„Entscheidend für die Alltagstauglichkeit eines Biomasse-Heizkraftwerkes – besonders bei kleinen Leistungen – ist eine hohe Verfügbarkeit und ein möglichst geringer Aufwand für die Bedienung und Wartung“, referierte Hartmut Kiehne, Geschäftsführer der Adoratec GmbH, auf der „IHE HolzEnergie 2005“ Ende September in Augsburg. Diese Möglichkeit böten ORC-Systeme (Organic-Rankine-Cycle), da diese „unbeaufsichtigt betrieben werden können“, so Kiehne.

Der ORC-Kreislauf funktioniert nach den gleichen Regeln wie der konventionelle Wasserdampf-Prozess. Als Arbeitsmedium wird jedoch statt Wasser meist ein Silikonöl verwendet, erläutert Kiehne: „Die zur Anwendung kommenden organischen Medien besitzen eine erheblich höhere Dichte als Wasserdampf, eine niedrigere Siedetemperatur und zur Dampfbildung wird weniger Energie benötigt.“
Beim Einsatz eines ORC-Moduls in einer 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 Silikonöls eingesetzt wird. Das ORC-Medium wird dann auf relativ niedrigem Temperatur- und Druckniveau in einer Turbine entspannt und anschließend in einem Kondensator wieder verflüssigt.

Bis zu Heißwasser-Vorlauf-Temperaturen von etwa 120°C sind ORC-Module nach Ansicht von Kiehne anwendbar. „Die Technik kann ideal bei Biomasse-Heizkraftwerken bis zu einer elektrischen Leistung von 2 MW eingesetzt werden und ist hier durch geringe Investitions- und Betriebskosten unschlagbar“, wirbt der Adoratec-Chef. In diesem Leistungsbereich sei der Wirkungsgrad der ORC-Anlagen zudem höher als der konventioneller Dampfkraft-Systeme.

Kiehne hat Mitte 2004 gemeinsam mit Peter Eiermann die Adoratec GmbH in Sinsheim bei Heidelberg gegründet. Das Unternehmen, das bislang noch keine ORC-Anlage verkauft hat, bietet Aggregate im Leistungsbereich zwischen 300 und 1 600 kW an. Die auf einem Stahlgrundrahmen montierten Module werden im Auftrag der Adoratec von deren Hauptgesellschafterin Maxxtec AG in Sinsheim hergestellt.

Ähnlich wie der ORC-Prozess kann auch der Kalina-Kreislauf Strom mit niedrigen Wasser-Temperaturen erzeugen. Bei beiden Verfahren wird das Thermoöl nicht direkt genutzt, sondern es gibt seine Wärme an das Arbeitsmedium ab. Um auch Wasser mit Temperaturen um 90°C aus geothermischen Tiefenbohrungen nutzen zu können, entwickelte der russische Ingenieur Alexander Kalina in den 70er Jahren ein Ammoniak-Wasser-Gemisch als Arbeitsmedium.
Während beim ORC-Verfahren das Arbeitsmedium nur an einem einzigen Punkt der Temperaturskala ein Höchstmaß an Energieinhalt erreicht, ist beim Kalina-Prozess über einen breit streuenden Temperaturbereich hohe Enthalpie vorhanden. „Die Wärmeübertragung vom heißen Wasser auf das Arbeitsmedium wird dadurch effizienter“, berichtete Wilhelm Stockel auf dem Augsburger Holzkongress.

Stockel, der bis Oktober im Planungsteam des Ingenieurbüros Gammel in Abensberg unter anderem für die ORC-Anlage in Sauerlach zuständig war, hat inzwischen unter dem Namen Stockel-Ingenieure sein eigenes Ingenieurbüro in Regensburg gegründet.
Nach seinen Angaben werden die Rückkühl-Temperaturen von Biomasseanlagen (in der Regel liegt Heizwasser mit 80°C Vorlauf- und 60°C Rücklauftemperatur vor) beim Einsatz einer ORC-Anlage so gewählt, dass sich die Abwärme beispielsweise zum Heizen von Gebäuden nutzen lässt. Da der Kalina-Kreislauf jedoch Kühlwasser-Temperaturen unter 22°C benötigt, müsste bei Holzfeuerungen zusätzlich mit Flusswasser oder Ähnlichem gekühlt werden. Will man die Abwärme auf höherem Temperaturniveau nutzen, sinkt jedoch der Wirkungsgrad des Kalina-Prozesses unter den des ORC-Kreislaufs. „Zum Anpassen an wechselnde Bedingungen zeigt der Kalina-Prozess aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften einen höheren Freiheitsgrad auf. Dies ist aber in den meisten Anwendungsfällen in Verbindung mit nachwachsenden Rohstoffen nicht notwendig“, erklärt Stockel.

Aufwändig und kostentreibend für das Kalina-Verfahren sind besonders die prozessbedingt erforderlichen großen Wärmetauscherflächen. Der sicherheitstechnische Aufwand beim Umgang mit Ammoniak ist zudem wesentlich höher im Vergleich mit Silikonöl in der ORC-Anlage.
Stockel ist daher davon überzeugt, dass der Einsatz von Kalina-Anlagen „aus aktueller Sicht nur sinnvoll zur Nutzung von Erdwärme oder anfallender Abwärme aus Großkraftwerken ist“. Die ORC-Technik biete sich hingegen besonders für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen von Stadtwerken und Sägewerks-Betrieben an.

Denkbar ist laut Stockel, ORC-Anlagen auch zur Nutzung der Abwärme aus Blockheizkraftwerken – die bei den meisten Motoren über 350°C beträgt -einzusetzen. Diesen Anwendungsbereich hat auch Kiehne schon im Blickfeld: „Den zunehmenden Einsatz von ORC-Modulen in Biomasse-Anlagen sehen wir als Sprungbrett, um die Technik später zur Nutzung von Abwärme aus Verbrennungsmotoren oder industriellen Prozessen voranzutreiben.“ In Verbindung mit BHKW mit rund 500 kW elektrischer Leistung werden ORC-Module mit 50 bis 100 kW benötigt. Bislang sind jedoch nur Anlagen ab 300 kW elektrischer Leistung am Markt verfügbar. Der italienische Hersteller Turboden mit Sitz in Brescia reagiert darauf und entwickelt derzeit ORC-Anlagen, die genau diesen Leistungsbereich abdecken sollen.

Denn die Nachfrage nach der ORC-Technik steigt. Laut Kiehne sind in Mitteleuropa seit 1998 rund 50 ORC-Module in Betrieb genommen worden - die meisten in Biomasse-Heizkraftwerken in Italien, Österreich und der Schweiz. In Deutschland sieht Kiehne ein großes Potenzial für ORC-Module. Diese Entwicklung wird auch von der Neuregelung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes im Juli 2004 gestützt, die einen Technologiebonus von 2 Cent/kWh für die Anwendung von ORC-Modulen sowie für Kalina-Anlagen gewährt. Der Adoratec-Chef sieht aber auch in Osteuropa – hier vor allem in Rumänien, Polen und Russland – sowie in Nordamerika und Asien wachsendes Interesse.

In Deutschland wird Kiehne im kommenden Jahr ORC-Anlagen im bayerischen Kirchdorf (310 kW), im sächsischen Schöneck (560 kW) sowie in Stockach (1 520 kW) in Baden-Württemberg in Betrieb nehmen. Stockel hat nach eigenen Angaben derzeit bundesweit drei ORC-Anlagen in Planung.