Odborné články
Zařízení ORC zvýší výrobu elektřiny z kogenerační jednotky
Po roce 2013, kdy se téměř zastavila podpora v oblasti obnovitelných zdrojů energie, se zastavil i rozvoj výstavby ORC systémů na bioplynových stanicích (BPS). Jejich smysluplnost se však s odstupem doby ukázala jako zřejmá. Jaký je princip těchto systémů a jaký je jejich přinos při využití tepla ke zvýšení výroby elektřiny z kogenerační jednotky bioplynové stanice?
Zkratka ORC znamená Organický Rankinův Cyklus. Jde o podobný kondenzační cyklus, který probíhá v klasických parních turbínách elektráren, kde vodní pára roztáčí turbínu v generátoru a vyrábí se elektrická energie. Místo vodní páry se však zde jako provozní medium požívá organická látka. Důvodem je, že ORC zařízení pracuje s takovými teplotními spády a na takových teplotních úrovních, se kterými si parní cyklus již nedokáže poradit.
Princip zařízení ORC
V zásadě
existují dva základní typy těchto zařízení: Horkovodní ORC, které jako vstupní
nosné energetické médium využívá horkou vodu, a spalinové ORC, které jako
vstupní medium využívá přímo spaliny z motoru kogenerační jednotky.
Jelikož oba tyto systémy využívají jako vstupy nízkopotenciální energetické zdroje, jejich účinnost není příliš vysoká. Parametr účinnosti je zde ale spíše podružný a informativní a záleží do značné míry na začlenění do energetické koncepce celé bioplynové stanice.
Horkovodní ORC
Pro přeměnu
tepelné energie na elektrickou využívá tzv. expandér, což je de facto
kompresor. V tomto případě jde o dvojitý šroubový expandér. Princip
systému je následující:
1. Horká
voda vstupuje do výparníku a zahřívá provozní kapalinu ORC (olej) na bod varu a
tím ji přeměňuje na páru. Vařící pára vytváří tlak.
2. Pára
je tlačena skrz šroubový expandér, a roztáčí elektrický generátor.
3. Pára
je ochlazena zdrojem studené vody a v kondenzátoru kondenzuje zpět do kapalné
formy.
4. Provozní
medium se vrací zpět do výparníku a proces se opakuje.
Jako provozní medium je používán např. pentafluoropropan. Zdrojem tepla je většinou voda o parametrech již od 77 °C asi do 116 °C, čili parametry, které jsou pro běžnou energetiku využitelné maximálně tak pro vytápění.
Podle typu
zapojení můžeme očekávat výstupní elektrický výkon v rozmezí od 10 do 110 kWel.
Tak velké rozpětí je dáno především teplotou vstupní vody a jejím průtokem. Čím
větší průtok a vyšší teplota tím výstupní výkon roste. Rozmezí hmotnostního
průtoku horké vody vstupující do ORC je od 4 l/s až po 22 l/s.
Celý systém je
nízkootáčkový, tedy kolem 5000 otáček /minutu. Převod otáček na generátor pro
potřebných 1500 otáček za minutu zajišťuje klasický řemenový převod. Generátor
je asynchronní indukční s kotvou nakrátko. Odpadá zde řízení napětí a
přifázování k síti. Zároveň však systém neumí provoz v ostrovním režimu.
Pokud jde o
účinnost přeměny tepla na elektrickou energii, pohybují se tyto systémy
v rozpětí asi 8–12 %. Horkovodní ORC je přitom závislé na okolní teplotě.
Důvod je jednoduchý. Vnitřní medium ORC systému je nutno ochladit na co
nejnižší teplotu, jinými slovy vytvořit co největší pracovní deltu tepla. To
s sebou nese velké požadavky na vlastní chladící okruh a jeho návrh.
Pracovní teplota media vracejícího se zpět do ORC bývá okolo 20–25 °C. Je
jasné, že v letních provozech, kdy okolní teplota je vyšší, než oněch 25 °C
je třeba počítat s klesající účinností celého systému. Nicméně vhodným
návrhem chladicího systému můžeme tuto závislost snížit na minimum.
Spalinové ORC
Spalinové ORC
využívá jako vstupního media přímo spalin, v našem případě spalin
z kogenerační jednotky o teplotě od 350 °C. Spaliny ve výměníku
(evaporátoru) ohřívají opět provozní medium ORC systému, např. toluen. Toluen
se zahřeje na teplotu asi 330 °C a dochází k velké expanzi na lopatkách
turbíny. Za turbínou je toluen přiváděn do vakua, kde se stabilizuje a poté
přes již známý okruh kondenzace vracen zpět na začátek celého cyklu.
Vlastní turbína
je uložena na vertikální hřídeli, na které je rovněž uložen i samotný
generátor. Otáčky turbíny a generátoru jsou asi 25 000 o/min. Díky pulsně
šířkové modulaci (PWM) se následně generuje potřebných 50 Hz a 400V. Ani tento
systém neumožňuje chod v ostrovním režimu.
Spaliny
z ORC systému dále vystupují přes komín o teplotě asi 180°C. Toto je také
teplota, na kterou se dopočítává účinnost celého systému, která je asi 18–20 %.
Pokud jsme u horkovodního ORC mluvili o silné závislosti na venkovní teplotě,
spalinové ORC je na tom o poznání lépe. Je to dáno samozřejmě jinou pracovní
teplotou samotného media. Teplota chladící vody z ORC (které slouží
k chlazení toluenu) je 55 °C při dochlazení na 35 °C, tedy delta t = 20
°C. Parametr teploty vody 35 °C je natolik dobrý, že vliv okolní teploty na
účinnost ORC je prakticky zanedbatelný. Dokonce lze s touto vlastností
účelně pracovat a měnit pracovní bod chlazení podle aktuální potřeby výroby
tepla a elektrické energie v BPS.
Výstupní výkon spalinového
ORC je dán průtokem a teplotou spalin a pohybuje se v rozmezí 60–160 kW
elektrické energie.
Praktické využití v BPS
Horkovodní ORC
Tento systém je vhodný
spíše pro menší bioplynové stanice s kogenerační jednotkou od 500 do 1 MW.
Právě 1 MW elektrického výkonu kogenerační jednotky je zlom v jeho
využitelnosti, kdy začíná být ekonomicky smysluplnější instalace spalinového
ORC.
Na horkovodní ORC můžeme nahlížet jako na velmi účinný chladič. ORC se připojí jako spotřebitel horké vody z kogenerační jednotky, tj. voda z chlazení kogenerační jednotky vstupuje do spalinového výměnku a odtud na vstup do ORC systému. Přes výměník ORC se poté ochlazená voda vrací zpět do okruhu motoru. Tento systém je v praxi poměrně často využíván, ale integrátoři přichází se stále inovativnějšími koncepcemi zapojení.
Nejnovější je trend využít sekundární chladící okruh motoru – tj. horkou vodu k předehřevu media na prvním stupni výměníku ORC a následně medium dohřát okruhem spalinového výměníku na druhém stupni výměníku ORC. Tím se výrazně zvyšuje účinnost celého systému. Jelikož se takové ORC zapojuje jako první a primární vstupní odběr tepla, je nutné rovněž při návrhu samotném uvažovat parametry výstupu ochlazené vody z ORC, tedy samotnou deltu rozdílu teplot. Tuto vodu totiž dále můžeme a potřebujeme využívat na ohřev fermentorů, případně – pokud máme energie dostatek – na vyhřívání objektů apod. Samotný chladící okruh motoru pak bude sloužit pouze jako bezpečnostní chlazení v případě, kdy je ORC ve stopu.
Je jasné, že nejenže elektrickou energii vyrábíme, ale zároveň je třeba počítat
do ekonomiky i úspory na chladícím zařízení motoru. Nesmíme zapomenout ani na
vlastní spotřebu chlazení ORC systému. Nicméně – pokud je chlazení správně
navrženo, tak je zde rozdíl stále velmi znatelný. V obecném případě je
rozdíl spotřeby na chladiči motoru a chladiči ORC i 5 kW ve prospěch chlazení
ORC systému.
Výhodou horkovodního ORC je jeho poměrná jednoduchost. O to více je ale třeba nepodcenit přípravnou fázi projektu, jelikož každý stupeň teploty vody, každý lepší průtok vody na vstupu do ORC zásadně ovlivní výstupní elektrický výkon zařízení. Špatný návrh zapojení systému a jeho chlazení může znamenat v konečném důsledku zklamání z výsledného výkonu.
Spalinové ORC
Toto zařízení má s horkovodním ORC, co do návrhu a koncepce, společné jen to, že vyrábí elektrickou energii. Zde podobnost končí. Spalinové ORC se ke kogenerační jednotce připojí přímo na spaliny motoru. Je třeba dodržet protitlak spalin, s čímž si systém hravě poradí. Pro motor se totiž chová jako obyčejný spalinový výměník. Rozdíl je v tom, že v tomto výměníku koluje toluen.
Pokud připojíme spalinové ORC na bioplynovou stanici, která disponuje
motorem o výkonu 1 MWel, můžeme očekávat při dnešní technologii kolem
100 kWel výkonu z tohoto ORC. Při výkonu bioplynové stanice 2 MWel
je výkon z ORC maximální, tedy 160 kWel. Parametry jsou to již
opravdu velmi zajímavé. Zajímavá je i výstupní chladící voda ze systému. Při
maximálním vstupním výkonu do ORC, tedy 900 kWth spalin dostaneme asi
700 kWth v teplé vodě o teplotě 55 °C.
Tento parametr není
náhodný. Již v samotném počátku návrhu se výrobce zaměřil na využití
těchto systémů na bioplynových stanicích. Čili tuto teplou vodu lze
s úspěchem použít pro vyhřívání fermentoru. Navíc v zimních měsících,
kdy může být tato teplota nedostačující, lze variabilně měnit způsob
provozování ORC systému tím, že si na řídícím panelu můžeme nastavit
požadovanou teplotu na výstupu z chlazení ORC. Teplota této vody může být
i 80 °C. Tento způsob provozu se nazývá Vario.
Klasický sekundární chladící okruh motoru, tedy horká voda zůstává nevyužita. Spalinové ORC ji nepotřebuje. Zde se investorovi otevírají možnosti tuto vodu využít pro další potřeby, jako jsou sušárny, apod. V zimním měsíci lze samozřejmě využít i v kombinaci s provozem Vario horkou vodu na vytápění objektů.
Spalinové ORC je, v porovnání s horkovodním ORC, samozřejmě systém složitější a propracovanější. Nicméně investor má zde mnohem širší pole jeho využití a prostředky, vložené do zpracování kvalitního návrhu instalace se později určitě vyplatí.
Tento článek byl publikován v časopisu Energie 21 6|2015. Autorem článku je Ing. Josef Géba (B:POWER, a. s.).
Tweet
Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem
Související články:
Jarošovice: Kombinace kompostárny a bioplynové stanice
Sláma jako substrát pro bioplynové stanice zpracovávající hnůj a její výtěžnost
Nová povinnost k instalacím pro kotle na biomasu
Trendy v řízení provozu bioplynové stanice
Jak krmný šťovík odolává suchu
Biologicky rozložitelný komunální odpad a související legislativa
BPOWER a LU-VE – spojení pro komplexní služby na bioplynových stanicích
Zobrazit ostatní články v kategorii Bioodpady a kompostování, Bioplyn, Obnovitelné zdroje energie, Spalování biomasy
Datum uveřejnění: 4.2.2016
Poslední změna: 28.1.2016
Počet shlédnutí: 63090
Citace tohoto článku:
GÉBA, Josef: Zařízení ORC zvýší výrobu elektřiny z kogenerační jednotky. Biom.cz [online]. 2016-02-04 [cit. 2025-03-19]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz-pestovani-biomasy-obnovitelne-zdroje-energie-rychle-rostouci-dreviny/odborne-clanky/zarizeni-orc-zvysi-vyrobu-elektriny-z-kogeneracni-jednotky>. ISSN: 1801-2655.
Komentáře:
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |
![]() |