Abwärme industrieller Prozesse wird häufig nicht genutzt. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt entwickelten die Universität Bayreuth, die Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden und Deprag Schulz deshalb ein neuartiges ORC-Minikraftwerk. Dabei gelingt es den Projektpartnern vorhandene Abwärmeströme effizient in elektrische Energie umzuwandeln.
Strom aus Restenergie
In vielen industriellen Prozessen entweicht Prozessgas ungenutzt in die Atmosphäre. Der Ausgangspunkt des Projekts war, diese Gase energetisch nutzbar zu machen. Dabei ist die Rückgewinnung von Energie aus Prozessgasen nicht neu. Mit der Neuentwicklung lassen sich nun aber in einer kleinen, kompakten, dezentralen Energierückgewinnungsanlage auch geringe Mengen von Restenergie im Leistungsbereich von 3 bis 120 Kilowatt in Strom umwandeln.
Liegt das ungenutzte Energiepotenzial nicht in Form von Druck, sondern als Wärme vor, muss die Nutzung über einen gesonderten, geschlossenen Kreislauf erfolgen – zum Beispiel einem ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle). Auf Basis dieser Idee entwickelten die Projektpartner eine ORC-Versuchsanlage, die am Zentrum für Energietechnik der Universität Bayreuth aufgebaut und getestet wurde.
Herzstück der Anlage: Der Turbinengenerator
Eine kompakte Einheit aus einer Mikro-Expansionsturbine mit einem elektrischen Generator erzeugt in der Anlage Strom aus Gas. Ohne den dazugehörigen elektrischen Schaltschrank ist der Turbinengenerator nicht viel größer als eine Schuhschachtel und kann dezentral dort eingesetzt werden, wo Gas von einem höheren Druckniveau auf ein niedrigeres gebracht wird.
Der Turbinengenerator wandelt die im Arbeitsfluid enthaltene Energie in Strom um. Gas strömt in die Turbine ein, wird durch Düsen „gepresst“, beschleunigt und gibt dort seine Energie ab. Die kinetische Energie wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. In diesem innovativen System stellen Turbine und elektrischer Generator eine kompakte Einheit dar – sie besitzen eine gemeinsame Welle. Die Folge: Dreht sich die Turbine, dreht sich auch der Rotor des Generators.
Der Turbinengenerator, den Deprag entwickelt hat, ist in den Baugrößen 5 kW, 25 kW, 50 kW und 120 kW erhältlich und wird individuell auf den jeweiligen Prozess konfiguriert. Zur strömungsmechanischen Auslegung und Konstruktion des Turbinengenerators ist es notwendig, die spezifischen Prozessparameter zu definieren: Art des Mediums, Eingangs- und Ausgangsdruck, Massenstrom sowie Eingangs- und Ausgangstemperatur. Zudem ist genaue Anwendungs- und Prozessbeschreibung erforderlich.
Der Turbinengenerator ist sowohl in einem offenen als auch in einem geschlossenen Prozess einsetzbar. Er kann für verschiedene Medien wie Druckluft, Erdgas, CO2, Wasserdampf, Cyclopentan, R245fa oder SES36 ausgelegt werden. Bei der ORC-Versuchsanlage in Bayreuth wird beispielsweise Cyclopentan verdampft.
Vielseitige Anwendungsbereiche
Die Energierückgewinnung mit dem Turbinengenerator ist in vielen Anwendungsbereichen denkbar. Bei der Schmelze von Metallen, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, werden die Schmelzwannen durch Druckluft gekühlt. Die Druckluft strömt durch Kühlkanäle und nimmt dabei Wärme auf. Anschließend wird sie normalerweise ungenutzt in die Atmosphäre entlassen. Mit der Mikroexpansionsturbine und dem integrierten Generator wird diese in elektrischen Strom umgewandelt und ins Stromnetz eingespeist.
Auch in Biogasanlagen und Blockheizkraftwerken ist auf Basis des ORC-Prozesses könnte der Turbinengenerator Restenergie verstromen. Der elektrische Wirkungsgrad der Anlagen lässt sich optimieren, indem auch kleinere Mengen Abwärme in einem ORC-Rückgewinnungsprozess effizient genutzt werden können.
Grundsätzlich eignet sich jeder Verbrennungsmotor für die zusätzliche Verwendung von Turbinen. Die Grundlage: Selbst ein sehr effizient arbeitender Verbrennungsmotor kann nur rund ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, in mechanische Arbeit umsetzen. Die verbleibenden 60 Prozent der generierten Energie gehen dagegen als Abwärme im Abgas und im Kühlwasser verloren.
Ein Ansatz bei mobilen Antrieben, beispielsweise in Nutzfahrzeugen, besteht darin, diese thermische Energie auf der Grundlage eines Dampfprozesses zu nutzen. Hierbei stellt der Turbinengenerator eine Schlüsselkomponente dar. Durch die gewonnene elektrische Leistung kann das Bordnetz versorgt, die Lichtmaschine entlastet und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
