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REGENERATIVE:
Mehr Abwärmenutzung im kleinen Stil
Während große ORC-Module seit Jahren in Biomasse-KWK-Anlagen eingesetzt werden, drängen zunehmend kleinere Aggregate zur Verstromung von Gasmotoren-Abwärme auf den Markt.
 

Die Abkürzung ORC steht für Organic Rankine Cycle - benannt nach dem schottischen Physiker und Ingenieur William John Macquorn Rankine (1820 - 1872) - und beschreibt einen thermodynamischen Kreisprozess. Der funktioniert nach den gleichen Regeln wie ein konventioneller Wasserdampf-Prozess, verwendet als Arbeitsmedien jedoch Silikonöle, Kohlenwasserstoffe oder Kältemittel. Diese weisen eine höhere Dichte und niedrigere Siedetemperaturen als Wasser auf und benötigen damit weniger Energie zur Dampfbildung.

Typische Anwendungsfelder großer ORC-Anlagen mit mehr als 300 kW elektrischer Leistung der Hersteller Adoratec, Maxxtec oder Turboden sind Biomasse-Heizkraftwerke. Die Aggregate können aber auch industrielle Abwärme, beispielsweise von Glas- oder Zementfabriken, zur Stromerzeugung nutzen. Beim Einsatz in Biomasse-Feuerung wird die erzeugte Wärme zur Erhitzung eines Thermoöl-Kreislaufes ausgekoppelt. Über das Thermoöl wird die Wärme zum ORC-Prozess transportiert, wo ein Wärmetauscher zur Verdampfung des Arbeitsmediums eingesetzt wird. Dieses wird dann auf relativ niedrigem Temperatur- und Druckniveau in einer Turbine entspannt und anschließend in einem Kondensator wieder verflüssigt.

Bis Jahresende 2009 wurden laut dem aktuellsten Monitoring-Bericht des Deutschen Biomasseforschungszentrums bundesweit insgesamt 74 ORC-Module in Betrieb genommen. „In den vergangenen zwei Jahren hat sich der Markt schlecht entwickelt, weil wegen der Finanzkrise kaum ORC-Projekte finanziert wurden", sagt Hans Sanzenbacher. Dabei seien in Deutschland zahlreiche Biomasse-Feuerung in Planung und das Interesse an der ORC-Technik ungebrochen hoch, so der Vertriebsvorstand der Maxxtec AG. Das Sinsheimer Unternehmen hat zuletzt einen Auftrag von der Stadtwerke Hildesheim AG erhalten, die ein Holzheizkraftwerk zur Fernwärmeversorgung mit 6,7 MW thermischer und 600 kW elektrischer Leistung errichtet.

Das neueste Produkt der Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen GmbH (GMK), die Module im MW-Bereich anbietet und derzeit sogar eine 5 MW-Anlage für geothermische Anwendungen entwickelt, ist ein ORC-Aggregat mit 50 kW elektrischer Leistung. Dieses ist speziell auf die Abwärmenutzung von Biogas-Blockheizkraftwerken mit 500 bis 800 kW thermischer Leistung zugeschnitten. In Zusammenarbeit mit der Siemens Turbomachinery Equipment GmbH wurde dafür eine spezielle Dampfturbine für ORC-Medien entwickelt. Aufgrund des verwendeten Synchrongenerators kann das Modul zur Eigenversorgung einer Biogasanlage oder zur Erzeugung von Strom genutzt werden, der in das öffentliche Netz eingespeist wird. Durch die separate Nutzung der Abgas-, Kühlwasser- und Schmierölwärme wird nach Unternehmensangaben eine „überdurchschnittlich hohe Stromausbeute erreicht". Letztendlich sollen ORC-Module den Gesamtwirkungsgrad von BHKW-Anlagen erhöhen, um deren Amortisationszeit zu verkürzen. „Wir bieten die Anlagen vom Typ IC60 als Contracting-Lösung zunächst nur für Altanlagen an, die nach dem EEG 2004 gefördert werden", so GMK-Projektingenieur Martin Müller. Ein Konzept für Neuanlagen werde derzeit erarbeitet.

Den Gesamtwirkungsgrad von BHKW-Anlagen erhöhen

Auch für Thomas Nehring, der bei der Ormatic GmbH für Vertrieb und Marketing zuständig ist, „stellen Biogas-Motoren einen lukrativen Markt dar". Die Berliner Firma gab ihre Pläne, selbst ORC-Aggregate zu entwickeln aus Kostengründen auf und übernahm den Vertrieb für den britischen Hersteller Freepower, der bislang jedoch keine Anlage ausgeliefert hat. Laut Nehring ist die Technik „prinzipiell ziemlich einfach. Allerdings ist es schwierig eine kosteneffiziente Lösung für den kleinen Leistungsbereich anzubieten, denn eine weitere Kostenreduktion ist nur über die Serienfertigung möglich." Dafür sei die Nachfrage allerdings bislang zu gering. Inzwischen verkauft Ormatic die 125 kW-Anlagen der US-amerikanischen Calnetix Power Solution, die im Oktober 2010 von dem Konzern General Electric übernommen wurde.

Nach Aussage von Nehring sind die Anlagen darüber hinaus dafür geeignet, industrielle Niedertemperaturwärme zur Stromerzeugung zu nutzen. Allerdings könne das schwierig werden, wenn das heiße Gas beispielsweise mit Ruß verunreinigt ist und so die Wärmetauscher schädigt beziehungsweise spezielle und teurere Wärmetauscher erforderlich macht. „Die Nachfrage zur industriellen Abwärmenutzung ist besonders hoch. Den größten Absatz erwarten wir allerdings auf dem Biogasmarkt", beschreibt Helmut Riebesell, Geschäftsführer der Conpower Technik GmbH, die Nachfrage. Das Unternehmen, das bislang nur auf Module mit maximal 80 kW elektrischer Leistung setzte, will daher künftig auch Aggregate mit 125 beziehungsweise 250 kW in ihr Portfolio aufnehmen.

Calnetix-Module, die für Kombination mit Gasmotoren ab etwa 1 MW elektrischer Leistung ausgelegt sind, bietet auch die ORC Energy GmbH an, die erst seit diesem Frühjahr neu im Markt ist. Bei einer üblichen Nutzungsdauer der Biogasanlage von jährlich 8 000 Betriebsstunden und einer Einspeisevergütung von rund 16,2 Cent/kWh, inklusive der EEG-Boni für den Einsatz nachwachsender Rohstoffe und für innovative Technologien, lässt sich somit bis zu 130 000 Euro Umsatz pro Jahr zusätzlich erzielen, rechnen die Dortmunder vor. Die Amortisationszeit für das Kleinkraftwerk betrage damit weniger als vier Jahre.

Solarthermische Stromerzeugung als Zukunftsmarkt

Der Technologie-Bonus in Höhe von 2 Cent/kWh wird in der Regel für den zusätzlich produzierten Strom aus Motoren vergütet, die in Kombination mit ORC-Modulen einen Gesamtwirkungsgrad von mindestens 45 Prozent erreichen. Den Bonus für Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) wird im Rahmen des EEG nur gewährt, wenn auch die Abwärme der ORC-Anlage genutzt wird, beispielsweise für die Fussboden-Heizung einer Werkstatt. Unklar ist derzeit jedoch, ob der KWK-Bonus für ORC-Anlagen mit der EEG-Novelle zum Jahresanfang 2012 wegfallen wird.

Einen neuen Zukunftsmarkt sehen einige ORC-Hersteller in der solarthermischen Stromerzeugung. Parabolrinnen-Kraftwerke konzentrieren das Sonnenlicht mit Spiegeln auf Receiverrohre, in denen ein Wärmeträgermedium auf Temperaturen bis 400°C erhitzt wird. Zur Stromerzeugung sollen dabei künftig auch ORC-Aggregate genutzt werden. Entsprechende Projekte sind auf Hawaii sowie in Indien geplant. „Ein ORC-Modul ist grundsätzlich einfacher aufgebaut, als die bislang eingesetzten Turbinen und kann zudem in einem wesentlich größeren Lastbereich gefahren werden", betont Maxxtec-Vorstand Sanzenbacher. Die Stromproduktion sei dann auch unter größeren Temperaturschwankungen unproblematisch. Bei Maxxtec denke man daher bereits darüber nach, künftig auch Module mit elektrischen Leistungen zwischen 5 und 10 MW für solarthermische Anwendungen zu entwickeln.


 
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Dienstag, 03.05.2011, 08:59 Uhr