Projektdaten

Kurzfassung des Vorhabens

Auf Grund der Energiepreissteigerungen und klimapolitischen Entwicklungen der vergangenen Monate und Jahre sind Industrieunternehmen zunehmend bestrebt, ihre Energie- bzw. Ressourceneffizienz zu steigern sowie vorhandene Potentiale intern zu nutzen.

Als besonders vielversprechend wird hierbei u. a. die elektrische Nutzung der bei industriellen Produktionsprozessen anfallenden Abgaswärme angesehen. Eine Möglichkeit zur Verstromung stellt dabei der Organic-Rankine-Cycle (ORC) dar. Im Gegensatz zum klassischen Wasserdampfkreislauf (Rankine-Cycle) wird bei einer ORC-Anlage anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsmedium eingesetzt. Dieses ermöglicht die Nutzung von fluktuierenden Wärmequellen mit für Abgasen charakteristischen niedrigen Temperaturniveaus von ca. 80–350 °C.

Der Einsatz von Turbinen, wie sie in Kraftwerksprozessen zu finden sind, gestaltet sich bei den genannten Randbedingungen und Anlagenleistungen von zumeist unter 200 kW als problematisch. Mikroturbinen bilden eine Option, weisen auf Grund ihrer nicht zu unterschätzenden Drehzahlen aber auch verschiedenste Herausforderungen auf, wodurch sich im Bereich der ORC-Technologie die Scrollexpander als alternative Verdrängermaschine etabliert haben. Ihr grundlegender Aufbau ähnelt dabei dem von Scrollkompressoren, die ihrerseits beispielweise im Kältekreis von Wärmepumpen verbaut werden.

Das Grunddesign zeichnet sich durch zwei identische, jedoch um 180° phasenverschobene Spiralelemente aus, die bei der Montage ineinander gesetzt werden. Eine Halbseite ist dabei fest verbaut und die andere führt während des Betriebs eine orbitierende Bewegung aus, wodurch in sich abgeschlossene, sichelförmige Kammern entstehen, die eine kontrollierte Kompression (Scrollkompressor) bzw. Expansion (Scrollexpander) des Arbeitsmediums gewährleisten. Auf Grund der Konstruktion wird das maximale Temperaturniveau des Arbeitsmediums durch die thermische Beständigkeit der Lagerschmierung limitiert, sodass eine Anwendung von Scrollexpandern im u. a. für ORC-Anlagen interessanten Hochtemperaturbreich über 250 °C derzeit erschwert bis nicht realisierbar ist.

Genau an diesem Punkt setzt das im VASP-Projekt entwickelte und untersuchte Konzept des sphärischen Scrollexpanders an. Es verfolgt den Ansatz, mit Hilfe eines flexiblen Wellrohrs den Lagerraum von dem mit Arbeitsmedium beaufschlagten Raum zu trennen und somit das Thermomangement zu verbessern. Bei der Verwendung eines Wellrohrs in Kombination mit dem planaren Design wird ersteres lateral verformt, sodass das Erreichen der Dauerfestigkeit erschwert bis nicht möglich ist. Aus diesem Grund nutzt das VASP-Scrolldesign Kugelsegmente als Trägerplatten für die Spiralelemente. Durch die sphärisch gekrümmten Trägerplatten ist eine im Vergleich zur klassischen Konstruktion modifizierte Orbitationsbewegung realisierbar, die die strukturmechanische Belastung eines montierten Wellrohrs senkt und folglich seine Integration erlaubt. Mit der erfolgreichen Umsetzung der beschriebenen Konstruktion wäre es entsprechend möglich, den bisher limitierten Temperaturbereich des Scrollexpanders zu erweitern und ihn beispielsweise in Hochtemperatur-ORC-Anlagen einzusetzen. Auch eine Ausführung als Kompressor für giftige oder korrosiven Medien ist auf Grund der hermetischen Trennung von Lager- und Arbeitsraum denkbar.

In Zusammenarbeit mit unserem Kooperationspartner, der Fella Maschinenbau GmbH, erfolgen im Rahmen des Projekts die mathematische Modellierung sowie Konstruktion der VASP-Scrollmaschine, die Simulation des Gesamtsystems sowie die praktische Umsetzung und Untersuchung des entwickelten VASP-Konzepts im Labor.

Wir danken dem Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) für die Unterstützung!