ORC-Module wandeln Abwärme in sauberen Strom

11.08.2021

Dürr-Technologie macht dezentrale Stromversorgung von Krone nachhaltiger

Treibhausgas-Emissionen vermeiden, Energiekosten senken, Betriebsausgaben minimieren: Mit einer Modifikation der bestehenden dezentralen Energieerzeugungsanlage ist die Maschinenfabrik Bernard Krone GmbH & Co. KG (Krone) gleich allen drei Zielen näher gekommen. Dafür beauftragte der Landmaschinenhersteller die Dürr Systems AG mit der Realisierung zweier hochmodernen ORC-Anlagen. Sie produzieren in Kombination mit dem bestehenden BHKW CO₂-freien Strom – und zwar ohne, dass das bestehende Wärmekonzept modifiziert werden musste.

Unternehmen in allen Branchen stehen vor der großen Herausforderung, ihre CO₂-Bilanz nachhaltig zu verbessern. Denn Treibhausgase sind eine der Hauptursachen des Klimawandels. Nahezu jeder industrielle Produktionsprozess, der eine gewisse Menge an thermischer Energie beinhaltet, kann klimafreundlicher werden mit Organic Rankine Cycle (ORC) – einer Technologie, die Wärmeenergie in sauberen Strom und ggf. Nutzwärme umwandelt.

An seinem Gründungsstandort in Spelle (Emsland) fertigt der Familienbetrieb Krone ein breites Spektrum an landwirtschaftlichen Maschinen für die Grünfutterernte.
Schon seit längerem wird am Standort ein erdgasbetriebenes Blockheizkraftwerk (BHKW) mit 834 kW elektrischer Leistung und 900kW thermischer Leistung betrieben. Hauptabnehmer der Wärme ist die Lackierstraße mit moderner Kombination aus KTL und Decklack-Beschichtung mit Vorlauftemperaturen von etwa 95 °C zur Temperierung der Becken. Die Produktion erfolgt in einem 3-Schichtmodell, weshalb das BHKW trotz hoher elektrischer Grundlast am Wochenende nicht betrieben wurde.

Cyplan® ORC Hochtemperaturanlage bei der Maschinenfabrik Krone GmbH

Die Zielsetzung für Krone mit dem Dürr Cyplan^® ORC-Konzept war: Primärenergiekosten senken, Primärenergieeinkauf senken, BHKW Betriebszeit erhöhen. Um das volle Potential der Wärmeenergie ausschöpfen zu können, koppelte Dürr das BHKW mit zwei neuen ORC-Anlagen. „Das Ziel war es bei der Integration der ORC-Anlagen, dass Krone nichts an seinen Primärprozessen und dem vorhandenen Wärmekonzept modifizieren muss. Das war keine triviale Aufgabe, denn die neue Lösung musste exakt an alle existierenden Volumen- und Wärmeströme angepasst werden“, erklärt Davide Pitta, Projektleiter bei Dürr, die Herausforderung.

Stromerzeugung im geschlossenen Kreislauf

Die Dürr Cyplan^® ORC-Technologie deckt den breiten Temperaturbereich von 90°C bis über 500°C ab. Die Hochtemperatur-ORC-Module arbeiten wie „stromerzeugende Wärmetauscher“: Sie generieren mit Abgaswärme zusätzliche elektrische Energie und stellen Nutzwärme bereit. Der Prozess ähnelt dem Wasser-Dampf-Kreislauf eines konventionellen Kraftwerks. Im Gegensatz zum offenen Kreislauf einer Dampfturbine sind die Kreisläufe bei einer ORC-Anlage jedoch geschlossen und sie verdampfen statt Wasser ein organisches Arbeitsfluid mit niedrigem Siedepunkt. Üblicherweise kommen dafür Kohlenwasserstoffe oder Kältemittel zum Einsatz.

Hochflexibel für unterschiedliche Wärmequellen

Die von Dürr entwickelten Cyplan^® ORC-Module sind im Leistungsbereich < 500 kWel die flexibelsten und technologisch ausgereiftesten Systeme am Markt. Sie können im Niedertemperaturbereich Warmwasser und Dampf, im Hochtemperaturbereich Thermoöl und Heißgase als Wärmeträger verwenden. Im ersten Schritt fließt bei Krone die Rauchgaswärme des stationären BHKW-Gasmotors direkt in das ORC-Modul. Im nächsten Schritt wird das Arbeitsfluid unter Verwendung der Wärmeenergie des Rauchgases zu Dampf, der anschließend in einen Turbogenerator strömt. Der von Dürr patentierte Turbogenerator ist das Herzstück jedes ORC-Moduls.

Der in der Turbine expandierte Dampf erzeugt mechanische Energie, die den an die Turbine gekoppelten Generator antreibt. Darin wird ein Teil der Wärmeenergie in Elektrizität gewandelt, die der Betreiber selbst nutzen oder ins öffentliche Stromnetz einspeisen kann. Beides bietet ihm finanzielle Vorteile: Entweder, indem er Stromkosten einspart oder Erlöse für seinen grünen Strom erzielt. Im Anschluss wird der Dampf durch die Wärmeentnahme kondensiert und als flüssiges Arbeitsmittel von einer Pumpe zurück in den Verdampfer transportiert, um dort erneut zu verdampfen. An dieser Stelle schließt sich der Kreis, und die im Kondensator extrahierte Wärmeenergie steht als Nutzwärme mit bis zu 95°C bereit.

Mehr Output bei gleichem Input

Mit der vorhandenen Abwärme maximal viel Strom zu erzeugen – und zwar so wirtschaftlich wie möglich: Das von Krone vorgegebene Ziel realisierte das Team von Dürr mit standardisierten ORC-Modulen, die kompakt auf Skids fertig montiert, leicht zu transportieren und zu integrieren sind. Zur Produktpalette gehören Turbogeneratoren in diversen Abstufungen zwischen 50 kW bis 500 kW elektrischer Leistung. Daraus wurde als Heißgasschnittstelle zum BHKW von Krone eine Cyplan^® ORC 70 Hochtemperaturanlage mit Kraftwärmekopplung ausgewählt, während eine Cyplan^® ORC 70 Niedertemperaturanlage dem Warmwasserkreislauf zugeordnet ist. „Wir haben damit eine Lösung auf zwei Ebenen entwickelt, die zu einem höheren Strom-Output führt, ohne mehr Input zu benötigen und eine Laufzeiterhöhung des BHKW ermöglicht. Dadurch steigt die Eigenversorgungsquote (mit BHKW) um 22 Prozentpunkte und es wird 4,5 % weniger Primärenergie im Vergleich zum vorherigen Erzeugungsmix benötigt “, sagt Sebastian Schulte, Leiter der Betriebstechnik bei Krone in Spelle.

Bislang hatte Krone das BHKW nicht rund um die Uhr laufen lassen können, da die Wärmeabnahme im Werk unter Berücksichtigung der Hocheffizienzkriterien am Wochenende hierfür nicht ausreichend war. Die angeschlossene Hochtemperatur-ORC sorgt dafür, dass das Verhältnis von Strom zu Nutzwärme gesteigert wird. Zusätzlich kommt die Niedertemperatur-ORC ins Spiel, um Wärmespitzen im Heiznetz zu verwerten.

Patentierter Turbogenerator von Dürr als Kernkomponente der Cyplan® ORC

Durch dieses innovative Anlagenkonzept kann die Laufzeit der BHKW-Anlage signifikant gesteigert werden. Der Vorteil für Krone: Das Unternehmen kann mehr selbsterzeugten Strom zu deutlich geringeren Kosten als beim Netzbezug und Wärme über das BHKW produzieren. Vorher wurde ein Brennwertkessel für die Wärmelast am Wochenende genutzt. Spätestens nach vier Jahren wird sich dadurch die ORC-Anlage amortisiert haben.

Positiv für den Carbon-Footprint

Nicht nur ökonomisch sind ORC-Anlagen gewinnbringend, sondern auch ökologisch. Unter der Voraussetzung, dass ein 70-kW-Standardmodul 8.000 Stunden jährlich über 15 Jahre läuft, produziert es rund 7.500 MWh Strom. Das entspricht dem durchschnittlichen Verbrauch von mehr als 200 Haushalten. Da der Strom ohne Primärenergie rein aus Abwärme entsteht, lassen sich dadurch rund 6.500 Tonnen CO₂ vermeiden. Die Planung, Installation, Aufstellung und Montage der energieeffizienten ORC-Anlagen wird in Deutschland von der Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) oder der BAFA (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) gefördert. Sie übernimmt bis zu 30 Prozent (40 Prozent bei KMU) oder Projektkosten in Form von Zuschüssen. Die Höhe der Fördersumme orientiert sich hierbei an der eingesparten CO₂-Menge. „Für jeden Standort mit einem entsprechenden Verbrauch und einem erdgasbetriebenen BHKW, das mehr als 500 kW elektrische Leistung erzeugt, rechnet sich die ORC-Technik schon heute“, so die Einschätzung von Timm Greschner, Head of Cyplan^® ORC bei Dürr mit Blick auf den Unterschied zwischen den Strombezugs- und den Stromgestehungskosten, den Subventionen und Steuervorteilen. „Wenn in Zukunft die Preise für CO₂-Zertifikate weiter steigen, wird das die Attraktivität der Anlagen noch einmal wesentlich erhöhen.“ Rund 70 Cyplan^® ORC-Anlagen hat Dürr mittlerweile in Deutschland installiert – als ein Baustein auf dem Weg zur klimaneutralen Produktion.

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