Na základě zkušeností z přípravy investičních projektů v teplárenství jsem v roce 2008 inicioval v Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze vývoj vlastní koncepce zařízení s organickým Rankinovým cyklem (ORC). Cílem byla jejich využitelnost jak pro teplo ze spalování biomasy, tak pro odpadní teplo z průmyslových procesů a dalších zdrojů. Například i bioplynových stanic. Vývoj ORC je na ČVUT nyní plně etablovaným výzkumným i výukovým tématem.
Stručný obsah článku, který vyšel v časopise Energie 21 č. 4/2015.
Princip práce zařízení s organickým Rankinovým cyklem (ORC) je již poměrně známý. Jen pro připomenutí – tyto „elektrárny“ pracují obdobně jako ty klasické parní. Liší se tím, že se jako pracovní používá látka s výhodnějšími termodynamickými vlastnostmi, než má voda. Využitelných pracovních látek je asi sedm set, jen několik desítek z nich ale projde náročným sítem požadavků na zdravotní nezávadnost, zátěž životního prostředí, snesitelnost s konstrukčními materiály, cenu a podobně.
První generace
Experimentální jednotka ORC I. generace byla na ČVUT zprovozněno v roce 2011, v letech 2012 a 2013 probíhal další vývoj technologie. Jednotka se skládá ze tří okruhů (schéma): Topného - termoolejového (primárního), pracovního ORC (sekundárního) a chladicího. Termoolej je v kotli na dřevěné pelety (1) ohříván a veden do parního generátoru (2). Odtud je ochlazený čerpán cirkulačním čerpadlem (3) zpět do kotle. Zvláštností primárního okruhu tohoto experimentálního zařízení je bezpečnostní výměník (8) pro nouzový odvod tepla, jehož činnost není díky využití přirozené cirkulace závislá na přívodu elektřiny. V parním generátoru (2) se odpařuje pracovní látka pracovního okruhu. Vzniklé páry konají práci v expandéru (4). V našem případě používáme tzv. lamelový expandér (viz schéma). Při otáčení rotoru se postupně plní komory a pára v nich expanduje. Lamely jsou v kontaktu se statorem díky odstředivé síle. Mechanická práce je z rotoru expandéru odvedena hřídelem ke generátoru (9). Páry po expanzi mají dostatečně vysokou teplotu pro vnitřní výměnu tepla tzv. regeneraci do kondenzátu dopravovaného z kondenzátoru (6) napájecím čerpadlem (7). Regenerace se realizuje v regenerátoru (5). Regenerační výměník je zapojen podobně jako v případě cyklu plynové turbíny, v řešení regenerace se tedy ORC odlišuje od klasického parního cyklu, kde se regenerace řeší tzv. odběry z turbíny. To v důsledku významně zjednodušuje návrh turbíny či expandéru. Pára je z regenerátoru vedena do kondenzátoru (6), kde předá své kondenzační teplo vodě cirkulující v chladicím okruhu (10). Toto teplo lze buď využít k vytápění, nebo odvést do atmosféry. Kondenzát je pak čerpán napájecím čerpadlem (7) přes regenerátor (5) do parního generátoru (2) a cyklus se uzavírá.
Další směry vývoje
V souvislosti se stavbou Univerzitního centra energeticky efektivních budov (UCEEB) ČVUT se sídlem v Buštěhradu se podařilo výzkumné a vývojové aktivity rozšířit. Před více než rokem byla na UCEEB uvedena do provozu moderní laboratoř LORCA (Laboratoř organických Rankinových cyklů a jejich aplikací), která je vybavena pro úspěšné pokračování výzkumu a vývoje.
V polovině roku 2014 jsme zprovoznili vývojový prototyp II. generace ORC. Z ekonomických a tržních důvodů jsme se rozhodli vývoj orientovat do využití odpadního tepla, jako pracovní médium byl vybrán hexametyldisiloxan (silikonový olej). Při stavbě byly uplatněny zkušenosti z první generace a další doporučení. Cyklus se podařilo v realizaci značně zjednodušit, využity byly například zcela jiné typy výměníků. Vypuštěna byla regenerace a kondenzátor chladí přímo do vzduchu bez chladicího okruhu.
V současné době probíhá testování dalšího tzv. engineering prototypu, který navazuje na zkušenosti z provozu II. generace. Jde o zařízení pro testování řešení, která budou aplikována v pilotních instalacích. Možnosti těchto instalací aktuálně vyhledáváme.
Naše současné snahy vedou k možnosti změnit situaci vnímání ORC v bioplynových stanicích. Poté se budeme orientovat na další zdroje odpadního tepla, jako jsou slévárny, sušárny dřeva, pily, peletárny, papírny, chemické závody, závody zpracování skla a keramiky a vybrané potravinářské provozy. Výhody přinášíme v současné době všude tam, kde je k dispozici dostatek odpadního tepla o teplotě vyšší než 300 °C. Koncepce nám umožňuje využívat i problematické a znečištěné zdroje odpadního tepla.
V letošním roce proběhne stavba pilotní jednotky na dřevní štěpku pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla. Tento „kotel“ bude mít tepelný výkon kolem 50 kW a vyrobí 2–3 kW v elektřině. Řešení bude výhodné pro malé sušárny, menší výrobní provozy, penziony, malé farmy.*
Ing. Jakub Maščuch. Ph.D., Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze, Buštěhrad, Fakulta strojní ČVUT v Praze
Obrázky:
Vývojový prototyp II. generace ORC umístěný v Laboratoři organických Rankinových cyklů a jejich aplikací (LORCA)
Schéma experimentální jednotky ORC I. generace: 1 – kotel na dřevní pelety, 2 – parní generátor, 3 – cirkulační čerpadlo, 4 – expandér, 5 – regenerátor, 6 – kondenzátor, 7 – napájecí čerpadlo, 8 – výměník, 9 – generátor, 10 – chladicí okruh
Testování tzv. engineering prototypu zařízení ORC
