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Aus Abgas-Restwärme wird elektrischer Strom

Oder: Der moderne Abgaskessel

Kennen Sie das noch? Zu meiner seefahrenden Zeit (Anfang der 1960er) nannte man sie schlicht „Abgaskessel“. Wenn von der Brücke beispielsweise die Information an die „Maschine“ durchgegeben wurde: „11:30 Uhr Anfang der Seereise“ und die Hauptmaschine langsam auf ihre Nenndrehzahl hochgefahren wurde, war alsbald der Zeitpunkt gekommen, an dem der Abgaskessel seine Arbeit aufnehmen musste, d.h. der Kessel wurde in Betrieb genommen. Über einen Umschaltmechanismus wurde der gesamte Abgasstrom und damit die im Abgas enthaltene Energie nun durch den Kessel geleitet. Das somit erwärmte Wasser, oder, bei höherem Abgaswärmeangebot, der Dampf, konnte nun für unterschiedliche Heizzwecke genutzt werden, wie zum Beispiel zur Kraftstoff-Vorwärmung, für das Schiffsheizung-Systems, die Warmwasserbereitung oder den Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung. Die Hilfsdiesel, die bis dahin die Stromerzeugung übernommen hatten, konnten nun in ihrer Leistungsabgabe reduziert beziehungsweise teilweise ganz außer Betrieb genommen werden. Und warum das Ganze? Als Ergebnis konnte Kraftstoff, und damit CO2, eingespart werden!

Waste Heat Recovery System

Waste Heat Recovery System (WHRS), zu Deutsch „Abwärme-Rückgewinnungssystem“. Ist das eigentlich richtig beschrieben bzw. ausgedrückt?

Das Orcan Energy Efficiency Pack eingebaut auf dem neuen Doeksen-Katamaran WILLEM BARENTZ
Das Orcan Energy Efficiency Pack eingebaut auf dem neuen Doeksen-Katamaran WILLEM BARENTZ

Ein Blick ins Detail: Verbrennungsmotoren erzeugen Abgase. Je nach Belastung mehr oder weniger. Die Abgastemperaturen liegen irgendwo in der Größenordnung von 200 bis 500 Grad Celsius und beinhalten noch einen hohen Energieanteil. Diese Abgasenergie macht etwa 25% der gesamten Brennstoffenergie aus. Die Nutzung dieser Abgasenergie wurde lange vernachlässigt und verpuffte ungenutzt (waste) in die Atmosphäre.

So richtig in Fahrt gekommen ist der Einsatz solcher Abgasenergienutzungssysteme bzw. Lösungen zur Wärmerückgewinnung, beispielsweise aus dem Motorenkühlwasser, erst nach der Ölkrise der 1970er. In den Jahren danach kamen verschiedene Systeme auf den Markt – alle mit dem Ziel die Energie der Abgase oder des Kühlwassers wirtschaftlich zu nutzen.

Zurück zu meiner Frage: Somit müsste das System eigentlich „Abgasenergienutzungssystem“ heißen, oder? Zugegeben liebe Leser, klingt sperrig aber trifft den Kern.

Orcan Energy AG

Unter den vielen Anbietern von Energienutzungssystemen / Wärmerückgewinnungssystemen hat sich das Münchener Unternehmen Orcan Energy AG nach eigenen Angaben mit einer neuen Systemtechnik hervorgetan. Das Unternehmen entwickelt, produziert und verkauft diese Systeme auf Basis des ORC Organic Rankine Cycle auch Clausius-Rankine-Kreisprozess genannt.

Der  ORC im Allgemeinen ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. Als Arbeitsmittel werden organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet.

Das Verfahren kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und -senke zu niedrig für den Betrieb einer mit Wasserdampf beaufschlagten Turbine ist.

Der Begriff “Organic Rankine Cycle” bezeichnet also nur das physikalische Grundprinzip, nicht aber eine bestimmte technische Ausführung.

„Wir verwenden in unserem als „Efficiency Packs“ deklarierten System keine Dampfturbine“, sagt das Unternehmen.

Aber: Der Organic Rankine Cycle (ORC) ist ein Verfahren des Betriebs von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmedium als Wasserdampf. Als Arbeitsmedium werden – wie bereits erwähnt – organische Flüssigkeiten mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur verwendet. Mögliche Medien sind neben reinen Kohlenwasserstoffverbindungen wie z.B. Ethanol, n-Butan, Benzol, Toluol auch eine ganze Reihe von unterschiedlichen Kältemitteln. Der ORC ist ein geschlossener Kreislauf.

Das im Efficiency PACK verwendete Arbeitsmittel ist 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan – ein farbloses Gas mit schwachem Geruch, das wenig löslich in Wasser ist.

Es weist allerdings ein hohes Treibhauspotential mit einem Wert von 1032 bezogen auf einen Zeitraum von 100 Jahren auf, das entspricht dem 1032-fachen Treibhauspotential von Kohlendioxid (CO2).

Im Orcan Energy-System wird die Wärme von Abgas und Kühlwasser mit Hilfe des „ORC“ genutzt. In diesem physikalischen Prinzip, wie oben beschrieben, durchläuft ein organisches Kältemittel einen Kreislauf und die Energie aus dem Abgas wird kontinuierlich in mechanische Arbeit umgewandelt. Die Energie kann prinzipiell aus Abgasen, Kühlwasser, Dampf oder Thermoöl stammen.

(Anm. der Red: Thermoöle lassen sich unterteilen in niedrigviskose, leicht entflammbare Öle mit tiefen Erstarrungs- und Siedepunkten und höherviskose, schwer entflammbare Öle mit höheren Erstarrungs- und Siedepunkten. Nach ihrer Herkunft können sie unterschieden werden in: Mineralöle, Synthetiköle, aromatische Kohlenwasserstoffe sowie biologische Öle)

Im Falle der holländischen Doeksen-Katamaranfähren wird die Abwärme der Antriebs- und Hilfsmotoren durch Auskopplung der Energie des Motorkühlwassers und der bis zu 500 °C heißen Abgase genutzt. Wärmeüberträger (z.B. Thermoöle) leiten die Energie des Motorkühlwassers und der Motorenabgase an den ORC-Kreislauf. Dort verdampft das, lt. Orcan Energy „auf Kohlenstoff basierende“ Kältemittel – und wird als überhitzter Dampf einer Expansionsmaschine (im Fall Orcan Energy ein Inverter-Schraubenkompressor) zugeführt. Hier wird das unter Hochdruck stehende Kältemittel entspannt, wodurch der Kompressor angetrieben wird. Die Rotationsenergie wird dann genutzt, um einen Generator anzutreiben, der wiederum Strom erzeugt.

Die Orcan Energy Lösungen können auf allen Hochsee- und Binnenschiffen ab 1,5 Megawatt kombinierte Motorenleistung eingesetzt werden. Das intelligente Wärmeenergienutzungssystem kann, lt. Aussagen des Unternehmens, sowohl für bestehende als auch für neue Verbrennungsmotoren von Schiffen unabhängig von dem verwendeten Brennstoff genutzt werden. Schiffsbetreiber erzielen dadurch eine signifikante Kraftstoff- und CO2-Einsparung.

„Unsere Produkte bieten somit eine hochattraktive Möglichkeit zur Steigerung der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit von Schiffen. Die Amortisationszeit ist mit zwei bis vier Jahren sehr kurz“, sagt Orcan Energy.

Dipl. -Ing. Peter Pospiech
Redaktionsleitung bei VEUS-Shipping.com mit Schwerpunkt Schiffsbetriebstechnik, Transport, Logistik, Schiffahrt, Hafen und dem weitreichenden Thema Umweltschutz sowie gesetzliche Auflagen für Antriebsmaschinen.

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