Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit ORC-Technologie. Arbeitsprinzip und Einbindung in das Biomasse-Heizkraftwerk, Wirkungsgrade und technische Daten, Sicherheit, Regelung, Personalbedarf; Nachverstromung ungenutzter Wärme von BHKWs.

Letzte Bearbeitung: 17.10.2009 12:11 IBS HEIZUNG/ KRAFT-WÄRME-ANLAGEN/ BIOMASSE-BHKW

Grundlagen, Arbeitsprinzip und Einbindung in ein Biomasse-Heizkraftwerk, Vorteile, Wirkungsgrade und technische Daten, Sicherheit, Regelung, Personalbedarf; Nachverstromung ungenutzter Wärme von BHKWs.

VerfahrenBiomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit ORC-Technologie
ORC-Technologie - Grundlagen
Die ORC-Technologie resultiert aus einer langjährigen Entwicklung mit dem Ziel, Solarenergie, geothermische Energie sowie Energie aus Biomasse dezentral und sinnvoll zur Wärme- und Stromerzeugung zu nutzen. Verfahren Der ORC-Prozess ("Organic Rankine Cycle") basiert auf einem dem Wasser-Dampf-Prozess ähnlichen Verfahren mit dem Unterschied, dass anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsmedium verwendet wird. Arbeitsmedium Für die in Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gegebenen Rahmenbedingungen eignet sich Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silikonöl sehr gut als Arbeitsmittel. Dieses organische Arbeitsmedien besitzen günstigere Verdampfungseigenschaften (niedrige Verdampfungstemperatur) bei tieferen Temperaturen und Drücken. In d. R. wird z. B. Silikonöl verwendet. Leistungsbereich Elektrische Leistung ab 200 kWhel, -> wirtschaftlicher Einsatz: Elektrische Leistung: 500 bis 2.000 kWhel Thermische Leistung: 3.000 bis 8.000 kWhth Brennstoffbedarf: 6.000 bis 20.000 t/a Vorteile der ORC-Technologie: - Ausgezeichnete Teillastfähigkeit - Technologiereife (marktreife Anlagen verfügbar) - Kein Dampfkesselwärter notwendig - Hohe Automatisierbarkeit - Geringe Instandhaltungskosten	ORC-Anlage - Funktionsprinzip (mit Biomasse) - Biomasse wird in einem Biomassekessel verbrannt, (Hackgut, Holzspäne, Energiegetreide, Getreideabfälle, Staub etc., aber auch andere regenerative Energien und Abwärme etc.) - das Rauchgas durchströmt einen Thermoölkessel - Über Thermoölkreislauf wird dem Dampferzeuger (Verdampfer) Wärme zugeführt - Silikonöl verdampft, Dampf treibt Turbine an - Turbine ist mit Generator gekoppelt, Generator erzeugt Strom - entspannter Dampf gelangt über Rekuperator in einen Kondensator - abgeführte Wärme wird für Heißwassererzeugung oder Prozesswärme genutzt - Kondensat wird über Pumpe wieder auf Betriebsdruck gebracht und über den Rekuperator in den Verdampfer geleitet. Thermoölkessel dient zur Erzeugung von Prozesswärme auf hohen Temperaturniveaus (Vorlauftemperaturen >150 °C bis 300 °C). Im Unterschied zu herkömmlichen Heißwasser- oder Dampfkesseln ist mit diesen Anlagen ein nahezu druckloser Betrieb möglich (max. 10 bar). Dies bringt vor allem bei industriellen Anwendungen wirtschaftliche Vorteile. Strenge und kostenintensive Überwachungspflichten fallen dadurch weg. Außerdem sind auch keine speziell ausgebildeten und zugelassenen Dampfkesselwärter dafür notwendig. Einsatzenergien und Brennstoffe - Solar- und geothermische Energie - Hackgut, Holzspäne - Energiegetreide, Getreideabfälle - Staub etc. Quelle: BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz
Einbindung einer ORC-Anlage in ein Biomasse-Heizkraftwerk (Beispiel)
Funktionsprinzip > Schema ORC-Prozess, > Bild ORC-Modul Die von der Biomassefeuerung (Biomassekessel) erzeugte Wärme wird über einen Thermoölkessel* an den ORC-Prozess übertragen. Thermoöl wird als Wärmeträgermedium verwendet, da dadurch die für den Betrieb des ORC-Prozesses erforderlichen Temperaturen (Thermoöl-Vorlauftemperatur 300°C) erreicht werden können und gleichzeitig ein praktisch druckloser Kesselbetrieb (es ist kein Dampfkesselwärter erforderlich) möglich ist. Durch die vom Thermoöl an den ORC-Prozess übertragene Wärme wird das eingesetzte organische Arbeitsmedium verdampft. Der Dampf gelangt zu einer langsam laufenden Axialturbine, in der er unter Entspannung ins Vakuum mechanische Arbeit leistet, die im direkt an die Turbine gekoppelten Generator (kein Zwischengetriebe erforderlich) elektrische Energie erzeugt. Der entspannte Dampf wird einem Regenerator zur internen Wärmerückgewinnung zugeführt, der den elektrischen Wirkungsgrad erhöht. Anschließend gelangt der Arbeitsmitteldampf in den Kondensator. Die von dort abgeführte Wärme kann als Prozess- bzw. Fernwärme genutzt werden. Über eine Pumpe wird das Kondensat schließlich wieder auf Betriebsdruck gebracht und dem Verdampfer zugeführt. Damit ist der ORC-Kreislauf geschlossen.	Rauchgasreinigung Das aus der Biomassefeuerung austretende Rauchgas wird in einem Multizyklon grob gereinigt. Danach wird es einer Rauchgaskondensationsanlage zugeführt, in der ein Großteil der noch im Rauchgas enthaltenen fühlbaren und latenten Wärme rückgewonnen wird, die ebenfalls als Fern- und Prozesswärme genutzt werden kann. Gleichzeitig wird es dabei gewaschen und somit fein gereinigt und schließlich über den Kamin abgeführt. Heißwasser-Temperaturen Der ORC-Prozess ist so ausgelegt, dass Heißwasser-VL-Temperaturen zwischen 80 und 100°C sowie Spreizungen zwischen 10 und 30°C variabel gefahren werden können. Die RL-Temperaturen liegen dabei zwischen 55 und 70°C. Dadurch kann das erforderliche VL-Temperaturniveau des Heißwasserkreislaufes an die Erfordernisse der einzelnen Wärme- bzw. Kälteabnehmer optimal angepasst werden. Hydraulik Hydraulisch sollte dabei der ORC-Prozess immer dem Rauchgas-Economiser vorgeschaltet sein, damit die Heißwasser-Austrittstemperatur aus dem ORC-Prozess so niedrig wie möglich gehalten werden kann. Elektrischer Wirkungsgrad Je niedriger die erforderliche Heißwasser-VL-Temperatur am Austritt aus dem ORC-Kondensator, desto höher der elektrische Wirkungsgrad.
Wirkungsgrade und technische Daten des ORC-Prozesses
Die Einbindung des ORC-Prozesses in die Gesamtanlage erfolgte unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Stromproduktion bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Heißwasser-Vorlauftemperaturen der Wärmeabnehmer. Elektrischer Wirkungsgrad Die durch die Wärmeabnehmer und die gewählte Anlagenverschaltung vorgegebenen Heißwasser-Temperaturen am ORC-Kondensator im Nennauslegungsfall (Vorlauf 80°C; Rücklauf 60°C) ermöglichen einen elektrischen Wirkungsgrad von 17,7%. Teillastverhalten, Teillastwirkungsgrad Da dezentrale Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen normalerweise aus wirtschaftlichen wie energetischen Gründen wärmegeführt betrieben werden sollten, kommt dem Teillastverhalten und dem Teillastwirkungsgrad des ORC-Prozesses große Bedeutung zu. Dieser ist aufgrund der eingesetzten langsam laufenden Axialturbine und aufgrund der thermodynamischen Eigenschaften des eingesetzten organischen Arbeitsmittels als ausgezeichnet zu beurteilen.	Bei 40% der Nennleistung beträgt der elektrische Wirkungsgrad noch immer 85% des Volllastwirkungsgrades, was durch Messdaten an der Anlage Admont bestätigt wurde. Vorteil Dieser Umstand stellt einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu Dampfturbinen und auch Dampfmotoren dar, bei denen ein stärkerer Wirkungsgradabfall im Teillastbetrieb auftritt. Turbine Die Axialturbine, die im ORC-Prozess eingesetzt wird, arbeitet mit einer geringen Umlaufgeschwindigkeit und Drehzahl und daher geringer mechanischer Beanspruchung. Sie ermöglicht dadurch auch einen direkten Antrieb des Generators ohne Zwischengetriebe, wodurch der elektrische Wirkungsgrad erhöht wird. Durch das im Vergleich zu Wasser-Dampf-Prozessen geringere spezifische Enthalpiegefälle beim Entspannen ist eine einfache und zuverlässige Turbinenkonstruktion möglich. Die genannten Faktoren führen zu einer hohen Turbinenlebensdauer sowie einer hohen Verfügbarkeit der Anlage.
Sicherheit, Regelung
Sicherheitstechnische Aspekte Besonders hervorzuheben sind die hohen sicherheitstechnischen Aspekte der ORC-Anlage. Alle Schweißnähte der Druckbehälter der ORC-Anlage wurden vom TÜV 100% röntgengeprüft und druckgeprüft, wodurch eine wiederkehrende Prüfung durch einen Technischen Überwachungsverein entfällt. Regelung Die Regelung der ORC-Anlage erfolgt über eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die sowohl einen automatischen An- und Abfahrbetrieb als auch eine Synchronisation an das elektrische Netz ermöglicht. Lastwechsel der Anlage werden ebenfalls vollautomatisch über die Vorlauftemperatur des Wasserkreislaufes am Kondensator geregelt.	Es besteht keine Anwesenheitserfordernis eines Betreibers, auch eine notwendige Abschaltung des Aggregates wegen Störfällen wird von der Steuerung vollautomatisch durchgeführt. Dasselbe gilt für das Anfahren der Anlage. Im vorgewärmten bzw. noch warmen Zustand kann die ORC-Anlage innerhalb von etwa 5 Minuten (nach Durchlaufen der erforderlichen Sicherheitsabfragen) an das elektrische Netz gekoppelt werden. Teillastbetrieb mit breiter Modulation Ein kontinuierlicher Betrieb der ORC-Anlage ist zwischen 10% und 100% der Nennlast möglich.
Personalbedarf, Wartung und Instandhaltung
Personalbedarf Die Anbindung des ORC-Prozesses an die Biomassefeuerung wird über einen Thermoölkreislauf bewerkstelligt. Der Wärmeträger Thermoöl ermöglicht einen drucklosen Betrieb bei gleichzeitig hohen Betriebstemperaturen, wodurch kein Dampfkesselwärter erforderlich ist. Somit verringern sich die Personalkosten im Vergleich zu Dampfanlagen. Es entfällt zudem die Wasseraufbereitung, die bei Wasser bzw. Dampf als Wärmeträgermedium notwendig wäre. Der beschriebene Betrieb einer ORC-Anlage unterliegt nicht dem Dampfkesselbetriebsgesetz sondern nur der Druckbehälterverordnung des Kesselgesetzes. Zuverlässigkeit ORC-Aggregate zeichnen sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Störungsanfälligkeit aus, was durch die Erfahrungen aus dem langjährigen Einsatz auf dem Gebiet der Geothermie bestätigt wird.	Betriebskosten Da der Kreislauf des ORC-Prozesses geschlossen ist und somit keine Verluste des Arbeitsmittels auftreten, sind die Betriebskosten gering. Es fallen nur moderate Kosten für Verbrauchsmittel (Schmiermittel), Instandhaltung und Personal an. Durch die vollautomatische Regelung ist ein praktisch unbemannter Betrieb des ORC-Prozesses möglich. Wartung und Instandhaltung Hinsichtlich der erforderlichen Wartung und Instandhaltung ist standardmäßig eine einmalige Routineüberprüfung der Anlage pro Jahr durch die Herstellerfirma vorgesehen, die ein bis zwei Tage dauert. Eventuelle Störfälle sind über die Prozessvisualisierung und automatische Betriebsdatenspeicherung via Personalcomputer klar nachvollziehbar und werden dem Betreiber über ein Telenot-System sofort mitgeteilt.
Entwicklung kleiner ORC-Anlagen zur Nachverstromung ungenutzter Wärme von BHKWs
Zur Nutzung nicht genutzter Abgas- und Motorabwärme aus vorhandenen BHKWs mit Gas- und Dieselmotoren der Leistungsklasse 250 bis 500 kWel entwickelt die LTi Adaturb GmbH Dortmund eine neue Mini-ORC-Turbine. Damit lassen sich zusätzlich je nach Turbine 30 bzw. 60 kWel Strom gewinnen. Der Anlagenwirkungsgrad des ORC-Prozesses soll lt. Hersteller bei der Nutzung von Abwärme bis zu 95°C bei ca. 10%, bei Nutzung der BHKW-Abgaswärme > 200°C bei bis zu 20% liegen. Bis 2009 soll der Feldtest abgeschlossen sein.	In Erprobung befinden sich auch technisch unterschiedliche kleine ORC-Anlagen bis ca. 120 kWel: - Dampfmotoren mit einem ORC-Arbeitsmittel - Schraubenmotoren in ORC-Kreisläufen - unterschiedliche Turbinentypen - unterschiedliche ORC-Arbeitsmittel. Wirtschaftlichkeit Bei kleinen Anlagen lassen sich Stromvergütungen in der Summe bis ca. 0,21 €/kWh erzielen. Entscheidend ist die Anzahl der erreichten Betriebsstunden im Nennbetrieb. Anzustreben sind Amortisationszeiten von ca. 6 Jahren. Quelle: SBZ 5/2009;energy 2.0 Juni 2008 www.energy20.net
Für wesentlich mehr Informationen stehen wir Ihnen mit einer persönlichen Fachberatung jederzeit gerne zur Verfügung.
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