Niedertemperaturwärmequellen bieten sowohl aus ökologischer als auch ökonomischer Sicht ein hohes Nutzungspotential, das mithilfe von ORC-Anlagen in elektrische Energie gewandelt werden kann. Bei der Nutzung von Wärmequellen im ORC-Prozess beeinflussen verschiedene Größen die Kopplung zwischen ORC-Prozess und Wärmequelle und sind in ihren Auswirkungen größtenteils nicht verstanden.
Für experimentelle Untersuchungen wird eine ORC-Versuchsanlage im Labormaßstab ausgelegt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Zusätzlich wird ein aufwendiges, modulares thermodynamisches Modell entwickelt, um die Parameter weit über die Möglichkeiten der Versuchsanlage variieren zu können. Das Berechnungsmodell wird anhand der experimentellen Ergebnisse erfolgreich validiert. Die Simulationen werden bei festen Beträgen für Pinch Point, Überhitzung und maximaler Fluidgeschwindigkeit durchgeführt. Durch die Methodenentwicklung der Simulation bei allen möglichen ORC-Massenströmen mit ansonsten konstanten Bedingungen, zeigt sich die Bildung eines Leistungsoptimums. Die Änderung des Optimums bei Variation der Parameter zeigt den eigentlichen Einfluss auf den Wärmeübergang im Verdampfer und dessen Auswirkungen auf den Prozess.
In dieser Arbeit ist zum ersten Mal eine tiefgreifende Untersuchung der Auswirkungen von Einflussgrößen auf die Kopplung zwischen ORC-Prozess und Wärmequelle herausgearbeitet. Das in dieser Arbeit erlangte Verständnis des systemischen Verhaltens vom Verdampfer im ORC mit Berücksichtigung der wesentlichen physikalischen Mechanismen der Wärmeübertragung während der Wärmeaufnahme, ermöglicht eine effizientere Auslegung und Betriebsweise von ORC-Anlagen im niedrigen Temperaturbereich.
Aktualisiert: 2023-04-20
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LowEx-Mehrleiter-Wärmenetze können einen Beitrag zum Klimaschutz leisten, indem regenerative Wärmequellen mit niedrigen Temperaturen in die Wärmeversorgung eingebunden werden, die ohne Wärmenetz nicht (vollständig) genutzt werden können. Ein Hemmnis für die Einbindung regenerativer Wärmequellen stellen die teilweise hohen Temperaturbedarfe auf der Verbraucherseite dar. Eine Möglichkeit, diesem Hemmnis zu begegnen, sind innovative Mehrleiternetze, die mehr als zwei Leiter mit unterschiedlichen Temperaturniveaus vorsehen. Geeignete klimafreundliche Technologien zur Einspeisung in ein Mehrleiter-Wärmenetz sind Abwasser-Wärmepumpen, Solarthermie-Anlagen und dezentrale, kleinere Wärmepumpen. Die Studie vergleicht verschiedene Netz-Szenarien mit einerseits wenigen großen Anlagen und andererseits vielen kleineren Anlagen mit Szenarien der gebäudeindividuellen Wärmeversorgung. Zentrale ökonomische Kenngrößen für die Vergleiche sind die nach Annuitätenmethode berechneten Gesamtkosten sowie die spezifischen Wärmegestehungskosten in Cent pro Kilowattstunde. In die Analysen gehen die Sichtweisen der verschiedenen beteiligten Akteure ein: den Betreibern der Wärmeerzeugungsanlagen, den Netzbetreibern, den Abnehmern und den Kommunen. Trotz höherer Investitionskosten in den Szenarien mit Mehrleiter-Wärmenetz liegen die Gesamtkosten bei gleichem Anteil erneuerbarer Energien in ähnlicher Höhe wie bei der gebäudeindividuellen Versorgung. Ein Hemmnis für die Umsetzung eines LowEx-Mehrleiter-Wärmenetzes liegt jedoch darin, dass bei älteren Mehrfamilienhäusern die Wärmegestehungskosten gebäudeindividueller Gas- oder Öl-Kessel unter den Wärmegestehungskosten der Wärme aus dem LowEx-Mehrleiternetz liegen können. Die Umsetzung von innovativen Wärmenetzen ist daher kein Selbstläufer, sondern bedarf unterstützender Rahmenbedingungen, beispielsweise in Form spezifischer Förderprogramme oder einer CO2-Abgabe auf fossile Brennstoffe.
Aktualisiert: 2020-08-26
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Niedertemperaturwärme im Bereich von 100 °C - 200 °C kann mittels Organic Rankine Cycles (ORC) zur Stromproduktion genutzt werden. Zur Untersuchung von Optimierungsmöglichkeiten bei ORC-Prozessen wird am KIT die Testanlage MoNiKa (Modularer Niedertemperaturkreis Karlsruhe) aufgebaut. Diese Arbeit beinhaltet eine thermodynamische Auslegung des Prozesses und darauf aufbauend die Implementierung eines dynamischen Simulationsmodells, das eine detaillierte Analyse des Teillastverhaltens ermöglicht.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Um die von der Bundesregierung gesetzten sehr ambitionierten energiepolitischen Ausbauziele zu erreichen ist eine erheblich stärkere Nutzung der erneuerbaren Energien als bisher unumgänglich. Dabei ist auch die geothermische Strom- und Wärmeerzeugung eine Möglichkeit, die angesichts ihrer Grundlastfähigkeit, KWK-Fähigkeit und der großen Potenziale durchaus vielversprechend erscheint. Im Vergleich zu anderen Optionen zur Nutzung des regenerativen Energieangebotes hat die Geothermie bisher jedoch nur einen relativ geringen Anteil an der Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energien. Dies liegt nicht zuletzt an den in Deutschland vorliegenden geologischen Gegebenheiten; unter technisch-ökonomischen Bedingungen sind selbst in den geothermiehöffigen Gebieten nur Temperaturen frei Bohrlochkopf von maximal 160 bis 170 °C möglich. Damit ist zwar aus technischer Sicht eine Stromerzeugung möglich, aber aufgrund physikalischer Begrenzungen nur mit einem relativ geringen Stromwirkungsgrad. Deshalb fallen zwingend entsprechend große Abwärmemengen an. Diese Wärme wird bisher aber nur ansatzweise nutzbar gemacht. Das Thermalwasser wird derzeit meist noch heiß - d. h. ohne weitere Nutzung - zurück in den Untergrund verpresst. Das Ziel der Untersuchung ist es daher die Wärmenachfragepotenziale in der Umgebung potenzieller Anlagenstandorte, die mit der bei Geothermieanlagen anfallenden und bisher weitgehend ungenutzten Niedertemperaturwärme versorgt werden können, und Möglichkeiten zur konvektiven Trocknung an der Anlage zu identifizieren und aus technischer, ökonomischer und ökologischer Sicht zu analysieren. Dabei beschränkt sich die Analyse auf den deutschen Raum bzw. die darin befindlichen geothermisch vielversprechenden Gebiete (d. h. geothermiehöffige Gebiete). Als geothermisch vielversprechend werden Gebiete bezeichnet, in denen derzeit eine Nutzbarmachung der tiefen Geothermie nach dem heutigen Stand der Technik sinnvoll erscheint.
Aktualisiert: 2019-12-20
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