Techniken der Kraftwärmekopplung

Gliederung Organic Rankine Cycle Stirlingmotor 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

Nutzarbeit und Wirkungsgrad Wt = Qzu − | Qab | Theoretischer el. Wirkungsgrad etwa 50%, praktisch über 40%, in der Regel ca 30%+ Gesamtwirkungsgrad (inkl. Wärmeleistung) bis zu 90%

Erdgas- Stirling Biomasse-Stirling (BHKW)

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 Reaktion 2H2 + 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° CH4 + H2O  CO + 3H2 +206 kJmol-1 -41,2 kJmol-1 H2O + CO  H2 + CO2 Vergleich: 2H2 + O2  2H2O -571,6 kJ/mol-1 Bilanz pro CH4 (206 – 41,2 – 2x571,6)kJmol-1 = -978,4kJmol-1 Auch andere Gase können reformiert werden z.B. Biogas in Hochtemperatur BZs (SOFC, MCFC) direkte Verwendung von Erdgas möglich

Reformator Brennstoffzelle

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