Synergistic Oil–Gas–Geothermal Integration and Advanced Exergy Optimization of Organic Rankine Cycles for Refinery Waste Heat Recovery in Nigeria: Co-Production of Mature-Well Brine with Flue-Gas Heat

Im industriellen Herzen Nigerias werden derzeit zwei unterschiedliche Energieflüsse verschwendet. Der erste stammt aus Ölraffinerien, massiven Anlagen, die Rohöl in Treibstoff verarbeiten. Diese Anlagen erzeugen als Nebenprodukt enorme Mengen an Wärme, aber ein Großteil dieser Wärme wird einfach in die Luft abgegeben und entweicht als heißes Abgas. Der zweite Fluss kommt aus den Ölquellen selbst. Wenn Öl aus der Tiefe unter der Erde gepumpt wird, bringt es ein erhebliches Volumen an warmem, salzigem Wasser mit sich, das bekannt als Sole bezeichnet wird. Im Niger-Delta wird diese Sole an die Oberfläche gefördert und dann entsorgt, wobei sie eine stetige Zufuhr thermischer Energie mit sich führt, die ungenutzt bleibt. Beide Ströme stellen ein verlorenes Potenzial dar: Die Hitze der Raffinerie ist zu heiß, um sie leicht mit Standardausrüstung einzufangen, während das Brunnenwasser zu kühl ist, um allein einen Generator anzutreiben.

Die Frage, die diese Forschung antreibt, ist, ob diese zwei getrennten, verschwendeten Ströme kombiniert werden können, um etwas Nützliches zu schaffen. Die Antwort liegt in einer Technologie namens Organic Rankine Cycle (organischer Rankine-Kreislauf). Im Gegensatz zu herkömmlichen Dampfkraftwerken, die Wasser zum Drehen einer Turbine verdampfen, verwendet dieses System eine organische Flüssigkeit, wie etwa eine Art von Gas, das bei einer viel niedrigeren Temperatur siedet. Dies ermöglicht es dem System, Elektrizität aus Wärmequellen zu erzeugen, die nicht heiß genug für Dampf sind. Die Herausforderung bestand schon immer darin, die Wärmequelle auf die Maschine abzustimmen. Wenn die Wärme zu variabel ist, hat die Maschine Schwierigkeiten; wenn sie zu kühl ist, erzeugt sie keine Leistung. Die Forscher wollten herausfinden, ob sie die stetige, moderate Wärme des entsorgten Brunnenwassers mit der intensiven, schwankenden Hitze des Raffinerieabgases zu einem einzigen, effizienten Stromgenerator vereinen könnten.

Ein Team von Ingenieuren an der University of Ilorin in Nigeria untersuchte diese Möglichkeit durch den Entwurf eines Hybridsystems für drei große Raffineriestandorte: Warri, Port Harcourt und Kaduna. Ihr Vorschlag beinhaltet einen cleveren zweistufigen Prozess. Zuerst wird die warme Sole aus den Ölquellen durch einen Wärmetauscher gepumpt. Sie bringt die Arbeitsflüssigkeit nicht direkt zum Sieden; stattdessen fungiert sie als Stabilisator, der die Flüssigkeit auf eine Basistemperatur erwärmt und die Schwankungen in der Energiezufuhr glättet. Dann fließt das heiße Abgas aus der Raffinerie, das viel heißer als das Wasser ist, durch einen thermischen Ölkreislauf, um den abschließenden, hochtemperaturstarken Schub zu liefern, der nötig ist, um die Turbine zu drehen. Durch die Kombination dieser beiden Quellen erzeugt das System einen stetigen Strom, den keine der beiden Quellen allein produzieren könnte.

Die Forscher bauten ein detailliertes Computermodell, um zu testen, wie dies in der Praxis funktionieren würde, wobei sie reale Daten aus den nigerianischen Ölfeldern und Raffinerien verwendeten. Sie fanden heraus, dass die Kombination gut funktioniert, aber das spezifische Design stark vom Standort abhängt. In der Raffinerie Warri nutzt das System eine Flüssigkeit namens Isobutan, das unter hohem Druck und Temperaturen arbeitet, die es über seinen normalen Siedepunkt hinaus treiben. Dieser Standort erzeugt etwa 1app 180 Kilowatt Elektrizität. In Port Harcourt erzeugt der Aufbau mit Isopentan etwas mehr Leistung, etwa 200 Kilowatt. In Kaduna verlässt sich das System auf n-Pentan und liefert etwa 170 Kilowatt. Während diese Mengen im Vergleich zum massiven Ertrag eines vollwertigen Kraftwerks klein erscheinen mögen, sind sie für eine einzelne Einheit, die an eine Raffinerie angeschlossen ist, bedeutend – genug, um ein kleines Viertel oder eine große Industrieanlage mit Strom zu versorgen.

Eine wichtige Entdeckung der Studie war das Verständnis darüber, wo die Energie tatsächlich verloren geht. Die Forscher verwendeten eine Methode der fortgeschrittenen Exergieanalyse, die die Ineffizienzen des Systems aufschlüsselt, um genau zu sehen, wo das Potenzial für Arbeit zerstört wird. Sie fanden heraus, dass die größten Verluste nicht von den beweglichen Teilen der Maschine stammen, wie der Turbine oder der Pumpe, sondern von den Wärmetauschern selbst. Am Standort Warri machen diese Wärmetauschkomponenten mehr als 70 Prozent des gesamten Energieverlusts aus. Dies liegt nicht daran, dass die Ausrüstung defekt ist, sondern an der grundlegenden Physik der Wärmeübertragung von einem sehr heißen Gas auf eine kühlere Flüssigkeit. Der Temperaturunterschied ist einfach zu groß, um ihn vollständig zu überwinden. Die Studie legt nahe, dass der Versuch, die Turbine effizienter zu machen, nur wenig Nutzen bringen würde; die eigentliche Chance liegt in einer besseren Abstimmung der Wärmequellen und in der Suche nach Wegen, die Wärme zu nutzen, die vom System abgestoßen wird.

Das durch die Simulation gezeichnete wirtschaftliche Bild ist vielversprechend. Die Forscher berechneten, dass der Bau eines solchen Systems je nach Standort etwa zwischen 1,1 und 1,3 Millionen US-Dollar kosten würde. Angesichts der derzeitigen Strompreise, mit denen Raffinerien in Nigeria konfrontiert sind – die oft auf teure, eigenständige Stromerzeugung angewiesen sind –, würde sich das System in weniger als fünf Jahren amortisieren. Über das Geld hinaus ist die Umweltwirkung erheblich. Durch die Erfassung dieser Abwärme könnten die Raffinerien ihre Kohlendioxidemissionen um fast 20 Prozent senken, ein bedeutender Schritt hin zu saubereren industriellen Abläufen in der Region.

Die Studie ist sich jedoch über die Unsicherheiten im Klaren. Die Zahlen für die Leistungsabgabe und die Einsparungen basieren auf Simulationen und spezifischen Annahmen darüber, wie viel heißes Gas zur Verfügung steht. Die Forscher merkten an, dass die gemeldete Hitze aus einem einzelnen Raffineriekamin nicht ausreicht, um das System mit der vorhergesagten Kapazität zu betreiben; das Design setzt voraus, dass die Hitze aus mehreren Schornsteinen und Heizern über den gesamten Raffineriekomplex verteilt zusammengeführt wird. Bevor dieses System gebaut werden kann, ist eine detaillierte Prüfung der tatsächlichen Wärmeströme an jeder Raffinerie erforderlich, um zu bestätigen, dass wirklich genug Energie zur Verfügung steht. Darüber hinaus muss die Wahl der zu verwendenden Flüssigkeit und die genauen Druckeinstellungen mit vollumfänglichen technischen Modellen validiert werden, da das aktuelle Computermodell einige der komplexen Interaktionen zwischen den Flüssigkeiten und den Wärmequellen vereinfacht hat.

Der Weg nach vorn sieht eine sorgfältige, schrittweise Herangehensweise vor. Die Forscher empfehlen, mit einem Pilotprojekt am Standort Port Harcourt zu beginnen, wo das Potenzial für die Leistungsabgabe am höchsten und die Amortisationszeit am kürzesten ist. Diese erste Installation würde als Realwelt-Test dienen, um die in den Computermodellen getroffenen Annahmen zu verifizieren. Wenn dies erfolgreich ist, könnte die Technologie hochskaliert werden, um das weite Netzwerk reifer Ölquellen und Raffinerien im Niger-Delta in ein verteiltes Netzwerk aus sauberen Energiegeneratoren zu verwandeln. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass, obwohl die technischen Hürden handhabbar und der wirtschaftliche Fall stark ist, der Schlüssel zum Erfolg in der rigorosen Datenerhebung und der Bereitschaft liegt, bestehende Infrastruktur umzunutzen. Indem man die verworfene Sole und das verschwendete Abgas nicht als Abfall, sondern als kombinierte Ressource betrachtet, hat Nigeria eine greifbare Chance, seine Energieeffizienz zu verbessern und seinen ökologischen Fußabdruck zu reduzieren.