ORC-Fuhrberg: Innovative Technik für kleine KWK-Anlagen

Einzigartiges ORC-Verfahren ermöglicht den Einsatz einer Kraft-Wärme-Kopplung in besonders kleinen Holzfeuerungen

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Holz-Heizkraftwerk in Fuhrberg

Gesamtansicht des betriebsfertigen Holz-Heizkraftwerkes mit ORC-Modul (links oben im Gerüst), Feuerungs-/Dampfkessel-Container und Abgaskamin.

Projektziele

Als die über zwanzig Jahre alte Holzheizanlage des Wasserwerks Fuhrberg bei Hannover modernisiert und erweitert werden sollte, entschied sich der kommunale Energieversorger enercity AG dafür, künftig nicht nur Wärme, sondern auch Strom in Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) für den Standort zu erzeugen. Dabei sollte ein ORC-Verfahren zum Einsatz kommen, welches es erstmals möglich macht, Kraft-Wärme-Kopplung auch in besonders kleinen Holzfeuerungen ab etwa 250 kWth zu nutzen. Im Rahmen einer Pilot-Anwendung entwickelte und realisierte das Fraunhofer UMSICHT ein maßgeschneidertes, bisher in dieser Form einmaliges ORC-Verfahren für das Wasserwerk und begleitete den Probebetrieb wissenschaftlich.

Nutzen

Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist ein Prozess, bei dem Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf betrieben werden. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten verwendet, die niedrige Verdampfungstemperaturen aufweisen. Das ORC-Verfahren wird dann angewendet, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig oder die verfügbare Wärmeleistung zu klein für den Betrieb einer Wasserdampf-Turbine ist. Dies ist oft bei der Stromproduktion mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung an kleinen Standorten der Fall. ORC-Anlagen ermöglichen es hier, elektrische Energie auch aus Abwärme oder gekoppelt zu kleinen Wärmeleistungen zu erzeugen.

Holz wird deutlich effizienter eingesetzt

Für das Wasserwerk Fuhrberg entwickelte Fraunhofer UMSICHT ein maßgeschneidertes und in dieser Art bisher einmaliges ORC-Verfahren, das die Abwärme am ORC-Kondensator für Heizzwecke vor Ort einsetzt und die Effizienz beim Gebrauch des regenerativen Energieträgers Holz verbessert. Die erfolgreich durchgeführte Pilot-Anwendung dieses ORC-Prozesses an der kleinen Hackschnitzelfeuerung bei Hannover steigert durch die Erzeugung der benötigten Heizwärme in Kraft-Wärme-Kopplung Nutzen und Effizienz der dezentralen Energieversorgung – insbesondere bei niedrigeren Wärmeleistungen.

Der vor Ort in Kraft-Wärme-Kopplung selbst erzeugte Strom macht unabhängiger von steigenden und schwankenden Strompreisen. Die Pilot-Anwendung offeriert demnach eine wirtschaftlich rentable Umstellung kleinerer Holz- und Biomasseheizwerke auf KWK-Betrieb und stellt gerade im Nachrüstbereich bereits bestehender Anlagen eine Option dar, die kosten- und ressourceneffiziente Kraft-Wärme-Kopplung einzuführen.

Ergebnis

Am Standort Fuhrberg werden nach der Modernisierung fortan die heißen Rauchgase, die in der Hackschnitzelfeuerung entstehen, in einem Großwasserraumkessel heruntergekühlt. Sekundärseitig wird Sattdampf (bezeichnet den Grenzbereich zwischen Nass- und Heißdampf) von 230 °C erzeugt, der dem angeschlossenen ORC-Prozess zur Wärmeversorgung zugeführt wird. Der Wasserdampf kondensiert dabei primärseitig im Verdampfer des ORC-Kreislaufs. Das Wasser-Kondensat wird zum Großwasserraumkessel zurückgeführt. Durch die dabei übertragene Wärme verdampft das ORC-Arbeitsmittel und der ORC-Dampf wird über eine kleine Turbine geführt und entspannt. Ein speziell entwickelter Turbogenerator erzeugt hier aus dem Dampf den Strom, der in das Netz eingespeist wird.
Der aus der Turbine austretende Arbeitsmittel-Dampf wird im Kondensator verflüssigt und die anfallende Wärme komplett in das Nahwärmesystem des Wasserwerks eingekoppelt. Bei Wartungsarbeiten an der ORC-Anlage kann die Wärme des Dampfkessels über einen Bypass-Kondensator direkt in das Nahwärmenetz eingespeist werden.

Projektpartner

enercity (Stadtwerke Hannover AG)