Untersuchung eines Niederdruck-Wasser-/Dampfkreislaufs zur Abwärmenutzung von Verbrennungsmotoren auf technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermodynamischen und wirtschaftlichen Bewertung eines Niederdruck-Wasser-/Dampfkreislaufes (ND-SRC) zur Abwärmenutzung von Verbrennungsmotoren. Alleinstellungsmerkmal des ND-SRC ist, dass die Kühlmittel- und Abgaswärme in einem Einkreislaufsystem genutzt werden. Um dies zu realisieren, wird die Kühlmittelwärme zur Verdampfung des Arbeitsfluides verwendet. Das begrenzt den Verdampfungsdruck des ND-SRC auf < 1 bar absolut, da die Kühlmittelwärme mit ca. 80 °C bis maximal 120 °C auf einem relativ geringen Temperaturniveau vorliegt.

Die technische und wirtschaftliche Realisierbarkeit des ND-SRC wird in dieser Arbeit für die Abwärmenutzung von motorbetriebenen Blockheizkraftwerken (BHKWen) im Leistungsbereich von 50 kWel bis 250 kWel untersucht. Für die thermodynamische Bewertung des Anlagenkonzeptes wird ein stationäres thermodynamisches Simulationsmodell mit der Software Ebsilon®Professional erstellt und anhand eines Demonstrators im Labormaßstab (BHKW mit 38 kW mechanischer Leistung) validiert. Ebenfalls werden die Methoden zur Auslegung der Wärmeübertrager und der Turbine validiert.

Da das Anlagenkonzept im Leistungsbereich des Demonstrators nicht wirtschaftlich realisierbar ist, wird die Anlage auf den oberen angestrebten Leistungsbereich (BHKW mit 220 kWel) skaliert und die Kosten werden über Angebote der Zulieferungsfirmen erneut ermittelt. Die wirtschaftliche Realisierbarkeit wird exemplarisch für den Standort Deutschland mit Berücksichtigung des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes 2016 ermittelt.

Auf Basis der Kosten des Demonstrators und der Kostenkalkulation der skalierten Anlage wird ein Kostenmodell für den Bau eines ND-SRC erstellt, mit dem die Kosten der Einzelkomponenten über charakteristische Größen (z.B. Wärmeübertragerfläche, Turbinenleistung etc.) berechnet werden können.

Anhand dieser Arbeit wird gezeigt, dass der ND-SRC in Bezug auf die elektrische Leistungssteigerung des BHKW-Motors, trotz vergleichsweise geringem elektrischen Wirkungsgrad, konkurrenzfähig zu vergleichbaren Nachschaltprozessen ist. Die berechneten spezifischen Kosten des skalierten ND-SRC zeigen, dass ein wirtschaftlich rentabler Betrieb des ND-SRC ab einer elektrischen Leistung des BHKW-Motors von ca. 220 kW möglich ist.