Χρήσιμη ενέργεια από τη σπατάλη θερμότητας

Αειφόρος ενέργεια – μια παγκόσμια μεγάλη πρόκληση

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται ένα ολοένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη χρήση ανανεώσιμων και βιώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική, η ηλιακή και η βιομάζα, μεταξύ άλλων λύσεων, καθώς και για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης στον οικιακό και εμπορικό τομέα μέσω μιας μεγάλης ποικιλίας λύσεων.

Και στις δύο περιπτώσεις, αυτό υποστηρίχθηκε από σημαντικά επίπεδα επενδύσεων, νέων πολιτικών και κανονισμών, που οδηγούνται από την πρωταρχική επιθυμία για μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων και τις σχετικές επιπτώσεις στο περιβάλλον, π.χ. με τη μείωση των σχετικών εκπομπών. Από την άλλη πλευρά, έχουν γίνει λιγότερα για την αντιμετώπιση της σημαντικής ποσότητας «σπατάλης» θερμότητας στις βιομηχανίες, η οποία αυτή τη στιγμή απορρίπτεται ή «απορρίπτεται» στην ατμόσφαιρα από ένα ευρύ φάσμα πηγών, η οποία αποτελεί σημαντικό ενεργειακό πόρο δικό του δικαίωμα.

Συγκεκριμένα, μια σημαντική ποσότητα πλεονάζουσας θερμότητας είναι διαθέσιμη σε θερμοκρασίες μεταξύ 100 °C και 400 °C, οι οποίες θεωρούνται χαμηλές σε σχέση με το εύρος των θερμοκρασιών που είναι διαθέσιμες στη βιομηχανία, αλλά υψηλές σε σχέση με αυτές που είναι φυσικά διαθέσιμες. Η απόρριψη αυτής της πλεονάζουσας θερμότητας στο περιβάλλον αναστατώνει τα τοπικά οικοσυστήματα στα υδατικά συστήματα και την ατμόσφαιρα γενικότερα, ενώ παρουσιάζει αξιοσημείωτες ευκαιρίες ως ενεργειακό πόρο εάν μπορεί να ανακτηθεί και να χρησιμοποιηθεί οικονομικά.

Τεχνολογία οργανικού κύκλου Rankine

Παρόλο που αναγνωρίζεται ευρέως η δυνατότητα εκτόπισης και συνεπώς ελαχιστοποίησης της συνολικής κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας μέσω της ανάκτησης και χρήσης της σπατάλης θερμότητας, επί του παρόντος δεν υπάρχει ευρεία ανάπτυξη τεχνολογιών ικανών να αξιοποιήσουν αυτόν τον σημαντικό ενεργειακό πόρο σε εμπορικά και βιομηχανικά περιβάλλοντα. Οι επιλογές χαμηλού κόστους περιλαμβάνουν την ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση της απορριπτόμενης θερμότητας απευθείας ως χρήσιμης πηγής θερμικής ενέργειας. Ωστόσο, τέτοιες επιλογές περιορίζονται σοβαρά λόγω της συχνής έλλειψης κατάλληλων επιτόπιων χρήσεων για αυτήν τη θερμότητα.

Μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση παρουσιάζεται από τις λεγόμενες επιλογές κοινής χρήσης θερμότητας "over-the-fence", αλλά αυτές παρουσιάζουν πρόσθετη πολυπλοκότητα (π.χ. η ποσότητα και το επίπεδο θερμοκρασίας της ζήτησης ενέργειας που χρειάζεται να ταιριάζει με αυτό του ενεργειακού εφοδιασμού) και σημαντική κίνδυνος (π.χ. που προκύπτει από την έλλειψη βεβαιότητας του εφοδιασμού και πιθανές επιπτώσεις που ενδέχεται να έχουν οι διακοπές στους τελικούς χρήστες). Μια ιδιαίτερα πολλά υποσχόμενη επιλογή κοινής χρήσης θερμότητας πάνω από το φράχτη είναι αυτή των δικτύων τηλεθέρμανσης, στα οποία η θερμότητα παρέχεται σε ένα ευρύ φάσμα τελικών χρηστών μέσω κατάλληλου δικτύου σωλήνων, ωστόσο οι προαναφερθείσες ανησυχίες έχουν οδηγήσει σε λίγα παραδείγματα επιτυχής υλοποίηση. Από την άλλη πλευρά, η μετατροπή αυτής της σπατάλης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια παρακάμπτει πολλά από αυτά τα ζητήματα, καθώς η ηλεκτρική ενέργεια είναι μια πιο ανταλλάξιμη (χρησιμοποιήσιμη ή ανταλλάξιμη) μορφή ενέργειας από τη θερμότητα, και δεδομένου ότι μπορεί να εξαχθεί εύκολα στο δίκτυο, αλλά αυτή η λεωφόρος είναι σχετίζεται με το δικό του σύνολο προκλήσεων.

Από τις πολλές τεχνολογίες που μπορούν να θεωρηθούν κατάλληλες για τη μετατροπή της ανακτώμενης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, ο οργανικός κύκλος Rankine (ORC) είναι ένας από τους πιο πολλά υποσχόμενους δεδομένης της τεχνικής ωριμότητας και της αποδεδειγμένης του απόδοσης. Με την ανάπτυξη κατάλληλα σχεδιασμένων οργανικών ρευστών «εργασίας», τα συστήματα ORC μπορούν να εξάγουν θερμότητα από πηγές θερμότητας χαμηλής/μεσαίας ποιότητας και να παράγουν χρήσιμη ισχύ με διαστολή του ρευστού σε έναν διαστολέα ή έναν στρόβιλο. Ωστόσο, όπως και με άλλες τεχνολογίες, η ευρεία υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας εμποδίζεται επί του παρόντος από το υψηλό επενδυτικό κόστος των έργων ανάκτησης απορριμμάτων θερμότητας.

Η ευρύτερη υιοθέτηση της τεχνολογίας ORC για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή συμπαραγωγή από τη μετατροπή ανακτώμενης θερμότητας ή ανανεώσιμης θερμότητας, σε πολλές εφαρμογές μπορεί να διευκολυνθεί από τη βελτιωμένη θερμοδυναμική απόδοση, αλλά και από το μειωμένο κόστος κεφαλαίου. Αυτές οι προκλήσεις έχουν χρησιμεύσει ως κίνητρο για τη συνεχή έρευνα για την τεχνολογία ORC, συμπεριλαμβανομένου του εργαστηρίου Clean Energy Processes (CEP) στο Τμήμα Χημικής Μηχανικής του Imperial College του Λονδίνου.

Η έρευνα που διεξάγεται στο Εργαστήριο CEP καθοδηγείται από την αρχή ότι η περαιτέρω ανάπτυξη των συστημάτων ισχύος ORC πρέπει να καθοδηγείται από έναν συνδυασμό θερμοδυναμικών, θερμικών, αλλά επίσης, κρίσιμα, οικονομικών αξιολογήσεων που μπορούν να αποτυπώσουν άμεσα τους συμβιβασμούς μεταξύ των τεχνολογικών επιδόσεων και των κόστος, με παγκόσμιο στόχο την πρόταση λύσεων με υψηλή αποδοτικότητα χρήσης πόρων και, κυρίως, βελτιωμένη οικονομική βιωσιμότητα.

Οικονομικά λειτουργικά ρευστά και σχέδια συστημάτων

Η επιλογή, ή μάλιστα ο σχεδιασμός, ενός λειτουργικού ρευστού είναι ζωτικής σημασίας για αυτόν τον στόχο της βελτίωσης της οικονομικής βιωσιμότητας των συστημάτων ORC και της διευκόλυνσης της ευρείας απορρόφησής τους για κατανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ τηρείται επίσης η ολοένα και πιο περιοριστική περιβαλλοντική νομοθεσία. Αυτό εξετάζεται από ερευνητές στο Εργαστήριο CEP που έχουν αναπτύξει ένα πλαίσιο σχεδίασης και βελτιστοποίησης που βασίζεται σε τεχνικές μοριακής και διεργασίας με τη βοήθεια υπολογιστή (CAMPD), όπου τα θερμοδυναμικά μοντέλα κατάλληλων συστημάτων ORC ενσωματώνονται με μοντέλα μεγέθους εξαρτημάτων και κόστους, καθώς και σε συνδυασμό με μοριακές περιγραφές ρευστών, σε αυτήν την περίπτωση τη «στατιστική σχετική θεωρία ρευστών» ή SAFT.

Το προκύπτον πλαίσιο παρουσιάζει μια νέα και ισχυρή προσέγγιση με εκτεταμένες δυνατότητες που επιτρέπει την ταυτόχρονη θερμοδυναμική και οικονομική βελτιστοποίηση συστημάτων ORC και ρευστών εργασίας σε ένα μόνο βήμα, καταργώντας έτσι υποκειμενικά και προληπτικά κριτήρια ελέγχου που υπάρχουν σε συμβατικά δύο βημάτων προσεγγίσεις.

Το πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και την πρόταση λειτουργικών στρατηγικών για εξατομικευμένα, βέλτιστα συστήματα ORC για μια σειρά στοχευμένων εφαρμογών ανάκτησης βιομηχανικών απορριμμάτων-θερμότητας. Σε πρόσφατες εργασίες, ρευστά όπως το ισοεπτάνιο, το 2-πεντένιο και το 2-επτένιο έχουν αναγνωριστεί ως ιδιαίτερα υποσχόμενοι υποψήφιοι άξιοι περαιτέρω έρευνας, με ισοπεδωμένο ηλεκτρικό κόστος (LEC) κάτω από 20-40 $ ανά παραγόμενη MWh βάσει διάρκειας ζωής 25 ετών. και συντελεστής χωρητικότητας 50% για συστήματα μικρής κλίμακας που παράγουν μερικές εκατοντάδες kW ισχύος που είναι κατάλληλα για βιομηχανική χρήση. Συγκριτικά, οι συμβατικοί, κεντρικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής έχουν LEC από περίπου $40 έως πάνω από $150 ανά MWh και εναλλακτικές τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας για LEC από περίπου $30 έως $200 ανά MWh, επίσης ανάλογα με το αν η αποθήκευση ενέργειας περιλαμβάνεται στην τιμή της μονάδας .

Outlook

Αυτά τα πρόσφατα ευρήματα υποδηλώνουν ότι παρόλο που η ανάκτηση βιομηχανικών απορριμμάτων-θερμότητας για σκοπούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι πιο δαπανηρή από άλλες άμεσες επιτόπιες χρήσεις αυτής της θερμότητας από την πλευρά του εργοστασίου, από την οπτική γωνία του συστήματος ολόκληρου του ενεργειακού συστήματος φαίνεται ότι αυτή η ικανότητα μπορεί να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια με συνολικό κόστος χαμηλότερο από την κατασκευή συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, ειδικά αν ληφθεί υπόψη το κόστος αποθήκευσης ενέργειας.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι τα περισσότερα πλαίσια συστημάτων ολικής ενέργειας που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για να προτείνουν μονοπάτια απανθρακοποίησης προς ένα καθαρό και βιώσιμο ενεργειακό μέλλον δεν λαμβάνουν υπόψη τον ρόλο που μπορεί να έχει η παραγωγή ενέργειας από πηγές σπατάλης-θερμότητας σε διάφορα σενάρια. Στο πλαίσιο μιας εθνικής στρατηγικής που εξελίσσεται προς την παροχή ενέργειας με απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές, φαίνεται σημαντικό αυτό το μονοπάτι να θεωρηθεί ως μέρος της συνολικής ενεργειακής στρατηγικής.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Σχεδιασμός ρευστού εργασίας με τη βοήθεια υπολογιστή, θερμοδυναμική βελτιστοποίηση και θερμοοικονομική αξιολόγηση συστημάτων ORC για ανάκτηση απόβλητης θερμότητας, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Energy. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον M.T. White από το City University of London, O.A. Oyewunmi, M.A. Chatzopoulou, A.J. Haslam και C.N. Markides από το Imperial College του Λονδίνου και το A.M. Pantaleo από το Imperial College London και το University of Bari.

Περαιτέρω ανάγνωση:

Ο ενδιαφερόμενος αναγνώστης μπορεί να βρει περισσότερες πληροφορίες για την τεχνολογία ORC και για την ανάπτυξη και εφαρμογή των μεθοδολογιών CAMPD και SAFT σε τέτοια συστήματα στα ακόλουθα άρθρα:

1. Σχεδίαση ρευστού εργασίας με τη βοήθεια υπολογιστή, θερμοδυναμική βελτιστοποίηση και θερμοοικονομική αξιολόγηση συστημάτων ORC για ανάκτηση απόβλητης θερμότητας. Ενέργεια:http://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.098
2. Θερμοδυναμική βελτιστοποίηση ενός υψηλής ηλεκτρικής απόδοσης ολοκληρωμένου συστήματος συνδυασμένης θερμότητας και ισχύος κινητήρα εσωτερικής καύσης-οργανικού κύκλου Rankine. Εφαρμοσμένη Ενέργεια:http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.06.022
3. Ολοκλήρωση της συμπαραγωγής και της διαλείπουσας ανάκτησης σπατάλης-θερμότητας στην επεξεργασία τροφίμων:Μικροστρόβιλοι έναντι συστημάτων ORC στη βιομηχανία καβουρδίσματος καφέ. Εφαρμοσμένη Ενέργεια:http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.04.097
4. Υβριδικές μονάδες ηλιακής βιομάζας συνδυασμένες Brayton/οργανικές μονάδες κύκλου Rankine ενσωματωμένες με θερμική αποθήκευση:Τεχνοοικονομική σκοπιμότητα σε επιλεγμένες περιοχές της Μεσογείου. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας:http://doi.org/10.1016/j.renene.2018.08.022
5. Ανάκτηση βιομηχανικών απορριμμάτων-θερμότητας μέσω ενσωματωμένης βελτιστοποίησης υγρού εργασίας με τη βοήθεια υπολογιστή και συστήματος ORC με χρήση SAFT-γ Mie. Μετατροπή και διαχείριση ενέργειας:http://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.03.048
6. Απόδοση μιγμάτων ρευστού εργασίας σε συστήματα ORC-CHP για διαφορετικά τμήματα ζήτησης θερμότητας και επίπεδα θερμοκρασίας ανάκτησης θερμότητας. Μετατροπή και διαχείριση ενέργειας:http://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.05.078
7. Μελέτη περίπτωσης ενός οργανικού κύκλου Rankine (ORC) για ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας από φούρνο ηλεκτρικού τόξου (EAF). Ενέργειες:http://doi.org/10.3390/en10050649
8. Θερμοοικονομική βελτιστοποίηση και βελτιστοποίηση μεταφοράς θερμότητας μιγμάτων ρευστού εργασίας σε σύστημα οργανικού κύκλου Rankine χαμηλής θερμοκρασίας. Ενέργειες:http://doi.org/10.3390/en9060448
9. Σχετικά με τη χρήση του SAFT-VR Mie για την αξιολόγηση μιγμάτων ρευστού εργασίας-φθοράνθρακα μεγάλης ολίσθησης σε οργανικούς κύκλους Rankine. Εφαρμοσμένη Ενέργεια:http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.040
10. Συστήματα ηλιακής ενέργειας χαμηλής συγκέντρωσης βασισμένα σε οργανικούς κύκλους Rankine για εφαρμογές κατανεμημένης κλίμακας:Επισκόπηση και περαιτέρω εξελίξεις. Σύνορα στην Ενεργειακή Έρευνα:http://doi.org/10.3389/fenrg.2015.00047
11. Αξιολόγηση μιγμάτων ρευστού εργασίας που χρησιμοποιούν SAFT-VR Mie για χρήση σε οργανικά συστήματα κύκλου Rankine για ανάκτηση απορριμμάτων-θερμότητας. Υπολογιστικές Θερμικές Επιστήμες:http://doi.org/10.1615/.2014011116
12. Ολοκληρωμένη σχεδίαση ρευστού εργασίας με τη βοήθεια υπολογιστή και βελτιστοποίηση συστήματος ισχύος:Πέρα από τη θερμοδυναμική μοντελοποίηση. http://hdl.handle.net/10044/1/51841
13. Εξερεύνηση βέλτιστων λειτουργικών ρευστών και αρχιτεκτονικών κύκλων για οργανικά συστήματα κύκλου Rankine χρησιμοποιώντας προηγμένες μεθοδολογίες μοριακού σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή. http://hdl.handle.net/2263/62470