Konwersja energii w 

układach działających w 

oparciu o ORC i obieg 

Kalina

Łukasz Niedźwiecki
117045
Energetyka 
st. niestacjonarne

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

Straty:

•  w trakcie konwersji z jednego rodzaju energii na 

inny:

Np. w przypadku siłowni parowej energia chemiczna 

zawarta w paliwie zamieniana jest na ciepło. 
Następnie ciepło przy pomocy czynnika 
obiegowego (para wodna) zamieniane jest na 
energię mechaniczną, ta zaś na elektryczną.

•  w trakcie transportu
Np.Straty przesyłowe energii elektrycznej, straty 

ciepła w rurociągu ciepłowniczym

CHP w praktyce

Zwykle straty energii związane są z niepełnym jej 
przetworzeniem. 

W praktyce realizowanie idei kogeneracji polega na 
wykorzystaniu tej energii, która byłaby 
bezpowrotnie tracona – najczęściej jest to ciepło, 
odebrane od czynnika po wykonaniu pracy 
mechanicznej.

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

Energetyka rozproszona

• Pozwala ograniczać straty przesyłowe poprzez 
lokowanie miejsca wytwarzania energii 
bezpośrednio u końcowego użytkownika.

• Pozwala uniknąć kosztów związanych z budową 
sieci przesyłowej

Problemy

• Sprawność a efekt skali
Największą sprawność osiągają duże bloki na 

parametry nadkrytyczne.

• Bezpieczeństwo
Zagrożenia związane z parametrami jakie może 

osiągać para wodna 

np. Na wyjściu z kotła BB-2400 (Rafako)
- Temperatura pary świeżej 540 °C
- Ciśnienie pary świeżej 26,1 MPa

Parametry nadkrytyczne – skala 
wielkości obiektu

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

Obieg Kalina na przykładzie 
siłowni geotermalnej w Husavik 
(Islandia)

Husavik (Islandia) – wnętrze 
siłowni

Instalacje oparte na obiegu 
Kalina- przykłady

T

e

m

p

e

ra

tu

ry

 z

łó

ż 

g

e

o

te

rm

a

ln

yc

h

 n

a

 

n

iż

u

 p

o

ls

k

im

 n

a

 g

łę

b

o

k

o

śc

i 

3

0

0

0

 

m

.p

.p

.t

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

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)

Przykładowe instalacje 
geotermalne - wydajność

Bad-Blumau, Austria

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

110 °C

wydajność  wody 
geotermalnej

80 m^3/h

cykl pracy

ORC

czynnik roboczy

izopentan

Husavik, Islandia

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

121 °C

wydajność  wody 
geotermalnej

90 m^3/h

cykl pracy

Kalina

czynnik roboczy

amoniak/wod
a

Neustadt-Glewe, Niemcy

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

98 °C

wydajność  wody 
geotermalnej

110 m^3/h

cykl pracy

ORC

czynnik roboczy

n-pentan

Chena Hot Springs, USA

Parametry

Wartość

temp. wody geotermalnej

74 °C

wydajność  wody 
geotermalnej

32 m^3/h

cykl pracy

ORC

czynnik roboczy

R-134a

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