Innowacje

Układy kogeneracyjne ORC

SARK Sp. z o.o. prowadzi obecnie prace, których celem jest wdrożenie innowacyjnych układów kogeneracyjnych ORC do powszechnego użytku. Głównym celem tych działań jest dostarczenie szerokiemu gronu odbiorców nowej technologii umożliwiającej wykorzystanie ogromnego potencjału energetycznego biomasy pochodzenia drzewnego i rolnego oraz innych nośników energii dostępnych na rynku krajowym i europejskim. Swoją ofertę w zakresie dostawy układów kogeneracyjnych ORC zaspokajających potrzeby cieplne i energetyczne, kierujemy zarówno do odbiorców indywidualnych (np. właścicieli domów jednorodzinnych lub gospodarstw rolnych) oraz małych i średnich przedsiębiorstw, a także instytucji (np. hotele, urzędy, szkoły, szpitale). Dzięki dostosowaniu wielkości i mocy układu kogeneracyjnego do potrzeb użytkownika, można uzyskać wysoką sprawność wytwarzania użytecznych form energii, co zapewnia krótki okres zwrotu inwestycji.

Proponowane układy kogeneracyjne funkcjonują w oparciu o organiczny obieg Ranikne’a (ang. ORC – Organic Rankine Cycle), a jako czynnik roboczy wykorzystywane są czynniki niskowrzące, których temperatura wrzenia jest niższa niż wody. Oznacza to możliwość kogeneracyjnego wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej przy dużo niższych temperaturach, niż ma to miejsce w dużych elektrowniach zawodowych. Umożliwia to budowę mikro i mini elektrociepłowni z tańszych i łatwo dostępnych materiałów, które mogą pracować bez stałego nadzoru wykwalifikowanego personelu technicznego. Dodatkową zaletą układów małej i średniej mocy jest możliwość wykorzystania dostępnych lokalnie zasobów energetycznych, takich jak biomasa pochodzenia drzewnego lub rolniczego, biogaz czy odpady komunalne lub poprodukcyjne, bez potrzeby kosztownego transportowania ich na duże odległości. Niska temperatura wrzenia czynnika roboczego umożliwia również zasilanie układu kogeneracyjnego ze źródeł geotermalnych oraz układów solarnych. Bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem jest również wykorzystanie układu ORC do wytwarzania energii elektrycznej z ciepła odpadowego, pochodzącego z procesów przemysłowych lub stanowiącego uboczny efekt działania innych systemów energetycznych (np. ciepło z silnika spalinowego pracującego w biogazowni). Dzięki wsparciu naukowemu Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku, firma SARK Sp. z o.o. jest w stanie dostosować swoją ofertę do przyszłych użytkowników, w zależności od potrzeb energetycznych oraz dostępnego paliwa lub źródła ciepła.

Bardzo istotną cechą nowoczesnych układów kogeneracyjnych ORC jest możliwość dostosowania instalacji do konkretnego zastosowania. Odbywa się to poprzez dobór odpowiedniego czynnika roboczego (niskowrzącego), wielkości oraz typu wymienników ciepła, mocy i charakterystyki urządzenia ekspansyjnego, sposobu sterowania, a nawet typu obudowy. Firma SARK Sp. z o.o. zajmuje się głównie układami o mocach cieplnych od 20 kW do 5 MW, umożliwiającymi uzyskanie mocy elektrycznej od 1 kW do 1 MW. Stosunek mocy elektrycznej do mocy cieplnej w takich układach wynosi od 5 do 20% w zależności od poziomu temperatur i wielkości instalacji. Proponowane układy mogą pracować wewnątrz pomieszczeń (np. jako układy CO i CWU wytwarzające dodatkowo energię elektryczną) oraz jako układy kontenerowe na zewnątrz budynków (np. układy wykorzystujące ciepło odpadowe z biogazowni).

W proponowanych układach jako urządzenia ekspansyjne wykorzystywane są głównie wysokoobrotowe mikroturbiny parowe. Maszyny takie w porównaniu do powszechnie stosowanych ekspanderów objętościowych wyróżnia wiele zalet, w tym wysoka sprawność, trwałość i niezawodność, niski poziom drgań i hałasu, małe wymiary gabarytowe oraz prosta budowa (tylko 1 element obrotowy – wirnik). Wysokoobrotowe mikroturbiny współpracują z wysokosprawnymi generatorami prądu, niewymagającymi stosowania przekładni mechanicznych. Wspólnie z Instytutem Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku rozwijane są również tzw. bezolejowe mikroturbiny parowe, które dzięki zastosowaniu łożysk smarowanych czynnikiem niskowrzącym nie wymagają smarowania olejowego. Znacznie upraszcza to konstrukcję mikroturbin, ogranicza problemy eksploatacyjne oraz pozwala na zmniejszenie kosztów produkcji. Bezolejowe mikroturbiny parowe są obecnie jednym z najbardziej innowacyjnych urządzeń ekspansyjnych stosowanych w układach kogeneracyjnych ORC.

Układy kogeneracyjne ORC małej mocy

Najmniejsze układy kogeneracyjne ORC o mocy cieplnej do 100 kW są dedykowane do zastosowania jako nowoczesne i ekologiczne źródła ciepła i energii elektrycznej dla indywidualnych gospodarstw domowych, domów wielorodzinnych, pensjonatów, małych hoteli oraz gospodarstw rolnych. Podstawowym źródłem ciepła w proponowanych układach jest kocioł przystosowany do spalania biomasy w postaci peletu, ale może być to również inne paliwo odnawialne lub nieodnawialne. Najmniejsze układy tego typu mają moc cieplną na poziomie 20 kW, co pozwala na zaspokojenie potrzeb grzewczych przeciętnego domu jednorodzinnego. Wytwarzanie ciepła odbywa się jednocześnie z generacją energii elektrycznej za pomocą mikroturbiny zasilanej parą czynnika niskowrzącego. Uzyskana w ten sposób energia elektryczna o mocy na poziomie kilku kW może być wykorzystywana na potrzeby własne (np. do zasilania oświetlenia lub urządzeń RTV i AGD) lub oddawana do krajowego systemu elektroenergetycznego, poprawiając bilans energetyczny i obniżając koszty użytkowania domu.

Omawiane układy spełniają definicję mikroinstalacji, które zgodnie z Ustawą o Odnawialnych Źródłach Energii (z dnia 20 lutego 2015 r.) mogą posiadać moc elektryczną do 40 kW oraz moc cieplną do 120 kW. Spełnienie tego kryterium znacznie upraszcza formalności związane z procesem inwestycyjnym oraz późniejszą eksploatacją. W tym przypadku nie jest wymagane prowadzenie działalności gospodarczej w zakresie wytwarzania energii oraz przewidziane są ułatwienia związane ze sprzedażą i wprowadzeniem energii do sieci dystrybucyjnej.

W proponowanych układach kogeneracyjnych energia elektryczna jest wytwarzana przy wykorzystaniu wysokoobrotowych turbogeneratorów, których łożyska nie wymagają smarowania olejowego (ang. oil-free technology). Dzięki niskiej temperaturze pracy, niektóre podzespoły turbogeneratora mogą być wykonane z nowoczesnych tworzyw sztucznych, co znacznie skraca czas wykonania oraz obniża koszty produkcji. Układy kogeneracyjne ORC małej mocy z tak zaawansowanymi turbogeneratorami nie występują obecnie w ofercie innych firm na rynku krajowym i zagranicznym. Dostępne komercyjnie układy kogeneracyjne służące do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystują inne, stosowane od wielu lat technologie, takie jak: silniki tłokowe, mikroturbiny gazowe i silniki Stirlinga. W tabeli 1 przedstawiono porównanie stosowanych obecnie układów kogeneracyjnych z proponowaną technologią – układem ORC z mikroturbiną. Tylko silniki Stirlinga i układy ORC mogą być zasilane wszystkimi rodzajami paliwa, w tym również biomasą (nawet niskiej jakości). Silniki Stirlinga emitują jednak większy hałas i drgania oraz zużywają się podczas eksploatacji. Układ ORC z mikroturbiną jest więc najbardziej perspektywicznym rozwiązaniem.

Tabela 1. Porównanie różnych technologii stosowanych w małych układach kogeneracyjnych

Obecnie, najbardziej rozpowszechnioną technologią kogeneracyjną przeznaczoną do stosowania w domach jednorodzinnych jest układ z silnikiem Stirlinga. Na bazie tej technologii w wielu krajach na świecie oferowane jest urządzenie o mocy cieplnej do 14,5 kW i mocy elektrycznej do 1 kW, które jest zasilany gazem ziemnym. Podstawową funkcją układu jest ogrzewanie budynku i wody użytkowej, a energia elektryczna stanowi produkt dodatkowy. W poniższej tabeli 2 omawiane urządzenie zostało porównane z proponowaną mikrosiłownią ORC wykorzystującą wysokoobrotowy mikroturbogenerator.

Tabela 2. Porównanie cech układu kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga i mikroturbiną parową

Z przedstawionego porównania wynika, że układ kogeneracyjny ORC z mikroturbiną parową posiada wiele zalet. W optymalnych warunkach pracy może uzyskać sprawność całkowitą na poziomie 90%. Jego najważniejsze zalety, to: brak zużywających się części i związana z tym możliwość wydłużenia okresów między przeglądami oraz bardzo niski poziom drgań i hałasu wynikający m.in. z zastosowania bezkontaktowych łożysk gazowych. Ze względu na stosunkowo prostą konstrukcję mikroturbiny, cena kompletnego urządzenia kogeneracyjnego może być niższa od rozwiązań konkurencyjnych, przy zapewnieniu lepszych parametrów technicznych i użytkowych.

Układy kogeneracyjne ORC średniej mocy

Czynnikiem mającym kluczowe znacznie przy wyborze nowych technologii są najczęściej koszty eksploatacji i okres zwrotu inwestycji. Widać to szczególnie w sektorze energetycznym, gdzie decyzje o realizacji planowanych przedsięwzięć podejmowane są w oparciu o rachunek ekonomiczny. Układy kogeneracyjne ORC średniej mocy, które mogą wytworzyć energię elektryczną o mocy do 1 MW, pozwalają na osiągnięcie niższych kosztów inwestycyjnych w przeliczeniu na jednostkę mocy elektrycznej. Koszt zakupu dostępnych obecnie na rynku układów ORC przystosowanych do nisko i średniotemperaturowych źródeł ciepła, umożliwiających uzyskanie od kilkunastu do kilkudziesięciu kW energii elektrycznej, wynosi od 4000 €/kWe do 8000 €/kWe. Takie układy są obecnie ofertowane tylko przez kilka firm z Europy Zachodniej oraz Ameryki Północnej. Pomimo dość wysokiej ceny, popyt na układy ORC jest bardzo duży, co przekłada się na długi okres oczekiwania na dostawę (co najmniej kilka miesięcy). Doświadczenia firmy SARK Sp. z o.o. wykazały, że budowa układu kogeneracyjnego ORC z mikroturbiną w warunkach polskich, na bazie krajowych technologii i poddostawców, może być znacznie tańsza od rozwiązań konkurencyjnych. Docelowy koszt zakupu gotowej instalacji nie powinien przekraczać 3000 €/kWe.

Rosnąca popularność siłowni ORC wynika w dużej mierze z bardzo szerokich możliwości zastosowań, ponieważ moduł ORC wytwarzający energię elektryczną może być zasilany z różnych źródeł ciepła. Szczególnie atrakcyjne jest wykorzystanie jako paliwa taniej i łatwo dostępnej biomasy, ciepła odpadowego oraz energii geotermalnej. Wraz ze wzrostem świadomości ekologicznej społeczeństwa oraz zaostrzaniem przepisów w zakresie efektywności energetycznej, coraz więcej uwagi poświęca się maksymalnemu zagospodarowaniu ciepła odpadowego z różnych procesów technologicznych i przemysłowych. Nowoczesne instalacje ORC umożliwiają uzasadnione ekonomicznie wytwarzanie energii elektrycznej ze źródeł ciepła, w których temperatura nośnika energii jest na bardzo niskim poziomie (np. może być to woda o temperaturze 85 °C). W takich warunkach inne technologie energetyczne stają się bezużyteczne lub nieopłacalne.

W układach kogeneracyjnych średniej mocy największą sprawność elektryczną, przy zachowaniu dużej trwałości i niezawodności urządzenia ekspansyjnego, można uzyskać wykorzystując wielostopniowe mikroturbiny parowe. Zależnie od mocy układu mogą być to mikroturbiny szybko- lub wolnoobrotowe. Takie mikroturbiny mogą współpracować z generatorem prądu umieszczonym w tej samej obudowie lub z wolnostojącymi generatorami synchronicznymi/asynchronicznymi. Każde z tych rozwiązań posada pewne wady i zalety, które są brane pod uwagę w zależności od wymagań technicznych oraz oczekiwań i możliwości przyszłego użytkownika. W pracę nad nowymi turbogeneratorami ORC angażowani są najlepsi specjaliści z Instytutu Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku.