Potenziale nutzen: Verschwendete Energie in Strom umwandeln

„In vielen industriellen Prozessen entweicht Prozessgas ungenutzt in die Atmosphäre. Der Ausgangspunkt war, diese Gase energetisch nutzbar zu machen“, erklärt Dr.-Ing. Rolf Pfeiffer, geschäftsführender Gesellschafter bei DEPRAG. Dabei ist die Rückgewinnung von Energie aus Prozessgasen nicht neu. „Neu ist aber, dass mit unserer Entwicklung in einer kleinen, kompakten, dezentralen Energierückgewinnungsanlage auch geringe Mengen von Restenergie im Leistungsbereich von 5 bis 200 Kilowatt in Strom umgewandelt werden können.“ Der DEPRAG GET® Turbinengenerator kann überall dort eingesetzt werden, wo diese Energie ungenutzt den industriellen Prozess verlässt.

Die Universität Bayreuth, die Ostbayerische Technische Hochschule (OTH) Amberg-Weiden und die DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. haben 2011 ein gemeinsames Forschungsprojekt ins Leben gerufen – gefördert durch die Bayerische Forschungsstiftung. Ziel der Forschungsarbeiten war es, bislang ungenutzte Energie nutzbar zu machen. Den Projektpartnern gelingt es dabei, vorhandene Abwärmeströme effizient in elektrische Energie umzuwandeln.

Liegt das ungenutzte Energiepotential nicht in Form von Druck sondern als Wärme vor, muss die Nutzung über einen gesonderten, geschlossenen Kreislauf erfolgen – zum Beispiel einem ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle). Auf dieser Basis entwickelten die drei Projektpartner eine ORC-Versuchsanlage, die am Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth aufgebaut und getestet wurde. In einem zweiten Forschungsprojekt (2015-2016), im Rahmen des Kompetenzzentrums für Kraft-Wärme-Kopplung (KoKWK), optimierten die Partner die Anlage sowie den von DEPRAG gelieferten Turbinengenerator, so dass der Wirkungsgrad nochmals erheblich gesteigert werden konnte.

Um die Forschungsergebnisse vorzustellen, organisierte die DEPRAG zusammen mit den Kooperationspartnern eine Kunden-Informationsveranstaltung an der Universität in Bayreuth. An diesem Tag hatten die Teilnehmer die einmalige Gelegenheit, das ORC-Forschungskraftwerk zu erleben, die Prozesse kennenzulernen und Näheres über den integrierten GET® Turbinengenerator zu erfahren.

Der DEPRAG GET® Turbinengenerator

Eine kompakte Einheit aus einer Mikro-Expansionsturbine mit einem elektrischen Generator erzeugt Strom aus Gas. Ohne den dazugehörigen elektrischen Schaltschrank ist der Expander nicht viel größer als eine Schuhschachtel und kann dort eingesetzt werden, wo Gas von einem höheren Druckniveau auf ein niedrigeres gebracht wird. Die dabei frei werdende Druckenergie wird bisher in nur wenigen Fällen zur Gewinnung von Strom verwendet und somit wertvolles Energiepotential verschwendet.

Der innovative GET® Turbinengenerator wandelt die im Arbeitsfluid enthaltene Energie in Strom um. Gas strömt in die Turbine ein, wird durch Düsen „entspannt“, beschleunigt, trifft auf das Turbinenrad und gibt dort seine Energie ab. Dessen kinetische Energie wird durch den Generator in elektrische Energie umgewandelt. In diesem innovativen System stellen Turbine und elektrischer Generator eine kompakte Einheit dar – sie besitzen eine gemeinsame Welle. Die Folge: Dreht sich die Turbine, dreht sich auch der Rotor des Generators.

Der DEPRAG GET® Turbinengenerator ist in den Baugrößen 5 kW, 30 kW, 60 kW, 120 kW und 175 kW erhältlich und wird individuell für den jeweiligen Prozess konfiguriert. Zur strömungsmechanischen Auslegung und Konstruktion des Turbinengenerators ist es notwendig, die spezifischen Prozessparameter zu definieren: Art des Mediums, Eingangs- und Ausgangsdruck, Massenstrom sowie Eingangs- und Ausgangstemperatur. Zudem benötigen die DEPRAG Fachleute eine genaue Anwendungs- und Prozessbeschreibung.

Das eigens entwickelte Turbinenberechnungsmodell unterstützt die Ingenieure bei der Auslegung. Das Tool ist mit einer Stoffdatenbank verknüpft, um für unterschiedlichste Arbeitsfluide die entsprechenden Fluideigenschaften bei gegebenen Betriebspunkten zu ermitteln. Des Weiteren sind verschiedene Verlustmodelle in der Software integriert, die durch Messungen validiert worden sind. Dadurch ist es möglich, die Geometrie der strömungsführenden Bauteile exakt festzulegen. Das Berechnungstool wurde immer wieder angepasst und verbessert, so dass die Leistungskenndaten sehr schnell und effizient ermittelt werden können. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis für den Kunden. Mit dem Turbinenberechnungsmodell sind nicht nur strömungsmechanische Auslegungen von einstufigen Axialturbinen möglich. Es können auch zweistufige Axialturbinen – sogenannte Curtis-Turbinen – sowie Cantilever-Turbinen berechnet werden.

Vielseitige Anwendungsbereiche

Der GET® Turbinengenerator ist sowohl in einem offenen als auch in einem geschlossenen Prozess einsetzbar. Er kann für verschiedene Medien wie z. B. Druckluft, Erdgas, CO₂, Stickstoff, Cyclopentan oder Kältemittel wie R245fa, R134a und Ähnliche ausgelegt werden. Bei der ORC-Versuchsanlage in Bayreuth wird beispielsweise MM aus der Gruppe der Siloxane verdampft. Dr.-Ing. Rolf Pfeiffer: „Unser Rückgewinnungssystem lässt sich für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen, um direkt Prozessgase zu verstromen oder durch Integration unserer GET®-Einheit in einen ORC-Prozess indirekt ungenutzte Abwärme zu verwerten.“

Die Energierückgewinnung mit dem DEPRAG Turbinengenerator ist in weiteren Anwendungsbereichen denkbar. Beim Transport von Erdgas über tausende Kilometer bestehen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für GET®-Lösungen. Die besondere Herausforderung ist dabei vor allem, den hohen Anforderungen im EX-Schutz und diversen Zulassungsbestimmungen nachzukommen. Diese Richtlinien wurden 2017 erstmals erfüllt. Die Green Energy Turbine kann so beispielsweise in Gasverteilungsstationen von Stadtwerken eingesetzt werden: Das Gas wird dabei nach dem Transport in den Pipelines auf einen niedrigeren Druck entspannt. Bei der Transformation von Drücken wandelt der Expander wertvolle Energie in elektrischen Strom um.

Wärmeenergie kann jedoch auch von natürlichen Vorkommen (Geothermie) stammen. Hierbei wird die kostenlose Wärme des Thermalwassers, welches mit 100 – 180°C aus der Tiefe kommt, über Wärmetauscher in den ORC-Kreisprozess eingekoppelt. Die Restwärme wird meist noch in ein Fernwärmenetz eingespeist, bevor das Thermalwasser über eine weitere Bohrung wieder zurück in die Erde geschickt wird.

Aber auch Wärmequellen von stationären Anwendungen (BHKWs, Schiffsmotoren, usw.) können in einem ORC-Prozess genutzt werden. Grundsätzlich eignet sich jeder Verbrennungsmotor für die zusätzliche Verwendung von Turbinen. Die Grundlage: Selbst ein sehr effizient arbeitender Verbrennungsmotor kann nur rund ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, in mechanische Arbeit umsetzen. Die verbleibenden 60 Prozent gehen dagegen als Abwärme im Abgas und im Kühlwasser verloren. Ein Ansatz besteht darin, diese thermische Energie auf der Grundlage eines Kreisprozesses zu nutzen. Hierbei stellt der Turbinengenerator eine Schlüsselkomponente dar. Durch die gewonnene elektrische Leistung können andere Verbraucher versorgt werden und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.