Neues ORC-Arbeitsmedium

Organic Rankine Cycle mit Effizienzrekord

07. März 2017, 18:29 Uhr   |  Hagen Lang

Organic Rankine Cycle mit Effizienzrekord
© Christian Wißler

Dr.-Ing. Markus Preißinger (unten li.) und Masterstudent Tobias Popp B.Sc. montieren die neue Turbine im Forschungskraftwerk des Zentrums für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth.

Eine ORC-Turbine mit bis zu 75 Prozent Wirkungsgrad: Dieses Kunststück ist Forschern der Uni Bayreuth und der Ostbayerischen Technischen Hochschule (OTH) Amberg-Weiden in Kooperation mit dem Amberger Turbinen-Hersteller Deprag Schulz GmbH & Co gelungen.

Der Schotte William John Macquorn Rankine (5.7.1820-24.12.1872) war neben Rudolf Clausius einer der Begründer der Thermodynamik, ein »Theoretiker der Dampfmaschine«, dessen Name heute oft dank des »ORC-Zyklus« fällt, neudeutsch »Organic Rankine Cyle«. Eigentlich basiert der Rankine-Zyklus auf der Verwendung von Wasser als Arbeitsmedium. 1883 erfand der schwedische Erfinder Frank W. Ofeldt ein System das Naphta (Rohbenzin) als Arbeitsmedium verwendet.

Dies hat den Vorteil, dass es bereits bei geringeren Temperaturen und Drücken verdampft als Wasser und somit Wärme niedriger Temperaturen nutzen kann. Der Name Organic Rankine Cycle bezeichnet die Nutzung eines organischen, auf Kohlenstoff basierendes Stoffes anstelle von Wasser als Arbeitsmedium. Mittlerweile wurden hunderte von organischen Substanzen für den Einsatz in ORC-Zyklen getestet, von denen einige z.B. bei der Stromerzeugung in Biomasseheizkraftwerken, Geothermie-Anlagen oder Abwärmenutzungsanlagen der Industrie dauerhaft Einsatz finden.

Dem ungewöhnlichen Arbeitsmedium Hexamethyldisiloxan, einer chemischen Verbindung aus der Gruppe der Siloxane, die eigentlich in Kosmetika, Seifen und Reinigungsmitteln benutzt wird – haben die Forscher aus Bayreuth und Amberg den Wirkungsgradrekord einer Turbine von fast 75 Prozent zu verdanken. Die Mikroexpansionsturbine ist Teil der Versuchsanlage, mit der in Bayreuth die effizientere Stromerzeugung aus der Abwärme von industriellen oder z.B. Biogasanlagen erforscht wird.

»Mit der Entscheidung für ein solches Arbeitsfluid, haben wir Neuland betreten«, sagt Dr.-Ing. Markus Preißinger, Geschäftsführer des Zentrums für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth. »Siloxane haben den Nachteil, dass sie sich bei hohen Temperaturen zersetzen. Wir mussten daher im Verdampfer des Kraftwerks darauf achten, dass sich keine Hot Spots, also keine Bereiche mit sehr hoher Temperatur, bilden können.« In der Bayreuther Anlage gelang es, die Abgase mit Temperaturen von bis zu 410 Grad zu nutzen, ein internationaler Spitzenwert.

Das 2011 unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann eingerichtete Forschungskraftwerk im ZET, dessen Weiterentwicklung von der Bayerischen Forschungsstiftung und dem Bayerischen Bildungsministerium unterstützt wurde,

 

erreichte schon damals »eine elektrische Leistung von 12 kW mit einem Turbinenwirkungsgrad von 65 Prozent«, erinnert sich Theresa Weith M.Sc., die in ihrem Masterstudiengang das Projekt bearbeitete.

»Die vielen Jahre der Zusammenarbeit und die hervorragende Arbeit der Turbinenentwickler aus Amberg haben dazu geführt, dass wir mit den erreichten Wirkungsgraden in die Weltspitze der ORC-Forschung aufgestiegen sind«, resümiert Dr.-Ing. Preißinger.

»Ein Grund dafür war die nicht immer selbstverständliche Überprüfung theoretischer Berechnungen im Labor. Zahlreiche Veröffentlichungen auf diesen Gebieten haben sich mit Berechnungen am Computer begnügt, sind experimentelle Nachweise aber schuldig geblieben. Diese Lücke konnten wir schließen und zeigen, welches große Potenzial für die Stromerzeugung auch in kleinen ORC-Anlagen steckt«, so Prof. Brüggemann.

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