Projekte ZIM ORC

ZIM ORC

ZIM ORC entwickelt ein Kleinkraftwerk zur Produktion von Strom, Wärme und Kälte aus Restwärme. Das Ergebnis ist eine zweistufige ORC-Anlage (Organic Rankine Cycle) zur Verstromung nicht genutzter Abwärme, die technisch besonders effizient und damit wirtschaftlich rentabel ist. Im Rahmen des Vorhabens wird ein voll funktionsfähiges Kleinkraftwerk als Prototyp aufgebaut.

Die Notwendigkeit zur bestmöglichen Nutzung von Abwärmepotenzialen zur nachgelagerten Strom-, Kälte- und Nutzwärmeerzeugung ist unbestritten. Hier ist die Klimaerwärmung auf der einen Seite mit der Notwendigkeit der Verringerung der CO2-Emissionen ebenso zu erwähnen wie auf der anderen Seite das absehbare Ende fossiler Brennstoffe mit absehbaren Verknappungen und Preissteigerungen. Im ZIM-ORC-Projekt wird mit Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) eine zweistufige ORC-Anlage (Organic Rankine Cycle) zur Verstromung nicht genutzter Abwärme entwickelt, die technisch besonders effizient und damit wirtschaftlich rentabel ist. Organic Rankine Cycle Turbinen können aus Niedertemperaturwärme effizient mechanische Arbeit bzw. Strom erzeugen. Im Rahmen des Vorhabens wird ein voll funktionsfähiges Kleinkraftwerk als Prototyp aufgebaut. Die FH Dortmund übernimmt das elektrische und kommunikative Nervensystem und das Gehirn der Anlage für eine optimale strom- und wärmebedarfsgeführte Regelung. Außerdem sind am Projekt die Universität Paderborn für die thermodynamische Auslegung, die Smart Mechatronics GmbH für die Regelungstechnik und die Lütkemüller GmbH sowie die Heim Präzisionstechnik GmbH für die Mechanik der Anlage und der Turbinen beteiligt.
Der Aufbau des Kleinkraftwerkes folgt einer Konzeption austauschbarer Module – in der Abbildung 1 ist von rechts nach links zunächst das Modul 1 mit dem Direktverdampfer, dann das Modul 2 mit dem Hochtemperaturarbeitskreis mit Arbeitstemperaturen bis 300 °C, das Modul 3 mit dem Niedertemperaturkreis und Arbeitstemperaturen bis 110 °C und zuletzt das Modul 4 mit dem Direktverflüssiger dargestellt. Durch den modularen Aufbau können Anlagen mit einer oder zwei ORC-Turbinen aufgebaut werden, so dass eine Anpassung an unterschiedliche Abwärmeprofile erfolgen kann. Zudem kann die Anlage schon mit Abwärme ab einer Leistung von 500 kWth arbeiten, während bisherige Lösungen erst bei weitaus größeren Wärmeleistungen wirtschaftlich werden.
Eine besondere Herausforderung stellt die Entwicklung der bedarfsgeführten Regelung der zweistufigen Anlage dar. Dazu wird ein hierarchisches Steuerungs- und Regelungssystem basierend auf dem Operator-Controller-Module (aus dem SFB614 der Universität Paderborn) entwickelt. Hier baut die Regelung in der ersten Ebene auf den thermodynamischen Daten des Projektpartners Universität Paderborn für die einzelnen Stoffkreisläufe und dem thermodynamischen Verhaltens der einzelnen Apparate auf. Die Regelung in der zweiten Ebene der motorischen Regelkreise wurde modellbasiert mittels Matlab/Simulink in Form eines Model Predictive Controllers (MPC) realisiert. Auf Ebene 3 des OCM-Modells ist das kommunikative Nervensystem in Form des reflektiven Operators mit den Ablaufsteuerungen und der Störfallbehandlung realisiert, um z.B. bei Fehlern korrigierend automatisch einzugreifen bzw. die Anlage kontrolliert herunterzufahren. Schließlich findet sich in der 4. Ebene des kognitiven Operators das selbstlernende Optimierungsprogramm zum ertragsoptimalen Betrieb der Anlage bei wechselnden Anforderungen unter Einbeziehung wie Wartungszyklen und –kosten.
Die Zielmärkte dieser Technologie finden sich überall dort, wo Abwärme ab 300 °C bei einer Abwärmeleistung von mehr als 300 kWth anliegt. Diese Wärmequellen finden sich bei Biogasanlagen und in der Industrie sowie bei solarthermischer Energieerzeugung. Als Entwicklungsziel wird angestrebt, den zusätzlichen Strom aus Abwärme zur Bedingung „besser als grid parity“ zu erzeugen, d.h. 1 kWh aus Abwärme darf in der Vollkostenrechnung ohne Förderung nicht mehr als 0,12 € je kWh kosten (bei einer pay back Periode < 6 Jahre). Der Prototyp wird im Frühjahr 2016 in Betrieb gehen und bis zum Herbst 2016 erprobt und optimiert.

Beteiligte Hochschulen und Institute

Beteiligte ruhrvalley Unternehmen

Informationen zur Förderung und weitere Beteiligte

Förderkennzeichen: KF3338401ST4 FH-Dortmund
KF2795210ST4 FH-Dortmund