Fejlesztési decentralizált megoldások – villamosenergia-termelés ipari hőhasznosításból

GET® turbinagenerátor (Fotó: Bayreuthi Egyetem) / GET turbinagenerátor (Fotó: Bayreuthi Egyetem)

ORC-Versuchsanlage (Foto: Universität Bayreuth) / Kutatási rendszer (Fotó: Universität Bayreuth)

Az energiapolitika fejlődésével egyre növekszik az érdeklődés a decentralizált és szabályozható termelőegységek iránt. A hulladékhő hasznosítása ipari folyamatokban jelentősen hozzájárulhat az energiahatékonyság növeléséhez és alacsony CO2-kibocsátású villamos energia termeléséhez. Az Organic Rankine Cycle (ORC) technológiai megközelítést kínál a hulladékhő villamos energiává alakítására. Észak-Bajorország konzorciuma, amely a Bayreuthi Egyetemet, az Amberg-Weideni Főiskolát (OTH) és a DEPRAG céget foglalja magában, már 7 éve sikeresen foglalkozik ORC-rendszerek fejlesztésével, különösen mikroexpanziós turbinák kicsi, 50 kW alatti (villamos) teljesítményű alkalmazására.

A kihasználatlan energiaáramok, például a kipufogógázok hője belsőégésű motorokból vagy gázturbinákból, illetve ipari folyamatok hulladékhője visszanyerése ígéretes megközelítés az energiahatékonyság javítására. A meglévő technológiai megoldások, mint például a közvetlen gőztermelő folyamatok vagy földgázturbinák, amelyek expanderként működnek, csak 500 °C feletti hőmérsékletű energiaáramokra és 100 kW feletti villamos teljesítményre korlátozódnak. Annak érdekében, hogy széles körben elterjedjenek a piacon, és mérhetően pozitív hatást gyakoroljanak a mai energiarendszerre, fontos a jelentős potenciálok kiaknázása alacsonyabb hőmérsékleti szinteken is.

Koncept: hatékony, kis méretű ORC-turbina

Az ORC különösen alkalmas 100 °C és 500 °C közötti hőforrások energiaátalakítására. Ez lényegében a jól ismert gőztermelési folyamat, amelyet William John Macquorn Rankine (1820–1872) skót fizikus és mérnök után neveztek el. A hagyományos erőművekkel ellentétben az ORC-rendszerekben organikus folyadékokat használnak munkaközegként a víz helyett. Ezek az anyagok előnyösek, mert már viszonylag alacsony hőmérsékleten párolognak. 100 kW alatti elektromos teljesítmény esetén ez a technológia még nem terjedt el kellőképpen, többek között a gazdaságos mikroexpander és generátor hiánya miatt. Ez különösen fontos kutatási és fejlesztési terület a konzorciumi partnerek számára. Ennek keretében egy új, magas integrációjú turbinagenerátor egységet fejlesztettek ki, amely egy axiális, egyennyomású turbinából és hermetikusan zárt szinkrongenerátorból áll (lásd a Turbina ábrán). Emellett innovatív hőátvivő kialakítást (Plate & Shell hőcserélő) teszteltek, hogy közvetlenül összekapcsolják az ORC munkaközegét a kipufogógázzal. Ez a lépés kiküszöböli a költséges közbenső ciklusokat.

Szoros együttműködés: Bayreuth és Amberg

2011 és 2013 között a Bajor Kutatási Alap támogatásával megvalósult „Egy ORC-mikroerőmű fejlesztése hulladékhő hasznosítására” című projekt során a három projektpartner szakértelmét több fejlesztési szakaszban egyesítették: állandó szimuláció és fluidválasztás, közvetlen párologtató tervezése és gyártása, mikroexpanziós turbinák és generátorok, a demonstrációs rendszer koncepciója, valamint a rendszer felépítése és üzemeltetése. Prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß az Amberg-Weideni Főiskoláról számította ki és tervezte a mikroexpanziós turbinát. A DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. székhelye Ambergben oldotta meg a technikai kihívásokat az ORC mikroexpanziós turbinák gyártásában. Végül egy kutatóerőművet építettek a Bayreuthi Egyetem Energetikai Kutatóközpontjában (ZET), amelyet Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann vezetett (lásd a Kutatóerőmű ábrán). „A turbinák fejlesztőinek Ambergben és a termodinamikus szakértőknek Bayreuthban való szoros és célzott együttműködése végül azt eredményezte, hogy 12 kilowattos elektromos teljesítményt sikerült elérni, és a turbinák hatásfoka közel 65 százalék volt, miközben a kipufogógáz hőmérséklete akár 300 Celsius-fok is lehetett” – emlékszik vissza Dr.-Ing. Theresa Weith, aki a projektet irányította és jelenleg a ZET hőátviteli témakörét vezeti.

Következetes fejlesztés: szélesebb alkalmazás és rugalmas felhasználás

A leírt kutatási projekt az ORC-technológia következetes továbbfejlesztésének első lépése a projektpartnerek részéről. A közvetlen párologtatással működő próbaforralom és a mikroexpanziós turbinával, valamint a generátorral való tesztelés sikeres befejezése után, a KoKWK alprojekt keretében „Gyorsjáró generátorral ellátott mikroexpanziós turbinák hulladékhő villamosítására vagy más ipari folyamatokra” címmel, 2013 és 2016 között a Bajor Állami Oktatási, Tudományos és Művészeti Minisztérium támogatásával egy moduláris rendszer fejlesztését végezték el mikroexpanziós turbinák számára. Három különböző típusú modul került kiépítésre, amelyeket egy második ORC rendszerben, hexametil-disziloxán (MM) munkaközeggel teszteltek alaposan.

A rendkívül megbízhatóan működő új ORC-próba erőműnek köszönhetően a turbinákat nemcsak a tervezési ponton, hanem részterhelésen is tesztelni lehetett, így meghatározva a működési és hatásfok jellemzőket. A mérések további hatékonyságnövekedést igazoltak, így a turbinák hatásfoka közel 75 százalékra növelhető volt. Minden résztvevő arra törekedett, hogy a elméleti számításokat konkrét laboratóriumi bizonyítékokkal kapcsolja össze. „Számos publikáció ezen a területen csak számítógépes számításokat tartalmazott, de kísérleti bizonyítékok hiányoztak. Ezt a hiányt pótoltuk, és megmutattuk, milyen nagy potenciál rejlik a kis ORC-berendezésekben is” – hangsúlyozza Prof. Brüggemann.

Az ambiciózus célok nemcsak tudományos szinten valósultak meg, hanem a „Green-Energy-Turbine (GET®)” termékcsalád is, amely a DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. által gyártott termékcsalád, és amely jelentős mértékben az említett projektekre alapul. Öt különböző méretben elérhető, 3 kW-tól 175 kW-ig terjedő elektromos teljesítménytartományt fed le. Az egyszerű felépítés lehetővé teszi, hogy a GET-turbina-generátor gyorsan és költséghatékonyan alkalmazkodjon a gyakorlatban szükséges különböző teljesítményekhez, munkafolyadékokhoz, nyomásokhoz és hőmérsékletekhez, így jelenleg már körülbelül 100 gép van üzemben.

Annak ellenére, hogy már elért eredmények születtek, a projektpartnerek továbbra is kitűztek további célokat. Az új, a BFS támogatásával megvalósuló projektben egy adaptív turbinát kívánnak kifejleszteni, változó geometriával, és tesztelni a meglévő kutatóerőműben. „Célunk, hogy a turbinát intelligensen és hatékonyan tudjuk alkalmazkodni a gyakran előforduló részterhelési tartományokhoz” – magyarázza Prof. Weiß.