Effizienzsteigerung von Bioenergieanlagen durch ORC-Minikraftwerke

Das in einer Biogasanlage erzeugte Gas wird zumeist unmittelbar in einem angeschlossenen Blockheizkraftwerk (BHKW) zur gekoppelten Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt. Wie die Ergebnisse des Biogas-Messprogramms II der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) belegen, wird die in Biogas-BHKWs erzeugte Wärme vielfach aber nur sehr unvollständig genutzt. In der Regel beschränkt sich die Wärmenutzung auf die Beheizung des Fermenters sowie einzelner angrenzender Gebäude, Stallungen etc. Eine Versorgung externer Abnehmer über Nahwärmenetze bildet hingegen die Ausnahme und ist zeitlich vorrangig auf die Heizperiode fokussiert.

In der Bioenergieregion Bayreuth werden derzeit rund 50 Biogasanlagen betrieben. Die installierten Generatorleistungen und jährlichen Stromeinspeisungen in das öffentliche Netz sind für diese Anlagen zwar bekannt, hinsichtlich Wärmenutzung stehen aber allenfalls qualitative Hinweise zur Verfügung. Diese Hinweise verdeutlichen, dass ein umfassendes Wärmenutzungskonzept auch in der Bioenergieregion Bayreuth bislang eher als Ausnahme denn als Regelfall zu betrachten ist. 
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, ansonsten ungenutzte Abwärme für eine erweiterte Stromerzeugung einzusetzen. Als geeigneter Wärmekraftprozess kommt hierbei der Organic Rankine Cycle (ORC) in Frage, der zwar eine Reihe von generellen Vorteilen gegenüber dem aus Großkraftwerken bekannten Wasserdampf-Prozess aufweist, dessen Standardkonzept jedoch  auch erhebliche spezifische Nachteile hat. So erhöht der Thermoölkreislauf die Komplexität und die Investitionskosten der Gesamtanlage. Relativ geringe Wirkungsgrade der verwendeten Scroll- und Schraubenexpander führen zudem zu hohen Irreversibilitäten im System und somit zu einer verringerten Wirtschaftlichkeit. 
Eine signifikante Verbesserung dieser Situation ist jedoch mit erfolgreichem Abschluss des von der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) geförderten FuE-Verbundprojektes „Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zur Abwärmenutzung“ zu erwarten, an dem der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) der Universität Bayreuth federführend beteiligt ist. In diesem Projekt wurde eine neuartige ORC-Demonstrationsanlage entwickelt und an der Universität Bayreuth aufgebaut. Bei dieser Anlage erfolgt die Wärmeeinkopplung über eine innovative Direktverdampfung und die Entspannung über eine effiziente Mikro-Expansionsturbine. Damit werden die spezifischen Nachteile des Standardkonzeptes gezielt überwunden.
Mittelfristig soll eine wirtschaftliche Lösung zur Abwärme-Nachverstromung mit einer elektrischen Leistung kleiner 30 kW auf dem Markt platziert werden.  

Aus Mitteln der Bioenergieregion Bayreuth wurde eine Studie zur Nachverstromung ungenutzter Abwärme von Biogas-BHKWs erstellt. Basierend auf dem innovativem ORC-Konzept wurden technische und wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten dieses Konzeptes für solche Anlagengrößen und Abwärmepotenziale untersucht, die in der Bioenergieregion Bayreuth als typisch zu betrachten sind. Außerdem wurden auf Simulationen gestützte Vergleiche mit weiteren ORC-Anlagenkonzepten angestellt und Schaltungsvarianten aufgezeigt, inwieweit im Einzelfall noch zusätzliche Potenziale zur Verbesserung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Abwärme-Nachverstromung erschließbar wären.
Damit wurden Grundlagen geschaffen, um technische Weiterentwicklungen möglichst zeitnah in der Bioenergieregion Bayreuth bekannt zu machen und im Rahmen nachfolgender Aktivitäten umzusetzen. Die Bioenergieregion Bayreuth kann damit beispielgebend für alle weiteren Bioenergieregionen in Deutschland sein.

Partner

  • Regionalmanagement Stadt und Landkreis Bayreuth
  • Universität Bayreuth- Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT)
  • Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Thermodynamik
  • Energie- und Verbrennungstechnik Bayreuth
  • Biogasanlagenbetreiber

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