Indus­tri­elle Ab­wär­me zur Strom­ver­sor­gung

Vor dem neuen Wärmespeicher auf dem Campus der Universität Bayreuth: Dr. Günter Schneider, Geschäftsführer der enolcon GmbH, Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Universität Bayreuth, und Dr. Hartmut Maier, Geschäftsführer der Storasol GmbH (v.l.n.r.; Bild: C. Wißler, U. Bayreuth)

Vor dem neuen Wärme­speicher auf dem Campus der Uni Bayreuth: Dr. Günter Schneider, Geschäfts­führer der Enolcon GmbH, Prof. Dr.-Ing. Dieter Brügge­mann, Univer­sität Bayreuth, und Dr. Hartmut Maier, Geschäfts­führer der Storasol GmbH (v.l.n.r.; Bild: C. Wißler, U. Bayreuth)

Ein neuartiger Wärmespeicher, wie er jetzt zu Forschungs­zwecken auf dem Campus der Universität Bayreuth installiert wurde, ermög­licht in Verbin­dung mit einer ORC-Anlage eine konstante Strom­erzeu­gung auf der Basis von Abwärme. Auf diesem Weg lassen sich wetter­bedingte Schwan­kungen von Photo­voltaik- und Wind­kraft­anlagen aus­gleichen.

Große Kernreaktoren und Kohlekraftwerke durch kleinere umwelt­freund­lichere Anlagen zu ersetzen, ist eine zentrale Heraus­forderung der Energie­wende. Neue Techno­logien der Energie­gewinnung sind gefragt, um auch künftig eine zuverläs­sige und flächen­deckende Strom­ver­sorgung gewähr­leisten zu können. Dabei richtet sich das Interesse zunehmend auf die in Industrie­anlagen entste­hende Abwärme. Sie wird bisher in den meisten Fällen unge­nutzt über Kamine oder Kühl­systeme an die Umgebung abgegeben. Eine besonders aussichts­reiche Techno­logie, mit der aus dieser Abwärme Strom erzeugt werden kann, beruht auf dem Organic Rankine Cycle Dampf­kraft­prozess, ORC. In derartigen Anlagen, die Abwärme zur Strom­erzeu­gung nutzen, kommen anstelle von Wasser organische Fluide zum Einsatz, wie bei­spiels­weise Kälte­mittel. Sie haben den Vorteil, dass sie bereits bei verhält­nis­mäßig niedrigen Tempe­raturen verdampfen und hierbei einen für die Ver­stromung aus­reichend hohen Druck aufbauen.

Wie können kleine ORC-Anlagen optimal für die Strom­erzeugung genutzt werden? Diese Frage bildet seit mehreren Jahren einen Forschungs­schwer­punkt am Lehrstuhl für Technische Thermo­dynamik und Transport­prozesse LTTT, der dem Zentrum für Energie­technik ZET der Uni Bayreuth angehört. Unter der Leitung von Dieter Brüggemann wurde hier ein ORC-Mini­kraftwerk entwickelt, das im Mai 2015 auf dem Bayreuther Campus in Betrieb ging. Partner in diesem Projekt waren die Ostbaye­rische Tech­nische Hoch­schule Amberg-Weiden und die Deprag Schulz GmbH u. Co in Amberg.

Während der Forschungsarbeiten bestätigte sich, dass indus­trielle Abwärme grund­sätzlich ein sehr viel­verspre­chender Energie­träger ist. Doch um sie für eine verlässliche Strom­versor­gung von Unter­nehmen oder Privat­haus­halten nutzen zu können, muss eine entschei­dende Hürde genommen werden: Indus­trielle Abwärme unterliegt oft starken Temperatur­änderungen, so dass auch die aus der Abwärme gewonnene elektrische Energie erheblich schwankt. Wie können die Schwan­kungen ausgeglichen werden?

Bei der Lösung des Problems ist das Bayreuther Forschungs­team um Prof. Brüggemann jetzt einen wesentlichen Schritt voran­gekommen. Grundlage hierfür war eine enge Zusammen­arbeit mit zwei baden-württem­bergischen Industrie­partnern, der Enolcon GmbH und der Storasol GmbH in Bietig­heim-Bissingen. Im Rahmen dieser Kooperation wurde zu Forschungs­zwecken auf dem Bayreuther Campus ein neuartiger Wärme­speicher errichtet. Dieser Speicher besteht aus mehreren Modulen, die sich einzeln und voneinander unabhängig zum Be- und Entladen von insgesamt bis zu 1,5 Megawatt­stunden Wärme nutzen lassen. Ebenso ist aber auch ein paralleler Betrieb dieser Module und eine Serien­schaltung von zwei oder mehr Modulen möglich. Haupt­sächliches Speicher­material ist Sand, der in mehreren Schichten angeordnet ist, den „Speicher­material-Wänden“. Diese werden vom gasförmigen, bis zu 600 Grad Celsius heißen Wärme­träger­medium – also von Luft oder Rauchgas – durchströmt.

Der von der Firma Enolcon entwickelte Speicher wurde mit dem ORC-Mini­kraftwerk auf dem Bayreuther Campus gekoppelt und im März im Rahmen einer energie­tech­nischen Fach­tagung offiziell in Betrieb genommen. Über­schüssige Abwärme, die nicht unmittelbar für die Strom­erzeugung benötigt wird, kann jetzt im Wärmespeicher aufgefangen werden. Sobald der Abwärmestrom schwächer wird, kann zusätz­liche Wärme aus dem Speicher in die ORC-Anlage eingespeist werden. So lassen sich ‚Spitzen‘ und ‚Täler‘ des Abwärme­stroms wechsel­seitig aus­gleichen – mit dem Ergebnis, dass die Strom­erzeugung durch die ORC-Techno­logien im Wesent­lichen konstant bleibt. „Diese Kombi­nation einer ORC-Anlage mit einem leistungs­starken Wärme­speicher macht die Nutzung indus­trieller Abwärme für die Strom­gewinnung deutlich attraktiver“, freut sich Prof. Brügge­mann.

Der Bayreuther Ingenieurwissenschaftler hat zugleich weiterreichende Anwendungen im Blick. Da ORC-Anlagen in Kombination mit Wärme­speichern die Möglich­keit bieten, die aus indus­trieller Abwärme erzeugte elektrische Leistung nach Bedarf zu regulieren, können sie gezielt einge­setzt werden, um wetter­bedingte Schwankungen von Photo­voltaik- und Wind­kraft­anlagen auszugleichen. Sobald diese nicht genügend Strom liefern, können ORC-Anlagen einspringen und zusätzlich benötigten Strom in die Versorgungs­netze einspeisen.

„Die Kombination von ORC- und Speichertechnologien, wie wir sie zu Forschungs­zwecken auf dem Bayreuther Campus realisiert haben, eröffnet spannende Perspek­tiven für Vernetzungen unter­schied­licher dezentraler Energie­systeme. Solche Vernetzungen sind techno­logisch anspruchs­voll und eine wesent­liche Bedingung für das Gelingen der Energie­wende“, meint Prof. Brüggemann. (Quelle: U. Bayreuth)

Links: Storasol GmbH, Bietigheim-Bissingen • Enolcon GmbH, Bietigheim-BissingenLst. Technische Thermodynamik und Transportprozesse LTTT (D. Brüggemann), Zentrum für Energietechnik ZET, Universität Bayreuth

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