Organic Rankine Cycle

Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmedium als Wasserdampf. Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine zurück, einen schottisch-britischen Physiker und Ingenieur im 19. Jahrhundert. Als Arbeitsmedium werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet.

ORC mit Regenerator

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig ist für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine.[1] Das ist vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei Solar- und Meereswärmekraftwerken und der Abwärmenutzung der Fall. Die Entspannungsmaschinen (Turbine, Schraubenexpander, Dampfmotor/Hubkolbenexpander) werden typischerweise mit Silikonöl, Kältemittel oder brennbarem Gas betrieben.

Arbeitsmedien

Ausgehend vom T-s-Diagramm werden nach der Form der Sattdampfkurve drei verschiedene Fluidklassen unterschieden:

  • Die Sattdampfkurve „trockener“ Medien ist steigend; in der Mehrzahl handelt es sich um höhermolekulare Substanzen wie R113
  • „Nasse“ Medien wie Wasser haben eine fallende Sattdampfkurve
  • „Isentrope“ Medien haben eine nahezu senkrechte Sattdampfkurve; dazu zählen R11 und R12

„Trockene“ und isentrope Medien versprechen bei ihrem Einsatz eine Reihe von thermodynamischen Vorteilen.

Mögliche Arbeitsmedien sind:

Medium Molmasse Kritischer Punkt Siedetemperatur
bei Normaldruck		 Verdampfungsenthalpie
bei Normaldruck		 Steigung der

Sattdampfkurve

 Zersetzung

bei ca.

Ammoniak (NH3) 17 405,3 K 11,33 MPa 239,7 K 1347 kJ/kg Negativ 750 K
Ethanol (C2H5OH) 46,07 516,25 K 6,38 MPa 351,15 K 845 kJ/kg Negativ
Wasser 18 647,0 K 22,06 MPa 373,0 K 2256 kJ/kg Negativ .
Butan C4H10 58,1 425,2 K 3,80 MPa 272,6 K 383,8 kJ/kg . .
Pentan C5H12 72,2 469,8 K 3,37 MPa 309,2 K 357,2 kJ/kg . .
C6H6 (Benzol) 78,14 562,2 K 4,90 MPa 353,0 K 438,7 kJ/kg Positiv 600 K
C7H8 (Toluol) 92,1 591,8 K 4,10 MPa 383,6 K 362,5 kJ/kg Positiv .
R134a (HFC-134a) 102 374,2 K 4,06 MPa 248,0 K 215,5 kJ/kg Isentrop 450 K
C8H10 106,1 616,2 K 3,50 MPa 411,0 K 339,9 kJ/kg Positiv .
R12 121 385,0 K 4,13 MPa 243,2 K 166,1 kJ/kg Isentrop 450 K
HFC-245fa 134,1 430,7 K 3,64 MPa 288,4 K 208,5 kJ/kg . 520 K
HFC-245ca 134,1 451,6 K 3,86 MPa 298,2 K 217,8 kJ/kg . .
R11 (CFC-11) 137 471,0 K 4,41 MPa 296,2 K 178,8 kJ/kg Isentrop 420 K
HFE-245fa 150 444,0 K 3,73 MPa . . . .
HFC-236fa 152 403,8 k 3,18 MPa 272,0 K 168,8 kJ/kg . .
R123 152,9 456,9 K 3,70 MPa 301,0 K 171,5 kJ/kg Positiv .
CFC-114 170,9 418,9 K 3,26 MPa 276,7 K 136,2 kJ/kg . .
R113 187 487,3 K 3,41 MPa 320,4 K 143,9 kJ/kg Positiv 450 K
n-Perfluorpentan C5F12 288 420,6 K 2,05 MPa 302,4 K 87,8 kJ/kg . .

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung ist durch den Einsatz von Gemischen möglich. In subkritischen Verläufen erfolgen sowohl das Verdampfen als auch die Kondensation nicht isotherm; der Abkühlungskurve des Wärmeträgers kann mit deutlich geringeren Temperaturdifferenzen gefolgt werden; damit reduzieren sich die Irreversibilitäten bei der Wärmeübertragung.

2015 wurden für den ORC-Prozess synthetische Arbeitsmedien entwickelt. Diese werden in ihren Stoffeigenschaften den speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des ORC-Kreisprozesses angepasst. Ein derartiges neues synthetisches Arbeitsmedium auf Silikonbasis mit der Bezeichnung GL160 ist frei von Chlor und Fluor und aus diesem Grund weniger umweltschädlich. Mit synthetischen Arbeitsmedien werden höhere thermodynamische Wirkungsgrade erzielt, als es mit Massenchemikalien möglich wäre, die zufällig in vorhandene thermodynamische Gefälle eingepasst werden.[2]

Funktionsbeschreibung
Verdampfer des Geothermiekraftwerkes Landau. Mit heißem Tiefenwasser wird Isopentan unten vorerhitzt und oben verdampft, um dann eine Turbine zu betreiben. Der Verdampfer ist praktisch ein Wärmetauscher, in dem die Wärme des Wassers auf das Pentan übertragen wird.
Turbinengeneratorsatz des Geothermiekraftwerkes Landau. In der Mitte die Turbine. Von oben strömt der Isopentan-Dampf ein, den der Verdampfer im Hintergrund erzeugt hat. Rechts im weißen Blechkasten der Generator. Links strömt der Dampf hoch zum Trockenkühler, wo er abgekühlt und wieder verflüssigt wird.

Der Organic Rankine Cycle gleicht – bezogen auf die einzelnen Komponenten – dem klassischen Clausius-Rankine-Kreisprozess. Die wesentlichen Unterschiede liegen in den Prozessparametern Druck und Temperatur – beide liegen weit unter den Werten, wie sie in Dampfkraftwerken herrschen – und in der Abweichung der Verdampfung und der Kondensation vom isothermen Verlauf.[3][4]

Die Auswahlkriterien für ein geeignetes Arbeitsmedium ergeben sich aus der Temperatur und der Abkühlungskurve der zur Verfügung stehenden Wärmequelle. Durch den starken Einfluss der thermodynamischen Verluste auf den Gesamtwirkungsgrad bei niedrigen Prozesstemperaturen kommt der Auswahl des optimierten Prozesses für die konkrete Wärmequelle weit größere Bedeutung zu als bei herkömmlichen Wärmekraftwerken.

Grundsätzlich lassen sich viele der zur Prozessoptimierung entwickelten Verfahren des klassischen Dampfprozesses auch auf den ORC-Prozess übertragen. Einige Ansätze, wie die Zwischenüberhitzung, bringen jedoch wegen der anderen thermodynamischen Eigenschaften der Arbeitsmedien nur begrenzte oder gar keine Vorteile. Andere, wie der Ausbau als superkritischer Prozess (Kritischer Punkt), sind mit Wasser kaum realistisch umzusetzen. Auch der Einsatz eines Rekuperators ist nur mit „trockenen“ Medien sinnvoll.[5]

Durch die Verwendung organischer Arbeitsmedien treten jedoch verschiedene neue technische Fragestellungen in den Vordergrund. Turbinen sind meist Sonderturbinen, da sich das Arbeitsmedium stark von Wasser unterscheidet (molare Masse, geringere spezifische Wärmekapazität), die Arbeitsmedien sind teilweise aggressiv, so dass die Oberflächen der Turbinen und der Wärmeübertrager beschichtet oder anders gegen Korrosion geschützt werden müssen, die Dichtung der Kreisläufe ist aufwendiger als bei Wasser, in manchen Fällen nur schwer realisierbar.

In jüngster Zeit werden Dampfmotoren/Hubkolbenexpander für ORC-Prozesse entwickelt und eingesetzt. Diese bieten gegenüber Turbinen in den in Relation zu konventionellen Kraftwerken kleinen Leistungsklassen sowie bei den eingesetzten Medien einige Vorteile.

Siehe auch
  • ORC-Technologie. In: Glossar zur angewandten Energieforschung.
  • ORC-Prozess. In: bios-bioenergy.at.

Einzelnachweise
  1. Holger Watter: Regenerative Energiesysteme: Grundlagen, Systemtechnik und Analysen ausgeführter Beispiele nachhaltiger Energiesysteme. Springer-Verlag, 2015, S. 333f, doi:10.1007/978-3-658-09638-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. ORC-Technologie. GMK, abgerufen am 18. Dezember 2015.
  3. Silke Köhler, Ali Saadat: Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung. STR00/23, Geothermie Report 00-1, GeoForschungsZentrum Potsdam
  4. K. Gawlik, V. Hassani: Advanced binary cycles: optimum working fluids. 20–23. September 1998. Geothermal Resources Council 1998 Annual Meeting, San Diego, Kalifornien.
  5. Paola Bombarda, Ennio Macchi: Optimum cycles for geothermal power plants. Proceedings World Geothermal Congress 2000. Kyushu – Tohoku, Japan, 28. Mai – 10. Juni 2000.
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