Systémy ORC zažívají na českém a evropském trhu nebývalý rozmach. Důvodů je několik, ale tím hlavním důvodem je čím dál větší variabilita a možnosti nasazení těchto systémů. Pojďme se tedy společně podívat, jaká je dnešní situace v oblasti ORC systémů a jejich využití.

 

Co je to ORC

ORC je zkratka pro Organický RankinůvCyklus. V zásadě jde o klasický kondenzační cyklus, tak jak jej můžeme vidět ve všech elektrárnách, využívající parní turbínu. Namísto vodní páry se však jako medium používá organická látka. Toto medium roztáčí podle typu zařízení např. turbínu, která vyrábí na generátoru elektrickou energii. Čili opět se jedná o přeměnu tepelné energie na elektrickou. Důvod, proč je použito jiného media, než voda je prostý. ORC zařízení pracuje s takovými teplotními spády a na takových teplotních úrovních, se kterými si standardní parní cyklus již nedokáže poradit. V zásadě se jedná o dva základní typy zařízení. Horkovodní ORC zařízení, které jako vstupní nosné energetické médium využívá horkou vodu a spalinové ORC, které jako vstupní medium využívá přímo spaliny. Tyto systémy jsou i u nás co do počtu instalací nejrozšířenější. Kdy je který typ vhodný použít si povíme později.

Velká diskuze ohledně ORC systémů se vede rovněž o jejich účinnosti. Tj. jaká je účinnost přeměny tepelné energie na elektrickou. Díky tomu, že tyto systémy využívají jako vstup nízko potenciální energetické zdroje je jasné, že účinnost těchto systémů nebude nikterak závratná.Jak si ale ukážeme dále, parametr účinnosti je u těchto systémů spíše podružný a informativní a záleží spíše na jeho komplexním začlenění do energetické koncepce. Oba dva technologické směry jsou rovněž navrženy s trochu rozdílnou filozofií svého využití.

Horkovodní ORC – princip funkce

Pokud jsme v předešlé kapitole popisovali, že ORC je de facto cyklus s turbínou, zde to není úplně přesné. Pro samotnou přeměnu tepelné energie na elektrickou se v tomto případě většinově využívá tzv. expandér. Princip takového ORC 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, aroztáčí elektrický generátor na základě změny tlaků.
3. Pára je ochlazena zdrojem studené vody av kondenzátoru, kondenzuje zpět do kapalnéformy.
4. Provozní medium se vrací zpět do výparníku a proces se opakuje.

Celý proces detailněji znázorňuje následující obrázek:

 

 

Pod pojmem expandér si lze představit de facto kompresor. V tomto případě se jedná o dvojitý šroubový expandér, tak jak je na obrázku:

 

 

Jako provozní medium je používán např. pentafluoropropan. Zdrojem tepla je většinou voda o parametrech již od 65°C do cca 125°C, čili parametry, které jsou pro běžnou energetiku využitelné maximálně tak pro vytápění.

Podle typu zapojení můžeme očekávat výstupní elektrický výkon v rozmezí od 10-300kWel. Tak velké rozpětí je dáno především teplotou vstupní vody a jejím průtokem. Čím větší průtok a vyšší teplota tím výstupní výkon roste.  Hmotnostní průtok horké vody vstupující do ORC může být již od 4l/s.

Celý systém bývá nízkootáčkový, tedy okolo 5 000 otáček /minutu. Generátor je asynchronní indukční s kotvou nakrátko. Odpadá zde řízení napětí a proces přifázování k síti. Zároveň však systém neumí provoz v ostrovním režimu, což ostatně není ani jeho smyslem.

V dnešní době je na trhu několik výrobců malých horkovodních ORC systémů. Najdeme tak technologie malých ORC od společnosti ORCAN, které přímo nahrazují malé chladicí systémy, připojených například na motorech kogeneračních jednotek. Jejich netto produkce je řádově několik kW elektrické energie, ale je třeba počítat s nemalou úsporou na vlastním chlazení, které tímto kompletně odpadá. Dále je možné se setkat s produkty od společnosti Electratherm, které cílí do průmyslových aplikací na využití odpadního tepla v řádech desítek až stovek kW.

Všechny tyto systémy se dají shrnout pod jeden název a to je „aktivní chlazení“. Pokud existuje jakýkoliv proces, kde je žádoucí redukce teplot (ať už se jedná o nucené chlazení apod.), jsou tyto systémy přímo předurčeny k náhradě za standardní vychlazovací systémy. Pokud jde o účinnost přeměny tepla na elektrickou energii, pohybují se tyto systémy v rozpětí cca 8-12%.Nicméně jak bylo zmiňováno výše, samotná účinnost zařízení nehraje zásadní roli, jelikož primárním cílem je úspora elektrické energie.

Pokud tedy shrneme vlastnosti horkovodního ORC, můžeme prohlásit, že toto zařízení má velké kouzlo v jednoduchosti. Jednoduchost ale nelze podcenit, protože špatný návrh celého zapojení systému a jeho chlazení může znamenat v konečném důsledku velké rozčarování z výsledného výkonu systému. Proto se nedoporučuje podcenit přípravnou fázi projektu, jelikož každý stupeň teploty vody, každý lepší průtok vody na vstupu do ORC nám zásadně ovlivní výstupní elektrický výkon tohoto zařízení.

 

 

 

 

Spalinové ORC – princip funkce

Spalinové ORC využívá jako vstupního media přímo spalin z kogenerační jednotky, průmyslových procesů, kotlů apod. od teploty 350°C do cca 530°C. Spaliny ve výměníku (evaporátoru) ohřívají opět provozní medium ORC systému, např. toluen. Ten se zahřeje na teplotu cca 330°C a dochází k velké expanzi na lopatkách turbíny. Za turbínou je medium přiváděno do vakua, kde se stabilizuje a poté přes již známý okruh kondenzace vracen zpět na začátek celého cyklu.

Vlastní turbína je uložena většinou na vertikální hřídeli, na které je rovněž uložen i samotný generátor. Otáčky turbíny a generátoru jsou cca 25 000ot./min.Díky pulsně šířkové modulaci (PWM) se následně generuje potřebných 50Hz a 400V. Ani tento systém neumožňuje chod v ostrovním režimu.

Spaliny z ORC systému dále vystupují přes komíno teplotě cca 180°C. Toto je také teplota, na kterou se dopočítává účinnost celého systému, která je cca 18-22%.U spalinových ORC systémů je velmi důležité rovněž hovořit o dalším parametru a tím je teplota chladící vody. Teplota chladící vody z ORC (které slouží k chlazení toluenu) může totiž dosahovat teploty i 90°C.  Tento parametr teploty chladící vody je natolik zásadní, že se nabízí prostor pro využití takového ORC, jako seriózního zařízení pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla.

Výstupní výkon spalinového ORC je dán průtokem a teplotou spalin a rovněž typem samotného ORC zařízení.  Na trhu se tak lze nejčastěji setkat s ORC od společnosti Triogen s parametry výstupního elektrického výkonu do 160kWel a teplotou chladící vody 80°C, nebo ORC od společnosti DURR, která disponuje škálou produktů od 70 – 500kWel. ORC systémy, které svým výkonem přesahují obvyklou hranici 300kW, využívají ohřevu vnitřního media přes olejové hospodářství. Tedy ORC samotné není napojeno přímo na spaliny, ale je zde vřazen olejový cyklus, který pomáhá udržet stabilitu celého provozu. Následující tabulka přehledně shrnuje parametry spalinových ORC systémů:

 

 

 

 

 

 

Spalinové ORC systémy můžeme vidět instalované na motorech kogeneračních jednotek, v průmyslu na využití spalin, ale čím dál častěji pronikají do oblasti dřevozpracujících závodů nebo decentrálního vytápění obce či města. Důvod je právě v možnosti využití teplé vody z chladícího okruhu ORC. Jako příklad instalace biomasové kogenerace s využitím ORC ukazuje následující obrázek:

Základem je kotel na biomasu (štěpka, piliny apod.). Spaliny o teplotě až 530°C vstupují přímo do evaporátoru ORC jednotky. Systém vyrábí elektrickou energii a teplo. Jak elektřina, tak teplo se ideálně využije přímo v místě instalace – např. v dřevozpracujícím závodě. Výhodou takového řešení je začlenění odpadového produktu z pil – tedy dřevní hmoty do energetického procesu s následným přímým využitím.

Shrnutí

Z výše uvedeného můžeme prohlásit, že instalací horkovodního ORC dostáváme velmi efektivní, jednoduché a účinné chlazení systému, které je podpořeno výrobou elektrické energie ze zbytkového tepla. Pokud je systém správně technologicky navržen, tak investorovi přináší velké úspory a nemalou výrobu elektrické energie s minimem úsilí.

Naproti tomu spalinové ORC je již komplexní nástroj na řešení celkové energetické koncepce. Investor dostává do rukou obrovskou variabilitu, možnosti provozu a zhodnocení investice a ekonomiky provozu nejen samotné jednotky ORC, ale i dalších navazujících technologií. Je už jenom na něm, jak moc si bude doslova hrát s možnostmi tohoto systému a kam až zajde ve využití poskytovaných výstupů ze spalinového ORC zařízení

 

Ing. Josef GÉBA

Obchodní ředitel, člen představenstva společnosti B:POWER, a.s.

www.bpower.cz