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Organic Rankine Cycle



  Der Organic Rankine Cycle (Abkürzung ORC) ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine (* 1820; † 1872) zurück, einem schottisch-britischen Physiker und Ingenieur. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Dies ist vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei Solarteichkraftwerken und Meereswärmekraftwerken der Fall. Die Turbinen werden beispielsweise mit Ammoniak betrieben, das mit 100 °C warmem Tiefenwasser aufgeheizt wird und seine überschüssige Wärme an einen 18 °C kalten Kondensator abgeben kann.

Im ersten geothermischen Kraftwerk Deutschlands in Neustadt-Glewe wird ebenfalls eine ORC-Turbine zur Stromerzeugung verwendet.

Arbeitsmedien

Die Auswahl des Arbeitsmittels ist von überragender Bedeutung bei der Optimierung des Kreislaufes, sowohl unter der Maßgabe des maximierten Wirkungsgrades als auch unter der eines optimierten Anlagendesigns. Nicht zuletzt bestimmt die Auswahl des Arbeitsmediums in entscheidendem Maße die Kosten der Wärmeübertrager. Wegen der geringen Quelltemperaturen werden ORC-Systeme weit mehr noch als die konventionellen Dampfkreisläufe durch die Irreversibilitäten des Wärmeüberganges in den einzelnen Phasen des Kreislaufes limitiert. Ziel ist ein Arbeitsmedium, welches dem Temperaturverlauf der Quelle bzw. der Senke möglichst eng folgt, um die Wärmeübergangsverluste zu minimieren. Diese Irreversibilitäten und damit der Wirkungsgrad des gesamten Systems hängen sehr stark von den thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmedium und den Rahmenbedingungen des Prozesses ab.

Ausgehend vom T-s-Diagramm werden nach der Form der Sattdampfkurve drei verschiedene Fluidklassen unterschieden:

  • Die Sattdampfkurve „trockener“ Medien ist steigend; hierbei handelt es sich in der Mehrzahl um höhermolekulare Substanzen wie R113,
  • „Nasse“ Medien wie Wasser haben eine fallende Sattdampfkurve,
  • „Isentrope“ Medien haben eine nahezu senkrechte Sattdampfkurve; hierzu zählen R11 und R12,

Isentrope und „trockene“ Medien versprechen bei ihrem Einsatz eine Reihe von thermodynamischen Vorteilen.

Mögliche Arbeitsmedien sind:

Medium Molmasse Kritischer Punkt Siedetemper-

atur (1atm)

Verdampfungs-

wärme (1atm)

Steigung der

Sattdampfkurve

Zersetzung

bei ca.

NH3 17 405,3 K 11,33 MPa 239,7 K 1347 kJ/kg Negativ 750 K
Wasser 18 647,0 K 22,06 MPa 373,0 K 2256 kJ/kg Negativ .
n-Butan C4H10 58,1 425,2 K 3,80 MPa 272,6 K 383,8 kJ/kg . .
n-Pentan C5H12 72,2 469,8 K 3,37 MPa 309,2 K 357,2 kJ/kg . .
C6H6 78,14 562,2 K 4,90 MPa 353,0 K 438,7 kJ/kg Positiv 600 K
C7H8 92,1 591,8 K 4,10 MPa 383,6 K 362,5 kJ/kg Positiv .
R134a (HFC-134a) 102 374,2 K 4,06 MPa 248,0 K 215,5 kJ/kg Isentrop 450 K
C8H10 106,1 616,2 K 3,50 MPa 411,0 K 339,9 kJ/kg Positiv .
R12 121 385,0 K 4,13 MPa 243,2 K 166,1 kJ/kg Isentrop 450 K
HFC-245fa 134,1 430,7 K 3,64 MPa 288,4 K 208,5 kJ/kg . .
HFC-245ca 134,1 451,6 K 3,86 MPa 298,2 K 217,8 kJ/kg . .
R11 (CFC-11) 137 471,0 K 4,41 MPa 296,2 K 178,8 kJ/kg Isentrop 420 K
HFE-245fa 150 444,0 K 3,73 MPa . . . .
HFC-236fa 152 403,8 k 3,18 MPa 272,0 K 168,8 kJ/kg . .
R123 152,9 456,9 K 3,70 MPa 301,0 K 171,5 kJ/kg Positiv .
CFC-114 170,9 418,9 K 3,26 MPa 276,7 K 136,2 kJ/kg . .
R113 187 487,3 K 3,41 MPa 320,4 K 143,9 kJ/kg Positiv 450 K
n-Perfluoro-Pentan C5F12 288 420,6 K 2,05 MPa 302,4 K 87,8 kJ/kg . .

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung ist durch den Einsatz von Gemischen möglich. In subkritischen Verläufen erfolgen sowohl das Verdampfen als auch die Kondensation nicht isotherm; der Abkühlungskurve des Wärmeträgers kann mit deutlich geringeren Temperaturdifferenzen gefolgt werden; damit reduzieren sich die Irreversibilitäten bei der Wärmeübertragung.

In jüngster Zeit werden für den ORC-Prozess synthetische Arbeitsmedien entwickelt. Diese Arbeitsmedien werden in ihren Stoffeigenschaften den speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des Organic-Rankine-Cycle-Kreisprozesses angepasst. Ein derartiges neues synthetisches Arbeitsmedium auf Silikonbasis mit der Bezeichnung GL160 ist frei von Chlor und Fluor und aus diesem Grund besonders umweltfreundlich. Mit synthetischen Arbeitsmedien werden höhere thermodynamische Wirkungsgrade von ORC-Anlagen erzielt, als dies mit Massenchemikalien möglich ist, die zufällig in vorhandene thermodynamische Gefälle eingepasst werden.

Siehe auch

 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Organic_Rankine_Cycle aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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