Thermodynamische Grundlagen des ORC und aktuelle Forschungsaktivitäten

Transkript

1 Jahrestagung des ORC-Fachverbandes e.v. Florian eberle und Dieter Brüggemann

2 Gliederung Thermodynamische Grundlagen des Kreisprozesses Anwendungsgebiete des ORC Optimierungsansätze Forschungsaktivitäten am ZET / LTTT Zusammenfassung Seite 2

3 Thermodynamische Grundlagen Prozessführung Anlagenschema T,s-Diagramm Thermalwasser Rauchgas Thermoöl Abgas/Abluft Interner Rekuperator 3 Vorwärmer Verdampfer 4 5 Turbine 6 ORC - Arbeitsmedium Wärmequelle Generator Temperatur ( C) Wärmequelle 4 5 3,7 bar 0,9 bar Speisepumpe Kondensator Wärmesenke Wasser Luft eizwasser ,2 7 Wärmesenke Entropie (kj/(kgk)) Seite 3

4 Thermodynamische Grundlagen Zwischenkreislauf für ochtemperaturanwendungen Rauchgas Abluft Zwischenkreislauf Speisepumpe Verdampfer Turbine Generator Umsetzung Thermoöl Druckwasser Vorwärmer Wärmesenke Rekuperator ORC Direktverdampfung Regelung Dissipation Kondensator Speisepumpe Seite 4

5 Thermodynamische Grundlagen Unterscheidungskriterien zum Rankine Cycle Anwendung Temperatur ( C) MDM Isopentan R11 Wasser 20 bar Niedertemperaturnutzung Druckniveau Automatisierung Teillastverhalten Arbeitsmedium 100 R152a Entropie (kj/(kgk)) Verfügbarkeit/Preis Sicherheit/Toxizität/ Klimarelevanz Seite 5

6 Anwendungsgebiete Übersicht Anwendungsgebiet Temperatur der Wärmequelle ( C) Leistungsbereich (MW) Arbeitsmedien Entwicklungs stand Tiefe Geothermie C 0,1 50 MW FKW, KW seit 1967 Solarthermie C < 0,1 MW; RO FKW, KW, Sil. Prototypen Abwärmenutzung C 0,03 6,5 MW FKW, KW, Sil. seit 1999 Biomasse > 1000 C 0,15 2,5 MW Sil., KW seit 1999 OTEC C 0,1 1 MW FKW, KW seit 1973 Quelle: Quelle: ORMAT Industries Quelle: Gammel Duvia Engineering Seite 6

7 Wissenschaftliche Publikationen zum Thema ORC 100 Quelle: Web of Knowledge (ISI Journals) 80 Anzahl der Publikationen Jahr Seite 7

8 Optimierungsansätze Auswahl des Arbeitsmediums Reine Stoffe Zeotrope Fluidgemische Prozessführung Zweistufige Expansion Überkritische Fahrweise Optimierung von Kraftwerkskomponenten Expansionsaggregat Wärmeübertrager Stoffdaten für potentielle Medien; dynamische Simulationen, gekoppelte Systeme; etc. Seite 8

9 Optimierungspotential 200 ORC Wärmequelle Wärmesenke Temperatur ( C) Reduzierung der Exergieverluste Enthalpiestrom (MW) Seite 9

10 Optimierungsansatz Fluidauswahl Reine Arbeitsmedien exergetischer Wirkungsgrad (%) Isobutan Isopentan Isohexan R245fa R227ea R236fa R134a Thermalwassereintrittstemperatur ( C) Temperatur ( C) Temperatur ( C) Temperatur ( C) , Thermalwasser R227ea Kühlwasser Enthalpiestrom (MW) Seite 10

11 Optimierungsansatz Fluidauswahl Reine Arbeitsmedien 60 exergetischer Wirkungsgrad (%) n-exan Toluol MM Wasser p = 30 bar und mit Speisewasservorwärmung Dampfgehalt am Turbinenaustritt beim Wasserdampfprozess zwischen % Temperatur der Wärmequelle (%) Seite 11

12 Optimierungsansatz Fluidauswahl Reine Arbeitsmedien Stoffname Chem. Formel T crit ( C) p crit (bar) GWP 100 a WGK Abkürzung Brennbarkeit T Zünd ( C) AGW (mg/m 3 ) 1,1,1,2,2- Pentafluorpropan C 3 3 F 5 R245fa 154,0 36, n-butan C 4 10 R ,0 38,0 ~ 20 - F n-pentan C 5 12 R ,6 33,7 ~ 20 2 F n-exan C 6 14 R ,7 30,3 k.a. 1 F examethyldisiloxan C 6 18 OSi 2 MM 245,6 19, Octamethyltrisiloxan C 8 24 O 2 Si 3 MDM 290,4 14, Toluol C ,6 41,3 k.a. 2 F Seite 12

13 Optimierungsansatz Fluidauswahl Zeotrope Fluidgemische Temperatur ( C) ORC - Reinstoff Wärmequelle Wärmesenke ORC - Fluidgemisch Wärmequelle Wärmesenke Enthalpiestrom (MW) Seite 13

14 Optimierungsansatz Fluidauswahl Zeotrope Fluidgemische exergetischer Wirkungsgrad (%) n-butan/n-pentan T Wärmequelle,ein = 150 C T Wärmequelle,aus = 80 C dt Gleit,Kondensation / dt Kühlmedium Optimale Anpassung der Temperaturprofile im Kondensator Konzentration n-butan (%) Seite 14

15 Optimierungsansatz Fluidauswahl Zeotrope Fluidgemische Wirkungsgradsteigerungen bis zu 15 % erreichbar Eine Reduktion der Wärmeübergangseigenschaften tritt beim Einsatz von Gemischen auf Experimentelle Messungen notwendig Theoretische Korrelationen entwickeln Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Im Anwendungsfall der Tiefe Geothermie überkompensieren die zusätzlichen Stromerlöse den apparativen Mehraufwand Seite 15

16 Optimierungsansatz Fluidauswahl Zweistufige Expansion Vorwärmer Verdampfer Vorwärmer Verdampfer Injektionsbohrung Förderbohrung Thermalwasser Interner Rekuperator ND-Turbine Interner Rekuperator D-Turbine ORC - Arbeitsmedium ORC - Arbeitsmedium ND- Pumpe Kondensator Kühlwasser D- Pumpe Kondensator Kühlwasser Seite 16

17 Optimierungsansatz Fluidauswahl Zweistufige Expansion Nettoleistung (MW) Gesamt ochdruckstufe/ einstufiger Prozess Niederdruckstufe Temperatur nach dem ochdruckmodul ( C) Beispiel Isopentan Stärkere Auskühlung des Thermalwassers hier Reinjektionstemperatur 10 C geringer Leistungssteigerung um 13 % Optimales Leistungsverhältnis D : ND = 3,65 : 1 Seite 17

18 Optimierungsansatz Fluidauswahl Überkritische Fahrweise Isopentane Wärmequelle Überkritische Fahrweise p max > p crit ; dt condensation = T /T crit Reinstoff dt Phasenwechsel = Wärmesenke s /s crit Seite 18

19 Optimierungsansatz Fluidauswahl Überkritische Fahrweise exergetischer Wirkungsgrad (%) Isobutan R236fa Isopentan RC318 Leistungssteigerung um bis zu 15 % Nicht jedes Fluid effizient Unsicherheiten im inblick auf die Eigenschaften bei der Wärmeübertragung oberer ORC-Prozessdruck (MPa) Seite 19

20 Weitere Forschungsfelder Kraftwerkskomponenten Entspannungsaggregate: Turbinen, Scroll, Schrauben, ubkolben Wärmeübertrager: Rohrbündel-WÜ, Platten-WÜ Dynamische Simulation Wichtig bei Lastwechsel (Abwärme in Kraftfahrzeugen oder industrieller Prozesse) Stoffdatenbestimmung Arbeitsmittel/Schmierstoff-Gemische, Anlagendimensionierung Gekoppelte Systeme ybridkraftwerke, gekoppelte Kälte-/Stromerzeugung Seite 20

21 Aktuelle Projekte am ZET / LTTT Deutsche Forschungsgemeinschaft Projekt gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft: Einsatz von Fluidgemischen zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades von ORC-Prozessen in ausgewählten Anwendungsgebieten Arbeitsschritte Auswahl der Gemischkomponenten Arbeitsschritte Experimentelle Messungen Stoffdatenverlässlichkeit Kreisprozesssimulationen 1. Jahr Thermoökonomische Fallbeispiele Publikation der Ergebnisse 2. Jahr Fortsetzungsantrag Seite 21

22 Aktuelle Projekte am ZET / LTTT - Deutsche Forschungsgemeinschaft Messung des Wärmeübergangskoeffizienten bei Verdampfung und Kondensation Siloxane MM,MDM, MD 2 M und deren Gemische Prozesstemperaturen bis 275 C und 25 bar Labortour wird angeboten! Seite 22

23 Forschung und Entwicklung Aktuelle Projekte am ZET / LTTT - Bayerische Forschungsstiftung BFS-Projekt: Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zur Abwärmenutzung Erster Prototyp Mitte 2013 Seite 23

24 Zusammenfassung Der ORC weist ein breites Anwendungsspektrum mit hohen Potentialen vorrangig im Bereich regenerativer Energiequellen auf. Für Temperaturen der Wärmequelle von ca. 500 C bietet der ORC energetische Vorteile im Vergleich zum Rankine Cycle. Es existieren zahlreiche vielversprechende Ansätze zu einer signifikanten Effizienzsteigerung des ORC. Ziel der Optimierungsmaßnahmen ist die bessere Anpassung des Prozesses an die Temperaturprofile von Wärmequelle und senke. ZET/LTTT forscht und entwickelt seit nun mehr 10 Jahren auf dem Gebiet Organic Rankine Cycle Seite 24

25 Vielen Dank Florian eberle and Dieter Brüggemann