Thermoökonomische Betrachtung der industriellen Abwärmenutzung durch ORC
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- Irmgard Siegel
- vor 6 Jahren
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1 Betrachtung der industriellen Abwärmenutzung durch ORC 1. Schweizer ORC-Symposium,, Luzern M. Preißinger, F. Heberle, D. Brüggemann
2 Forschungsthema der Dissertation Stromerzeugung aus industrieller Abwärme Potenziale Zum Vergleich: Leistung der drei größten, sich noch am Netz befindlichen Kernkraftwerke in Deutschland: Isar MW Brokdorf 1480 MW Philippsburg MW MW Abwärmenutzung durch ORC Seite 2
3 Elektrische Leistung Forschungsthema der Dissertation Der Organic Rankine Cycle Anwendungsgebiete Geothermie 120/150 C > 1000 kw Niedertemperaturbereich Hochtemperaturbereich 140 C 300 C 600 C Temperatur der Wärmequelle Biomasse 350 C (TÖ-Temperatur) > 600 kw Industrielle Abwärme Nieder- und Hochtemperaturbereich Leistungen zwischen 15 kw und 500 kw Abwärmenutzung durch ORC Seite 3
4 Forschungsthema der Dissertation Nutzung industrieller Abwärme Probleme bei der Nutzung industrieller Abwärme: Starke Variation der Randbedingungen (Temperaturniveau, Leistungsklasse) Veränderte Kriterien hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit Hohe spezifische Investitionskosten da bisher keine Marktdurchdringung Chancen bei der Nutzung industrieller Abwärme: Sehr hohes Potenzial der Stromerzeugung Übertragbarkeit auf weitere Anwendungsgebiete (Verbrennungsmotoren, Gasturbinen, Brennstoffzellen) Die Nutzung industrieller Abwärme kann der Schlüssel zum Durchbruch der Technologie werden Abwärmenutzung durch ORC Seite 4
5 Modularisierte ORC-Anlagen Gliederung 1. Nutzung industrieller Abwärme Chancen und Potenziale 2. Methodik, Simulationsmodell und Arbeitsfluide 3. Thermodynamische und anlagentechnische Bewertung 4. Analyse und Bewertung 5. Modularisierte ORC-Anlagen 6. Zusammenfassung und Ausblick Abwärmenutzung durch ORC Seite 5
6 Methodischer Ansatz Zielsetzung und Fragestellungen Fragestellungen: Ziel: aus bestehender Referenzanlage sollen Anlagen für unterschiedliche Wärmequellen (T WQ, m WQ ) abgeleitet werden, die sich durch eine hohe Effizienz und geringe Investitionskosten auszeichnen. 1. Welche Arbeitsfluide und welche Verschaltungsvariante sind thermodynamisch für den Nieder- und Hochtemperaturbereich zu wählen? 2. Wie verhalten sich anlagen- und sicherheitstechnische Parameter? 3. In welchem Temperatur- und Leistungsbereich ist eine Modularisierung von ORC-Anlagen thermoökonomisch sinnvoll? Abwärmenutzung durch ORC Seite 6
7 Der Organic Rankine Cycle Arbeitsfluide Hochtemperaturbereich n-alkane C n H 2n+2 Alkylbenzole C 6 H 6 -R lineare Siloxane (-Si-R-O-) n zyklische Siloxane (-Si-R-O-) n Abwärmenutzung durch ORC Seite 7
8 Der Organic Rankine Cycle Arbeitsfluide Niedertemperaturbereich n-alkane C n H 2n+2 iso-alkane C n H 2n+2 Kältemittel C x H y F z Alkohole C n H 2n+1 OH Abwärmenutzung durch ORC Seite 8
9 Der Organic Rankine Cycle Anlagenverschaltung mit internem Rekuperator Subkritische Betriebsweise Transkritische Betriebsweise Abwärmenutzung durch ORC Seite 9
10 Methodischer Ansatz Bewertungskriterien Nettoleistung P P P net T P Thermischer Wirkungsgrad th P Q net Erh Exergetischer Wirkungsgrad ex P E net WQ Exergiestrom E m [ h h T ( s s )] WQ WQ Abwärmenutzung durch ORC Seite 10
11 Methodischer Ansatz Bewertungskriterien Wärmeübertragungskapazität Volumenstromverhältnis der Turbine Q Q UA LMTD T2 T1 ln( T T) V Ratio V V aus, T ein, T 2 1 Größenparameter der Turbine Angelino et al. (1984) VH T V aus, T 1/4 his, T Drehzahl der Turbine Angelino et al. (1984) h n 10 V 3/4 is, T aus, T Astolfi et al. (2011) Vaus, T Ns n 0,1 h 3/4 is, T Abwärmenutzung durch ORC Seite 11
12 Modularisierte ORC-Anlagen Gliederung 1. Nutzung industrieller Abwärme Chancen und Potenziale 2. Methodik, Simulationsmodell und Arbeitsfluide 3. Thermodynamische und anlagentechnische Bewertung 4. Ökonomische Analyse und Bewertung 5. Modularisierte ORC-Anlagen 6. Zusammenfassung und Ausblick Abwärmenutzung durch ORC Seite 12
13 Thermodynamische Bewertung von ORC-Anlagen Vergleich der betrachteten Fluidklassen: η ex ex P E net WQ T m [ h h T ( s s )] WQ P P P Abwärmenutzung durch ORC Seite 12
14 Thermodynamische Bewertung von ORC-Anlagen Vergleich der betrachteten Fluidklassen: η ex ex P E net WQ T m [ h h T ( s s )] WQ P P P Alkylbenzole thermodynamisch zu bevorzugen Alkylbenzole weisen erst ab ca. 420 C eine gleichmäßige Wirkungsgradsteigerung mit der Temperatur auf Abwärmenutzung durch ORC Seite 12
15 Thermodynamische Bewertung von ORC-Anlagen Vergleich der betrachteten Fluidklassen: η ex ex P E net WQ T m [ h h T ( s s )] WQ P P P Alkylbenzole thermodynamisch zu bevorzugen Alkylbenzole weisen erst ab ca. 420 C eine gleichmäßige Wirkungsgradsteigerung mit der Temperatur auf lineare und zyklische Siloxane haben deutlich geringere Wirkungsgrade Abwärmenutzung durch ORC Seite 12
16 Thermodynamische Bewertung von ORC-Anlagen Vergleich der betrachteten Fluidklassen: η ex ex P E net WQ T m [ h h T ( s s )] WQ P P P Alkylbenzole thermodynamisch zu bevorzugen Alkylbenzole weisen erst ab ca. 420 C eine gleichmäßige Wirkungsgradsteigerung mit der Temperatur auf lineare und zyklische Siloxane haben deutlich geringere Wirkungsgrade n-alkane erreichen mittlere Werte Abwärmenutzung durch ORC Seite 12
17 Thermodynamische Bewertung von ORC-Anlagen Vergleich der betrachteten Fluidklassen: η ex ex P E net WQ T m [ h h T ( s s )] WQ P P P Alkylbenzole in transkritischer Betriebsweise sind thermodynamisch zu bevorzugen Abwärmenutzung durch ORC Seite 12
18 Anlagentechnische Bewertung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich Siloxane benötigen größere Turbinen Volumenstromverhältnis nahezu konstant Drehzahl für Siloxane deutlich geringer ein ORC-spezifisches Thermoökonomiemodell muss auch diese Effekte berücksichtigen Abwärmenutzung durch ORC Seite 13
19 Modularisierte ORC-Anlagen Gliederung 1. Nutzung industrieller Abwärme Chancen und Potenziale 2. Methodik, Simulationsmodell und Arbeitsfluide 3. Thermodynamische und anlagentechnische Bewertung 4. Analyse und Bewertung 5. Modularisierte ORC-Anlagen 6. Zusammenfassung und Ausblick Abwärmenutzung durch ORC Seite 14
20 Bewertung von ORC-Anlagen ORC-spezifisches Kostenmodell 0,43 0,59 PI P F A F K I P k k 2013 el, P P, P IR P, IR ORC spez,0 Gen, ref P, ref IR, ref PI 0 Pel, P, ref FP, P, ref AIR, ref FP, IR, ref 0,59 k A F k Erh P, Erh Kond Erh, ref Kond, ref AErh, ref FP, Erh, ref AKond, ref 0,39 A F P, Kond k TGE krohre FP, Kond, ref Realisierte ORC-Anlage mit bekannter Kostenverteilung Abwärmenutzung durch ORC Seite 15
21 Bewertung von ORC-Anlagen ORC-spezifisches Kostenmodell 0,43 0,59 PI P F A F K I P k k 2013 el, P P, P IR P, IR ORC spez,0 Gen, ref P, ref IR, ref PI 0 Pel, P, ref FP, P, ref AIR, ref FP, IR, ref 0,59 k A F k Erh P, Erh Kond Erh, ref Kond, ref AErh, ref FP, Erh, ref AKond, ref 0,39 A F P, Kond k TGE krohre FP, Kond, ref Kolbenmembranpumpe K K ORC C C ORC ORC, ref ORC, ref m Abwärmenutzung durch ORC Seite 15
22 Bewertung von ORC-Anlagen ORC-spezifisches Kostenmodell 0,43 0,59 PI P F A F K I P k k 2013 el, P P, P IR P, IR ORC spez,0 Gen, ref P, ref IR, ref PI 0 Pel, P, ref FP, P, ref AIR, ref FP, IR, ref 0,59 k A F k Erh P, Erh Kond Erh, ref Kond, ref AErh, ref FP, Erh, ref AKond, ref 0,39 A F P, Kond k TGE krohre FP, Kond, ref Rohrbündelwärmeübertrager Abwärmenutzung durch ORC Seite 15
23 Bewertung von ORC-Anlagen ORC-spezifisches Kostenmodell 0,43 0,59 PI P F A F K I P k k 2013 el, P P, P IR P, IR ORC spez,0 Gen, ref P, ref IR, ref PI 0 Pel, P, ref FP, P, ref AIR, ref FP, IR, ref 0,59 k A F k Erh P, Erh Kond Erh, ref Kond, ref AErh, ref FP, Erh, ref AKond, ref 0,39 A F P, Kond k TGE krohre FP, Kond, ref Skalierung und Komplexität k TEG K TGE, ref VHT nt nt 0,7 0,1 0,2 P Gen, ref VHT, ref nt, ref nt, ref 2,5 1,5 1,5 Material Lagerung Engineering Abwärmenutzung durch ORC Seite 15
24 Bewertung von ORC-Anlagen ORC-spezifisches Kostenmodell 0,43 0,59 PI P F A F K I P k k 2013 el, P P, P IR P, IR ORC spez,0 Gen, ref P, ref IR, ref PI 0 Pel, P, ref FP, P, ref AIR, ref FP, IR, ref 0,59 k A F k Erh P, Erh Kond Erh, ref Kond, ref AErh, ref FP, Erh, ref AKond, ref 0,39 A F P, Kond k TGE krohre FP, Kond, ref Technologiesprünge k TGE ktge 1, 25 für VRatio ktge 1,90 für nt 600 s Mehrstufige Turbine Abwärmenutzung durch ORC Seite 15
25 Bewertung von ORC-Anlagen ORC-spezifisches Kostenmodell 0,43 0,59 PI P F A F K I P k k 2013 el, P P, P IR P, IR ORC spez,0 Gen, ref P, ref IR, ref PI 0 Pel, P, ref FP, P, ref AIR, ref FP, IR, ref 0,59 k A F k Erh P, Erh Kond Erh, ref Kond, ref AErh, ref FP, Erh, ref AKond, ref 0,39 A F P, Kond k TGE krohre FP, Kond, ref Technologiesprünge k TGE ktge 1, 25 für VRatio ktge 1,90 für nt 500 s Mehrstufige Turbine Magnetlagerung Abwärmenutzung durch ORC Seite 15
26 Bewertung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich, subkritisch vs. transkritisch Abwärmenutzung durch ORC Seite 16
27 Bewertung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich, subkritisch vs. transkritisch Nahezu einheitliche Amortisationszeiten (mit Ausnahme der zyklischen Siloxane) Transkritischer Betrieb thermoökonomisch nicht empfehlenswert Abwärmenutzung durch ORC Seite 17
28 Bewertung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich, subkritisch Unter Einbeziehung von Größe, Komplexität und Technologiesprüngen ist das lineare Siloxan Hexamethyldisiloxan (MM) in subkritischer Betriebsweise ist vielversprechendes Fluid für eine Modularisierung Abwärmenutzung durch ORC Seite 18
29 Modularisierte ORC-Anlagen Gliederung 1. Nutzung industrieller Abwärme Chancen und Potenziale 2. Methodik, Simulationsmodell und Arbeitsfluide 3. Thermodynamische und anlagentechnische Bewertung 4. Analyse und Bewertung 5. Modularisierte ORC-Anlagen 6. Zusammenfassung und Ausblick Abwärmenutzung durch ORC Seite 19
30 Modularisierung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich, Arbeitsfluid: MM stetiger Verlauf der Nettoleistung und der Wärmeübertragerfläche vorteilhaft für Modularisierung über breiten Temperatur- und Massenstrombereich Abwärmenutzung durch ORC Seite 20
31 Modularisierung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich, Arbeitsfluid: MM Stetiger Verlauf der Turbinendaten ab 400 C Abwärmenutzung durch ORC Seite 21
32 Modularisierung von ORC-Anlagen Hochtemperaturbereich, Arbeitsfluid: MM mit derzeitigen Investitionskosten sind Amortisationszeiten unter 5 Jahren nur ab ca. 450 C möglich bei einer Verringerung der Investitionskosten um 1/3 können Amortisationszeiten von 2,5 Jahren erreicht werden Abwärmenutzung durch ORC Seite 22
33 Modularisierung von ORC-Anlagen Niedertemperaturbereich, Arbeitsfluid: Isopentan mit derzeitigen Investitionskosten sind Amortisationszeiten unter 5 Jahren nicht zu realisieren bei einer Verringerung der Investitionskosten um 1/3 kann ab 240 C eine Amortisation in knapp 5 Jahren erfolgen Abwärmenutzung durch ORC Seite 23
34 Modularisierung von ORC-Anlagen ORC-Teststände und ORC-Testfeld am ZET Abwärmenutzung durch ORC Seite 24
35 Modularisierung von ORC-Anlagen ORC-Teststände und ORC-Testfeld am ZET Abwärmenutzung durch ORC Seite 25
36 Modularisierte ORC-Anlagen Gliederung 1. Nutzung industrieller Abwärme Chancen und Potenziale 2. Methodik, Simulationsmodell und Arbeitsfluide 3. Thermodynamische und anlagentechnische Bewertung 4. Analyse und Bewertung 5. Modularisierte ORC-Anlagen 6. Zusammenfassung und Ausblick Abwärmenutzung durch ORC Seite 26
37 Zusammenfassung und Ausblick Industrielle Abwärme als Zukunftsmarkt für den ORC Die Nutzung industrieller Abwärme ist der Zukunftsmarkt des ORCs, über den eine Marktdurchdringung erfolgen kann. Es gibt eine Vielzahl effizienter Arbeitsfluide und Verschaltungsvarianten, jedoch sind nur wenige davon thermoökonomisch vorteilhaft. Eine Modularisierung von ORC-Anlagen im Hochtemperaturbereich ist insbesondere im Bereich C auf Basis des Arbeitsfluides Hexamethyldisiloxan empfehlenswert. Durch einen Beginn der Serienfertigung und damit einhergehender Verringerung der spezifischen Investitionskosten um 1/3 sind Amortisationszeiten von unter 3 Jahren möglich. Das ZET forscht im Hinblick auf Flexibilität, technisch-wirtschaftlichem Optimum und Kleinstanlagen für hohe Stückzahlen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Wärmeübertragung/Zersetzung. Abwärmenutzung durch ORC Seite 27
38 Vielen Dank M. Preißinger, F. Heberle, D. Brüggemann
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