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