Effizienzsteigerung von Bioenergieanlagen durch ORC-Minikraftwerke

Jahr der Archivierung: 2015 (seitdem keine Aktualisierung des folgenden Textes).

In der Bioenergieregion Bayreuth werden derzeit (Stand 2015) 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

Studie zu Mini ORCs

Ausgangssituation

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) neuerlich 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  uch 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 eines derzeit 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 wird eine neuartige ORC-Demonstrationsanlage entwickelt und an der Universität Bayreuth aufgebaut. Bei dieser Anlage wird die Wärmeeinkopplung über eine innovative Direktverdampfung und die Entspannung über eine effiziente Mikro-Expansionsturbine erfolgen. 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. 

Projektbeschreibung

Gegenstand des Projekts ist die Erstellung einer Studie zur Nachverstromung ungenutzter Abwärme von Biogas-BHKWs. Basierend auf einem innovativem ORC-Konzept, welches derzeit im Rahmen eines BFS-Projektes entwickelt und getestet wird, sollen technische und wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten dieses Konzeptes für solche Anlagengrößen und Abwärmepotenziale untersucht werden, die in der Bioenergieregion Bayreuth als typisch zu betrachten sind. Außerdem sollen auf Simulationen gestützte Vergleiche mit weiteren ORC-Anlagenkonzepten und Schaltungsvarianten aufzeigen, inwieweit im Einzelfall noch zusätzliche Potenziale zur Verbesserung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Abwärme-Nachverstromung erschließbar wären. 
Damit werden 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.

Maßnahmen

• Erstellung einer Liste von Angaben, die bei der von der Bioenergieregion geplanten Erhebung unter BHKW-Betreibern in der Region abgefragt werden sollten. Im Fokus steht dabei die quantitative Erfassung der anlagenbezogenen Wärmeerzeugung und –nutzung.
• Mitwirkung bei einer von der Bioenergieregion organisierten und durchgeführten Informationsveranstaltung. Die regionalen BHKW-Betreiber sollen dabei in einer Präsentation über Ziele und Inhalte der Studie informiert werden.
• Auswertung der von Bioenergieregion bereitzustellenden, anlagenbezogenen BHKW-Daten.
• Definition von fünf regional repräsentativen Fallbeispielen.
• Modellierung und Simulation des im BFS-Projekt „Entwicklung eines ORC-Minikraftwerkes zur Abwärmenutzung“ bereits erarbeiteten Anlagendesigns sowie weiterer Konzepte und Schal-tungsvarianten für die Fallbeispiele.  
• Energetische und ökonomische Analyse sowie vergleichende Bewertung der untersuchten Optionen.
• Übertragung der fallbezogenen Ergebnisse auf die gesamte Bandbreite der regionalen Biogas-BHKWs anhand einfacher Sensitivitätsanalysen.
• Formulierung genereller Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Energieeffizienz der Biogas-BHKWs in der Bioenergieregion Bayreuth.
• Schriftliche Dokumentation der Ergebnisse der Studie.
• Vorstellung der Ergebnisse im Rahmen einer von der Bioenergieregion organisierten und durchgeführten Informationsveranstaltung.

Ziele

• Testung des ORC-Konzepts an fünf regionalen repräsentativen Fallbeispielen
• Entwicklung von Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Bioenergieanlagen

Partner

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

Download

• ATEV Studie Stromerzeugung aus Abwärme von Biogas-BHKWs über Mini-ORC-Anlage