Der Organic Rankine Cycle- Prozess

1. Grundlagen

Ein ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle - Prozess) läuft ähnlich einem Dampfturbinenprozess (siehe Abbildung 1) ab. Nur wird hier als Arbeitsmittel eine organische Flüssigkeit anstatt des sonst üblichen Wassers verwendet. Die gewünschte Druckerhöhung wird durch eine Pumpe erzielt (1 - 2). Danach wird das Medium erwärmt und verdampft (2 - 3). Dieses heiße und verdichtete Medium wird nun in einer Turbine entspannt und dabei auf einen niederen Druck und Temperatur gebracht (3 - 4). Die gewonnene Arbeit der Turbine wird zur elektrischen Energieerzeugung durch einen Generator genutzt. Nach der Turbine wird das Medium durch einen Kondensator vollständig verflüssigt und auf Umgebungstemperatur abgekühlt (4 - 1). Dies ist notwendig, um die Druckerhöhung in der Pumpe durchführen zu können. Danach beginnt der Kreislauf erneut. /Priebe/

Abbildung 1: Schematische Darstellung des ORC-Prozesses

2. Abgrenzung vom Dampfprozess

Um Abwärme auf einem niedrigem Temperaturniveau nutzen zu können, ist es sinnvoll Arbeitsmittel mit günstigeren Verdampfungseigenschaften zu ver-wenden. Organische Flüssigkeiten besitzen diese und sind damit im Vergleich zu Wasser besser geeignet. /Gaderer, G./

3. Besonderheiten

Organische Arbeitsmedien besitzen geringere Siedetemperaturen (günstig zur Restwärmenutzung) als beispielsweise Wasser bei entsprechenden Tem-peraturen und Drücken. Das Arbeitsmedium ist so auszuwählen, dass die Zer-setzungstemperatur nicht überschritten wird. /Gaderer, G./
Ein Wärmeträgerkreislauf ist einzuplanen, wenn die Temperatur der Abwärme höher als die der maximal zulässigen Einsatztemperatur des Arbeitsmediums ist. Die Hochtemperaturabwärme wird durch einen Wärmetauscher auf ein Thermoöl übertragen. Dabei erreicht das Thermoöl nicht die gleiche Maximal-temperatur der Abwärme. Das Thermoöl überträgt Wärme an das eigentliche Arbeitsmedium, das den Turbinenkreisprozess durchläuft.

Abbildung 2: Integration eines zusätzlichen Wärmeträgerkreislaufes

Ist der Wärmeträgerkreislauf groß genug dimensioniert und mit einem Speicher ausgelegt, kann er auch als kurzzeitiger Wärmezwischenspeicher betrieben werden, der eventuelle Abwärmeschwankungen ausgleichen kann. Abbildung 2 zeigt ein Fließschema des integrierten Wärmeträgerkreislaufes im ORC-Prozess (ohne Wärmespeicher).

4. Betrieb

Grundlegend sollten ORC-Prozesse, ebenso wie Dampfturbinenprozesse, stationär betrieben und eine möglichst hohe Volllaststundenzahl angestrebt werden. Dies hat technologische Gründe, die auf den Auslegungspunkt der Turbine zurückreichen. Kann dieser Betriebsauslegungspunkt nicht erreicht werden, sind starke Wirkungsgradverluste unvermeidlich.

Einflüsse auf den Wirkungsgrad dieser Anlagen:

1. Einzelwirkungsgrade der Teilkomponenten
2. Eigenbedarf von Pumpen usw. reduzieren den Gesamtwirkungsgrad
3. Abwärmetemperatur so hoch wie möglich (Carnot-Wirkungsgrad)
4. Wahl des Arbeitsmediums (kritische Zersetzungstemperatur)
5. Anzahl an Vorwärmetauschern und Rekuperatoren
6. Einsatz eines Wärmeträgerkreislaufes (senkt den Wirkungsgrad)
7. möglichst hohe Volllaststundenzahl (möglichst stationärer Betrieb)

>> Wirtschaftlichkeitsrechnung ORC-Anlage