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Beschreibung der ORC-Technologie für Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sowie anderer Möglichkeiten der Prozessintegration

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Die ORC-Technologie resultiert aus einer langjährigen Entwicklung mit dem Ziel, Solarenergie, geothermische Energie sowie Energie aus Biomasse dezentral und sinnvoll zu nutzen. 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 (Kohlenwasserstoffe wie Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silikonöl) verwendet wird. Dieses Arbeitsmedien besitzt günstigere Verdampfungseigenschaften bei tieferen Temperaturen und Drücken. Für eine optimale Betriebsweise des ORC-Prozesses ist die richtige Arbeitsmittelwahl sehr wichtig. Für die in Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen gegebenen Rahmenbedingungen eignet sich Silikonöl sehr gut als Arbeitsmittel.

Arbeitsprinzip und Einbindung in das Biomasse-Heizkraftwerk

In Abbildung 1 ist eine mögliche Verschaltungsvariante des ORC-Prozesses anhand des bereits erfolgreich realisierten EU-Demonstrationsprojekts Biomasse-Fernheizkraftwerk Lienz schematisch dargestellt. Die von der Biomassefeuerung erzeugte Wärme wird über einen Thermoölkessel (inklusive Thermoöleconomiser) 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.

Das aus dem Thermoölkessel (bzw. dem Thermoöleconomiser) austretende Rauchgas wird von rund 280°C durch eine effiziente Wärmerückgewinnung (beispielsweise Verbrennungsluftvorwärmer sowie Heißwassereconomiser) auf ca. 160°C abgekühlt. Anschließend wird das Rauchgas in einem Multizyklon vorentstaubt und dann in eine entsprechende Rauchgasreinigungsanlage (in vielen Fällen ein Elektrofilter oder eine Rauchgaskondensationsanlage) geführt. Von dort gelangt es schließlich – entsprechend den gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten – gereinigt in den Kamin.

Abb. 1

Der ORC-Prozess kann so ausgelegt werden, dass Heißwasser-Vorlauftemperaturen zwischen 80 und 120°C sowie Spreizungen zwischen 15 und 50°C gefahren werden können. Die Rücklauftemperaturen liegen dabei zwischen 50 und 100°C. Dadurch kann das erforderliche Vorlauftemperaturniveau des Heißwasserkreislaufes an die Erfordernisse der einzelnen Wärme- bzw. Kälteabnehmer optimal angepasst werden. Hydraulisch sollte dabei der ORC-Prozess immer dem Rauchgas-Heißwasser-Economiser vorgeschaltet sein (siehe Abbildung 1), damit die Heißwasser-Austrittstemperatur aus dem ORC-Prozess so niedrig wie möglich gehalten werden kann. Je niedriger die erforderliche Heißwasser-Vorlauftemperatur am Austritt aus dem ORC-Kondensator, desto höher der elektrische Wirkungsgrad.

Abbildung 2 zeigt einige der Anlagenteile der ORC-Anlage Lienz (elektrische Nennleistung 1.000 kW), bereits fertig montiert und isoliert. Die Modulbauweise mit der Beschreibung aller wesentlichen Komponenten der gesamten ORC-Anlage ist jeweils in den Schemata in Abbildung 3 und 4 dargestellt. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die in Abbildung 4 dargestellte Anlagenkonfiguration für eine Modulgröße von 1.500 kWel hinsichtlich Aufstellungsanordnung und Raumbedarf von jener Konzeption gemäß Abbildung 3 abweicht. Erforderliche Baumaße und Konzeptionspläne können den Homepages der möglichen ORC-Anlagenlieferanten entnommen werden.

Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6

Wirkungsgrade und technische Daten des ORC-Prozesses

Die Einbindung des ORC-Prozesses in die Gesamtanlage soll immer unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Stromproduktion bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Heißwasser-Vorlauftemperaturen der Wärmeabnehmer erfolgen.

Die durch die Wärmeabnehmer und die gewählte Anlagenverschaltung vorgegebenen Heißwasser-Temperaturen am ORC-Kondensator im Nennauslegungsfall (z.B.: Vorlauf 80°C; Rücklauf 60°C) ermöglichen einen elektrischen Wirkungsgrad (netto) von rund 15% (bezogen auf die Primärenergie Hu Biomasse). In Abbildung 5 ist das Energieflussbild der ORC-Anlage des Biomasse-Fernheizkraftwerks Lienz bei Nennlast dargestellt.

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 elektrischen Nettoleistung beträgt der elektrische Wirkungsgrad noch immer 85% des Volllastwirkungsgrades, was auch durch Messdaten u.a. an der Anlage in Lienz bestätigt wurde (siehe Abbildung 6). Dieser Umstand stellt einen wesentlichen Vorteil im Vergleich zu Dampfturbinen und auch Dampfmotoren dar, bei denen ein stärkerer Wirkungsgradabfall im Teillastbetrieb auftritt.

Die Axialturbine, die im ORC-Prozess eingesetzt wird (siehe Abbildung 7), ist für Kleinanlagen dieser Art optimiert und 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.

Sicherheitstechnische Aspekte, Regelung, Personalbedarf

Abb. 7

Besonders hervorzuheben sind die hohen sicherheitstechnischen Aspekte der ORC-Anlage. Es besteht die Möglichkeit alle Schweißnähte der Druckbehälter der ORC-Anlage einer Röntgen- und Druckprüfung zu unterziehen, wodurch sich die Prüffristen für wiederkehrende Innere Prüfungen durch einen Technischen Überwachungsverein verlängern können.

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 permanente 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 15 Minuten (nach Durchlaufen der erforderlichen Sicherheitsabfragen) an das elektrische Netz gekoppelt werden. Ein kontinuierlicher Betrieb der ORC-Anlage ist zwischen 10% und 100% der Nennlast möglich.

Die Anbindung des ORC-Prozesses an die Biomassefeuerung wird, wie bereits erläutert, 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.

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. Da der Kreislauf des ORC-Prozesses geschlossen ist und somit kaum 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. 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 mitgetei

Weiterentwicklung des ORC-Prozesses

An dieser Stelle soll ein kurzer Überblick über die in den letzten Jahren erfolgte sowie weiter andauernde Weiterentwicklung des ORC-Prozesses gegeben werden: Der Fokus der Weiterentwicklung liegt dabei v.a. in einer Steigerung des elektrischen Anlagennutzungsgrades des ORC-Moduls. Für ausführliche und detaillierte Informationen zu diesen Verbesserungspotentialen wird auf die verfügbaren Downloads zu diesem Thema verwiesen (s.u., „Mehr Informationen zum ORC-Prozess”).

In diesem Zusammenhang ist der neu konzipierte ORC-Prozess mit einem verzweigten Kondensatkreislauf (auch bekannt unter der Bezeichnung „Teilstromprinzip” oder „Split System”) zu nennen. Dieser stellt eine interessante Optimierungsvariante des eingangs beschriebenen Systems dar.

Durch diesen neuen technologischen Ansatz ist es aufgrund einer erweiterten hydraulischen Verschaltung sowohl des Kondensatkreislaufes des ORC-Prozesses als auch des Thermoölsystemes möglich, dem Rauchgasstrom in einem zweiten Thermoöleconomiser zusätzlich Wärmeenergie zu entziehen (siehe Abbildung 8). Hierdurch kann im Vergleich zum konventionellen System ein höherer Anteil der im Rauchgas enthaltenen Wärmeenergie dem ORC-Prozess zugeführt werden wodurch der elektrische Wirkungsgrad der Gesamtanlage deutlich gesteigert werden kann. Die bei dieser Anlagenverschaltung erforderlichen zusätzlichen Wärmetauscher und hydraulischen Komponenten führen jedoch zu höheren Investitionskosten als beim konventionellen System.

Ein zusätzliches Potential zur Wirkungsgradverbesserung ergibt sich durch die Möglichkeit, den ORC-Prozess mit einer höheren Thermoölvorlauftemperatur zu betreiben. Eine größere Temperaturspreizung im Thermoölsystem hat eine Betriebskosteneinsparung durch verminderte Pumpkosten zur Folge. Typische Vorlauf- bzw. Rücklauftemperaturen sind z.B. 315/250 °C im Vergleich zu 300/250 °C beim konventionellen System. Als Nachteil der höheren Thermoöl-Vorlauftemperatur ist die Verringerung  der Lebensdauer des eingesetzten Thermoöls zu nennen.

Die Erhöhung der Thermoölvorlauftemperatur in Verbindung mit dem oben beschriebenen Teilstromprinzip bzw. Split System ermöglicht im Vergleich zum konventionellen System sowie in Abhängigkeit von den tatsächlichen Prozessbedingungen wie der Brennstofffeuchte oder dem jeweiligen Anlagenaufwand (z.B. Wärmetauscherflächen) eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades der Gesamtanlage von rund 10%. Diese mögliche Wirkungsgradsteigerung kann im Vorfeld rechnerisch ermittelt werden.

Abb. 8

Stromerzeugung aus Abwärme und andere Integrationsmöglichkeiten des ORC-Prozesses

Die ORC-Technologie, eignet sich besonders für die Nachverstromung von industrieller Abwärme. Zum Zweck der Nachverstromung wird die anfallende Abwärme über Wärmetauscher und einen Thermoölkreislauf auf die ORC-Anlage übertragen. Mittels der ORC-Anlage wird elektrische Energie, welche zur Eigenbedarfsabdeckung des Industriebetriebs oder zur Einspeisung ins öffentliche Stromnetz genutzt werden kann, erzeugt. Zusätzlich fällt Niedertemperatur-Abwärme an, die je nach Rahmenbedingungen, noch als Niedertemperatur-Prozesswärme (z.B. Trocknung), für die Raumwärmeversorgung oder für eine externe Raum- und Prozesswärmeversorgung beispielsweise über ein Fernwärmenetz genutzt werden kann.
Eine innovative Prozessintegration ist durch die Möglichkeit gegeben, den ORC-Prozess in einen Wirbelschichtdampfvergasungsprozess einzubinden (siehe Abbildung 9). Dies erscheint aus energetischen wie auch wirtschaftlichen Gründen für Anlagengrößen ab 2,5 MWel sinnvoll. Durch diese innovative Kopplung von KWK-Technologien kann eine Steigerung des elektrischen Anlagenwirkungsgrades von rund 20% erwartet werden.

Abb. 9

Stärken der ORC-Technologie:

  • Ausgezeichnete Teillastfähigkeit
  • Fähigkeit zu schnellen Lastwechseln (besonders vorteilhaft für eine wärmegeführte Betriebsweise und das Erreichen höher Jahresnutzungsgrade)
  • Ausgereifte und zuverlässige Technologie
  • Tropfenschlag an der Turbine ist ausgeschlossen (auf Grund der vorteilhaften thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmittels)
  • Kein Dampfkesselwärter notwendig
  • Hohe Automatisierbarkeit
  • Geringe Instandhaltungskosten
  • ORC-Anlagen sind in bestehenden Biomasse-Heizwerken relativ leicht nachrüstbar
  • Vielfältige Möglichkeiten der Prozessintegration

 

Realisierte Projekte mit ORC-Prozess

  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess – Holzindustrie STIA Admont - EU-THERMIE-Demonstrationsprojekt (Steiermark, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess und Fuzzy-Logic-Regelung - Stadtwärme Lienz - EU-THERMIE-Demonstrationsprojekt, Lienz (Tirol, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlage auf Altholzbasis mittels ORC-Prozess und Absorptionskältemaschine - BIOSTROM, Fussach - nationales Demonstrationsprojekt (Vorarlberg, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess, Längenfeld (Tirol, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess, Sägewerk Theurl (Tirol, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels dreier ORC-Module – Biomasse-KWK-Leoben Betriebsgesellschaft m.b.H., Leoben (Steiermark, Österreich)
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  • Erweiterung des bestehenden Biomasseheizwerks Lofer mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Basis des ORC-Prozesses, Lofer (Salzburg, Österreich)
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  • Erweiterung des bestehenden Biomasseheizwerks Großarl mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Basis des ORC-Prozesses, Großarl (Salzburg, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess - Erweiterung Stadtwärme Lienz (Tirol, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels dreier ORC-Module – Biomasse-KWK-Leoben Betriebsgesellschaft m.b.H., Leoben (Steiermark, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess– TILLY Holzindustrie Ges.m.b.H., Treibach/Althofen (Kärnten, Österreich)
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  • Erweiterung des bestehenden Biomasseheizwerks Tamsweg mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess, Tamsweg (Salzburg, Österreich)
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  • Erweiterung des bestehenden Biomasse-Fernheizwerk St. Walburg im Ultental mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess (Südtirol, Italien)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess - Erweiterung bestehendes Fernheizwerk, Olang (Südtirol, Italien)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess - Josko Fenster und Türen GmbH, Kopfing (Oberösterreich, Österreich)
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  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels ORC-Prozess, Allendorf (Hessen, Deutschland)
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  • Stromerzeugung mittels Wärmerückgewinnung aus industriellen Abgasströmen auf Basis des ORC-Prozesses - RHI AG, Radenthein (Kärnten, Österreich)
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Mehr Informationen zum ORC-Prozess

FUZZY LOGIC CONTROLLED CHP PLANT FOR BIOMASS FUELS BASED ON A HIGHLY EFFICIENT ORC PROCESS - EU DEMONSTRATION PROJECT LIENZ – PDF#0001

Heinz Reisinger*, Gerold Pointner*, Ingwald Obernberger**, Peter Thonhofer**, Erwin Reisenhofer**

*STADTWAERME LIENZ, Schulgasse 1, A-9900 Lienz, Österreich
**BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Österreich

Biomasse-KWK auf Basis des ORC-Prozesses - Vorstellung der EU-Demonstrationsprojekte Holzindustrie STIA/Admont und Fernheizwerk Lienz (Österreich) – PDF#0004

Ingwald Obernberger*

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria

STATE-OF-THE-ART AND FUTURE DEVELOPMENTS REGARDING SMALL-SCALE BIOMASS CHP SYSTEMS WITH A SPECIAL FOCUS ON ORC AND STIRLING ENGINE TECHNOLOGIES – PDF#0005

Ingwald Obernberger*, Henrik Carlsen**, Friedrich Biedermann*

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria
**Technical University of Denmark, Section Energy Engineering, Dept. of Mechanical Engineering, Denmark

Description and evaluation of the new 1,000 kWel Organic Rankine Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria – PDF#0008

Ingwald Obernberger*, Peter Thonhofer*, Erwin Reisenhofer*

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Österreich

Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungen auf Basis des ORC-Prozesses - EU-THERMIE-Projekt Admont (A) – PDF#0016

Ingwald Obernberger*, Alfred Hammerschmid*, Roberto Bini**

* BIOS - BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria
** Turboden, Viale Stazione 23, I-25122 Brescia, Italien

Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis des ORC-Prozesses – Stand der Technik und Möglichkeiten der Prozessoptimierung – PDF#0045

Obernberger Ingwald *, GAIA Mario **

*BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Inffeldgasse 21b, A-8010 Graz, Austria
** Turboden, Viale Stazione 23, I-25122 Brescia, Italien