Panorama

Mehr Strom aus überschüssiger Wärme

25.03.2021 - Neues Technikum soll Organic-Rankine-Cycle optimieren helfen.

Mit Blick auf eine möglichst CO2-arme und energie­effiziente Stromerzeugung hat Nieder­temperaturwärme in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. „Statt Wärme, die ohnehin als Überschuss vorhanden ist, in die Umgebung abzuführen, ist es sinnvoller, sie weiter zu nutzen und damit Strom zu produzieren“, erklärt Dietmar Kuhn, Leiter der Arbeits­gruppe Energie- und Verfahrens­technik am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit des Karlruher Institut für Technologie. Um Wärme von unter 200 Grad Celsius für die Versorgung von Privat­haushalten zu verstromen, kommen ORC-Anlagen zum Einsatz. Sie basieren auf dem Organic-Rankine-Cycle – einem Verfahren, das nach dem britischen Begründer der Thermo­dynamik, William John Macquorn Rankine, benannt und vor allem aus Geothermie­kraftwerken bekannt ist.

Hierbei handelt es sich um einen Flüssig-Dampf-Kreislauf, bei dem ein Fluid im Kreis gepumpt und unter Druckerhöhung aufgeheizt wird, bis es verdampft. Der heiße Dampf wird über eine Turbine geführt, die ihm den Druck und die Temperatur wieder entzieht und ihn in Bewegungs­energie und Strom verwandelt. Da der Siedepunkt von Wasser unter Druck bei einigen hundert Grad liegt und damit deutlich höher als das, was eine Nieder­temperaturquelle wie Erdwärme zur Verfügung stellen kann, kommen, anders als zum Beispiel in einem Kohle­kraftwerk, beim ORC-Verfahren andere Fluide als Arbeitsmedien zum Einsatz. Im Technikum Monika arbeiten die Experten mit Propan, das bei hoher Leistungs­fähigkeit einen sehr niedrigen Faktor für das Treibhaus­potenzial (GWP) aufweist.

Bislang liegt der Wirkungs­grad bei ORC-Anlagen bei nur zehn& bis 15 Prozent. Zentrales Ziel der Karlsruher Wissenschaftler ist es deswegen, neue Strategien für die Effizienz­steigerung von ORC-Anlagen zu entwickeln und deren CO2-Fußabdruck zu senken. „Monika bietet eine Forschungs- und Entwicklungs­infrastruktur, die auf dem neuesten Stand der Technik und einzigartig in Europa ist“, sagt Kuhn. So wird im Technikum der Dampf­kreislauf anders als in den meisten ORC-Kraft­werken überkritisch betrieben. Mit Blick auf Temperatur, Druck und Dichte wird der kritische Punkt überschritten, an dem ein Gas flüssig wird und umgekehrt, und die Phasen­übergänge werden fließend. „Damit können wir die Stromausbeute um zwanzig bis dreißig Prozent erhöhen“, sagt Kuhn.

Das modular aufgebaute Technikum verfügt über eine Heizanlage, welche die Niedertemperatur­wärmequelle simuliert. Eine umfangreiche Sensorik für die Messung von Temperaturen, Drücken und Durchflüssen ermöglicht es, Daten aus dem laufenden Betrieb mit Modell­rechnungen zu vergleichen und so die Prognose­qualität zu erhöhen. Auf dieser Basis wollen die Forschenden zentrale Komponenten wie den Wärmetauscher oder den innovativen Hybrid-Kondensator analysieren und so optimieren, dass sie energie­effizienter und umwelt­schonender arbeiten. Ziel ist unter anderem auch, Leckagen im Arbeitskreis zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Monika erreicht eine thermische Leistung von einem Megawatt und damit eine Größenordnung, mit der die erzielten Forschungs­ergebnisse gut auf die Praxis übertragen und skaliert werden können. Das Technikum, an dem bereits erste Experimente laufen, soll vor allem für anwendungs­orientierte Forschungs­projekte eingesetzt und langfristig an das Energy Lab 2.0 des KIT angebunden werden. Derzeit identi­fizieren Kuhn und sein Team gemeinsam mit interes­sierten Industrie­partnern Forschungsthemen und -bedarfe.

KIT / JOL

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