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 kW_el. 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 MW_el, můžeme očekávat při dnešní technologii kolem 100 kW_el výkonu z tohoto ORC. Při výkonu bioplynové stanice 2 MW_el je výkon z ORC maximální, tedy 160 kW_el. Parametry jsou to již opravdu velmi zajímavé. Zajímavá je i výstupní chladící voda ze systému. Při maximálním vstupním výkonu do ORC, tedy 900 kW_th spalin dostaneme asi 700 kW_th 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. 

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost