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Abwärmeverstromung mit ORC (Organic-Rankine-Cycle)

Bei vielen landwirtschaftlichen Biogasanlagen kann die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme nur sehr eingeschränkt genutzt werden. Da Biogasanlagen vor allem in ländlichen Gebieten errichtet werden, wo i. d. R., insbesondere im Sommer, keine Abnehmer nennenswerter Wärmemengen vorhanden sind, wird häufig der größte Teil der Abwärme der Blockheizkraftwerke über Kühleinrichtungen an die Umgebung abgeführt.

Daher wird im novellierten EEG 2012 gefordert, dass Biogasanlagen, die nach dem 01. Januar 2012 in Betrieb gehen, mindestens 60 % des erzeugten Stroms in Kraft-Wärme-Kopplung erzeugen müssen, sofern nicht überwiegend Gülle eingesetzt wird.

Dabei wird auf die Verdrängung fossiler Energieträger bspw. für Heizzwecke und die Bereitstellung von Prozesswärme abgezielt. Möglichkeiten zur vollständigen Wärmenutzung sind bei vielen Anlagen technisch und wirtschaftlich allerdings nicht gegeben. So erweisen sich Nutzungsansätze wie die Versorgung eines Gewächshauses oder die Einspeisung in ein weitläufiges Wärmenetz häufig als nicht realisierbar.

Mit der Organic-Rankine-Cycle (ORC)-Technologie ist es möglich, mit der sonst nicht genutzten Abwärme Strom zu erzeugen. Hierdurch kann die Gesamteffizienz einer Biogasanlage deutlich erhöht werden.

Schaubild Organic-Rankine-Cycle (ORC)
Quelle: ORC-Fachverband e. V.

  • Erläuterung:
  • Der ORC-Prozess funktioniert grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip wie der Dampfturbinenprozess. Ein Arbeitsmedium wird erhitzt und verdampft (beim ORC wird ein organisches Medium mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur anstatt Wasser eingesetzt), anschließend wird der heiße Dampf in einer Turbine entspannt. Die in der Turbine anfallende Bewegungsenergie wird über einen Generator in elektrische Energie umgewandelt. Der entspannte Dampf wird in einem Kondensator abgekühlt und verflüssigt sich. Über eine Pumpe wird das flüssige Arbeitsmedium dem Verdampfer zugeführt und dort wiederum erhitzt und verdampft. Bei dem ORC-Prozess handelt es sich um einen geschlossenen Kreisprozess, was bedeutet, dass das Arbeitsmedium keinen Kontakt zur Umgebung hat und nicht verbraucht wird. Die bei der Kondensation auf einem niedrigeren Temperaturniveau anfallende Wärme eignet sich gut für die Bereitstellung von Heizwärme.
  • Der Prozess findet auf einem niedrigen Druck- und Temperaturniveau statt.
  • Die meisten Hersteller bieten ORC-Anlagenmodule platzsparend in einem Standardcontainer an, der dann sozusagen als Beistellkonzept neben dem Biogas-BHKW aufgestellt werden kann.
  • Dabei werden unterschiedliche technische Konzepte angeboten. Manche Hersteller binden ihre ORC-Module ausschließlich über den Heisswasserkreislauf ein, um das gesamte Abwärmepotenzial nutzen zu können. Andere wiederum verzichten auf den üblichen gesonderten Kreislauf mit Thermoöl und nutzen über einen Abgaswärmetauscher die Abgaswärme direkt für den ORC-Prozess. Auch werden Anlagen angeboten, die mit den hohen Abgastemperaturen Dampf erzeugen und diesen in einer Turbine zur Stromerzeugung nutzen. Die unterschiedlichen Bauweisen werden herstellerseitig durch die Leistungsgrösse der ORC-Anlagen und durch das nach dem Prozess noch verfügbare Wärmepotenzial – falls dies noch genutzt werden kann - begründet.
  • Ob sich im konkreten Fall, die Errichtung einer ORC-Anlage wirtschaftlich lohnt, kann nicht pauschal beantwortet werden. Hierzu ist eine individuelle Betrachtung des potenziellen Anwendungsfalls erforderlich.
  • Hinweis: Die HessenEnergie bietet im Auftrag des HMUKLV hierzu eine kostenfreie Vorfeldberatung an.
  • Zuerst sollte geprüft werden, wie groß die nach Abzug der Prozesswärme für den Gärprozess und – falls vorhanden – anderer Wärmenutzer, noch zur Verfügung stehende Abwärmemenge des BHKW ist. Dabei ist nicht nur die Wärmemenge (kWh) von Bedeutung sondern vor allem die Wärmeleistung (kW), die auch während der Wintermonate abgesichert zur Verfügung steht. Dies sollte durch Rücksprache mit dem Biogasanlagen- und dem BHKW-Hersteller abgeklärt werden.
  • Auf dieser Grundlage kann in der Vorfeldberatung untersucht werden, ob eine für diese Leistungsgröße geeignete ORC-Anlage eingesetzt werden kann. Dazu wird u. a. in einer Wirtschaftlichkeitsberechnung geprüft, ob eine entsprechende ORC-Anlage wirtschaftlich attraktiv sein könnte.
  • Darüber hinaus werden potenzielle Investoren über die bereits am Markt verfügbare Anlagentechnik und deren Betriebserfahrungen informiert. Auch können Kontakte zu Herstellern und deren Referenzanlagen vermittelt werden.