Strom aus Abwärme: Spitzenausbeute mit superkritischem Kohlendioxid

Bei der Verstromung von Abwärme zeigen sich die Vorteile von Turbinen, die mit superkritischem CO2 (sCO2) angetriebenen werden, ganz besonders. In diesem Temperaturbereich können sie nicht nur mehr Strom erzeugen als eine Dampfturbine, sie benötigen auch weniger Platz. Siemens Energy stellt derzeit für einen Kunden die Abwärmeverstromung eines Gasverdichters auf sCO2 um und bereitet auch schon sCO2-Turbinen vor, die große Abwärmemengen verstromen können, wie sie in Stahlwerken anfallen.

 

Von Frank Krull

Die Stromerzeugung mit Industrieabwärme steht vor einem einschneidenden Technologiesprung. Erste Turbinen, die von superkritischem CO2 (sCO2) angetrieben werden, sind einsatzreif. Sie künden eine neue Turbinengeneration an, die einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Dampfturbinen ermöglicht und gleichzeitig erheblich weniger Bauraum benötigt. Die Oil & Gas Division von Siemens Energy in den USA rüstet damit bereits eine Gasverdichterstation des kanadischen Energieunternehmens TC Energy aus, um deren Abwärme künftig effizienter verstromen zu können. Wenn die sCO2-Turbine 2021 ans Netz geht, wird sie Strom für mehr als 10.000 Haushalte einspeisen. 

Leistungsversprechen tiefer untermauern

Simon Kobler und Stefan Glos aus der Technologieentwicklung von Siemens Energy in Deutschland bereiten währenddessen schon weitere Anwendungsmöglichkeiten vor. Sie arbeiten daran, dass nächstens auch sCO2-Turbinen verfügbar sind, die noch größere Abwärmemengen verstromen können, wie sie in Stahlwerken oder Glashütten anfallen. Die Voraussetzungen hierfür schaffen sie derzeit in dem vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekt Carbosola. „Wir bereiten dort zusammen mit der TU Dresden, dem Helmholtz-Zentrum Dresden und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln einen Demonstrator vor, um die kommerzielle Reife der Technologie für größere Abwärmemengen abzusichern“, erzählt Kobler. „Dabei geht es uns weniger darum, zu klären, wie die Turbinen auszulegen und zu bauen sind. Solche Fragen können wir gut aus unserer langjährigen Turbinenbauerfahrung beantworten. Uns geht es darum, das Leistungsversprechen der Technologie theoretisch und experimentell noch tiefer zu untermauern, bevor wir mit Produkten an den Markt gehen.“

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Wie sieht superkritisches Kohlendioxid aus?

Mehr Stromausbeute auf weniger Raum

Die sCO2-Turbinen versprechen in der Tat außerordentliches. Das liegt an den ungewöhnlichen Eigenschaften, die CO2 hat, wenn es bei Temperaturen oberhalb 31 Grad Celsius mit einem Druck von mehr als 73,8 bar zusammengepresst wird. Unter diesen Bedingungen ist die Konsistenz einerseits so dicht, wie bei einer Flüssigkeit, andererseits aber so fließfähig wie bei einem Gas. Für die Leistungsumsetzung der Turbine ist das ideal. Wenn die physikalische Dichte des Arbeitsmediums steigt, ohne die Fließfähigkeit zu behindern, steigt dessen Leistungsdichte und damit auch die Stromausbeute. Die hohe Leistungsdichte kann aber nicht nur genutzt werden, um die Stromausbeute bei Anwendungen zu steigern, wo heute Dampfturbinen eingesetzt werden. Sie macht es auch möglich, Turbinen zu bauen, die erheblich weniger Bauraum benötigen als Dampfturbinen mit gleicher Leistung. „Je nach Temperatur der Wärmequelle, können sCO2-Turbinen bis zu einem Faktor Zehn kleiner ausgeführt werden als Dampfturbinen“, erklärt Glos.  „sCO2-Turbinen sind damit doppelt interessant für die Verstromung von Industrieabwärme. Zum einen ist die hohe Leistungsdichte des sCO2 bei niedrigen Temperaturen ein besonderer Vorteil. Zum anderen haben die meisten Industriebetriebe keinen Platz, um eine Dampfturbine unterzubringen“.

Pilotanlage für reale Anwendungserfahrung

Damit Siemens Energy nach Abschluss von Carbosola auch schon über reale Anwendungserfahrungen verfügt, verfolgen Kobler und Glos das Ziel, parallel zum Forschungsprojekt, zusammen mit einem ihrer Kunden eine prototypische Pilotanlage aufzusetzen. „Viele Industrieunternehmen mit großen Abwärmemengen sind sehr interessiert, die Verstromung mit sCO2-Turbinen so früh wie möglich nutzen können“, betont Kobler. „Stahlwerke oder Glashütten müssen hier nicht erst lange von den Vorteilen der neuen Technologie überzeugt werden.“


16.04.2020

Frank Krull ist Physiker und Journalist und arbeitet in der Kommunikationsabteilung von Siemens Energy.

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