Effi­zi­en­te Strom­ge­win­nung aus Wärmequellen

Die klas­si­sche Dampf­tur­bi­ne ist nun seit fast 90 Jah­ren erfolg­reich im Ein­satz. Das rela­tiv ein­fa­che Grund­prin­zip: Eine Wär­me­quel­le erhitzt Was­ser, sodass es ver­dampft. Dabei ent­steht Dampf­druck, der eine Tur­bi­ne antreibt. Ein nach­ge­schal­te­ter Gene­ra­tor erzeugt dar­auf­hin elek­tri­schen Strom. Aber: Was­ser als Arbeits­me­di­um mit all sei­nen Eigen­schaf­ten eig­net sich eher für Hoch­tem­pe­ra­tur­an­wen­dun­gen über 350 Grad Cel­si­us. Abwär­me, wie sie zum Bei­spiel häu­fig in der Indus­trie anfällt, hat hin­ge­gen deut­lich nied­ri­ge­re Tem­pe­ra­tu­ren. Der klas­si­sche Dampf­kreis­pro­zess mit Was­ser­dampf – der Steam Ran­ki­ne Cycle – lässt sich für die­se Anwen­dun­gen daher nicht wirt­schaft­lich ein­set­zen. Hier kommt der Orga­nic Ran­ki­ne Cycle (ORC) mit sei­nen orga­ni­schen Flu­iden wie zum Bei­spiel Käl­te­mit­teln ins Spiel, die schon bei deut­lich nied­ri­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren ver­damp­fen. Aber wie las­sen sich Tur­bi­nen mit orga­ni­schen Dämp­fen antrei­ben? Und wie kann man die­sen Pro­zess opti­mie­ren? Das erfor­schen Felix Rein­ker und Kars­ten Haßel­mann in ihren Pro­mo­ti­ons­vor­ha­ben am Fach­be­reich Maschi­nen­bau der FH Münster.
„Dafür arbei­ten wir mit einem spe­zi­el­len gas­dich­ten Wind­ka­nal, den wir hier im Labor selbst kon­stru­iert und auf­ge­baut haben“, erzählt Rein­ker. „Das ist unser Prüf­stand CLOWT, die Abkür­zung steht für Clo­sed Loop Orga­nic vapor Wind Tun­nel. Ein Wind­ka­nal, in dem wir orga­ni­sche Heiß­dampf­strö­mun­gen unter hohem Druck unter­su­chen kön­nen.“ Der Dampf zir­ku­liert im geschlos­se­nen Kreis­lauf durch die mas­si­ven, etwa 15 Meter lan­gen Roh­re, wird an einer Stel­le beschleu­nigt und über­strömt in der Test­sek­ti­on einen klei­nen Trag­flü­gel – den kann man sich ähn­lich vor­stel­len wie bei einem Flug­zeug, bloß ist er statt zehn Metern nur cir­ca zehn Zen­ti­me­ter groß. „An die­sem Trag­flü­gel mes­sen wir die Druck­ver­tei­lung, und die­se Wer­te ver­glei­chen wir zum Vali­die­ren mit den Wer­ten aus unse­ren Strömungssimulationen.“
Das ist der Part von Kars­ten Haßel­mann. „Mit Grob­struk­tur­si­mu­la­tio­nen las­sen sich zeit­lich abhän­gi­ge Strö­mungs­vor­gän­ge detail­liert ana­ly­sie­ren, wie zum Bei­spiel Wir­bel­bil­dun­gen oder Strö­mungs­ab­ris­se“, sagt Haßel­mann. „Aber das sind alles Modell­an­nah­men, die der Rea­li­tät nicht zwangs­läu­fig ent­spre­chen müs­sen. Daher ist die Vali­die­rung der Strö­mungs­si­mu­la­tio­nen mit expe­ri­men­tel­len Daten zwin­gend notwendig.“
Aber auch sehr auf­wen­dig: Das zeigt die gerin­ge Anzahl an Prüf­stän­den mit expe­ri­men­tel­len Auf­bau­ten zu dem The­ma in ganz Euro­pa: Neben dem CLOWT am Fach­be­reich Maschi­nen­bau der FH Müns­ter gibt es nur noch an der TU Delft und der Poli­tec­ni­co in Mai­land ähn­li­che Versuchsstände.
„Das Gan­ze mit limi­tier­tem Bud­get und unter Zeit­druck zu machen, ist eine zusätz­li­che Her­aus­for­de­rung“, bemerkt Rein­ker. 2013 star­te­ten er und Haßel­mann in einem vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung geför­der­ten Pro­jekt für den Inge­nieur-Nach­wuchs. Die damit ver­knüpf­te koope­ra­ti­ve Pro­mo­ti­on betreu­en Prof. Dr. Euge­ny Y. Kenig von der Uni­ver­si­tät Pader­born und Prof. Dr. Ste­fan aus der Wie­sche von der FH Müns­ter. Jetzt macht das Unter­neh­men Ruß­wurm Ven­ti­la­to­ren mit den Dok­to­ran­den und Prof. Dr. Phil­ipp Epp­le von der Hoch­schu­le Coburg wei­ter: Die­ses Mal neh­men sie den im Wind­ka­nal ver­bau­ten Hoch­leis­tungs­ven­ti­la­tor unter die Lupe, da der­ar­ti­ge Antrie­be auch in indus­tri­el­len Anwen­dun­gen zum Ein­satz kom­men. „Im Sin­ne der Ener­gie­ef­fi­zi­enz wol­len wir sei­nen Ein­satz opti­mie­ren“, erklärt Reinker.