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Autor Thema: Organic Rankine Cycle, ORC  (Gelesen 5192 mal)
aumag
Pöler
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Beiträge: 389

"Hängt die Schwätzer neben die Erkenntnis."M.Twain


« am: Juni 16, 2011, 15:34 Uhr »

Organic Rankine Cycle, ORC

Ein Versuch den ORC-Prozess für den Einsatz als Solarthermie-Stromerzeuger dem Interessierten näherzubringen.
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Gewidmet meinem Freund und Pölerkollegen, dem „Kittelträger“ KBD.


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Der ideale Prozess um Wärmeenergie in elektrische Energie umzusetzen ist der Carnot-Prozess (gesprochen: karnuu-Prozess).
Der Wirkungsgrad dieses Prozesses ist definiert mit der Formel:

eta(C) =  1 -  (Tl+273,15) / (Th+273,15)

eta(C) der Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses
Tl die niedrigste Prozesstemperatur
Th die höchste Prozesstemperatur

Bild 1, aus wikipedia entnommen:
(Strömungsrichtung 1->2->3->4->1)





T-Turbine mit G-Generator (soll das Konto füllen)

Ko der Rückkühler (bläst Wärme in die Gegend)

Sp die Speisepumpe (schluckt Strom)

Ke das Solarthermiemodul (von der Sonne beschienen, ca. 900W/m² maximal im Sommer in der Kölner-Ecke)

Die höchste Temperatur Th in unserem idealisierten ORC-Prozess finden wir ausgangs unseres Solarthermiemoduls Ke und ebenfalls vor der Turbine T– vorrausgesetzt das Rohr zur Turbine ist ideal zu 100% isoliert und die Strömung reibungsfrei.
Die niedrigste Prozesstemperatur Tl finden wir nach der Turbine T (im Punkt 2 aus Bild1) und – einen idealisierten Prozess vorrausgesetzt - auch nach dem Rückkühler (in Punkt 3 aus Bild 1).
In einem idealen Prozess sind diese beiden Temperaturen vollkommen identisch.
Ein Vergleich zum besseren Verständnis: Wasser hat bei 100°C zwei Aggregatzustände: gasförmig und/oder flüssig. Um 1kg Wasser restlos vom flüssigen in den gasförmigen Zustand – bei gleicher Temperatur und gleichem Druck - zu überführen benötigt es die sogenannte Verdampfungsenthalpie (Wasser: 2257 kJ = 0,627kWh). Im Rückkühler Ko wird also sichergestellt, dass alles Trägermedium flüssig austritt. Dieses aus einem einzigen Grund: nur mit einer Flüssigkeit läßt sich in der Speisepumpe eine Druckerhöhung auf z.B. 10bar erzielen.
Ein Solarthermie-Stromerzeuger wird z.B. mit Butan als Trägermedium betrieben, da Butan einen niedrigeren Siedepunkt hat.
Mit der Sonnenstrahlung bekommt man keine nennenswerten Mengen an überhitztem Wasserdampf ausgangsseitig vom Solarthermiemodul hin.

Zur Abschätzung unseres ORC-Prozesses bezüglich Investitionssumme, Kollektorflächenbedarf und  weiterer Anlagekosten sind im Folgenden einige Annahmen getroffen:

Th die höchste Temperatur nach dem Solarthermiemodul, hier 85°C
Tl  die niedrigste Temperatur nach dem Rückkühler, hier 15°C
(KBD hat jede Menge Wasser im Keller – er wohnt quasi auf einer Oase! Für einen Luft-Wärmetauscher rechnet man sicher mit Tl = 30°C)

In den Carnot-Wirkungsgard fließt nicht die Qualität/Gefährlichkeit des Trägermediums ein, er errechnet sich wie folgt:

eta(C) =  1 -  (Tl+273,15) / (Th+273,15)

eta(C) =  1 -  (15+273,15) / (80+273,15)

eta(C) =  1 -  288,15 / 353,15

eta(C) =  1 -  288,15 / 353,15

eta(C) =  1 -  0,816 = 0,184

Ein idealer Wirkungsgrad von 18,4% !

Das ist zugegeben nicht „der Brüller“ - es ist obendrein zu berücksichtigen: Wir betreiben keinen idealen Carnot-Kreisprozess, im Gegenteil – je nach Anlagenausführung müssen zwischen 40 und 70% Verluste „hingenommen“ werden.
Stichworte zu den Verlusten: Strombedarf der Speisepumpe, Wirkungsgrad des Pumpenverdichters, Strömungsverluste und Reibungsverluste in der Turbinen-Generatoreinheit, Strombedarf der Kühlwasserpumpe des Rückkühlers alternativ die des Ventilators des Luft-Rückkühlers.

Unter Annahme von ca. 50% Verlusten ergibt sich unser tatsächlich zu erzielender Wirkungsgrad eta(t) zu ca. 9%.
eta(t) = 0,09

Aus 1kW Wärme erzielen wir 90 Watt elektrischen Strom.

Soweit die Thermodynamik, Physik und eine erste Grundlagenbetrachtung: die Sonnenstrahlung ist ömesöns (Kölner Dialekt) und nicht vergeblich!

„Treibende Kraft“ des Strombedarfs eines normalen Haushaltes ist die Waschmaschine.
Da der Sicherungsautomat nicht sofort auslösen soll nehmen wir eine ORC-Versorgerleistung von  +/-2000Watt an.

Zitat wikipedia: „In Mitteleuropa steht die sommerliche Mittagssonne 60° bis 65° hoch und strahlt bei idealen Wetterbedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von etwa 700 Watt/Quadratmeter. Im Winter sind es nur 13° bis 18° und selbst zu Mittag nur etwa 247 Watt/Quadratmeter. Im Vergleich dazu beträgt die Strahlung auf 3 bis 4 km hohen Bergen etwa 1000 Watt/Quadratmeter.“

Zitat wikipedia: „Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 %.“

eta(Sonnenkollektor) = eta(S)= 0,6

Mitten im Hochsommer zur Mittagszeit errechnet sich die benötigte Solarthermiekollektorfläche für den Betrieb der 2000W Waschmaschine:

A(s,w) = P(W)/ [P(S) * eta(t)* eta(S)]

A(s) die Sonnenkollektorfläche in m² im Sommer zur Mittagszeit
A(w) die Sonnenkollektorläche in m² im Frühling/Herbst zur Mittagszeit. P(S)=300W/m²

P(W) die elektrische Leistungsaufnahme der Waschmaschine: 2000Watt

P(S) die Strahlungsleistung der Sonne pro m² in Watt

A(s) = 2000Watt / [700Watt/m² * 0,09 * 0,6]

A(s) = 2000/37,8  m² =  53m² Sonnenkollektorfläche im Sommer.
A(w) = 124m² Sonnenkollektorfläche in der Übergangszeit (Frühling/Herbst)

Zum Vergleich: eine 53m² große Photovoltaikanlage liefert mittags im Sommer ca. 6 kW elektrische Leistung also die dreifache Menge! Bei Gestehungskosten von ca. 15.000,-€

Kommen wir zum ROI - „Wann zurück in Tasche, die Kohle?“

Was kostet ein gutes Sonnenkollektormodul pro m²?
Wieviel kosten dann 53m² bzw 124m² Solarthermiekollektorfläche montiert?

In ebay findet man derzeit (6/2011) ein „gutes Vakuum-Kollektormodul“ mit eta(S) sogar 0,79!
zum Preis von ca. 600€ netto.
Solarthermiekollektoren haben eine Kollektorfläche, eine Absorberfläche und eine Aperturfläche. Da ich mich in der Kürze nicht weiter in die Thematik einarbeiten möchte und ein eta(S) von 0,79 den Verdacht nahelegt, es wird hier mit „geeigneter“ Wahl der rechnerischen Bezugsfläche das eta(S) gepimpt, runde ich großzügig auf und ab :-))

1m² Kollektorfläche für 400€ netto.

124m² für 49.600,-€ ---- im Sommer 53m² für 21.200,-€

Im Folgenden geschätzte Kosten für die Anlagenteile einer ORC-Anlage:
Die Speisepumpe zu 2000,-€ (beachte: Butan als Tägermedium, womöglich eine vollgekapselte Verdichtereinheit, bei der auch der Motor im Butan schwimmt).
Die Kühlwasserwärmetauscherpumpe zu 500,-€.
Den Rückkühler zu 1500,-€
Die Turbine und den Generator als Einheit zu 5000,-? (ebenfalls vollgekapselt im Butan schwimmend?)

Im Sommer nehmen wir also für eine 2kw ORC-Anlage ca. 30.000,-€ in die Hand!

Die gleiche Summe in eine Photovoltaikanlage investiert erbringt die 6 fache Leistung.

Sechs mal mehr!!


Herzogenrath, im Juni 2011,  Dipl.-Ing Benedikt Bögemann

Arpit aka Pumpenpeterle - hattest Du nicht irgendwo 16MW Abwärme, die direkt durch den Rückkühler geblasen werden? Ohjoh, das wären grobe 1,5 MW elektrischer Strom. Sach Dein Chef, wir machen fiftyfifty bei einem eta von 0,7 für sein fifty :-)), VB :-))
Frankenpöler
Pöler
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« Antworten #1 am: Juni 16, 2011, 15:45 Uhr »

Servus aumag,

joh der Bus kommt - nit. Der war schon da.

Klasse Rechnung, dass dürften auch nicht techn. versierte Leute und diejenigen die täglich mit Formeln rumkaspern gut nachvollziehen können.
Und Dein Zugpferd zu entlasten und die Rechnung noch etwas aufzupeppen sei gesagt,
dass die Waschmaschine ja nicht ständig die 2000 W zieht, sondern wohl nur zum Heizen und/oder Schleudern.
Das der gewiefte Anwender die WAMA ans Warmwasser anschließt bleibt quasi nur noch das Schleudern über.

Einzig wirklicher Nachteil ist wohl der Einsatz von Butan, das kann ein leck verheerend enden.
Aber da lässt sich doch auch bestimmt was ungefährlich (er)fidnen, oder?

Den Rest packen wir in diesen Flüssig-Membranspeicher und gut is.
Wer hat das in M erzählt, Waldi? hast Du da mal nen Link zu?

Gruß
Dominic
aumag
Pöler
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Beiträge: 389

"Hängt die Schwätzer neben die Erkenntnis."M.Twain


« Antworten #2 am: Juni 16, 2011, 18:42 Uhr »

Redoxbatterie.

http://en.wikipedia.org/w...ki/Vanadium_redox_battery
Arpit
Pöler
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« Antworten #3 am: Juni 17, 2011, 08:16 Uhr »

Hi Frankenpöler,
was ist verheerender ein kleines Wupdich mit Butan 1 Tag später ist alles wieder gut,
oder ein großes Wupdich und 10000000000000 Jahre später gibt es keinen mehr ?
Ich gebe dir aber recht ein unbrennbares Gas wäre schon schöner.
Hier ging es mehr um die Realisierbarkeit einer regenerativen Energiequelle.
Gruß Pit
Arpit
Pöler
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Beiträge: 81


« Antworten #4 am: Juni 17, 2011, 08:19 Uhr »

Hi Aumag,
so ähnlich ist meine Berechnung auch ausgegangen,
allerdings hast du vergessen zu beachten, dass die Wärme der Rückkühlung
noch verwendet werden kann z.B. als Brauchwasser.
Dann wird die Bilanz etwas schöner ok nicht viel, aber etwas.
Gruß Pit
Frankenpöler
Pöler
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Beiträge: 668


« Antworten #5 am: Juni 17, 2011, 08:45 Uhr »

Hi Pit,

naja, wenn ich so ne Redoxbatterie im Keller hab, dann kanns mir egal sein wer was wann wie und wo wupdich macht, denn die Chance das ich da nen Gratisflug krieg is recht groß.
Die Kühlwärme nutzen is gut, aber gar nicht so doof.
Fußbodenheizungen brauchen doch nicht so hohe Vorlauftemps. oder?

Gruß
NÖli
Pöler
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Beiträge: 128


« Antworten #6 am: Juni 17, 2011, 09:14 Uhr »

Hi Pit,

naja, wenn ich so ne Redoxbatterie im Keller hab, dann kanns mir egal sein wer was wann wie und wo wupdich macht, denn die Chance das ich da nen Gratisflug krieg is recht groß.

Gruß
Guten Morgen - Servus Frankenpöler,

mit der Aussage hast Du zwar nicht ganz unrecht, aber es tangiert Deine Nachbarn im nächsten Haus oder Straßenzug nicht. Es gibt bauliche Vorkehrungen um den Explosionsdruck in eine gewünschte Richtung zu lenken und somit verpuffen zu lassen. In diesen Fall: "Geht nicht, gibts nicht!"
Vieles hängt auch von der Wartung ab, aber wir sind doch mit unseren Vorschriften kein Drittweltland?
Es gab auch bei uns Jahrzehntelang das falsche Vorurteil, daß Propangas für den Herd und Dampfdruckkochtöpfe (Fissler/Kelomat) eine potentielle Explosionquelle darstellen, schau Dir die Statistiken der Unfälle an. Laughing
Ja das Leben endet in den meisten Fällen tödlich! Laughing Schubidu . . . Nicht nur für Raucher und Autofahrer.  Very Happy

MfG
NÖli
K.B.D.
Pöler
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Beiträge: 63


« Antworten #7 am: Juni 18, 2011, 16:37 Uhr »

Hey aumag und
liebe "Leidensgenossen" !

Wenn ich selber nicht viel von Zahlen versteh, eins hab ich aber doch dann erreicht: den aumag aus seiner
"Reserve" gelockt !
Er hatt nun wunderbar ausgerechnet, daß sich das Vorhaben mit der Abwärmemaschine rein rechnerrisch nicht lohnt !
Stimmt im Prinzip sogar !
Das A-tom-Kraftwek ist billiger ! Besonders, wenn mann die Abklingbehälter in die Keller von den AKW- Befürworter reinstellt um die Abklingwärme der nächsten 500 Jahre im Haus zu verbrauchen !
Dann ist die nächsten 500 Jahre das Haus immer schön warm ! Wenn die Bewohner diese Zeit mit Bleianzügen rumlaufen, ist doch egal. Genauso egal ist, wohin der Abfall endlich deponiert wird. Wir werden leider die nächsten 5-10 Jahre erleben, was in Japan noch alles passiert ! Ich schreibe extra 5-10 Jahre, weil das der Zeitraum ist, den "ich"  wahrscheinlich noch erlebe! Die Schwierigkeiten, die dann noch in Japan sind, kuck ich mir dann sehr wahrscheinlich von "oben" an !

So, nu hatt der aumag so schön alles nachgerechnet und ist dabei auf einen großen Posten Abfallwärme gestoßen.
Normal ist das richtig. So denken "TH- Absolwenten" die das von ihren Prof`s so gelernt haben, weil die ja auch nix anderes gehört haben !
Im kleinen Maßstab sieht es aber vielfach anders aus.
Da kommen die "Geizkragen" auf die Idee und packen die Abfallwärme in die Fußbodenheizung oder ins Schwimmbad.
Weg isse !
Und, wesentlich ist, "nix weggeschmissen" !

Leider bleiben noch immer Verluste in Form von Speisepumpen oder Reibung .
Da verhält sich die Geschichte genau so wie mit der Tatsache, daß CR- bepölen nicht geht. Zumindest laut "Lehrbuch" und der Meinung der "KFZ-Fachleute" .
Nur, leider, - es geht doch !
 
"Dää", sacht de Kölner!
Deswegen, wolln wir uns mal nicht entmutigen lassen. Auch wenn kein Fachmann hier mit machen will.
Dann dauerts eben 1 oder 2 Jahre länger, bis mann einsehen sollte, daß es nicht geht.

"Hmm" , - es kann aber auch dabei rauskommen, daß die Kiste anschließend läuft !

Übrigens,
  wißt Ihr den Unterschied zwischen Theorie und Praxis ?

        Theorie ist, wenn jeder weiß wies geht, aber nix klappt !
    - -    Praxis ist, - alles löppt,- keiner weiß warum !

In diesem Sinne,

MfG. K.B.D.
       
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