Niedrige Abwärmeniveaus können nur selten technisch genutzt werden, und wenn, dann meist im Wärmemarkt. Mit Hilfe von Organic Rankine Cycle können sie auch in Strom umgewandelt werden.
Außenansicht des ORC-Systems am KIT während der Bauphase.
KIT
Niedertemperaturige Abwärme kann man mittels kohlenstoffbasierter Kühlmittel auf höhere Temperaturniveaus anheben und damit etwa Storm erzeugen. "Da es sich bei Wärmeträgermedien um kohlenwasserstoffbasierte Substanzen handelt, wird vom Organic Rankine Cycle (ORC) gesprochen. Die Verdampfungswärme liegt bei den meisten Substanzen eine Größenordnung unter der von Wasser", benennt Springer-Vieweg-Autor Christian Synwoldt in seinem Buchkapitel Technologien ab Seite 251 diese Technologie. Benannt wurde sie nach dem britischen Begründer der Thermodynamik, William John Macquorn Rankine.
Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur in Betrieb gegangen, mit der die Potenziale dieser Technologie ausgelotet werden sollen. Das Technikum MoNiKa (für Modularer Niedrigtemperaturkreislauf Karlsruhe) soll die Umwandlung überschüssiger Wärme in Strom mittels ORC effizienter und umweltfreundlicher gestalten. MoNiKa erreicht eine thermische Leistung von einem Megawatt und damit eine Größenordnung, mit der Forschungsergebnisse gut auf die Praxis übertragen und skaliert werden können.
Überschuss-Wärme sinnvoll nutzen
"Statt Wärme, die ohnehin als Überschuss vorhanden ist, in die Umgebung abzuführen, ist es sinnvoller, sie weiter zu nutzen und damit Strom zu produzieren", erklärt Dietmar Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe Energie- und Verfahrenstechnik am Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des KIT. Schwerpunkt ist die Verstromung von Wärme von unter 200 Grad Celsius für die Versorgung von Privathaushalten.
Bei ORC handelt es sich um einen Flüssig-Dampf-Kreislauf, bei dem ein Fluid im Kreis gepumpt und unter Druckerhöhung aufgeheizt wird, bis es verdampft. Der so erzeugte Dampf wird über eine Turbine geführt. Diese entzieht ihm den Druck und die Temperatur und generiert dabei Strom.
Knackpunkt ist das Fluid. Bisher kommen dafür Kühlmittel mit hohem Treibhauspotenzial (GWP für Global Warming Potential, Faktor gibt die Schädlichkeit gegenüber einem CO2-Äquivalent an) zum Einsatz. MoNiKa will nun Propan nutzen, das weltweit bereits als Kühlmittel eingesetzt wird und ein GWP von 3 hat. Herkömmliche Kühlmittel haben meist einen vierstelligen GWP.
Wirkungsgrad noch sehr gering
Ein weiterer Schwerpunkt ist der bisher geringe Wirkungsgrad von nur 10 bis 15 Prozent. "Die ORC-Anlagen leiden insbesondere im unteren Temperaturbereich etwas unter dem niedrigen thermischen Wirkungsgrad, der ihnen speziell bei Luftkühlung einen hohen Eigenbedarf einbringt", beschreiben dies die Springer-Spektrum-Autoren Ingrid Stober und Kurt Bucher in ihrem Buchkapitel Geothermische Nutzungsmöglichkeiten ab Seite 64. Am KIT-Technikum will man deswegen den Dampfkreislauf – anders als in den meisten ORC-Kraftwerken – überkritisch betreiben. Es wird also bei Temperatur, Druck und Dichte der sogenannte kritische Punkt überschritten, an dem ein Gas flüssig wird und umgekehrt. Die Phasenübergänge werden dabei fließend. So könnte man die Stromausbeute um zwanzig bis dreißig Prozent erhöhen.