Τεχνολογία ORC για οικιακές εφαρμογές
Οι τελευταίες δεκαετίες παγκόσμιων κοινωνικών, οικονομικών και τεχνολογικών εξελίξεων έχουν οδηγήσει σε αύξηση του αριθμού των ανθρώπων που ζητούν ανέσεις διαβίωσης που καταναλώνουν ενέργεια. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα αυξημένο ρυθμό χρήσης πρωτογενούς ενέργειας πολύ υψηλότερο από αυτό που θα μπορούσε να δικαιολογηθεί από την αύξηση του πληθυσμού. Παράλληλα με τον ρυθμό αύξησης της χρήσης ενέργειας, σημειώθηκε σταδιακή αύξηση των μέσων τιμών των συμβατικών ορυκτών καυσίμων όπως το φυσικό αέριο, το πετρέλαιο ή ο άνθρακας.
Σήμερα, αυτά τα συμβατικά καύσιμα εξακολουθούν να καλύπτουν μεγάλο μερίδιο των αναγκών πρωτογενούς ενέργειας και είναι, μακράν, οι μεγαλύτεροι συνεισφέροντες στις παγκόσμιες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου (GHG) που οδηγούν, μεταξύ άλλων, σε κλιματικές αλλαγές και προβλήματα υγείας. Η ανάγκη να αμφισβητηθεί η χρήση αυτών των παραδοσιακών καυσίμων, των παραδοσιακών μεθόδων μετατροπής ενέργειας και των τρεχόντων προτύπων κατανάλωσης, έχει φτάσει σε πρωτόγνωρο επίπεδο σημασίας και υπάρχει επιτακτική ανάγκη να μετατραπούν σε χαμηλές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, με ασφαλή και δαπανηρή αποτελεσματικές εναλλακτικές προσεγγίσεις που βασίζονται σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ή υψηλής απόδοσης ενέργειας. Τα αναφερόμενα γεγονότα διαφωτίζουν όλες τις εφαρμογές ή τεχνολογίες που, κατά κάποιο τρόπο, λειτουργούν ενάντια σε αυτά τα σημαντικά ζητήματα.
Μία από αυτές τις τεχνολογίες που τυγχάνουν αυξανόμενης προσοχής από βιομηχανίες και ερευνητικά κέντρα είναι ο Οργανικός Κύκλος Rankine (ORC). Το ORC, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως ένας τρόπος για να ξεπεραστούν οι δυσκολίες που αντιτίθενται στην πρακτική εφαρμογή του Κύκλου Carnot, στη βασική του διαμόρφωση περιλαμβάνει τέσσερα κύρια στοιχεία:μια αντλία, έναν εξατμιστή, έναν διαστολέα και έναν συμπυκνωτή, όπως φαίνεται στο Σχ. 1. Η αρχή λειτουργίας του μπορεί να περιγραφεί εν συντομία ως εξής. Ο κύκλος ξεκινά με την συμπίεση του ρευστού εργασίας στην αντλία που οδηγεί στον εξατμιστή, όπου θερμαίνεται και εξατμίζεται (και τελικά υπερθερμαίνεται) από μια ροή θερμότητας από μια κατάλληλη πηγή θερμότητας. Ο ατμός υπό πίεση ρέει στον διαστολέα όπου παράγει έργο ενώ μειώνει τη θερμοκρασία και την πίεσή του. Ο ατμός χαμηλής πίεσης στην έξοδο του διαστολέα κατευθύνεται στη συνέχεια στον συμπυκνωτή όπου, χάνοντας ενέργεια σε μια κατάλληλη ψύκτρα χαμηλής θερμοκρασίας, περνά από τον ατμό σε μια υγρή φάση. Στη συνέχεια, το συμπυκνωμένο υγρό οδηγείται στην αντλία για να συμπιεστεί ξανά, κλείνοντας τον κύκλο.
Συχνά χρησιμοποιείται μαζί με την τεχνολογία ORC η γνωστή τεχνική της ταυτόχρονης παραγωγής θερμότητας και ισχύος, γνωστή και ως CHP (Combined Heat and Power). Τα συστήματα ΣΗΘ όχι μόνο μειώνουν τις απώλειες της διαδικασίας μετατροπής ενέργειας αλλά αποφεύγουν και τις απώλειες που σχετίζονται με τη μεταφορά και τη διανομή της, βελτιώνοντας τη βιωσιμότητα της όλης διαδικασίας και συμβάλλοντας στην αύξηση της αξιοπιστίας του δικτύου και στη μείωση της εξάρτησης από το δίκτυο. Επιπλέον, όχι μόνο παρέχουν σημαντική εξοικονόμηση σε μεμονωμένα συστήματα θέρμανσης και ηλεκτρικής ενέργειας όσον αφορά το λειτουργικό κόστος και την κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας αλλά και όσον αφορά τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου. Πολλοί ερευνητές αναφέρονται στη ΣΗΘ, παγκοσμίως, ως την κύρια εναλλακτική λύση στα παραδοσιακά συστήματα όσον αφορά τη σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας και τη διατήρηση του περιβάλλοντος.
Micro-CHP είναι ο χαρακτηρισμός που δίνεται στα συστήματα συμπαραγωγής που είναι σε θέση να εκπληρώσουν θερμικά φορτία που κυμαίνονται από αυτά τα τυπικά δημόσια/εμπορικά κτίρια (π.χ. κέντρα υγείας ή μικρομεσαίες επιχειρήσεις (ΜΜΕ)), μέχρι τις ανάγκες κατοικιών . Όσον αφορά την ονομαστική ηλεκτρική ισχύ, αυτά τα συστήματα κυμαίνονται από κάτω από 1 kWe έως 50 kWe . Σε μεσαία προς μεγάλη κλίμακα (ηλεκτρική ισχύς άνω των 50 kWe ), τα συστήματα ΣΗΘ είναι μια ώριμη τεχνολογία με αρκετά διαδεδομένη χρήση, ενώ τα συστήματα μικροκλίμακας εξακολουθούν να περιορίζονται από αρκετά προβλήματα. Ωστόσο, η πιθανή αγορά για συστήματα αυτής της κλίμακας είναι τεράστια, καθώς μία από τις πιθανές εφαρμογές τους είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (για λόγους υγιεινής και θέρμανσης χώρου).
Η πιο ελπιδοφόρα αγορά για τα συστήματα μικροσυμπαραγωγής βρίσκεται στον οικιακό τομέα, ειδικά σε χώρες όπως το Ηνωμένο Βασίλειο, η Ολλανδία, η Γερμανία, η Γαλλία, η Ιταλία, το Βέλγιο, η Δανία και η Ιρλανδία. Στην πραγματικότητα, η ετήσια διάσταση στις πωλήσεις και τα αποθέματα της ευρωπαϊκής αγοράς λεβήτων κατοικιών το 2013 ήταν περίπου 8 και 100 εκατομμύρια μονάδες, αντίστοιχα. ενώ οι πωλήσεις και τα αποθέματα όλων των άλλων τομέων μικρής κλίμακας (π.χ. ΜΜΕ ή συλλογικές αγορές) είναι περίπου 1 και 20 εκατομμύρια μονάδες, αντίστοιχα.
Η τεράστια διάσταση της ευρωπαϊκής δυνητικής αγοράς συστημάτων μικροσυμπαραγωγής μπορεί επίσης να προβλεφθεί με βάση τις προβλεπόμενες πωλήσεις και τα αποθέματά τους, για τα έτη 2020 και 2030, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Σε αυτόν τον πίνακα, τα πιθανά οφέλη που προκύπτουν από την εγκατάσταση Παρουσιάζονται επίσης όλα αυτά τα συστήματα μικρο-CHP όσον αφορά την εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας και τις μειώσεις εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου. Οι αριθμοί που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 προϋποθέτουν σιωπηρά μια προορατική και ισχυρή πολιτική βούληση σχετικά με την προώθηση της χρήσης προϊόντων μικρο-CHP. Αναγνωρίζοντας τις μεγάλες δυνατότητες των προϊόντων micro-CHP, που θεωρούνται ως οι «λέβητες του μέλλοντος», η Ευρωπαϊκή Επιτροπή Τυποποίησης (CEN) έχει ήδη εκπονήσει αρκετά πρότυπα που αφορούν τα χαρακτηριστικά του προϊόντος και την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητάς τους. Ορισμένες οντότητες πιστοποίησης, όπως η πιστοποίηση Eurovent Certita, έχουν ήδη χρησιμοποιήσει αυτά τα πρότυπα για την ανάπτυξη συστημάτων πιστοποίησης για αυτού του είδους τα προϊόντα.
Παρά την τεράστια αγορά και τα πιθανά οφέλη σχετικά με την εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας και τις μειώσεις των εκπομπών GHG που είναι γνωστό ότι προκύπτουν από την ευρεία χρήση τους, τα συστήματα micro-CHP δεν έχουν ακόμη φθάσει σε επαρκή κατάσταση ωριμότητας ώστε να θεωρούνται μια πραγματική έγκυρη εναλλακτική λύση. τυπικά συστήματα οικιακής θέρμανσης όπου οι τιμές του φυσικού αερίου και της ηλεκτρικής ενέργειας θα διαδραματίσουν πολύ σημαντικό ρόλο για την επίτευξη μιας ανταγωνιστικής μονάδας που πρέπει να χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος επένδυσης και εύκολη λειτουργία.
Η τεχνολογία ORC εμφανίζεται ως η πιο κατάλληλη και πολλά υποσχόμενη λύση για τη μετατροπή της χαμηλής ποιότητας θερμότητας σε ισχύ, καθώς είναι η απλούστερη και λιγότερο πιθανό να δημιουργήσει δυσκολίες στη μετασκευή των σημερινών συστημάτων θέρμανσης σε οικιακές κατοικίες. Στην πραγματικότητα, δύο από τα πιο σημαντικά εξαρτήματα ORC για συστήματα micro-CHP, η αντλία και ο συμπυκνωτής, είναι προϊόντα εντελώς εκτός αγοράς. ενώ διαφορετικά είδη διαστολέων και υγρών εργασίας έχουν χαρακτηριστεί και μελετηθεί σε βάθος για αυτόν τον τύπο χρήσης. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιούνται πηγές υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. βιομάζα/αέρια καύσης φυσικού αερίου), χρησιμοποιείται ένα ενδιάμεσο κύκλωμα μεταξύ της πηγής θερμότητας και του εναλλάκτη θερμότητας οργανικού ρευστού (ο εξατμιστής ORC).
Η χρήση αυτού του ενδιάμεσου κυκλώματος, εννοιολογικά πιο περίπλοκου και λιγότερο αποτελεσματικού, μπορεί να δικαιολογηθεί από την απουσία διαθέσιμου στην αγορά OCR-εξατμιστήρα ικανού να εκτελεί απευθείας ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ των αερίων καύσης υψηλής θερμοκρασίας και του κύκλου ισχύος, με ανησυχίες σχετικά με την πιθανή θερμική αποικοδόμηση του οργανικού ρευστού εργασίας ή ακόμη και από δυσκολίες στον έλεγχο του συστήματος. Ωστόσο, αυτή δεν φαίνεται να είναι η καλύτερη λύση για μια οικιακή εφαρμογή, καθώς θα προωθήσει, τουλάχιστον, μεγαλύτερους χρόνους απόκρισης λόγω της υψηλότερης θερμικής αδράνειας. Για να μετριάσουν αυτούς τους μεγαλύτερους χρόνους απόκρισης, οι κατασκευαστές αναγκάζονται να προσθέσουν στη μονάδα micro-CHP μια δεξαμενή αποθήκευσης θερμότητας. Ωστόσο, αυτό μπορεί να αποκλείσει τη μετασκευή των επίτοιχων συμβατικών ή συνδυαστικών λεβήτων που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε κατοικίες.
Για να αξιοποιηθεί το τεράστιο οικονομικό και περιβαλλοντικό δυναμικό που προέρχεται από την αντικατάσταση των συστημάτων θέρμανσης κατοικιών από μονάδες CHP, ο τρόπος με τον οποίο η πρωτογενής ενέργεια φτάνει στον εξατμιστή ORC πρέπει να αναδιατυπωθεί και περισσότερες μελέτες ή ακόμη και η ανάπτυξη μιας νέας ιδέας του εξατμιστή, ικανό να αντιμετωπίσει όλους τους οικιακούς περιορισμούς, φαίνεται να είναι απαραίτητος.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο ORC based micro-cogeneration systems for residential application – A state of the art review and current challenges, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Renewable and Sustainable Energy Reviews Journal . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον João S. Pereira ([email protected]), José B. Ribeiro, Ricardo Mendes and Jorge C. André από το ADAI-LAETA, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήμιο της Coimbra και Gilberto C. Vaz από το ISEC, Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Coimbra, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών .
