Ανάπτυξη μιας μηχανής οργανικού κύκλου Rankine σε υπερκρίσιμη λειτουργία για ανάκτηση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας

Μία μηχανή που βασίζεται στον θερμοδυναμικό κύκλο Rankine είναι η κατάλληλη τεχνολογία για ανάκτηση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας (ακόμα και 80-100^oC), εφόσον το εργαζόμενο μέσο είναι δυνατόν να ατμοποιείται στις θερμοκρασίες αυτές. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται οργανικά (ψυκτικά) ρευστά (αντί του νερού στον κλασσικό κύκλο Rankine, όπως αυτός των ατμοηλεκτρικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρισμού) και ο κύκλος για το λόγο αυτόν ακριβώς ονομάζεται Οργανικός Κύκλος Rankine (ή Organic Rankine Cycle όπως είναι ευρέως γνωστός). Μηχανές βασισμένες στην αρχή του κύκλου αυτού μπορούν να κατασκευαστούν ακόμα και σε πολύ μικρή κλίμακα (για παραγόμενη ισχύ έως 1kWe), ενώ το κόστος τους είναι μέτριο.

Γράφουν οι:

Ε. Ντάβου
Γ. Κοσμαδάκης Δ. Μανωλάκος,
Γ. Παπαδάκης

Τμήμα Αξιοποίησης Φυσικών Πόρων και Γεωργικής Μηχανικής,
Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Οι συνηθέστερες πηγές θερμότητας τέτοιων διατάξεων είναι από ηλιοθερμική ενέργεια, βιομάζα, γεωθερμία και απορριπτόμενη θερμότητα από βιομηχανικές διεργασίες, ενώ το γεγονός ότι μπορούν πλέον να ανακτηθούν και ποσά θερμότητας αρκετά χαμηλής θερμοκρασίας (ακόμα και 80^oC) αυξάνει κατακόρυφα τις πιθανές εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής.

Στην Εικόνα 1 παρουσιάζεται η βασική διάταξη μιας μηχανής οργανικού κύκλου Rankine, όπου το κόκκινο κύκλωμα αποτελεί το κύκλωμα που παρέχει τη θερμότητα στη μηχανή μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας, ενώ το μπλε κύκλωμα αποτελεί τη διεργασία προς διερεύνηση.

Εικόνα 1. Διάταξη μηχανής ORC

Σε μια τυπική λειτουργία της μηχανής ORC το οργανικό ρευστό περνά διαδοχικά από διάφορες καταστάσεις διαγράφοντας τον αντίστοιχο θερμοδυναμικό κύκλο. Πιο συγκεκριμένα, ελαφρώς υπόψυκτο οργανικό ρευστό εισέρχεται στην αντλία διακίνησης, η οποία το συμπιέζει σε υψηλότερη πίεση και στη συνέχεια προσδίδεται θερμότητα στον ατμοποιητή ώστε να ατμοποιηθεί. Ο ατμός έπειτα εισέρχεται στον εκτονωτή, όπου μειώνεται η πίεσή του και παράγεται ωφέλιμη ισχύς (είτε σε μορφή μηχανικού έργου απευθείας από τον εκτονωτή είτε σε μορφή ηλεκτρικής ενέργειας με τη σύζευξη γεννήτριας στον άξονα του εκτονωτή). Στη συνέχεια συμπυκνώνεται σε έναν εναλλάκτη θερμότητας, αποβάλλοντας θερμότητα, μέχρι να φτάσει στην υπόψυκτη περιοχή, να εισέλθει στην αντλία και ο κύκλος να επαναληφθεί. Σε όλη τη διάρκεια της λειτουργίας το ρευστό παραμένει στην υποκρίσιμη κατάστασή του δηλαδή η θερμοκρασία και η πίεσή του δεν φτάνουν τις μέγιστες τιμές τους στο λεγόμενο κρίσιμο σημείο (τη θερμοκρασία δηλαδή πάνω από την οποία όσο κι αν συμπιεστεί ένας ατμός δεν υγροποιείται). Στην Εικόνα 2 παρουσιάζεται η μεταβολή της ενθαλπίας με την πίεση ενός ενδεικτικού οργανικού ρευστού σε μια υποκρίσιμη διεργασία. Το σημείο 5 αντιστοιχεί στην είσοδο της αντλίας διακίνησης.

Εικόνα 2. Υποκρίσιμη λειτουργία του οργανικού μέσου μιας μηχανής Rankine

Όταν το ρευστό κατά τη λειτουργία του περνά στην υπερκρίσιμη κατάσταση, δηλαδή η θερμοκρασία και πίεσή του μετά την πρόσδοση θερμότητας σε αυτό είναι υψηλότερες σε σχέση με τις κρίσιμες τιμές τους, παρουσιάζει ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον, ειδικά στην περίπτωση που το μέσο αυτό είναι ένα ψυκτικό ρευστό. Ο σχεδιασμός και η λειτουργία ενός τέτοιου κύκλου (SuperCritical ORC – SCORC) έχει ορισμένα πλεονεκτήματα, όπως η υψηλότερη θερμική απόδοση και η μεγαλύτερη εκμετάλλευση της διαθέσιμης θερμότητας. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά επιτρέπουν στον κύκλο αυτόν να παρουσιάζει υψηλότερη συνολική απόδοση κατά περίπου 10-20% σε σχέση με έναν αντίστοιχο σε υποκρίσιμη λειτουργία, γεγονός που τον καθιστούν υποψήφιο γι’ αρκετές εφαρμογές. Από την άλλη, ένα από τα κυριότερα μειονεκτήματά του είναι η υψηλή πίεση λειτουργίας, ώστε να μπορεί να λειτουργεί σε υπερκρίσιμες συνθήκες (συνήθως μεγαλύτερη από 30-35 bar). Η τιμή της πίεσης αυτής εξαρτάται από την υπερκρίσιμη θερμοκρασία λειτουργίας και το οργανικό ρευστό.

Η διεργασία ενός υπερκρίσιμου κύκλου είναι η ίδια με του υποκρίσιμου, με τη διαφορά πως η αντλία διακίνησης συμπιέζει το ρευστό σε υπερκρίσιμη πίεση (ενδεικτικό εύρος: 35-50 bar) και στη συνέχεια προσδίδεται θερμότητα στον ατμοποιητή μέχρι να θερμανθεί σε θερμοκρασία υψηλότερη από την κρίσιμη τιμή του. Στη συνέχεια, το υπερκρίσιμο ρευστό εισέρχεται στον εκτονωτή, όπου παράγεται η ωφέλιμη ισχύς και έπειτα συμπυκνώνεται αποβάλλοντας θερμότητα και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Στην Εικόνα 3 φαίνεται η μεταβολή της ενθαλπίας με την πίεση ενός ενδεικτικού οργανικού ρευστού σε μια υπερκρίσιμη διεργασία. Στο διάγραμμα αυτό, το σημείο 1 αντιστοιχεί στο σημείο εισόδου της αντλίας διακίνησης.

Εικόνα 3. Υπερκρίσιμη λειτουργία του οργανικού μέσου (R-404a) μιας μηχανής ORC

Το έργο

Στα πλαίσια του συγχρηματοδοτούμενου από την Ευρωπαϊκή Ένωση και από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας έργου υπό τον τίτλο «Ανάπτυξη ενός μικρής-κλίμακας χαμηλής-θερμοκρασίας υπερκρίσιμου οργανικού κύκλου Rankine με βελτιστοποιημένο εκτονωτή scroll και ατμοποιητή», αριθμός έργου: 11ΣΥΝ_7_278, ερευνάται η βελτιστοποίηση της μηχανής υπερκρίσιμου οργανικού κύκλου Rankine (μηχανή SCORC) μέσω της μεγιστοποίησης της παραγόμενης ισχύος από τη μηχανή (ή ισοδύναμα του θερμικού βαθμού απόδοσης), η οποία μπορεί να ανακτήσει θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας (της τάξης των 80-100oC). Πιο συγκεκριμένα, ο βασικός τεχνικός σκοπός του έργου είναι η ανάπτυξη, κατασκευή και μέτρηση της απόδοσης και των λειτουργικών χαρακτηριστικών ενός χαμηλής θερμοκρασίας υπερκρίσιμου Οργανικού Κύκλου Rankine, ενώ ο τελικός σκοπός είναι η ανάπτυξη ενός αποδοτικού προϊόντος (μικρής κλίμακας) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, έχοντας το λιγότερο δυνατό κόστος. Το έργο εστιάζεται επίσης στην ανάπτυξη και κατασκευή του ατμοποιητή και του εκτονωτή της μηχανής από το μηδέν, καθώς δεν είναι εμπορικά διαθέσιμοι για τέτοιας κλίμακας μηχανή.

Η ανάπτυξη και τα πρώτα αποτελέσματα

Πρώτο επίπεδο έρευνας αποτελεί η προσομοίωση της λειτουργίας της μηχανής για τον προσδιορισμό των συνιστωσών της. Η διερεύνηση της μηχανής SCORC ξεκινά με την επιλογή του κατάλληλου οργανικού ρευστού. Έπειτα από λεπτομερή έρευνα και υπολογιστικές δοκιμές το ρευστό που επιλέχθηκε για τη μηχανή SCORC είναι το R-404a, το οποίο έχει μεγάλη εφαρμογή σε ψυκτικές μηχανές, παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση σε σχετικά χαμηλή πίεση, ενώ το κόστος του είναι από τα χαμηλότερα από αυτά που εξετάστηκαν. Αξίζει να αναφερθεί ότι η χρήση του συγκεκριμένου ρευστού θα περιοριστεί από το 2016 κι έπειτα και θα αντικατασταθεί πιθανώς από το R-407f, το οποίο παρουσιάζει παρόμοιες ιδιότητες και εύρη λειτουργίας. Προς το παρόν όμως το τελευταίο είναι δυσεύρετο και με αρκετά υψηλό κόστος και θα αποφευχθεί η χρήση του.

Οι κύριες συνιστώσες της μηχανής είναι ο ατμοποιητής, ο εκτονωτής τύπου scroll (συμπιεστής scroll σε ανάστροφη λειτουργία), ο συμπυκνωτής και η αντλία του οργανικού ρευστού. Για την επιλογή κάθε συνιστώσας προηγείται αναλυτική προσομοίωση με χρήση του οργανικού ρευστού που επιλέχθηκε, ώστε να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά της.

Όλα τα κριτήρια βελτιστοποίησης οφείλουν να αποσκοπούν στο σχεδιασμό μιας οικονομικά βιώσιμης και ανταγωνιστικής μηχανής. Η βασικότερη παράμετρος βελτιστοποίησης είναι ο θερμικός βαθμός απόδοσης της μηχανής SCORC, δηλαδή ο λόγος της καθαρής παραγόμενης ισχύος προς τη συνολική θερμική ισχύ, που προσδίδεται σε αυτόν. Ο σκοπός είναι η κατασκευή μίας αποδοτικής μηχανής για παραγωγή ισχύος 5-10 kW, το οποίο επιτυγχάνεται όταν η διαθέσιμη θερμότητα είναι περίπου 100 kWth, με θερμοκρασία ίση με 100 oC. Η καθαρή ισχύς που παράγεται είναι ίση με την ισχύ της ηλεκτρογεννήτριας, εάν αφαιρεθεί από αυτήν η ισχύς που καταναλώνει η αντλία, για τη συμπίεση του εργαζόμενου μέσου. Μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους, που επηρεάζουν την απόδοση της μηχανής, είναι η μέγιστη πίεση του κύκλου. Η πίεση αυτή οφείλει να είναι υψηλότερη της κρίσιμης πίεσης του εργαζόμενου μέσου. Όσο μεγαλύτερη είναι η πίεση τόσο πιο μεγάλος είναι ο βαθμός απόδοσης του κύκλου, αν και υπάρχει ένας σημαντικός περιορισμός στη συνεχή αύξησή της. Ένα δεύτερο κριτήριο βελτιστοποίησης είναι οι επιφάνειες των εναλλακτών. Οι δυο εναλλάκτες (ατμοποιητής και συμπυκνωτής) αποτελούν σημαντική πηγή κόστους μίας τέτοιας εγκατάστασης. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια συναλλαγής του εναλλάκτη, τόσο πιο αποδοτικά γίνεται η συναλλαγή θερμότητας, μειώνοντας τη θερμοκρασιακή διαφορά μεταξύ της θερμής και ψυχρής πλευράς (pinch point temperature difference), αυξάνοντας όμως και το κόστος αγοράς ή κατασκευής του. Μια συντηρητική εκτίμηση κόστους για την ανάπτυξη μιας τέτοιας μηχανής όπως προκύπτει από ανάλυση και από τις συνιστώσες του εμπορίου είναι γύρω στα 3000~5000 ¬/kWe.

Ο σχεδιασμός των συνιστωσών της μηχανής έχει πραγματοποιηθεί, ενώ το επόμενο βήμα είναι η κατασκευή της από την εταιρεία Psyctotherm που διαθέτει τη σχετική εμπειρία γι’ αυτές τις εφαρμογές, η εγκατάστασή της και οι πειραματικές δοκιμές της σε διάφορες συνθήκες που περιλαμβάνουν υποκρίσιμη και υπερκρίσιμη λειτουργία.

Εικόνα 4. Σχέδιο μηχανής ORC

Συμπεράσματα

Η ανάπτυξη μιας βελτιστοποιημένης μηχανής οργανικού κύκλου Rankine που θα λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες (80~100οC) και σε υπερκρίσιμες συνθήκες ρευστού αποδεικνύεται βάσει έρευνας μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία με πολλές εφαρμογές. Η μελέτη οδήγησε σε αποτελέσματα συγκριτικά με μια μηχανή ORC σε υποκρίσιμη λειτουργία ως προς τη μέγιστη αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης κατά 30-35%.

Αν δηλαδή μια υποκρίσιμη μηχανή στους 100οC έχει βαθμό απόδοσης 5-6% τότε ο αναμενόμενος βαθμός της υπερκρίσιμης μηχανής είναι γύρω στο 7%. Η συγκεκριμένη μηχανή μπορεί να βρει ποικίλες εφαρμογές όπου πηγές θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να ανακτηθούν για παραγωγή ηλεκτρισμού, όπως στη βιομηχανία, σε συνδυασμό με λέβητες βιομάζας για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας, σε ηλιακά υβριδικά συστήματα, σε συστήματα αφαλάτωσης και αλλού. ®

Βιβλιογραφία
[1] Kosmadakis G, Manolakos D, Kyritsis S, Papadakis G. Design of an autonomous, two stage solar organic Rankine cycle system for reverse osmosis desalination. Desalination and Water Treatment 2009;1(13):114–27.
[2] Lemort V, Quoilin S, Cuevas C, Lebrun J. Testing and modeling a scroll expander integrated into an Organic Rankine Cycle. Appl Therm Eng 2009;29(14-15):3094–102.
[3] Quoilin S, Orosz M, Hemond H, Lemort V. Performance and design optimization of a low-cost solar organic Rankine cycle for remote power generation. Solar Energy 2011;85(5):955–66.
[4] Manolakos D, Kosmadakis G, Kyritsis S, Papadakis G. Identification of behaviour and evaluation of performance of small scale, low-temperature Organic Rankine Cycle system coupled with a RO desalination unit. Energy 2009;34(6):767–74.
[5] Kosmadakis G, Manolakos D, Kyritsis S, Papadakis G. Economic assessment of a two-stage solar organic Rankine cycle for reverse osmosis desalination. Renewable Energy 2009;34(6):1579–86.
[6] Schuster A, Karellas S, Aumann R. Efficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cycles. Energy 2010;35(2):1033–9.
[7] Saleh B, Koglbauer G, Wendland M, Fischer J. Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles. Energy 2007;32:1210–21.
[8] http://supercritical-orc.aua.gr/
[9] Kosmadakis G, Manolakos D, Kyritsis S, Papadakis G. Comparative thermodynamic study of refrigerants to select the best for use in the high-temperature stage of a two-stage organic Rankine cycle for RO desalination. Desalination 2009;243(1–3):74–94.
[10] Schuster A, Karellas S, Aumann R. Efficiency optimization potential in supercritical Organic Rankine Cycles. Energy 2010;35(2):1033–9.
[11] Kosmadakis G, Manolakos D, Kyritsis S, Papadakis G. Economic assessment of a two-stage solar organic Rankine cycle for reverse osmosis desalination. Renewable Energy 2009;34(6):1579–86.