Rozwój rozwiązań zdecentralizowanych – wytwarzanie energii elektrycznej z przemysłowego ciepła odpadowego

GET® Turbinengenerator (Foto: Universität Bayreuth) / GET turbine generator (Photo: Universität Bayreuth)

ORC-Versuchsanlage (Foto: Universität Bayreuth) / System badawczy (Zdjęcie: Uniwersytet Bayreuth)

W miarę postępu transformacji energetycznej rośnie zainteresowanie zdecentralizowanymi i regulowanymi jednostkami wytwórczymi. Wykorzystanie odpadów ciepła w procesach przemysłowych może znacząco przyczynić się do zwiększenia efektywności energetycznej i produkcji energii elektrycznej o niskiej emisji CO2. Organic Cycle Rankine (ORC) oferuje tu technologiczne podejście do przekształcania odpadów ciepła w energię elektryczną. Konsorcjum z regionu Frankonii Północnej, składające się z Uniwersytetu Bayreuth, OTH Amberg-Weiden oraz firmy DEPRAG, od 7 lat skutecznie zajmuje się rozwojem systemów ORC, a w szczególności mikroekspansywnych turbin w małym zakresie mocy poniżej 50 kW (elektrycznie).  

Odzysk nieużywanych strumieni energii, takich jak ciepło z spalin silników spalinowych czy turbin gazowych, a także odpadów cieplnych z procesów przemysłowych, stanowi obiecujące podejście do poprawy efektywności energetycznej. Istniejące rozwiązania techniczne, takie jak zintegrowane procesy parowe czy turbiny jako ekspandery gazu ziemnego, ograniczają się do strumieni energii o temperaturze powyżej 500 °C i mocy urządzeń powyżej 100 kW. Aby osiągnąć szerokie przenikanie na rynku i wywrzeć zauważalny pozytywny wpływ na obecny system energetyczny, ważne jest również wykorzystanie znacznych potencjałów na niskich poziomach temperatury. 

Koncept: wydajna, małoskalowa turbina ORC

ORC jest szczególnie odpowiedni dla źródeł ciepła o temperaturze od 100 °C do 500 °C jako technologia konwersji energii. W zasadzie jest to dobrze znany proces parowy, nazwany na cześć szkockiego fizyka i inżyniera Williama Johna Macquorna Rankine’a (1820–1872). W odróżnieniu od konwencjonalnych elektrowni, w systemach ORC jako medium robocze zamiast wody używa się substancji organicznych. Te substancje mają tę zaletę, że już przy stosunkowo niskich temperaturach ulegają parowaniu. W zakresie mocy elektrycznej poniżej 100 kW technologia ta jeszcze nie została wystarczająco rozpowszechniona. Wynika to m.in. z braku ekonomicznych mikroekspanderów z generatorami. To właśnie tutaj istnieje kluczowy punkt wyjścia dla intensywnych prac badawczo-rozwojowych partnerów kooperacyjnych. Po pierwsze, opracowano nową, wysoko zintegrowaną jednostkę turbina-generator, składającą się z osiowej turbiny o stałym ciśnieniu i hermetycznego synchronicznego generatora (rysunek turbina). Ponadto przetestowano innowacyjny projekt wymiennika ciepła (Plate & Shell Heat Exchanger), aby bezpośrednio połączyć medium robocze ORC z spalinami. Dzięki temu rozwiązaniu unika się kosztownych pośrednich obiegów.

Bliska współpraca: Bayreuth i Amberg

W latach 2011–2013 w ramach projektu finansowanego przez Bayerische Forschungsstiftung „Rozwój mikroelektrowni ORC do wykorzystania odpadów cieplnych” początkowo zintegrowano specjalistyczne kompetencje trzech partnerów projektu na różnych etapach rozwoju: symulacje stacjonarne i wybór fluido, projekt i produkcja bezpośredniego odparowywacza oraz mikroekspansywnej turbiny z generatorem, koncepcja instalacji demonstracyjnej oraz jej budowa i uruchomienie. W tym zakresie, mikroekspansywną turbinę obliczył i zaprojektował prof. dr inż. Andreas Weiß z OTH Amberg-Weiden. Firma DEPRAG SCHULZ GMBH u. Co. z siedzibą w Amberg rozwiązała wyzwania techniczne związane z produkcją mikroekspansywnej turbiny ORC. Ostatecznie, na Centrum Techniki Energetycznej (ZET) Uniwersytetu Bayreuth powstała elektrownia badawcza pod kierownictwem prof. dr inż. Dietera Brügge-manna (rysunek elektrownia badawcza). „Intensywna i ukierunkowana współpraca między inżynierami od turbin z Amberg a termodynamicami z Bayreuth doprowadziła do uzyskania mocy elektrycznej 12 kilowatów przy sprawności turbiny prawie 65 procent, przy czym można było korzystać z temperatur spalin do 300 stopni Celsjusza”, wspomina dr inż. Theresa Weith, która pracowała nad projektem i obecnie kieruje tematem transferu ciepła w ZET.

Konsekwentny rozwój: szersze zastosowanie i większa elastyczność

Opisywany projekt badawczy stanowi pierwszy krok w konsekwentnym rozwoju technologii ORC przez partnerów projektu. Po pomyślnym zbudowaniu i przetestowaniu próbnej elektrowni z bezpośrednim odparowaniem cyklopentanu i mikroekspansywną turbiną, w ramach podprojektu KoKWK „Mikroekspansyjne turbiny z szybkoobrotowymi generatorami do produkcji energii elektrycznej z odpadów cieplnych w kogeneracji lub innych procesach przemysłowych”, finansowanego od 2013 do 2016 roku przez Bawarskie Ministerstwo Edukacji, Nauki i Sztuki, opracowano system modułowy dla mikroekspansywnych turbin z generatorami. Trzy różne reprezentatywne wersje tego systemu zostały szczegółowo zmierzone w drugiej instalacji ORC z użyciem hexametylodisiloksanu (MM) jako medium roboczego.

Dzięki bardzo niezawodnej pracy nowej próbnej elektrowni ORC turbiny nie tylko zostały przetestowane w punkcie projektowym, ale także przy różnych obciążeniach, co pozwoliło określić charakterystyki operacyjne i sprawnościowe. Wyniki pomiarów potwierdzają dalsze wzrosty efektywności, dzięki czemu sprawność turbiny osiągnęła prawie 75%. Wszyscy zaangażowani zawsze kładli nacisk na połączenie obliczeń teoretycznych z konkretnymi dowodami laboratoryjnymi. „Liczne publikacje w tych dziedzinach ograniczały się do obliczeń komputerowych, nie popierając ich dowodami eksperymentalnymi. My te luki zdołaliśmy wypełnić i pokazać, jak wielki potencjał drzemie w produkcji energii także w małych instalacjach ORC”, podkreśla prof. Brügge-mann.

To, że ambitne cele zostały osiągnięte nie tylko na poziomie naukowym, świadczy także o tym „Green-Energy-Turbine (GET®)” – seria produktów firmy DEPRAG SCHULZ GMBH u. Co., która w swojej architekturze w dużej mierze opiera się na opisanych projektach. Z pięcioma różnymi rozmiarami można pokryć zakres mocy od 3 kW do 175 kW. Ze względu na prostą budowę, generator turbiny GET można szybko i tanio dostosować do różnych wymagań praktycznych, takich jak różne moce, media robocze, ciśnienia i temperatury, a obecnie na polu działa już około 100 maszyn.

Pomimo dotychczasowych sukcesów, partnerzy projektu wyznaczyli sobie dalsze cele. W nowym, finansowanym przez BFS projekcie, ma zostać opracowana adaptacyjna turbina o zmiennej geometrii, która zostanie przetestowana w istniejącej elektrowni badawczej. „Chcemy, aby turbina potrafiła inteligentnie i efektywnie dostosowywać się do często występujących obszarów pracy w zakresie częściowego obciążenia”, wyjaśnia prof. Weiß.