Einsatz von Fluidgemischen zur Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades von ORC-Prozessen in ausgewählten Anwendungsbereichen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt beschäftigte sich mit der dezentralen Stromerzeugung (z.B. aus Biomasse, Solarenergie oder industrieller Abwärme) unter Verwendung des Organic Rankine Cycles (ORC). Das grundlegende Ziel des Vorhabens bestand darin, die Effizienz des ORC-Prozesses durch den Einsatz von Fluidgemischen anstelle der sonst üblichen Reinstoffe signifikant zu verbessern. Da der Steigerung des exergetischen Wirkungsgrades durch die Verwendung von zeotropen Fluidgemischen jedoch eine Abnahme der Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu Reinstoffen gegenübersteht, lag ein weiterer Schwerpunkt des Projektes auf der experimentellen Analyse der Wärmeübergangseigenschaften. In der ersten Projektphase wurden Prozesssimulationen für eine subkritische Betriebsweise des ORC mit verschieden binären Stoffpaaren durchgeführt. Die Untersuchungen haben das Potential binärer, zeotroper Fluidgemische zur Effizienzsteigerung des ORC aufgezeigt. So sind Wirkungsgradsteigerungen von deutlich über 10 % bezüglich der effizientesten Reinstoffkomponente möglich. Eine Bewertung der Ergebnisse unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ergab, dass im Fall einer geothermischen Stromerzeugung die Stromgestehungskosten gesenkt werden können. Bei der Nutzung industrieller Abwärme können die Investitionskosten für die zusätzliche Wärmeübertragungsfläche jedoch nur eingeschränkt überkompensiert werden. Im zweiten Projektabschnitt wurden als weitere effizienzsteigernde Maßnahmen der Einsatz von Fluidgemischen mit hohem Temperaturgleit (Konzept Kalina Cycle) sowie eine transkritische Fahrweise des ORC untersucht. Im Vergleich der Anlagenkonzepte ORC und Kalina Cycle gilt es festzuhalten, dass im betrachteten Temperaturbereich auch die alternativen Fluidgemische für den Kalina Cycle nicht zu einem effizienteren System führen. Für den überkritischen Fall ist eine Steigerung der Bruttoleistung zu erkennen. Es kommt jedoch zu einer deutlichen Erhöhung des Leistungsbedarfs der Speisepumpe im Vergleich zur subkritischen Fahrweise. Neben dem Gesamtprozess wurde zudem das Kondensationskonzept des luftgekühlten ORCs im Detail untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Steigerung der Leistungsabgabe von luftgekühlten ORC-Prozessen unter der Verwendung von Fluidgemischen mit einer Abnahme der spezifischen Lüfterleistung und einer Zunahme der Wärmeübertragungsfläche einhergeht. Im Bereich der experimentellen Untersuchungen der Wärmeübergangseigenschaften wurde im ersten Projektabschnitt ein Versuchsstand zur Messung der Wärmeübergangskoeffizienten konzipiert und in Betrieb genommen. Für die Untersuchungen wurden die für den Hochtemperaturbereich geeigneten linearen Siloxane Hexamethyldisiloxan, Octamethyltrisiloxan und Decamethyltetrasiloxan ausgewählt. Basierend auf den Ergebnissen des ersten Projektabschnittes erfolgte in der Projektfortsetzung eine Optimierung des Prüfstandes und der Auswertemethodik. Zudem wurden weitere Arbeitsschritte, wie lokale Druckverlustmessungen, gaschromatografische Untersuchungen der Arbeitsmittel und Analysen des Strömungsprofils hinzugefügt, um die Reproduzierbarkeit und Aussagekraft der Ergebnisse zu verbessern. Die Untersuchung binärer und ternärer Gemische ergab in allen Betriebspunkten stark verringerte Wärmeübergangskoeffizienten (häufig über 70 %). Neben Messungen im glatten Rohr wurde zudem der Effekt innenberippter Rohre untersucht. Da es in der Literatur bisher keine allgemeingültige Methodik bezüglich des Vergleiches glatter und berippter Rohre gibt, wurden für die innenstrukturierten Rohre Messungen mit unterschiedlichen Betriebseinstellungen durchgeführt. Je nach Wahl der Bezugsfläche ergeben sich ein bis dreimal so große Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zum glatten Rohr, während sich der Druckverlust um etwa 20 % erhöht. Zusammenfassend zeigte sich, dass durch den Einsatz zeotroper Fluidgemische im ORC eine Steigerung des exergetischen Wirkungsgrades möglich ist. Alternative Betriebsweisen versprechen keine weitere Verbesserung, sodass diese bedingt durch ihre erhöhte Komplexität nicht weiter in Betracht gezogen werden sollten. Aus den experimentellen Untersuchungen wurden die deutlich schlechteren Wärmeübergangseigenschaften zeotroper Gemische ersichtlich. Gerade im Bereich der industriellen Abwärme wirkt sich die dadurch zusätzlich benötigte Wärmeübertragungsfläche stark auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage aus. Weitere Forschungsaktivitäten sollten daher im Bereich der Verbesserung der Wärmeübertragereinheiten liegen (Nutzung strukturierter Rohre, Wahl geeigneter Kondensationskonzepte). Zudem sollten in weiteren Studien anwendungsnahe Fragestellungen wie beispielsweise das Verhalten des Systems bei Leckagen und Konzentrationsverschiebungen aufgegriffen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Experimental Investigations of Heat Transfer Characteristics and Thermal Stability of Siloxanes. In: Proceedings of the 2nd International Seminar on ORC Power Systems, Rotterdam (Niederlande), Oktober 2013
F. Heberle, M. Preißinger, T. Weith, D. Brüggemann
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Experimental Investigation of Flow Boiling Characteristics of Siloxanes and Siloxane Mixtures in a Horizontal Tube. In: Proceedings of the International Symposium on Convective Heat and Mass Transfer, CONV-14, Kusadasi (Türkei), Juni 2014
T. Weith, F. Heberle, D. Brüggemann
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Experimentelle Untersuchungen zum Strömungssieden von Siloxanen im horizontalen Rohr. Jahrestreffen der Fachgruppen Mehrphasenströmungen und Wärmeund Stoffübertragung, Fulda, März 2014
T. Weith, F. Heberle, D. Brüggemann
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Performance of Siloxane Mixtures in a High- Temperature Organic Rankine Cycle Considering the Heat Transfer Characteristics during Evaporation. Energies 2014, Special Issue “Waste Heat Recovery: Strategy and Practice”, vol. 7, no. 9, pp. 5548-5565
T. Weith, F. Heberle, M. Preißinger, D. Brüggemann
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Flow Boiling of Pure Siloxanes and Their Mixtures in a Horizontal, Smooth Tube ‐ Preliminary Results. In: Proceedings of the 9th International Conference on Boiling and Condensation Heat Transfer, Boulder, CO, April 2015
T. Weith, F. Heberle, D. Brüggemann
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Thermo-Economic Evaluation of Organic Rankine Cycles for Geothermal Power Generation Using Zeotropic Mixtures. Energies 2015, Special Issue "Organic Rankine Cycle (ORC)", vol. 8, no. 3, pp. 2097-2124
F. Heberle, D. Brüggemann
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Analyse des Wärmeübergangs beim Strömungssieden linearer Siloxane und Siloxan-Gemische. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Wärme- und Stoffübertragung, Kassel, März 2016
T. Weith, F. Heberle, D. Brüggemann
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Thermo-Economic Analysis of Zeotropic Mixtures and Pure Working Fluids in Organic Rankine Cycles for Waste Heat Recovery. Energies 2016, vol. 9, no. 4, 226, 2016
F. Heberle, D. Brüggemann
