Organic Rankine 

Cycle

Cycle

Odzysk ciepła odpadowego w postaci energii 
elektrycznej

Idea CHP

Kogeneracja

CHP 

– Combined Heat and Power

• Równoczesna produkcja dwóch lub więcej typów energii 

użytkowej z  pojedynczego źródła energii

• Wykorzystanie ciepła odpadowego z urządzeń 

wytwarzających energię elektryczną

Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła pozwala 
na przetworzenie energii pierwotnej z bardzo wysok

ą

 

sprawno

ś

ci

ą

.

Energetyka rozproszona

Energetyka rozproszona

Skojarzone wytwarzanie 
energii elektrycznej i ciepła

Spaliny wylotowe

15 jednostek

Ciepło

55 jednostek

Zapotrze-

Sprawno

ść

 odzysku ciepła (55/70) = 78,6%

Sprawno

ść

 całkowita ((30+55)/100) = 85,0%

Paliwo

100 jednostek

Turbina, silnik itp.

Kocioł

odzyskowy

Generator

En. el.

30 jednostek

Zapotrze-

bowanie

ciepła

Zapotrze-

bowanie

na en. el.

Ciepło + Spaliny

70 jednostek

Skojarzone wytwarzanie 
energii elektrycznej i ciepła

a)

rozdzielone 
wytwarzanie ciepła      
i energii elektrycznej  
w kotle grzewczym               

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 

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 

Organic Rankine Cycle

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.

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

Skraplacz/parowacz

A

4w

5w

nośnik ciepła 

odpadowego

woda/ para wodna

czynnik organiczny

1w

Podgrzewacz II

Skraplacz

Pompa 

cyrkulacyjna

~

Generator

Turbina 

parowa

Pompa 

cyrkulacyjna

Podgrzewacz I 

B

C

2ns

3n

4n

1s

2s

5n

3w

5n

1n

4n

T

T

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

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 

18

19

20

21

22

 t

e

rm

ic

z

n

a

 e

le

k

tr

o

w

n

i 

%

R236fa

R236ea

R245fa

Wybrane organiczne czynniki robocze – sprawność 
termiczna w zależności od wyboru czynnika

Sprawność termiczna elektrowni w funkcji temperatury pary wodnej 
wytwarzanej w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania 
czynnika organicznego) dla wybranych substancji roboczych 

14

15

16

17

18

103/105

108/110

113/115

118/120

T

1n

/T

1w

 °C

S

p

ra

w

n

o

ś

ć

 t

e

rm

ic

z

n

a

 e

le

k

tr

o

w

n

i 

%

R245fa

cykloheksan

woda

500

600

700

M

o

c

 e

le

k

tr

y

c

z

n

a

 k

W

e

l

R236fa

R236ea

R245fa

Wybrane organiczne czynniki robocze – moc 
elektryczna w zależności od wyboru czynnika

200

300

400

103/105

108/110

113/115

118/120

T

1n

/T

1w

 °C

M

o

c

 e

le

k

tr

y

c

z

n

a

 k

W

R245fa

cykloheksan

woda

Moc elektryczna siłowni w funkcji temperatury pary wodnej wytwarzanej 
w kotle (i związanej z nią temperatury odparowania czynnika 
organicznego) dla wybranych substancji roboczych. 

20

25

30

35

40

45

 c

z

y

n

n

ik

a

 r

o

b

o

c

z

e

g

o

 w

 

o

b

ie

g

u

  

k

g

/s

R236fa

R236ea

R245fa

Wybrane organiczne czynniki 
robocze – sprawność 
termiczna w zależności od 

Wybrane organiczne czynniki robocze – strumień 
czynnika roboczego 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. 

0

5

10

15

20

103/105

108/110

113/115

118/120

T

1n

/T

1w

 °C

S

tr

u

m

ie

ń

 c

z

y

n

n

ik

a

 r

o

b

o

c

z

e

g

o

 w

 

o

b

ie

g

u

  

k

g

/s

cykloheksan

woda

robocze – sprawność 
termiczna w zależności od 
wyboru czynnika

3000

4000

5000

6000

 c

ie

p

ła

 d

o

p

ro

w

a

d

z

a

n

e

g

o

 z

 

tr

z

n

e

g

o

 

ź

ró

d

ła

 c

ie

p

ła

P

-I

I

 k

W

R236fa

R236ea

R245fa

Wybrane organiczne czynniki robocze – strumień ciepła 
dopr. 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 .

0

1000

2000

103/105

108/110

113/115

118/120

T

1n

/T

1w

 °C

S

tr

u

m

i

ę

ń

 c

ie

p

ła

 d

o

p

ro

w

a

d

z

a

n

e

g

o

 z

 

z

e

w

n

ę

tr

z

n

e

g

o

 

 Q

P

-I

I

cykloheksan

woda

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 

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 

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

•

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

 możliwość podniesienia sprawności 
istniejących już instalacji poprzez odzysk 
ciepła odpadowego (odzysk w postaci energii 
elektrycznej !)

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 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 

- ORC: starzenie się czynnika i związane z tym okresowe 

koszty jego wymiany

 w przypadku obiegu Kalina zagrożenie erozją łopatek turbiny