ORC

Prezentační list TURBODEN (anglicky)

Popis ORC

Zařízení pomocí kogeneračního procesu vyrábí z biomasy (např. dřevěná štěpka) elektrickou energii a teplo. Biomasa je spalována v kotli. Horké plyny předávají ve výměníku teplo do olejového oběhu (termoolej). Zbývající teplo je dále redukováno ve vodním výměníku (ekonomizér), odpadní plyny jsou po vyčištění ve filtru odváděny do okolního prostředí komínem. Okruh termooleje tvoří zdroj energie pro výrobu elektrického proudu v zařízení ORC. Je jím zásobován uzavřený oběh, ve kterém je odpařováním silikonového oleje poháněn blok turbogenerátoru. Poté pára kondenzuje, uvolněná tepelná energie je formou teplé vody odváděna zpět do tepelné sítě. Ve vodním výměníku (ekonomizéru) kotle na biomasu je vodní okruh dále ohříván na požadovanou hodnotu.

Proces ORC

V tzv. ORC-procesu (Organický Rankinův Cyklus) parním procesu s organickým médiem je transformována tepelná energie na energii elektrickou. Pracovní médium vykazuje vhodné termodynamické vlastnosti pro malá, necentrální zařízení. Také při nízkých teplotách lze dosáhnout vysokých účinností. ORC zařízení pracuje v principu jako konvenční parní elektrárna. Namísto vody je využívána pracovní tekutina v uzavřeném systému, kdy dochází k odpařování ve výměníku (výparník) a pohonu parní turbiny s generátorem. Tekutina je v dalším výměníku (kondensátor) ochlazována až ke kondenzaci a čerpadlem čerpána zpět do výměníku. Přitom odvedené teplo lze využít pro technologické účely, popř. vytápění budov.

 Princip systému

Zařízení ORC přeměňuje tepelnou energii v elektrický proud. Topným a chladícím okruhem je v zařízení vytvářen rozdíl tlaků. Tento rozdíl tlaků je využíván k pohonu turbiny prostřednictvím páry. Tepelná energie je do zařízení přiváděna okruhem termooleje, který je ohříván v kotli. Horký olej ve výměníku způsobuje odpařování silikonové sloučeniny - pracovní kapaliny. Pára je vedena přes turbinu, v jejíž trysce dochází ke snížení napětí. Přitom dochází k expanzi a značnému zrychlení. Tento proud páry nyní pohání lopatkové kolo turbiny, jejíž pohybová energie je prostřednictvím generátoru přeměňována v elektrický proud. Podtlak nutný pro snížení napětí v turbině je vytvářen pomocí kondensátoru. Získané teplo je vodním okruhem odváděno a dle potřeby využíváno pro vytápění. Odpadní pára je v kondensátoru zkapalňována, kondenzát je opět čerpán do výměníku poté, co je odpadní párou turbíny v dalším výměníku zahříván. Principiálně ORC zařízení pracuje jako konvenční parní elektrárna. Namísto vody je jako pracovní médium využita silikonová sloučenina. Díky zvláštním vlastnostem však není nutný ohřev páry (přehřívání) po odpaření. Proces se stává jednodušším a účinnějším.

Jak funguje organický Rankinův cyklus "ORC"?

V klasických tepelných elektrárnách je energie tepelná transformována na mechanickou v tepelném oběhu, který nazýváme Rankin - Clausiův cyklus. Tento elektrárenský kondenzační cyklus, ve své podstatě složený ze základních termodynamických změn, používá jako pracovní látku vodu resp. vodní páru. Voda na mezi sytosti, která je přivedena napájecím čerpadlem do parního generátoru (kotle), se v něm ohřívá, odpařuje (mění skupenství) a v parním přehříváku dosahuje parametrů tzv. admisní páry (tlak cca 14,5 MPa, teplota cca 530 °C), která je přivedena do parní turbíny. V parní turbíně pára expanduje (přehřátá pára přechází do oblasti syté páry) a následně mění své skupenství v kondenzátoru, odkud je v kapalném stavu kondenzačním čerpadlem dopravována přes zásobní nádrž a případné doplnění zpět do parního generátoru. Termická účinnost takovéhoto cyklu (poměr tepla přeměněného na mechanickou práci ku teplu přivedenému do oběhu) se u nejmodernějších elektráren pohybuje na úrovni cca 38 %. Ke zvyšování termické účinnosti se zpravidla používá regenerace tj. ohřev napájecí vody v regeneračních ohřívácích mimo vlastní kotel nebo přehřívání páry (omezeno používanými materiály, maximální admisní tlak 15 MPa). Organický Rankinův cyklus (ORC) je v podstatě elektrárenský kondenzační cyklus, který používá namísto vody resp. vodní páry jako pracovní látku v primárním okruhu směs organických sloučenin (silikonový olej), které jsou svými termodynamickými vlastnostmi vhodné k použití v tepelném oběhu. Výhodou oleje je, že při dané teplotě (např. 300 °C) se udrží v kapalném stavu při značně nižším tlaku než voda. Ve výparníku předává olej teplo do sekundárního okruhu, kde se pracovní organická látka vypařuje, dosahuje většího tlaku než má olej a organické páry jsou vedeny do parní turbíny, kde expandují. Pára je za turbínou vedena do kondenzátoru, kde kondenzuje po odebrání výparného tepla chladicí vodou, která pak dodává teplo do objektů připojených na tuto tepelnou síť. Organické látky použité jako náhrada vody v sekundárním tepelném oběhu musí samozřejmě splňovat přísné předpisy a normy ve vztahu k životnímu prostředí. Typické využití ORC se nabízí ve spojení s kotelnami na biomasu, kde je primární energie v palivu využita jednak na výrobu tepla, ale i elektrické energie. V takovém případě je celková účinnost kogenerace cca 85 %. Jen pro porovnání, v klasické tepelné elektrárně, kde je teplo z kondenzace odvedeno do okolí, se dosahuje celkové účinnosti cca 30 %. (Je zcela zřejmé, že s potenciálem biomasy tepelné elektrárny nahradit nelze, ale z uvedeného srovnání je téměř povinností státní energetické politiky, aby byla kogenerace z biomasy preferována zřetelněji než doposud.) Parní generátor je zde nahrazen olejovým kotlem a výparníkem. Olej ohřátý v tomto kotli je využíván jako teplonosná látka, jenž přes výparník předává své teplo pracovní látce uzavřeného sekundárního okruhu ORC. Vzniklá sytá pára organických sloučenin je vedena na axiální turbínu, která je přímo spojena s generátorem elektrické energie. Teplo z kondenzátoru, ve kterém náplň ORC okruhu mění své skupenství zpět do kapalné fáze, je vedeno k dalšímu využití (kogenerace). Při vhodném navržení tepelného oběhu lze toto teplo využít např. v systému CZT, případně k jiným účelům. Nabízí se využití u dřevozpracujících provozů k sušení řeziva, kde je kotelna přímo u zdroje paliva.

V současné době se ORC systémy dodávají většinou jako standardizované moduly o elektrických výkonech řádově od stovek kWe do několika MWe a to v aplikacích pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla z biomasy, pro zdroje s geotermální energií, ve spojení se solární technologií a při využití odpadního tepla.