Techniken der Kraftwärmekopplung

Gliederung

1. Organic Rankine Cycle

2. Stirlingmotor

3. Brennstoffzelle

Organic Rankine Cycle

Organic Rankine Cycle

• Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen mit organischen Flüssigkeiten statt Wasserdampf

• Wird eingesetzt, wenn Temperaturgefälle im KW zu klein für Wasserdampfturbinen

• Temperaturbereich: ca. 100 bis 350°C

• Z.B. Ammoniak bei T1=100°C und T2=18°C

• Kein Dampfkessel notwendig

• Wirkungsgrad ca. 12-17%

• Ca. 10% erhöhte Stromproduktion bei Abwärme von Gasmotoren

• Leistung bis ca. 2MW

• Verwendung bei Bio-KW (Masse, Gas), Erdwärme (ca. 100°C), Abwärme, Solarenergie

ORC-Kreislauf

ORC-Anlage

Arbeitsmittel

• Z.B. Silikonöl, Tuluol, Iso-Pentan, Iso-Oktan, Ammoniak…

• Nicht zwingend organisch

• Niedrige Siedetemperatur

• Schwere Teilchen hoher Massenfluss

• Hat hohen Einfluss auf den Wirkungsgrad

• Organische Medien verhalten sich anders als Wasser

T-s-Diagramme

Vor und Nachteile

Vorteile• Wärmequelle beliebig• Mittlere

Temperaturgefälle nutzbar

• Keine zusätzlichen Emissionen

• Leicht installierbar• Vollautomatisch• Biomasse ist billig

Nachteile• Hohe

Investitionskosten• Niedriger

Wirkungsgrad

Stirlingmotor

Stirlingmotor

• 1816 von Robert Stirling erfunden

• Wird in BHKWs eingesetzt

• aus geringen Temperaturgefällen noch Strom gewinnbar

• Kann mit beliebigen externen Wärmequellen betrieben werden

Aufbau

• Geschlossenes System mit eingeschlossenem Arbeitsgas (z.B. Helium)

• 2 Kolben; durch Schwungrad gekoppelt

• Heisse und Kalte Zone

• Regenerator speichert Wärme und optimiert Wirkungsgrad

Wt = Qzu − | Qab |

• Theoretischer el. Wirkungsgrad etwa 50%, praktisch über 40%, in der Regel ca 30%+• Gesamtwirkungsgrad (inkl. Wärmeleistung) bis zu 90%

Nutzarbeit und Wirkungsgrad

Biomasse-Stirling (BHKW)

Erdgas-

Stirling

Beispiel:Stirlingmotor 161 von SOLO

Arbeitsvolumen 160 cm³

Wellenleistung 3-10 kW bei 1500 1/min

Motorwirkungsgrad 30 % inkl. Brenner

Erhitzertemperatur 650 °C

Kühlwassertemperatur 50 - 60 °C

Arbeitsgas Helium

Mittlerer Arbeitsdruck 30 - 150 bar

Serviceintervall 5.000 - 10.000 Stunden

Vor und Nachteile

Vorteile• Wärmequelle beliebig• Temperaturgefälle

darf klein sein• Schadstoffarme

Verbrennung möglich(50 ppm CO und 80 ppm NOx. )

• Hohe Lebensdauer

Nachteile• Teurer als

Verbrennungsmotoren• Schwer, da hoher

Druck• Weniger effizient

(elektr.) als Turbinen

Brennstoffzelle

Brennstoffzelle

• Chemische Energie der Reaktion2H2 + O2 2H2O wird direkt in elektr. und therm. Energie umgewandelt

• Wird in BHKWs eingesetzt• Kann sich dem Bedarf ohne große

Wirkungsgradverluste anpassen

Brennstoff und Reformierung

• Aus Erdgas wird H2 abgespalten

• Temperaturen von ca. 700°

H2O + CO H2 + CO2

CH4 + H2O CO + 3H2

• Auch andere Gase können reformiert werden z.B. Biogas• in Hochtemperatur BZs (SOFC, MCFC) direkte Verwendung von Erdgas möglich

+206 kJmol-1

-41,2 kJmol-1

Vergleich: 2H2 + O2 2H2O -571,6 kJ/mol-1

Bilanz pro CH4 (206 – 41,2 – 2x571,6)kJmol-1 = -978,4kJmol-1

Brennstoffzelle

Reformator

Wirkungsgrad

• Zelle: theoretisch über 80%, realistisch bis zu 70% • Gesamtanlage: bis 65%; inkl. KWK über 85%

möglich

• Pel/Ptherm ungefähr zwischen 1 und 1/3

Vor und Nachteile

Vorteile• Kaum Emissionen• Lässt sich dem

Bedarf anpasssen• Hoher elektr.

Wirkungsgrad• Ineressant in Hinblick

auf H2-Infrastruktur• leise

Nachteile• Hohe

Amortisationszeit: 4-6 Jahre

• Unausgereifte Technologie

• Niedrige Lebenserwartung (Stackwechsel nach ca. 5 Jahren)

Zusammenfassung

• ORC und Stirling-Motor eignen sich gut im Rahmen der Biomasseverbrennung

• Stellen beides Methoden dar um kleine Wärmereservoirs auszuschöpfen

• Stirling-Motor und Brennstoffzelle besonders im Rahmen von BHKWs interessant

Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!

ENDE

Quellen• Wikipedia• http://www.smul.sachsen.de/de/wu/umwelt/1270_1473.htm• http://www.ise.fhg.de/presse-und-medien/neue-presseinformationen/presseinformationen-2003/

erdgas-reformer-fur-brennstoffzellen-blockheizkraftwerk• http://energytech.at/kwk/results.html?id=3819&menulevel1=6&menulevel2=4• http://www.energieagentur-lippe.de/pdf_s/gaderer%20orc.pdf• http://www.fv-sonnenenergie.de/fileadmin/publikationen/Themenhefte/th2004/th2004_03_02.pdf• http://www.ffe.de/details/ganz/eduard/kf_eduard_2007_11_19.pdf• http://www.eco-world.de/scripts/basics/econews/basics.prg?a_no=6804• http://www.brennstoffzelle-nrw.de/index.php?id=38• http://www.atb-becker.com/download/infobroschuere_orc_prozess.pdf• http://www.glossar.de/glossar/1frame.htm?http%3A//www.glossar.de/glossar/

z_brennstoffzelle.htm• http://www.tab.fzk.de/de/projekt/zusammenfassung/ab67.htm• http://www.bhkw-info.de/spezielle_themen/solo-stirling.html• http://www.competence-site.de/energie.nsf/f1b7ca69b19cbb26c12569180032a5cc/

a3f5cda2d2059ea0c1256ea0002ed6f5!OpenDocument• http://www.fachtagung-mitgas.de/pdf/fachtagung2006/04_Brennstoffzelle_Dr_Krein.pdf