Wer mit dem Thema Energiegewinnung aus Niedertemperaturwärme und dem ORC-Prozess vertraut ist, stellt sich möglicherweise die Frage warum ausgerechnet Wasser als Arbeitsmittel verwendet wird und nicht andere, bei niedrigeren Temperaturen siedende Stoffe wie Pentan.
Die kurze Antwort
Der TLC-Prozess macht es möglich und der TLC-Rotor kann mit jedem beliebigen Arbeitsmittel arbeiten.
Die ausführliche Antwort
Zur Beantwortung der Frage muss man ein wenig tiefer in die Thermodynamik einsteigen und die Frage umformulieren: Warum sind organische Arbeitsmittel vorteilhaft für den ORC-Prozess ?
Der Grund liegt im Verlauf der Sattdampfkurve (siehe Abbildungen, rechte Seite der gestrichelten Linie).
Je nach Verlauf der Sattdampfkurve wird unterschieden zwischen sogenannten „Nassen“, „Isentropen“ oder „Trockenen“ Arbeitsmitteln.
Nasse Arbeitsmittel
(z.B. Wasser)
Isentrope Arbeitsmittel
(z.B. FKW wie R11, R12)
Trockene Arbeitsmittel
(z.B. n-Pentan)
Linie 1 – Erwärmung des flüssigen Arbeitsmittels
Linie 2 – Verdampfen des Arbeitsmittels
Linie 3 – Überhitzen des Arbeitsmittels
Linie 4 – Verrichten von Arbeits durch den Dampf
Linie 5 – Kondensation des Arbeitsmitteldampfes
Die Verwendung „nasser“ Arbeitsmittel im ORC-Prozess erfordert eine größere Überhitzung, damit es beim Durchströmen der Wärmekraftmaschine (Turbine, Dampfmotor) am Ende der Dampfentspannung (Übergang Linie 4 zu 5) nicht zu einer vorzeitigen Kondensation, d.h. einem höheren Anteil an Flüssigkeit im Dampf, kommt. Dies würde zu Beschädigungen der Wärmekraftmaschine führen.
Durch die erforderliche Überhitzung des Dampfes sinkt jedoch die mittlere Temperatur Tm, was zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads nach Carnot und damit weniger erzeugte Energie führt.
„Isentrope“ Arbeitsmittel erfordern nur eine geringe Überhitzung, „trockene“ Arbeitsmittel z.T. keine Überhitzung was sich in einer höheren mittleren Temperatur Tm und damit einem besseren Wirkungsgrad und mehr erzeugter Energie niederschlägt.
Daher die bevorzugte Verwendung von „trockenen“ Arbeitsmitteln in ORC-Wärmekraftwerken.
Der TLC-Prozess basiert auf der Verwendung eines heißen, flüssigen Arbeitsmittels das erst in der Wärmekraftmaschine teilweise verdampft wird. Die Arbeitsweise des TLC-Rotors als Wärmekraftmaschine erfordert dass Flüssigkeit und Dampf des Arbeitsmediums gleichzeitig vorhanden sind.
Beide Anforderungen können sowohl von „isentropen“ als auch „trockenen“ Arbeitsmitteln erfüllt werden.
Allerdings hat die Verwendung „isentroper“ und „trockener“ Arbeitsmittel sowohl technische als auch wirtschaftliche Nachteile zur Folge wie:
– Gefahr von Feuer und Explosion sowie Umweltschäden bei Austritt der Medien
– daraus resulieren erhöhte sicherheitstechnischen Anforderungen an die Konstruktion
– es sind regelmäßige Sicherheitsüberprüfungen des gesamten Wärmekraftwerks erforderlich
Beim direkten Prozessvergleich zeigen sich weitere Nachteile.
Für ein Niedertemperatur-Wärmekraftwerk mit einer maximalen Eingangstemperatur von 120°C, einer Kondensationstemperatur von 50°C und einer Leistung von 50 kW ergeben sich folgende (theoretische) Betriebsparameter (siehe Tabelle):
| Wasser (nasses Arbeitsmittel) | Benzol (isentropes Arbeitsmittel) | n-Pentan (trockenes Arbeitsmittel) | |
| Zu fördernde Arbeitsmittelmenge | 110,3 l/min | 296,9 l/min | 325,3 l/min |
| Pumpen-Differenzdruck | 2,0 bar | 2,8 bar | 7,6 bar |
| Erforderliche Pumpenleistung | 0,5 kW | 1,8 kW | 5,5 kW |
| Maximaler Arbeitsdruck | 2,1 bar (a) | 3,1 bar (a) | 9,2 bar (a) |
D.h. um die gleiche Leistung mit anderen Arbeitsmitteln als Wasser zu erreichen wird annähernd die dreifache Menge an Arbeitsmittel bei z.T. wesentlich höheren Drücken benötigt.
Die größere Arbeitsmittelmenge sowie der höhere Differenzdruck erfordern Förderpumpen mit entsprechend höherer Leistung was die abgebbare Leistung des Wärmekraftwerks verringert.
Zusätzlich sind größere Leitungsquerschnitte sowie eine Auslegung der Konstruktion für höhere Arbeitsdrücke erforderlich. Beides erhöht die Herstellkosten.
Wasser ist daher das ideale Arbeitsmittel für ein Wärmekraftwerk mit TLC-Rotor.