Der Dreiecksprozess Der Kreisprozess mit dem höchsten theoretischen Wirkungsgrad Dr.-Ing. Michael Löffler, Dipl.-Ing. Michael Steffen Karlsruher Institut für Technologie, Europäisches Institut für Energieforschung, 76131 Karlsruhe, Deutschland, E-Mail: michael.loeffler@kit.edu, michael.steffen@kit.edu, Telefon: +49(0)721/6105-1427, +49(0)721/608-42730 Kurzfassung Mit den auf dem Markt verfügbaren Wärmekraftmaschinen, bei denen Turbinen verwendet werden und denen die Kreisprozesse CRC, ORC und Kalina zugrunde liegen, kann Niedertemperaturwärme im Bereich von 50 C bis 300 C nur mit hohen Investitionskosten und niedrigen Wirkungsgraden in elektrische Energie umgewandelt werden. Wird ein nach der Erwärmung unter erhöhtem Druck vorliegendes flüssiges Arbeitsmittel im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine entspannt, können theoretisch deutlich höhere Prozesswirkungsgrade realisiert werden (Steigerung 30% bis 50%). Dies ist auf die simultane Dampferzeugung bei gleichzeitiger Abkühlung der flüssigen Phase und gleichzeitiger Entspannung des entstandenen Dampfes zurückzuführen. Die Form des zum Verfahren gehörenden Zyklus erinnert im T-s-Diagramm an ein Dreieck. Um das Eintreten von flüssiger Phase in den Zylinderraum zu verhindern, ist der Kolbenmaschine ein Zyklon zur Phasentrennung vorgeschaltet. Die Anordnung des Zyklons ähnelt dabei der Anordnung der Vorkammer beim Dieselmotor. Unter Leitung des Autors wird am Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (KIT), gemeinsam mit dem Institut für Kolbenmaschinen (KIT) und der MOT GmbH der Prototyp einer Kolbenmaschine optimiert. Die Ansteuerung der elektrischen Maschine (Drehzahlregelung des Generators) und der Ventil- Aktuatoren erfolgt in Zusammenarbeit mit dem Elektrotechnischen Institut (ETI) des KIT. Die folgende Abbildung zeigt den beheizten Zylinderkopf mit Zyklon, Einlassrohren und Dampfauslassrohren. Stichworte Kreisprozess, Abwärme, ORC, Dreiecksprozess, Geothermie, Solarthermie, Abgaswärme
Abbildung 1: Zylinder (blau) und beheizter Zylinderkopf mit Zyklon, Einlassrohren und flexiblen Auslassschläuchen 1 Funktion Das Funktionsprinzip des neuartigen Kreisprozesses basiert darauf, dass eine unter hoher Temperatur und hohem Druck vorliegende Flüssigkeit in einer Kolbenmaschine entspannt wird. Der entscheidende Vorteil gegenüber gängigen Wärmekraftmaschinen ist die simultane Dampferzeugung bei gleichzeitiger Abkühlung der Flüssigkeit und gleichzeitiger Entspannung des entstandenen Dampfes. Hierdurch werden die dissipativen Verluste eines externen Verdampfers annähernd gänzlich vermieden. Zusätzlich können kleine Kolbenmaschine eingesetzt werden und dadurch Wärmequellen mit kleiner Leistung und ggf. mit niedrigem Temperaturniveau wirtschaftlich genutzt werden. Um das Eintreten von Flüssigkeit in den Zylinderraum zu verhindern, ist ein Zyklon zur Phasentrennung vorgeschalten. Mit Hilfe von analytischen Berechnungen (Abscheidung im Zyklon) und Strömungssimulationen (CFD) kann die Abscheidung der Flüssigkeit im Zyklon
berechnet und somit die Zyklongeometrie optimiert werden. Die noch nicht validierten Simulationsergebnisse zeigen eine hohe Abscheidung und einen nahezu vollständigen Ladungswechsel für die optimierte Geometrie. Die theoretisch ermittelten Abscheidegrade sollen 2012 anhand von experimentellen Abscheideversuchen validiert werden. Das Forschungsprojekt hat folglich das Ziel, den Prototyp der Kolbenmaschine zu optimieren, um den neuartigen Dreiecksprozess erfolgreich umzusetzen. 1.1 Ausschieben des abgekühlten Wassers Beim bisherigen Prototyp hat das Ausschieben des abgekühlten Wassers aus dem Zyklon nicht vollständig funktioniert. Aus diesem Grund ist Wasser zunächst im Zyklon akkumuliert und dann in den Zylinderraum übergetreten. Aus diesem Grund konnte ein zufriedenstellender Lauf der Maschine bisher nicht gelingen. Ein neues Ventilkonzept mit großen Querschnitten erlaubt jetzt ein ausreichendes Austreiben der flüssigen Phase gemei9nsam mit dem entspannten Dampf. Zusätzlich wurde ein Ventilantriebskonzept mit Tauchspulenaktuatoren entwickelt. Diese elektromagnetischen Aktuatoren erlauben ein schnelles Öffnen und Schließen der Ventile (3 mm Ventilweg in 3 ms). Das Ventiltiming ist dabei frei einstellbar. 1.2 Ökonomie In Form von Abwärme industrieller Prozesse stehen bedeutende Energiemengen zur Verfügung, insbesondere in kleinen Leistungsbereichen, die aufgrund ihres zu niedrigen Temperaturniveaus bislang nicht ökonomisch zur Stromproduktion genutzt werden. Mit dem Dreiecksprozess versucht die Arbeitsgruppe einen vielversprechenden, innovativen Ansatz zur Nutzung dieser Potenziale. Neben einem vergleichsweise sehr hohen Wirkungsgrund besteht ein großer Vorteil in der einfachen Herstellung. Als Grundlage lässt sich eine Serienkolbenmaschine nutzen, bei der lediglich der Zylinderkopf modifiziert werden muss. Für eine Maschine mit einer Leistung von ca. 5-20 kw können Kosten von < 1000 geschätzt werden. Hieraus ergeben sich sehr gute ökonomische Perspektiven für eine breite dezentrale Stromerzeugung aus Abwärme, Solarwärme und Geothermie. 2 Experiment Nach den erfolgreichen ersten Testläufen in 2010 sollen im August/September 2012 erneut Versuche gefahren werden. Ausgehend von den ersten Erfahrungen und neuer theoretischer
Erkenntnisse wurde hierfür der Zylinderkopf weitgehend überarbeitet und folgende neue Konzepte berücksichtigt: 1. Die Zyklongeometrie wurde angepasst. Berechnungen haben gezeigt, dass eine geringe Wasserhöhe im Zyklon zu deutlich besseren Abscheidegrade führt. Simulationen haben diese Erkenntnis bestätigt 1. 2. Der Auslassquerschnitt am Zyklon wurde deutlich vergrößert und es wurde ein selbsthaltendes Auslassventil konstruiert 2. 3. Die Ventile werden elektromagnetisch angesteuert (mit Tauchspulenaktuatoren). Dadurch sind wir in der Regelung der Maschine wesentlich freier. 4. Der Zyklon ist vollständig aus PEEK gefertigt. Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch des Wassers mit der Zyklonwand auf ein vernachlässigbares Minimum reduziert. Bei der Konstruktion des Zyklons ist die Erfahrung der Mitarbeiter vom Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) und der MOT Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft mbh eingeflossen. Die folgenden Abbildungen zeigen eine CAD-Ansicht der Maschine und einen Schnitt durch die Ventilebene (CAD-Bilder: Clemens Hampe, MOT). Abbildung 2: CAD-Ansicht des Zylinderkopfs 1 Yannik Ille, Entspannungsverdampfung in einem Zyklon Einfluss verschiedener Zyklongeometrien auf die Phasentrennung und den Ladungswechsel, 2012, Studienarbeit am ITTK 2 In Zusammenarbeit mit ITTK, IFKM und MOT
Abbildung 3: CAD-Schnitte durch die Zyklon- und Ventilebene 3 Ergebnis und Ausblick Der neuartige Kreisprozess erlaubt eine wesentliche effizientere Nutzung von Abwärme im Vergleich zu allen gängigen Kreisprozessen, zumindest bis zu einer Temperatur von ca. 350 C (die Flashentspannung ist zunächst für eine Entspannung im Nassdampfgebiet konzipiert, also bis zur kritischen Temperatur, hier von Wasser). Außerdem sind Wärmequellen mit Leistungen ab einigen kw nutzbar. Turbinen hingegen erlauben die Nutzung erst bei Wärmeleistungen ab ca. 500 kw. Werden Serien-Kolbenmaschinen als Grundlage für den Dreiecksprozess verwendet kann eine ökonomische Nutzung der in Deutschland bisher ungenutzten Abwärmen gelingen. Im Falle, dass die geplanten Versuche in 2012 erfolgreich verlaufen, stehen Arbeiten an, die zu einer Verbreitung und zu einer tieferen wissenschaftlichen Untersuchung des Prozesses führen sollen: Serienmäßige Herstellung der Maschinenkomponenten. Skalierung der Maschinen von einigen kwe bis einige MWe: Designs der Zyklone für große Wassermengen (bisher wurden 3 g eingespritzt, bei 1 MW sind es ca. 3 kg).
Entwicklung von angepassten Kolbenmaschinen (Druck nur 20 bar, Temperatur nur 200 C, partikelfreies Arbeitsgas. Zum Vergleich bei Verbrennungs- Kolbenmaschinen: Druck um 100 bar, Temperatur um 1000 C, Rußpartikel). Anpassung der Maschinen für diverse Temperaturbereiche: Untersuchung von alternativen Arbeitsmitteln. Identifizierung und Erarbeitung ökonomischer Konzepte für (Ab-) Wärmequellen: Industrielle Abwärme, Geothermie, Solarthermie, Abgaswärme bei Verbrennungsprozessen. Aufbau von Pilotanlagen. Die Arbeiten werden innerhalb geeigneter KIT-Partnerschaften und mit Industriebeteiligungen ausgeführt. Literaturverzeichnis [1] Löffler Michael, Steffen Michael, Schaber Karlheinz: Umsetzung einer Kolbendampfmaschine mit interner Flashverdampfung, Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem Az: 25116 21/0 von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU), Oktober 2010. Veröffentlichung durch die DBU. [2] Löffler Michael, Steffen Michael, Schaber Karlheinz: Entspannungsverdampfung im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine, Messergebnisse, in: Kurzfassungsband des Thermodynamik-Kolloquium und Ingenieurdaten, 4.-6. Oktober 2010, Universität Bayreuth. [3] M. K. Löffler: Flash Evaporation in Cyclones, Chemical Engineering & Technology, Volume 31, Issue 7/2008, Pages 1062-1065, [4] Löffler Michael: Kreisprozess mit Flashverdampfung im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine. In: VGB PowerTech, International Journal for Electricity and Heat Generation, 7/2007, S. 92-97.