Neuartiges Flügelscheiben-Expander-Konzept

Vorteile durch den Ansatz einer neuen Expander-Architektur

Diese Präsentation stellt ein Konzept für einen Expander einer neuen Generation vor. Sie ermöglicht nicht nur eine signifikante Verbesserung der Effizienz von Energiesystemen, sondern trägt aktiv dazu bei, die Umweltbilanz in verschiedensten industriellen und energetischen Anwendungen zu optimieren. Diese Technologie nutzt ungenutzte Wärmequellen und wandelt sie in nutzbare Energie um, wodurch sowohl die Wirtschaftlichkeit als auch die Umweltfreundlichkeit von Prozessen und Anlagen spürbar gesteigert wird.
Durch die Integration dieser Expander-Technologie in bestehende und neue Systeme können Unternehmen und Industrien einen entscheidenden Beitrag zur Reduktion von Emissionen leisten und gleichzeitig ihre Energiekosten erheblich senken. In diesem Konzept werden die Funktionsweise und die Potenziale der Expander-Technologie näher erläutert, um aufzuzeigen, wie diese Innovation zur effizienten Energienutzung und einer nachhaltigeren Zukunft beiträgt.

Allgemeine Anwendungsbeschreibung in einem Organic Rankine Cycle (ORC) Umwandlung von Prozesswärme in mechanische Energie

Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist ein thermodynamisches Verfahren, das Wärme aus Niedrig- bis Mitteltemperaturquellen in mechanische Arbeit umwandelt. Als Weiterentwicklung des klassischen Rankine-Kreislaufs, der vor allem in Dampfkraftwerken (mit Wasser als Arbeitsmedium) zum Einsatz kommt, nutzt der ORC ein organisches Arbeitsmedium, dessen thermophysikalische Eigenschaften speziell für den Betrieb bei niedrigeren Temperaturen optimiert sind. Der Siedepunkt dieses Arbeitsfluids liegt typischerweise zwischen 25°C und 90°C (Beispiel: n-Pentan mit einem Siedepunkt von 31,6°C). In einem Organic Rankine Cycle werden verschiedene Wärmekraftmaschinen eingesetzt, wie z.B. alle Formen von Radial- und Axialexpander (Turbinen), Schraubenexpander, Kolbenexpander und Scroll-Expander. Die Auswahl des geeigneten Energiewandlers und des Arbeitsfluids richtet sich dabei nach der Größe des Systems, der verfügbaren Prozesswärme und den wirtschaftlichen Anforderungen der jeweiligen Anwendung.

Allgemeine Funktionsweise eines ORC-Prozesses. Der Prozess läuft in einem geschlossenen Kreislauf ab und umfasst vier Hauptschritte:

1. Verdampfung des Arbeitsfluids
Das Arbeitsfluid wird in einem Verdampfer durch die zugeführte Wärme aus einer Niedrig- oder Mitteltemperaturquelle erhitzt. Solche Wärmequellen können industrielle Abwärme, geothermische Energie, Biomasse oder Solarthermie sein. Aufgrund seines niedrigen Siedepunktes verdampft das Arbeitsfluid bereits bei vergleichsweise geringen Temperaturen. Der dabei entstehende Dampfdruck (ca. 5-40bar), der durch Überhitzung erzielt wird, wird in den nächsten Prozessschritt weitergeleitet.

2. Expansion und mechanische Arbeitserzeugung
Dieser überhitzte Dampf wird in die Wärmekraftmaschine (Expander) eingeführt und entspannt sich durch die Drehbewegung der Maschine. Durch diese Expansion des gasförmigen Arbeitsfluids wird thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Dieser idealerweise isentrope Prozess verringert den Druck, hält aber weitestgehend den gasförmigen Zustand bei. (Typische isentrope Wirkungsgrade: 0,7-0,85)

3. Kondensation
Nach der Expansion wird das gasförmige Arbeitsfluid mit geringem Restdruck in Richtung Kondensator weitergeführt, in dem es abgekühlt und verflüssigt wird. Dies geschieht in der Regel durch Abgabe der Restwärme an ein Kühlsystem, das Umgebungsluft oder Wasser verwendet. Durch die Kondensation und der damit verbundene Verflüssigung des Arbeitsfluids verringert sich der Druck weiter.

4. Druckerhöhung durch eine Speisepumpe
Das verflüssigte und abgekühlte Arbeitsfluid wird mithilfe einer Speisepumpe wieder auf den Verdampfungsdruck gebracht und zurück in den Verdampfer geleitet. Dort beginnt der Kreislauf von Neuem. Auch dieser Schritt erfolgt idealerweise isentrop (ohne Entropieänderung), wobei die mechanische Arbeit der Pumpe vergleichsweise gering ist.

Der thermische Wirkungsgrad dieses Rankine-Prozesses ist von der Temperaturdifferenz zwischen Dampferzeuger und Kondensator begrenzt (entsprechend den Grenzen des Carnot-Prozesses).

Vorteile eines ORC-Systems

Der Organic Rankine Cycle System bietet mehrere Vorteile, insbesondere im Bereich der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Durch das organische Arbeitsmedium (Arbeitsfluid) kann Wärme effizient genutzt werden, die mit Wasser als Medium nicht wirtschaftlich umsetzbar wäre.

Flexibilität der Wärmequellen:
Der ORC-Prozess ist mit einer Vielzahl von Wärmequellen kompatibel, darunter industrielle Abwärme, Geothermie, Biomasse und Solarthermie.

Geringe Betriebs- und Wartungskosten:
ORC-Systeme haben eine robuste Konstruktion und arbeiten ohne überkritische Drücke, was ihre Zuverlässigkeit erhöht.

Umweltschutz:
Der Prozess ermöglicht es, Abwärme energetisch sinnvoll zu nutzen, was den CO2-Fußabdruck verringert.

Einsatzgebiete des Organic Rankine Cycle System (ORC):

Industrielle Abwärmenutzung:
Rückgewinnung von Prozesswärme in Kraftwerken, Stahlwerken, Zementfabriken oder chemischen Anlagen.

Geothermische Kraftwerke:
Nutzung von heißem Wasser oder Dampf aus geothermischen Quellen.

Biomassekraftwerke:
Energiegewinnung aus der Verbrennung von Holz oder anderen organischen Materialien.

Solarthermie:
Effiziente Nutzung von Sonnenwärme für die Stromerzeugung.

Vorteile eines neuartigen Flügelscheiben-Expanders im Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung von Prozesswärme in mechanische Energie.

Der Flügelscheiben-Expander bietet entscheidende Vorteile bei der Umwandlung von Wärmeenergie mit geringem Prozessüberdruck in mechanische Energie.
Dies wird durch die innovative Nutzung beider Flügelseiten ermöglicht, welche diese Technik von herkömmlichen Energiewandlern abhebt. Während bei bekannten Technologien überwiegend Vorwärtsdrücke (Drücke deutlich über 1 ATM) genutzt werden, zeichnet sich der Flügel-Expander dadurch aus, dass sowohl der Überdruck auf der Druckeingangsseite als auch der Unterdruck auf der Kondensatorseite gleichermaßen effektiv wirken. Insbesondere in einem ORC-Kreislauf können typische Unterdruckwerte im abgedichteten Kondensationsbereich bei etwa 0,1 bis 0,5 bar liegen. Setzt man im Überdruckbereich ähnlich geringe Druckgrößen von >1 bis 5 bar ein, entstehen auf beiden Seiten eines Flügels starke Kräfte, die sich summieren und in dieselbe Drehrichtung wirken. Mithilfe einer großen Flügelfläche und eines entsprechend großen Flügelradius lässt sich ein erhebliches Drehmoment an der Abtriebwelle erzeugen. Ein Überdruck von 1,8 bar und ein Unterdruck von 0,8 bar ergeben dabei einen Differenzdruck von insgesamt 2,6 bar. Die besondere Effizienz dieser Technologie liegt genau im niedrigen Druckbereich, einem Bereich, in dem die meisten herkömmlichen Expander-Techniken einen unzureichenden Wirkungsgrad erreichen.
Der neuartige Flügelscheiben-Expander hingegen kann hier seine Stärken voll ausspielen und bietet eine beeindruckende Möglichkeit, Prozesswärme effizient in mechanische Energie umzuwandeln.
Dank seiner 8 aktiven Flügelflächen (Vorder- und Rückseite), die pro Umdrehung jeweils 32 Überdruck- und 32 Unterdruckräume erzeugen, schafft diese Technologie eine technische Umgebung mit idealen Bedingungen. Ein geringer Überdruck durch Verdampfung und ein hoher Unterdruck durch Kondensation verbunden mit einem großen Dampfvolumen sind optimale Bedingungen für den Flügelscheiben-Expander. Diese Eigenschaften ermöglichen eine äußerst effiziente Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie.

Durch die Integration dieser innovativen neuartigen Expander-Technologie in den Arbeitskreislauf einer größeren ORC-Anlage – direkt vor der Kondensation – kann die bisher wenig genutzte Restenergie aus dem Kondensationsprozess effizient verwertet werden. Dies führt zu einer spürbaren Steigerung des Gesamtwirkungsgrads der Anlage.

Zusätzlich könnte ein mechanisch angetriebener Flügelscheiben-Kompressor (Umkehrung der neuartigen Expander-Technologie)  in den Arbeitskreislauf zwischen Verdampfer und Expander-Turbine einer großen ORC-Anlage eingebunden werden. Diese Anordnung liefert zusätzliche Energie, die den Arbeitsdruck und die Arbeitstemperatur des Arbeitsfluids erhöht. Dadurch wird nicht nur der Carnot-Wirkungsgrad, sondern auch der Turbinen-Wirkungsgrad gesteigert, was den Gesamtwirkungsgrad der ORC-Anlage signifikant verbessert. Die zugeführte Energie des Flügelscheiben-Kompressors trägt somit positiv zur Gesamtbilanz der ORC-Anlage bei.

Beispiel einer Solarthermieanlage in einem „Organic Rankine Cycle“

Bild 10 veranschaulicht den einfachen Prozessablauf einer Niedrigenthalpie-Solarthermieanlage, die in einem Organic Rankine Cycle (ORC) arbeitet und n-Pentan als Arbeitsmedium nutzt. Solarthermie ist eine etablierte Technologie, die Sonnenenergie in Wärme umwandelt und für verschiedene Anwendungen genutzt wird, wie etwa die Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung oder in Kombination mit Stromerzeugung. Letzteres trägt zusätzlich zur Einsparung fossiler Energien bei, insbesondere in Verbindung mit geeigneten Komponenten. Die Vakuumröhrenkollektoren, zusammen mit einem Thermoöl-Wärmespeicher, bilden den Primärkreislauf und ermöglichen die Speicherung von Temperaturen über 100°C.

Für den reinen Wärmebedarf wird zusätzlich ein sekundärer Kreislauf eingerichtet, der die Wärme zu den Verbrauchsstellen transportiert

(dieser Kreislauf ist in der Abbildung nicht dargestellt).

Im dargestellten ORC-Prozess wird die im Thermoölspeicher gespeicherte thermische Energie durch einen neuartigen Flügelscheiben-Expander in mechanische Rotationsenergie und damit über einen angeschlossenen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Eine spezielle ausgelegte Kondensatoreinheit, die das Arbeitsfluid stark abkühlen kann, ermöglicht die Maximierung des Carnot-Wirkungsgrads.

Im Unterschied zu herkömmlichen Photovoltaikanlagen kann die Stromerzeugung in diesem System zeitlich flexibel erfolgen – beispielsweise in den kühleren Abendstunden, wenn niedrigere Kondensationstemperaturen vorliegen.

Das Gesamtsystem stellt eine wegweisende Lösung dar, die Effizienz und Flexibilität auf ein neues Niveau hebt. Dadurch setzt es technologische Maßstäbe, die nicht nur die Leistung erhöht, sondern auch einen wichtigen Beitrag zur Reduktion der Umweltbelastungen beiträgt und damit unsere Umweltbilanz nachhaltig verbessert.

Bild 11 veranschaulicht die Dampfdruckkurve des Arbeitsfluid n-Pentan, das im Organic Rankine Cycle (ORC) effektiv sowohl in Niedrigenthalpie-Geothermie als auch in Niedrigenthalpie-Solarthermie genutzt werden kann.
n-Pentan ist preisgünstig, weltweit verfügbar und umweltfreundlich.
Der hellblau markierte Bereich zeigt die obere Temperaturgrenze, die mit Vakuumröhrenkollektoren in der Niedrigenthalpie-Solarthermie erreicht werden kann, sowie die untere Grenze, die beispielsweise durch Kondensation mittels Erdwärme, Grundwasser oder Luftkühlung in den kühleren Abendstunden realisierbar ist. In der Niedrigenthalpie-Geothermie sind im oberen Bereich Temperaturen bis zu 150°C möglich, was den Carnot-Wirkungsgrad auf etwa 32% steigern kann.