ORC in der Biogasanlage: wie viel Strom sich aus Abwärme zurückgewinnen lässt

ORC (Organic Rankine Cycle) ist ein thermodynamischer Kreisprozess, in dem statt Wasser ein organisches Arbeitsmittel mit niedrigem Siedepunkt zirkuliert, was es erlaubt, aus Wärme mit einer Temperatur in der Größenordnung von 80–300 °C Strom zu erzeugen. Bei Wärme aus einem Biogasaggregat gewinnt ein ORC-Modul in der Regel einige bis mehr als zehn Prozent der Wärmeenergie als elektrische Energie zurück — bei einem Überschuss von 300–400 kW Wärme ergibt das also eine elektrische Leistung in der Größenordnung von einigen zehn kW. Es ist nur dann sinnvoll, wenn die Wärme nicht günstiger und einfacher verkauft werden kann.

Funktionsprinzip

Das Arbeitsmittel (z. B. Kohlenwasserstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe, Silikonöle — je nach Hersteller) wird in einem Wärmetauscher durch Abwärme verdampft, expandiert in einer Turbine oder einem Expander, der einen Generator antreibt, kondensiert anschließend in einem luft- oder wassergekühlten Kondensator und kehrt zur Pumpe zurück. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus den Beschränkungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen Quelle und Kühlung, desto niedriger der Wirkungsgrad (Carnot-Grenze). Bei 90 °C Quelle und 25 °C Kühlung liegt die theoretische Grenze bei ca. 18%, und der praktische Wirkungsgrad ist deutlich niedriger.

Wärmequellen in der Biogasanlage

Für Biogasanlagen vorgesehene Module arbeiten häufig mit Heißwasser oder mit Thermoöl, das durch Abgas erhitzt wird.

Rechenbeispiel

Annahmen: Aggregat 500 kW el., Wärmeüberschuss für das ORC 300 kW, Netto-Wirkungsgrad des ORC 8%, Verfügbarkeit 7.500 h/Jahr.

• elektrische Nettoleistung: 300 × 0,08 = 24 kW,
• Jahresproduktion: 24 × 7.500 = 180 MWh,
• bei einem hypothetischen Verkaufspreis für Energie (z. B. 400 PLN/MWh) würde der Erlös 72.000 PLN/Jahr betragen; bei 800 PLN/MWh — 144.000 PLN.

Das Ergebnis zeigt, dass sich die Investitionskosten für das Modul (in der Größenordnung von mehreren Hunderttausend bis über eine Million PLN bei solchen Größen) nur bei entsprechend hohen Energiepreisen oder Förderung und niedrigen Servicekosten amortisieren. Die Preise im Beispiel sind hypothetisch; die Bewertung sollte auf eigenen Preisen und Bedingungen beruhen.

Vor- und Nachteile

Wann ORC sinnvoll ist

• keine lokalen Wärmeabnehmer (oder geringer Verkauf),
• hoher Strompreis oder verfügbares Fördersystem,
• stabiler Betrieb der Kraft-Wärme-Kopplung (>7.500 h/Jahr),
• Möglichkeit der Kühlung mit Wasser niedriger Temperatur.

Ist eine günstigere Nutzung der Wärme möglich (Trocknung, Beheizung), setzt sich meist diese durch.

Betriebliche Fragen

• Arbeitsmittel: Sicherheitsbewertung (Brennbarkeit, Toxizität, GWP) und rechtliche Anforderungen an das Arbeitsmittel,
• Schutz vor Druckanstieg und Leckagen,
• Service: Austausch von Dichtungen, Kontrolle der Turbine, Sauberkeit der Wärmetauscher,
• Integration in die Automatisierung der Biogasanlage und Verfügbarkeit einer Fernüberwachung,
• Regeln für den Netzanschluss der zusätzlichen Leistung (Formalitäten).

Fragen an den Lieferanten

1. Welcher Netto-Wirkungsgrad gilt unter Auslegungsbedingungen und im Jahresmittel?
2. Welche Temperaturen und Wärmeströme sind erforderlich?
3. Wie sehen Garantie und Servicekosten aus?
4. Welche Referenzen gibt es bei ähnlichen Anlagen?
5. Wie verhält sich das Modul bei Teillast?

Eine belastbare Analyse erfordert den Vergleich von Szenarien: Wärmeverkauf, Trocknung, ORC, keine Investition. Erst die Gegenüberstellung der Zahlungsströme mit einem realistischen Ertrag zeigt, ob das ORC gerechtfertigt ist. Vereinfachte Kennzahl: die Kosten der mit dem ORC erzeugten Kilowattstunde über die gesamte Lebensdauer, verglichen mit dem Verkaufs- oder Bezugspreis der Energie.

ORC und andere Möglichkeiten der Abgasnutzung

Das Abgas des Motors lässt sich auch zur Erzeugung von Prozessdampf oder von Thermoöl für eine Trocknungsanlage nutzen. Diese Variante ergibt eine höhere Energienutzung als das ORC, sofern ein Prozessabnehmer vorhanden ist. Das ORC wird dann gewählt, wenn die Wärme in einem anderen Sinne „nutzlos“ ist. Es lohnt sich auch zu erwägen, ob es nicht besser ist, statt in ein ORC in einen höheren elektrischen Wirkungsgrad des Aggregats selbst zu investieren (größerer Motor, bessere Gemischkühlung).

Finanzielle Risiken

Das größte Risiko ist die Annahme eines zu optimistischen Wirkungsgrads und einer zu optimistischen Verfügbarkeit des Moduls. Verlangen Sie eine Ertragsgarantie und legen Sie im Vertrag die Messmethode fest. Berücksichtigen Sie den Leistungsrückgang an heißen Tagen, die Kosten für den Austausch des Arbeitsmittels, die Wartung der Wärmetauscher und die prognostizierten Energiepreise über den gesamten Tilgungszeitraum. Ist das Fördersystem für Energie aus Biogas zeitlich begrenzt, bewerten Sie die Zahlungsströme auch nach seinem Auslaufen.

Auslegung der Modulgröße

Das ORC-Modul wird auf einen konstanten Wärmeüberschuss ausgelegt, nicht auf den Spitzenwert. Ein zu großes arbeitet unterhalb des Optimums, ein zu kleines nutzt das Potenzial nicht aus. Typischerweise deckt das Modul die Wärme ab, die über den größten Teil des Jahres nach Abzug des Eigenbedarfs für die Beheizung der Fermenter verfügbar ist. Da der Eigenbedarf im Winter steigt, ist der Überschuss für das ORC dann am geringsten — und das bedeutet, dass die tatsächliche Jahresproduktion mitunter niedriger ist als das Produkt aus Nennleistung und Stundenzahl.

Zusammenfassung der Entscheidung

Das ORC ist eine gute Option für Anlagen mit großem, stetigem Wärmeüberschuss und ohne lokale Abnehmer. Für die meisten landwirtschaftlichen Biogasanlagen sollten Vorrang haben: Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads, Verkauf oder Nutzung der Wärme und erst danach das ORC als Ergänzung.