STORC – Speicherunterstützte Verstromung von diskontinuierlicher Abwärme mit einer ORC Anlage bei der Voest Alpine Tubulars

Bei der voestalpine Tubulars GmbH & Co KG kommen im Verlauf des Produktionsprozesses mehrere erdgasbefeuerte Öfen zum Einsatz, wobei das Ofenabgas derzeit ungenutzt auf einem Temperaturniveau zwischen 200 und ca. 450 °C an die Umgebung abgegeben wird. Vorstudien haben gezeigt, dass das wesentliche Problem bei der Nutzung des Ofenabgases darin besteht, dass der zeitliche Verlauf der thermischen Leistung im Ofenabgas starken Schwankungen unterliegt. Aus diesem Grund sind für den Einsatz an diesen Öfen ORC-Anlagen mit relativ kleiner Leistung (400 kWel) und relativ langen Betriebsstunden am wirtschaftlichsten. Größere Anlagen, die die diskontinuierlichen Leistungsspitzen ausnutzen, arbeiten nur eine geringe Stundenanzahl bei voller Leistung und den Rest im Teillastbereich bei einer stark verminderten Umwandlungseffizienz. Weiters sind die An- und Abfahrvorgänge mit Energieverlusten verbunden, da die Systemkomponenten auf Betriebstemperatur gebracht werden müssen. Der Einsatz von ORC-Anlagen mit kleineren Leistungen bedeutet in weiterer Folge, dass nur ein Teil des gesamten Wärmeinhaltes aus dem Ofenabgas zur Stromerzeugung genutzt wird. Unter diesen Gesichtspunkten kann der Einsatz eines Hochtemperaturwärmespeichers Leistungsspitzen abpuffern und im Mittel eine höhere Leistung verfügbar machen. Vorteile des kombinierten Einsatzes von Hochtemperaturspeicher und ORC-Anlage sind: ein konstanter Wärmestrom, dessen Leistung dem zeitlichen Mittelwert des Abwärmestroms entspricht, die optimale Ausnutzung der Turbine, ein konstanter Wirkungsgrad der Turbine, die Erhöhung der Stromerzeugung mit einer ORC-Anlage, geringere Maximalleistung und in Summe niedrigere Investitionskosten. Das Ziel von STORC ist es, durch die optimale Kombination aus Abwärmenutzung, Hochtemperaturwärmespeicher und ORC-Anlage ein für die voestalpine Tubulars GmbH & Co KG wirtschaftliches Anlagenkonzept zu entwickeln, welches im nächsten Schritt in Form einer Demonstrationsanlage umgesetzt werden kann. Vorraussetzung für die Realisierung der speicherunterstützten Verstromung von Abwärme ist ein Hochtemperaturwärmespeicher. Dazu ist es notwendig, geeignete Teilkomponenten für eine kompakte Anlage zu identifizieren, thermodynamisch geeignete und langzeitbeständige Speichermedien auszuwählen, das Gesamtsystem durch geeignete Simulation zu optimieren, wobei die Ergebnisse aus der Simulation zur Anpassung der Komponenten und optimalen Ausnutzung des Abwärmepotenzials angewendet werden. Im Projekt STORC wird die optimale Kombination aus Abwärmequelle, Speichermedium, Hochtemperaturspeicher und ORC-Anlage ermittelt. Dazu ist es notwendig, die Abwärmepotenziale im zeitlichen Verlauf nach Temperatur und Wärmemenge aufzuzeichnen, die Abhängigkeit von den hergestellten Produkten zu beschreiben, das optimale Speichermedium zu ermitteln, das gesamte Anlagenkonzept der ORC-Anlage für die vorhandenen Temperaturniveaus und die anfallende Menge der Abwärme zu entwickeln und die Einbindung des aus Abwärme erzeugten Stroms in die betriebliche Energieversorgung zu simulieren. Das gesamte Anlagenkonzept wird einer Risikoanalyse unterzogen. Im Rahmen von STORC wird parallel zur thermodynamischen und sicherheitstechnischen Optimierung eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung in Form von Szenarien unter Berücksichtigung von Energiepreisentwicklungen und der Entwicklung des CO2-Emissionshandels durchgeführt. Mit STORC wird damit ein bisher einzigartiges Gesamtkonzept entwickelt, welches im Anschluss in anderen energieintensiven Unternehmen angewendet werden kann. STORC trägt einerseits dazu bei, dass der Strombezug und damit die Kosten für Energie für die voestalpine Tubulars GmbH & Co KG reduziert werden und vermindert andererseits die ansonsten anderswo in Kraftwerken bei der Stromerzeugung emittierten CO2-Emissionen.