Mitglied werden Sponsor werden

Arbeitsmittel

Ein Arbeitsmittel ist eine Substanz, die im Kraftwerk oder in der Wärmepumpe verwendet wird, um aus den relativ niederen Wassertemperaturen Wärme oder Strom gewinnen zu können. Siehe auch Pentan.

Arbeitsmittel für den ORC Prozess

In Niedertemperatur-Regionen wie Deutschland liegen die zur Stromerzeugung geeigneten Reservoirtemperaturen meistens zwischen 100 °C bis 200 °C. Ein Direktantrieb von Turbinen durch das geförderte Thermalwasser mittels Flash-Verdampfung ist bei diesen niedrigen Temperaturen nicht möglich / wirkungsgradtechnisch uninteressant. Die Stromerzeugung findet stattdessen über Binärkreisläufe statt, in denen die Wärmeenergie des geförderten Thermalwassers in einem Wärmetauscher auf ein sekundäres Arbeitsmittel übertragen wird. Durch den niedrigen Siedepunkt des Arbeitsmittels entsteht die Dampfphase für den Turbinenantrieb bei Temperaturen, die deutlich unter denen des geothermischen Fluids liegen. Der Wirkungsgrad solcher ORC-Anlagen liegt in der Regel je nach Thermalwassertemperatur zwischen 8-14 %.

Der Wahl des geeigneten Arbeitsmittels für binäre Kreislaufsysteme kommt eine besondere Bedeutung zu, denn das Arbeitsmittel muss den hohen Anforderungen an optimale Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit bei gegebenen Temperaturbedingungen mit maximalem Wirkungsgrad Stand halten. Gleichzeitig muss eine möglichst große Umweltverträglichkeit des Arbeitsmittels gegeben sein und dessen Einsatz allen rechtlichen Rahmenbedingungen entsprechen.

Als Arbeitsmittel für Niederenthalpie-Anwendungen dienen Kältemittel in Form halogenierter Fluorkohlenwasserstoffe bzw. fluorierter Kohlenwasserstoffe (HFKW/ FKW) oder brennbarer Kohlenwasserstoffe.

Da fluorierte Treibhausgase (F-Gase) wesentlich den Treibhausgaseffekt beeinflussen, soll die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase zur Verringerung der Treibhausgasemissionen beitragen. Dies führt zu erheblichen Betreiberpflichten, wie:

  • Regelmäßige Kontrolle auf Leckage der ORC-Anlage
  • Leckwarnsystem
  • Feststellung des Inhalts an Kältemittel in der ORC-Anlage
  • Jährliche Berichtserstellung über Kältemittel.

Die Reduzierung der klimagefährdeten Arbeitsmittel wird auch durch ORC-Hersteller und Betreiber nachvollzogen, jedoch mit einer zeitlichen Verzögerung, da für jedes neue Arbeitsmittel eine neue ORC-Anlage konzipiert werden muss.

Die derzeit in den deutschen Projekten eingesetzten Arbeitsmittel in ORC Anlagen sind folgende:

FKW/ HFKW

Brennbare Kohlenwasserstoffe

Alle bis jetzt in Deutschland installierten Anlagen arbeiten mit unterkritischen Prozessparametern, d. h., dass es zwischen den Aggregatzuständen flüssig und dampfförmig noch eine klare Unterscheidung / einen Dichte-Unterschied gibt. Im überkritischen Bereich eines Stoffes ist die Dampf- von der Flüssigphase nicht mehr zu unterscheiden. ORC-Anlagen mit überkritischen Arbeitsmitteln werden derzeit erforscht. Für den Betrieb eines überkritischen ORCs sind in jedem Fall höhere Drücke und je nach Arbeitsmittel hohe Temperaturen notwendig. Die überkritische Fahrweise ergibt zwar hohe Bruttoleistungen, der Eigenstrombedarf ist aber nicht zu vernachlässigen.

Aktuell laufen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum Einsatz der neuen Arbeitsmittel der Klassen R1233 und R1234 mit einem GWP um ca. 1 für ORC-Kraftwerke. Erste Arbeitsergebnisse zeigen, dass diese neuen Arbeitsmittel auch eine höhere Stromproduktion ermöglichen im Vergleich zu den bisher verwendeten.

Literatur

Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018

U. Drescher, Optimierungspotentiale des Organic Rankine Cycle für biomassebefeuerte und geothermische Wärmequellen, 2008