Organic
Rankine Cycle
Odzysk ciepła odpadowego w postaci
energii elektrycznej
Idea CHP
• Równoczesna produkcja dwóch lub więcej typów
energii użytkowej z pojedynczego źródła energii
• Wykorzystanie ciepła odpadowego z urządzeń
wytwarzających energię elektryczną
Kogeneracja
CHP
– Combined Heat and Power
Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła
pozwala na przetworzenie energii pierwotnej z bardzo
wysoką sprawnością.
Energetyka rozproszona
Energetyka rozproszona
Skojarzone wytwarzanie
energii elektrycznej i ciepła
Paliwo
100 jednostek
Turbina, silnik itp.
Kocioł
odzyskowy
Spaliny wylotowe
15 jednostek
Generator
En. el.
Ciepło
55 jednostek
30 jednostek
Zapotrze-
bowanie
ciepła
Zapotrze-
bowanie
na en. el.
Ciepło + Spaliny
70 jednostek
Sprawność odzysku ciepła (55/70) = 78,6%
Sprawność całkowita ((30+55)/100) = 85,0%
Skojarzone wytwarzanie
energii elektrycznej i ciepła
a) rozdzielone
wytwarzanie ciepła
i energii
elektrycznej w kotle
grzewczym
i w elektrowni
kondensacyjnej
b) skojarzone
wytwarzanie ciepła
i prądu w bloku
siłowniano-
ciepłowniczym
Domowa Mikrosiłownia
Kogeneracyjna
Obieg Clausiusa-Rankine’a
Obieg Rankine’a jest obiegiem porównawczym w
przypadku klasycznej siłowni parowej.
Obieg Clausiusa-Rankine’a
Organic Rankine Cycle
• Organic Rankine Cycle – (ORC) są to układy pracujące w
obiegu siłowni parowej, w których czynnikiem roboczym,
zamiast pary wodnej, jest wybrany związek organiczny.
• Pierwsza eksperymentalna elektrownia ORC powstała w 1967
r. w miejscowości Paratunka (Kamczatka, Rosja) i miała moc
680 kW, a zasilana była wodą geotermalną o temperaturze
81°C.
• Po początkowej fascynacji technologią ORC prace nad jej
rozwojem wstrzymano w końcu lat 80-tych. Powodem było
stosowanie węglowodorów fluorochlorowych w roli czynników
roboczych (zagrożenie dziurą ozonową). Obecnie, w związku z
wejściem do użycia nowych czynników chłodniczych,
zainteresowanie nią ponownie wzrosło.
• W układach ORC jako czynnik roboczy wykorzystuje się
związki organiczne, umożliwiające (dzięki odpowiednim
parametrom przemian fazowych) dokładne dostosowanie
do temperatury źródeł ciepła. Lekkie węglowodory
stosowane w układach ORC charakteryzują się ciepłem
parowania stanowiącym ok. 17% ciepła parowania wody.
Związki te spełniają w układzie taką samą rolę jak woda w
układzie parowym, jednakże pracują w innym przedziale
ciśnień.
• Instalacje ORC charakteryzują się zwartą budową i
niewielką ilością elementów składowych, dodatkowo małe
jednostki mogą być uruchamiane i sterowane zdalnie,
praktycznie bez udziału obsługi.
Organic Rankine Cycle
Schemat cieplny siłowni ORC
Schemat cieplny wraz z
wykresem T-S
Wykres T-S dla różnych
czynników
Porównanie obiegu Clausiusa
Rankine’a i obiegu ORC w
układzie T-S
Obieg siłowni parowej
w układzie T-S
Obieg siłowni ORC w układzie
T-S
Schemat instalacji
przykładowej elektrociepłowni
Podgrzewacz
II
Skraplacz
Pompa
cyrkulacyjn
a
Skraplacz/parowacz
~
Generator
Turbina
parowa
Pompa
cyrkulacyj
na
A
Podgrzewacz I
B
C
2ns
3n
4n
1s
2s
5n
4w
3w
5w
5n
1n
4n
nośnik ciepła
odpadowego
woda/ para
wodna
czynnik
organiczny
1w
T
s
x=1
T
cr
3w
4w
5w
x=0
1w
organic
fluid
T
s
T
cr
4n
1n
2sn
3n
5n
x=0
x=1
2n
Punkty charakterystyczne obiegu
C-R z czynnikiem organicznym
Punkty charakterystyczne
dla sieci wodno – parowej
Temperatura odparowania wody w kotle T
1w
(R236fa = 105°C,
R236ea = 110°C, R245fa = 115°C, cykloheksan =120°C)
Kocioł typu SPD 2900, moc 2000kW
Punkty charakterystyczne na
wykresie T-S
Sprawność termiczna elektrowni w funkcji temperatury pary
wodnej wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury
odparowania czynnika organicznego) dla wybranych
substancji roboczych
Wybrane organiczne czynniki robocze –
sprawność termiczna w zależności od wyboru
czynnika
Moc elektryczna siłowni w funkcji temperatury pary wodnej
wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury
odparowania czynnika organicznego) dla wybranych
substancji roboczych.
Wybrane organiczne czynniki robocze – moc
elektryczna w zależności od wyboru
czynnika
Strumień czynnika roboczego krążącego obiegu siłowni w
funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i
związanej z nią temperatury odparowania czynnika
organicznego) dla wybranych substancji roboczych.
Wybrane organiczne
czynniki robocze –
sprawność termiczna w
zależności od wyboru
czynnika
Wybrane organiczne czynniki robocze –
strumień czynnika roboczego w zależności od
wyboru czynnika
Strumień ciepła doprowadzanego z zewnątrz w podgrzewaczu
P-II w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej w kotle (i
związanej z nią temperatury odparowania czynnika
organicznego) dla wybranych substancji roboczych .
Wybrane organiczne czynniki robocze –
strumień ciepła dopr. w zależności od wyboru
czynnika
Układ oparty na ORC
Układ oparty na ORC
Układ oparty na ORC – skala
wielkości
Układ oparty na ORC – skala
wielkości
Zastosowania
Obieg Kalina
Jedną z odmian układów ORC jest tzw. układ Kalina.
Różnica ogranicza się jedynie do czynnika roboczego:
w klasycznym układzie ORC jest to najczęściej
izobutan lub izopentan, a w układzie Kalina
mieszanina amoniaku z wodą. Stosunek amoniaku
do wody zmieniany jest w zależności od procesu
występującego w obiegu i nie jest stały podczas
wszystkich przemian w nim zachodzących.
Układ Kalina jest obiegiem opartym o cykl Rankine’a z
dodanymi członami: destylacyjnym i absorpcyjnym.
Podział obiegów siłowni
parowych
Wykorzystanie cyklu Kalina
Przykładowe parametry w
instalacji
Porównanie właściwości
czynników roboczych
poszczególnych obiegów
Temperatura punktu pęcherzyków w
zależności od ciśnienia i stężenia
amoniaku
Temperatura punktu rosy w zależności
od ciśnienia i stężenia amoniaku
Moc w zależności od ciśnienia i stężenia
amoniaku
Zależność mocy el. od temperatury
czynnika przenoszącego ciepło ze źródła
ciepła
Schemat ideowy układu gazowo-
parowego
S - sprężarka
KS1 - komora spalania
T1- turbina części gazowej
T2 - turbiny części parowej
G1 - generator elektryczny
części gazowej
G2 - generator elektryczny
części parowej
S - skraplacz
PW - pompa wodna
KO - kocioł odzyskowy
Układ Parowo-Gazowy
Układ Parowo - Gazowy (ang. Combined Cycle)
Mikroturbina
Mikroturbina
Mikrowymienniki
Sprawność - geneza
• Woda: małe molekuły (jak pociski) poruszają się z dużą prędkością
- problemy związane z korozją łopatek turbiny
-wielostopniowe turbiny -> duże naprężenia mechaniczne
• Czynnik organiczny: duży strumień masy, duża średnica turbiny
- niewielkie straty
- stosunkowo wolne obroty
Porównanie sprawności
(ORC i cykl Kalina)
Porównanie sprawności
(ORC i cykl Kalina)
Porównanie sprawności
Porównanie sprawności -
biopaliwa
Zalety
możliwość wykorzystania
niskotemperaturowych źródeł ciepła
niewielkie naprężenia
mechaniczne na łopatkach turbiny
wolniejsze obroty pozwalają na
bezpośrednie podłączenie do
generatora, bez konieczności
stosowania dużych przełożeń
brak erozji łopatek turbiny (za
wyjątkiem instalacji z obiegiem
Kalina)
wysoka sprawność cyklu i turbiny
możliwość podniesienia sprawności
istniejących już instalacji poprzez odzysk
ciepła odpadowego (odzysk w postaci
energii elektrycznej !)
możliwość pracy nawet w przypadku
obciążeń rzędu 10 %
stosunkowo prosty rozruch i
zatrzymanie
niewielki poziom hałasu
długi czas życia urządzenia
niewielkie nakłady pracy związane z
utrzymaniem ruchu (ok. 3-5 h/tydzień)
Wady
wysokie nakłady inwestycyjne
koszty czynnika obiegowego:
- ORC: starzenie się czynnika i związane z tym
okresowe
koszty jego wymiany
w przypadku obiegu Kalina zagrożenie erozją łopatek
turbiny