Bei der ElectraTherm Power+ Generator handelt es sich um ein ORC-basiertes Wärme-Kraft-System, das Abwärme auffängt, um daraus – emissionsfrei und ohne Einsatz von Kraftstoff – bis zu 65 KWe Elektrizität zu gewinnen. ElectraTherm’s patentierte Technologie ermöglicht eine nachhaltige Elektrizitätserzeugung, solange eine geeignete thermische Wärmequelle zur Verfügung steht (77°C – 116°C bei einem Durchsatz von  4 L/s – 12 L/s).

Als Abwärmequellen für die Power+ eignen sich kleine, dezentrale Heißwasserquellen, wie z.B. Kühlwasser von Stationärmotoren, Biomassekessel und solarthermische oder geothermale (bzw. als Beiprodukt gewonnene) Fluide. Nachfolgendes Schaubild zeigt Beispiele von verschiedenen Wärme- und Kältequellen, die für die Power+ verwendet werden können.

GM Sources

Systemvoraussetzungen

Die Systemvoraussetzungen der Power+ Generator – mit Angabe der metrischen und angloamerikanischen Einheit – sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.

Es ist zu beachten, dass die zugeführte Abwärme entweder als flüssiges Heißwasser, als Glykol-Lösung oder als gesättigter Dampf vorliegen muss.

Performance Tables

Wichtige Komponenten der Power+ Generator

Als Komponenten erwähnenswert sind der Doppelschneckenexpander, der Asynchrongenerator und das nicht-toxische Arbeitsmedium.

Doppelschneckenexpander

Die Power+ Generator verwendet einen Doppelschneckenexpander als Motor, was letztendlich ein rückwärts betriebener Verdichter ist. Die Bauweise des Doppelschneckenexpanders ist robust und einfach. Die Betriebsdrehzahl ist relativ niedrig (<5000 RPM) und erfordert kein Getriebe für den Antrieb des Generators.

Ein signifikanter Vorteil des Doppelschneckenexpanders besteht darin, dass er im Zweiphasenbetrieb bzw. unter “nassen” Bedingungen betrieben werden kann. Dieser Zweiphasenbetrieb bedeutet, dass das Kältemittel nicht zu 100 Prozent Dampf sein muss. Die Fähigkeit, die Anlage unter verschiedenen Mediumszuständen, von überhitztem Dampf bis zu nassem Dampf, betreiben zu können, ermöglicht der Power+  Generator, variablen Wärmelasten zu folgen und über einen weiten Bereich der Eingangsbedingungen Strom zu produzieren. Das ist besonders von Bedeutung bei Lasten, die sich nach den unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Lastbedingungen von Verbrennungskraftmaschinen richten.

Asynchrongenerator

Ein Asynchrongenerator ist elektromechanisch gesehen das Gegenstück zu einem Elektromotor. Im Falle der Power+  basiert der Asynchrongenerator auf einem Kurzschlussläufermotor mit 70 – 100 PS (ca. 50 – 75 kW), dessen interne Konstruktion optimiert wurde, um ihn als Generator effizienter zu machen. Bei einem Stromausfall schaltet das Aggregat automatisch ab und kann erst wieder gestartet werden, wenn die Bedingungen wieder normal sind.

Arbeitsmedium

Das in der Power+  verwendete Arbeitsmedium ist die Verbindung HFC-245fa (1,1,1,3,3 Pentafluorpropan). HFC-245fa ist ein EPA-genehmigtes Kältemittel aus der Familie der Fluorkohlenwasserstoffe (HFC), die nach dem Montrealer Protokoll zugelassen sind. Dieses nicht-entflammbare, nur gering toxische, für die Umwelt unbedenkliche Arbeitsmedium siedet bei einer Temperatur von ungefähr 15.5°C bei normalem atmosphärischen Druck. HFC-245fa ist für die Ozonschicht unbedenklich und im Allgemeinen sicher zu handhaben. Das für die Schmierung verwendete Öl ist im Arbeitsmedium als Teil der von ElectraTherm patentierten prozessinternen Schmierung mitenthalten.

Betrieb der Anlage

Der ORC-Verfahrenszyklus der Power+  lässt sich, wie im Schaubild dargestellt, in fünf Betriebsstadien aufgliedern:

1)    Arbeitsmedium wird druckbeaufschlagt und zum Vorwärmer transferiert.

2)    Im Vorwärmer erhöht sich die Temperatur des Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium gelangt in den Verdampfer.

3)    Durch die vom Verdampfer aufgefangene Wärme entsteht unter Druck stehender Dampf.

4)    Der Dampf strömt durch den Doppelschneckenexpander, wodurch ein Generator in Drehung versetzt wird, der Strom erzeugt.

5)    Der Dampf wird gekühlt und kondensiert im Verflüssiger wieder zu einer Flüssigkeit, worauf der Zyklus von Neuem beginnt.

ORC Cycle

Wärmerückgewinnung – Grundlagen

Wärmequellen für die Power+ Generator 

Die Power+ kann Niedrigtemperaturabwärme (Temperaturen zwischen 77°C und 116°C) von Heißwasserquellen nutzen. Abwärme von Abgasen, Thermoölen und anderen flüssigen Wärmequellen kann auch unter Zuhilfenahme eines sekundären Wärmetauscherkreislaufs genutzt werden.

Verflüssigung

Für die Verflüssigung stehen zwei Möglichkeiten zur Wahl: luftgekühlt oder wassergekühlt. Bei Verwendung eines luftgekühlten Verflüssigers wird das Arbeitsmedium außerhalb der Power+ kondensiert. Bei Verwendung eines wassergekühlten Verflüssigers erfolgt die Verflüssigung dagegen im innerhalb der Power+ befindlichen Verflüssiger. Zur wassergekühlten Verflüssigung können Kühltürme und Kühler mit geschlossenem Flüssigkeitskreislauf benutzt werden.

Leistung

Die Bedingungen vor Ort, wie zum Beispiel der Delta T des Systems (abhängig von Umgebungstemperatur und Temperatur des Warmwassers/Kühlwassers) oder die verfügbare thermische Wärme, beeinflussen alle die ORC-Leistung.

Delta T des Systems

Der Delta T (ΔT) des Systems ist die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Quelle und der Kühlquelle. Er ist auch die primäre Treibkraft hinter einem höheren Wirkungsgrad von ORC-Systemen. Die Temperaturbereiche von TH und TC, in denen ORC-Systeme typischerweise betrieben werden, führen aufgrund der höheren Temperatur TH der Wärmequelle dazu, dass der Wirkungsgrad niedriger ist als bei Hochtemperatur-ORC-Systemen, da das System Power+ der Beschränkung durch Delta T unterliegt, was auf die physikalischen Eigenschaften von flüssigem Wasser zurückzuführen ist.

System Delta T

Der Standort der Power+ Generator hat Einfluss auf die Umgebungstemperatur. In Gegenden mit heißem Klima, wie in Afrika oder am Äquator, ist die elektrische Nettoleistung geringer als bei Maschinen, die in Gegenden mit kühlem Klima, wie zum Beispiel Nordeuropa, installiert sind, selbst wenn die Eingangstemperatur des heißen Wassers gleich ist. Diese Diskrepanz ist auf den, verglichen mit kühlen Klimazonen,  niedrigeren Delta-T-Wert (Differenz zwischen Heißwassereingang und Kondensationstemperatur) in heißem Klima zurückzuführen.

Verfügbare Wärme / thermische Leistung

Die verfügbare Wärmeleistung ist die von der Abwärmequelle dauerhaft produzierte und der Power+ zur Verfügung gestellte Leistung in BTUs/hr bzw. in Kilowatt (kWth). Die verfügbare thermische Leistung beeinflusst die Leistung der Power+ Generator, da die Power+ die thermische Leistung in Elektrizität umwandelt. Vereinfacht ausgedrückt: kleinere thermische Leistung gleich kleinere abgegebene elektrische Leistung.