Siłownie ORC sposobem na wykorzystanie energii ze źródeł niskotemperaturowych.

Transkrypt

1 Siłowie ORC sposobem a wykorzystaie eergii ze źródeł iskotemperaturowych. Autor: prof. dr hab. Władysław Nowak, Aleksadra Borsukiewicz-Gozdur, Zachodiopomorski Uiwersytet Techologiczy w Szczeciie, Katedra Techiki Cieplej ( Czysta Eergia - r 2/2011) Wykorzystaie wód geotermalych o średiej etalpii jest możliwe w przypadku budowy elektrowi bazujących a obiegach iskotemperaturowych, do których moża zaliczyć tzw. orgaiczy obieg Rakie a (ORC, ag. Orgaic Rakie Cycle) oraz obieg Kaliy 1, 2. Pierwsza geotermala elektrowia ORC została zbudowaa w latach 60. XX w. w miejscowości Paratuka a Kamczatce. Obecie a świecie działa szereg istalacji tego typu, przy czym większość z ich pracuje przy temperaturze zasilaia powyżej 125ºC. Siłowie ORC staowią rozwiązaie umożliwiające wykorzystaie do produkcji eergii elektryczej m.i. eergii wód zgromadzoych w złożach geotermalych a tereie Polski. Wywołuje to szerokie zaiteresowaie ze względu a zacze zasoby geotermale kraju. Należy jedocześie zazaczyć, że siłowie ORC mogą zaleźć licze zastosowaia także w układach zagospodarowaia i utylizacji iskotemperaturowej eergii odpadowej pochodzącej z różorodych procesów techologiczych i eergetyczych. Zasada działaia iskotemperaturowej siłowi ORC Praca klasyczej elektrowi kowecjoalej polega a stopiowej realizacji kolejych procesów kowersji eergii, w trakcie których astępuje zamiaa: eergii chemiczej paliwa w eergię pary wodej (w kotle), eergii pary w eergię mechaiczą (w turbiie parowej) i eergii mechaiczej w eergię elektryczą (w geeratorze). Eergia chemicza paliwa Eergia iskotemperaturowa KOCIOŁ PAROWY WYMIENNIKI CIEPŁA Eergia pary wodej Eergia pary czyika roboczego TURBINA PAROWA Eergia mechaicza GENERATOR ELEKTRYCZNY Eergia elektrycza Rys. 1. Porówaie procesów kowersji eergii w elektrowi kowecjoalej i geotermalej 3 W siłowi ORC są realizowae procesy podobe (rys. 1), a zasadicza różica zawiera się w rodzaju używaego czyika roboczego, jakim ajczęściej jest substacja orgaicza oraz w sposobie wytwarzaia jego pary. Zamiast eergii chemiczej paliwa wykorzystuje się eergię

2 zawartą w dostępym iskotemperaturowym ośiku ciepła, jakim może być p. woda geotermala lub tzw. ośiki odpadowe (spaliy, woda chłodząca). Poadto obieg ORC jest realizoway w węższym zakresie temperatur czyika roboczego. Poglądowy schemat ideowy siłowi ORC pokazao a rysuku 2. Nośik eergii, p. gorąca woda, dopływa do zespołu wymieików ciepła (podgrzewacz, parowacz, ewetualie przegrzewacz), pełiących w obiegu fukcję kotła. Czyikiem roboczym w obiegu jest odpowiedio dobraa ciecz o iskiej temperaturze wrzeia. Schłodzoy w procesie przekazywaia ciepła ośik eergii jest zawracay do procesu techologiczego (w przypadku wody geotermalej zatłaczay do warstwy wodoośej). Uzyskaa w parowaczu para iskowrzącego czyika roboczego, po ewetualym przegrzaiu, jest doprowadzaa do turbiy, gdzie ekspaduje wykoując pracę, a astępie kieruje się do skraplacza, skąd po schłodzeiu i kodesacji jest przetłaczaia poowie do zespołu podgrzewacz parowacz przegrzewacz. Źródło eergii pompa przegrzewacz parowacz podgrzewacz 6 5 czyik roboczy 1 Turbogeerator 2 ~ System eergii iskotemperaturowej 4 3 skraplacz Rys. 2. Przykładowy schemat ideowy elektrowi ORC Czyiki obiegowe stosowae w siłowi ORC Czyikiem roboczym stosowaym w klasyczych elektrowiach cieplych jest woda (para woda). Jedak w aalizowaym zakresie temperatur (poiżej 120 C) cechuje się oa bardzo iskim zakresem ciśień roboczych. W obiegu termodyamiczym jako czyik roboczy może być użyty każdy dowoly pły, oczywiście w odpowiedim zakresie temperatur. W praktyce istieje jedak szereg wymagań odośie właściwości, jakie powiie o mieć lub być ich pozbawioy, aby moża było go zastosować jako medium robocze. Do ajbardziej istotych ależy tutaj zaliczyć: położeie puktów potrójego i krytyczego, zakres ciśień roboczych, etalpię parowaia i przegrzaia, ciepło właściwe pary i cieczy, objętość właściwą pary, przewodzeie ciepła, lepkość i apięcie powierzchiowe oraz ie. Nie bez zaczeia są właściwości fizjologicze i eksploatacyje 3. Jedym z istotych kryteriów ocey przydatości czyików roboczych jest ich wpływ a środowisko. Woda jako czyik roboczy w obiegach klasyczych siłowi parowych jest substacją ietoksyczą i ieszkodliwą, atomiast każda ia substacja wywiera określoy

3 wpływ a otoczeie. Dlatego ależy bardzo staraie aalizować własości poszczególych substacji i kosekwecje ich stosowaia. Obecie do ajbardziej istotych wskaźików ocey ekologiczej związków chemiczych zalicza się: wskaźik ODP (ag. Ozoe Depletio Potetial), charakteryzujący wpływ daej substacji a szybkość rozkładu ozou stratosferyczego, odiesioy do czyika R11, dla którego ODP = 1, wskaźik GWP (ag. Global Warmig Potetial), określający potecjał tworzeia ociepleia globalego, porówujący wpływ 1 kilograma daego gazu a ociepleie klimatu w ciągu 100 lat z oddziaływaiem 1 kilograma CO 2, dla którego przyjęto GWP = 1. Poza tym o zasadości wyboru i stosowaia daej substacji jako czyika roboczego w siłowi ORC decydują przede wszystkim jej właściwości termofizycze, mające istoty wpływ a kształt krzywych asyceia przedstawioych a wykresie ciśieie-etalpia. Z tego względu czyiki robocze moża podzielić a dwie grupy 4. Do grupy pierwszej zaliczae są te, dla których początek izetropowej ekspasji zajduje się a liii pary asycoej suchej, a jej koiec w obszarze pary przegrzaej. W tym przypadku obieg Clausiusa-Rakie a, pokazay a wykresie ciśieie etalpia (rys. 3, grupa I), składa się z izobaryczego doprowadzaia ciepła, obejmującego proces podgrzewaia (4-5) i odparowaia cieczy (5-1), izetropowej ekspasji pary w turbiie (1-2s), izobaryczego odprowadzaia ciepła, podczas którego astępuje schładzaie pary (2s-2) i jej skraplaie (2-3) oraz izetropowego sprężaia (pompowaia) kodesatu (3-4). Do grupy drugiej zalicza się czyiki, których ekspasja rozpoczya się w obszarze pary przegrzaej i kończy się a liii pary asycoej suchej (rys. 3, grupa II). Po zakończeiu izetropowej ekspasji (1-2s), koleją przemiaą jest proces skraplaia (2s-3), po którym astępuje izetalpowy proces sprężaia (3-4), a astępie izobaryczy proces podgrzewaia cieczy (4-5), odparowaia (5-6) i przegrzewaia wytworzoej pary (6-1). p GRUPA I p GRUPA II s 3 2s h h Rys. 3. Cykl przemia termodyamiczych czyika roboczego w obiegu C-R realizowaym w obszarze pary przegrzaej, dla czyików grupy I i II Przemysł oferuje wiele związków, które ze względu a zakres ciśień odpowiadających temperaturze od 40 do 120 C mogą być potecjalymi czyikami roboczymi. Należy jedak podkreślić, że są to substacje, które były opracowywae przede wszystkim do zastosowań w obiegach lewobieżych (chłodiczych). Brakuje orygialych czyików opracowaych do zastosowaia w siłowiach ORC. Dlatego dobór czyika roboczego w zależości od

4 temperatury ośika eergii powiie być bardzo wikliwie rozpatryway zarówo pod kątem efektywości termodyamiczej, jak i możliwości eksploatacyjych. Przykładowe substacje chemicze, mogące pełić rolę czyika roboczego w siłowi ORC wyszczególioo w tabeli 1, wraz z podaiem ich parametrów charakterystyczych. Tabela.1. Zestawieie parametrów charakterystyczych dla wybraych substacji, potecjalych czyików roboczych w obiegu siłowi ORC 5, 7 Lp Nazwa czyika Temperatura krytycza [ o C] Zakres ciśień roboczych [MPa] odpowiadający temperaturze C 1 propyle CH 2 = CH-CH 3 92,4 1,652-4,467 * 4 R227ea CF 3 CHFCF 3 102,80 0,703-2, buta CH 3 2(CH 2 )CH 3 151,90 0,379-1, R245fa CF 3 CH 2 CHF 2 154,01 0,250-1, R245ca CHF 2 CF 2 CH 2 F 174,42 0,173-0, R113 CCl 2 FCClF 2 214,06 0,078-0, cykloheksa cyklo- C 6 H ,50 0,025-0, beze C 6 H 6 288,90 0,024-0, tolue CH 3 C 6 H 5 318,60 0,008-0, woda H 2 O 373,95 0,007-0,101 *) z uwagi a położeie puktu krytyczego podao zakres ciśień roboczych odpowiadający temperaturze C Na rysuku 4 w układzie współrzędych temperatura etalpia, T-h, uwidoczioo przebieg krzywych asyceia iektórych wybraych związków chemiczych, mogących pełić fukcję czyika obiegowego siłowi ORC. W celach porówawczych a rysuku zamieszczoo także krzywą asyceia dla wody, będącej podstawowym i ajlepiej pozaym czyikiem roboczym stosowaym w siłowiach parowych cykloheksa woda T [ C] R227e propyle [h] 3000 Rys. 4. Przebieg krzywych asyceia iektórych wybraych czyików [kj/kg] 2, 7

5 Wielkości charakterystycze elektrowi ORC Oceę możliwości trasformacji eergii iskotemperaturowego ośika ciepła (woda geotermala, gorąca woda odpadowa, spaliy) do eergii użyteczej moża przeprowadzić, określając podstawowe wielkości charakterystycze obiegu, takie jak p. sprawość i moc. Metodyka obliczeń siłowi oraz sposób określaia termiczych parametrów stau czyika roboczego zależą od kształtu krzywej asyceia. Poieważ większość związków chemiczych, będących potecjalymi czyikami obiegowymi, jest kwalifikowaa jako czyiki tzw. suche, dalsze rozważaia zawężoo do tego typu substacji. Uproszczoy schemat urządzeń iezbędych do prowadzeia aalizy obiegu ORC pokazay jest a rysuku 5. czyik roboczy 1 turbia Q & d 5 parowacz L & roz ~ geerator podgrzewacz 2s L & spr 4 pompa skraplacz Q & w 3 Rys. 5. Schemat urządzeń stosowaych przy realizacji obiegu ORC 3 Moc teoretycza obiegu jest defiiowaa jako różica pracy ekspasji sprężaia w pompie (pompowaia) L spr : N C R = L& L& roz spr L roz w turbiie i pracy co w przypadku przemia izetropowych rówe jest odpowiedim spadkom etalpii: & = m& h h ( 1 s ) ( h h ) Lroz 2 L& spr = m& 4 3 Należy zazaczyć, że stosowae często w obliczeiach klasyczych elektrowi parowowodych założeie, iż wartość pracy pompowaia jest pomijalie mała L & spr = 0, w przypadku czyików roboczych iych iż woda ie jest dopuszczale. Praca pompowaia może staowić do 10% wartości pracy ekspasji w turbiie, a jej wartość jest zależa od rodzaju czyika i zakresu ciśień roboczych 3. Sprawość termiczą obiegu ORC moża określić ze wzoru: L& roz L& spr η C R = Q& d

6 Ciepło doprowadzoe do obiegu jest opisae zależością: Q& = m& h h i staowi sumę ciepła dostarczoego do parowacza d d ( ) par 1 4 Q & = Q& + Q& Q & par oraz do podgrzewacza Ciepło wyprowadzoe z obiegu w skraplaczu opisuje zależość: Q& = m& h h w pod ( ) 2s 3 Q & pod : Przykładowe wyiki obliczeń siłowi ORC (sprawość i moc obiegu C-R), pracującej z różymi wybraymi czyikami roboczymi i zasilaej wodą o temperaturze od 80 do 120 C, pokazao a rysuku 6 i rysuku 7. Sprawość ηc-r [%] cykloheksa R600a R236fa RC318 R227ea Temperatura wody T w1 [ o C] Rys. 6. Sprawość obiegu C-R w fukcji temperatury wody zasilającej dla wybraych czyików roboczych 5 Moc NC-R [kw] cykloheksa R600a R236fa RC318 R227ea Temperatura wody T w1 [ o C] Rys. 7. Moc obiegu C-R w fukcji temperatury wody zasilającej dla wybraych czyików roboczych 5

7 Na podstawie ocey uzyskaych wartości sprawości i mocy rozważaego obiegu Clausiusa+Rakie a, określoych dla różych czyików orgaiczych, moża stwierdzić, że dla czyików, dla których uzyskao ajwyższą sprawość, z reguły ie uzyskiwao ajwyższej mocy teoretyczej obiegu. W rozpatrywaym przypadku ajwyższą moc uzyskao dla czyika R227ea, dla którego jedocześie osiągięto ajiższą sprawość. Poadto, aalizując otrzymae wyiki ależy stwierdzić, że uzyskae sprawości iskotemperaturowego obiegu C-R ie przekraczają wartości kilkuastu procet. Należy jedak zazaczyć, iż sprawość termicza siłowi parowo-wodej zasilaej ośikiem ciepła o temperaturze 90 C wyosi 3,4% oraz 6,2% przy zasilaiu ośikiem o temperaturze 120 C. Praca jedostkowa rozprężaia. h1-h2s [kj/kg] cykloheksa R600a R236fa RC318 R227ea Temperatura wody T w1 [ o C] Rys. 8. Praca jedostkowa rozprężaia w fukcji temperatury wody zasilającej dla wybraych czyików orgaiczych 5 Moc siłowi zależy główie od dwóch wielkości, a miaowicie od pracy jedostkowej ekspasji w turbiie lroz = h1 h2 s (rys. 8) oraz od wielkości strumieia czyika roboczego krążącego w obiegu m&. Aaliza przeprowadzoa a przykładzie wybraych substacji (R227ea, cykloheksa) pozwala wysuć wiosek, że przy zastosowaiu 1 kg/s cykloheksau uzyskuje się ok. cztery razy większą pracę jedostkową w stosuku do pracy uzyskaej dla R227ea, jedak to właśie dla czyika R227ea osiągięto wyższą moc obiegu. Wyika to z dużo większego strumieia czyika roboczego, który przy założeiu, że obydwa obiegi zasilae są strumieiem wody geotermalej o takich samych parametrach początkowych, w przypadku R227ea jest ok. osiem razy większy iż dla cykloheksau. Wielkość strumieia czyika roboczego w obiegu wyika główie z wartości etalpii parowaia tego czyika. Dla substacji o małych wartościach etalpii parowaia możliwe jest uzyskaie dużego strumieia czyika roboczego w obiegu, jak ma to miejsce w przypadku R227ea.

8 Mogą być różorode ośiki ciepła i zastosowaie W artykule podao podstawowe iformacje a temat słowi ORC pracujących wg tzw. iskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rakie a. Siłowie umożliwiają wykorzystaie iskoetalpowej eergii różorodych ośików ciepła do wytwarzaia eergii elektryczej. W praktyce mogą być zasilae ośikami o zróżicowaej temperaturze, takimi jak p. wody geotermale, gorące wody techologicze, spaliy, gazy poprocesowe itp. Siłowie te mogą zaleźć zastosowaie w wielu gałęziach przemysłu, p. w chemiczym czy cemetowym, a także w eergetyce, gdzie umożliwiają wykorzystaie dotychczas tracoych dużych ilości eergii odpadowej do wytwarzaia eergii elektryczej. Są rówież używae do wytwarzaia eergii elektryczej z wykorzystaiem eergii geotermalej, czego przykładem może być p. istalacja w Neustadt-Glewe (Niemcy), przedstawioa w Czystej Eergii 1/2011, lub elektrowia geotermala o mocy 1 MW e w Altheim (Austria), uruchomioa w 2000 r. i zasilaa wodą o temperaturze 106 C 6. W praktyce spotykae są rówież elektrowie ORC zasilae ośikami o zaczie wyższej temperaturze (p. olej termaly), pracujące z odpowiedio dobraymi czyikami roboczymi. Przykładem może być elektrociepłowia ze skojarzoym wytwarzaiem ciepła i eergii elektryczej z siłowią ORC w Ostrowie Wielkopolskim. Moduł siłowi ORC o mocy cieplej 7,3 MW t i mocy elektryczej 1,5 MW el jest zasilay olejowym ośikiem ciepła o temperaturze a zasilaiu i powrocie odpowiedio 310/250 C, ogrzewaym w kotle o mocy cieplej 9 MW t i sprawości 79%, opalaym biomasą (zrębki drewa) 8. Podstawowa zaleta siłowi ORC odróżiająca ją od siłowi klasyczej, w której czyikiem obiegowym jest woda, wyika z różych właściwości cieplo-fizyczych wody (jako czyika obiegowego) oraz używaych czyików orgaiczych. Te ostatie, przy realizacji obiegu C-R, umożliwiają wykorzystaie ośików ciepła oraz górych źródeł ciepła o zaczie iższej temperaturze, tj. takich, w których stosowaie obiegu wodo-parowego byłoby mało sprawe i stosukowo trude do realizacji ze względu a duże strumieie objętości pary w obszarach iskiego ciśieia, w wyiku czego ależałoby stosować istalacje o dużych wymiarach, co byłoby rówozacze z podwyższeiem kosztów iwestycyjych. Poza wymieioą zaletą siłowie ORC charakteryzują się zwartą budową i iewielką ilością elemetów składowych. Poza tym siłowie małej i średiej wielkości mogą być uruchamiae i sterowae zdalie bez udziału obsługi. Prowadzoe przez szereg lat w Katedrze Techiki Cieplej Zachodiopomorskiego Uiwersytetu Techologiczego w Szczeciie (dawiej: Politechika Szczecińska) prace badawcze miały a celu stworzeie podstaw określających możliwości produkcji eergii elektryczej z wykorzystaiem wody o temperaturze do 100 C. Efektem tych prac jest prototyp miielektrowi ORC, której poświęcoa będzie koleja publikacja autorów w czasopiśmie Czysta Eergia.

9 Źródła 1. DiPippo R.: Geothermal Power Plats Priciples. Applicatios ad Case Studies. Elsevier Advaced Techology Hudso R.B.: Electricity Geeratio. [w]: Dickso M.H., Faelli M.: Geothermal eergy: utilizatio ad techology. Earthsca with UNESCO Borsukiewicz-Gozdur A.: Efektywość pracy elektrowi geotermalej z orgaiczym czyikiem roboczym. Praca doktorska. Politechika Szczecińska Boca Z., Butrymowicz D., Targański W., Hajduk T.: Poradik Czyiki chłodicze i ośiki ciepła. IPPU Masta. Gdańsk Nowak W., Stachel A., Borsukiewicz-Gozdur A.: Zastosowaia odawialych źródeł eergii. Wydawictwo Uczeliae Politechiki Szczecińskiej. Szczeci Perecker G.: ORC plat Altheim a progress report. Electricity geeratio from Ehaced Geothermal Systems. Workshop ENGINE 5. Strasbourg REFPROP 7.0. Natioal Istitute of Stadards ad Techology. Stadard Referece Database 23. Referece Fluid Thermodyamic ad Trasport. Properties.US Prowadzoe przez szereg lat w Katedrze Techiki Cieplej Zachodiopomorskiego Uiwersytetu Techologiczego w Szczeciie (dawiej: Politechika Szczecińska) prace badawcze miały a celu stworzeie podstaw określających możliwości produkcji eergii elektryczej z wykorzystaiem wody o temperaturze do 100 C. Efektem tych prac jest prototyp miielektrowi ORC, której poświęcoa będzie koleja publikacja.