Wykorzystanie układów ORC do odzysku ciepła

Trwają obecnie prace nad rozwojem układów kogeneracyjnych i trójgeneracyjnych, w których jeden z cykli roboczych stanowią obiegi ORC. Obiegi te dla źródeł ciepła o dużej mocy (rzędu MW) są już dość dobrze rozwinięte i mają wiele komercyjnych zastosowań.

Przedmiotem badań i analiz są nadal obiegi przeznaczone dla źródeł ciepła o małej mocy (poniżej 50 kW), dla których poszukuje się optymalnych czynników roboczych, dobiera się bądź konstruuje maszyny robocze (rozprężarki) i optymalizuje konstrukcje wymienników ciepła [1].

Organiczne obiegi Rankine’a stosowane są w siłowniach geotermalnych [2, 3, 4], siłowniach zasilanych biomasą [5, 6], do odzysku ciepła z gorących spalin [7, 8] oraz jako obiegi dolne współpracujące z turbiną gazową lub innym cyklem wysokotemperaturowym [9, 10].

Ogólną produkcję energii elektrycznej w układach ORC ocenia się na 1,3 GWe [11], przy czym największy udział mają w niej siłownie geotermalne, następnie wykorzystujące biomasę oraz ciepło odpadowe (rys. 1). Śladowy udział mają siłownie zasilane energią słoneczną oraz małe układy ORC zasilane gazem (tzw. remote power). W artykule przedstawiono problemy związane z wykorzystaniem ciepła odpadowego w organicznych obiegach Rankine’a.

Zasada działania ORC

Organiczny obieg Rankine’a składa się z tych samych elementów składowych, co klasyczny obieg parowy. Pod wpływem ciepła dostarczanego do parownika czynnik roboczy odparowuje, para czynnika rozpręża się w maszynie roboczej (turbinie, rozprężarce), a generator prądu zmiennego podłączony do maszyny rozprężającej wytwarza prąd elektryczny.

Po rozprężeniu czynnik roboczy (zwykle pod postacią pary przegrzanej) kierowany jest do skraplacza (chłodzonego wodą lub powietrzem z otoczenia), gdzie ulega kondensacji. Następnie pompa obiegowa przetłacza ciecz roboczą z powrotem do parownika i cykl się powtarza. Schemat najprostszego obiegu wraz z przykładowym wykresem T-s przedstawia rys. 2.

W przypadku większości czynników roboczych możliwe jest zwiększenie efektywności cyklu dzięki zastosowaniu regeneratora ciepła, który umożliwia odzysk ciepła z gorącej pary opuszczającej rozprężarkę i jednocześnie pozwala na zmniejszenie powierzchni skraplacza. Schemat obiegu ORC z regeneracją ciepła wraz z odpowiadającym mu wykresem T-s przedstawia rys. 3.

Czynniki robocze w ORC

Wybór odpowiedniego czynnika roboczego zależy od wielu kryteriów. Na pewno należy uwzględnić:

• rodzaj źródła ciepła (poziom temperatury oraz zmienność wydajności i temperatury),

• koszty pompy i turbiny/rozprężarki oraz własności fizyko-chemiczne czynnika.

Istotny jest:

• kształt krzywej nasycenia,

• niska temperatura zamarzania,

• wysoka temperatura krytyczna,

• duże ciepło parowania,

• gęstość i przewodność cieplna,

• wielkość lepkości,

• oddziaływanie na środowisko,

• bezpieczeństwo użytkowania (toksyczność, palność),

• dostępność i cena,

• akceptowany zakres ciśnień (przy temperaturze kondensacji nie powinno występować podciśnienie, a przy temperaturze parowania ciśnienie nie powinno być zbyt wysokie; stopień rozprężania powinien być dostosowany do typu maszyny roboczej, maksymalne ciśnienie w parowniku nie powinno przekraczać 2 MPa ze względu na koszty budowy wymiennika).

Ważna jest również kompatybilność z materiałami przewodów i uszczelnień.

Ze względu na niskie sprawności termodynamiczne obiegu ORC (wynikające ze stosunkowo niewielkiej różnicy temperatur między źródłem ciepła i otoczeniem) wskazany jest wybór takiego czynnika roboczego, który zapewnia maksymalną możliwą sprawność cyklu (rys. 4).

Czytaj dalej: Rozprężarki stosowane w ORC >>

Wraz ze wzrostem temperatury czynnika na wlocie do turbiny (wzrostem temperatury źródła ciepła) rośnie sprawność obiegu. Dla obiegu pracującego w warunkach podkrytycznych należy dobrać czynnik roboczy, którego punkt krytyczny znajduje się powyżej maksymalnej temperatury źródła ciepła.

Czynniki zalecane dla ORC należą do tzw. suchych lub izentropowych czynników roboczych (rys. 5) – w zależności od nachylenia krzywej nasycenia na wykresie T-s. Po rozprężeniu ich para jest sucha i dzięki temu nie dochodzi do mechanicznych uszkodzeń maszyny rozprężającej.

Należy zauważyć, że ciepło zawarte w parze przegrzanej po rozprężeniu może być wykorzystane do podgrzania cieczy kierowanej do parownika (obieg z rekuperacją ciepła). W przeciwnym wypadku konieczne jest odpowiednie powiększenie powierzchni skraplacza. Opłacalność zastosowania rekuperatora zależy w dużym stopniu od rodzaju czynnika roboczego.

W pracy [12] poszukiwano optymalnego czynnika roboczego dla układu ORC odzyskującego ciepło ze spalin silnika. Przyjęto zastosowanie rozprężarki śrubowej o mocy 10 kW. Porównując różne czynniki robocze: R245fa, R245ca, R236ea, R141b, R123, R114, R113, R11 i butan, oprócz ich właściwości fizycznych wzięto pod uwagę: osiąganą sprawność obiegu, stopień rozprężania, ilość czynnika roboczego, straty egzergii i moc elektryczną wytwarzaną w obiegu. Założenia przyjęte do obliczeń zestawiono w tabeli 1.

Biorąc pod uwagę bezpieczeństwo użytkowania, rekomendowane czynniki robocze to R245fa i R245ca, dla których sprawność termiczna obiegu wynosiła ok. 8,5% bez rekuperacji i 9,5% z rekuperacją. Zauważono również, że dla uzyskania jak najlepszej sprawności należy utrzymywać jak najniższą temperaturę kondensacji (możliwie bliską temperaturze otoczenia).

W pracy [13] modelowano oraz badano doświadczalnie obieg ORC zasilany turbiną gazową o mocy 100 kW, pracujący z R245fa jako czynnikiem roboczym. Temperatura źródła ciepła wahała się w granicach 610–650 K. Rozważano chłodzenie skraplacza powietrzem o temperaturze 6°C zimą i 35°C latem. Osiągana sprawność obiegu (maks. ok. 9%) oraz wytwarzana moc elektryczna istotnie zależały od efektywności chłodzenia skraplacza.

Z kolei w pracy [14] zestawiono rekomendowane czynniki robocze dla średniotemperaturowych układów CHP, w których zastosowano obiegi ORC (tabela 2).

W klasyfikacji uwzględniono zarówno właściwości fizyko-chemiczne, jak i parametry związane z oddziaływaniem na środowisko, bezpieczeństwem stosowania i przechowywania czynnika oraz parametry ekonomiczne. Na rys. 6 przedstawiono krzywe nasycenia (we współrzędnych T-s) dla wymienionych w tabeli 2 czynników.

Rozprężarki stosowane w ORC

W zależności od mocy (związanej bezpośrednio z mocą źródła ciepła) w organicznych obiegach Rankine’a wykorzystuje się następujące maszyny ekspansyjne:

• turbiny stosowane głównie przy większych mocach, kiedy prędkość obrotowa n > 5000 obr/min;

• maszyny objętościowe (tłokowe, łopatkowe, śrubowe) stosowane dla mniejszych mocy, rzędu kilku-kilkunastu kilowatów, przy prędkościach obrotowych n < 5000 obr/min.

Turbiny mają zwykle konstrukcję kompaktową promieniowo-osiową i są jednostopniowe. Charakteryzują się wysoką sprawnością dzięki dużej zmianie entalpii czynnika roboczego. Stosuje się je zasadniczo w obiegach o mocy elektrycznej przekraczającej 50 kWe. Poniżej tego poziomu mocy sprawność turbiny zaczyna się zmniejszać, by przy ok. 10 kWe osiągnąć poziom nieakceptowalny [15].

Turbiny o małej mocy są ponadto zwykle bardzo drogie i pracują z dużą prędkością obrotową, co rodzi kolejne problemy (wibracje, mechaniczne zużycie, trudności z podłączeniem generatora). Dlatego nie są dostępne komercyjnie turbiny o mocy mniejszej niż 10 kWe. Istniejące rozwiązania to modele prototypowe powstałe w celach badawczych (rys. 7) [16].

Rozprężarki śrubowe (fot. 1) należą do grupy maszyn objętościowych, które próbuje się stosować w obiegach ORC o małej i średniej mocy. Komercyjnie dostępne są urządzenia o mocy ok. 50 kWe. Powstają również prototypowe rozwiązania o mniejszej mocy (10–20 kWe), jednak problemem jest uszczelnienie tych maszyn przy rozprężaniu organicznego czynnika roboczego [15].

Rozprężarki spiralne (rys. 8) sprawdzają się w obiegach ORC o niewielkiej mocy – poniżej 10 kWe [15] – ponieważ nie mają zaworów, składają się z niewielkiej liczby elementów i dzięki temu ich koszt jest względnie niski. W badaniach zwykle przystosowuje się sprężarki spiralne do roli rozprężarek poprzez uszczelnienie obudowy i łożysk. Z powodzeniem testowano rozprężarki spiralne [18, 19] w obiegach ORC pracujących z R123 oraz R134a, stosowano je nawet w mikroobiegach ORC o mocach 0,1–1 kWe. Osiągały one sprawność do 70%.

Poszukując urządzeń mogących pełnić funkcję rozprężarek w obiegach ORC o małej mocy (poniżej 2 kWe), próbowano również stosować jedno- i wielołopatkowe maszyny rotacyjne (rys. 9a i 9b) wykorzystywane do tej pory jako silniki powietrzne [15, 20]. Maszyny łopatkowe mają prostą konstrukcję, kompaktową budowę i wykazują dużą niezawodność.

Czytaj dalej: Układy ORC stosowane w Polsce >>

Ich działanie jest w dużym stopniu uwarunkowane wielkością przepływu oraz ciśnieniem gazu na wlocie do maszyny. Ze względu na ściśliwość gazu i tarcie mechaniczne obroty rozprężarki rotacyjnej nie zmieniają się liniowo wraz ze wzrostem ciśnienia wlotowego. Ponadto sprawność tych maszyn (przeciętnie przekraczająca 50%) zależy przede wszystkim od prędkości obrotowej – rośnie wraz ze wzrostem wielkości obrotów.

Pewną niedogodność przy stosowaniu rozprężarek łopatkowych stanowi konieczność wstrzykiwania bezpośrednio do komory maszyny oleju zapewniającego smarowanie i jednocześnie uszczelnienie maszyny. Testowano już jednak maszyny, które nie wymagają dodatkowego smarowania [20].

Układy ORC stosowane w Polsce

Urządzenia wykorzystujące obiegi ORC są jeszcze stosunkowo rzadko wykorzystywane w Polsce. Buduje się pojedyncze instalacje, często jedynie doświadczalne.

Duże nadzieje wiążą się z rozwojem elektrociepłowni wykorzystujących biomasę (np. zrębki drewna, słomę, rośliny energetyczne). Biomasa może być spalana bezpośrednio w kotle lub służyć do wytwarzania biogazu. W przypadku spalania biomasy lub biogazu wytworzone spaliny ogrzewają olej termalny, który stanowi nośnik ciepła dla czynnika roboczego w obiegu ORC (np. izobenzen lub izobutan).

Przeczytaj także: Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko >>

Przykładem takiego rozwiązania jest elektrociepłownia w Ostrowie Wielkopolskim, gdzie do opalania kotła na biomasę wykorzystuje się zrębki drewna. Kocioł ten ma moc 9 kW i sprawność 79%. Moduł siłowni ORC o mocy cieplnej 7,3 MWc i elektrycznej 1,5 MWe zasilany jest olejem termalnym o temperaturze 310/250°C. W celu wykorzystania ciepła kondensacji zastosowano tu dodatkowy obieg ORC o niższych parametrach.

W rolniczych elektrociepłowniach biogazowych stosuje się najczęściej silniki spalinowe, które pozwalają osiągać sprawności wytwarzania energii elektrycznej rzędu 35-45%. Można tu zastosować obiegi ORC wykorzystujące ciepło odpadowe z chłodzenia silnika jak również ciepło odzyskiwane ze spalin.

Na potrzeby biogazowni dobrym rozwiązaniem mogą być układy ORC o niewielkiej mocy (rzędu kilku, kilkudziesięciu kW), które są już dostępne głównie na rynku amerykańskim. W warunkach polskich są to wciąż rozwiązania dość drogie, wymagające indywidualnego projektu, dlatego nie zostały jeszcze zastosowane.

W Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku prowadzone są prace nad prototypowymi urządzeniami kogeneracyjnymi opartymi na obiegach ORC, współpracującymi z ekologicznym kotłem wielopaliwowym. W przyjętym rozwiązaniu energia elektryczna (stanowiąca ok. 10–20% mocy cieplnej) to produkt uboczny.

Przeczytaj: Kogeneracja z zastosowaniem bezolejowych mikroturbin >>

Trwają prace nad skonstruowaniem urządzeń przeznaczonych dla odbiorców indywidualnych, o mocy do 20 kWc i 4 kWe, oraz na potrzeby instalacji agroenergetycznych, o mocy modułu do 200 kWc i 40 kWe (docelowo: 5 MWc i 1 MWe).

Potencjalnym źródłem ciepła dla ORC może być również energia geotermalna, jednak w warunkach polskich temperatura wód geotermalnych jest stosunkowo niska, dlatego są one wykorzystywane wyłącznie do celów ciepłowniczych. Planowane jest uruchomienie hybrydowej elektrociepłowni w Uniejowie, gdzie oprócz ciepła geotermalnego wykorzystywane będzie ciepło ze spalania biomasy, głównie słomy.

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny we współpracy z firmą Turboservice i Politechniką Łódzką zbudował stanowisko doświadczalne symulujące działanie elektrowni geotermalnej zasilanej wodą o temperaturze nominalnej 110°C i mocy wewnętrznej turbiny ok. 24 kW. Jako czynnik roboczy w układzie ORC zastosowano R227ea.

Z kolei w Instytucie Elektrotechniki we Wrocławiu zbudowano i testowano mikrosiłownię ORC zasilaną energią słoneczną czerpaną z płaskich kolektorów cieczowych (szerzej na ten temat - m.in. RI 9/2013). Zastosowano w niej 245fa jako czynnik roboczy. Parametry nominalne siłowni są następujące: moc cieplna 10 kW, temperatura wody zasilającej 95°C i sprawność ok. 6%. W ramach badań mikrosiłowni testowano różne maszyny robocze: łopatkowe i typu scroll.

Wnioski

Obiegi ORC umożliwiają wytwarzanie energii elektrycznej bądź pracy mechanicznej kosztem ciepła odpadowego powstającego w procesach produkcyjnych, a także ze spalania biomasy i ciepła wód geotermalnych. Możliwe jest również wykorzystanie jako źródła ciepła energii słonecznej. W ostatnich latach zrealizowano wiele komercyjnych projektów, w których zastosowano obiegi ORC dla źródeł ciepła o dużej mocy, tj. powyżej 100 kWe. W fazie badań i testów znajdują się układy o małej mocy – poniżej 1 kWe.

Organiczne obiegi cieplne zapewniają wyższą sprawność termiczną niż obiegi parowe, w przypadku gdy źródło ciepła ma niską temperaturę (poniżej 250°C). Ponadto pozwalają działać obiegowi przy relatywnie niższych ciśnieniach, co znacznie upraszcza konstrukcję i utrzymanie w ruchu.

Zastosowanie układów ORC umożliwia skorzystanie z dofinansowania inwestycji (zielone certyfikaty, fundusze unijne, wsparcie dla OZE z funduszy w dyspozycji Narodowego i Wojewódzkich Funduszy Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej). Ponadto obiegi organiczne z powodzeniem wykorzystać można w układach kogeneracyjnych (CHP) i trójgeneracyjnych.

Przeczytaj także: Uwarunkowania budowy gazowych układów kogeneracyjnych małej mocy >>

Literatura

1. Chen H., Goswami D.Y., Stefanakos E.K., A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat, „Renewable and Sustainable Energy Reviews” Vol. 14, 2010.

2. Zhang S., Wang H., Guo T., Performance comparison and parametric optimization of subcritical Organic Rankine Cycle (ORC) and trans-critical power cycle system for low-temperature geothermal power generation, „Applied Energy” Vol. 88, Issue 8, 2011.

3. Guzović Z., Majcen B., Cvetković S., Possibilities of electricity generation in the Republic of Croatia from medium-temperature geothermal sources, „Applied Energy” Vol. 98, 2012.

4. Guo T., Wang H.X., Zhang S.J., Fluids and parameters optimization for a novel cogeneration system driven by low-temperature geothermal sources, „Energy” Vol. 36, Issue 5, 2011.

5. Qiu G., Shao Y., Li J., Liu H., Riffat S.B., Experimental investigation of a biomass-fired ORC-based micro-CHP for domestic applications, „Fuel” Vol. 96, 2012.

6. Liu H., Shao Y., Li J., A biomass-fired micro-scale CHP system with organic Rankine cycle (ORC) – Thermodynamic modelling studies, „Biomass and Bioenergy” Vol. 35, Issue 9, 2011.

7. Bombarda P., Invernizzi C.M., Pietra C., Heat recovery from Diesel engines: A thermodynamic comparison between Kalina and ORC cycles, „Applied Thermal Engineering” Vol. 30, Issues 2–3, 2010.

8. Wang E.H., Zhang H.G., Fan B.Y., Ouyang M.G., Zhao Y., Mu Q.H., Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery, „Energy” Vol. 36, Issue 5, 2011.

9. Chacartegui R., Sánchez D., Muńoz J.M., Sánchez T., Alternative ORC bottoming cycles for combined cycle power plants, „Applied Energy” Vol. 86, Issue 10, 2009.

10. Al-Sulaiman F.A., Dincer I., Hamdullahpur F., Energy and exergy analyses of a biomass trigeneration system using an organic Rankine cycle, „Energy” Vol. 45, Issue 1, 2012.

11. Retting A. et al., Application of Organic Rankine Cycles (ORC), World Engineers Convention, Geneva 2011.

12. Wang E.H., Zhang H.G., Fan B.Y., Ouyang M.G., Zhao Y., Mu Q.H., Study of working fluid selection of organic Rankine cycle (ORC) for engine waste heat recovery, „Energy” Vol. 36, Issue 5, 2011.

13. Wei D., Lu X., Lu Z., Gu J., Performance analysis and optimization of organic Rankine cycle (ORC) for waste heat recovery, „Energy Conversion and Management” Vol. 48, Issue 4, 2007.

14. Qiu G., Selection of working fluids for micro-CHP systems with ORC, „Renewable Energy” Vol. 48, 2012.

15. Qiu G., Liu H., Riffat S., Expanders for micro-CHP systems with organic Rankine cycle, „Applied Thermal Engineering” Vol. 31, 2011.

16. Pei G., Li Y.Z., Li J., Ji J., A High-Speed Micro Turbine for Organic Rankine Cycle, World Society of Sustainable Energy Technologies (WSSET), Newsletter 1/2009.

17. Kim H., Yu J., Design of a scroll expander for an ORC applicable to a passenger car for fuel consumption improvement, Department of Mechanical Engineering, University of Incheon, Korea, www.orc2011.nl.

18. Lemort V., Quoilin S., Cuevas C., Lebrun J., Testing and modeling a scroll expander integrated into an Organic Rankine Cycle, „Applied Thermal Engineering” Vol. 29, 2009.

19. Quoilin S., Lemort V., Lebrun J., Experimental study and modeling of an Organic Rankine Cycle using scroll expander, „Applied Energy” Vol. 87, 2010.

20. Liu H., Qiu G., Daminabo F., Shao Y.J., Riffat S., Preliminary experimental investigations of a biomass-fired micro-scale CHP with organic Rankine cycle, „International Journal of Low Carbon Technologies” Vol. 5, 2010.

21. Bingchun Y., Shaoyi S., Xueyuan P., Ziwen X., Modeling and Experimental Investigation on the Internal Leakage in a CO2 Rotary Vane Expander, International Compressor Engineering Conference at Purdue, July 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!