Thermodynamic Cycles

Die thermische Leistung der Hochtemperatur-Wärmepumpe liegt bei 20 kW. Die Wärmepumpe ist in der Lage eine Vorlauftemperatur bis 95 °C bereitzustellen. Als Arbeitsmedium wird ein umweltfreundliches und nicht brennbares Kältemittel eingesetzt. Durch die Messung der relevanten Betriebsparameter (Druck, Temperatur und Volumenstrom) ist eine vollständige thermodynamische Analyse der Anlage möglich. Durch die Kopplung mit einem thermischen Laborspeicher und der Möglichkeit steuerungstechnischen Vorgabe der thermischen Leistung können darüber hinaus Systemuntersuchungen im Kontext von Power-to-Heat-Konzepten durchgeführt werden.

Der Teststand bietet die Möglichkeit zur simultanen Messung von elektrischer Leistungsabgabe und Wärmeübergangseigenschaften des Organic Rankine Cycles (ORC). Bei diesem Teststand steht die geothermische Anwendung im Fokus. Entsprechend werden hier teilfluorierte Kältemittel und moderne, alternative Arbeitsmedien, sogenannte „Low-GWP-Fluide“ mit Frischdampftemperaturen bis 100 °C vermessen und analysiert.  

In diesem Teststand wird die ORC-Technologie hinsichtlich dem Einsatzfeld der Abwärmenutzung weiterentwickelt. Hierfür werden Abgase mit Temperaturen von über 400 °C direkt, ohne üblichen Zwischenkreislauf, mit dem ORC-Fluid Hexamethyldisiloxan gekoppelt. Als Turbinen wurden bisher eine Axialturbine sowie eine Cantileverturbine erfolgreich vermessen. Die angestrebten 12 kW an elektrischer Leistung wurden in einigen Betriebspunkten sogar leicht überschritten. Die isentropen Wirkungsgrade der Turbine liegen bei der Axialturbine bei knapp unter 75 %, bei der Cantileverturbine bei knapp über 75 %. Darüber hinaus wird im aktuellen Forschungsprojekt TurboSmart eine selbstadaptierende Turbine für den Einsatz im Teststand entwickelt.

Der ORC-Teststand ist zusätzlich an einen sensiblen, thermischen Speicher mit einer Kapazität von 2 MWh angebunden. Gemeinsam mit diesem steht dem LTTT jetzt ein energietechnisches Testfeld zur Verfügung, in der unterschiedliche ORC-Komponenten und deren Verhalten im System (mit oder ohne thermischem Speicher) erforscht werden können. 

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Inhalt/Ziele:
Die Rückgewinnung von Verlustenergien wie die Wärme in Abgasen z. B. von Industrieprozessen im Bereich > 500 kW_el ist Stand der Technik. Im Bereich < 100 kW_el haben sich diese Technologien jedoch noch nicht etabliert, unter anderem wegen des Mangels an wirtschaftlichen Mikroexpandern. Da die Abwärme meist in Form eines Gases oder Dampfes unter Atmosphärendruck auftritt, verwenden die bekannten Konzepte und Produkte einen Organic-Rankine-Cycle (ORC), in dem das für den Expander zur Energiewandlung notwendige Druckgefälle erzeugt wird.

Da in der kleinskaligen Abwärmeverstromung (< 100 kW_el) im Allgemeinen der Wärmestrom und damit der Massenstrom in der Anlage während des Betriebes variieren, folgt auch eine zeitliche Änderung des Drucks vor der Turbine und damit des Turbinen- sowie des Prozesswirkungsgrads. Um dies zu vermeiden, müsste sich die Turbine mittels einer variablen Geometrie möglichst selbstständig (smart) an den reduzierten Massenstrom adaptieren können. Hier setzt das Forschungsprojekt „TurboSmart“ an. Ziel ist zum einen der experimentelle Nachweis, dass die Technologie einer intelligenten, adaptiven Mikroexpansionsturbine technisch darstellbar ist. Zum zweiten, dass sich mittels einer sich selbstadaptierenden Turbine die Energieausbeute einer Mikro-ORC-Anlage im Teillastbetrieb um 20 % gesteigert werden kann.

Inhalt/Ziele:
Ziel dieses Projekts ist die Bereitstellung von semi-empirischen Korrelationen zur Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren in Kompressionskreisprozessen, die ein zeotropes Gemisch als Arbeitsfluid führen. Diese Berechnungsgleichungen für den Wärmeübergang sollen einige wenige anpassbare gemischspezifische Parameter enthalten, die idealerweise an standardisierten Versuchsapparaturen schnell und präzise mit möglichst geringen Stoffmengen ermittelt werden können. Ein physikalischer Hintergrund der Gleichungen soll den gekoppelten Wärme- und Stoffübergang an der Phasengrenze abbilden, so dass sowohl Phasengleichgewichtsdaten des Gemisches wie auch kinetische Transportgrößen einfließen müssen. Das Vorgehen soll eine schnelle, aber belastbare Vorhersage des thermohydraulischen Verhaltens neuer Arbeitsfluide für Kälteanlagen, Klimaanlagen und ORC-Anlagen sowie die notwendige Dimensionierung der Wärmeübertrager ermöglichen. Diese Informationen sind u.a. erforderlich, um die Sinnfälligkeit eines neu vorgeschlagenen Kältemittelgemisches in den jeweiligen Anwendungsfeldern frühzeitig beurteilen zu können.

Inhalt/Ziele:
Die Senkung von CO2-Emissionen bei der Wärme- und Kältebereitstellung sowie der Klimatisierung von Gebäuden stellt eine große technische Herausforderung dar. Neben der Effizienzsteigerung der Systeme gilt es zudem den Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel anzustreben. Denn die derzeit noch übliche Verwendung von teilfluorierten Kältemitteln mit erheblichen Treibhauspotential führt aufgrund von Leckagen zu ernstzunehmenden Emissionsraten. Während im Bereich der Kältetechnik als auch bei Wärmepumpen bereits marktreife Anlagen mit natürlichen Kältemitteln wie CO2, Ammoniak oder Propan vorliegen, besteht diesbezüglich im Anwendungsbereich der Klimatisierung noch Forschungsbedarf.Im Rahmen des Projekts „ZukunftKlima“ soll das umweltfreundliche Arbeitsmedium CO2 für das Anwendungsfeld Klimatisierung systematisch untersucht werden. Dabei sollen sowohl theoretische Methoden wie die Lebenszyklusanalyse angewendet werden, als auch experimentelle Untersuchungen an einem Demonstrator durchgeführt werden. Die Versuchsreihen umfassen ein breites Parameterfeld, um die die Validierung der erstellten Simulationsmodelle sowie Übertragbarkeit der Ergebnisse auf verschiedene klimatische Bedingungen zu ermöglichen. Somit ergeben sich wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich der technischen Umsetzung von dezentralen und umweltfreundlichen Klimaanlagen und es bietet sich die Möglichkeit einer techno-ökonomischen Bewertung des Konzepts. Darüber hinaus wird der Demonstrator schon während der Projektlaufzeit (in Form von Projektarbeiten der Techniker-Schüler) und darüber hinaus (als Reallabor) in die praktische Ausbildung von Klima- und Kältetechnikern an der FS Kulmbach integriert. Somit wird das technische Verständnis für derartige Hochdruck-CO2-Anlagen direkt zu den Anlagenbauern und den ausführenden Handwerksbetrieben transferiert.

Inhalt/Ziele:
Im Projekt sollen die obertägige Anlagen und Kraftwerke zur geothermischen Energieerzeugung untersucht werden. Der Fokus liegt einerseits auf möglichen Kreislaufkonzepten und dort eingesetzten Fluiden, die in Kombination einen hohen Wirkungsgrad und eine flexible Auskopplung von Wärme erlauben. Wirkungsgradsteigernde Optimierungsmaßnahmen sollen in einer Versuchsanlage umgesetzt werden. Darüber hinaus sollen auch Fragestellungen zur Dimensionierung, der besten Anlagenvariante und möglicher Standorte beantwortet werden. In zukünftigen Strommarktszenarien sollen die Chancen und Risiken für die Bereitstellung von Regelenergie bei Geothermie-Anlagen im KWK-Betrieb bewertet werden. In enger Kooperation mit Betreibern soll der Eigenbedarf von existierenden Anlagen reduziert werden. Neben der Tauchkreiselpumpe (siehe eigenes Teilprojekt) ist hier insbesondere das Kondensationskonzept zu untersuchen. Hier wird zwischen indirekter Kondensation durch einen Kühlkreislauf mit der Verdunstung von Wasser und direkter Kondensation des Arbeitsmediums durch Luftkondensatoren unterschieden. Hybride Varianten erlauben eine besonders effiziente Rückkühlung.

Wärmeübertrager des geothermischen ORC-Kraftwerks in Kirchstockach (nahe München)

Ergebnisse:
Die Automobil- und LKW-Hersteller sowie der marine Sektor sind unter dem ständigen Zwang, die Effizienz in der Mobilität zu erhöhen. Trotz der vielfältigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Bezug auf die Anwendung des ORCs in mobilen Anwendungen ist es bisher nicht gelungen ein Arbeitsfluid zu finden, welches nur annähernd alle Anforderungen der OEMs und Zulieferer erfüllt. Innerhalb des Projektes wurde daher ein Screening des gesamten chemischen Raumes gemäß der PubChem-Datenbank mit derzeit ca. 72 Millionen chemischen Substanzen durchgeführt.

Anlagenschema eines ORC mit Massenstromaufspaltung für die Abwärmenutzung im LKW

Verglichen mit den Standardmethoden, bei denen meist nur ca. 30-50 Arbeitsfluide untersucht wurden, konnte damit erstmal ein Large Scale Fluid Screening durchgeführt werden. Hierzu wurde am LTTT ein schnelles Simulationstool (DetailSimORC) entwickelt, welches in Kombination mit einer komplexen Bewertungsmatrix letztendlich zu einem diversen Satz an Arbeitsfluiden für weiterführende Betrachtungen geführt hat. Die Arbeitsfluide stellen dabei den besten Kompromiss aus Effizienz, Sicherheit, Umwelt- und Klimaverträglichkeit und Akzeptanz.

Ergebnisse:
Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit im Vorgängerprojekt, welches von der Bayerischen Forschungsstiftung gefördert wurde, konnten in diesem Projekt die ORC-Aktivitäten des Bayreuth-Amberger-ORC-Teams weiter ausgebaut werden. Ziel des Projektes war es, die Abgastemperaturen für die Direktverdampfung und die sich ergebenden Turbinenwirkungsgrade noch einmal deutlich zu steigern. Zudem sollte der bestehende Teststand so modifiziert werden, dass ein gesamtes ORC-Testfeld zur Verfügung steht. Innerhalb des Projektes konnte gezeigt werden, dass sich Hexamethyldisiloxan - ein Stoff der eigentlich in der Kosmetikindustrie eingesetzt wird - als hervorragendes Arbeitsfluid erweist. Die Direktverdampfung konnte derart umgesetzt werden, dass sich selbst bei Abgastemperaturen von über 400 °C keine Zersetzung des Arbeitsfluides einstellt.

Gesamtansicht der neu geschaffenen ORC-Testfelds mit integriertem thermischen Speicher

Hinsichtlich der Turbine konnten im Projekt eine Axialturbine sowie eine Cantileverturbine erfolgreich vermessen werden. Die angestrebten 12 kW an elektrischer Leistung wurden in einigen Betriebspunkten sogar leicht überschritten. Die isentropen Wirkungsgrade der Turbine liegen bei der Axialturbine bei knapp unter 75 %, bei der Cantileverturbine bei knapp über 75 %. Die jetzt erreichten Wirkungsgrade zählen weltweit zu den höchsten experimentell nachgewiesenen Wirkungsgraden für Mini-Turbinen. Um das ORC-Testfeld zukünftig noch flexibler zu gestalten, wurde im Laufe des Projektes ein zusätzlicher sensibler Speicher mit einer Kapazität von 2 MWh installiert. Gemeinsam mit diesem steht dem LTTT jetzt ein energietechnische Testfeld zur Verfügung, in der unterschiedliche ORC-Komponenten und deren Verhalten im System (mit oder ohne thermischem Speicher) erforscht werden können. 

Ergebnisse:
Trotz des vielfach nachgewiesenen Potenzials an Abwärme fehlt es derzeit an wirtschaftlichen Lösungen für die Verstromung im Bereich kleiner 50 kW elektrischer Leistung. Diese Marktlücke galt es in diesem Verbundprojekt durch die Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zu schließen. Mit der Entwicklung einer neuartigen Mikro-Expansionsturbine und der direkten Kopplung der Abwärmequelle an den ORC-Prozess mittels Direktverdampfer wurde zudem ein möglichst hoher Anlagenwirkungsgrad angestrebt. Ein weiteres Ziel war schließlich die Errichtung einer ersten Demonstrationsanlage mit 15 kW elektrischer Leistung. 
Unter Einbeziehung der spezifischen Expertise der Projektpartner wurden ganzheitlich die Entwicklungsstadien stationäre Simulation und Fluidauswahl, Entwicklung eines Direktverdampfers und einer Turbinen-Generator-Einheit sowie Konzipierung, Errichtung und Betrieb einer Demonstrationsanlage durchlaufen. Für die Fluidauswahl wurden ein Kriterienkatalog erstellt und umfangreiche thermodynamische Analysen durchgeführt. Basierend auf den ermittelten Turbinenwirkungsgraden wurde Cyclopentan als das für diesen Anwendungsfall vielversprechendste Fluid ermittelt.

Innovative Mikroturbine-Generator-Einheit für ORC-Anwendungen

Als Direktverdampfer wurde ein Plate & Shell-Wärmeübertrager gewählt. Für die Dampfentspannung wurde eine axiale Gleichdruckturbine ausgelegt. Die Demonstrationsanlage wurde aufgebaut, erfolgreich in Betrieb genommen, und es wurden erste Messreihen im Teillastbetrieb durchgeführt. 
Die Analyse der Turbine in einem Teillast-Betriebspunkt ergab einen isentropen Wirkungsgrad von 54 %. Somit konnte ein Teillastwirkungsgrad des ORCs von etwa 5,7 % erzielt werden. Gaschromatographische Analysen einer Cyclopentan-Probe zeigten keine Zersetzung des ORC-Mediums. Die gewonnenen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass sich der Systemwirkungsgrad der entwickelten ORC-Anlage von marktverfügbaren Anlagen abheben wird. Insbesondere resultiert aus den Ergebnissen, dass Turbinen für den ORC-Prozess im Leistungsbereich kleiner 50 kWel realisierbar sind und dass das Prinzip der Direktverdampfung auch bei hohen Wärmequellentemperaturen verwirklicht werden kann.

Ergebnisse:
Ziel des Projektes war die Errichtung eines Prototyps für die Nutzung der Verbrennungswärme einer Holzpelletheizung mittels eines zweistufigen Organic Rankine Cycles. Die Leistung der Gesamtanlage sollte dabei kleiner 10 kWel sein, um in Mehrfamilienhäusern als Mini-Blockheizkraftwerk eingesetzt werden zu können. Der LTTT untersuchte im ersten Teil des Projektes unterschiedliche Verschaltungsvarianten des ORC sowie eine Vielzahl an ORC-Fluiden. Die thermodynamische Analyse umfasste insgesamt 21 Hochtemperatur- und 14 Niedertemperaturfluide, welche jeweils untereinander kombiniert wurden. Es zeigte sich, dass im Hochtemperaturbereich hinsichtlich der Effizienz der Anlage Alkylbenzole bevorzugt werden sollten. Im Niedertemperaturbereich ergeben sich mehrere Kohlenwasserstoffe und Kältemittel, welche zu hohen Wirkungsgraden führen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Wahl des Niedertemperaturfluides einen deutlich höheren Einfluss auf die Gesamteffizienz hat, als die Wahl des Hochtemperaturfluides.

Es wurde der Nachweis erbracht, dass für effiziente Niedertemperaturfluide eine passende Anlagenverschaltung dadurch gekennzeichnet ist, dass die dem Hochtemperaturprozess zugeführte Wärmeleistung gleich groß ist wie die dem Niedertemperaturprozess insgesamt zugeführte Wärmeleistung. Die Wärmezufuhr an den Niedertemperaturkreislauf erfolgt dabei sowohl über den Kondensator des Hochtemperaturprozesses als auch über eine weitergehende Auskühlung des BHKW-Abgases. Nach der simulationsgestützten Analyse wurde der Niedertemperaturkreislauf am LTTT aufgebaut. Die Feuerung wurde im ersten Schritt über einen Thermoölkreislauf realisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das verwendete Alkan die vorher in der Simulation ermittelten Wirkungsgrade und Dampfparameter erreicht. Zudem wurde die grundsätzliche Funktion aller Wärme-übertrager sowie des Entspannungsaggregats nachgewiesen.

Ergebnisse:
In dem Projekt wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen angestellt, um ein neuartiges Wärmekraftwerk zu entwickeln. Basierend auf innovativer ORC-Technologie unter Einsatz von organischen Fluidgemischen stellt dieses Kraftwerk im wachsenden Markt der Stromerzeugung aus Niedertemperatur-Wärme eine effiziente technische Lösung dar. Im Vordergrund stehen dabei die Anwendungsbereiche Geothermie und Abwärmenutzung, wodurch Temperaturniveaus der Wärmequellen zwischen ca. 80 °C und rund 180 °C abge-deckt werden. Die Arbeitsinhalte umfassten die Prozesssimulation des ORC im genannten Temperaturbe-reich zur Identifikation effizienter Gemischzusammensetzungen. Für ausgewählte Reinstoffe und zeotrope Fluidgemische wurden Wärmeübergangseigenschaften bei Verdampfung und Kondensation an einem Testaufbau experimentell bestimmt (Abbildung). Zudem wurde die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu marktgängigen Systemen betrachtet.

Blasensieden an der horizontalen, elektrisch beheizten Heizpatrone des Verdampfers

Die Simulationsergebnisse weisen signifikante Effizienzsteigerungen beim Einsatz von Gemischen aus. Die Messergebnisse zum Wärmeübergang bestätigen, dass der Einsatz von Fluidgemischen im Vergleich zum Reinstoff zu einer Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten beim Phasenübergang führt. Grund hierfür ist der Stofftransport, welcher die Wärmeübergangseigenschaften von Gemischen zusätzlich beeinflusst. Auf Basis der Messungen wurden Korrelationen identifiziert, die sich am besten zur Vorhersage des Wärmeübergangs potentieller Arbeitsmedien eignen. Auch konnte gezeigt werden, dass sich die Zusatzkosten für größere Wärmeübertrager innerhalb vertretbarer Zeiträume durch die mit einer gesteigerten Stromerzeugung einhergehenden Zusatzeinnahmen amortisieren. Das FuE-Projekt hat gezeigt, dass der Einsatz von Fluidgemischen als Arbeitsmittel im ORC zu signifikanten thermodynamischen wie wirtschaftlichen Vorteilen führt. Verglichen mit dem Kalina Cycle ist bei ähnlichem Wirkungs- bzw. Nutzungsgrad ein wesentlich geringerer apparativer und damit auch finanzieller Aufwand zu veranschlagen. Gegenüber den Konkurrenzanlagen ergeben sich damit für die Neuentwicklung eindeutige Vorteile hinsichtlich Energie- und Kosteneffizienz.