Vývoj decentralizovaných řešení – výroba elektřiny z průmyslového odpadního tepla

GET® Turbinengenerator (Foto: Universität Bayreuth) / GET turbínový generátor (Foto: Universität Bayreuth)

ORC-Experimentální zařízení (Foto: Universität Bayreuth) / Výzkumný systém (Foto: Universität Bayreuth)

S pokrokem energetické transformace roste zájem o decentralizované a regulovatelné výrobní jednotky. Využití odpadního tepla v průmyslových procesech může významně přispět ke zvýšení energetické účinnosti a výrobě elektrické energie s nízkým obsahem CO2. Organic Rankine Cycle (ORC) nabízí technologický přístup k přeměně odpadního tepla na elektřinu. Severoněmecký konsorcium složené z Univerzity Bayreuth, OTH Amberg-Weiden a firmy DEPRAG se již úspěšně věnuje vývoji systémů ORC a zejména mikroexpanzních turbín v malém výkonovém rozsahu pod 50 kW (elektricky).  

Rekuperace nevyužitého energetického toku, například tepla z výfukových plynů spalovacích motorů nebo plynových turbín, či odpadního tepla z průmyslových procesů, představuje slibný přístup ke zlepšení energetické účinnosti. Existující technická řešení, jako jsou zařazené parní cykly nebo turbíny jako expanzní zařízení na zemní plyn, se omezují na energetické toky s teplotami nad 500 °C a výkon elektrických zařízení nad 100 kW. Pro dosažení širokého proniknutí na trh a patrného pozitivního vlivu na dnešní energetický systém je však důležité odhalit i značný potenciál při nižších teplotách. 

Koncept: efektivní, malý ORC turbínový systém

ORC je zvláště vhodný pro tepelné zdroje s teplotami od 100 °C do 500 °C jako technologie přeměny energie. Jedná se v podstatě o známý parní cyklus, pojmenovaný po skotském fyzikovi a inženýrovi Williamu Johnovi Macquornu Rankinovi (1820 – 1872). Na rozdíl od konvenčních elektráren se v systémech ORC používají organické kapaliny místo vody jako pracovní médium. Tyto látky mají výhodu, že již při relativně nízkých teplotách dochází k jejich odpařování. V elektrickém výkonovém rozsahu menším než 100 kW se tato technologie zatím nedostatečně etablovala. To je mimo jiné způsobeno nedostatkem ekonomicky výhodných mikroexpanderů s generátory. Právě zde představuje důležitý výchozí bod intenzivního výzkumu a vývoje spolupracujících partnerů. Byla například vyvinuta nová, vysoce integrovaná jednotka turbíny a generátoru, sestávající z axiální rovnotlakové turbíny s hermeticky uzavřeným synchronním generátorem (obrázek turbíny). Dále bylo testováno inovativní řešení tepelného výměníku (Plate & Shell heat exchanger), které umožňuje přímé spojení pracovního média ORC s výfukovými plyny. Tímto krokem jsou eliminovány nákladné meziskříňové okruhy.

Těsná spolupráce: Bayreuth a Amberg

V letech 2011 až 2013 byl v rámci projektu „Vývoj mikroelektrárny ORC pro využití odpadního tepla“, podporovaného Bavorskou výzkumnou nadací, nejprve spojeny odborné znalosti tří projektových partnerů v několika vývojových fázích: statická simulace a výběr fluid, návrh a výroba přímého odpařovače a mikroexpanzní turbíny s generátorem, koncepce demonstračního zařízení a jeho výstavba a provoz. V tomto procesu navrhl a spočítal mikroexpanzní turbínu prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß z OTH Amberg-Weiden. Technické výzvy při výrobě mikroexpanzní turbíny ORC řešila společnost DEPRAG SCHULZ GMBH u CO. se sídlem v Ambergu. Nakonec bylo v rámci výzkumné elektrárny v Centru pro energetickou techniku (ZET) Univerzity Bayreuth, pod vedením prof. Dr.-Ing. Dietera Brüggemanna, postaveno výzkumné zařízení (obrázek výzkumné elektrárny). „Intenzivní a cílená spolupráce vývojářů turbín z Ambergu s termodynamiky z Bayreuthu nakonec vedla k dosažení výkonu 12 kilowattů s účinností turbíny téměř 65 %, přičemž bylo možné využít výfukové teploty až do 300 stupňů Celsia,“ vzpomíná Dr.-Ing. Theresa Weith, která se na projektu podílela a nyní vede téma přenosu tepla na ZET.

Důsledný další rozvoj: širší využití a flexibilní nasazení

Popisovaný výzkumný projekt představuje první krok v důsledném dalším rozvoji technologie ORC ze strany projektových partnerů. Po úspěšném postavení a otestování zkušební elektrárny s přímým odpařováním cyclopentanu a mikroexpanzní turbínou bylo v rámci subprojektu KoKWK „Mikroexpanzní turbíny s rychlými generátory pro výrobu elektřiny z odpadního tepla v kogeneraci nebo jiných průmyslových procesech“, podporovaného Bavorským státním ministerstvem pro vzdělávání, vědu a umění, od roku 2013 do 2016 vyvinuto modulární systém pro mikroexpanzní turbíny s generátory. Tři různé reprezentanty tohoto systému byly v druhé instalaci ORC s hexametylsiloxanem (MM) jako pracovním médiem podrobně změřeny.

Vzhledem k velmi spolehlivému provozu nového zkušebního zařízení ORC mohly být turbíny testovány nejen v návrhovém bodě, ale i při částečném zatížení, čímž byly určeny charakteristiky provozní účinnosti. Měření potvrdila další zlepšení účinnosti, takže dosáhnout účinnosti turbíny téměř 75 % bylo možné. Všichni zúčastnění kladli důraz na spojení teoretických výpočtů s konkrétními důkazy v laboratoři. „Mnoho publikací v této oblasti se spokojilo s výpočty na počítači, ale experimentální důkazy chyběly. My jsme tuto mezeru zaplnili a ukázali, jak velký potenciál má výroba elektřiny i v malých systémech ORC,“ zdůrazňuje prof. Brüggenmann.

To, že byly cíle nejen na vědecké úrovni dosaženy, dokazuje také „Green-Energy-Turbine (GET®)“ – produktová řada firmy DEPRAG SCHULZ GMBH u CO., která je v architektuře výrazně odvozena od popsaných projektů. S pěti různými velikostmi může pokrýt elektrický výkon od 3 kW do 175 kW. Díky jednoduché konstrukci může být GET-turbínový generátor rychle a levně upraven pro různé požadované výkony, pracovní média, tlaky a teploty, a již je v provozu přibližně 100 strojů.

Přestože již byly dosaženy významné úspěchy, mají projektoví partneři ještě ambicióznější cíle. V novém projektu, financovaném BFS, má být vyvinuta adaptivní turbína s variabilní geometrií a otestována v existující výzkumné elektrárně. „Chceme dosáhnout toho, aby se turbína inteligentně a efektivně přizpůsobovala často se vyskytujícím oblastem částečného zatížení,“ vysvětluje prof. Weiß.