Čistá energia, pri ktorej systém ORC recykluje odpadové teplo

No keďže zdroje primárnej energie sú všade naokolo, na využitie vedľajších produktov kúrenia ako druhotných zdrojov energie sa nesústredilo veľa pozornosti. Najlacnejším, no neprebádaným zdrojom je teplo z odpadu.

Mnoho priemyselných systémov má vysoké nároky na energiu a uvoľňuje sa pri nich množstvo odpadových plynov a spalín. V dôsledku neefektívnosti procesu a neschopnosti súčasných technológií recyklovať odpadové teplo sa veľké množstvo energie využívanej v modernom priemysle stráca, a to buď priamo do atmosféry alebo do chladiacich systémov. Nakoľko účinnosť tvorby energie z odpadového tepla závisí od teploty zdroja odpadu, doteraz nebolo praktické ani hospodárne recyklovať odpadové teplo vo veľkom. Súčasná technológia obmedzila proces na tepelné zdroje so strednou až vysokou teplotou (nad 260 °C), pričom väčšina odpadu má teplotu pod 150 °C. Aktuálne sa však objavuje množstvo technológií, ktoré vedia pracovať aj s nižšími teplotami.

ORC: Finančne dostupné

Jednou z nastupujúcich technológií je Rankinov organický cyklus (ORC), ktorý znižuje nároky na teplotu a vďaka tomu je hospodársky primerané recyklovať odpadové teplo a meniť ho na elektrinu. Pracovný princíp ORC je rovnaký ako už zavedený Rankinov cyklus, ktorý opisuje fungovanie parnej turbíny v elektrárňach. Pracovná tekutina v uzavretom cykle sa najskôr prečerpá do bojlera, kde sa zmení na paru. Pri prechode turbínou sa para z organickej kvapaliny roztiahne a znovu skondenzuje, pričom sa na to využije uzavretá vodná slučka v rúrkovom tepelnom výmenníku. Termodynamický cyklus sa uzavrie, keď sa kondenzát prečerpá späť do odparníka. K vyparovaniu dochádza na strane s vysokou teplotou/tlakom a ku zrážaniu na strane s nízkou teplotou/tlakom, čo je opak normálneho chladiaceho cyklu.

Paleta dostupných pracovných kvapalín (uhľovodíky či chladiace médiá) a konvertorov energie, kam patria osové turbíny, valce či Wankelove expandéry, umožňuje vytvárať systémy s primeraným výkonom a vysokým teplotným rozsahom. Je to zároveň výzva pre výrobcov tepelných výmenníkov, ktorí musia pokrývať komplexné kombinácie prietokových objemov, tlakov a teplôt v systémoch extrémne citlivých na pokles tlaku. V minulosti si to vyžadovalo predovšetkým nákladné a objemné riešenia na mieru. Dnes sa dá väčšina prípadov vyriešiť masovo vyrábanými modulárnymi spájkovanými doskovými tepelnými výmenníkmi. Uvedené technické výdobytky umožňujú využívať jednoduché postupy štart/stop, automatickú prevádzku, majú minimálne nároky na údržbu, primeraný výkon pri čiastočnom zaťažení a veľmi spoľahlivú a tichú prevádzku.

Výroba čistej energie v japonskej spaľovni

Vývoj komponentov tepelných výmenníkov pre systémy ORG sa za posledné roky zrýchľuje. Obzvlášť to vidno v Japonsku, ktoré využíva modernú technológiu, potrebuje energiu pre priemysel a zároveň má zvýšený záujem o menšiu závislosť od jadrovej energie. Keď dostala japonská spoločnosť Daiichi Jitsugy žiadosť od firmy Ertec namontovať do novej spaľovne odpadu systém ORC, jej technici vedeli, že budú potrebovať neobvyklý tepelný výmenník. Ich prirodzenou voľbou bola spoločnosť SWEP.

Daiichi a Ertec poznajú SWEP od roku 2011, no SWEP roky spolupracoval s americkou spoločnosťou Access Energy, ktorá vyrobila hlavnú časť systému ORC pre spaľovňu. „Naša spolupráca začala v apríli 2012. Bola to naša prvá ukážková prevádzka s ORC,“ hovorí Osamu Ito, technik zodpovedný za tento projekt v Daiichi. „Prvá testovacia jednotka v Ertecu bola náš B500,“ pokračuje Seičiro Misaki, obchodný riaditeľ pre SWEP Japan. Súkromná spaľovňa v prefektúre Jamanaši teraz vyrába čistú energiu z horúcich spalín, ktoré vznikajú pri spaľovacom procese. Systém ORC sa používa na odvedenie tepla zo spalín a jeho premenu na elektrickú energiu, ktorá sa používa priamo v spaľovni alebo sa predáva do okolia.

„Keďže testovacia jednotka bežala hladko, spoločnosť Daiichi sa rozhodla zvýšiť jej kapacitu zo 75 kW na 125 kW a očakávala ešte lepší výkon,“ dodáva Seičiro Misaki. Spoločnosť SWEP s tým nemala problém. „Dokážeme vypočítať a vybrať správne BPHE,“ pokračuje Seičiro Misaki, „a takisto disponujeme BPHE s primeranou kapacitou. Pri mnohých projektoch sme výkonom prekonali konkurenciu a predviedli výkon, ktorý sa čo najviac podobal našim výpočtom a výberu.“ Konkrétne v tejto prevádzke si vybrali najsilnejší tepelný výmenník spoločnosti SWEP: B649. „Tento projekt je relatívne malá prevádzka, no vyrába veľa energie,“ uvádza Osamu Ito. „Naším cieľom je viac elektriny.“

Tepelný výmenník s neobyčajnou kapacitou

Prinajmenšom svojou dvojnásobnou kapacitou je B649 najsilnejší zo všetkých porovnateľných tepelných výmenníkov na súčasnom trhu. Jeho kompaktná veľkosť šetrí miesto a znižuje počet potrebných rúr a spojok. Hlavné časti sa vyrábajú v Švédsku a sú určené pre siete diaľkového vykurovania a chladenia, systémy na vykurovanie, vetranie a klimatizáciu a priemyselné projekty: jednoducho všade, kde treba účinný, kompaktný BPHE s prístupom k podobným teplotám a vysokým prevádzkovým tlakom. B649 ponúka vlastnosti doskového výmenníka, no bez opotrebovania jednotlivých dielov. V porovnaní s ostatnými technológiami, ktoré potrebujú veľa oporného materiálu, rámy, atď., sa 95 % materiálu v B649 využíva na prenos tepla. B649 je dostupný v troch tlakových triedach, vrátane triedy pre vysoký tlak 25 barov, a šetrí peniaze: na náhradných dieloch, priestore, spotrebe energie, preprave a montáži.

Hoci tieto tepelné výmenníky boli prvé komerčne vyrobené kusy nového modelu, spoločnosti SWEP sa pred montážou podarilo získať osvedčenie od KHK (japonský Ústav pre bezpečnosť plynov pod vysokým tlakom). „Bez problémov obstál aj s veľkým počtom dosiek (294 a 390 dosiek),“ hovorí Seičiro Misaki. Výsledok sa javí ako veľký úspech. Koncom novembra 2013 sa v prevádzke Ertecu konala veľká oslava. „Na pracovisko sme pozvali množstvo zákazníkov,“ opisuje Osamu.

„Všetci boli nadšení a gratulovali nám k skvelej prevádzke Spoločnosť SWEP je spoľahlivý partner a dodávateľ.“

Vývoj pokračuje 

Pri ORC sa ako tepelný zdroj využíva skvapalnený odpad, no spoločnosť Daiichi sa teraz zaujíma o zvýšenie teploty a tlaku a miesto toho využitia pary. Zdroj tepla môže byť rovnaký, no priorita výroby elektriny je vyššia a preto je systém začne využívať na tvorbu energie pri vyššej teplote. Energiu dodáva systému kaskádový proces, pri ktorom sa čiastočne alebo úplne zráža para a zároveň sa vyparuje pracovná kvapalina. Bežne sa prevádzková teplota pary pohybuje medzi 130 – 180 °C, no v princípe nemá horný strop. Všetky BPHE spoločnosti SWEP sú vyrobené tak, aby ponúkali maximálnu energetickú účinnosť a výnimočný výkon systému, a dajú sa použiť už pri teplotách 60 – 70 °C. To predstavuje celkom nové možnosti pre zdroje obnoviteľnej energie s obmedzenou teplotou, ako je napríklad solárna energia, a spoločnosť SWEP sa rozhodne zapojí do ďalšieho rozvoja.