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