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Energieeffizienz in der Industrie und der Mobilität


Dampfkraftwerke/Dampfkreisprozesse


ORC-Prinzip_gianBeispiel HAT ORC-Prozess ©gian Ingenieurgesellschaft bR

Dampfkraftwerke dienen schon seit Anfang des 18. Jahrhunderts als die bis heute am häufigsten verwendete Methode Energie in Form von Wärme in mechanische Energie zu wandeln. Dabei wird ein unter Druck stehendes Medium verdampft. Dadurch wird die Wärme in potentielle Energie und in geeigneten Entspannungsmaschinen in mechanische Energie gewandelt. Die häufigsten sind Turbinen, Schrauben- und Kolbenmaschinen. Modern sind mittlerweile auch Schrauben-, Scroll- oder Flügelzellenmaschinen, die in engen Marktnischen ihre Daseinsberechtigung erlangt haben. Das am häufigsten verwendete Medium für solche Kraftwerke ist nach wie vor Wasser, wobei organische Stoffe, also Kohlenwasserstoff-Verbindungen, in sogenannten ORC (Organic Rankine Cycle)-Prozessen immer mehr Verbreitung finden. Der Umsetzungsgrad von Wärme in mechanische Energie hängt im Wesentlichen von der Höhe der Temperatur der Wärmequelle und der Wärmesenke ab. Je höher diese Spreizung, desto höher der mechanische Output. Das verwendete Medium kann aber nur in einem gewissen Bereich effektiv dazu beitragen. Wasser ist das klassische Hochtemperaturmedium, welches im Prozess auf mindestens 450°C erhitzt werden muss. Dies ist bei Verbrennungsprozessen zur Herstellung der Wärmeenergie keine Schwierigkeit. Wird Abwärme, also Abfallwärme, aus Industrieprozessen genutzt, stehen selten ausreichend hohe Temperaturen zur Verfügung, um Prozesstemperaturen über 450°C zu erreichen. Hier zeigen die organischen Stoffe ihre Vorteile, da der Umsetzungsgrad von Wärme zu mechanischer Energie gegenüber Wasser deutlich erhöht werden kann. Als letzte Komponente, die den Nutzen eines solchen Systems entscheidend beeinflusst, ist die eingesetzte Entspannungsmaschine zu nennen. Turbine, Kolbenmaschine und Co. unterscheiden sich je nach Anwendungsfall und Anwendungsgröße sehr stark. Ist die Betriebsweise eher volatil oder konstant, sind häufige Start-Stopps zu erwarten oder eher Dauerbetrieb, ein paar kW oder mehrere MW, jeder Fall muss gesondert analysiert werden, um die passende Variante zu finden.

Wird aus der mechanischen Energie mittels Generator elektrische Energie erzeugt, unterliegt man schnell gesetzlichen Vorgaben. Die wichtigsten sind das Erneuerbare Energien-Gesetz (EEG) und das Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG). Dadurch können positive, aber auch negative Effekte entstehen. Positiv sind Förderungen, i. B. wenn es sich um eine KWK-Anlage handelt, d.h. dass auch die Wärme aus dem Dampfkraftwerk nochmal sinnvoll genutzt wird. Negativ steht da zurzeit die EEG- Umlagepflicht (§61b EEG) für selbsterzeugten Strom in nicht unerheblichen Maße zu Buche. Wie die Vergangenheit gezeigt hat, können sich gesetzliche Rahmenbedingungen schnell und auch rückwirkend in eine Richtung stark verändern, auch durch den ständigen Konflikt zwischen Bundesregierung und Europäischer Union. Deshalb ist es enorm wichtig die Gesetzeslage stets aktuell im Blick zu haben, um nicht nachteilig überrascht zu werden. Eine Alternative  wäre, statt elektrischer Energie z. B. direkt Druckluft oder Kälte zu erzeugen. Hier zeigen i. B. die Kolbenmaschinen vielfältige Vorteile. Ein rudimentärer Technologievergleich nur mit „Wirkungsgraden“ führt oft in falsche Annahmen. Wichtig für die Wirtschaftlichkeit und für die Umwelt ist der reale Output in der Jahresbilanz, der vorab simuliert werden sollte.

Sprechen wir darüber.