Multi-scale thermo - economic optimization and thermodynamic assessment of energetic and exergetic efficiency improvement concepts of organic rankine cycle
Authors: Μπραϊμάκης Κωνσταντίνος 
Published: September 2021

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά στρατηγικές για την αύξηση της οικονομικής αποδοτικότητας των ενεργειακών συστημάτων κύκλου Rankine οργανικού μέσου (ORC). Οι στρατηγικές αυτές περιλαμβάνουν: 1) τη θερμο-οικονομική βελτιστοποίηση του συμβατικού ORC (SORC) (κεφάλαιο 3) και 2) τη θεωρητική διερεύνηση καινοτόμων προηγμένων διατάξεων του κύκλου και μεθόδων για τη βελτίωση του ενεργειακού και εξεργειακού του βαθμού απόδοσης (κεφάλαια 4, 5 και 6). Τέλος, στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η ανάπτυξη και η κατασκευή ενός καινοτόμου, οικιακής κλίμακας συστήματος τριπαραγωγής που τροφοδοτείται από βιομάζα και βασίζεται στη συνδυασμένη λειτουργία ενός υπερκρίσιμου ORC και ενός κύκλου συμπίεσης ατμού (VCC).Το πρώτο κεφάλαιο περιέχει μια επισκόπηση της ιστορικής εξέλιξης και της τρέχουσας τεχνολογικής και εμπορικής κατάστασης της τεχνολογίας ORC, ενώ αναλύεται το μερίδιο αγοράς των μεγαλύτερων κατασκευαστών και οι βασικές εφαρμογές τους. Οι δυνατότητες και οι προοπτικές των συστημάτων ORC που προσανατολίζονται στην αξιοποίηση διαφορετικών ενεργειακών πηγών (γεωθερμία, απορριπτόμενη θερμότητα, βιομάζα, ηλιακή ενέργεια και οικιακά συστήματα μικροσυμπαραγωγής) παρουσιάζονται εν συντομία, ενώ εκτίθενται τα κυριότερα πλεονεκτήματα και εμπόδια ανά περίπτωση. Το κεφάλαιο κλείνει μια πιο λεπτομερή ανάλυση του στόχου της διδακτορικής διατριβής και την παρουσίαση της δομής της. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της τεχνολογίας ORC και η γενική μεθοδολογία που ακολουθείται στα κεφάλαια που ακολουθούν. Κατ’ αρχάς, αναλύονται τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας σε σχέση με τη συμβατική τεχνολογία κύκλου Rankine νερού-ατμού. Έπειτα, συνοψίζονται οι ιδιότητες διαφόρων οργανικών ουσιών, που αποτελούν κύριο στοιχείο σχεδιασμού συστημάτων ORC, ενώ επισημαίνονται τα βασικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των υδρογονανθράκων ως εργαζόμενων μέσων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι σημαντικότερες αρχές καθώς και η μεθοδολογία σχεδιασμού συστημάτων ORC που ακολουθείται στα επόμενα κεφάλαια της εργασίας. Επιπλέον, ορίζονται οι χρησιμοποιούμενοι δείκτες θερμοδυναμικής απόδοσης, ενώ γίνεται σύντομη αναφορά σε βασικές στρατηγικές αύξησής της. Στο τέλος του κεφαλαίου δίνεται η λίστα των εργαζόμενων μέσων που εξετάζονται στην εργασία με τις βασικές τους ιδιότητες.Το τρίτο κεφάλαιο εστιάζει στην ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας με στόχο τη θερμο-οικονομική βελτιστοποίηση συστημάτων ORC προοριζόμενων κυρίως για αξιοποίηση απορριπτόμενης θερμότητας. Εντός της εξεταζόμενης κλίμακας ισχύος (1-700 kWe), το ειδικό κόστος επένδυσης (ΕΚΕ) των συστημάτων κυμαίνεται από κατ’ ελάχιστον 2000 €/kWe σε μεσαίου και μεγάλης κλίμακας εφαρμογές έως και 12000 €/kWe σε μικρής κλίμακες ισχύος. Συγκεκριμένα, σε πολύ μικρές (<10 kWe) εφαρμογές, το ΕΚΕ είναι πολύ υψηλό, καθώς κυμαίνεται από περίπου 4000 €/kWe μέχρι 8000 €/kWe. Στα 50 kWe, to EKE κυμαίνεται από 3000 €/kWe μέχρι 6000-7000 €/kWe, ενώ στα 100 kWe συνήθως κυμαίνεται από 2500 €/kWe μέχρι 6000 €/kWe. Σε γενικές γραμμές, παρατηρείται ένα έντονο φαινόμενο οικονομίας κλίμακας για συστήματα ισχύος μέχρι 50-100 kWe. Για συστήματα εγκατεστημένης ισχύος άνω των 100 kWe, το φαινόμενο οικονομίας κλίμακας γίνεται ολοένα και ασθενέστερο και ουσιαστικά εξαφανίζεται σε κλίμακες ισχύος άνω των 300 kWe, με το ΕΚΕ να σταθεροποιείται περίπου στα 2000 €/kWe. Λόγω της μεγάλης συνεισφοράς τους στο συνολικό κόστος εξοπλισμού, οι εκτονωτές και κατ’ επέκταση η επιλογή του είδους και της διάταξής τους επηρεάζουν σημαντικά το συνολικό κόστος επένδυσης. Για εργαζόμενα μέσα χαμηλής κρίσιμης θερμοκρασίας, οι κοχλιωτοί εκτονωτές είναι περισσότερο ανταγωνιστικοί από τις στροβιλομηχανές, λόγω της υψηλότερης πυκνότητας του αποτονωμένου αερίου. Από την άλλη, για ρευστά υψηλής κρίσιμης θερμοκρασίας, οι στροβιλομηχανές είναι πιο ελκυστικές από τεχνοοικονομική άποψη. Οι πιο σημαντικές μεταβλητές σχεδιασμού είναι η πίεση ατμοποίησης καθώς και η θερμοκρασία συμπύκνωσης του κύκλου, ακολουθούμενες από το βαθμό υπερθέρμανσης, ο οποίος μπορεί να συντελέσει στη μείωση του κόστους των εκτονωτικών μηχανών. Επιπλέον, η ελάχιστη θερμοκρασιακή διαφορά (ΕΘΔ) έχει ουδέτερο χαρακτήρα, καθώς δεν επηρεάζει σημαντικά τα κόστη, με εξαίρεση τις εφαρμογές χαμηλής θερμοκρασίας. Τέλος, βρέθηκε πως παρά την ενδεχομένως θετική επίπτωση που μπορεί να έχει στην παραγόμενη ισχύ, η προσθήκη εναλλακτών ανακόμισης θερμότητας (ανακομιστών) δεν είναι γενικά προτιμητέα από οικονομική άποψη για εφαρμογές απορριπτόμενης θερμότητας. Στο τέταρτο κεφάλαιο, διερευνάται η διάταξη συστημάτων ORC διπλής βαθμίδας (DSORCs). Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης συστημάτων DSORC, τα οποία αποτελούνται από μία βαθμίδα υψηλής (ΥΘ) και μία βαθμίδα χαμηλής θερμοκρασίας (ΧΘ), στις οποίες χρησιμοποιείται το ίδιο ή διαφορετικά εργαζόμενα ρευστά. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένας αλγόριθμος για τον υπολογισμό των βέλτιστων τιμών των πιέσεων ατμοποίησης των δύο βαθμίδων καθώς και της ΕΘΔ στον ατμοποιητή και της θερμοκρασίας συμπύκνωσης της βαθμίδας ΥΘ, με στόχο τη μεγιστοποίηση της συνολικά παραγόμενης ισχύος του συστήματος για ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Οι κύριες μεταβλητές σχεδιασμού που επηρεάζουν τη βελτιστοποίηση των συστημάτων DSORC είναι κυρίως οι πιέσεις ατμοποίησης σε κάθε βαθμίδα και, σε μικρότερο βαθμό, η τιμή της ΕΘΔ. Αποδείχθηκε ότι η επιλογή των βέλτιστων πιέσεων ατμοποίησης και της ΕΘΔ επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας εισόδου της πηγής θερμότητας και των κρίσιμων θερμοκρασιών των εργαζόμενων ρευστών του DSORC. Κατ' αρχήν, πρέπει να επιλέγονται χαμηλές πιέσεις ατμοποίησης και για τις δύο βαθμίδες όταν η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας είναι πολύ χαμηλή. Σε αυτή την περίπτωση, πρέπει να επιλέγονται χαμηλές τιμές ΕΘΔ για τον ατμοποιητή της βαθμίδας ΥΘ. Όταν, από την άλλη πλευρά, η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας είναι πολύ υψηλή, θα πρέπει να επιλέγονται υψηλές και χαμηλές πιέσεις ατμοποίησης στις βαθμίδες ΥΘ και ΧΘ, αντίστοιχα, ενώ η ΕΘΔ θα πρέπει να αυξάνεται. Τέλος, όταν η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας βρίσκεται ανάμεσα στις κρίσιμες θερμοκρασίες των εργαζόμενων ρευστών που χρησιμοποιούνται στις βαθμίδες, οι δύο πιέσεις ατμοποίησης θα πρέπει να αυξάνονται μερικώς, ενώ η ΕΘΔ θα πρέπει σε κάποιες περιπτώσεις να αυξάνεται. Τα συστήματα DSORC είναι ευνοϊκά σε σύγκριση με τα συστήματα ORC μίας βαθμίδας κυρίως όταν η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας είναι πολύ χαμηλότερη από τις κρίσιμες θερμοκρασίες των εργαζόμενων ρευστών ή δευτερευόντως όταν βρίσκεται εντός ενός συγκεκριμένου εύρους μεταξύ τους. Τα μέγιστα οφέλη στον εξεργειακό βαθμό απόδοσης μπορούν να φτάσουν και το 20%. Τα συστήματα DSORC είναι ιδιαίτερα ελκυστικά για εφαρμογές ανάκτησης θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, όταν εργαζόμενα ρευστά που θα μπορούσαν να είναι περισσότερο αποδοτικά σε συστήματα ORC μονής βαθμίδας δεν είναι διαθέσιμα για τεχνικούς, οικονομικούς, περιβαλλοντικούς λόγους ή λόγους ασφάλειας. Σε αυτή την περίπτωση, εργαζόμενα ρευστά με χαμηλότερο κόστος ή με μεγαλύτερη διαθεσιμότητα με υψηλή κρίσιμη θερμοκρασία μπορούν να συζευχθούν με αντίστοιχα ρευστά χαμηλότερης κρίσιμης θερμοκρασίας.Στο πέμπτο κεφάλαιο διερευνάται η χρήση δυαδικών ζεοτροπικών μιγμάτων 7 φυσικών υδρογονανθράκων σε διάφορες αναλογίες μοριακής συγκέντρωσης των συστατικών τους σε συστήματα ΖORC. Η σχετική βελτίωση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης σε σύγκριση με τα αντίστοιχα συστήματα ORC καθαρών εργαζόμενων μέσων (PORC) κυμαίνεται από 3.6% έως και 48.3%. Κατ' αρχήν, η αύξηση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης για τα περισσότερα μίγματα μεγιστοποιείται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες πηγής θερμότητας, που κυμαίνονται από 100 ºC έως 140 ºC. Εντούτοις, σε θερμοκρασίες υψηλότερες από 200-260 ºC (ανάλογα με το μίγμα), η βελτίωση του βαθμού απόδοσης των ZORC σε σύγκριση με τα συστήματα PORC ελαχιστοποιείται. Αυτό συμβαίνει διότι η αύξηση του βαθμού εκμετάλλευσης της πηγής θερμότητας που επιτυγχάνεται από τα συστήματα ZORC είναι σχετικά πιο σημαντική σε χαμηλότερες θερμοκρασίες πηγής θερμότητας, ενώ καθίσταται αμελητέα για πηγές θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας. Για κάθε ένα δυαδικό μίγμα, τα συστήματα ZORC είναι κατά κύριο λόγο ευνοϊκότερα σε σύγκριση με τα συστήματα PORC που λειτουργούν έχοντας ως εργαζόμενα μέσα τα συστατικά των μιγμάτων τους όταν α) η θερμοκρασία πηγής θερμότητας είναι χαμηλότερη από την κρίσιμη θερμοκρασία του συστατικού χαμηλής κρίσιμης θερμοκρασίας και, σε μικρότερο βαθμό, β) όταν η θερμοκρασία της πηγής θερμότητας βρίσκεται εντός ενός θερμοκρασιακού εύρους μεταξύ των κρίσιμων θερμοκρασιών των συστατικών υψηλής και χαμηλής κρίσιμης θερμοκρασίας. Γενικά, τα συστήματα ZORC μπορούν να είναι ιδιαίτερα ελκυστικά για εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών (100-140 °C), για τις οποίες παρατηρείται σημαντική βελτίωση της παραγόμενης ισχύος τους με παρόμοιες ταχύτητες περιστροφής και παραμέτρους μεγέθους των στροβιλομηχανών σε σύγκριση με τα συστήματα PORC. Επιπλέον, θα μπορούσαν να είναι οικονομικά ελκυστικά στη θερμοκρασιακή περιοχή μεταξύ 180 και 240 °C, όπου παρά το μικρότερο περιθώριο βελτίωσης του βαθμού απόδοσης που προσφέρουν, η παρατηρούμενη δυνατότητα μείωσης του κόστους των στροβιλομηχανών θα μπορούσε να αντισταθμίσει το αυξημένο κόστος των εναλλακτών θερμότητας που σχετίζεται με την εφαρμογή τους. Στο έκτο κεφάλαιο μελετάται η εφαρμογή της αναγεννητικής προθέρμανσης για την αύξηση της ενεργειακής και εξεργειακής απόδοσης των συστημάτων ORC. Συγκεκριμένα εξετάστηκαν τρεις διαφορετικές διατάξεις αναγεννητικών συστημάτων ORC (RGORC) με και χωρίς ανακόμιση, οι οποίες είναι οι O-ORC, CB-ORC και CF-ORC. Οι παραπάνω διατάξεις βελτιστοποιήθηκαν και συγκρίθηκαν με το συμβατικό μη-αναγεννητικό σύστημα SORC. Βρέθηκε πως τα συστήματα SORC με ανακόμιση έχουν πάντοτε καλύτερη απόδοση από τα αναγεννητικά συστήματα. Συνεπώς, οι αναγεννητικές διατάξεις χωρίς ανακόμιση υστερούν έναντι των SORC, καθώς χαρακτηρίζονται από χαμηλότερη απόδοση ενώ παράλληλα έχουν αυξημένο κόστος λόγω του μεγαλύτερου πλήθους συνιστωσών εξοπλισμού που απαιτούν και της πολυπλοκότητας της κατασκευής τους. Εντούτοις, θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια ελκυστική επιλογή όταν δεν είναι εφικτή η εφαρμογή SORC με ανακόμιση, κάτι που συμβαίνει σε εφαρμογές εργαζόμενων ρευστών χαμηλής κρίσιμης θερμοκρασίας. Από την άλλη πλευρά, τα συστήματα RGORC με ανακόμιση υπερτερούν έναντι των SORC με ανακόμιση, με το περιθώριο βελτίωσης της απόδοσης τους να συσχετίζεται αρνητικά με τον βαθμό υπερθέρμανσης του κύκλου. Για παράδειγμα, όταν αυτός είναι 40 K η σχετική αύξηση της ενεργειακού βαθμού απόδοσης στην περίπτωση της διάταξης CF-ORC κυμαίνεται από 2.59% έως 7.93%, ακολουθούμενη από αυτή της διάταξης O-ORC, που κυμαίνεται από 1.29% έως 6.45%. Όταν ο βαθμός υπερθέρμανσης είναι 10 K, η σχετική αύξηση του ενεργειακού βαθμού απόδοσης στην περίπτωση της διάταξης CF-ORC, κυμαίνεται από 2.78% έως 9.47%, ακολουθούμενη από αυτή της διάταξης O-ORC, που κυμαίνεται από 1.29% έως 14.40%. Η διάταξη CB-ORC παρουσιάζει τη χαμηλότερη απόδοση, επιτυγχάνοντας μια μέγιστη σχετική αύξηση του ενεργειακού βαθμού απόδοσης κατά 1.35% σε σύγκριση με το σύστημα SORC με ανακόμιση. Τέλος, η χρήση αναγεννητικών συστημάτων με ανακόμιση για τη βελτίωση του εξεργειακού βαθμού απόδοσης των συμβατικών συστημάτων ORC σε εφαρμογές ανάκτησης απορριπτόμενης θερμότητας δε συνιστάται, καθώς η βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των αναγεννητικών ORC δε δύναται να αντισταθμίσει τις αυξημένες απώλειες πηγής θερμότητας που εμφανίζονται λόγω της υψηλότερης θερμοκρασίας του εργαζόμενου ρευστού στην είσοδο του ατμοποιητή. Παρόλα αυτά, η εφαρμογή των συστημάτων RGORC θα μπορούσε να δικαιολογηθεί εάν δεν είναι διαθέσιμα εργαζόμενα ρευστά υψηλότερης κρίσιμης θερμοκρασίας. Στο έβδομο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η προσομοίωση, ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός καινοτόμου, οικιακής κλίμακας συστήματος τριπαραγωγής με καύσιμο βιομάζα, το οποίο βασίζεται στη διασύνδεση ενός ORC με ένα VCC. Στο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαστασιολόγηση και η επιλογή των διαφόρων συνιστωσών μηχανολογικού και ηλεκτρολογικού εξοπλισμού της εγκατάστασης. Η αναπτυχθείσα πειραματική εγκατάσταση θα τεθεί σε πλήρη λειτουργία στο μέλλον ώστε να δειχθεί η τεχνική της βιωσιμότητα και η απόδοσή της και να προσδιοριστούν τροποποιήσεις βελτίωσής της. Στο όγδοο κεφάλαιο, συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας εργασίας ενώ παρατίθενται και προτάσεις για μελλοντική εργασία.