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Energieinnovation 2006 169
6.3.5 „Arbeitsmedien für Niedrigtemperatur-ORC-Prozesse“
Einleitung
Gerald Koglbauer, Bahaa Saleh*, Martin Wendland, Johann Fischer
(Universität für Bodenkultur Wien/Institut für Verfahrens- und
Energietechnik) 1
Bei der Nutzung erneuerbarer Energien kommt der Umwandlung von Niedrig- oder Mitteltemperaturwärme
in elektrischen Strom eine wichtige Rolle zu. Eine Möglichkeit für diese Energiewandlung bietet
der „Organic Rankine Cycle“ oder ORC-Prozess. Dieser funktioniert wie der klassische
Dampfkraftprozess, als Arbeitsmedien werden aber organische Substanzen verwendet. Wir fokussieren
hier auf Niedrigtemperatur-ORC-Prozesse zur Nutzung von geothermischer Wärme und fragen,
wie viel elektrische Leistung Pel aus einem gegebenen Thermalwasserstrom mit einer Temperatur von
120°C gewonnen werden kann. Die Leistung ergibt sich aus der Gleichung Pel = m&
w qWA ηth. Dabei
sind m&
w der Thermalwasserstrom, qWA die Wärme, die von einem Thermalwasserstrom von 1 kg/s
auf das Arbeitsmedium übertragen werden kann, und ηth der thermische Wirkungsgrad des ORC-
Prozesses. Zur Bestimmung von ηth und qWA ist die Kenntnis der thermodynamischen Stoffdaten der
Arbeitsmedien erforderlich.
Die BACKONE Zustandsgleichung
Zur Bereitstellung von thermodynamischen Stoffdaten wurde die molekular begründete Fundamentalzustandsgleichung
BACKONE entwickelt [1]. Diese benötigt für reine Stoffe fünf stoffspezifische Parameter
und für Gemische nur jeweils einen binären Wechselwirkungsparameter. BACKONE wurde bisher
erfolgreich zur Beschreibung von Kältemitteln (reine Stoffe, binäre und ternäre Gemische), zur
Beschreibung von Erdgas (21 reine Komponenten, 23 Schlüsselgemische) und zuletzt zur Beschreibung
von Arbeitsmedien für Niedrigtemperatur-ORC-Prozesse [2] eingesetzt. BACKONE wird auch
vom Geoforschungszentrum Potsdam und von dezentral Berlin für dynamische Simulationen von
geothermischen ORC-Prozessen einsetzt.
Wirkungsgrade von ORC-Prozessen
Zuerst wurden für 31 reine Arbeitsmedien ORC Prozesse untersucht, die zwischen 100°C und 30°C
arbeiten [2]. Für verschiedene Arten der Prozessführung - ohne oder mit Überhitzung der Dampfphase,
ohne oder mit innerer Wärmeübertragung (IWÜ) - sowie für Prozesse bei Drücken bis 20 bar
oder bei überkritischen Drücken wurden mit BACKONE die thermischen Wirkungsgrade ηth
berechnet. Ergebnisse für drei repräsentative Arbeitsmedien sind:
• R600a (iso-Butan), kritische Temperatur T k = 135.0°C, überhängende Taulinie, Turbineneintritt
19,98 bar, 100°C: η th = 0.121 ohne IWÜ, η th = 0.124 mit IWÜ
• R152a, T k = 113.5°C, glockenförmige Taulinie, Turbineneintritt 20,00 bar, 72,59°C: η th = 0.088
(Nassdampf mit x = 0.96 aus Turbine).
• R143a, T k = 72,7°C, Turbineneintritt 45,00 bar (überkritisch), 100°C: η th = 0.091 ohne IWÜ.
Die Wärmenutzung bei geothermischen ORC-Prozessen
Für die elektrische Leistung eines geothermischen Prozesses ist aber nicht nur der thermische Wirkungsgrad
η th relevant sondern auch die Wärme q WA , die auf das Arbeitsmedium übertragen werden
kann. Zu deren Bestimmung wurde eine Pinchanalyse für die Wärmeübertragung vom Thermalwasser
1 Institut für Verfahrens- und Energietechnik, Universität für Bodenkultur,
Muthgasse 107, A-1190 Wien, +43 1 370 97 26 200, johann.fischer@boku.ac.at,
www.map.boku.ac.at/2902.html;
*Jetzt: Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Assiut University, Assiut, Egypt.