Οι μεγάλες ποσότητες θερμότητας που απορρίπτονται από τις σύγχρονες βιομηχανικές διεργασίες, παραμένουν σε υψηλό βαθμό ανεκμετάλλευτες αν και η αξία τους εκτιμάται σε περίπου 300 TWh/έτος στην Ευρωπαϊκή βιομηχανία. Η αξιοποίηση αυτής της απορριπτόμενης θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για απλές διεργασίες (π.χ. προθέρμανση νερού) ή ακόμα και για μετατροπή σε ωφέλιμη ισχύ. Η αποδοτικότερη τεχνολογία μετατροπής απορριπτόμενης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι ο Οργανικός Κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle – ORC), ο οποίος άλλωστε κυριαρχεί και σε επίπεδο αγοράς, καταγράφοντας μεγάλο αριθμό εγκαταστάσεων. Παρόλα αυτά, η εφαρμογή κύκλων ORC σε χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω των 100 oC) και για μικρές παραγωγές ισχύος (κάτω των 50 kW) είναι εμπορικά περιορισμένη, κυρίως εξαιτίας των χαμηλών βαθμών απόδοσης και του υψηλού ειδικού κόστους (σε €/kWe).
Το προϊόν ΙΕ-Ε που αναπτύσσεται στο πλαίσιο του έργου, στοχεύει στη δημιουργία ενός κύκλου ονομαστικής ισχύος 20 kWe που προβλέπεται να συνδεθεί σε ΜΕΚ βιοαερίου και να λειτουργεί σε άνω θερμοκρασιακό όριο ελαφρώς χαμηλότερο της θερμοκρασίας του νερού ψύξης της ΜΕΚ (~75-80 oC), προσφέροντας στην αγορά ένα νέο αποδοτικό και οικονομικά βιώσιμο προϊόν για μετατροπή θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας σε ισχύ. Το ακρωνύμιο του έργου, ΙΕ-Ε (Isothermal Expansion Engine) αντικατοπτρίζει την κύρια δραστηριότητα του έργου, που είναι η ανάπτυξη της τεχνολογίας για προσέγγιση της ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης ενός εργαζόμενου ρευστού, οδηγώντας τελικά σε αυξημένη ισχύ του κύκλου.
Σχήμα 1. Απεικόνιση τυπικού συστήματος παραγωγής βιοαερίου με ενσωμάτωση συμβατικού ORC για την αξιοποίηση των καυσαερίων
Σχήμα 2. Σχηματική διάταξη ORC με ανακτητή (a) και αντίστοιχη αποτύπωση των θερμοδυναμικών καταστάσεων σε διάγραμμα θερμοκρασίας-εντροπίας (b)
Κατά τη διάρκεια του πρώτου Παραδοτέου του έργου, πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση του κύκλου ισχύος της μονάδας ΙΕ-Ε. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται σχηματικά μια τυπική διαδικασία παραγωγής βιοαερίου από βιομάζα (παραγόμενη από κτηνοτροφικά απόβλητα, ενεργειακές καλλιέργειες, γεωργικά υπολείμματα κλπ.). Η πρωτογενής βιομάζα οδηγείται σε χωνευτήρα (digester), όπου με αναερόβια ζύμωση παράγεται βιοαέριο το οποίο καίγεται σε ΜΕΚ για παραγωγή ηλεκτρισμού για τροφοδότηση του δικτύου διανομής.
Ο κύκλος ORC που εφαρμόζεται στο παρόν σύστημα περιγράφεται από το παρακάτω διάγραμμα (Σχήμα 2), χρησιμοποιώντας έναν επιπλέον ανακτητή θερμότητας σε σχέση με τη διάταξη ενός απλού ORC και εκμεταλλευόμενος τη χαμηλή θερμοκρασία του νερού ψύξης της ΜΕΚ για την καύση βιοαερίου.
Η μονάδα IE-E που αναπτύσσεται στο πλαίσιο του έργου είναι πρακτικά μια μηχανή ORC με ανακτητή με τη θεμελιώδη διαφορά ότι η εκτόνωση γίνεται σε οιονοί ισοθερμοκρασιακή διεργασία με στόχο τη μεγιστοποίηση του παραγομένου κατά την εκτόνωση έργου. Το προσδοκώμενο όφελος ως προς το παραγόμενο έργο κι εν τέλει τη βελτίωση του θερμικού βαθμού απόδοσης της ΙΕ-Ε σε σχέση με τον απλό ORC φαίνεται στο Σχήμα 3.
Στον απλό κύκλο ORC (ισεντροπική εκτόνωση) το παραγόμενο έργο αντιπροσωπεύεται από το εμβαδόν που περικλείεται μεταξύ των σημείων 1-2-3a-4-1. Το έργο μιας ιδεατής ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης (θερμοκρασία στην έξοδο του εκτονωτή ίση με αυτήν στην είσοδο) θα αντιστοιχούσε σε εμβαδόν 1-2-3b-4-1, ενώ εκείνο μιας οιωνοί ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης σε εμβαδόν 1-2-3c-4-1. Για την πραγματοποίηση της ΙΕ-Ε απαιτείται η κατάλληλη ανάπτυξη ή/και τροποποίηση του εκτονωτή, ο οποίος θα φέρει στην εξωτερική του επιφάνεια υδροθάλαμο εντός του οποίου θα κυκλοφορεί νερό στη θερμοκρασία της θερμικής πηγής (στην περίπτωση αυτή, στη θερμοκρασία του κυκλώματος του νερού ψύξης). Η συνεχής παροχή θερμότητας στον εκτονωτή θα ελαττώνει την πτώση της θερμοκρασίας κατά την εκτόνωση, γεγονός που μεταφράζεται σε παραγωγή επιπρόσθετου έργου.
Σχήμα 3. Θερμοδυναμικός κύκλος απλής διάταξης ORC με ισεντροπική εκτόνωση, ισοθερμοκρασιακής και οιονεί ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης (ΙΕ-Ε)
Σχήμα 4. Διάγραμμα ροής του συστήματος IE-E
Η προσέγγιση του έργου IE-E εστιάζει στην πρόσδοση στον εκτονωτή ενός μικρού μέρους της διαθέσιμης θερμότητας, με σκοπό την αύξηση της παραγωγής ισχύος του. Στην περίπτωση που αυτή η πρόσδοση θερμότητας είναι υψηλή, προσεγγίζεται η ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση. Η υλοποίηση του έργου ξεκίνησε με τη δημιουργία του υπολογιστικού μοντέλου, το οποίο προσομοίωσε τη λειτουργία του κύκλου ισχύος, προκειμένου να προσδιοριστούν βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά. Το μοντέλο προσομοίωσης αναπτύχθηκε στο περιβάλλον Engineering Equation Solver – EΕS. Το μοντέλο βασίζεται στο ενεργειακό ισοζύγιο των κύριων συνιστωσών του, ενώ λαμβάνει υπόψη και την πτώση πίεσης στα διάφορα μέρη του κύκλου (π.χ. σωληνώσεις, εναλλάκτες θερμότητας).
Το διάγραμμα ροής του IE-E παρουσιάζεται στο Σχήμα 4. Οι κύριες συνιστώσες του κύκλου που μοντελοποιήθηκαν προκειμένου να προσομοιωθεί η λειτουργία του συστήματος είναι οι εναλλάκτες θερμότητας (ατμοποιητής, ανακτητής, συμπυκνωτής), η αντλία και ο εκτονωτής του συστήματος. Για την μοντελοποίηση των εναλλακτών θερμότητας χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση της μεταφοράς θερμότητας που βασίζεται στη μέθοδο LMTD, διαιρώντας τον κάθε εναλλάκτη θερμότητας σε ζώνες υγρού, διφασικού ρευστού και αερίου, ενώ υπολογίστηκε και η πτώση πίεσης στους εναλλάκτες και τις σωληνώσεις. Επίσης, σε κάθε εναλλάκτη χρησιμοποιήθηκε μια ελάχιστη θερμοκρασιακή διαφορά (pinch point temperature difference – PPTD), μεταξύ των δύο ρευμάτων, ίση με 5 K.
Η αντλία του συστήματος είναι ειδικών προδιαγραφών, ώστε να αυξάνει την πίεση του εργαζόμενου μέσου κατά αρκετά bar και συνήθως επιλέγεται να είναι πολυβάθμια φυγοκεντρική αντλία. Η κατανάλωση ισχύος στην αντλία αποτελεί το 5-10% της παραγόμενης ισχύος, ενώ ο βαθμός απόδοσής της (np) είναι πρακτικά σταθερός και ίσος με περίπου 60%.
Ο εκτονωτής του συστήματος είναι που παράγει την ωφέλιμη ισχύ. Οι συνηθέστεροι τύποι εκτονωτών στο εύρος ισχύος κάτω των 100 kW είναι οι scroll και οι screw. Ο ισεντροπικός βαθμός απόδοσης του εκτονωτή λαμβάνει τυπικές τιμές μεταξύ 50 και 75% για την κλίμακα ισχύος του IE-E. Η εκτίμηση του συντελεστή έγινε με βάση τα χαρακτηριστικά απόδοσης συμπιεστών εμπορικά διαθέσιμων που δίνονται σε συνάρτηση των θερμοκρασιών ατμοποίησης και συμπύκνωσης, υποθέτοντας ότι η ίδια απόδοση συναντάται και στην αντίστροφη λειτουργία ως εκτονωτής. Η μεθοδολογία βασίζεται στη μετατροπή όλων των μεγεθών σε ειδικούς όγκους εισόδου/εξόδου. Στην περίπτωση του συστήματος IE-E, κατά την εκτόνωση προσδίδεται ταυτόχρονα και θερμότητα. Για τον υπολογισμό της παραγόμενης ισχύος, σε συνάρτηση της θερμότητα προς το εργαζόμενο μέσο κατά την εκτόνωση, αναπτύχθηκε μια νέα μεθοδολογία υπολογισμού. Συγκεκριμένα, η εκτόνωση διαιρέθηκε σε N βήματα, όπου σε κάθε βήμα πραγματοποιείται μια πραγματική εκτόνωση και το ρευστό που εκτονώθηκε στη συνέχεια λαμβάνει θερμότητα από το ψυκτικό νερό της ΜΕΚ υπό σταθερή πίεση. Τα βήματα εκτόνωσης φαίνονται στο Σχήμα 5.
Σχήμα 5. Βήματα εκτόνωσης με την πρόσδοση θερμότητας από το ψυκτικό νερό της ΜΕΚ
Σημαντικό στοιχείο της έρευνας αποτέλεσε η επιλογή του κατάλληλου εργαζόμενου ρευστού. Σύμφωνα με τον Ευρωπαϊκό Κανονισμό σχετικό με τα ψυκτικά ρευστά, γνωστό και ως F-gas Regulation, η χρήση των οργανικών ρευστών με υψηλό Global Warming Potential (GWP) έχει αρχίσει να περιορίζεται, ώστε να επεκταθεί η χρήση περιβαλλοντικά φιλικών ρευστών. Επιπλέον, όλα τα ρευστά θα πρέπει να έχουν μηδενικό Ozone Depletion Potential (ODP). Σε αυτό το πλαίσιο και προκειμένου να εξασφαλιστεί η μελλοντική χρήση της μονάδας IE-E χωρίς κανένα περιορισμό, επιλέχθηκε το R1234ze(E) που είναι από τα πιο αποδοτικά για προσδιδόμενη θερμότητα στο εύρος κάτω των 100 oC και έχει GWP γύρω στο 1.
