Quelltext der Seite Organic Rankine Cycle

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[[Datei:ORC Prozess schematisch.svg|mini|ORC mit [[Regenerator]]]]
Der '''Organic Rankine Cycle''' (Abkürzung '''ORC''') ist ein Verfahren des Betriebs von [[Dampfturbine]]n mit einem anderen Arbeitsmedium als [[Wasserdampf]]. Der Name des Verfahrens geht auf [[William John Macquorn Rankine]] zurück, einen [[Schottland|schottisch]]-britischen [[Physiker]] und [[Ingenieur]] im 19. Jahrhundert. Als Arbeitsmedium werden [[Organische Chemie|organische]] [[Flüssigkeit]]en mit einer niedrigen [[Verdampfung]]stemperatur verwendet.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig ist für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen [[Turbine]].<ref>[http://www.lttt.uni-bayreuth.de/de/download/Infoblaetter/ORCA-2.pdf Informationen zum ORC-Prozess.] (PDF; 148&nbsp;kB) uni-bayreuth.de</ref> Das ist vor allem bei der [[Stromerzeugung]] mit Hilfe der [[Geothermie]], der [[Kraft-Wärme-Kopplung]] sowie bei [[Sonnenwärmekraftwerk|Solar-]] und [[Meereswärmekraftwerk]]en der Fall. Die Entspannungsmaschinen (Turbine, Schraubenexpander, [[Dampfmotor]]/Hubkolbenexpander) werden typischerweise mit [[Silikonöl]], [[Kältemittel]] oder brennbarem Gas betrieben.

== Arbeitsmedien ==
Ausgehend vom [[T-s-Diagramm]] werden nach der Form der [[Sattdampf#Grenzkurven|Sattdampfkurve]] drei verschiedene Fluidklassen unterschieden:
* Die Sattdampfkurve ''„trockener“'' Medien ist steigend; in der Mehrzahl handelt es sich um höhermolekulare Substanzen wie [[R113]]
* „Nasse“ Medien wie Wasser haben eine fallende Sattdampfkurve
* „[[Isentrop]]e“ Medien haben eine nahezu senkrechte Sattdampfkurve; dazu zählen [[Fluorkohlenwasserstoffe|R11]] und [[Dichlordifluormethan|R12]]
„Trockene“ und isentrope Medien versprechen bei ihrem Einsatz eine Reihe von thermodynamischen Vorteilen.

Mögliche Arbeitsmedien sind:

{| class="wikitable sortable" style="text-align:center"
|-
! Medium
! Molmasse
!colspan="2"| Kritischer Punkt
! Siedetemperatur<br /> bei [[Standardbedingungen|Normaldruck]]
! Verdampfungsenthalpie<br />  bei Normaldruck
! Steigung der
Sattdampfkurve
! Zersetzung
bei ca.
|-
|[[Ammoniak]] (NH<sub>3</sub>)
| 17
| 405,3 K
| 11,33 MPa
| 239,7 K
| 1347 kJ/kg
| Negativ
| 750 K
|-
|[[Ethanol]] (C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>OH)
| 46,07
| 516,25 K
| 6,38 MPa
| 351,15 K
| 845 kJ/kg
| Negativ
| 
|-
|[[Wasser]]
| 18
| 647,0 K
| 22,06 MPa
| 373,0 K
| 2256 kJ/kg
| Negativ
| .
|-
|[[Butan]] C<sub>4</sub>H<sub>10</sub>
| 58,1
| 425,2 K
| 3,80 MPa
| 272,6 K
| 383,8 kJ/kg
| .
| .
|-
|[[Pentan]] C<sub>5</sub>H<sub>12</sub>
| 72,2
| 469,8 K
| 3,37 MPa
| 309,2 K
| 357,2 kJ/kg
| .
| .
|-
|C<sub>6</sub>H<sub>6</sub> ([[Benzol]])
| 78,14
| 562,2 K
| 4,90 MPa
| 353,0 K
| 438,7 kJ/kg
| Positiv
| 600 K
|-
|C<sub>7</sub>H<sub>8</sub> ([[Toluol]])
| 92,1
| 591,8 K
| 4,10 MPa
| 383,6 K
| 362,5 kJ/kg
| Positiv
| .
|-
|[[R134a]] (HFC-134a)
| 102
| 374,2 K
| 4,06 MPa
| 248,0 K
| 215,5 kJ/kg
| Isentrop
| 450 K
|-
|C<sub>8</sub>H<sub>10</sub>
| 106,1
| 616,2 K
| 3,50 MPa
| 411,0 K
| 339,9 kJ/kg
| Positiv
| .
|-
|[[Dichlordifluormethan|R12]]
| 121
| 385,0 K
| 4,13 MPa
| 243,2 K
| 166,1 kJ/kg
| Isentrop
| 450 K
|-
|HFC-245fa
| 134,1
| 430,7 K
| 3,64 MPa
| 288,4 K
| 208,5 kJ/kg
| .
| 520 K
|-
|HFC-245ca
| 134,1
| 451,6 K
| 3,86 MPa
| 298,2 K
| 217,8 kJ/kg
| .
| .
|-
|[[Fluorkohlenwasserstoffe|R11]] (CFC-11)
| 137
| 471,0 K
| 4,41 MPa
| 296,2 K
| 178,8 kJ/kg
| Isentrop
| 420 K
|-
|HFE-245fa
| 150
| 444,0 K
| 3,73 MPa
| .
| .
| .
| .
|-
|HFC-236fa
| 152
| 403,8 k
| 3,18 MPa
| 272,0 K
| 168,8 kJ/kg
| .
| .
|-
|[[R123]]
| 152,9
| 456,9 K
| 3,70 MPa
| 301,0 K
| 171,5 kJ/kg
| Positiv
| .
|-
|CFC-114
| 170,9
| 418,9 K
| 3,26 MPa
| 276,7 K
| 136,2 kJ/kg
| .
| .
|-
|[[R113]]
| 187
| 487,3 K
| 3,41 MPa
| 320,4 K
| 143,9 kJ/kg
| Positiv
| 450 K
|-
|''n''<nowiki>-Perfluorpentan C</nowiki><sub>5</sub>F<sub>12</sub>
| 288
| 420,6 K
| 2,05 MPa
| 302,4 K
| 87,8 kJ/kg
| .
| .
|}

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung ist durch den Einsatz von Gemischen möglich. In subkritischen Verläufen erfolgen sowohl das [[Verdampfung|Verdampfen]] als auch die [[Kondensation]] nicht [[Isotherme|isotherm]]; der Abkühlungskurve des Wärmeträgers kann mit deutlich geringeren [[Temperatur]]differenzen gefolgt werden; damit reduzieren sich die Irreversibilitäten bei der Wärmeübertragung.

In jüngster Zeit<!-- Wann ist die "jüngste Zeit"? --> werden für den ORC-Prozess synthetische Arbeitsmedien entwickelt. Diese werden in ihren Stoffeigenschaften den speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des ORC-Kreisprozesses angepasst. Ein derartiges neues synthetisches Arbeitsmedium auf [[Silikon]]basis mit der Bezeichnung GL160 ist frei von [[Chlor]] und [[Fluor]] und aus diesem Grund besonders umweltfreundlich. Mit synthetischen Arbeitsmedien werden höhere thermodynamische Wirkungsgrade erzielt, als es mit Massenchemikalien möglich wäre, die zufällig in vorhandene thermodynamische Gefälle eingepasst werden.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.gmk.info/forschung-entwicklung/der-orc-prozess.html |titel=ORC-Technologie |hrsg=GMK |abruf=2015-12-18}}</ref>

== Funktionsbeschreibung ==

[[Datei:Wärmetauscher des GKW Landau.jpg|mini|250px|Verdampfer des [[Geothermiekraftwerk Landau|Geothermiekraftwerkes Landau]]. Mit heißem Tiefenwasser wird [[Isopentan]] unten vorerhitzt und oben verdampft, um dann eine [[Turbine]] zu betreiben. Der Verdampfer ist praktisch ein [[Wärmetauscher]], in dem die Wärme des [[Wasser]]s auf das [[Pentane|Pentan]] übertragen wird.]]
[[Datei:Turbinengeneratorsatz GKW Landau.JPG|mini|250px|Turbinengeneratorsatz des [[Geothermiekraftwerk Landau|Geothermiekraftwerkes Landau]]. In der Mitte die Turbine. Von oben strömt der Isopentan-Dampf ein, den der Verdampfer im Hintergrund erzeugt hat. Rechts im weißen Blechkasten der Generator. Links strömt der Dampf hoch zum Trockenkühler, wo er abgekühlt und wieder verflüssigt wird.]]

Der Organic Rankine Cycle gleicht –&nbsp;bezogen auf die einzelnen Komponenten&nbsp;– dem klassischen [[Clausius-Rankine-Kreisprozess]]. Die wesentlichen Unterschiede liegen in den Prozessparametern Druck und Temperatur – beide liegen weit unter den Werten, wie sie in [[Dampfkraftwerk]]en herrschen – und in der Abweichung der Verdampfung und der Kondensation vom isothermen Verlauf.<ref>Silke Köhler, Ali Saadat: ''Möglichkeiten und Perspektiven der geothermischen Stromerzeugung''. STR00/23, Geothermie Report 00-1, GeoForschungsZentrum Potsdam</ref><ref>K. Gawlik, V. Hassani: ''Advanced binary cycles: optimum working fluids''. 20–23. September 1998. Geothermal Resources Council 1998 Annual Meeting, San Diego, Kalifornien.</ref>

Die Auswahlkriterien für ein geeignetes Arbeitsmedium ergeben sich aus der Temperatur und der Abkühlungskurve der zur Verfügung stehenden Wärmequelle. Durch den starken Einfluss der thermodynamischen Verluste auf den Gesamtwirkungsgrad bei niedrigen Prozesstemperaturen kommt der Auswahl des optimierten Prozesses für die konkrete Wärmequelle weit größere Bedeutung zu als bei herkömmlichen Wärmekraftwerken.

Grundsätzlich lassen sich viele der zur Prozessoptimierung entwickelten Verfahren des klassischen Dampfprozesses auch auf den ORC-Prozess übertragen. Einige Ansätze, wie die [[Überhitzer|Zwischenüberhitzung]], bringen jedoch wegen der anderen thermodynamischen Eigenschaften der Arbeitsmedien nur begrenzte oder gar keine Vorteile. Andere, wie der Ausbau als superkritischer Prozess ([[Kritischer Punkt (Thermodynamik)|Kritischer Punkt]]), sind mit Wasser kaum realistisch umzusetzen. Auch der Einsatz eines [[Rekuperation (Technik)|Rekuperators]] ist nur mit „trockenen“ Medien sinnvoll.<ref>Paola Bombarda, Ennio Macchi: ''Optimum cycles for geothermal power plants''. Proceedings World Geothermal Congress 2000. Kyushu – Tohoku, Japan, 28. Mai – 10. Juni 2000.</ref>

Durch die Verwendung organischer Arbeitsmedien treten jedoch verschiedene neue technische Fragestellungen in den Vordergrund. Turbinen sind meist Sonderturbinen, da sich das Arbeitsmedium stark von Wasser unterscheidet ([[molare Masse]], geringere spezifische Wärmekapazität), die Arbeitsmedien sind teilweise aggressiv, so dass die Oberflächen der Turbinen und der Wärmeübertrager beschichtet oder anders gegen Korrosion geschützt werden müssen, die Dichtung der Kreisläufe ist aufwendiger als bei Wasser, in manchen Fällen nur schwer realisierbar.

In jüngster Zeit<!-- Wann ist die "jüngste Zeit"? --> werden [[Dampfmotor]]en/Hubkolbenexpander für ORC-Prozesse entwickelt und eingesetzt. Diese bieten gegenüber Turbinen in den in Relation zu konventionellen Kraftwerken kleinen Leistungsklassen sowie bei den eingesetzten Medien einige Vorteile.

== Siehe auch ==
* [[Kalina-Prozess]]
* [[Liste von Biomassekraftwerken in Deutschland]]

== Weblinks ==
* [http://www.bine.info/publikationen/projektinfos/publikation/abwaerme-zu-strom-veredeln/?artikel=2055 Abwärme zu Strom veredeln.] BINE Informationsdienst
* [http://www.orc-fachverband.de/ ORC-Fachverband]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Thermodynamischer Kreisprozess]]
Folgende Vorlagen werden auf dieser Seite verwendet:
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