Innovative Technologie gewinnt Energie aus Abwärme

Kraftstoff- und emissionsfreie Generatoren wandeln minderwertige Abwärme von Dieselgeneratoren in Strom um.

Im Jahr 2014 wurden drei ORC-Generatoren (Organic Rankine Cycle) installiert, um die Abwärme von drei Dieselaggregaten im Kraftwerk Dutch Harbor auf den abgelegenen Aleuteninseln Alaskas in Strom umzuwandeln. Die Generatoren erfassen Abwärme bei Temperaturen von bis zu 170 °F aus dem Mantelwasser von zwei Wärtsilä W12V32-Dieselmotoren und zwei Caterpillar C280-16-Dieselmotoren.

Selbst bei dieser niedrigen Abwärmetemperatur liefern die Generatoren rund 75 kW Bruttoleistung für den Standort. Der erzeugte Strom wird direkt ins Netz eingespeist, wo die Stromkosten für Privathaushalte bis zu 0,50 US-Dollar/kWh betragen, einige der höchsten in Nordamerika und viermal so hoch wie der nationale US-Durchschnitt von 0,12 US-Dollar/kWh.

1. Der POWER+ GENERATOR 4400 erzeugt bis zu 75 kW und ist ideal für Abwärme mit geringem Durchfluss. In diesem Bild überwacht ein Bediener den Gerätebetrieb über die Mensch-Maschine-Schnittstelle. Mit freundlicher Genehmigung: ElectraTherm

Die Stadt Unalaska und die Alaska Energy Authority kauften die drei Generatoren (Abbildung 1), um die ungenutzte, vorhandene Abwärmeressource im Kraftwerk zu nutzen und erkannten das Potenzial, Zehntausende Dollar pro Jahr an Treibstoffkosten einzusparen. Die Reduzierung der Kühllasten ist ein zusätzlicher Vorteil, da die Installationen die erforderliche Kühlarbeit für die Kühler der Dieselmotoren reduzieren. Alle drei ORC-Generatoren nutzen einen Kühlkreislauf, der durch Meerwasser mit einer durchschnittlichen Eingangstemperatur von 45 °F bereitgestellt wird.

Die Generatoren wurden von ElectraTherm bereitgestellt und werden von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) von AutomationDirect gesteuert, die alle erforderlichen Steuerungs- und Überwachungsfunktionen bereitstellt. Darüber hinaus stellt AutomationDirect eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) bereit, über die Bediener den Betrieb nach Bedarf anzeigen und anpassen können.

In einem typischen stationären Hubkolbenmotor mit Diesel-, Erdgas- oder Biogasantrieb werden nur etwa 33 % der eingesetzten Kraftstoffenergie (Verbrennung) in Strom umgewandelt, die restliche Energie geht als Abwärme verloren. Zu den größten Verlusten bei niedrigen Temperaturen zählen 27 % durch Kühlerwärme und 5 % durch Reibung. Weitere 35 % gehen als Hochtemperaturwärme im Abgas verloren.

Diese Abwärmemenge ist bei Hubkolbenmotoren üblich. Darüber hinaus enthalten heiße Abgase aus praktisch allen Verbrennungsprozessen – beispielsweise solchen, die zum Befeuern von Öfen, Brennöfen, Öfen, Verbrennungsanlagen, thermischen Oxidationsanlagen und Kesseln verwendet werden – einen großen Teil der ursprünglichen Energie des verbrauchten Brennstoffs. Wenn diese Wärme zurückgewonnen und in Strom umgewandelt wird, erhöht sich die Gesamteffizienz der Anlage.

In der Vergangenheit gab es nicht viele bewährte kommerzielle Produkte zur Umwandlung dieser Art von Abwärme in Strom, sodass den Betreibern kaum eine andere Wahl blieb, als den Wärmeverlust an die Atmosphäre in Kauf zu nehmen. Heute hat ElectraTherm weltweit mehr als 70 Einheiten mit mehr als 1,2 Millionen Stunden Flottenerfahrung im Einsatz und spart seinen Kunden dabei Millionen von Dollar.

Das POWER+ GENERATOR-Design und die damit verbundenen proprietären Technologien ermöglichen die Stromerzeugung aus Niedertemperatur-Wärmequellen im Bereich von 170 °F bis 270 °F. Diese Abwärme-zu-Strom-Technologie wandelt verschiedene Energiequellen in Strom um, darunter Abwärme, die von Verbrennungsmotoren, kleiner Geothermie, Biomasse, konzentrierter Solarenergie und Prozesswärme erzeugt wird.

Die Hauptanwendung besteht darin, die Abwärme stationärer Verbrennungsmotoren in Strom umzuwandeln. Typische Installationsstandorte umfassen die Primärstromerzeugung in abgelegenen Gebieten, auf Inseln und in Entwicklungsländern; Biogasaggregate einschließlich Deponie- und Abwasseraufbereitungsanlagen; Erdgaskompressionsstationen; und erneuerbare Biokraftstoffe.

ElectraTherm nutzt die ORC-Technologie (Abbildung 2), ein Verfahren, das dem einer Dampfmaschine ähnelt. Der Hauptunterschied zur ORC-Technologie besteht darin, dass das in einer Dampfmaschine verwendete Wasser durch eine Flüssigkeit mit einem viel niedrigeren Siedepunkt ersetzt wird. Der ORC-Prozess ist wie ein rückwärts laufender Kühlschrank, bei dem der Wärmefluss zur Stromerzeugung genutzt wird.

Zu den Schritten im ORC-Prozess gehören:

Die von großen stationären Motoren erzeugte Wärme ist typischerweise zu niedrig, um eine Dampfmaschine zur Stromerzeugung anzutreiben. Der Ersatz von Wasser und Dampf durch alternative Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt ermöglicht eine modifizierte Version des traditionellen Rankine-Zyklus zur erfolgreichen Nutzung der Abwärme.

Zu solchen Flüssigkeiten gehören organische Moleküle wie Kohlenwasserstoffe wie Pentan oder Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel, daher der Spitzname ORC. Die ORC-Abwärme-zu-Strom-Generatoren von ElectraTherm verwenden einen Fluorkohlenwasserstoff namens R-245fa (1,1,1,3,3-Pentafluorpropan), eine nicht brennbare, ungiftige Flüssigkeit mit einem Siedepunkt etwas unter Raumtemperatur, etwa 58 °F.

Anstelle von Radial- oder Axialturbinentechnologien verwendet ElectraTherm in seinem Wärme-Strom-Erzeugungssystem einen Doppelschneckenexpander. Der Expander ist eine der Hauptkomponenten zur Stromerzeugung aus verschiedenen Wärmequellen.

Doppelschneckenexpander bieten Vorteile bei Niedertemperaturanwendungen in kleinem Maßstab, darunter:

Der Doppelschneckenexpander hat eine Drehzahl von 1.800–4.900 U/min, deutlich weniger als Turboexpander. Im Gegensatz zu Hochgeschwindigkeits-Turboexpandern tolerieren Schraubenexpander eine „nasse“ Zweiphasenströmung. Dadurch kann der POWER+ GENERATOR kostengünstigere und kompaktere Wärmetauscher nutzen, die Temperatur- und Strömungsunterbrechungen tolerieren können, wobei auf Anfrage Regelverhältnisse von 6:1 verfügbar sind. Dies ist besonders vorteilhaft bei Abwärmeströmen mit niedriger Temperatur, wie z. B. dem Mantelwasser von Kolbenmotoren. Das System verwendet außerdem ein patentiertes Schmierschema, das die Konstruktion vereinfacht und Schmierstoffbehälter, Ölkühler, Pumpen und zugehörige Filter überflüssig macht. Durch dieses Design entsteht ein einfaches, robustes und effizientes System mit weniger parasitären Lasten und Wartungsanforderungen. Es vereinfacht auch die Automatisierung und den Betrieb der Geräte.

Der POWER+ GENERATOR ist so konzipiert, dass er automatisch läuft, ohne dass eine Aufsicht oder Überwachung durch den Kunden erforderlich ist. Nach dem Start hält die Proportional-Integral-Differentialfunktion (PID) in der SPS die Systemleistung auf dem Sollwert. Die SPS (Abbildung 3) wurde aufgrund ihrer Erweiterbarkeit, PID-Steuerungsfunktionen und Benutzerfreundlichkeit ausgewählt. Ein weiterer Grund für die Auswahl von AutomationDirect-Komponenten war die Unterstützung des Value-Added-Resellers Quantum Automation. Das Unternehmen unterstützte bei der ersten Konzeption und unterstützte den gesamten Prozess der Integration eines neuen Automatisierungssystems in die Power+-Generatoren.

3. Programmierbare Logiksteuerungen (SPS) von AutomationDirect steuern die aktive Flotte von Power+-Generatoren von ElectraTherm. Mit freundlicher Genehmigung: ElectraTherm

Die PID-Regelkreisregelung der SPS umfasst eine automatische Abstimmung, mit der schnell nahezu optimale Regelkreiseinstellungen bereitgestellt werden können, sowie eine Vielzahl von Regelungsmodi, darunter automatisch, manuell und kaskadiert. Es wurden verschiedene Alarme programmiert, darunter Prozessvariable, Änderungsrate und Abweichung.

Die SPS steuert die Arbeitsflüssigkeits-Förderpumpe, Sicherheitsventile und verschiedene andere Subsysteme und vor Ort angeschlossene Geräte. Basierend auf Sensoreingaben kann die SPS den Prozess stoppen, wenn unerwünschte oder unsichere Bedingungen auftreten. Es steuert außerdem ein Dreiwegeventil auf der ummantelten Wasserseite, um den Wärmetauscher bei Bedarf zu umgehen. Eine zusätzliche Pumpe zur Umwälzung des Wassers durch einen Abgaswärmetauscher ist ebenfalls SPS-gesteuert, sofern vorhanden.

Zusätzlich zum diskreten Eingang/Ausgang (I/O) werden im System eine Vielzahl von Temperatursensoren und Drucktransmittern verwendet und von der SPS überwacht, einschließlich der Wassereinlass- und -auslasstemperaturen sowie der Einlass- und Auslasstemperaturen und -drücke des Expanders. Diese Sensoren werden zur Überwachung der Prozessstabilität und -sicherheit eingesetzt. Die Ausgangsleistung wird ebenfalls gesteuert und überwacht.

Das HMI wurde aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit, der Verfügbarkeit von Datenprotokollierung, Upload-Funktionen und niedrigen Kosten als Bedienerschnittstelle ausgewählt. Neben grafischen Anzeigefunktionen bietet es Alarmierung, Fernzugriff, Logik, Mathematik und Unterstützung zahlreicher Kommunikationsprotokolle. Der Maschinenstatus kann direkt oder aus der Ferne eingesehen werden.

Ungefähr 60 % des von den drei Dieselaggregaten im Kraftwerk Dutch Harbor verbrauchten Kraftstoffs werden über Mantelwasser und Abgas in Abwärme umgewandelt. Die Alaska Energy Authority schätzt, dass durch den Einsatz von Power+ durch die Umwandlung eines Teils dieser Abwärme in Strom jährliche Energieeinsparungen in Höhe von 100.000 US-Dollar erzielt werden.

Durch den Kühleffekt des POWER+-Systems konnte durch das System auch einer der drei Motorkühler eingespart werden, wodurch zusätzliche Leistung aus den Dieselaggregaten bereitgestellt wurde. Da der POWER+ GENERATOR die Kühllast des Mantelwasserkreislaufs um 70 % bis 100 % reduzieren kann, verringerte er auch die Temperatur des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers. Dadurch stiegen die Ladeluftdichte und die effektive Motorleistung, was wiederum zu einer Steigerung der Kraftstoffeffizienz um bis zu 10 % führte.

Zusätzlich zu den Vorteilen der Stromerzeugung reduzierte der POWER+ GENERATOR auch die Kühlarbeit des Kühlers. Dieser Temperaturrückgang verringerte die erforderliche thermische Kühlarbeit der Motoren pro Monat um etwa 8.000 kW, wodurch jährlich etwa 500 Gallonen Kraftstoff eingespart wurden. ■

—Joe Thibedeauist Steuerungssystemingenieur, EIT bei ElectraTherm.

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