ORC/Flügelzellexpander

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500956

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ein Gasmotor-basiertes BHKW (Blockheizkraftwerk) soll mit einem ORC (Organic-Rankine-Cycle/ Organic-Rankine-Kreislauf) unter der Zielsetzung einer deutlichen Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades ergänzt werden. Im Gegensatz zu anderen Abgasenergierekuperationstechnologien (z. B. Turbogeneratoren), welche die kinetische Abgasenergie verwenden, nutzt der ORC lediglich die thermische Abgasenergie. Im Abgaspfad wird durch eine solche Rekuperation das der Turbine (des Abgasturboladers) bereitstehende Druckgefälle nur sehr geringfügig abgeschwächt. Somit bleiben der Turbolader- bzw. der Motorwirkungsgrad nahezu unverändert hoch. Die Wärmerekuperation mittels ORC ermöglicht im Hinblick auf die Bereitstellung von elektrischer Energie eine grösstmögliche Verwertung der Gesamtabwärme des BHKW Gasmotors bzw. eines beliebigen Verbrennungsmotors, indem mehrere solcher Kreisläufe verwendet werden, die jeweils auf eine der verschiedenen Wärmequellen des Motors optimiert sind.

Schlussbericht (Deutsch)

Im Projekt wurde ein ORC (Organic-Rankine-Cycle/ Organic-Rankine-Kreislauf) für den Einsatz in einem Gasmotor-basierten BHKW (Blockheizkraftwerk) entwickelt und erprobt. Im besonderen Fokus stand die Weiterentwicklung und Optimierung eines FZE‘s (Flügelzellenexpanders). Die quantitativen
Hauptziele des getesteten ORC wurden nicht erreicht. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die einzelnen Komponenten nicht optimal arbeiten. Die Druck- und Wärmeverluste im verfügbaren Verdampfer sind zu hoch. Die beim derzeitigen Entwicklungsstand des FZE‘s vorliegenden internen Leckagen sind
relativ hoch, was wiederum eine Erhöhung der dem Prozess von aussen zuführbaren Leistung erfordert und beides zu einer deutlichen Abschwächung des ORC-Wirkungsgrades führt. Unter der Voraussetzung der Dauerhaltbarkeit und niedriger Wartungskosten ist der ORC-Betrieb für eine reine Gen-Set-
Anwendung profitabel und für BHKW-Anwendungen unwirtschaftlich. Die Projektergebnisse zeigen deutlicher als vermutet, dass zur Erzielung einer guten Leistungsausbeute der ORC auf die jeweiligen Verläufe bzw. die vorliegenden Festwerte von Temperatur und Massenstrom präzise ausgelegt sein muss. Das betrifft die einzelnen Hauptkomponenten und auch die Systemabstimmung.

Schlussbericht (Englisch)

In the project an ORC (Organic-Rankine-Cycle) for application in gas engine-powered block-type thermal power station has been developed. The main focus has been to continue the development and optimization of the vane expander. The quantitative main objectives of the tested ORC were not achieved. The measurement results show, that the components of the ORC are not working together in an optimal manner. The pressure and heat losses in the current evaporator are too high. Based on the current level of expander development, the internal leakage is relatively high, which increases the required external power for the process. Both effects reduce the efficiency of the ORC. Regarding the durability and the maintenance costs, the ORC system is profitable for the use in genset applications whereas it is not convenient for the use in block-type thermal power stations. The project results show more clearly than it was assumed at the beginning that the ORC, involving all main components and the system harmonization, has to be designed very precisely referring to the temperature, the temperature profile and the mass flow of the ORC fluid.

Zugehörige Dokumente

• ORC/Flügelzellexpander [PDF] 3'579 kB

Schlussbericht (Französisch)

Dans ce projet on a développé la technologie ORC (Organic-Rankine-Cycle, Cycle de Rankine) pour des applications dans les centrales de cogénération utilisant des moteur à gaz. Le but de l’introduction de cette technologie dans la centrale de cogénération est d’augmenter de rendement électrique du système. L’objectif quantitatif du projet n-a été atteint. Les mesure montrent que les différents composant de l’ORC ne fonctionnement ensemble d’une manière optimale. Les pertes de pression et aussi les pertes thermiques dans le vaporisateur sont élevées. La régulation de la température de sortie de cet échangeur de chaleur est très compliquée. Les fuites internes dans le détendeur ne sont pas encore optimisées, ce qui conduit à des pertes de performance de détendeur. Il faut surdimensionner la pompe d’alimentation pour compenser ces pertes dans le système, ce qui réduit le rendement thermique du système. Le système ORC est profitable uniquement pour les applications Genset (Production d’électricité) à cause de la durée de vie et les couts de maintenance du détendeur. Les résultats montrent clairement que l’optimisation de l’architecture des éléments de l’ORC pour une source de température et aussi un profil de température est très importante pour atteindre un rendement élevé avec le système.