CC BY
127
УДК 62-176.2
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА НИЗКОКИПЯЩИХ РАБОЧИХ ТЕЛАХ
Гафуров А.М., КГЭУ, инженер, progress150987@rambler.ru
Рассмотрены наиболее перспективные области применения установок на низкокипя-щих рабочих телах, работающих по органическому циклу Ренкина. В частности, обсуждается возможность утилизации низкопотенциальной теплоты для выработки дополнительной электроэнергии.
Ключевые слова: органический цикл Ренкина, низкокипящие рабочие тела, низкопотенциальная тепловая энергия.
Отличительная особенность установок на основе органического цикла Ренкина (ОЦР) - применение органического рабочего вещества (хладагента или химиката) для комбинированного производства электрической и тепловой энергии (когенерации) при использовании биомассы, геотермальной и солнечной энергии, а также отработанной низкопотенциальной теплоты (вторичных энергоресурсов), то есть везде, где имеется возможность использования низкопотенциальной энергии. За счет варьирования рабочего тела ОЦР можно использовать в широком диапазоне температур и давлений. В частности, его можно использовать в бинарном цикле как в высокотемпературной, так и в низкотемпературной области. Рассмотрим наиболее перспективные области применения ОЦР.
Солнечная энергия все шире используется для получения электроэнергии (фотовольтаика - получение электроэнергии с помощью фотоэлементов). Однако есть и другие возможности превращения энергии излучения Солнца в электроэнергию. Один
93
из способов предполагает концентрацию солнечных лучей при помощи изогнутых зеркал, нагрев рабочего тела и превращение тепловой энергии в электрическую в ОЦР. Завод мощностью в 1 МВт, использующий концентрацию солнечной энергии в ОЦР, был введен в 2006 году в штате Аризона. Эффективность модуля ОЦР составляет 20% при использовании в качестве рабочего тела пентана [1]. ОЦР можно использовать и для опреснения морской воды. В этом случае турбина приводит в действие установку обратного осмоса, а солнечная энергия обеспечивает нагрев и испарение рабочего тела в ОЦР [2].
Биомасса производится в большом количестве в качестве побочного продукта на сельскохозяйственных и некоторых промышленных предприятиях. Одним из способов утилизации биомассы является ее сжигание с получением тепловой энергии, которая затем преобразуется в электроэнергию. Поскольку биотопливо имеет сравнительно низкую плотность, его выгоднее использовать в месте получения. Стоимость биотоплива существенно ниже стоимости горючих ископаемых. Тем не менее, применение биотоплива не всегда оправдано с экономической точки зрения.
Для автономных источников электроэнергии целесообразнее использовать биотопливо в теплофикационном цикле (когенера-ции) с генерацией электроэнергии и получением тепловой энергии или в цикле тригенерации [3]. Мощность установок по утилизации биомассы обычно не превышает 6 -10 МВт, из которых на долю электричества приходится около 1 -2 МВт. Для таких мощностей применение традиционного паротурбинного цикла Ренкина нецелесообразно.
В настоящее время существует несколько гидротермальных электростанций, использующих энергию низкоэнтальпийных гидротермальных источников, в которых реализованы ОЦР. Температура воды в геотермальных источниках имеет различную температуру - от нескольких десятков до 300°С. Принято считать, что
94
нижняя температурная граница, при которой имеет смысл использование тепловой энергии геотермального источника, составляет 80°С. Идея применения фреона в качестве рабочего тела паросиловой установки для выработки электроэнергии впервые была реализована в 1967 году в СССР на Паратунской опытно -промышленной геотермальной электростанции [4].
На тепловых электрических станциях используется только 40% энергии топлива. Это означает, что 60% этой энергии теряется безвозвратно в виде отходов теплоты от горячих выхлопных газов, охлаждающей воды и воздуха, а также потери теплоты с горячих поверхностей оборудования. Поэтому в последнее время прилагаются большие усилия по утилизации тепловых отходов предприятий промышленности с возможностью генерации электроэнергии. Потенциал в 750 МВт оценивается для производства электроэнергии от теплоты промышленных отходов в США, 500 МВт в Германии и 3000 МВт в Европе [5].
Двигатели внутреннего сгорания превращают в механическую энергию лишь около 30% химической энергии топлива, от 15 до 32% энергии рассеивается в окружающую среду через радиатор (при температуре, близкой к 80°С - 100°С), остальную энергию уносят выхлопные газы с температурой от 400°С до 900°С. Эффективный способ утилизации тепловой энергии отработанных продуктов сгорания в этом случае также предоставляет ОЦР. Еще в 1970-х годах был создан прототип установки (компании Mack Trucrs), в которой рабочее тело нагревалось теплотой продуктов сгорания двигателя грузовика 2 88 HP. При этом проверка показала (проехав по дорогам около 450 км) техническую осуществимость системы и ее экономический интерес: сокращение расхода топлива на 12,5%. Современные системы утилизации тепловых отходов ДВС дают возможность использовать не только теплоту выхлопных газов, но и тепловую энергию системы охлаждения [6].
95
ОЦР можно использовать совместно с газотурбинными установками (ГТУ) для утилизации тепловой энергии продуктов сгорания. Суммарный цикл ГТУ+ОЦР является по сути дела комбинированным циклом с высокой термической эффективностью. Сочетание микро-турбины мощностью 100 кВт позволяет получить дополнительную мощность до 45 кВт за счет использования тепловой энергии выхлопных газов [7]. Возможные области применения установок на ОЦР приведены в таблице энергетических установок.
Таблица. Возможные области применения энергетических установок на ОЦР
Геотермальная теплота Тепловые отходы рекуперации
• Гидротермальные источники (горячая вода или пар) • Высоконапорные источники (горячая вода под давлением, содержащая метан) • Горячие камни или переломы скалы • Металлургия • Производство цемента • Стекольная промышленность • Нефтеперерабатывающие заводы • Химические заводы • Тепловые электрические станции • Компрессорные станции
Биомасса Транспорт
• Древесина • Травы (жидкое биотопливо: биодизель, биоэтанол) • Растительные и древесные отходы (топливные пеллеты) • Навоз крупного рогатого скота (биогаз: метан) • Свалки бытовых отходов (биогаз: Лэндфилл-газ) • Транспортные средства • Судовые двигатели мини-ТЭС • Когенерационные установки (с использованием биомассы) • Малые комбинированные циклы (в паре с микро газовыми турбинами)
Солнечная теплота Удаленный источник [8]
• Коллекторы с цилиндро-параболическими зеркалами или зеркалами Френеля (нагрев до температуры от 200оС до 450оС) • Параболические коллекторы (нагрев до температуры 750оС) • Солнечные башни (нагрев до температуры 1000оС) • Береговые (телекоммуникации / нефть и газ) • Морские (беспилотные платформы) • Полностью интегрированные для автоматической работы в суровых погодных условиях (катодная защита от коррозии нефтяного трубопровода транс-Аляски)
96
В пределах каждого из основных применений (геотермальной теплоты, биомассы, промышленных отходов рекуперации, солнечной теплоты), имеются определенные возможности по установке ОЦР. Дополнительные возможности могут быть предположены в других областях, например таких, как транспорт. Учитывая, что рынок является все еще развивающимся и динамичным, этот список будет расширяться с течением времени.
Перспектива внедрения технологий производства электроэнергии на основе низкокипящих рабочих тел в России имеет большое научное и практическое значение не только для основной энергетической отрасли, но и для промышленной. В промышленной энергетике России утилизация сбросной теплоты крупных предприятий с выработкой электрической энергии на основе низ-кокипящих рабочих тел позволит снизить энергетические затраты предприятий на собственные нужды, а также улучшить удельные экологические показатели.
Источники
1. Fernandez-Garcia A., Zarza E., Valenzuela L., Perez M. Parabolic-trough solar collectors and their applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. Vol.14. pp. 1695-1721.
2. Delgado-Torres A.M., Garcia-Rodriguez L. Analysis and optimization of the low-temperature solar organic Rankine cycle (ORC) // Energy Conversion and Management. 2010. Vol. 51. pp. 2846-2856.
3. Rentizelas A., Karellas S., Kakaras E., Tatsiopoulos I. Comparative techno-economic analysis of ORC and gasification for bioenergy applications // Energy Conversion and Management. 2009. Vol. 50, no. 3. pp. 674-681.
4. Огуречников Л.А. Геотермальные ресурсы в энергетике // Альтернативная энергетика и экология. 2005. № 11. С. 58-66.
5. Bailey O, Worrell E. Clean energy technologies: a preliminary inventory of the potential for electricity generation, 2005.
6. Quoilin S., Van Den Broekb M., Declayea S., Dewallefa P., Lemorta V. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. Vol. 22. pp.168-186.
7. Invernizzi C., Iora P., Silva P. Bottoming micro-Rankine cycles for micro-gas turbines // Applied Thermal Engineering. Vol. 27. pp.100-110 (2007).
97
8. ORMAT Remote Power Units. "On shore Remote Power Solutions" http://www.ormat.com/On-Shore_Remote_Power_Solutions.
References
1. Fernandez-Garcia A., Zarza E., Valenzuela L., Perez M. Parabolic-trough solar collectors and their applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, pp. 16951721 (2010).
2. Delgado-Torres A.M., Garcia-Rodriguez L. Analysis and optimization of the low-temperature solar organic Rankine cycle (ORC), Energy Conversion and Management, vol. 51, pp. 2846-2856 (2010).
3. Rentizelas A., Karellas S., Kakaras E., Tatsiopoulos I. Comparative techno-economic analysis of ORC and gasification for bioenergy applications, Energy Conversion and Management, vol. 50, no. 3, pp. 674-681 (2009).
4. Ogurechnikov L.A. Geotermal'nye resursy v energetike, Al'ternativnaya energetika i ekologiya, no. 11, pp. 58-66 (2005).
5. Bailey O, Worrell E. Clean energy technologies: a preliminary inventory of the potential for electricity generation, 2005.
6. Quoilin S., Van Den Broekb M., Declayea S., Dewallefa P., Lemorta V. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 22, pp.168-186 (2013).
7. Invernizzi C., Iora P., Silva P. Bottoming micro-Rankine cycles for micro-gas turbines // Applied Thermal Engineering, vol. 27, pp.100-110 (2007).
8. ORMAT Remote Power Units. "On shore Remote Power Solutions" http://www.ormat.com/On-Shore_Remote_Power_Solutions.
Information
Gafurov A.M.
PROMISING AREAS OF POWER SYSTEMS APPLICATIONS LOW-BOILING WORKING SUBSTANCES
The most promising areas of application installations on low-boiling working substances on organic Rankine cycle. In particular, the possibility of utilization of low-grade heat to generate additional electricity.
Keywords: organic Rankine cycle, low-boiling working substances, low-potential heat energy.
Дата поступления 15.12.2014.
98
