Organic Rankine Cycle

Das Entropie - Temperatur - Diagramm für Chlordifluormethan (R22) als einem möglichen Arbeitsmedium für den Organic Rankine Cycle

Der Organic Rankine Cycle (Abkürzung ORC) ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine (* 1820; † 1872) zurück, einen schottisch-britischen Physiker und Ingenieur. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist.^[1] Dies ist vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei Solarkraftwerken und Meereswärmekraftwerken der Fall. Die Entspannungsmaschinen (Turbine, Schraubenexpander) werden typischerweise mit Silikonöl, Kältemittel oder brennbarem Gas betrieben.

Arbeitsmedien

Ausgehend vom T-s-Diagramm werden nach der Form der Sattdampfkurve drei verschiedene Fluidklassen unterschieden:

• Die Sattdampfkurve „trockener“ Medien ist steigend; hierbei handelt es sich in der Mehrzahl um höhermolekulare Substanzen wie R113,
• „Nasse“ Medien wie Wasser haben eine fallende Sattdampfkurve,
• „Isentrope“ Medien haben eine nahezu senkrechte Sattdampfkurve; hierzu zählen R11 und R12,

Isentrope und „trockene“ Medien versprechen bei ihrem Einsatz eine Reihe von thermodynamischen Vorteilen.

Mögliche Arbeitsmedien sind:

Medium	Molmasse	Kritischer Punkt		Siedetemper- atur (1atm)	Verdampfungs- wärme (1atm)	Steigung der Sattdampfkurve	Zersetzung bei ca.
Ammoniak (NH3)	17	405,3 K	11,33 MPa	239,7 K	1347 kJ/kg	Negativ	750 K
Wasser	18	647,0 K	22,06 MPa	373,0 K	2256 kJ/kg	Negativ	.
n-Butan C4H10	58,1	425,2 K	3,80 MPa	272,6 K	383,8 kJ/kg	.	.
n-Pentan C5H12	72,2	469,8 K	3,37 MPa	309,2 K	357,2 kJ/kg	.	.
C6H6	78,14	562,2 K	4,90 MPa	353,0 K	438,7 kJ/kg	Positiv	600 K
C7H8	92,1	591,8 K	4,10 MPa	383,6 K	362,5 kJ/kg	Positiv	.
R134a (HFC-134a)	102	374,2 K	4,06 MPa	248,0 K	215,5 kJ/kg	Isentrop	450 K
C8H10	106,1	616,2 K	3,50 MPa	411,0 K	339,9 kJ/kg	Positiv	.
R12	121	385,0 K	4,13 MPa	243,2 K	166,1 kJ/kg	Isentrop	450 K
HFC-245fa	134,1	430,7 K	3,64 MPa	288,4 K	208,5 kJ/kg	.	.
HFC-245ca	134,1	451,6 K	3,86 MPa	298,2 K	217,8 kJ/kg	.	.
R11 (CFC-11)	137	471,0 K	4,41 MPa	296,2 K	178,8 kJ/kg	Isentrop	420 K
HFE-245fa	150	444,0 K	3,73 MPa	.	.	.	.
HFC-236fa	152	403,8 k	3,18 MPa	272,0 K	168,8 kJ/kg	.	.
R123	152,9	456,9 K	3,70 MPa	301,0 K	171,5 kJ/kg	Positiv	.
CFC-114	170,9	418,9 K	3,26 MPa	276,7 K	136,2 kJ/kg	.	.
R113	187	487,3 K	3,41 MPa	320,4 K	143,9 kJ/kg	Positiv	450 K
n-Perfluoro-Pentan C5F12	288	420,6 K	2,05 MPa	302,4 K	87,8 kJ/kg	.	.

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung ist durch den Einsatz von Gemischen möglich. In subkritischen Verläufen erfolgen sowohl das Verdampfen als auch die Kondensation nicht isotherm; der Abkühlungskurve des Wärmeträgers kann mit deutlich geringeren Temperaturdifferenzen gefolgt werden; damit reduzieren sich die Irreversibilitäten bei der Wärmeübertragung.

In jüngster Zeit werden für den ORC-Prozess synthetische Arbeitsmedien entwickelt. Diese Arbeitsmedien werden in ihren Stoffeigenschaften den speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des Organic-Rankine-Cycle-Kreisprozesses angepasst. Ein derartiges neues synthetisches Arbeitsmedium auf Silikonbasis mit der Bezeichnung GL160 ist frei von Chlor und Fluor und aus diesem Grund besonders umweltfreundlich. Mit synthetischen Arbeitsmedien werden höhere thermodynamische Wirkungsgrade von ORC-Anlagen erzielt, als dies mit Massenchemikalien möglich ist, die zufällig in vorhandene thermodynamische Gefälle eingepasst werden. ^[2]

Funktionsbeschreibung

Verdampfer des Geothermiekraftwerkes Landau von Ormat. Mittels heißem Tiefenwasser wird Isopentan unten vorerhitzt und oben verdampft, um dann eine Turbine zu betreiben. Der Verdampfer ist praktisch ein Wärmetauscher, in dem die Wärme des Wassers auf das Pentan übertragen wird.

Turbinengeneratorsatz des Geothermiekraftwerkes Landau von Ormat. In der Mitte die Turbine. Von oben strömt der Isopentan-Dampf ein, den der Verdampfer im Hintergrund erzeugt hat. Rechts im weißen Blechkasten der Generator. Links strömt der Dampf hoch zum Trockenkühler, wo er abgekühlt und wieder verflüssigt wird.

Die Arbeitsmittelpumpe bringt das flüssige Arbeitsmittel auf Betriebsdruck (8) und leistet dabei Verschiebungsarbeit. Beim Durchströmen des flüssigen Arbeitsmittels durch den Verdampfer (1) wird diesem isotherm (Temperatur des Arbeitsmittels bleibt konstant) Energie in Form von Wärme zugeführt. Als Wärmequelle für den Verdampfungsprozess dient dabei Prozesswärme bzw. Abwärme von vorgeschalteten Maschinen wie z. B. Verbrennungskraftmaschinen in Blockheizkraftwerken. Durch den Energieeintrag verdampft das Arbeitsmedium vollständig. Am Austritt des Verdampfers entsteht Sattdampf (2). Durch den Energieeintrag im Verdampfer nehmen das spezifische Volumen und die Temperatur des Dampfes bis zu einem definierten Maximalwert zu. Vom Verdampfer aus strömt der Arbeitsmitteldampf über ein Druckrohr zur ORC-Turbine (3), wo dieser idealerweise isentrop auf einen niedrigeren Druck entspannt wird (4). In der Realität sind isentrop arbeitende Turbinen jedoch nicht realisierbar, es treten dort immer auch Verluste auf. Das spezifische Volumen nimmt durch die Expansion in der Turbine zu. Diese Volumenvergrößerung, hervorgerufen durch die Druckdifferenz und die daraus resultierende Arbeit, wird als Volumenänderungsarbeit bezeichnet, welche die Turbine an ihren Schaufeln in mechanische Energie umwandelt. Der an die Turbine gekoppelte Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um.

Verschiebungsarbeit + Volumenänderungsarbeit – Dissipationsarbeit = mechanische Leistung

Im Anschluss strömt der Dampf durch einen Regenerator (5), wo ein Wärmeaustausch zwischen dem dampfförmigen Arbeitsmittelstrom und dem von der Arbeitsmittelpumpe (8) kommenden flüssigen Arbeitsmittelstrom stattfindet. Diese Konstellation findet beim Einsatz von bestimmten organischen Arbeitsmitteln (z.B. R365fmc) Verwendung. Ausschlaggebend für den wirtschaftlichen Einsatz eines Regenerators sind die Isentropenverläufe (siehe Bild) des Arbeitsmittels, die im log p-H Diagramm bzw. T-S Diagramm ersichtlich sind.

Der im Regenerator (5) auf Kondensationstemperatur gebrachte Arbeitsmitteldampf gelangt in den nachgeschalteten Kondensator (6). Dort gibt der Dampf die Kondensationswärme an einen Kühlkreislauf wie z. B. einem Fernwärmenetz ab. Das Arbeitsmittel kondensiert aus und geht vollständig in den flüssigen Aggregatzustand über (7). Die Arbeitsmittelpumpe (8) bringt das Arbeitsmittel auf Betriebsdruck. Damit schließt sich der Kreislauf.

Siehe auch

• Dampfkraftwerk
• Rankine-Zyklus
• Kalina-Prozess

Referenzen

1. ↑ Informationen zum ORC-Prozess
2. ↑ Beschreibung des ORC-Prozesses

Weblinks

• Fachbeitrag kleiner ORC System bis 60 kW (PDF-Datei; 1006 kB)