Kälteverdichter
Die Orcan efficiency PACKs funktionieren auf Basis des ORC-Prinzips ähnlich wie ein Dampfkraftwerk. ORC steht für Organic Rankine Cycle, dessen Arbeitsweise von dem schottischen Physiker Rankine entwickelt wurde. Dabei wird jedoch kein Wasserdampf, sondern eine organische Flüssigkeit mit wesentlich niedrigerer Verdampfungstemperatur als Arbeitsmedium verwendet. In einem geschlossenen ORC-System wird dieses Arbeitsmedium im Kreislauf verdampft und anschließend kondensiert. Die hohen Drücke, die sich dabei aufbauen, treiben einen Generator zur Stromerzeugung an. Das Besondere am ORC-Verfahren ist, dass es Wärme auch auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau für die Stromerzeugung nutzbar machen kann. Allerdings konnten bisherige Anlagen nach dem ORC-Prinzip nur mit relativ großen Abwärmemengen betrieben werden und waren entsprechend dimensioniert.
Orcan Energy überdachte die bewährte Technologie und entwickelte ORC-Lösungen der zweiten Generation mit hohen Stückzahlen zu niedrigen Kosten. Die patentierten efficiency PACKs sind wesentlich kleiner, wartungsarm und flexibel einsetzbar. Mithilfe der efficiency PACKs kann aus Abwärme sauberer Strom erzeugt werden, unabhängig davon, ob es sich um Abgase, Abluft, Abdampf, Kühl- oder Prozesswasser oder Wasser aus der Geothermie handelt. Sie eignen sich für jegliche Abwärme von 80 bis 800 °C, ihre Komponenten sind auf kleinem Raum in kompakten Gehäusen untergebracht. Dabei werden ausschließlich Elemente, wie Schraubenkompressoren als Verdichter für Kälteanlagen, verbaut, die sich in der Industrie vielfach bewährt haben.
Als Arbeitsmedium setzt Orcan Energy in der Regel Pentafluorpropan (R245fa) ein. Es ist weder brennbar noch giftig und zudem besonders effizient. Im Verdampfer wird es von seinem flüssigen in den dampfförmigen Zustand überführt. Die Verdampfung erfolgt durch Wärmeenergie, bei der es sich bei den efficiency PACKs grundsätzlich um Abwärme handelt, die sonst ungenutzt in die Umgebung strömen würde. Nachdem das Arbeitsmedium den Verdampfer durchlaufen hat, wird es als überhitzter Dampf einer Expansionsmaschine zugeführt. Mit dem unter Druck stehenden Dampf wird die Schraubenexpansionsmaschine in Rotation versetzt, wodurch ein Generator angetrieben wird, der den Strom erzeugt. Das mit niedrigerem Druck aus dem Expander strömende Arbeitsmedium wiederum wird im Kondensator verflüssigt, in der nachgeschalteten Pumpe auf hohen Druck gebracht und erneut dem Verdampfer zugeführt. Damit schließt sich der Kreislauf und der Prozess beginnt erneut. Der erzeugte Strom wird direkt vor Ort verbraucht oder in das Stromnetz eingespeist.
Die efficiency PACKs sind grundsätzlich wartungsarm. Folgerichtig verbleibt auch das Arbeitsmedium, zusammen mit dem Öl für die Schmierung und Abdichtung des Expanders, während der gesamten Lebensdauer in der Anlage. Im Einsatz wird der Strom des Arbeitsmediums mit einer geringen Ölmenge beladen. Arbeitsmedium und Öl arbeiten nicht voneinander getrennt und müssen entsprechend gut miteinander harmonieren. Die Lager und die gepaarten Schneckenwellen der Expansionsmaschine werden mit Öltröpfchen versorgt, die sich aus dem Ölnebel im Dampf des Arbeitsmediums abscheiden und so wieder in Ölform in den Expander gelangen.
Für den Einsatz in den efficiency PACKs wurde ein Öl auf der Basis von Polyolester entwickelt, das sich sehr gut vernebeln lässt und sich dann bei dem Druckgefälle in der Expansionsmaschine wieder gut aus dem Öl abscheidet. Als Schmierstoff ist es vergleichsweise niedrigen Temperaturen ausgesetzt, weswegen es kaum zu einer temperaturbedingten Oxidation kommt. Auch Sauerstoff, der die Alterung des Öls beschleunigen könnte, ist im R245fa nicht vorhanden. Daher kann das Öl weit über 50.000 Bh im Einsatz bleiben. Wird ein efficiency PACK einmal im Rahmen der Qualitätskontrolle geöffnet, tauschen die Servicetechniker von Orcan Energy auch das Öl aus und senden eine Probe an OELCHECK. Mit dem Öl gelangt jedoch zwangsläufig auch ein Anteil des flüchtigen Arbeitsmediums in das Probengefäß. Daher wird ausschließlich ein gasdichtes 80 ml Aluminium-Probengefäß von OELCHECK verwendet. Es ist gegen Öle sowie Kältemittel beständig und hält dem Innendruck stand, der durch Arbeits- oder Kältemittelreste in der Probe aufgebaut werden kann.
Auch wenn das Öl in einem efficiency PACK thermisch nicht hoch belastet wird, sind Analysen im Rahmen der Qualitätskontrolle wichtig. Schließlich haben das Leistungsvermögen des Öls und sein Zusammenspiel mit dem Arbeitsmedium entscheidende Auswirkungen auf die Lebensdauer des Verdichters. Die OELCHECK-Tribologen betrachten daher u.a. die Werte etwaiger Verschleißmetalle, die aus Lagerstellen oder den Schneckenwellen kommen können. Da Polyolester sehr sensibel auf Wasser reagieren, ist eine Bestimmung des Wassergehalts nach Karl Fischer und eine kritische Beurteilung von Wassergehalten über 50 ppm ein wesentliches Kriterium.
Namhafte Unternehmen wie BASF, Bertelsmann oder das Portlandzementwerk Wittekind, senken mit Orcan efficiency PACKs ihre Stromkosten und erzielen gleichzeitig eine deutliche Verbesserung ihrer Ökobilanz. Ein neueres, typisches Beispiel ist die Nordenhamer Zinkhütte GmbH. Sie gehört zur Glencore Gruppe und stellt pro Jahr etwa 175.000 Tonnen Feinzink und Zinklegierungen her. Anstatt die Wärme ungenutzt in die Umgebung „zu blasen“, erzeugt sie mit den kompakten Anlagen von Orcan mehr als 5.000 MWh Strom pro Jahr und reduziert den CO2 - Fußabdruck des Unternehmens um 2.800 t jährlich. Die efficiency PACKs sind nicht nur in den unterschiedlichsten Industrien, sondern zunehmend auch auf Schiffen weltweit im Einsatz. Die aus der Abwärme der Schiffsmotoren gewonnene Energie wird dem Antriebsstrang zugeführt oder an Bord in das Stromnetz eingespeist. Mit der intelligenten Nutzung der Abwärme der oft über 100.000 PS-starken Motoren lassen sich Treibstoffeinsparungen von 7-9 % erreichen. Davon profitiert demnächst auch die „Green Jade“ aus Taiwan, eines der größten Offshore-Installationsschiffe für Windkraftanlagen. Acht efficiency PACKs werden dessen Abwärme aus Motorenabgasen und -kühlwasser so in Strom recyclen, dass damit eine Nettoleistung von mehr als 500 kW an Bord erzeugt wird.
OELCHECKER Sommer 2021, Seiten 1-2
Weitere Infos: orcan-energy.com