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Kalinaprozess

Kalina Schema. Zahlen siehe Text. Quelle: ge-co

Unter dem Kalinaprozess oder genauer Kalina-Kreisprozess oder Kalina-Cycle Verfahren versteht man ein in den 1970er Jahren vom russischen Ingenieur Alexander Kalina entwickeltes Wärmeaustauschverfahren zur Dampferzeugung auf einem niedrigem Temperaturniveau zur Stromzeugung.

Herkömmliche Wasserdampfturbinen benötigen Wasserdampf mit Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, um eine rentable Energieerzeugung zu gewährleisten – bei geothermischen Kraftwerken ist dies nur durch kostspielige Tiefbohrungen zu erreichen. Um auch Wasser mit Temperaturen um 90 Grad nutzen zu können, entwickelte Kalina einen Kreislauf, bei dem die Wärme des Wassers an ein Ammoniak-Wasser-Gemisch abgegeben wird. Der jetzt schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen entstehende Dampf wird dann zum Antrieb von Turbinen genutzt. Technisch entspricht das Verfahren einem Binärverfahren mit indirekter Nutzung der Wärmequelle, teilweise spricht man auch von einem Clausius-Rankine-Kreisprozess, gegenüber einem Organic Rankine Cycle (ORC) soll der Wirkungsgrad 10–60 % höher sein. Hierdurch kann schon bei geringeren Bohrtiefen ein Erdwärmekraftwerk betrieben werden. Zur Zeit arbeiten weltweit nur wenige geothermische Kraftwerke nach diesem Wirkprinzip, das bekannteste ist in Island. Das Verfahren erlebt jedoch wegen der hohen Energiepreise derzeit eine Renaissance, was zur zweiten Anlage dieser Art in Europa in Unterhaching führte. Diese Anlage wurde jedoch 2018 aus wirtschaftlichen Gründen vom Netz genommen. Die einzige in Deutschland noch laufende Kalina Anlage ist Bruchsal.

Das Verfahren ist durch verschiedene Patente geschützt, die die kalifornische Firma Exergy hält. Die europäischen Lizenzen für einen Verfahrenstyp, den sogenannten SG1 Cycle, hat sich Siemens Industrial Solutions and Services gesichert, der daraus weiterentwickelte SG2 Cycle wird durch den Anlagenbauer M+W Zander gehalten. Die verschiedenen Verfahrenstypen unterscheiden sich im apparativen Aufwand und der damit erreichbaren Effektivität.

In Deutschland arbeiten die Anlagen in Unterhaching und in Bruchsal nach dem Kalinaverfahren.

Prozesschema

Am Punkt (1) (Siehe Abbildung), Kondensatoraustritt befindet sich die Grundlösung im unteren Prozessdruck. Die Speisepumpe (1 -> 2) bringt die Grundlösung vom unteren Prozessdruck auf den oberen Prozessdruck. Von 2 -> 3 wird die Grundlösung mit der im Vorwärmer freiwerdenden Wärme vorgewärmt (hier bewegt sich die Grundlösung von 9 -> 10, der nicht nutzbare Anteil der Wärme wird im Kondensator an die Umgebung abgeführt (10 -> 1). In der zweiten Stufe der regenerativen Speisewasservorwärmung wird im Rekuperator die Wärme der warmen, ammoniakarmen Lösung (diese bewegt sich von 5’ -> 7) für die weitere Vorwärmung der Grundlösung genutzt. Am Verdampferaustritt (5) liegt ein Zweiphasengemisch vor, das im Separator in ammoniakarme Flüssigkeit (5’) und ammoniakreichen Dampf (5“) getrennt wird. Der ammoniakreiche Dampf entspannt sich in der Turbine bis auf den unteren Prozessdruck und bis zu einer maximalen Feuchte (6).

Die ammoniakarme Flüssigkeit entspannt sich in einer Drossel (7 -> 8), nachdem sie im Rekuperator Wärme zur Vorwärmung der Grundlösung abgegeben hat.

Anwendung in der Geothermie

Die Geothermiekraftwerke, die mit dem Kalina Prinzip bis jetzt realisiert worden sind, sind Husavik (Island), Unterhaching und Bruchsal. Kalina-Anlagen sind prozessbedingt von der Anlagentechnik her aufwendiger und unter Umständen auch teurer. Für niedrige Thermalwassertemperaturen und für die Nachnutzung des Abdampfes aus der Turbine für die Fernwärmeversorgung ist diese Technologie aufgrund ihrer Eigenschaften u. a. gut geeignet (vgl. S. Köhler, Geothermisch angetriebene Dampfkraftprozesse- Analyse und Prozessvergleich, 2005). Nach derzeitigem Stand der Technik können Kalina-Anlagen nur mit flüssigkeitsgekühlten Kondensatoren betrieben werden. Kalina-Anlagen mit Luftkondensation bedürfen noch entsprechender Forschung und Entwicklung. 

Literatur

Ibrahim, M. B., Kovach, R. M. : A Kalina cycle application for power generation. In: Energy Nummer 8,9 (1990), S. 961-969

Kalina, A.: Power cycle and for utilizing moderate and low temperature heat sources. In: US Patent Nummer US6910334 (2005)

Kalina, A.: Method and apparatus for converting heat from geothermal fluid to electric power. In: US patent Nummer US4982568 (1991)

Lolos PA, Rogdakis ED. : A Kalina power cycle driven by renewable energy sources. In: Energy Nummer 34 (2009), S. 457-464

Maak, R., Valdimarsson, P.: Opreating experience with Kalina power plants. Bd. 1703. Aufl. Düsseldorf : VDI Berichte, 2002

Nasruddin, Usvika, R., Rifaldi, M., Noor, A.: Energy and exergy analysis of Kalina cycle systems (KCS) 34 with mass fraction ammonia-water mixture variation. In: J. of mech. science and techn. Nummer 23 (2009), S. 1871-1876

Park, Y. M., Sonntag, R. E. : A preliminary study of the Kalina power cycle in connection with a combined cycle system. In: Int. J. of Energy Res., Nummer 14 (1990), S. 153-162

Philippe, M., Spindler, K.: Thermodynamische Analyse des Kalina-Prozesses mit NH3/H2O zur Stromerzeugung. In: DKV Jahrestagung (2007)

Valdimarsson, P., Eliasson, L. : Factors influencing the economics of the Kalina power cycle and situations of superior performance. International Geothermal Conference, Reykjavik, Iceland, 2001

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

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.

Weblink

http://de.wikipedia.org/wiki/Kalina-Prozess 

zuletzt bearbeitet Januar 2020