Fachverlag x-technik
search
 

Schließen

PDF


Der dezentralen Energiegewinnung Dampf machen

: B&R


Die Abwärme aus Industrieprozessen, Kühlsystemen und Verbrennungsvorgängen ist bisher eine wenig genutzte Energiequelle. Abhilfe schafft die Anlage ePack der Orcan Energy GmbH, die auch für das Energiepotenzial kleinerer Wärmemengen, wie z. B. von Blockheizkraftwerken, geeignet ist. Die Steuerungstechnik von B&R trägt wesentlich zu der hohen Wirtschaftlichkeit des ePacks bei und ermöglicht sowohl den mannlosen Betrieb als auch den Teillastbetrieb des Kleinkraftwerks.

/xtredimg/2014/Automation/Ausgabe91/6004/web/31a43b22eb990aad9bc2e07da41d1e4b3d36f600.jpg
Äußerst präzise Temperaturen oder Stromleistung messen ist mit den neuesten Mitgliedern der X20-Familie von B&R kein Problem.

Äußerst präzise Temperaturen oder Stromleistung messen ist mit den neuesten...

Jede Sekunde verpuffen weltweit gigantische Energiemengen ungenutzt als Abwärme in die Atmosphäre. Beim Einsatz fossiler Brennstoffe in Kraftwerken, privaten Feuerungsanlagen oder Fahrzeugmotoren wird nur rund ein Drittel der eingesetzten Energie in Arbeitsenergie umgewandelt. Das gilt auch für die Verstromung von Biogas. Hier liegt der Wirkungsgrad trotz aktueller Technik nur bei etwa 40 %. Die restlichen 60 % der aufgewendeten Energie werden in Wärme umgewandelt, die bisher nur in geringem Umfang genutzt und z B. in Fernwärmenetze eingespeist wird. Wegen fehlender Abnehmer werden oft nur 10 % der Abwärme für die Beheizung der Fermenter der Biogasanlagen sowie der landwirtschaftlichen Gebäude vor Ort verwendet.

Kleinkraftwerk nutzt ORC-Verfahren

Diese brachliegende Abwärme wirtschaftlich verwertbar zu machen, hat sich das Münchner Unternehmen Orcan Energy mit der Entwicklung des Kleinkraftwerks ePack zum Ziel gesetzt. „Der ePack nutzt das ORC-Verfahren, das es erlaubt, aus Wärme Strom zu erzeugen. Das Verfahren kommt dabei im Vergleich zu herkömmlichen Wasserdampfturbinen mit wesentlich niedrigeren Temperaturniveaus und geringerer thermischer Energie aus“, vermerkt Detlef Eissing, Vertriebs- und Marketingleiter bei Orcan Energy.

Dabei ist das ORC-Verfahren an sich nicht neu. Es gibt in Deutschland bereits eine ganze Reihe von Anlagen, die mit dem Organic Rankine Cycle (ORC) Strom aus Abwärme generieren. Im Unterschied zu konventionellen Dampfturbinen arbeitet der ORC-Zyklus nicht mit Wasser als Arbeitsmedium, sondern mit organischen Stoffen – wie Ammoniak,
/xtredimg/2014/Automation/Ausgabe91/6004/web/Automation_Studio_Icon.jpg
Mit Automation Studio haben die Experten von Orcan Energy GmbH das komplette Grundgerüst der Visualisierungs- und Steuerungssoftware für das Kleinkraftwerk ePack in wenigen Wochen erstellt. Die Offenheit des Systems erlaubt ihnen, schnelle Anpassungen an vorhandene übergelagerte Anlagensteuerungen zu realisieren und lässt die Weiterentwicklung der Steuerungslösung ohne Einschränkungen zu.

Mit Automation Studio haben die Experten von Orcan Energy GmbH das komplette...

Butan oder Pentan – die einen wesentlich niedrigeren Siedepunkt aufweisen als Wasser und damit auch im mittleren Temperaturbereich zwischen 80 und 500° C arbeiten können.

Trotzdem haben sich ORC-Anlagen bisher nur in einigen Nischenanwendungen durchsetzen können. „Der Punkt ist, dass diese Anlagen bisher immer individuell für den konkreten Anwendungsfall maßgeschneidert wurden. Dafür mussten komplette Komponenten oder Anlagenbereiche jedes Mal neu geplant oder entwickelt werden“, stellt Eissing klar. „Damit lassen sich zwar ein paar Prozentpunkte mehr beim Wirkungsgrad herausholen, doch das verteuert die Anlagen gleichzeitig drastisch und verhindert damit deren wirtschaftlichen Einsatz bei kleineren Abwärmequellen oder niedrigeren Temperaturniveaus. Diese finden sich typischer Weise bei der Mehrheit stationärer oder mobil betriebener Verbrennungsmotoren, Heizungen oder Kühlanlagen.“

Serienproduktion mit zuverlässigen Standardkomponenten

Genau hier setzt Orcan mit dem ePack an, in dem ausschließlich bereits am Markt erhältliche oder leicht modifizierte Komponenten verbaut werden. Das Unternehmen musste etwa keine eigene Dampfturbine entwickeln, sondern greift auf eine Kompressionsmaschine aus der Kältetechnik zurück, die vom Hersteller in Serie produziert wird. „Damit ist es uns gelungen, die Investitionskosten für ORC-Anlagen deutlich zu senken. Außerdem können wir und die Anwender sicher sein, dass die Komponenten zuverlässig arbeiten und frei von Kinderkrankheiten sind“, unterstreicht Eissing.

Aus
/xtredimg/2014/Automation/Ausgabe91/6004/web/ORE_003_130109_Orcangerat.jpg
Der ePack ist für die Verstromung von Abwärme stationär betriebener Verbrennungsmotoren konzipiert. Durch die Verwendung marktüblicher Komponenten und der Serienproduktion konnten die Stromentstehungskosten pro erzeugter Kilowattstunde auf ein konkurrenzfähiges Niveau gesenkt werden. (Quelle: Orcan Energy GmbH)

Der ePack ist für die Verstromung von Abwärme stationär betriebener Verbrennungsmotoren...

diesen Gründen greift das Unternehmen auch bei der Steuerungstechnik auf bewährte und zuverlässige Produkte zurück: Ein Power Panel 65 von B&R mit Touchscreen dient als Steuerungs- und Visualisierungssystem des ePack. „B&R hat sich in einer offenen Suche gegen die anderen bekannten Steuerungsanbieter durchgesetzt“, sagt Jens-Patrick Springer, der als Maschinenbauingenieur maßgeblich an der Entwicklung des ePack beteiligt war. Ausschlaggebend für die B&R-Lösung war unter anderem die hochwertige Verarbeitung des Power Panels, das mit einer für die Anwendung optimalen Rechenleistung punkten kann.

Kostenvorteil durch B&R-Technik

Über diverse I/O-Module aus dem X20 System kommuniziert die Steuerung mit den Komponenten des ePack. So werden beispielsweise Temperaturen sowie Drücke und Wärmemengen gemessen, Fehlersignale aufgenommen und die Drehzahl des Generators sowie des Kondensators und der Speisepumpe geregelt. „Die Temperatur messen konnte jede Lösung der von uns untersuchten Anbieter“, fügt der Entwicklungsingenieur an. „Doch bei den Kosten pro Messung zeigen sich dann deutliche Unterschiede. Auch da konnte B&R voll und ganz überzeugen.“

Da das Unternehmen in den ersten Demonstratoren und Forschungsanlagen noch die Steuerungstechnik anderer Anbieter eingesetzt hat, gab es zunächst Befürchtungen, dass ein Wechsel mit einer längeren Einarbeitungsphase verbunden sein könnte. „Diese Bedenken sind schnell verflogen“, erinnert sich Springer. „Grundlegende Programmierkenntnisse haben
/xtredimg/2014/Automation/Ausgabe91/6004/web/SAM_1402.jpg
Strom erzeugt das Kleinkraftwerk ePack mit einer elektrischen Nennleistung von 20 kW aus Abgasen und der im Motorkühlwasser enthaltenen Energie. (Quelle: Orcan Energy GmbH).

Strom erzeugt das Kleinkraftwerk ePack mit einer elektrischen Nennleistung von...

völlig gereicht, um durchstarten zu können. Die Entwicklungsumgebung Automation Studio bringt zudem alles mit, was wir benötigen. Wir konnten so das Softwaregrundgerüst der Steuerung – begleitet von einer Schulung und der Unterstützung durch B&R-Mitarbeiter des zuständigen technischen Büros – in wenigen Wochen aufstellen.“

Hoher Wirkungsgrad auch bei Teillast

Die ständig weiterentwickelte, ausgeklügelte Steuerung sorgt seitdem im Verbund mit der speziell ausgelegten Orcan-Anlagentechnik dafür, dass sich der ePack selbstständig – und ohne Eingriff eines Bedieners – auf Schwankungen der verfügbaren thermischen Energie einstellt. „Viele ORC-Anlagen anderer Bauart lassen sich dagegen nicht mannlos betreiben und reagieren sehr schwerfällig auf Schwankungen der zugeführten Energie. Zudem verschlechtert sich der Wirkungsgrad bei diesen Anlagen bei Teillast merklich“, sagt Springer.

Beim ePack bleibt der Wirkungsgrad hingegen auch bei einer Reduzierung der zugeführten Wärmeenergie über einen großen Bereich nahezu konstant, wie Eissing bestätigt: „Wenn nur noch 50 % der geplanten Wärmezufuhr zur Verfügung stehen, geht unser Gerät automatisch in den Teillastbetrieb. Trotzdem liefert der ePack noch fast die Hälfte der Nennleistung.“

Das ist auch bei Blockheizkraftwerken mit einer elektrischen Nennleistung von 450 bis 500 kW oder stationär betriebenen
Motoren, für die der ePack mit seinen kompakten Abmessungen von 2 x 2 x 1,2 Metern (L x H x B), einer thermischen Leistungsaufnahme von 300 kW und einer elektrischen Leistung von 20 kW prädestiniert ist, von Bedeutung, wie Eissing anfügt: „Selbst in Biogasanlagen oszilliert der Verbrennungsmotor mehr, als auf den ersten Blick vielleicht zu erwarten wäre, weil z. B. Gärprozesse wegen hoher Außentemperaturen im Sommer anders ablaufen.“

Stromentstehungskosten auf 15 Jahre absichern

Dank der vergleichsweise niedrigen Investitionskosten und des auch bei Teillast hohen Wirkungsgrads amortisieren sich die Orcan-Anlagen meist in wenigen Jahren. „Bei etwa 7.000 bis 8.000 Betriebsstunden eines BHKWs können wir schon heute Stromentstehungskosten von unter fünf Cent pro Kilowattstunde erreichen und über einen Zeitraum von 15 Jahren absichern“, erklärt Eissing nicht ohne Stolz.

Diese Zahlen haben Anwender aus unterschiedlichen Branchen überzeugt. Orcan konnte so alleine 2013 knapp 15 ePacks bei Kunden in Betrieb nehmen. „Dieser Erfolg ist ganz klar unserem Konzept geschuldet: Wir können einfach das passende Gerät zu wettbewerbsfähigen Preisen anbieten“, begründet Eissing.

Das Ende der Fahnenstange ist damit für den Marketing-Chef aber noch lange nicht erreicht. Das Unternehmen geht davon aus, dass mittelfristig 1.000 Stück des 20kW-ePack pro Jahr abgesetzt werden können und Anwender zukünftig noch verstärkt von den Einsparungseffekten einer Serienproduktion profitieren werden.

B&R – die richtige Wahl

Die Bemühungen, ORC-Anlagen noch wirtschaftlicher zu machen und das Einsatzspektrum weiter auszudehnen, werden von B&R voll
unterstützt, betont Springer: „B&R greift als innovatives Unternehmen aktuelle Trends auf und etabliert schnell Neue. Davon profitieren unsere Anwender.“

Sehr positiv aufgenommen hat der ORC-Experte daher die Einführung der M-Bus-Kommunikationsscheibe X20CS1012, die dem Entwickler den Zugriff auf ein großes Spektrum an Messtechnikgeräten eröffnet, sowie des Energiemessmoduls X20AP3131 aus dem X20 System. Bis zur Einführung des Energiemessmoduls musste Orcan noch separate Messtechnik einsetzen und umständlich einbinden. Jetzt sitzt das Energiemessmodul mit auf der Hutschiene und ist integraler Bestandteil der Steuerungslösung. „Das bedeutet für uns weniger Montageaufwand, weniger Platzbedarf und weniger Kosten“, freut sich Springer. „Auch das bestätigt uns darin, mit B&R die richtige Wahl getroffen zu haben und dass wir auf einem guten Weg sind, die Energiebilanz von BHKWs und stationären Verbrennungsmotoren weiter voranzubringen.“


Äußerst präzise Temperaturen oder Stromleistung messen ist mit den neuesten Mitgliedern der X20-Familie von B&R kein Problem.
Mit Automation Studio haben die Experten von Orcan Energy GmbH das komplette Grundgerüst der Visualisierungs- und Steuerungssoftware für das Kleinkraftwerk ePack in wenigen Wochen erstellt. Die Offenheit des Systems erlaubt ihnen, schnelle Anpassungen an vorhandene übergelagerte Anlagensteuerungen zu realisieren und lässt die Weiterentwicklung der Steuerungslösung ohne Einschränkungen zu.
Der ePack ist für die Verstromung von Abwärme stationär betriebener Verbrennungsmotoren konzipiert. Durch die Verwendung marktüblicher Komponenten und der Serienproduktion konnten die Stromentstehungskosten pro erzeugter Kilowattstunde auf ein konkurrenzfähiges Niveau gesenkt werden. (Quelle: Orcan Energy GmbH)
Strom erzeugt das Kleinkraftwerk ePack mit einer elektrischen Nennleistung von 20 kW aus Abgasen und der im Motorkühlwasser enthaltenen Energie. (Quelle: Orcan Energy GmbH).



Zum Firmenprofil >>


Bericht in folgender Kategorie:
Energie & Umwelttechnik

QR code

Special Automation aus der Cloud

cloud.JPG Immer mehr Teile der industriellen Automatisierung sollen in die Cloud verlegt werden. Nicht nur die in rapide steigenden Mengen generierten Daten, sondern neben Auswerte-, Überwachungs- und Kontrollmechanismen auch Steuerungs-, Regelungs- und sogar Safety-Algorithmen. Wozu eigentlich? Was lässt sich vernünftig in die Cloud verlegen? Was sollte man dabei beachten? Und was ist das überhaupt, die Cloud?
mehr lesen >>

Im Gespräch

/xtredimg/2018/Automation/Ausgabe222/15861/web/F_Press_MRK_trade_fair_model_0037_cold1_2016_04.jpgKräftemessen auf der Intertool
In der ISO/TS 15066 ist von maximal zulässigen Kräften bei MRK-Anwendungen die Rede. Aber was steckt tatsächlich hinter den von dieser Technischen Spezifikation vorgegebenen biomechanischen Grenzwerten? Um ein bisschen ein Gefühl dafür zu bekommen, was da verlangt wird, lädt Pilz auf der diesjährigen Intertool zum selber Austesten ein. Was die Firma Pilz bei diesem Thema zum Experten macht und worauf es bei der Umsetzung einer normgerechten Mensch-Roboter-Kollaboration ganz allgemein ankommt, verrät der Certified Machinery Safety Expert Ing. Bernhard Buchinger, der bei Pilz als Senior Manager Consulting Services tätig ist. Das Gespräch führte Sandra Winter, x-technik
Interview lesen >>

Newsletter abonnieren