Effizientere Stromgewinnung aus Abwärme

Markus Preißinger (l.) und Tobias Popp montieren die neue Turbine im Forschungskraftwerk des Zentrums für Energietechnik (Bild: U. Bayreuth, Chr. Wißler)

Industrielle Abwärme mit einem Turbinen­wirkungs­grad von 75 Prozent in Strom verwandeln – dies gelingt mit kleinen Turbinen weltweit nur selten. Wissen­schaftlern der Universität Bayreuth und der Ostbaye­rischen Techni­schen Hochschule Amberg-Weiden ist es jedoch gemeinsam mit dem Amberger Turbinen-Hersteller Deprag Schulz GmbH & Co gelungen, ein Forschungs­kraftwerk so zu optimieren, dass die Turbine Spitzen-Wirkungsgrade erreicht. Das bringt Bewegung in die Suche nach umwelt­schonender und sicherer Strom­versorgung und stärkt die Energie­versorgung von kleineren Industrie­betrieben.

Der Organic Rankine Cycle ORC, ein spezieller Dampfkraft­prozess, bildet die Grundlage der Strom­erzeugung im Bayreuther Forschungs­kraftwerk. Dieser Prozess wird üblicher­weise für die Strom­erzeugung in Geothermie-Anlagen oder in Bio­masse­heiz­kraft­werken genutzt. Dabei kommen organische Flüssig­keiten als Arbeits­fluide zum Einsatz, von denen die Leistungs­fähigkeit von ORC-Anlagen wesentlich abhängt. Wirkungs­grade der Turbine von fast 75 Prozent konnten die Bayreuther Forscher dadurch erzielen, dass sie ein ungewöhnliches Arbeits­fluid eingesetzt haben – Hexa­methyl­disiloxan.

Siloxane kommen vor allem in Kosmetika, Seifen und Wasch­mitteln vor. „Mit der Entscheidung für ein solches Arbeits­fluid, haben wir Neuland betreten“, berichtet Markus Preißinger, Geschäfts­führer des Zentrums für Energie­technik der Uni Bayreuth. „Siloxane haben den Nachteil, dass sie sich bei hohen Tempera­turen zersetzen. Wir mussten daher im Verdampfer des Kraft­werks darauf achten, dass sich keine Hot Spots, also keine Bereiche mit sehr hoher Temperatur, bilden können.“ Mit einem besonderen Wärme­über­trager haben die Bayreuther Forscher dieses Problem in den Griff bekommen. Und noch in einer weiteren Hinsicht waren sie erfolg­reich. Damit möglichst viel Wärme in Strom verwandelt wird, müssen sehr hohe Abgas­temperaturen verwertet werden können. Knapp 410 Grad schafft die Bayreuther Anlage – in Anlagen mit Direkt­verdampfung ist dies im interna­tionalen Vergleich ein Spitzenwert.

Das Forschungskraftwerk im ZET wurde 2011 unter der Leitung von Dieter Brüggemann eingerichtet. Seitdem arbeitet er zur Optimierung der Strom­gewinnung aus Abwärme mit Andreas Weiß von der OTH und mit der Deprag Schulz GmbH & Co. zusammen. Diese Kooperation wurde bis 2013 von der Bayerischen Forschungsstiftung mit 325.000 Euro finanziell unterstützt „Schon damals haben wir schließlich eine elektrische Leistung von 12 Kilowatt mit einem Turbinen­wirkungs­grad von knapp 65 Prozent erzielt und Abgas­tempera­turen bis 300 Grad nutzen können“, erinnert sich Theresa Weith, die das Projekt im Anschluss an ihr Bayreuther Master­studium bearbeitet hat. Die jetzt erzielte erneute Steigerung ist das Ergebnis von Forschungs­arbeiten, die das Bayerische Staats­minis­terium für Bildung und Kultus, Wissen­schaft und Kunst von 2014 bis 2016 mit 340.000 Euro im Zusammenhang mit dem Kompetenz­zentrum für Kraft-Wärme-Kopplung an der OTH gefördert hat.

„Die vielen Jahre der Zusammenarbeit und die hervorragende Arbeit der Turbinenentwickler aus Amberg haben dazu geführt, dass wir mit den erreichten Wirkungsgraden in die Weltspitze der ORC-Forschung aufgestiegen sind“, fasst Dr.-Ing. Preißinger die bisherigen Erfolge zusammen. Alle beteiligten Experten haben dabei immer Wert darauf gelegt, theore­tische Berech­nungen mit konkreten Nachweisen im Labor zu verbinden. „Zahlreiche Veröffent­lichungen auf diesen Gebieten haben sich mit Berech­nungen am Computer begnügt, sind experi­mentelle Nachweise aber schuldig geblieben. Diese Lücke konnten wir schließen und zeigen, welches große Potenzial für die Strom­erzeugung auch in kleinen ORC-Anlagen steckt“, betont Professor Brüggemann. An der Universität Bayreuth setzt er sich schon seit mehr als einem Jahrzehnt dafür ein, solche Anlagen so effizient zu machen, dass sie sich eines Tages auch auf dem Energie­markt durchsetzen können. Der Bedarf ist vorhanden: Die Industrie­gesell­schaften haben nach wie vor einen unstillbaren Energie­hunger, weltweit steigt das Interesse, die in der Industrie entstehende Abwärme wieder für die Strom­erzeugung zu nutzen. Die Frage ist immer noch: Welche umwelt­freundlichen Techno­logien können die Strom­versorgung in Zukunft sichern? In Bayreuth arbeitet man an der Antwort. (Quelle: U. Bayreuth)

Link: Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (D. Brüggemann), Zentrum für Energietechnik (ZET), Universität Bayreuth

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