Abwärme clever nutzen

Jens Jüngel, Vertriebsexperte bei Hexonic, erklärt im Gespräch mit dem KältenKlub, wie dieser Prozess funktioniert, welche zentrale Rolle Wärmeübertrager dabei spielen und für welche Anwender sich die Technologie rechnet.

KältenKlub: Das Schlagwort, über das wir sprechen wollen, ist „Organic Rankine Cycle“. Was verbirgt sich dahinter und was haben Wärmeübertrager damit zu tun?

Jens Jüngel: Die Energiewende ist in aller Munde. Das Kernthema dabei ist, Strom und Wärme immer in ausreichender Menge und kostengünstig zur Verfügung zu stellen. Wir hören viel über erneuerbare Energien wie Photovoltaik oder Wärmepumpen. Das ist die eine Seite. Die andere Seite ist, bereits erzeugte Energie nicht zu verschwenden. In der deutschen Industrie werden beispielsweise immer noch über 100 Terawattstunden Wärme pro Jahr einfach weggekühlt. Der Organic Rankine Cycle ist ein Prozess, mit dem man diese bereits erzeugte Wärme in Strom umwandeln kann, anstatt sie ungenutzt zu lassen.

KältenKlub: Wie funktioniert dieser Prozess genau?

Jens Jüngel: Der Organic Rankine Cycle ist dem klassischen Dampfprozess sehr ähnlich. Der entscheidende Unterschied ist, dass man nicht Wasser als Dampfträger nutzt, das unter Umgebungsbedingungen erst bei 100 °C verdampft. Stattdessen verwendet man ein organisches Fluid – das können Kohlenwasserstoffe wie Zyklopentan, klassische Kältemittel oder auch Silikonöle sein. Diese Medien verdampfen bei deutlich niedrigeren Temperaturen. Das erlaubt uns, Wärmequellen mit einem viel geringeren Temperaturniveau zu nutzen, um das Medium zu verdampfen. Der entstandene Dampf treibt eine Turbine an, diese wiederum einen Generator, und so wird Strom erzeugt. Anschließend wird der Dampf nach der Turbine wieder kondensiert und im geschlossenen Kreis gefahren.

Es gibt also politischen, aber auch wirtschaftlichen Druck.

KältenKlub: Kann man sich das vereinfacht wie einen Kältekreislauf vorstellen, der zusätzlich eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt?

Jens Jüngel: Im Grunde ist es genau das. Es ist ein geschlossener Kreislauf mit einem Medium, einem Verdampfer und einem Kondensator. Hinzu kommt oft noch ein Rekuperator, auf den wir später noch eingehen können. Als Wärmequelle kann Geothermie dienen, Wärme aus industriellen Prozessen oder auch die überschüssige Wärme eines Blockheizkraftwerks (BHKW), die vor Ort nicht genutzt werden kann. Strom lässt sich schließlich besser transportieren und speichern als Wärme. Diese Abwärme wird genutzt, um das organische Arbeitsmedium zu verdampfen. Der Dampf treibt die Turbine und den Generator an, Strom wird produziert, und der Dampf wird danach wieder verflüssigt und dem Kreislauf erneut zugeführt.

Die Schlüsselkomponente: Der Wärmeübertrager

KältenKlub: Das wirft eine praktische Frage auf: Wie bekomme ich die Abwärme, zum Beispiel von einem BHKW, in diese ORC-Anlage?

Jens Jüngel: Das ist eines der spannendsten Themen. So flexibel wie die Wärmequelle sein kann – ob Industrie, BHKW oder Geothermie –, ich brauche immer einen Wärmeübertrager, um die Energie aus der Wärmequelle auf das Arbeitsmedium zu übertragen.

KältenKlub: Der Wärmeübertrager ist also die Schlüsselkomponente?

Jens Jüngel: Er ist absolut eine Schlüsselkomponente, natürlich neben der Turbine, die den Dampf verarbeitet. Der Wärmeübertrager wird an mehreren Stellen im Prozess benötigt: als Verdampfer, als Kondensator und in der Regel auch als Rekuperator. Meist sind also zwei bis drei Wärmeübertrager in einem ORC-Prozess im Einsatz. Sie sind prozessrelevant und haben einen direkten Einfluss auf die Effizienz und das Ergebnis des gesamten Prozesses.

KältenKlub: Du bist bei Hexonic auf industrielle Anwendungen spezialisiert. Wir reden hier also nicht von Lösungen für ein Einfamilienhaus, oder?

Jens Jüngel: In diesem Fall reden wir von größeren Objekten. ORC-Prozesse sind häufig Großprojekte. Es gibt zwar modulare Lösungen im Markt, die in Containern verbaut sind und auch in kleineren Bereichen eingesetzt werden können, aber oft wird die Technologie in wirklich großen Projekten realisiert.

Als Wärmequelle kann Geothermie dienen, Wärme aus industriellen Prozessen oder auch die überschüssige Wärme eines Blockheizkraftwerks.

KältenKlub: Für wen ist das denn interessant? Könnte eine große Bäckerei so etwas schon nutzen?

Jens Jüngel: Hauptsächlich sind es kommunale Träger oder große Industriefirmen. Dazu zählen Chemieparks, Zementwerke, die Stahlindustrie, aber auch große Lebensmittelhersteller kämen dafür infrage. Wie gesagt, es gibt am Markt Lösungen von mehreren Kilowatt bis in den Megawatt-Bereich. Wir realisieren gerade ein Projekt mit einem Kunden, bei dem er erstmals die Schwelle von einem Megawatt überschreitet. Dafür entwickeln wir speziell designte Wärmeübertrager, die nicht aus dem Katalog stammen, sondern bei denen wir zusammen mit dem Kunden ins Engineering gehen.

KältenKlub: Wie kommt ein Betreiber überhaupt auf die Idee, seine Abwärme so zu nutzen?

Jens Jüngel: Grundsätzlich steht die Wärmewende im Fokus. Jedes herstellende Gewerbe muss seinen CO₂-Fußabdruck kontrollieren und dokumentieren. Es gibt also politischen, aber auch wirtschaftlichen Druck. Wenn ich Abwärme habe und sie nicht nutze, muss ich Strom aufwenden, um einen Rückkühler zu betreiben, der die Wärme in die Atmosphäre bläst. Man kann aber auch anders denken: Ich habe bereits Geld investiert, um diese Wärme für meinen Prozess zu erzeugen. Warum sollte ich nochmals Geld ausgeben, um sie wegzukühlen? Stattdessen kann ich etwas Sinnvolles damit machen, das mir einen Return on Investment bringt – und das ist die Stromproduktion. Es gibt Anbieter, die solche Gesamtsysteme bauen, und wir sind der Zulieferer für diese Anlagenbauer, der die Wärmeübertrager beisteuert.

KältenKlub: Bevor wir weitermachen, eine kurze Frage zur Terminologie: Heißt es korrekt „Wärmetauscher“ oder „Wärmeübertrager“?

Jens Jüngel: Fachlich korrekt heißt es Wärmeübertrager. Wir tauschen die Wärme nicht, sondern wir übertragen sie immer vom warmen zum kalten Medium. Der Volksmund spricht aber oft vom Wärmetauscher.

In dem Dampf nach der Turbine [...] ist noch Restwärme enthalten.

KältenKlub: Fassen wir den Prozess doch einmal Schritt für Schritt zusammen, um ihn noch verständlicher zu machen.

Jens Jüngel: Gerne. Der Kreislauf beginnt mit der Druckerhöhung. Mit einer Pumpe, die elektrische Energie benötigt, bringen wir das flüssige Medium auf den nötigen Prozessdruck. Anschließend strömt es in den ersten Wärmeübertrager, den Verdampfer. Hier wird die Energie der Wärmequelle auf das Medium übertragen, wodurch es verdampft und unter hohem Druck sowie hoher Temperatur steht. Dieser heiße Dampf gelangt dann in die Turbine, treibt diese an und wird dabei bereits etwas entspannt. Die Turbine ist die Arbeitsmaschine, die den Generator zur Stromproduktion antreibt. Nach der Turbine kommt der Dampf in den Kondensator, wo er weiter entspannt und wieder verflüssigt wird.

KältenKlub: Du hattest vorhin noch einen „Effizienzbooster“ erwähnt.

Jens Jüngel: Genau, das ist der Rekuperator. In dem Dampf nach der Turbine beziehungsweise im bereits kondensierten Medium ist noch Restwärme enthalten. Diese Wärme entziehen wir im Rekuperator und übertragen sie zurück in den Kreislauf auf das kalte Medium, kurz bevor es in den Verdampfer eintritt. Dadurch heizen wir das Medium bereits vor, nutzen die Temperatur noch besser und steigern so die Effizienz des Gesamtprozesses. Alternativ könnte man diese Restwärme an dieser Stelle auch auskoppeln und beispielsweise in ein Nahwärmenetz einspeisen, falls dafür Verwendung besteht.

KältenKlub: Zusammenfassend lässt sich der Organic Rankine Cycle also beschreiben als ein Turbinenprozess zur Stromerzeugung, der mit einem Medium funktioniert, das schon bei niedrigen Temperaturen verdampft.

Jens Jüngel: Das ist eine sehr gute Zusammenfassung. Dadurch kann ich auf ein Temperaturniveau heruntergehen, auf dem ein klassischer Wasserdampfprozess nicht mehr wirtschaftlich sinnvoll zu betreiben wäre.

KältenKlub: Das ist ein sehr spannendes Thema. Vielen Dank für die detaillierten Einblicke.

Bild: KältenKlub