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Enerige & Management > F&E - Geothermietechnik für industrielle Abwärmenutzung
Bild: Shutterstock
F&E:
Geothermietechnik für industrielle Abwärmenutzung
Mit Geothermieverfahren will das Karlsruher Institut für Technologie Industrieabwärme für die Stromgewinnung nutzbar machen. 
 
Niedertemperaturwärme, wie sie als Abwärme etwa in der Industrie entsteht, bietet große Potenziale für eine nachhaltige und bedarfsgerechte Stromversorgung. Mit dem Kraftwerkstechnikum "MoNiKa" (Modularer Niedrigtemperaturkreislauf Karlsruhe) ist am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur in Betrieb gegangen.

Mit Blick auf eine möglichst CO2-arme und energieeffiziente Stromerzeugung hat Niedertemperaturwärme in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. "Statt Wärme, die ohnehin als Überschuss vorhanden ist, in die Umgebung abzuführen, ist es sinnvoller, sie weiter zu nutzen und damit Strom zu produzieren", erklärt Dietmar Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe Energie- und Verfahrenstechnik am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT.

Um Wärme von unter 200 Grad Celsius für die Versorgung von Privathaushalten zu verstromen, kommen sogenannte ORC-Anlagen zum Einsatz. Sie basieren auf dem Organic Rankine Cycle − einem Verfahren, das von dem britischen Begründer der Thermodynamik, William John Macquorn Rankine, entdeckt wurde und vor allem aus Geothermiekraftwerken bekannt ist.

Propan als Arbeitsmedium
 
Hierbei handelt es sich um einen Flüssig-Dampf-Kreislauf, bei dem anstelle von Wasser ein spezielles Fluid im Kreis gepumpt und unter Druckerhöhung aufgeheizt wird, bis es verdampft. Der heiße Dampf wird über eine Turbine geführt, die ihm den Druck und die Temperatur wieder entzieht und Strom erzeugt.

Da der Siedepunkt von Wasser unter Druck bei einigen Hundert Grad liegt und damit deutlich höher ist als das, was eine Niedertemperaturquelle zur Verfügung stellen kann, kommen beim ORC-Verfahren andere Fluide als Wasser zum Einsatz. Im Technikum Mo-Ni-Ka arbeiten die Forschenden mit Propan als Arbeitsmedium, das bei hoher Leistungsfähigkeit ein sehr niedriges Treibhausgaspotenzial hat.

Bislang liegt der Wirkungsgrad, das heißt die Stromausbeute aus Wärmeüberschüssen, bei ORC-Anlagen jedoch bei nur 10 bis 15 %. Zentrales Ziel des Projektes ist es deswegen, neue Strategien für die Effizienzsteigerung von ORC-Anlagen zu entwickeln und deren CO2-Fußabdruck zu senken.

Dampfkreislauf wird überkritisch betrieben

"Mo-Ni-Ka bietet eine Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur, die auf dem neuesten Stand der Technik und einzigartig in Europa ist", betont Kuhn. So wird im Technikum der Dampfkreislauf anders als in den meisten ORC-Kraftwerken überkritisch betrieben. Das heißt: Mit Blick auf Temperatur, Druck und Dichte wird der sogenannte kritische Punkt überschritten, an dem ein Gas flüssig wird und umgekehrt. Die Phasenübergänge werden fließend. "Damit können wir die Stromausbeute um 20 bis 30 Prozent erhöhen", sagt Kuhn.

Das modular aufgebaute Technikum verfügt über eine Heizanlage, die die Niedertemperaturwärmequelle simuliert. Eine umfangreiche Sensorik für die Messung von Temperaturen, Drücken und Durchflüssen ermöglicht es, Daten aus dem laufenden Betrieb mit Modellrechnungen zu vergleichen und so die Prognosequalität zu erhöhen. Auf dieser Basis wollen die Forschenden zentrale Komponenten wie den Wärmetauscher oder den Kondensator optimieren.

Mo-Ni-Ka erreicht eine thermische Leistung von 1 MW und damit eine Größenordnung, mit der die erzielten Forschungsergebnisse gut in die Praxis übertragen und skaliert werden können. Das Technikum, an dem bereits erste Experimente laufen, soll vor allem für anwendungsorientierte Forschungsprojekte eingesetzt werden. 
 

Peter Koller
Redakteur
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Dienstag, 23.03.2021, 15:29 Uhr

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