Organic Rankine Cycle

Der Organic Rankine Cycle (Abkürzung ORC) ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Der Name des Verfahrens geht auf William John Macquorn Rankine (* 1820; † 1872) zurück, einem schottisch-britischen Physiker und Ingenieur. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet.

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Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist. Dies ist vor allem bei der Stromerzeugung mit Hilfe der Geothermie, der Kraft-Wärme-Kopplung sowie bei Solarteichkraftwerken und Meereswärmekraftwerken der Fall. Die Turbinen werden beispielsweise mit Ammoniak betrieben, das mit 100 °C warmem Tiefenwasser aufgeheizt wird und seine überschüssige Wärme an einen 18 °C kalten Kondensator abgeben kann.

Im ersten geothermischen Kraftwerk Deutschlands in Neustadt-Glewe wird ebenfalls eine ORC-Turbine zur Stromerzeugung verwendet.

Arbeitsmedien

Die Auswahl des Arbeitsmittels ist von überragender Bedeutung bei der Optimierung des Kreislaufes, sowohl unter der Maßgabe des maximierten Wirkungsgrades als auch unter der eines optimierten Anlagendesigns. Nicht zuletzt bestimmt die Auswahl des Arbeitsmediums in entscheidendem Maße die Kosten der Wärmeübertrager. Wegen der geringen Quelltemperaturen werden ORC-Systeme weit mehr noch als die konventionellen Dampfkreisläufe durch die Irreversibilitäten des Wärmeüberganges in den einzelnen Phasen des Kreislaufes limitiert. Ziel ist ein Arbeitsmedium, welches dem Temperaturverlauf der Quelle bzw. der Senke möglichst eng folgt, um die Wärmeübergangsverluste zu minimieren. Diese Irreversibilitäten und damit der Wirkungsgrad des gesamten Systems hängen sehr stark von den thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmedium und den Rahmenbedingungen des Prozesses ab.

Ausgehend vom T-s-Diagramm werden nach der Form der Sattdampfkurve drei verschiedene Fluidklassen unterschieden:

Die Sattdampfkurve „trockener“ Medien ist steigend; hierbei handelt es sich in der Mehrzahl um höhermolekulare Substanzen wie R113,
„Nasse“ Medien wie Wasser haben eine fallende Sattdampfkurve,
„Isentrope“ Medien haben eine nahezu senkrechte Sattdampfkurve; hierzu zählen R11 und R12,

Isentrope und „trockene“ Medien versprechen bei ihrem Einsatz eine Reihe von thermodynamischen Vorteilen.

Mögliche Arbeitsmedien sind:

Medium	Molmasse	Kritischer Punkt		Siedetemper- atur (1atm)	Verdampfungs- wärme (1atm)	Steigung der Sattdampfkurve	Zersetzung bei ca.
NH3	17	405,3 K	11,33 MPa	239,7 K	1347 kJ/kg	Negativ	750 K
Wasser	18	647,0 K	22,06 MPa	373,0 K	2256 kJ/kg	Negativ	.
n-Butan C4H10	58,1	425,2 K	3,80 MPa	272,6 K	383,8 kJ/kg	.	.
n-Pentan C5H12	72,2	469,8 K	3,37 MPa	309,2 K	357,2 kJ/kg	.	.
C6H6	78,14	562,2 K	4,90 MPa	353,0 K	438,7 kJ/kg	Positiv	600 K
C7H8	92,1	591,8 K	4,10 MPa	383,6 K	362,5 kJ/kg	Positiv	.
R134a (HFC-134a)	102	374,2 K	4,06 MPa	248,0 K	215,5 kJ/kg	Isentrop	450 K
C8H10	106,1	616,2 K	3,50 MPa	411,0 K	339,9 kJ/kg	Positiv	.
R12	121	385,0 K	4,13 MPa	243,2 K	166,1 kJ/kg	Isentrop	450 K
HFC-245fa	134,1	430,7 K	3,64 MPa	288,4 K	208,5 kJ/kg	.	.
HFC-245ca	134,1	451,6 K	3,86 MPa	298,2 K	217,8 kJ/kg	.	.
R11 (CFC-11)	137	471,0 K	4,41 MPa	296,2 K	178,8 kJ/kg	Isentrop	420 K
HFE-245fa	150	444,0 K	3,73 MPa	.	.	.	.
HFC-236fa	152	403,8 k	3,18 MPa	272,0 K	168,8 kJ/kg	.	.
R123	152,9	456,9 K	3,70 MPa	301,0 K	171,5 kJ/kg	Positiv	.
CFC-114	170,9	418,9 K	3,26 MPa	276,7 K	136,2 kJ/kg	.	.
R113	187	487,3 K	3,41 MPa	320,4 K	143,9 kJ/kg	Positiv	450 K
n-Perfluoro-Pentan C5F12	288	420,6 K	2,05 MPa	302,4 K	87,8 kJ/kg	.	.

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung ist durch den Einsatz von Gemischen möglich. In subkritischen Verläufen erfolgen sowohl das Verdampfen als auch die Kondensation nicht isotherm; der Abkühlungskurve des Wärmeträgers kann mit deutlich geringeren Temperaturdifferenzen gefolgt werden; damit reduzieren sich die Irreversibilitäten bei der Wärmeübertragung.

In jüngster Zeit werden für den ORC-Prozess synthetische Arbeitsmedien entwickelt. Diese Arbeitsmedien werden in ihren Stoffeigenschaften den speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des Organic-Rankine-Cycle-Kreisprozesses angepasst. Ein derartiges neues synthetisches Arbeitsmedium auf Silikonbasis mit der Bezeichnung GL160 ist frei von Chlor und Fluor und aus diesem Grund besonders umweltfreundlich. Mit synthetischen Arbeitsmedien werden höhere thermodynamische Wirkungsgrade von ORC-Anlagen erzielt, als dies mit Massenchemikalien möglich ist, die zufällig in vorhandene thermodynamische Gefälle eingepasst werden.

Siehe auch

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