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Optimierung von ORC Prozessen zur Nutzung von Niedertemperaturwärme - JARA - Jülich Aachen Research Alliance
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Optimierung von ORC Prozessen zur Nutzung von Niedertemperaturwärme
Im Rahmen der Energiewende wird die Nutzung von alternativen Energien von zentraler Bedeutung sein. Dabei stellen diese vorrangig Niedertemperaturquellen dar (Solarenergie, Geothermie, Biomasse) und würden für eine Energieübertragung mittels eines Wasserdampfkreislaufs zu geringe Temperaturen für hohe Wirkungsgrade zur Verfügung stellen. Aus diesem Grunde stellt die Entwicklung und Optimierung von Organic Rankine Cycle (ORC) Prozessen, die organische Flüssigkeiten als Arbeitsmedien verwenden und so geringere Siedetemperaturen realisieren lassen, einen zentralen Punkt der Forschung dar.
Die Auswahl des Arbeitsmediums ist von hoher Bedeutung, da viele Möglichkeiten, von einfachen Medien wie Ammoniak, Ethanol und Isobutan bis hin zu speziell entworfenen wie R134a und R113, zur Diskussion stehen. Dabei sollte das Arbeitsmedium (WF: Working Fluid) gemäß seinen thermodynamischen Eigenschaften wie der Siedetemperatur und die Steigung der Sattdampfkurve an die zur Verfügung stehende Wärmequelle angepasst werden, um möglichst hohe Wirkungsgrade zu erreichen. Da durch den möglichen Einsatz von Gemischen nicht isotherme Verdampfung und Kondensation erreicht werden kann, liegt bei der Wahl des WFs viel Optimierungspotential vor.
Ein Anwendungsbeispiel für die optimierte Fahrweise eines ORC Kreisprozesses wird in [1] für ein bereits bestehendes Geothermiekraftwerk geliefert. Dabei ist zu beachten, dass das Werk stets im off-design modus operiert. Wichtige zu berücksichtigende Aspekte sind dabei z.B. die Pumpenkennlinien, Turbinenwirkungsgrade und das luftgekühlte Kondensationssystem. Letztgenanntes zeigt insbesondere, wie stark der Kreisprozess von Umgebungsgrößen, wie der Lufttemperatur, abhängig ist. Als Kriterien für die Beurteilung eines Prozesses dienen dabei nicht nur die Nettoarbeitungsleistung, sondern ebenfalls verschieden definierte Wirkungsgrade.
Mit Hilfe von Simulationstools wie dem ASPEN Plus Simulator können die Kreisläufe simuliert werden. Im vorliegenden Fall konnte im Vergleich mit 5000 Messpunkten eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Validierung erreicht werden. Über die Anpassung von Größen wie dem Massenstrom des WFs, der Überhitzung und dem Kondensationssystem könnte eine Vergrößerung der Nettoarbeitsleistung um 10% über ein Jahr hinweg gemittelt erzielt werden.
In einer zweiten Arbeit [2] wird das vorhandene Geothermiekraftwerk um einen Solarkollektor erweitert. Die Positionierung im System und die generell optimierte Schaltung des Hybridkraftwerks kann in Abbildung 1 nachvollzogen werden, wobei das WF in zwei parallelen Schleifen unter Einsatz von vier Turbinen gefahren wird. Die Untersuchungen zeigen dabei, dass die Kombination von Geothermie und Sonnenenergie und deren optimierter Fahrweise eine bessere Option als die Verwendung von zwei getrennten Systemen darstellt.
Abbildung 1: Weiterentwicklung eines einfachen ORC Prozesses zum Hybridkraftwerk mit parallelen Arbeitsmittelkreisläufen [1][2]
All diese Verbesserungen zeigen das Potential von ORC Kreisläufen im Vergleich zu bereits gut erforschten Wasserdampfkreisläufen. Die Nutzung von ORC kann in Zukunft auf weitere Anwendungen erweitert werden: so ist ein mobiler Einsatz zur Nutzung von Abgaswärmeströmen denkbar. Dabei stellt die Optimierung des dynamischen Betriebs unter Berücksichtigung von beeinflussenden Umgebungssystemen eine weitere große Herausforderung dar.
Prof. Alexander Mitsos, Ph.D.
RWTH Aachen University, AVT - Aachener Verfahrenstechnik,
Process Systems Engineering (SVT), 52056 Aachen, Germany
Fax: +49 241 80-92326
[1] Ghasemi H., Paci M., Tizzanini A. and Mitsos A. (2013): Modeling and optimization of a binary geothermal power plant. In: Energy 50 (0), S. 412-428
[2] Ghasemi H., Elysia S., Tizzanini A., Paci M. and Mitsos A. (2014):  Hybrid solar–geothermal power generation: Optimal retrofitting. In: Applied Energy 131 (0), S. 158-170
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