Abwärme nutzen

Der Organic-Rankine-Cycle (ORC) ist eine Variante des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, bei dem Wärme zunächst in mechanische Arbeit und anschließend in elektrische Energie umgewandelt wird. Während in konventionellen Dampfkraftwerken Wasser als Arbeitsmedium dient, kommen bei einem ORC organische Arbeitsmedien wie Kältemittel zum Einsatz. Aufgrund von niedrigeren Verdampfungstemperaturen ermöglicht dies die Nutzung von Niedertemperaturwärmequellen zur Stromerzeugung – beispielsweise aus industrieller Abwärme. Im Fokus dieses Artikels stehen ORC-Abwärmekraftwerke, die mit Schraubenexpandern arbeiten.

Die ORC-Technologie spielt ihre Vorteile insbesondere bei Anwendungen aus, bei denen das Temperaturdifferenzial zwischen Wärmequelle und -senke für konventionelle Dampfturbinen nicht ausreicht. Entsprechend liegen Druck und Temperatur im ORC-Prozess unter den typischen Betriebsbedingungen klassischer Dampfkraftwerke, da ORC Abwärmekraftwerke im inneren Kreislauf mit Betriebsparametern von etwa +75–260 °C arbeiten, während Dampfkraftwerke Dampftemperaturen bis +600 °C und Drücke bis 280 bar erreichen. Kältemittel als organische Arbeitsmedien im ORC-Prozess erfordern eine geringere Überhitzung, erleichtern die Expansion und verbessern die Effizienz unter Niedertemperaturbedingungen.

Abwärmenutzung als Baustein effizienter und nachhaltiger Energiesysteme

Als einer der Hauptverursacher von CO₂ und anderen Treibhausgasen steht die Industrie im Fokus der europäischen Klimapolitik. Gesetzliche und regulatorische Vorgaben wie der European Green Deal und das Fit-for-55-Paket der EU sowie nationale Vorgaben einzelner EU-Staaten definieren klare Vorgaben für die Dekarbonisierung. Bis zum Jahr 2050 strebt das EU-Klimagesetz Netto-Null-Treibhausemissionen („Klimaneutralität“) an. Auch das Thema Energieeffizienz wird von der EU-Politik forciert – etwa durch die Richtlinie (EU) 2023/1791, die den Grundsatz „Energieeffizienz an erster Stelle“ verankert. Zudem sind in Deutschland Unternehmen mit einem Gesamtendenergieverbrauch von mehr als 2,5 GWh pro Jahr seit dem Inkrafttreten des Energieeffizienzgesetzes (EnEfG) vom 18. November 2023 dazu verpflichtet, Informationen über anfallende Abwärme zu melden. Neben einer ethischen Verantwortung entwickelt sich Nachhaltigkeit zu einem entscheidenden Faktor für langfristige Wettbewerbsfähigkeit.

Die Nutzung industrieller Abwärme steigert die Energieeffizienz und senkt gleichzeitig die Betriebskosten.

ORC Abwärmekraftwerke ermöglichen es, Wärmequellen zur Stromerzeugung zu erschließen, die aufgrund ihres niedrigen Temperaturniveaus bislang nicht nutzbar waren. Gerade in energieintensiven Branchen wie der Metall und Glasindustrie, in Chemie und Zementwerken sowie in der Lebensmittelproduktion bietet die Nutzung von Abwärme aus Produktionsprozessen großes Potenzial, um Energie effizienter zu nutzen und Emissionen zu senken. Vergleichbare Rahmenbedingungen finden sich auch im dynamisch wachsenden Rechenzentrumsmarkt: Mithilfe der ORC Technologie lässt sich die Abwärme der oftmals vor Ort betriebenen Gasturbinen oder Gasmotoren in saubere, grundlastfähige elektrische Energie umwandeln und direkt vor Ort nutzen – ein entscheidender Vorteil angesichts begrenzter Netzanschlüsse und des steigenden Bedarfs an eigener Stromerzeugung an Rechenzentrumsstandorten. Zudem kann der Einsatz von ORC Abwärmekraftwerken die Abhängigkeit von zusätzlich installierten Gasturbinen oder -motoren verringern, deren lange Lieferzeiten den Ausbau von Rechenkapazitäten verzögern können. Neben den technischen und infrastrukturellen Vorteilen sprechen auch wirtschaftliche Aspekte für diese Lösung: Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass sich entsprechende Investitionen zeitnah amortisieren.

Thermodynamische Grundlagen: der Organic-Rankine-Cycle einfach erklärt

Die wesentlichen Komponenten und das Prinzip eines ORCs sind in Bild 1 dargestellt. Die industrielle Abwärme wird im Verdampfer auf ein Kältemittel übertragen, das als Arbeitsmedium fungiert. Ein Schraubenexpander entspannt daraufhin das heiße, unter Druck stehende Kältemittel von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite. Die dabei entstehende mechanische Energie aus der Bewegung der Rotoren wird auf einen Generator übertragen und dort in elektrische Energie umgewandelt.

Das gasförmige Kältemittel wird in einem nächsten Schritt im Verflüssiger verflüssigt. Eine Pumpe bringt das Kältemittel anschließend auf Ausgangsdruck und fördert es in den Verdampfer. Aus dem Verdampfer strömt das gasförmige Arbeitsmedium mit hoher Temperatur und hohem Druck in den Schraubenexpander zur Expansion. Die Wahl des Kältemittels hängt von der Temperatur und dem thermischen Verhalten der verfügbaren Wärmequelle ab. Geeignet sind unter anderem R1233zde(E) sowie einige natürliche Kältemittel.

Modulare ORC-Systeme ermöglichen eine flexible Integration in unterschiedlichste industrielle Anwendungen.

Standardisierte ORC-Komponenten für individuelle Lösungen der Wärmerückgewinnung

Die individuellen Prozessbedingungen und Rahmenparameter der Anwendung entscheiden, wie sich ein ORC-Abwärmekraftwerk optimal integrieren und ausführen lässt. Denn Abwärme ist nicht gleich Abwärme. So unterscheidet sich unter anderem das Temperaturniveau und die Abwärmemenge je nach Branche beziehungsweise Prozess. Daher gilt es zunächst, das technische und wirtschaftliche Potenzial für ein ORC-Abwärmekraftwerk zu messen und zu evaluieren.

BPower erleichtert Endanwendern in EMEA und APAC mit einem ganzheitlichen Ansatz den Einstieg in die ORC-Technologie – als Generalunternehmen, das alle Projektphasen begleitet und auch selbst ausführt. Seit 2023 ist BPower Teil der BITZER Gruppe und verantwortet sämtliche Schritte rund um das ORC-Abwärmekraftwerk: von der Planung und Projektierung über die Installation bis hin zum technischen Kundenservice. Damit steht der Industrie ein verlässlicher Partner zur Seite, der sämtliche Leistungen rund um die ORC-basierte Abwärmenutzung aus einer Hand bietet.

BPower setzt auf modulare, kompakte und seriengefertigte ORC-Lösungen, die flexibel an spezifische Projektanforderungen angepasst werden können. Kernkomponente der Abwärmekraftwerke ist ein halbhermetischer Schraubenexpander von BITZER mit integriertem Generator. Diese Bauweise benötigt keine Wellenabdichtung, was das Risiko von Kältemittelverlusten reduziert und die Betriebssicherheit erhöht. Die Schraubenexpander sind für Leistungen bis zu 375 kW (Modell: CSE10593) verfügbar und für die Kältemittel R245fa und R1233zde(E) entwickelt.

Erfolgreich in der Praxis

ORC-Lösungen zur emissionsfreien Stromerzeugung haben sich in der Praxis bereits in zahlreichen Projekten bewährt. So ist ein ORC Abwärmekraftwerk beispielsweise einem regulären Kraftwerk zur Stromerzeugung nachgeschaltet. Die ORC-Anlage ist seit 2022 in Betrieb und nutzt die Abwärme der Dampfturbine (siehe Bild 2). Dabei wird Abdampf von rund 30 t/h bei einer Temperatur von +150 °C verarbeitet. Für den Betreiber besonders attraktiv ist ein zusätzlicher Mehrwert des Anlagenkonzepts: Die integrierte Rückgewinnung des Kondensats führt zu einer merklichen Wasserersparnis.

Praxisprojekte zeigen, dass sich Investitionen in ORC-Abwärmekraftwerke durch Energie­einsparungen zeitnah amortisieren können.

Dass sich ORC Abwärmekraftwerke auch unter sehr unterschiedlichen Rahmenbedingungen erfolgreich einsetzen lassen, zeigen weitere Projekte weltweit. So ist BPower unter anderem in der APAC-Region aktiv und begleitet ORC-Projekte dort von der Planung bis zur Inbetriebnahme. Ein Beispiel dafür ist die Insel Pohnpei in Mikronesien, auf der das Unternehmen drei containerisierte ORC-Abwärmekraftwerke erfolgreich installiert und in Betrieb genommen hat (siehe Bild 3). Aufgrund der abgelegenen Lage ist die Energieversorgung der Insel bislang stark auf Dieselgeneratoren angewiesen. Die neuen ORC-Abwärmekraftwerke nutzen die Abwärme dieser Generatoren zur zusätzlichen Stromerzeugung. Der Strom wird in das lokale Netz eingespeist. Bei einer Motorauslastung von 75 % erreichen die Anlagen eine Gesamtleistung von rund 140 kWel/h, während sich gleichzeitig der Bedarf an Motorkühlung um etwa 120 kWel/h reduziert. Es können Einsparungen von rund 18 % erzielt werden. Die ORC-Abwärmekraftwerke bieten hier einen doppelten Nutzen: eine höhere Energieeffizienz und einen spürbar geringeren Dieselverbrauch der Generatoren – ein wichtiger Aspekt, da der Brennstoff aufwendig importiert werden muss.

Organic-Rankine-Cycle: eine Investition in Zukunftssicherheit

Die vorgestellten Praxisbeispiele verdeutlichen: Die ORC-Technologie ermöglicht es, vorhandene, häufig bisher ungenutzte Abwärme effizient in emissionsfreien Strom umzuwandeln und dem Energiesystem zuzuführen. Anbieter wie BPower unterstützen die Umsetzung mit umfassenden Serviceleistungen entlang des gesamten Projektzyklus. Ergänzend können flexible Betreibermodelle wie Co-Ownership sowie nationale Förderprogramme die Investitionsentscheidung erleichtern. Ein ORC-Abwärmekraftwerk verbindet damit Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit: Die intelligente Nutzung vorhandener thermischer Ressourcen senkt CO₂-Emissionen, erhöht die Gesamtenergieeffizienz und stärkt langfristig die Zukunftssicherheit energieintensiver Anwendungen.

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