Οργανικός κύκλος Rankine (ORC)

Ο Οργανικός Κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle) είναι ένας θερμοδυναμικός κύκλος, που αποτελεί παραλλαγή του κύκλου Ρανκιν κι ονομάζεται έτσι λόγω της χρήσης ενός οργανικού υγρού υψηλής μοριακής μάζας (σε σύγκριση με το νερό) ως εργαζόμενου μέσου. Η θερμοκρασία ατμοποίησης αυτού του υγρού είναι χαμηλότερη από εκείνη του νερού, επιτρέποντας έτσι την ανάκτηση θερμότητας από πηγές χαμηλότερης θερμοκρασίας, όπως η καύση βιομάζας, τα βιομηχανικά απόβλητα, η γεωθερμία κ.λπ. Η θερμότητα χαμηλής θερμοκρασίας μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο, το οποίο εν συνεχεία μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια.

Η τεχνολογία αυτή χρονολογείται από τα τέλη της δεκαετίας του 1950, ως έργο των επιστημόνων  Lucien Bronicki και Harry Zvi Tabor.Harry Zvi Tabor, Cleveland Cutler, Encyclopedia of the Earth, 2007.

 Αρχή λειτουργίας του ORC 
μικρογραφία|Διάγραμμα T-s (θερμοκρασίας - εντροπίας) για ιδανικό και πραγματικό κύκλο ORC.
Η αρχή λειτουργίας του ORC είναι η ίδια με εκείνη του συμβατικού κύκλου Rankine: το εργαζόμενο μέσο καταθλίβεται σε μια αντλία και οδηγείται υπό υψηλή πίεση σε έναν λέβητα, όπου ατμοποιείται. Ο ατμός διοχετεύεται σε μια διάταξη εκτόνωσης (συνήθως, ατμοστρόβιλο), ώστε να αποδώσει ωφέλιμο έργο, μειούμενης της πίεσής του. Μετά την έξοδό του από τον ατμοστρόβιλο, το εργαζόμενο ρευστό χαμηλής πίεσης οδηγείται στο συμπυκνωτή, όπου αποβάλλει θερμότητα, ώστε ο κύκλος να κλείσει.

Στον ιδανικό κύκλο ORC, η εκτόνωση είναι ισεντροπική, ενώ η ατμοποίηση κι η συμπύκνωση είναι ισόθλιπτες.

Σε κάθε πραγματικό κύκλο, η ύπαρξη αναντιστρεπτοτήτων ελαττώνει το βαθμό απόδοσης του κύκλου. Οι εν λόγω αναντιστρεπτότητες εντοπίζονται κυρίως: 

 στην εκτόνωση: μόνο ένα μέρος της απολήψιμης ενέργειας, όπως αυτή προσδιορίζεται μέσω της διαφοράς πίεσεων, μετατρέπεται σε ωφέλιμο έργο, το υπόλοιπο υποβαθμίζεται σε θερμότητα. Ο ισεντροπικός βαθμός απόδοσης του ατμοστροβίλου είναι ακριβώς ο λόγος του πραγματικού ωφέλιμου έργου προς την ιδανική απολήψιμη ενέργεια.
 στους εναλλάκτες θερμότητας: το εργαζόμενο ρευστό διοχετεύεται σε επιμήκεις σωληνώσεις, που εξασφαλίζουν ικανοποιητική συναλλαγή θερμότητας, αλλά και προκαλούν πτώση πίεσης, που περιορίζουν το ωφέλιμο έργο. Παράλληλα, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του θερμού θερμοδοχείου (πηγής θερμότητας) και του ψυχρού θερμοδοχείου (απόρριψης θερμότητας) προκαλεί καταστροφή εξέργειας και μειώνει το βαθμό απόδοσης του κύκλου.

 Εφαρμογές του ORC 
μικρογραφία|238x238εσ|Στροβιλογεννήτρια ισχύος 75 kW, βασισμένη σε ORC, που χρησιμοποιείται σε πειραματικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο Πανεπιστήμιο LUT της Φινλανδίας.

Η τεχνολογία ORC έχει πολλές δυνητικές εφαρμογές, υπάρχουν δε συνολικά 698 μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, εγκατεστημένης ισχύος συνολικά άνω των  2.7 GW εγκατεστημένης ισχύος και αναγνωρισμένα εργοστάσια ηλεκτρικής ενέργειας σε όλο τον κόσμο.  Μεταξύ αυτών, τα πιο συνήθη και πολλά υποσχόμενα πεδία εφαρμογής του ORC είναι τα ακόλουθα:

 Ανάκτηση θερμότητας από θερμά βιομηχανικά απόβλητα και παραπροϊόντα 
Η ανάκτηση θερμότητας από βιομηχανικά απόβλητα αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογής του ORC και δύναται να εφαρμοστεί σε μονάδες παραγωγής θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. σε μικρές μονάδες συμπαραγωγής ηλεκτρισμού & θερμότητας) ή σε βιομηχανικές και γεωργικές διεργασίες, όπως π.χ. η ζύμωση βιολογικών προϊόντων, θερμά καυσαέρια από κλιβάνους, καυσαέρια οχημάτων, ψύξη συμπιεστών, συμπύκνωση θερμοηλεκτρικών σταθμών κ.λπ..

 Μονάδες βιομάζας 
Η βιομάζα είναι διαθέσιμη σε όλο τον κόσμο και μπορεί να αξιοποιηθείγια την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μικρής ως μέσης ισχύος θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Το μειονέκτημα του υψηλού κόστους του εξοπλισμού αντισταθμίζεται από το γεγονός ότι οι κύκλοι ORC λειτουργούν υπό χαμηλότερες πιέσεις (άρα, απαιτούν χαμηλότερου κόστους εξοπλισμό). Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ο μεγάλος χρόνος ζωής της μονάδας, λόγω των θερμοφυσικών και χημικών γνωρισμάτων του εργαζόμενου μέσου, που, σε αντίθεση με το ατμό, δεν διαβρώνει τις σωληνώσεις και τα πτερύγια των ατμοστροβίλων. Ο κύκλος ORC επιτρέπει επίσης την αξιοποίηση χαμηλής διαθεσιμότητας καυσίμου, καθώς μπορεί να παρουσιάζει ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης σε μικρές μονάδες.

 Γεωθερμικοί σταθμοί 
Οι γεωθερμικές πηγές θερμότητας παρουσιάζουν ένα θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 50°C και 350°C., επομένως οι κύκλοι ORC είναι ιδεώδεις για τέτοιες εφαρμογές. Είναι, εντούτοις, σημαντικό να θυμόμαστε ότι για γεωθερμικές πηγές χαμηλής θερμοκρασίας (συνήθως μικρότερης από 100°C), ο βαθμός απόδοσης είναι πολύ χαμηλός κι εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία απόρριψης θερμότητας (που με τη σειρά της εξαρτάται από τη θερμότητα του περιβάλλοντος).

 Θερμοηλιακοί σταθμοί 
Ο κύκλος ORC μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μονάδες παραβολικών κατόπτρων, αντί του συνήθους κύκλου ατμού, επιτρέποντας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε μικρότερη κλίμακα και υπό χαμηλότερη θερμοκρασία συλλέκτη και ως εκ τούτου τη δυνατότητα για ανάπτυξη μικρών αποκεντρωμένών μονάδων CSP χαμηλού κόστους.   Ο κύκλος ORC είναι επίσης κατάλληλος για υβριδικά συστήματα CSP-PV που είναι ενσωματώνουν αποθήκευση θερμικής ενέργειας, εξασφαλίζοντας ανάκτηση έως και 70% επί της ονομαστικής ισχύος τους τους και μπορεί να είναι μια αρκετά καλή εναλλακτική λύση σε σχέση με άλλους τύπους αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας.

 Θερμοαιολικοί σταθμοί 
Μια σχετικά πρόσφατη ιδέα είναι οι λεγομενοι θερμοαιολικοί σταθμοί, οι οποίοι στοχεύουν στη μετατροπή της αιολικής ενέργειας απευθείας σε θερμότητα θερμοκρασίας μέχρι 600°C. Οι σταθμοί αυτοί μπορούν να συνδυαστούν με θερμική αποθήκευση και να συνεργάζονται κατάλληλα με κύκλο ORC για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας.

 Η επιλογή του εργαζόμενου μέσου 
Η επιλογή του εργαζόμενου μέσου είναι κρίσιμη για τους κύκλους ORC χαμηλής θερμοκρασίας. Λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας, οι χαμηλής απόδοσης συναλλαγές θερμότητας οδηγούν σε ελάττωση του εν όλω βαθμού απόδοσης της μονάδας. Η συναλλαγή θερμότητας διέπεται σε μεγάλο βαθμό από τα θερμοφυσικά γνωρίσματα του εργαζόμενου μέσου και τις συνθήκες λειτουργίας.

Με σκοπό την ανάκτηση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, το εργαζόμενο ρευστό θα πρέπει να έχει χαμηλότερο σημείο βρασμού από το νερό. Τα ψυκτικά μέσα κι οι υδρογονάνθρακες αποτελούν οικογένειες ρευστών που χρησιμοποιούνται συνήθως ως εργαζόμενα μέσα σε κύκλους ORC..

Αναφέρουμε κάποια επιθυμητά γνωρίσματα του εργαζόμενου ρευστού:

 "Λοξή" καμπύλη κορεσμού:

Καθώς ο κύκλος ORC αποσκοπεί σε ανάκτηση θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, εδώ η υπερθέρμανση δεν έχει την ίδια σπουδαιότητα που έχει στον συνήθη κύκλο ατμού. Ως εκ τούτου, στην άξοδο του ατμοποιητή θα υπάρχει πάντα μια μικρή υπερθέρμανση, κάτι που αποτελεί μειονέκτημα σε περίπτωση εργαζόμενων μέσων, τα οποία είναι διφασικά κατά το πέρας της εκτόνωσης. Σε περίπτωση μονοφασικών εργαζόμενων ρευστών, θα πρέπει να χρησιμοποιείται αναγεννητής.

 Χαμηλό σημείο πήξης, ικανοποιοητική ανεξαρτησία ιδιοτήτων από τη θερμοκρασία:

Σε αντίθεση με το νερό, τα οργανικά εργαζόμενα μέσα παρουσιάζουν το σημαντικό μειονέκτημα της χημικής υποβάθμισης υπό υψηλές θερμοκρασίες. Η μέγιστη θερμοκρασία της πρόσδοσης θερμότητας, λοιπόν, περιορίζεται αναγκαστικά χάριν της από την χημική σταθερότητας του εργαζόμενου μέσου. Παράλληλα, το σημείο πήξης θα πρέπει να είναι χαμηλότερο από τη χαμηλότερη θερμοκρασία του κύκλου.

 Υψηλή θερμότητα ατμοποίησης και υψηλή πυκνότητα/

Ένα υγρό με υψηλή λανθάνουσα θερμότητα ατμοποίησης και πυκνότητα θα απορροφήσει περισσότερη ενέργεια από την πηγή θερμότητας κατά την ατμοποίηση, μειώνοντας έτσι την παροχή μάζας του κύκλου και άρα μέγεθος και την κατανάλωση των αντλίων.

 Μικρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Οι βασικές παράμετροι που λαμβάνονται υπόψη είναι το δυναμικό καταστροφής του όζοντος (ODP) και το δυναμικλι υπερθέρμανσης του πλανήτη (GWP).

 Ασφάλεια

Το εργαζόμενο μέσο πρέπει να είναι μη διαβρωτικό, μη εύφλεκτοκαι μη τοξικό. Η ταξινόμηση ασφαλείας των ψυκτικών μέσων κατά ASHRAE μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης του επιπέδου επικινδυνότητας του εργαζόμενου μέσου.

 Ικανοποιητική διαθεσιμότητα και χαμηλό κόστος
 Αποδεκτές πιέσεις λειτουργίας

 Ενδεικτικά εργαζόμενα μέσα 

 Χλωροφθοράνθρακες: η χρήση τους έχει απαγορευτεί από το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ, λόγω της συνεισφοράς τους στην καταστροφή της στοιβάδας του όζοντος (π.χ. R-11, R-12) 
 Υδροχλωροφθοράνθρακες: είναι υπό απόσυρση, λόγω της τροποποίησης του πρωτοκόλλου του Μόντρεαλ (π.χ. R-22, R-123) 
 Υδροφθοράνθρακες (π.χ. R-134a, R-245fa)
 Υδρογονάνθρακες: συνήθη παράπροϊόντα εγκαταστάσεων επεξεργασίας αερίων (π.χ. ισοβουτάνιο, πεντάνιο, προπάνιο). Είναι εύφλεκτοι
 Υπερφθοράνθρακες

 Παραπομπές 

Κατηγορία:Θερμοδυναμικές διεργασίες