Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat ein neues Kraftwerkstechnikum seinen Betrieb aufgenommen. MoNiKa (= Modularer Niedrigtemperaturkreislauf Karlsruhe) vereint die Arbeit von Forschung und Industrie an Technologien für das energieeffiziente Verstromen von Niedertemperaturwärme.
„Statt Wärme, die ohnehin als Überschuss vorhanden ist, in die Umgebung abzuführen, ist es sinnvoller, sie weiter zu nutzen und damit Strom zu produzieren“, sagt Dr. Dietmar Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe Energie- und Verfahrenstechnik am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT.
Funktionsweise des ORC-Verfahrens
Um Wärme von unter 200 °C für die Versorgung von Privathaushalten zu verstromen, kommen sogenannte ORC-Anlagen zum Einsatz. Sie basieren auf dem Organic-Rankine-Cycle – einem Flüssig-Dampf-Kreislauf, bei dem ein Fluid im Kreis gepumpt und unter Druckerhöhung aufgeheizt wird, bis es verdampft. Der heiße Dampf wird dann über eine Turbine geführt, die ihm den Druck und die Temperatur wieder entzieht und ihn in Bewegungsenergie und Strom verwandelt.
Da der Siedepunkt von Wasser unter Druck bei einigen hundert Grad liegt und damit deutlich höher als das, was eine Niedertemperaturquelle wie Erdwärme zur Verfügung stellen kann, kommen beim ORC-Verfahren, im Gegensatz zu beispielsweise einem Kohlekraftwerk, andere Fluide als Arbeitsmedien zum Einsatz. Im MoNiKa-Technikum wird mit Propan gearbeitet, da das Gas einen niedrigen GWP-Faktor aufweist, trotzdem aber sehr leistungsfähig ist.
Deutlich effizientere ORC-Anlagen
Bislang liegt der Wirkungsgrad von ORC-Anlagen, also die Stromausbeute aus Wärmeüberschüssen, bei zehn bis 15 Prozent. Zentrales Ziel der Karlsruher Wissenschaftler ist es deshalb, neue Strategien für effizientere ORC-Anlagen zu entwickeln und deren CO2-Fußabdruck zu senken.
„MoNiKa bietet eine Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur, die auf dem neuesten Stand der Technik und einzigartig in Europa ist“, betont Kuhn. So wird im Technikum der Dampfkreislauf anders als in den meisten ORC-Kraftwerken überkritisch betrieben. Das heißt: Mit Blick auf Temperatur, Druck und Dichte wird der sogenannte kritische Punkt überschritten, an dem ein Gas flüssig wird und umgekehrt, und die Phasenübergänge werden fließend. „Damit können wir die Stromausbeute um 20 bis 30 Prozent erhöhen“, sagt Kuhn.
Aufbau des Technikums
Das modular aufgebaute Technikum verfügt über eine Heizanlage, die die Niedertemperaturwärmequelle simuliert. Sensoren messen Temperaturen, Drücke und Durchflüsse, die gesammelten Daten können dann mit Modellrechnungen verglichen und so die Prognosequalität erhöht werden.
Die Forschenden wollen auf diese Weise zentrale Komponenten wie den Wärmetauscher oder den Hybrid-Kondensator analysieren und dahingehend optimieren, dass sie energieeffizienter und umweltschonender arbeiten. Ziel ist unter anderem auch, Leckagen im Arbeitskreis zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
Gespräche mit Industriepartnern
MoNiKa erreicht eine thermische Leistung von 1 MW – eine Größenordnung, mit der sich die erzielten Forschungsergebnisse gut auf die Praxis übertragen und skalieren lassen. Das Technikum soll vor allem für anwendungsorientierte Forschungsprojekte eingesetzt und langfristig an das Energy Lab 2.0 des KIT angebunden werden. Erste Experimente laufen bereits.
Kuhn und sein Team identifizieren nun gemeinsam mit interessierten Industriepartnern Forschungsthemen und -bedarfe. Das Großinvestitionsprojekt, in dessen Rahmen das Kraftwerkstechnikum aufgebaut wurde, lief von 2013 bis 2021 und wurde vom Bundesministerium für Bildung- und Forschung mit 4,4 Millionen Euro gefördert.
