Der Turbogenerator wurde so verändert, dass Wartungsund Reparaturarbeiten nun direkt im Einbauzustand erbracht werden können.
Gleichzeitig wurde der Aufbau vereinfacht. Das Umrichterfabrikat wurde gegenüber Vorgängeranlagen verändert.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
194
3.2.5
Aufstellsituation
Abbildung 109:
Deponiegas-/BiogasContainer-BHKW
mit Jenbacher Clean
Air Filter
Abbildung 110:
Vorhandene Aufstellfläche für ORCModul mit Jenbacher Clean Air Filter
und Abgaskamin
Abbildung 111:
Aufgestelltes ORCModul A-100
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
195
Abbildung 112:
Abgasanschluss des
ORC-Moduls am
Jenbacher Clean Air
Filter
Abbildung 113:
ORC-Modul mit
zugehörigem Trockenkühler
Abbildung 114:
ORC-Modul abschließend überdacht
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
196
3.3
Kurzdarstellung Feldanlagen Flörsheim-Wicker
3.3.1
Ausgangssituation
Der Rhein-Main-Deponiepark mit der Deponie Flörsheim-Wicker ist der Hauptsitz der Rhein-Main Deponie GmbH (RMD), der Main-Taunus-Recycling GmbH
(MTR) und der Rhein-Main Deponienachsorge GmbH (RMN). Hier wurden bis
Juni 2005 Hausmüll oder hausmüllähnliche Abfälle verfüllt.
Das dem Gasfassungssystem der Deponie nachgeschaltete Deponiegaskraftwerk besteht aus 7 Motoren. Aufgrund der nachlassenden Deponiegasmenge
wurde am Standort eine große Biogasanlage gebaut, um die verfügbare Gasmenge zur motorischen Nutzung wieder aufzustocken. Insgesamt verfügt die
Deponie Flörsheim-Wicker über 7 Gasmotoren mit einer Gesamtleistung von
5,3 MWel. Hiervon werden 5 Gasmotoren mit einer Gesamtleistung von
3,8 MWel für die Verstromung von Deponiegas und 1,5 MWel für die Verstromung von Biogas aus der Biogasanlage verwendet.
Zusätzlich wird auf dem Gelände im Deponiepark Flörsheim-Wicker ein Biomasse-Kraftwerk mit einer Leistung von 15 MWel betrieben, das mit Holz aus
der benachbarten Altholz-Aufbereitung versorgt wird.
Auf dem Gelände des Deponieparks, an den Fassaden sowie auf den Dächern
der Gebäude sind Photovoltaikanlagen von insgesamt 1,1 MWp zur Stromerzeugung installiert.
Im Deponiepark sind auch verschiedene Umschlag-, Sammel-, Sortier- und
Aufbereitungsanlagen für typische Abfallfraktionen eingerichtet (Sperrmüll,
Boden, Schlacken, Altholz, Baustellenaushub, Hausmüll).
Im Rahmen des Feldversuches ORC sollen zwei Hochtemperatur-ORC-Prozesse
A-100 HT in die Motorenanlage integriert werden. Es wurden parallel weitere
Optionen zur Abwärmeverwertung untersucht, u. a. der Betrieb der ORCModule an jeweils dem größten Motor und eine zusätzliche Fernwärmeauskopplung aus den Motoren. Schlussendlich wurden beide ORC-Module an je
zwei Motoren angeschlossen und es wird für ein ORC-Modul jeweils die Abgaswärme zweier Motoren eingesetzt (GasMotor=GM, GM3+GM4:
835+625 kWel und GM6+GM7: 1034 + 555 kWel).
3.3.2
Konzept
Konzept: 2x HT-ORC A-100 mit jeweils Nutzung der kompletten Abgaswärme
der Motoren GM6 und GM3, evtl. von jeweils zwei Motoren (GM6+GM7 bzw.
GM3+GM4)
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
197
Außenaufstellung auf einer vorhandenen Stahlplattform über Motor 6 und 7
bzw. über dem Dach der Motoren 3 und 4.
Die ORC-Module Typ A-100 werden als Weiterentwicklung der Konstruktion
von Altenberge ausgeführt. Die ORC-Module selbst wurden zur Erzielung der
Maximalleistung und zur Erzielung einer verbesserten Betriebsstabilität mit einigen konstruktiven Veränderungen versehen.
3.3.3
Beide ORC-Module erforderten eine besonders aufwendige Aufstellung. Dies
war den begrenzten Platzverhältnissen am Standort geschuldet. Ein ORCModul mit Trockenkühler war auf dem Dach des Motorengebäudes anzuordnen, das zweite ORC-Modul auf einer weitgehend vorhandenen Stahlplattform
über zwei Container-BHKW-Modulen. Sowohl Motorengebäude als auch
Stahlplattform waren von Umfahrungswegen umschlossen.
Bei beiden ORC-Modulen ist in der abgasseitigen Beschaltung des ORC-Moduls
nach Abkühlung des Abgases im ORC-Verdampfer ein Saugzug notwendig.
Abgasgegendruckmessungen an den Motoren hatten ergeben, dass die Abgasgegendrücke bereits mit den schon vorhandenen Schalldämpfern, Thermoreaktoren und langen Verrohrungen im Abgasweg beim zulässigen Grenzwert der
Motoren (50 mbar bei Deutz bzw. 60 mbar bei Jenbacher). Bereits vor dem
Anschluss der ORC-Module wurde der zulässige Abgasgegendruck im Jahresverlauf erreicht und streckenweise mussten die Motoren deswegen sogar
schon leicht eingedrosselt werden.
Nach Abstimmung sollten zwei identische Saugzüge eingesetzt werden, die so
ausgelegt werden, dass bei der Motorengruppe mit der kleineren Gesamtabgasmenge (d.h. Motor 3+4) das verfügbare Abgas komplett auf den ORCVerdampfer aufgegeben werden kann. Regelungstechnisch wird dazu der Abgasgegendruck jeweils direkt hinter den Motoren gemessen und durch Saugzugeinsatz auf einen Sollwert unter Beachtung der Saugzugmindestdrehzahl
geregelt.
Die relativ hochliegenden Anschlusspunkte der Abgasleitungen an den Kaminen von GM3 und GM4 erforderten eine aufwendige Kompensation der Wärmeausdehung der Kamine bei Motorinbetriebnahme/-außerbetriebnahme.
Das Aufstellgelände ist im Untergrund von einer Betonplatte auf Säulenfundamenenten unterlegt, die das Versickern von Gefahrstoffen verhindern und
Gausaustritte aus dem Deponiekörper nach oben unterbinden soll. Dadurch
war Vorsicht beim Kraneinsatz beim Bewegen schwerer Lasten geboten. Außerdem waren Ex-Schutz-Maßnahmen mit besonderer Sorgfalt zu ergreifen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
198
Für das Einfüllen des Arbeitsfluides in die ORC-Anlage war anders als sonst eine Fasspumpe erforderlich, um das Fluid aus dem ebenerdig aufgestellten Fass
bis zu 12 m hochzupumpen. Ansonsten war das Vakuum der ORC-Anlage
selbst bei allen anderen Feldtestanlagen zum Ansaugen des Arbeitsfluides ausreichend.
Die Arbeiten zur Systemintegration am Standort waren aufgrund Positionierung und Anschlussverhältnissen kosten- und zeitaufwendig. Deshalb musste
der Inbetriebnahmetermin mehrfach bis in den Dezember 2011 verschoben
werden.
Betrieblich sollte die Möglichkeit geschaffen werden, größere Wärmemengen
als vorgesehen in das ORC-Modul einzukoppeln und die Abwärme auch wieder
auszukoppeln.
Die Aufstellungsplattformen über Dach des Gebäudes (GM3+4) bzw. auf dem
im Wesentlichen schon vorhandenen Stahlgerüst oberhalb von GM6+7 wurden
im September (GM 3+4) bzw. November 2011 (bei GM 6+7) soweit fertiggestellt, dass die im September 2011 angelieferten ORC-Module und die Trockenkühler auf die Stahlplattformen gehoben werden konnten. Kranseitig war
dabei die begrenzte Tragfähigkeit des Untergrunds (Betonplatte oberhalb eines
alten Deponiekörpers mit Säulenfundamenten) zu berücksichtigen. Bei den
Montagearbeiten zeigte sich hier eine gewisse Anfälligkeit der Stahlplattformen für die Aufnahme extern aufgebrachter Schwingungen und deren Weiterleitung an das ORC-Modul.
Abgasseitig wurden im ersten Schritt jeweils sofort beide Motoren rohrleitungsseitig an die ORC´s angeschlossen. Es werden abgasseitig in Strömungsrichtung jeweils ein Saugzug hinter dem ORC-Verdampfer angeordnet. Diese
wurden so ausgelegt, dass das Abgas komplett auf den ORC-Verdampfer aufgegeben werden kann. Regelungstechnisch wird dazu die Saugzugdrehzehl so
geregelt, dass der gemessene Gegendruck abgasseitig direkt hinter beiden Motoren die zulässigen Maximalwerte nicht überschreitet. Die Regelung der Saugzüge wurde in die SPS des ORC implementiert und auch mit der Steuerung des
Anfahrvorganges der ORC-Anlagen abgestimmt.
Die erste, rechtlich relevante Einspeisung beider ORC-Module noch ohne implementierte Saugzugregelung fand Mitte Dezember 2011 statt.
Erste reale Leistungsfahrten mit den inzwischen nahezu vollständig integrierten
ORC-Modulen fanden ab März 2012 statt. Hierbei konnte die Betriebsfähigkeit
der ORC-Module im Leistungsbereich zwischen 60 und 120 kWel nachgewiesen
werden.
Der Betrieb wurde noch im Sommer 2012 an die RMN übergeben. Die Optimierung der ORC-Anlagen wurde fortgesetzt. Das Problem bestand in dem Be-
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
199
trieb der ORC-Anlagen am Leistungslimit. Bei Maximalleistung beider vorgeschalteter Motoren wird dem ORC mehr als die maximal zulässige Wärmeleistung zugeführt. Dies führt zur Überlastung einiger Komponenten. Hierzu wurde zuerst die Kühlkreislauftemperatur angehoben. Diese Regelung ist jedoch zu
träge um schnelle Laständerungen (abgasseitige Zuschaltung eines Motors bei
Volllast) zu verkraften. Eine Leistungsregelung mit Hilfe des Turbinenbypassventiles funktionierte. Zuletzt wurde bei einem Prozess auch der Düsenring des
Turbogenerators nachgearbeitet, um ein etwas niedrigeres Druckniveau vor
Turbine und einen etwas höheren Massenstrom über die Turbine zu erzielen.
Die CE-Zertifizierung beider ORC-Module ist abgeschlossen.
Die RMN treibt die Prüfung nach Betriebssicherheitsverordnung durch den lokal
zuständigen TÜV, insbes. aber auch die Erlangung einer Erlaubnis für den 72hBetrieb BoB an. Aufgrund der besonderen Einbauposition eines ORC-Modus
oberhalb eines Motorenmoduls wurde bei einer der beiden Aufstellungen vom
lokalen TÜV eine Aufffangvorrichtung für ggf. abtropfendes Arbeitsfluid gefordert.
3.3.4
Besondere konstruktive Veränderungen der ORC-Module
Die ORC-Module wurden gegenüber dem Vorgänger (Altenberge) in einigen
Punkten modifiziert. Die Schnellschlussklappe und der Turbogenerator wurden
überarbeitet. Kondensator und Rekuperator wurden etwas verändert, da mit
einem größeren Abwärmeaufkommen gerechnet wurde. Der Hotwell wurde
verändert. Das Umrichterfabrikat wurde gegenüber den Vorgängeranlagen
gewechselt.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
200
3.3.5
Aufstellsituation
Abbildung 115:
Luftbild Deponie
Flörsheim-Wicker,
Technikgebäude,
Anlieferungsbereich
Abbildung 116:
Aufstellsituation
der beiden ORCModule in Flörsheim-Wicker
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
201
Abbildung 117:
Gebäudeansicht
Technikgebäude,
u. a. mit Gasmotoren 1 bis 5
Abbildung 118:
Dach des Technikgebäudes mit
Kaminen der Motoren 3 und 4
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
202
Abbildung 119:
Containermodule
GM 6+7 mit vorhandener Stahlbauplattform
Abbildung 120:
Containermodule
GM 6+7 mit vorhandener Stahlbauplattform
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
203
Abbildung 121:
Einbringung eines
vormontierten
ORC-Modules an
GM 3+4 auf dasDach des Motorengebäudes
Abbildung 122:
Auf dem Dach des
Motorengebäudes
fertig installiertes
ORC-Modul an
GM 3+4 mit Trockenkühler und
Wetterschutz
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
204
Abbildung 123:
Zweites ORCModul an GM 6+7
mit Trockenkühler
auf der Stahlblauplattform oberhalb
von zwei Motorencontainern,
eingerüstet zur
Wetterschutzmontage
Abbildung 124:
Zuführung des
heißen Motorenabgases und
Verdampfer des
ORC-Moduls GM
6+7
Abbildung 125:
Gasse zwischen
ORC-Modul und
Trockenkühler GM
6+7
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
205
3.4
Kurzdarstellung Feldanlage Bietigheim-Bissingen
3.4.1
Ausgangssituation
Nachdem klar war, dass am Standort Platten statt ursprünglich drei maximal
zwei ORC-Module A-50 errichtet werden würden, hat sich die Dürr Cyplan Ltd.
bereit erklärt, eines der übrigen ORC-Module zu übernehmen und im Testcenter von Dürr in Bietigheim-Bissingen aufzubauen. Die ORC-Anlage wurde an
diesem Standort zügig aufgebaut und einem umfangreichen Test- und Optimierungsprogramm unterzogen, wodurch die Effizienz und Einsatzvariabilität
deutlich gesteigert werden konnte. Der Aufbau im Testcenter war für das Projekt insoweit ein Glücksgriff, als die Neukonstruktion hier relativ umfassend
und schnell in allen relevanten Betriebsreichen getestet werden konnte.
3.4.2
Konzept
Im Testcenter nutzt die 60 kW- HT-ORC Anlage die Abwärme einer thermischen Abluftreinigungsanlage des Typs Ecopure TAR zur Stromerzeugung. Der
Strom wurde als Beitrag zur zur Eigenstromversorgung in das Standortnetz
eingespeist.
Abbildung 126:
Aufbaukonzept am
Standort BietigheimBissingen
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
206
Abbildung 127:
Vorhandene Messeinrichtungen am TAR
3.4.3
Es handelt sich um die einzige Aufstellung eines ORC-Modules in einem Innenraum. Deshalb war eine besonders sorgfältige Dichtigkeitskontrolle notwendig.
Weiterhin mussten die Abblasleitungen der Berstscheiben durch die Überdachung nach außen geführt werden. Der Trockenkühler des ORC wurde nicht in
der Technikumshalle, sondern außen aufgestellt. Hier wurde auf ein Fabrikat
mit anderen Proportionen gewechselt, um die benachbarte Einfahrt nicht zu
stark einzuengen. Die Wärmeversorgung erfolgt an diesem Standort nicht über
die Abgasleitung eines Gasmotors, sondern über die Abwärme einer thermischen Abluftreinigungsanlage des Typs Ecopure TAR zur Stromerzeugung. Anders als bei einem Motor war die Wärmezufuhr nicht motorbetriebsabhängig,
sondern konnte frei nach Bedienerwünschen gesteuert werden. Die CEZertifizierung des ORC-Moduls ist abgeschlossen.
3.4.4
Bei der Anlage vom Typ A-50-Alpha in Bietigheim-Bissingen handelt es sich um
eine komplette Neukonstruktion. Das ORC-Modul enthält einen verkleinerten
Verdampfer sowie einen verkleinerten Turbogenerator. Für eine Abreinigungsmöglichkeit des Verdampfers auf der Abgasseite ist gesorgt. KondensatorRekuperator wurden mit Zielrichtung eines kompakteren Aufbaus neu konstruiert. Das Umrichterfabrikat wurde gegenüber Vorgängeranlagen wegen der
verringerten Leistung neu ausgewählt.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
207
3.4.5
Aufstellsituation
Abbildung 128:
Aufladung auf Tieflader am Montagebetrieb
Abbildung 129:
Einbringung des ORCModuls ins Technikum
bei Dürr
Abbildung 130:
Aufgebaut und angeschlossen, betriebsfertig im Technikum bei
Dürr Cyplan Ltd.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
208
3.5
Kurzdarstellung Feldanlage Platten
3.5.1
Ausgangssituation
Am Standort Platten sind zwei NaWaRo-Biogasanlagen errichtet, die jeweils
das Biogas für einen Gasmotor mit 716 kWel erzeugen.
Bevorzugt eingesetzte Substrate der Biogasanlage sind ca. 60 % Maissilage,
9 % Grassilage und 31 % Ganzpflanzensilagen.
BHKW-Anlagenbauer: Haase Energietechnik AG, Neumünster
Motor-Typ: 2xDeutz TCG 2016 V16, ca. 716 kWel
Das bisheriges Wärmenutzungskonzept der Gasmotorenabwärme besteht aus
Nutzung der Motorwärme zur Fermenterbeheizung und Substratvorheizung
mit der Motorwärme (ca. 3000 VLBh, Spitze ca. 296 kWth), einer Klärschlammtrocknung mit ca. 3500 Volllaststunden der Motorwärme der beiden 716 kWMotoren. Ein Ausbau der Motorabwärmenutzung mit Belieferung externer
Kunden ist nicht absehbar.
Die Motorenleistung der Biogasanlage sollte zum Projektbeginn aufgrund unerwartet hohen Gasertrags der Fermenter um ein 600 kWel-BHKW erweitert
werden. Die Erweiterung um dann ca. 536 kWel erfolgte im Dezember 2011.
3.5.2
Konzept
Ausgangspunkt war die vorgesehene Abgaswärmenutzung durch Verstromung
im ORC-Prozess und ggf. eine geplante Niedertemperaturwärmenutzung. Aufgrund der Gegebenheiten der schon ausgebauten Motorwärmenutzung durch
eine am Standort mit Wärme belieferte Klärschlammtrocknung wurde ein Niedertemperatur-ORC im Zuge der Detailplanung bald verworfen. War ursprünglich der Betrieb einer großen HT-ORC-Anlage mit 120 kWel an der Abgaswärme
der beiden vorhandenen 716-kW-Maschinen geplant, so wurde aufgrund der
rechtlichen und resultierenden wirtschaftlichen Unwägbarkeiten infolge möglicher EEG-vergütungsrechtlicher Verklammerung zweier bisher rechtlich selbständiger Biogasanlagen diese Option jedoch fallengelassen. Die Entscheidung
fiel für einen kleineren abgasgetriebenen ORC, Typ A-50 HT, für einen
716 kWel-Motor bzw. eine Biogasanlage. Im Projektverlauf fiel die Wärmenutzung durch die unternehmensexterne Klärschlammtrocknung wegen Stilllegung infolge genehmigungsrechtlicher Probleme weg. Gleichzeitig entwickelte
sich die Inbetriebnahme des ersten ORC-Moduls am Standort ausgesprochen
problematisch.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
209
3.5.3
Für die ORC am Standort Platten steht in der Nähe der Motorenmodule auf
dem Erdboden keine Aufstellungsfläche zur Verfügung, da Motormodule und
Technik—Container rundum einen befahrenen Transportweg aufweisen bzw.
auf einer Seite ein unterirdischer Löschwasserbetontank angrenzt, bei dem
zweifelhaft war, ob die Statik das zusätzliche Gewicht zweier ORC-Module
aushält. Um dennoch einen ausreichend niedrigen Gesamtabgasgegendruck
bei Installation der ORC-Module zu ermöglichen, mussten die ORC-Module auf
vorhandene Technik-Container oben aufgesetzt werden.
Der im Abgasweg bisher eingebaute aber nicht benötigte Abgaswärmetauscher nebst Abgaskatalysator musste gegen einen reinen Abgaskatalysator getauscht werden, um zusätzliches Spiel für den Abgasgegendruck zu gewinnen.
In Platten wurde durch die Genehmigungsbehörde eine Auffangwanne und
damit verbunden eine nicht luftdichte Einhausung der ORC-Anlage gefordert.
Das erste ORC-Modul A-50 wurde im Dezember 2011 angeliefert. Nach Fortschritten bei der Fertigstellung der Systemintegration durch ENAGRA konnte
die ersten Inbetriebsetzungsversuche im Februar 2012 durchgeführt werden.
Hierbei verzögerten sehr starke vom Motor durch Körperschall und Gasschall
auf das ORC-Modul übertragene Schwingungen des relativ rau laufenden Motors die weitere Inbetriebnahme. Durch Verschränkungen des Stahlpodests
über Dach des Versorgungscontainers, Abkopplung des Körperschalls in der
Abgasverrohrung durch Weichstoffkompensatoren und Dämpfung des Gasschalls durch ein Resonator /Absorber-System in der Abgasleitung konnte die
Schwingungsübertragung bis Mitte April 2012 auf ORC-turbinenverträgliche
Größenordnung reduziert werden.
Nach einer ersten Testphase wurde im Sommer 2012 der Turbogenerator
umgebaut, so dass heute die angestrebte Leistung von etwa 60 kWel erreicht
wird. Die CE-Zertifizierung des ORC-Moduls ist abgeschlossen.
.
3.5.4
Bei der Anlage vom Typ A-50-Alpha in Platten handelt es sich wie bei der Anlage in Bietigheim-Bissingen um eine Neukonstruktion. Es gibt demgegenüber
nur zwei Abweichungen, eine etwas anders dimensionierte Turbine und ein
anderer Wechselrichter, darüberhinaus nur geringe, den Standortrandbedingungen geschuldete Abweichungen.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
210
3.5.5
Aufstellsituation
Abbildung 131:
Geländeaufriss
Biogasanlage Platten
Abbildung 132:
Biogas-ContainerBHKW mit TechnikContainern am
Standort Platten
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
211
Abbildung 133:
Rückansicht der Containergruppe mit Biogasfiltern
Abbildung 134:
ORC-Modul und Trockenkühler auf der
Stahlplattform oberhalb des TechnikContainers
Abbildung 135:
Blickgasse zwischen
Trockenkühler ORCModul und Trockenkühler des Gasmotors
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
212
3.6
Kurzdarstellung Feldanlage Quarnbek
3.6.1
Ausgangssituation
Die Biogasanlage am Gut Quarnbek ist seit 2007 im Betrieb und liefert jährlich
rund 2 Mio. kWh elektrischen Strom. Bevorzugt eingesetzte Substrate der Biogasanlage sind Maissilage (80 %), Hühnertrockenkot und Rindergülle (10 %),
Mist (10 %).
BHKW-Anlagenbauer: SES Energiesysteme GmbH, Berlin
Motor-Typ: Deutz DPS TCG 2016C V12, ca. 537 kWel
An schon ausgebautem Wärmebedarf bei Projektbeginn waren die Fermenterheizung und Substratvorheizung mit ca. 450.000 kWh/a (ca. 3000 VLBh, Spitze
ca. 150 kWth) sowie ein kleines Nahwärmenetz zur Beheizung von Gut Quarnbek mit 136.000 kWh/a (80 kWth / 1700 VLBh) zu verzeichnen. Für die Zukunft
war ein Ausbau des Nahwärmenetzes vorgesehen, aber nicht konkretisiert, daher wurde von einer zukünftigen Reduzierung des Abwärmeangebotes ausgegangen.
3.6.2
Konzept
Vorgesehen war die Nutzung der Gesamtwärme in einem Niedertemperatur
ORC-Prozess mit relativ niedrigeren Investitionskosten, da die Nahwärmeversorgung nach Ausbau zukünftig einen guten Teil der vorhandenen Abwärme
benötigt. Bei Projektbeginn wurde aber von einer Gesamtabwärmeverfügbarkeit über einen Teil des Jahres ausgegangen.
3.6.3
Der ORC in Quarnbek ist das einzige NT-ORC-Modul des Projektes. In Quarnbek wurde die Systemintegration weitgehend durch einen vom Betreiber der
Biogasanlage beauftragten Ingenieurfachplaner durchgeführt.
Die Inbetriebnahme und Optimierung dieser Feldanlage hat sich stark verzögert
aufgrund von mehrfachen Schäden am ORC-Verdampfer und danach durch
eine umfangreiche Anpassung der ORC-Anlage an einen gegenüber der
Schnittstellenvereinbarung deutlich reduzierten Wärmeinput. Hierdurch standen bei dieser Anlage mehrfach inbetriebnahmeähnliche Arbeiten an.
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
213
Die zweite Inbetriebnahme musste im Winter 2010 abgebrochen werden, weil
eine Schweißnaht des als Verdampfer eingesetzten Plattenwärmetauschers
nochmals gerissen ist. Als Folge des Risses war Wasser (frostsicheres Wasser/Glykol-Gemisch war vorgeschrieben, wurde allerdings für Testzwecke vom
Kunden nicht verwendet) aus dem Zwischenkreis in die ORC-Anlage eingedrungen und bei den winterlichen Temperaturen eingefroren. Dadurch ist die
Anlage an verschiedenen Stellen (Direktverflüssiger, Rohrleitung, Armaturen)
aufgefroren. Diese defekten Teile mussten entsprechend ausgetauscht bzw.
repariert werden. In dieser Stillstandzeit wurde die Turbine durch unbekannte
Dritte unsachgemäß geöffnet und dabei zusätzlich beschädigt. Nach Durchführung aller nötigen Reparaturen wurde die Inbetriebnahme im Frühjahr 2011
wieder aufgenommen.
Es gab in 2011 zunächst erhebliche Probleme bei der Inbetriebnahme der neukonstruierten Turbine. Bis zum Sommer 2011 konnte die ORC-Anlage letztendlich in einen stabilen Betrieb gebracht werden. Während dieser Zeit wurden eine Reihe modifizierte Turbinenlager vom Hersteller eingebaut. Zusätzlich wurde
danach durch Veränderungen der Flüssigkeitsabfuhr des Schmiermittels und
des Kondensats an der Turbine eine deutliche Verbesserung erreicht. Neben
den Lagerproblemen gab es weitere verfahrenstechnische Herausforderungen.
Zum einen neigte die Anlage zu Schwallströmungen, die durch exakte Einstellung des Arbeitsmittelstandes im Verdampfer unterdrückt werden konnte. Zum
anderen wurden verschiedene Rohrleitungselemente des Arbeitsfluidkreislaufes
abgeändert. um noch bestehende Probleme einzugrenzen. Des Weiteren wurde trotz sorgfältiger Evakuierung und anschließender Befüllung der Anlage
Inertgas in das System eingetragen, wodurch sich ein höherer Kondensatordruck eingestellt hatte und eine geringere Effizienz gemessen wurde. Während
dieser Inbetriebnahmezeit wurden mehrfach Schwachstellen und Fehler in der
Visualisierung und im Prozessablaufprogramm verbessert.
Der für die ENARO tätige Fachplaner wechselte im Herbst 2011. Anschließend
rückten die betreiberseitige Erhöhung der Wärmezufuhr zum ORC-Modul und
die Erhöhung der gelieferten Vorlauftemperatur in den Fokus. Es stellte sich
heraus, dass die bereits regelmäßig verbrauchte Abwärme des Motors bei der
betreiberseitigen Schnittstellenfestlegung unterschätzt worden war. Hierbei
spielt nicht nur das angeschlossene Nahwärmenetz und die Fermenterheizung
eine Rolle sondern auch der Motor und die eingesetzten motorseitigen Wärmeübertrager wiesen Minderwärmeleistungen und auch insgesamt zu niedrige
Vorlauftemperauren auf. Die Dimensionierung schon vorhandener Warmwasser-Umwälzpumpen und Regelarmaturen mit großen Leckströmen waren suboptimal. Die weitere Optimierung verzögerte sich abermals durch einen nochmaligen Verdampfer-Schweißnahtriss im November 2011. Im Frühjahr 2012
wurde der nicht spezifikationsgerechte Vorwärmer/Verdampfer der ORCAnlage dann gegen zwei einzelne Plattenwärmetauscher eines qualifizierteren
Herstellers getauscht. Zudem wurde die Stillstandzeit genutzt, um auch die
Turbine der offenbar dauerhaft geringeren Wärmezufuhr anzupassen. Die
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
214
ORC-Anlage in Quarnbek bekam dadurch einen geänderten Aufbau und ein
stark verändertes Betriebsverhalten, das nahezu einen Neubeginn der Inbetriebnahme erforderte. Die Umbauarbeiten wurden im Sommer 2012 abgeschlossen. Die Wärmezufuhr zum ORC konnte auf einem etwas höheren Niveau stabilisiert werden, ohne allerdings die Auslegungsbedingungen zu erreichen. Ein Automatikbetrieb ist seit Ende April 2012 möglich. Danach wurde
nochmals die Turbine angepasst, um ihre Lagerstandfestigkeit und die Leistung
der Anlage zu erhöhen. Die gegenüber der Ausgangsauslegung deutlich verringerte Wärmezufuhr und geringere Vorlauftemperatur führt aber dauerhaft
zu einer Minderleistung des Prozesses gegenüber der ursprünglichen Auslegung. Die CE-Zertifizierung wurde im Winter 2012 abgeschlossen.
3.6.4
Es handelt sich um die Neukonstruktion eines kleinen Niedertemperatur-ORCModules mit einem Kohlenwasserstoff als Arbeitsmittel. Als Kondensator wird
ein direkt luftgekühlter Apparat eingesetzt. Der Verdampfer ist als Plattenwärmetauscher ausgeführt. Verbindungen wurden in Anlehnung an Kältetechnik
bzw. Flüssiggastechnik ausgeführt.
3.6.5
Aufstellsituation
Abbildung 136:
Motorengebäude mit
Abgaskamin, links
Aufstellungsbereich
ORC Quarnbek
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
215
Abbildung 137:
Vorgesehene Aufstellungsfläche NT-ORC
Quarnbek
Abbildung 138:
Konzept Aufstellungsplan
Abbildung 139:
Angelieferte ORCAnlage mit 1. Vorwärmer/Verdampfer
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
216
Abbildung 140:
Montagearbeiten am
Direktverflüssiger
Abbildung 141:
Anschluss Wärmezuführung am Motorengebäude
Abbildung 142:
Optimierte Anlage mit
2. Vorwärmer/Verdampfer
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
217
30. April 2013
Abschlussbericht
Feldversuch ORC
218

Feldversuch ORC-Prozesse zur Abwärmenutzung

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