Der innovative ORC-Prozess zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Ab- oder Prozesswärme

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1 TECHNISCHE BESCHREIBUNG VTA-ELTO-PROZESS Der innovative ORC-Prozess zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Ab- oder Prozesswärme

2 Allgemeine Information Mittels des VTA-ELTO-Prozesses wird Energie aus Niedertemperatur-Medien gewonnen. Ungenutzte Abwärme einer KWK-Anlage, eines Verbrennungsprozesses, Prozess- oder Überschusswärme aus Industrie oder aus der Geothermie wird in Strom umgewandelt. Der gesamte Prozess benötigt keinen zusätzlichen fossilen Brennstoff. Somit handelt es sich um eine komplett CO 2 -freie Stromerzeugung. Um die direkte Energie-Ausnutzung aus dem heißen Massenstrom zu ermöglich, wird ein speziell für diesen Zweck optimiertes Verdampfungsmedium (Arbeitsmittel) eingesetzt. Dieses Medium ist nicht brennbar und gesundheitlich unbedenklich. Eine wesentliche Eigenschaft ist die gute Verdampfung bei relativ geringen Temperaturen (ab 55 C). Damit die Eigenschaften dieses Verdampfungs-Mediums bestmöglich ausgenutzt werden, wurde eine spezielle Verfahrens- und Regelungstechnik samt neuer Turbine entwickelt. Der Aufbau des gesamten Systems und der Turbine wurde soweit optimiert, dass handelsübliche Komponenten mit hoher Versorgungssicherheit eingesetzt werden können. Daraus ergeben sich Vorteile in Bezug auf Anschaffungs- und Wartungskosten. Zusätzlich konnte die Laufzeit und Verfügbarkeit der Anlage deutlich erhöht werden. Die komplette Anlagentechnik ist als Plug&Play-Modul in Containerform (handelsübliche Container) erhältlich. Einsatzgebiete Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (Motoren oder Gasturbinen) Abwärme oder Kühlkreislauf Industrieprozesse Restdampf, Restwärme, Abgas, Abluft Biomasse- Abfallverbrennung / Kehrichtverbrennungsanlagen Klärgas / Erdgas / Biogas / Deponiegas Geothermie / Solar In vielen Fällen stellt die Prozesswärme industrieller Anlagen ein großes Problem dar. Ungenutzt wird die thermische Energie an die Umgebung abgegeben, im ungünstigsten Fall muss diese Wärme sogar unter Zuführung von Kühlenergie auf niedrigere Temperaturen gebracht werden. Das bedeute Energie wird mit Energie vernichtet. Anlagenkonzept Aus Ab-, Rest-, Prozess- oder Überschusswärme wird in einer dafür eigens konstruierten Niedertemperatur ORC-Anlage Strom und Wärme erzeugt. Dadurch kann ein Maximum des elektrischen Wirkungsgrades einer KWK-Anlage erreicht werden. Der gewonnene Strom aus dem VTA-ELTO-Prozess wird über eine Rückspeiseeinheit (Frequenzumrichter) in das öffentliche Stromnetz eingespeist bzw. selbst verwendet werden. Seite 2 von 7

3 Die zur Verfügung stehende Wärme wird im besten Falle direkt über einen Wärmetauscher (Verdampfer) geführt, dabei wird das in einem geschlossenen Drucksystem fließende Arbeitsmittel in Dampf umgewandelt. Bis zu einer Temperatur von ca. 400 C geschieht der Wärmeübergang in einem Direktverdampfer. Es wird kein Zwischenkreis benötigt, die Wärmeenergie wird direkt von der Wärmequelle auf das Arbeitsmittel übertragen. Ab einer Temperatur von ca. 400 C wird ein zusätzlicher Wasser/Dampf Kreislauf zwischen Wärmequelle und Arbeitsmittel geschaltet. Der Vorteil der VTA-ELTO- Technologie, es wird kein Thermoöl verwendet. Anschließend wird das unter Druck befindliche, dampfförmige Arbeitsmittel einer Turbine zugeführt. Mit Hilfe des regelbaren Leitapparats kann in jedem Leistungsbereich ein optimaler Wirkungsgrad an der Turbine erzeugt werden. Die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine liegt bei Rpm. Außerdem können unterschiedliche Teillasten über die variierende Drehzahl eingestellt werden. Ein direkt mit der Turbine verbundene Permanent-Magnet-erregter Synchrongenerator erzeugt hochfrequenten Strom, welcher durch Gleichrichtung (Leistungselektronik) und mit Hilfe eines Wechselrichters in 400 V, 50 Hz Wechselstrom transformiert wird. Dieser kann problemlos in das vorhandene Netz eingespeist werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen ORC-Anlagen wird im Übergangsbereich Turbine-Generator eine neu entwickelte und patentrechtlich geschützte Lagerungs- und Dichtungseinheit eingesetzt. Neben einer wartungsfreien Magnetkupplung mit wirbelstromfreiem Spalttopf, kommt auch eine innovative Gleitlagerungstechnik zum Einsatz. Diese neuartige Technologie wird im Wartungsfall als Kompakteinheit getauscht, ohne den gesamten Turbinenblock zu zerlegen. Nachdem die Energie auf das Turbinenrad übertragen, und dadurch Druck und Temperatur reduziert wurden, liegt das Arbeitsmittel noch immer dampfförmig vor. Um den thermodynamischen Kreislauf zu schließen, muss dem Mittel die restliche Wärme wieder entzogen und damit ein flüssiger Aggregatszustand erzeugt werden. Zur Kondensation des Arbeitsmittels wird ein wasser- oder luftgekühlter Kondensator (Plattenwärmetauscher) eingesetzt. Optional ist ein Rekuperator für eine zusätzliche Wärmeauskopplung bzw. für eine effizientere elektrische Leistung möglich. Anschließend wird das flüssige Arbeitsmittel in einem Behälter aufgefangen und dient der Speisepumpe als Vorlage. Diese Hochdruckpumpe (kleiner 16 bar) fördert das flüssige Arbeitsmittel erneut in den Verdampfer, und der Prozess beginnt von neuem. Eine redundante Ausführung der Speisepumpe sorgt für Sicherheit bzw. hohe Verfügbarkeit der gesamten Anlage. Außerdem besitzt die hocheffiziente Inlinepumpe ebenfalls eine Magnetkupplung zwischen Antrieb und Fördereinrichtung. Vom Abgasstrom berührte Teile wie, Verdampfer und die Vorwärmeinheit, werden aus Edelstahl hergestellt. Der Druckverlust für den Verdampfer wird mit max. 12 mbar vorgegeben. Die gesamte Maschinentechnik wird, je nach Anlagenauslegung in den Nenndruckstufen PN16 oder PN25 ausgeführt. Die Turbine selbst erhält generell die Druckstufe PN25. Der VTA-ELTO entspricht der EU-Richtlinie 97/23/EG und ist mit dem CE-Zeichen gekennzeichnet. Seite 3 von 7

4 Prinzipskizze Turbine Generator Verdampfer Niedertemperatur ab 75 C Hochtemperatur ab 400 C Optional: Rekuperator Kondensation Luft oder Wasser Wärmequelle als Rauchgas oder als Wasserkreis gasförmig flüssig Aufbau eines VTA-ELTO-Prozess Die nachstehende Auflistung beschreibt eine schlüsselfertige autark arbeitende VTA-ELTO- Anlage, zur Nachverstromung einer Abwärme oder Prozesswärme, inklusive Wärmeauskopplung aus dem Kondensator mittels Heizungswasser (z.b. 55 C/65 C). Verdampfer und Vorwärmeinheit (Rohrbündelwärmetauscher) Niedertemperaturturbine VTA-ELTO Prozess mit Magnetkupplung Kondensator optional Regeneratoreinheit (Rekuperator) optional zusätzlichen Trenntauscher für Betriebswasser, inkl. Dreiwegeventil Regelungs- und Steuereinheit mit Touchbedienung Netz-Synchronisation mittels Wechselrichter Sammeltank/Verteiler Vorlagebehälter mit Pumpe Speisepumpen mit Magnetkupplung Seite 4 von 7

5 Verdampfer Rauchgas Glattrohrwärmetauscher Stahl bzw. Edelstahl hängt von der Rauchgaszusammensetzung ab Heißwasser / Dampf Rohrbündel- / Plattenwärmetauscher Stahl Turbine Radialturbine variable Leitschaufeleinrichtung Eintrittstemperatur < 200 C Druckstufe PN 25 Gehäuse Stahl geschweißt Laufrad Aluminium, Hochtemperatur geeignet Drehzahlüberwachung aus Phasenumkehr des Generators Teillastfähig durch Drehzahlveränderung Dichtung Laufradrückseite: radiales Labyrinth gegen Umgebung: wirbelstromfreier Spalttopf Lagerung Generator Neu entwickeltes Gleitlager PM- erregter Synchrongenerator mit Gleichrichtung für Betrieb am Netzwechselrichter, Elektrische Leistung 15 kw bis 500 kw Drehzahl bis maximal rpm Kühlung Luftkühlung optionale Einspritzung von Prozessfluid Abdichtung Generator gegen Umgebung Lagerung Keramik-Hybrid-Lager Wechselrichter IGBT- Netzwechselrichter mit Brems-Choppereinrichtung Leistung 15 kw kw Spannung 400 V ± 5% Tol. Frequenz 50 Hz +0,5% Tol. Cos Phi 1 Umgebungstemperatur 40 C Brems-Chopper für 20 Sekunden luftgekühlt Kondensator Plattenwärmetauscher Gehäuse Register Stahl Edelstahl / Stahl Arbeitsmittelpumpen Hocheffiziente Inlinepumpe Redundante Ausführung Magnetkupplung Seite 5 von 7

6 Verdampfer Kondensator Visualisierungsbeispiel Seite 6 von 7

7 Wartung Aufgrund des sehr einfachen Aufbaus des VTA-ELTO-Prozesses ergibt sich ein Wartungsintervall von Bh. Inbegriffen: Teile, Material, Arbeitszeit, alle Regelwartungen, Fernwartung Nicht inbegriffen: Anfahrt, Turbinentausch nach Bh, Prozessdaten VTA-ELTO Rauchgas Heißwasser VTA-ELTO-Liefergrößen 15 kw variabel bis 500 kw Thermische Leistung am Verdampfer Ca. 300 kw kw Temperatur Eintritt Verdampfer 100 C C 75 C C Dampftemperatur Arbeitsmedium 75 C 160 C Dampfdruck Arbeitsmedium Elektrische Leistung Turbine Elektrischer Wirkungsgrad Turbine 3 21 bar a 15 kw variabel bis 500 kw Bis 20 % brutto Seite 7 von 7