Organiczne obiegi Rankine’a szansą na wykorzystanie ciepła odpadowego i poprawę efektywności energetycznej przedsiębiorstw

Organiczne obiegi Rankine’a (Organic Rankine Cycles, ORC) coraz częściej wykorzystywane są do wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł ciepła o temperaturze w zakresie 90–350°C (rys. 1). Jako czynniki robocze stosuje się w nich różne związki organiczne, które są w stanie odparować w temperaturach odpowiadających temperaturze źródła ciepła. Przy stosunkowo niskich temperaturach źródeł ciepła (poniżej 300°C) wykorzystanie klasycznych obiegów termodynamicznych działających w oparciu o parę wodną (jako czynnik roboczy) jest mniej efektywne i zwykle nieopłacalne.

Organiczne obiegi Rankine’a doskonale nadają się do odzysku ciepła odpadowego zarówno przy niewielkich mocach cieplnych (kilkunastu–kilkudziesięciu kW), jak i przy mocach rzędu MW. Należy podkreślić, że dostępne są już komercyjnie produkowane urządzenia o konstrukcji modułowej, które można indywidualnie dopasować do potrzeb konkretnego źródła ciepła. Wydajność urządzeń ORC może być zmieniana w dość szerokim zakresie obciążeń (30–120% mocy nominalnej), co jest istotne zwłaszcza przy źródle ciepła o zmiennej wydajności, np. dobowej lub wynikającej z cyklu technologicznego. Ponadto są to często urządzenia bezobsługowe, których trwałość producenci deklarują na nawet 25 lat. Najbardziej efektywnym rozwiązaniem jest bezpośredni odzysk ciepła ze spalin lub gorących oparów, które kierowane są do wymiennika ciepła urządzenia ORC (do parownika). Możliwe jest również zastosowanie do odzysku ciepła odpadowego systemu pośredniego, w którym czynnik pośredniczący (zwykle olej termalny) odbiera ciepło np. ze spalin i przekazuje je do czynnika roboczego obiegu ORC.

Szerokie pole zastosowań urządzeń ORC stanowią układy kogeneracyjne, produkujące jednocześnie energię cieplną i elektryczną, zarówno na potrzeby odbiorców indywidualnych (gospodarstw domowych, gospodarstw rolnych), jak i grup odbiorców, przedsiębiorców, instytucji (szkoły, urzędy, szpitale, hotele, sanatoria). Kogeneracyjne układy ORC wpisują się również w ideę energetyki rozproszonej, gdzie ciepło wytwarzane jest w procesie spalania np. biomasy, a energia elektryczna produkowana w generatorze elektrycznym napędzanym mikroturbiną rozprężającą pary gorącego czynnika roboczego obiegu ORC.

Urządzenia ORC mogą być również wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej z ciepła pozyskiwanego ze źródeł odnawialnych, takich jak energia geotermalna czy słoneczna.

Rynek urządzeń realizujących organiczny obieg Rankine’a

Łączna moc elektryczna wytwarzana w układach ORC na świecie sięga ponad 2750 MWe, a produkowana jest już w ponad 563 siłowniach (dane ze stycznia 2016 [1]). Moc elektryczna planowanych urządzeń to ok. 530 MWe (75 planowanych siłowni ORC) [1]. Większość z tych urządzeń (76,5%) jako źródło ciepła wykorzystuje energię geotermalną (rys. 2). Biomasa stanowi ponad 10% źródeł ciepła dla ORC, natomiast odzysk ciepła ze spalin to łącznie ponad 12% źródeł ciepła. Udział energii słonecznej jest znikomy (poniżej 0,1%) ze względu na wysokie koszty inwestycyjne instalacji z kolektorami skupiającymi, jak również możliwość zastosowania taniejących układów bezpośredniej konwersji energii słonecznej w energię elektryczną, opartych na coraz sprawniejszych panelach fotowoltaicznych.

Duży potencjał zastosowań urządzeń ORC stanowią odpadowe źródła ciepła. Szczegółowy udział poszczególnych źródeł ciepła odpadowego w produkcji energii elektrycznej w urządzeniach ORC ilustruje rys. 3. Na rynku dominują urządzenia średniej mocy (rzędu kilkudziesięciu kWe), w których odzyskuje się ciepło ze spalin silników Diesla (ICE – Internal Combastion Engines) i turbin gazowych (o temperaturze ok. 300°C), a nawet ciepło z wody chłodzącej te urządzenia (o temperaturze ok. 90°C). Zarówno silniki spalinowe, jak i turbiny gazowe osiągają sprawności cieplne rzędu 30–50%, tak więc sporą część energii spalanego paliwa stanowi ciepło odpadowe. Zastosowanie układów ORC pozwala na zwiększenie ilości produkowanej energii elektrycznej o ok. 8% w przypadku turbin gazowych, natomiast dla silników spalinowych można uzyskać dodatkowo nawet 15% energii elektrycznej. Osiągane czasy zwrotu nakładów inwestycyjnych są w tym przypadku relatywnie najkrótsze i wynoszą ok. 3 lata. 

Dynamicznie rozwija się również branża termicznego przetwarzania odpadów w energię cieplną i elektryczną (WtE – Waste to Energy). Problem przetwarzania odpadów będzie narastał zwłaszcza w krajach rozwiniętych, dlatego wdrażane są technologie ich przetwarzania oparte na procesach spalania, gazyfikacji, pirolizy. We wszystkich tych procesach powstają duże ilości ciepła odpadowego, które można wykorzystać w urządzeniach ORC. 

Znaczący potencjał do zastosowania urządzeń ORC stanowi również energochłonny przemysł, jak hutnictwo metali, cementownie, huty szkła, przemysł petrochemiczny i chemiczny. Pewien potencjał daje także przetwarzanie odpadów biologicznych w biogazowniach (odpady z produkcji rolnej, osady ściekowe, bioodpady komunalne). Zarówno spalanie biogazu, jak i ewentualnie gazu wysypiskowego w silnikach i turbinach może być połączone z odzyskiem ciepła odpadowego i wykorzystaniem go w urządzeniach ORC.

Zasada działania organicznego obiegu Rankine’a

Organiczny obieg Rankine’a realizowany jest w układzie zamkniętym, w którym krąży organiczny czynnik roboczy. Schemat technologiczny podstawowego cyklu Rankine’a przedstawiono na rys. 4. Czynnik roboczy odparowuje w wymienniku ciepła – parowniku (5), pobierając tym samym ciepło ze źródła ciepła. Następnie pary czynnika przepływają do turbiny (1) (lub innego typu maszyny ekspansyjnej, np. rozprężarki śrubowej, tłokowej, łopatkowej, spiralnej). Rozprężając się, czynnik roboczy obniża swoje ciśnienie, wywołując obrót wału maszyny, i tym samym napędza generator prądu elektrycznego (2). Po rozprężeniu para czynnika roboczego przepływa do skraplacza (3), gdzie oddając ciepło, ulega skropleniu. Chłodzenie skraplacza odbywa się najczęściej za pomocą wody chłodzącej, która z kolei oddaje ciepło do otoczenia. Możliwe jest również powietrzne chłodzenie skraplacza. Skroplony czynnik roboczy obiegu zasysany jest przez pompę obiegową (4), która go spręża do ciśnienia odpowiedniego dla parownika (5), i w ten sposób obieg zostaje zamknięty.

Należy zauważyć, że sprawność cieplna omawianego obiegu zależy w dużym stopniu zarówno od temperatury źródła ciepła, jak i temperatury czynnika chłodzącego skraplacz, która powinna być jak najniższa. Wprowadzenie dodatkowego wymiennika ciepła – rekuperatora ciepła – pozwala na nieznaczne zwiększenie sprawności obiegu (o ok. 1–2%) i jednocześnie zapewnia podwyższenie temperatury cieczy doprowadzanej do parownika (niektóre źródła ciepła wymagają nieprzekraczania pewnej minimalnej temperatury odbioru ciepła). Schemat technologiczny obiegu ORC z rekuperatorem ciepła przedstawiono na rys. 5.

Zastosowanie rekuperatora jest możliwe w przypadku, kiedy po rozprężeniu para czynnika roboczego jest przegrzana (takie warunki są spełnione dla czynników roboczych określanych mianem suchych lub izentropowych – stanowią one większość stosowanych w praktyce czynników). Rekuperacja ciepła pozwala nie tylko na wstępne podgrzanie cieczy przepływającej do parownika, ale umożliwia również zmniejszenie obciążenia chłodniczego urządzenia ORC i tym samym zmniejszenie rozmiarów skraplacza.

Najdroższym elementem obiegu ORC jest maszyna ekspansyjna, której koszt może przekraczać nawet 60% ceny całego układu. Rodzaj zastosowanej maszyny rozprężającej pary czynnika roboczego zależy przede wszystkim od mocy źródła ciepła, a tym samym od mocy elektrycznej generowanej w ORC. Rodzaje maszyn ekspansyjnych w zależności od mocy siłowni zestawiono na rys. 6.

W przypadku urządzeń o mocy rzędu kilkudziesięciu kWe czy MWe stosowane są turbiny o przepływie pary promieniowym, osiowo-promieniowym (Eulera) lub osiowym. Dla czynników organicznych spadek entalpii pary przy rozprężaniu jest dużo mniejszy niż zmiana entalpii pary wodnej, a ciśnienie na wlocie zwykle nie przekracza 30 barów. Dzięki temu w obiegach ORC wystarczające mogą być nawet turbiny jednostopniowe. W przypadku większości czynników roboczych para na wylocie jest przegrzana, tak więc łopatki turbiny nie ulegają tak szybko erozji. Istotnym ograniczeniem zastosowania turbin pracujących z czynnikami organicznymi jest stosunkowo niska prędkość dźwięku na wylocie, po której osiągnięciu obniża się sprawność urządzenia. Turbiny osiowe są stosowane zwłaszcza dla czynników o dużej masie molowej. Natomiast turbiny promieniowe są przeznaczone dla większych stopni rozprężania niż turbiny osiowe i zapewniają większy spadek entalpii na pojedynczym stopniu rozprężania. Ich ważną zaletą jest również efektywne działanie nawet przy częściowym obciążeniu. 

W przypadku układów ORC o mniejszej mocy (rzędu kilkunastu kWe) stosowanie turbin do rozprężania par czynnika roboczego staje się problematyczne, ponieważ dramatycznie wzrasta ich prędkość obrotowa, co utrudnia bezpośrednie podłączenie generatora prądu. Istnieją jednak na rynku prototypowe urządzenia (tzw. mikroturbiny), które wymagają zastosowania wysokoobrotowych generatorów (powyżej 20 000 obr/min). Zamiast turbin stosuje się więc maszyny objętościowe tłokowe lub rozprężarki rotacyjne ślimakowe, śrubowe i łopatkowe. Większość tych urządzeń to wciąż jednak prototypy, chociaż rozprężarki śrubowe można spotkać w niektórych komercyjnie dostępnych urządzeniach ORC.

Istotnym aspektem przy ocenie jakości urządzenia ORC jest również ilość energii elektrycznej, jaką zużywa pompa obiegowa. Moc pompy zależy od strumienia masy pompowanego czynnika, jak również od wytwarzanej różnicy ciśnień. Oba te parametry są ściśle powiązane z rodzajem czynnika roboczego, a tym samym z temperaturą źródła ciepła. Ogólnie można stwierdzić, że im niższa temperatura krytyczna czynnika roboczego, tym więcej energii zużyje pompa. Określa to liczbowo wskaźnik BWR (Back Work Ratio), zdefiniowany jako stosunek mocy pompy do mocy generowanej w turbinie. W przypadku obiegów parowych BWR jest bardzo niski i zwykle nie przekracza 0,4%, natomiast dla czynników organicznych wskaźnik ten jest wielokrotnie wyższy [3]. Dla wysokotemperaturowych urządzeń ORC (temperatura źródła ciepła powyżej 250°C), gdzie zastosowano jako czynnik roboczy np. toluen, BWR wynosi 2–3%. W przypadku urządzeń ORC niskotemperaturowych (temperatura źródła ciepła ok. 100°C), gdzie zastosowano freon R134a, BWR może przekroczyć 10%.

Podstawowym parametrem wykorzystywanym do porównywania różnych urządzeń ORC jest sprawność termiczna wyliczana w oparciu o I zasadę termodynamiki oraz sprawność egzergetyczna wyliczana w oparciu o II zasadę termodynamiki:

gdzie: 

∆_iexp – zmiana entalpii czynnika roboczego przy przepływie przez maszynę ekspansyjną;

∆_ipom – zmiana entalpii czynnika roboczego przy przepływie przez pompę obiegową;

∆_iev – zmiana entalpii czynnika roboczego w parowniku;

T_ev – temperatura parowania, K;

T_con – temperatura skraplania, K.

Oczywiście sprawność termiczna jest og­ra­niczona wartością sprawności idealnego obiegu Carnota odpowiadającego zadanym temperaturom parowania i skraplania. W rzeczywistych obiegach będą występowały straty związane z nieodwracalnością procesów wymiany ciepła, rozprężania i sprężania czynnika roboczego, jak również straty energii (ciśnienia) przy przepływie czynnika w rurociągach i wymiennikach ciepła. 

W przypadku wysokotemperaturowych obiegów ORC (temperatura parowania ok. 300°C) sprawności termiczne zbliżają się do 20%. Optymalizując parametry obiegu, budowę turbiny czy dobór rekuperatora ciepła oraz pompy obiegowej, można uzyskać sprawności termiczne na poziomie 24%. W obiegach niskotemperaturowych (temperatura parowania w przedziale 90–150°C) sprawności termiczne zwykle wahają się w zakresie 6–10%.

Czynniki robocze stosowane w urządzeniach ORC

W rozpatrywanych obiegach Rankine’a stosuje się bardzo różne czynniki robocze, takie jak różnego rodzaju freony (HCFC, HFC), siloksany, alkohole, aldehydy, etery, wodorofluoroetery (HFE), aminy. Czynnik roboczy powinien być dopasowany do temperatury źródła ciepła, które zasila urządzenie ORC. Zwykle dąży się do tego, aby temperatura odparowania czynnika roboczego była nieznacznie niższa od jego temperatury krytycznej (w typowo stosowanych obecnie obiegach podkrytycznych). W ramach innowacji wprowadzane są również urządzenia ORC działające w warunkach nadkrytycznych. Przykładowe czynniki robocze dla różnych temperatur źródeł ciepła i zastosowań zestawiono w tabeli 1.

Wybór czynnika roboczego ma kluczowe znaczenie dla osiąganej sprawności urządzenia. Ilustruje to rys. 7, na którym przedstawiono zmiany sprawności układu ORC w zależności od temperatury parowania dla kilku wybranych czynników (dla temperatury skraplania 35°C, wg danych w [4]). Dla każdego czynnika roboczego można również określić optymalną temperaturę odparowania, tak aby uzyskać maksymalną sprawność termiczną obiegu. Można także optymalizować dobór czynnika roboczego pod kątem innych parametrów, takich jak: maksymalna sprawność egzergetyczna, maksymalna moc turbiny, minimalny wskaźnik BWR (stosunek mocy pompy do mocy turbiny).

Wybór czynnika roboczego wpływa nie tylko na sprawność termiczną obiegu, ale również na ilość odzyskanej energii, typ i wielkość maszyny ekspansyjnej, wielkość wymienników ciepła (parownik, skraplacz), obecność rekuperatora ciepła, moc do napędu pompy obiegowej.

W tabeli 2 przedstawiono wyliczenia (na podstawie [5]) podstawowych parametrów obiegu ORC dla wybranych czynników roboczych zastosowanych dla przykładowych źródeł ciepła. Uwzględniono źródła ciepła niskotemperaturowe, jak np. energia geotermalna, energia słoneczna niskotemperaturowa (temperatura parowania/skraplania: 80/20°C lub 120/30°C), średniotemperaturowe ciepło odpadowe (temperatura parowania/skraplania: 170/30°C) oraz wysokotemperaturowe źródła ciepła odpadowego, np. spaliny z silnika, turbiny gazowej bądź ze spalania biomasy (temperatura parowania/skraplania: 250/40°C lub 280/90°C – możliwa kogeneracja). Obliczenia prowadzono alternatywnie dla dwóch czynników roboczych dla danego obiegu.

Analizując parametry obiegów ORC zestawione w tabeli 2, można zauważyć oczywisty wzrost sprawności termicznej wraz ze wzrostem temperatury parowania czynników roboczych. Dla większości rozpatrywanych par czynników roboczych sprawności te są porównywalne i dlatego chcąc wybrać konkretny czynnik, warto się przyjrzeć pozostałym parametrom. Wielkości takie, jak ciśnienie parowania (na wlocie do ekspandera), stopień rozprężania oraz gęstość czynnika po rozprężeniu, bezpośrednio wpływają na konstrukcję i wielkość maszyny ekspansyjnej. Przykładowo trudny (a nawet niemożliwy) byłby dobór turbiny jednostopniowej przy stopniu rozprężania 210 czy 572 (jak to ma miejsce w przypadku obiegu o parametrach 250/40°C). 

Z punktu widzenia sprawności obiegu wskazane byłyby jak najniższe wartości wskaźnika BWR (są one znacznie większe dla obiegów niskotemperaturowych). Z kolei niskie wartości gęstości czynnika po rozprężeniu uzyskiwane w obiegach wysokotemperaturowych skutkują zwiększonymi rozmiarami zarówno maszyny rozprężającej, jak i skraplacza oraz rekuperatora ciepła.

Dobierając czynnik roboczy dla obiegu ORC, uwzględnia się również takie parametry, jak: palność, toksyczność, lepkość (wpływa na opory przepływu i procesy wymiany ciepła w wymiennikach), wpływ na warstwę ozonową (wskaźnik ODP = 0), wpływ na efekt cieplarniany (wskaźnik GWP powinien być jak najniższy; niektóre freony, jak np. R245fa, będą wycofywane w ciągu najbliższych 10 lat), ciśnienie skraplania odpowiadające temperaturze chłodzenia (powinno być zbliżone do ciśnienia otoczenia).

Producenci urządzeń ORC

Rynek urządzeń ORC jest zdominowany przez trzy firmy: Ormat (USA), Turboden i Exergy (Włochy) – rys. 8.

Firma Ormat specjalizuje się w dużych instalacjach ORC (50–140 MWe) zasilanych z geotermalnych źródeł energii (o temperaturach w zakresie 130–190°C). Firma Turboden produkuje urządzenia ORC o mocach jednostkowych turbin w zakresie 0,3–20 MWe, przeznaczone dla systemów, w których wykorzystuje się ciepło z biomasy (307 instalacji na całym świecie o łącznej mocy 413 MWe), ciepło odpadowe (WHR, 34 instalacje o łącznej mocy 78 MWe), ciepło geotermalne (16 instalacji o łącznej mocy 98 MWe) oraz ciepło z przetwarzania odpadów (WtE, 16 instalacji o łącznej mocy 32 MWe). Firma Exergy oferuje instalacje ORC w szerokim zakresie mocy (od 100 kWe do 50 MWe) oraz temperatur źródeł ciepła (90–350°C). Są one przeznaczone głównie dla źródeł ciepła geotermalnych (25 instalacji o łącznej mocy 400 MWe) oraz do odzysku ciepła średnio- i wysokotemperaturowego (21 instalacji o łącznej mocy 32 MWe). W tabeli 3 zestawiono informacje dotyczące wybranych producentów urządzeń ORC.

Możliwości zastosowań urządzeń ORC

W Polsce instalacje, w których pojawiają się organiczne obiegi Rankine’a, są jeszcze mało rozpowszechnione. Jedynym źródłem ciepła dla kilkunastu istniejących siłowni ORC jest spalanie biomasy. Łączna moc zainstalowana wynosi ok. 13 MWe [1]. W obiektach tych obiegi ORC stanowią element większego systemu, w którym ciepło wykorzystywane jest do celów przemysłowych lub komunalnych. Jeżeli chodzi o zastosowanie obiegów ORC w systemach wykorzystujących ciepło geotermalne, instalacje takie są cały czas jeszcze w planach, a istniejące instalacje geotermalne (6) zaopatrują w ciepło lokalne sieci ciepłownicze. Temperatura wód geotermalnych użytkowanych w tych instalacjach jest jednak zbyt niska jak na wymagania technologii ORC, gdzie potrzeba źródła ciepła o temperaturze przynajmniej 120°C.

Jak wspomniano wcześniej, wciąż niewykorzystywane jest ciepło odpadowe w przemyśle, a zwłaszcza w jego energochłonnych gałęziach, jak hutnictwo, przemysł chemiczny, petrochemiczny, szklarski, papierniczy. Kolejnym obszarem, gdzie mogą znaleźć zastosowanie urządzenia ORC, jest gospodarka związana z zagospodarowaniem odpadów. Pozostaje oczywiście do dyspozycji wiele rozproszonych źródeł ciepła odpadowego w postaci silników spalinowych dużej mocy czy turbin gazowych. Kogeneracyjne układy gazowe znajdują powoli zastosowanie w energetyce rozproszonej, jednak jest to wciąż niszowe rozwiązanie i o odzysku ciepła ze spalin w wersji z ORC nikt jeszcze nie myśli.

Dużą barierą w przypadku instalacji wyposażonych w ORC jest niezmiennie cena tych urządzeń i koszty inwestycyjne całej instalacji. Każdorazowo konieczna jest analiza opłacalności ekonomicznej takiego przedsięwzięcia. W pracy [6] rozpatrywano trzy różne warianty zastosowania ORC:

• wariant 1: przedsiębiorstwo inwestuje w układ ORC do odzysku ciepła odpadowego i wytworzoną energię elektryczną zużywa na potrzeby własne;
• wariant 2: przedsiębiorstwo inwestuje w układ ORC do odzysku ciepła odpadowego i wytworzoną energię elektryczną sprzedaje do sieci elektroenergetycznej;
• wariant 3: siłownia ORC zasilana ze źródła energii odnawialnej (np. biomasa, energia słoneczna lub geotermalna) sprzedaje wytworzony prąd do sieci elektroenergetycznej (z uwzględnieniem ewentualnych preferencyjnych taryf dla wytwórców energii z OZE).

Rozważania przedstawiono dla czterech wybranych krajów unijnych: Niemiec, Wielkiej Brytanii, Francji oraz Włoch. Mają one nieco inne ceny energii elektrycznej oraz warunki subsydiowania energetyki odnawialnej. Ważnym aspektem prowadzonej analizy była również wielkość układu ORC wyrażona jego mocą elektryczną (2–200 kWe). Ma to istotne znaczenie, ponieważ jednostkowe koszty inwestycyjne urządzeń ORC (wyrażone np. w euro/kWe mocy wytworzonej lub w euro/kWh energii wytworzonej) są znacznie wyższe w przypadku urządzeń o małej mocy. Szacuje się te koszty bardzo różnie, jak wynika z danych przedstawionych na rys. 9 (wg [3]). W pracy [6] wyliczono, że aby zapewnić konkurencyjność ORC względem innych metod wytwarzania energii elektrycznej (z wiatru, paneli fotowoltaicznych, w hydroelektrowniach, w turbinach gazowych i silnikach spalinowych), jednostkowy koszt inwestycyjny urządzenia ORC nie powinien przekraczać 3500 euro/kWe dla ORC o mocach w zakresie 5–10 kWe oraz 2500 euro/kW w przypadku urządzeń o mocach 10–100 kW. 

Z obliczeń zamieszczonych w pracy [6] wynika, że oczekiwany trzyletni okres zwrotu nakładów inwestycyjnych (wyłącznie na urządzenie ORC) został osiągnięty w Niemczech, Wielkiej Brytanii oraz we Włoszech tylko w wariancie pierwszym i trzecim. Wariant drugi okazał się nieopłacalny w każdym z rozpatrywanych państw. W przypadku Francji opłacalne były warianty 1 i 3, ale tylko dla urządzeń większych niż 60 kWe. Jest to związane ze znacznie niższymi cenami energii elektrycznej we Francji, jak również z brakiem subsydiów dla producentów energii elektrycznej przy mocach poniżej 100 kWe. 

Podsumowując, opłacalność inwestycji w urządzenie ORC zależy od wielu parametrów, takich jak:

• wielkość urządzenia (moc nominalna),
• rodzaj źródła ciepła,
• cena energii elektrycznej,
• sposób subsydiowania prosumentów,
• wsparcie inwestycji wykorzystujących odnawialne źródła energii,
• wsparcie inwestycji wykorzystujących kogenerację,
• uwarunkowania prawne i obowiązki nakładane na wytwórców energii.

Możliwości dofinansowania inwestycji w urządzenia ORC

W ramach programu priorytetowego „Energia Plus” realizowanego przez NFOŚiGW przedsiębiorcy mogą uzyskać wsparcie dla przedsięwzięć w zakresie [7]:

• ograniczenia lub uniknięcia szkodliwych emisji do atmosfery (zarówno związanych ze źródłami spalania paliw, jak i z pozostałej działalności przemysłowej),
• zmniejszenia zużycia surowców pierwotnych,
• przedsięwzięć mających na celu poprawę efektywności energetycznej,
• nowych źródeł ciepła i energii elektrycznej,
• modernizacji/rozbudowy sieci ciepłowniczej,
• energetycznego wykorzystania zasobów geotermalnych.

Program oferuje różne formy finansowego wsparcia inwestycji, takie jak pożyczki na zasadach preferencyjnych (z możliwością częściowego umorzenia), pożyczki na zasadach rynkowych oraz dotacje. Należy podkreślić, że dotacje te, a więc bezzwrotne wsparcie, oferowane są wyłącznie dla przedsięwzięć wykorzystujących do produkcji energii elektrycznej technologie ORC zastosowane w ramach budowy lub modernizacji ciepłowni, elektrociepłowni, a także elektrowni geotermalnej. Poziom dotacji może wynieść do 50% wartości inwestycji.

W tym miejscu należy podkreślić, że układy kogeneracyjne ORC spełniają wymagania programu „Energia Plus” w zakresie przedsięwzięć mających na celu poprawę efektywności energetycznej i zmniejszenie zużycia surowców pierwotnych dzięki lepszemu wykorzystaniu energii spalanych paliw. Należy dobierać urządzenia ORC pracujące w kogeneracji (CHP), dla których temperatura skraplania czynnika roboczego jest wystarczająca wysoka (ok. 80–90°C), aby zasilić w ciepło np. lokalną sieć ciepłowniczą, względnie inne odbiorniki ciepła (np. zasobniki ciepłej wody). W przypadku wykorzystania ciepła odpadowego jako źródła ciepła dla urządzenia ORC (np. gorących spalin) również poprawiamy efektywność energetyczną danego procesu technologicznego, co wpisuje się w strategię omawianego programu.

Przy okazji można przypomnieć, że zgodnie z ustawą o odnawialnych źródłach energii [8] do tzw. mikroinstalacji zalicza się urządzenia o mocy elektrycznej nieprzekraczającej 40 kW oraz mocy cieplnej do 120 kW. Spełnienie tego kryterium upraszcza formalności związane z procesem inwestycyjnym, a także późniejszą eksploatację instalacji. W przypadku mikroinstalacji w postaci urządzenia ORC nie jest wymagane prowadzenie działalności gospodarczej w zakresie wytwarzania energii, są też przewidziane pewne ułatwienia związane ze sprzedażą wyprodukowanej energii elektrycznej oraz jej wprowadzeniem do sieci elektroenergetycznej.

Podsumowanie

Organiczne obiegi Rankine’a dają możliwość efektywnego wykorzystania źródeł ciepła w zakresie temperatur 90–350°C do produkcji prądu i tym samym umożliwiają spożytkowanie ciepła odpadowego, które w przeciwnym wypadku rozpraszane byłoby w otoczeniu. Dostępne są urządzenia ORC zarówno o niewielkiej mocy (rzędu kilku–kilkudziesięciu kWe), przystosowane dla małych mocy cieplnych, jak i większe moduły, o mocach jednostkowych ponad 10 MWe, przeznaczone dla źródeł ciepła o dużej mocy cieplnej. Dzięki ich stosunkowo prostej budowie poszczególne moduły ORC można łączyć, uzyskując pożądane parametry instalacji. Do niewątpliwych zalet urządzeń ORC (w porównaniu do tradycyjnych parowych obiegów Rankine’a) można zaliczyć:

• większą trwałość turbiny ze względu na brak fazy ciekłej po rozprężeniu par czynnika roboczego – łopatki turbin nie ulegają w związku z tym erozji ani korozji;
• urządzenie ORC jest często tańsze niż odpowiadające mu mocą urządzenie parowe (zwłaszcza dla mocy poniżej 2 MWe) – wynika to z faktu, że czynniki organiczne odparowują przy dużo niższym ciśnieniu niż para wodna;
• rozruch i zatrzymanie urządzenia ORC jest dużo prostszy i szybszy niż w przypadku układów z parą wodną;
• urządzenia ORC są również bardziej niezawodne i trwałe w porównaniu z układami parowymi (pracują przy niższych ciśnieniach, brak erozji łopatek turbiny) – ich trwałość ocenia się na ponad 20 lat, a są nawet takie, które pracują ponad 30 lat;
• urządzenia ORC (zwłaszcza te o niewielkiej mocy nominalnej) mają zwykle budowę modułową i są praktycznie bezobsługowe, zaopatrzone we własny, zdalnie sterowany układ regulacji;
• urządzenia ORC można efektywnie regulować w szerokim zakresie mocy generowanej (działają efektywnie przy częściowym obciążeniu nawet na poziomie 10% nominalnego obciążenia; można je również przeciążać do 120% mocy nominalnej);
• dzięki odpowiednio dobranemu czynnikowi roboczemu możliwe jest odzyskanie dużej części dostępnego ciepła, jak również (alternatywnie) utrzymywanie pożądanej temperatury źródła ciepła.

Z kolei do wad technologii ORC można zaliczyć relatywnie wysoki koszt konwersji energii cieplnej w elektryczną, zwłaszcza dla mocy elektrycznych przekraczających 2 MWe. Również sprawność termiczna tego procesu nie jest zbyt wysoka i sięga maksymalnie 24% (przy temperaturach parowania rzędu 300°C). Jednak w przypadku zastosowania kogeneracyjnego układu ORC sprawność całkowita urządzenia przekracza 90%. 

Rozważając zastosowanie układu ORC, należy dokonać analizy ekonomicznej rozwiązania, uwzględniając dostępne wsparcie inwestycji z programu NFOŚiGW „Energia Plus”.

Literatura

1. Tertiere T., Astolfi M., A world overview of the Organic Rankine cycle market, „Energy Procedia” 129, 2017.
2. Quoilin S., Declaye S., Legros A., Guillaume L., Lemort V., Working fluid selection and operating maps for Organic Rankine Cycle expansion machines, Proceedings of the International compressor and engineering conference, Pardue, 2012.
3. Quoilin S., Van Den Broek M., Declaye S., Dewallef P., Lemort V., Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems, „Renevable and Sustainable Energy Reviews” 22, 2013.
4. Ma Z., Wu J., Zhang Y., Performance optimization of organic Rankine cycles for waste heat recovery for a large diesel engine, „Archives of Thermodynamics” 39, 2018.
5. Quoilin S., Lemort V., Expansion machine and fluid selection for the organic Rankine cycle, 7th Int. Conf. on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (HEFAT), 2010.
6. Tocci L., Pal T., Pesmazoglou I., Franchetti B., Small scale organic Rankine cycle (ORC): a techno-economic review, „Energies” 10, 2017.
7. Program priorytetowy „Energia Plus”, http://www.nfosigw.gov.pl/oferta-finansowania/srodki-krajowe/programy-priorytetowe/energia-plus-i-cieplownictwo-powiatowe--pilotaz/energia-plus/ (dostęp: 2.04.2019).
8. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (DzU 2015, poz. 478, z późn. zm.).

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!