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Organic-Rankine-Cycle (ORC)

Zweistufige ORC JKraftwerk mit Wärmeauskopplung. Quelle: Eller et al.
Carnot-Wirkungsgrade verschiedener ORC-Arbeitsmittel. Quelle: Imre et al..

Der Organic-Rankine-Cycle (Abkürzung ORC) ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine zurück, einen schottisch-britischen Physiker und Ingenieur. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Das ist vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei Solarkraftwerken und Meereswärmekraftwerken der Fall. 

Bei einer ORC-Anlage  handelt sich also um eine Turbine mit zwei Kreisläufen (Binärmaschine). Über einen Wärmetauscher nimmt dieses Arbeitsmittel thermische Energie z. B. aus dem Thermalwasser auf. Das Thermalwasser selbst gelangt dabei nicht in die Turbine.

Im Kraftwerk Altheim / Oberösterreich handelt es sich bei der Arbeitsflüssigkeit z. B. um ein organisches, chlorfreies Fluid mit einem Siedepunkt von 30 ° C. Dieses Arbeitsmittel ist toxikologisch sicher und nicht brennbar, ein Vorteil für die Umwelt (ODP = 0) und für das Personal auf der Anlage.

Zweistufige ORC Anlage

In der Abbildung oben rechts ist ein typisches zweistufiges ORC-Kraftwerk abgebildet. Es besteht aus einem

  • Hochtemperatur (HT) ORC und einem
  • Niedertemperatur (NT) ORC.

Das Thermalwasser speist die Vorwärmer und Verdampfer der beiden Kreisläufe. Im HT-ORC erfolgt die Vorwärmung im Gegensatz zum NT-ORC in zwei Stufen (HHT und LHT). Darüber hinaus enthält jeder ORC noch einen Luftkondensator, eine Pumpe und eine Turbine. Bei dieser Konstellation sind zwei verschiedenartige Komponenten zu simulieren: Turbomaschinen und Wärmeübertrager. 

Literatur

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Drescher, U.: Optimierungspotential des Organic Rankine Cycle für biomassebefeuerte und geothermische Wärmequellen. Iniv. Bayreuth, Dissertation, 2008

Eller, Tim, Florian Heberle und Dieter Brüggemann: Transiente Simulation der geothermischen Kraft-Wärme-Kopplung für eine belastbare energetische und wirtschaftliche Bewertung. In: DGK (2017) 

Heberle, F.: Untersuchungen zum Einsatz von zeotropen Fluidgemischen im organic Rankine cycle für die geothermische Stromerzeugung. Iniv. Bayreuth, Dissertation, 2013

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Xianbiao Bu, Lingbao Wang, Huashan Li : Performance analysis and working fluid selection for geothermal energy-powered organic Rankine-vapor compression air conditioning. In: Geoth. Energy Nummer 1 (2013)

Weitere Literatur unter Literaturdatenbank und/oder Konferenzdatenbank.

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Organic_Rankine_Cycle