Prosessiparametrien muuttamisella tarkoituksena oli tutkia komponenttien toiminta-arvoja tilanteissa, joita mikro-ORC-energianmuunnin voi mahdollisesti kohdata. Tes-tattaviksi tilanteiksi valittiin lämmönlähteenä toimivan moottorin jarrutehon laskemi-nen ja höyrystimen jälkeisen paineen laskemilaskemi-nen. Liitteessä III on tarkempi erittely eri prosessiparametreillä saaduista tuloksista.
Testattaessa höyrystimen jälkeisen paineen laskua moottorin jarruteho pidettiin va-kiona 140 kW:ssa. Painetasoiksi valittiin mitoituspaineen 8 bar lisäksi 6 bar ja 4 bar.
Moottorin jarrutehoa laskettaessa lähdettiin liikkeelle tilanteesta, jossa kuristusvent-tiili oli säädetty siten, että höyrystimen jälkeisenä paineena oli 8 bar. Moottoritehoa laskettaessa kuristusventtiiliiä ei säädetty.
Liitteessä III ja kuvissa 5.14, 5.16 ja 5.18 esitetyt tunnusluvut ovat kymmeneltä mit-tausajanhetkeltä laskettuja otoskeskiarvoja, jonka laskemisella pyrittiin minimoimaan paineiden ja massavirran huojunnan vaikutus tuloksissa. Otoskeskiarvo ¯x laskettiin yhtälöllä 5.1.
Taulukkoon 5.2 on merkattu otoskeskiarvon laskennassa käytetyt ajanhetket testatuille tilanteille ja laskentaan vaikuttavien parametrien huojunta. Huojunnalla tarkoitetaan tarkasteluaikavälin suurimman ja pienimmän arvon erotusta.
Taulukko 5.2. Prosessi tarkasteltavien tulosten aikana.
Prosessiparametrit:p4 = 6 bar jaPm = 140 kW Ajanhetki 2960 - 3050
Tuloksiin vaikuttavien parametrien huojunta:
˙
mMDM 11.3 g/s
p9 70.8 mbar
p5 0.31 mbar
Prosessiparametrit:p4 = 4 bar jaPm = 140 kW Ajanhetki 4360 - 4450
Tuloksiin vaikuttavien parametrien huojunta:
m˙MDM 3.5 g/s
p9 71.8 mbar
p5 0.6 mbar
Prosessiparametrit:Pm = 130 kW ja HV5 = 5 % auki Ajanhetki 5220 - 5310
Tuloksiin vaikuttavien parametrien huojunta:
˙
mMDM 5.6 g/s
p9 64.0 mbar
p5 0.7 mbar
Prosessiparametrit:Pm = 120 kW ja HV5 = 5 % auki Ajanhetki 5530 - 5620
Tuloksiin vaikuttavien parametrien huojunta:
˙
mMDM 6.0 g/s
p9 49.3 mbar
p5 0.7 mbar
Prosessiparametrit:Pm = 110 kW ja HV5 = 5 % auki Ajanhetki 6170 - 6260
Tuloksiin vaikuttavien parametrien huojunta:
˙
mMDM 6.7 g/s
p9 148.4 mbar
p5 1.1 mbar
Höyrystimen suuresta massasta johtuen sen lämpötilatasojen tasaantuminen vie paljon aikaa, mutta mittauskerralla, jolta tässä luvussa tarkasteltavat tulokset ovat peräisin, ei ollut mahdollista odotella lämpötilojen tasaantumista. Esimerkiksi savukaasun luo-vuttama lämpö tasaantui vasta ajanhetkellä 3000, mikä nähdään kuvasta 5.12. Ajan-hetkellä 3000 tiedonkeruun päälle laittamisesta oli kulunut 50 minuuttia. Aikataulusta johtuen eri prosessiparametreillä ei ajettu koelaitosta niin pitkään, että kaikki lämpöti-latasot olisivat tasaantuneet, joten tässä kappaleessa käsitellyt tulokset eivät ole täysin tarkkoja.
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Φ[kW]
Aika [s]
Kuva 5.12. Lämpövirtojen tasaantuminen höyrystimessä.
5.3.1 Höyrystin
Kuvaan 5.13 on piirretty fluidin tila höyrystimen jälkeen 10 viimeiseltä mittausajankoh-dalta kustakin tilanteesta. Punainen käyrä kyseisessä ja seuraavissa kuvissa on MDM:n kyllästyskäyrä.
Kuva 5.13. Fluidin tila höyrystimen jälkeen eri prosessiparametreillä mitattuna.
Fluidin tulistus kasvoi painetason laskiessa, koska lämpötilan lasku oli vähäinen verrat-tuna paineenlaskuun. Sen sijaan moottoritehon lasku ei vaikuta juurikaan paineeseen, mutta fluidin tulistus laskee. 110 kW moottoriteholla fluidi olisi luultavasti laskenut kylläiseen tilaan lämpöjen tasaannuttua lämmönvaihtimissa.
Kuvassa 5.14 on tarkasteltu prosessiparametrien muutosten vaikutusta lämpövirtojen suhteeseen. Datan mukaan höyrystimen lämpövirtojen suhde nousee yli yhden, kun moottorin jarruteho laskettiin 120 kW:in. Mittausten aikana vaikutti kuitenkin siltä,
että savukaasu luovutti enemmän lämpöä kuin mitä MDM otti vastaan. Lämpövirtojen suhteen nouseminen yli yhden datan mukaan voi johtua virtausmittarin lukeman vää-ristymisestä. Soikioratasmittarin ilmoittaman massavirran mukaan höyrystimen läm-pövirtojen suhde säilyy vielä alle yhden. Asian varmentaminen vaatii uuden mittauk-sen. Moottorin jarruteholla 110 kW saavutettu 110 % lämpövirtojen suhde sen sijaan on seurausta höyrystimeen varastoituneesta lämmöstä, joka purkautui kiertoaineeseen.
84.6
70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0
Pm[kW]
Kuva 5.14. Höyrystimen lämpövirtojen suhde eri prosessiparametreillä.
Painetason laskeminen nosti massavirtaa, joka lisäsi kiertoaineeseen siirtyvää pöä höyrystimessä aiheuttamatta juurikaan muutosta savukaasun luovuttamaan läm-pöön. Höyrystimen korkeimman lämpövirtojen suhteen selvittäminen vaatisi suurem-man massavirran, mutta käytetyillä pumpuilla ei voitu nostaa massavirtaa korkeam-maksi niiden kavitoinnin vuoksi.
5.3.2 Rekuperaattori
Rekuperaattorin jälkeisestä tilasta (kuva 5.15) nähdään, että lauhdesäiliön paineta-so on noussut laskettaessa höyrystimen jälkeistä painetta. Painetapaineta-son lasku 8 barista 6 bariin aloitettiin ajanhetkellä 2600, jolloin kuvassa 5.2 lauhdesäiliön paineennousun kulmakerroin kasvaa. Samoin käy laskettaessa painetasoa 4 bariin ajanhetkestä 3180 alkaen. Lauhdesäiliön lämpötilan nousu jouduttiin kuitenkin keskeyttämään lisäämäl-lä jäähdytysveden massavirtaa ajanhetkestä 3570 alkaen, mikä käänsi paineennousun laskuun. Moottoritehon rajoituksella sen sijaan ei näyttänyt olevan minkäänlaista vai-kutusta fluidin tilaan rekuperaattorin jälkeen.
50
0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
T [°C]
Kuva 5.15. Fluidin tila rekuperaattorin jälkeen eri prosessiparametreillä mitattuna.
Prosessiparametrien säädöllä oli vain muutaman yksikön vaikutus rekuperaatioastee-seen, mikä on nähtävissä kuvasta 5.16. Pisteissä, joissa moottoritehoa on laskettu, on lauhduttimen lämpötila ollut matalin, jolloin fluidin lämpötilanmuutos rekuperaattorin yli on ollut suurin, mikä on nostanut rekuperaatioastetta hieman korkeammaksi.
0.555
Kuva 5.16. Rekuperaatioaste eri prosessiparametreillä mitattuna.
5.3.3 Lauhdutin
Lauhduttimen jälkeiseen tilaan muutoksilla ei ollut mainittavaa vaikutusta. Vaikka kuvassa 5.17 näkyy lämpötilan nousu painetason laskiessa, ei sen voida sanoa olevan seurausta pelkästään painetason laskusta.
40
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
T[°C]
Kuva 5.17. Fluidin tila lauhduttimen jälkeen eri prosessiparametreillä mitattuna.
Kuvassa 5.18 on esitetty laskennan perusteella tarkka lukema alijäähtymiselle kaikilla prosessiparametreillä. Todellisen alijäähtymisen selvittämiseksi tulisi määrittää käyte-tylle kiertoaineelle lauhtumislämpötila eri paineissa oikean jäähdytystarpeen määrit-tämiseksi. Virheellinen alijäähtyminen laskennan perusteella voi tarkoittaa sitä, että todellinen tulistumisastekin on eri, mikä tulee niin ikään selvittää.
39.3
32.0 34.0 36.0 38.0 40.0 42.0 44.0
Pm[kW]
Kuva 5.18. Fluidin alijäähtyminen lauhduttimessa eri prosessiparametreillä mitattuna.
Liitteessä III olevassa taulukossa IV jäähdytysveteen siirtynyt lämpö on korkein ver-rattuna muihin eri prosessiparametreillä laskettuihin lämpöihin. Koska lauhdesäiliön lämpötila ei tasaantunut mittauksen aikana ja jäähdytysveden massavirtaa jouduttiin lisäämään, ei voida sanoa, että 4 barin prosessipaineella jäähdytys olisi aina suurim-millaan.
6 KAUPALLISTAMINEN
Termi kaupallistaminen on määritelty kirjallisuudessa usealla eri tavalla. Eräs määritel-mä on, että kaupallistaminen voidaan nähdä idean muuttamisena myynnissä olevaksi tuotteeksi tai palveluksi (Rogers 2003, 152). Määritelmä sisältää tuotteen tuotannon, pakkaamisen, markkinoinnin ja jakelun. Yhdysvaltalaiset toimijat The Committee on Engineering Design Theory ja Methodology of the National Research Council ovat listanneet tuotteen kaupallistamiseen liittyviä yleisiä kulmakiviä. Lista on nähtävissä kokonaisuudessaan liitteessä IV. Tässä luvussa ORC-energianmuuntimen kaupallista-mista on tarkasteltu teknisestä näkökulmasta.
6.1 Vaatimukset kaupalliselle tuotteelle
Kuvassa 4.1 oleva koelaitos oli koottu kilpailutetuista komponenteista, mikä näkyi eten-kin lämmönvaihtimien suurena kokona. Koelaitoksella oli tarkoitus varmistua vain suur-nopeusturbogeneraattorin toiminnasta; muut komponentit ja laitoksen konstruktio oli-vat vaihdettavissa kaupallistettavaan versioon. Kaupallinen tuote on sen sijaan suun-niteltava asiakkaan käyttöön soveltuvaksi. Seuraavassa on pohdittu mitä vaatimuksia laitoksen tulee täyttää, jotta se olisi asiakkaan näkökulmasta käyttökelpoinen.
6.1.1 Laitoksen konstruktio
Monien valmistajien pienitehoiset voimalaitokset ovat mobiileja. Mobiiliudella tarkoi-tetaan tässä yhteydessä sellaista laitekonstruktiota, joka on helposti kuljetettavissa ja siirrettävissä kokonaisena. Kaupallistamista varten laitoksen konstruktio tulee suunni-tella uusiksi, sillä koelaitoksen komponentit ovat sijoiteltu etäälle toisistaan eri mittaus-ten mahdollistamiseksi, jolloin putkiosuudet ovat väistämättä pitkiä. Kaupallistetta-van version konstruktiota mietittäessä onkin otettava huomioon siihen sisällytettävien mittausten tarpeet.
Loppukäyttökohde määrittää sen, kuinka paljon laitos voi viedä tilaa. Työkoneeseen sijoitettuna laitoksen viemän tilavuuden tulee olla pieni, kun taas ulkotiloissa on usein tilaa suurellekin laitokselle. Toisaalta laitoksen koon tulee olla linjassa muiden valmis-tajien vastaavanlaisten laitosten kanssa. Asiakas voi suhtautua epäluuloisesti, mikäli kaupattava laitos on kaksi tai kolme kertaa isompi kuin toisen valmistajan vastaava.
Referenssilaitoskokona voidaan pitää Infinity Turbinesin 10 kWe yksikköä, jossa käyte-tään monivaiheista turbiinia. IT:n laitos on kooltaan 0,6·1,5·1,5 m3, mutta siinä ei ole rekuperaattoria ja lämmönlähteestä siirretään lämpö termoöljypiirillä. Lauhdutti-men ja lämmönvaihtiLauhdutti-men kytkennät ovat vierekkäin samalla sivulla. Laitos on koottu metallikehikkoon, jota on kätevä liikutella trukilla.
IT:n valinta käyttää lämmönlähteen epäsuoraa kytkentää ja jättää rekuperaattori pois pienentävät laitoskokoa, mutta samalla laitoksen hyötysuhde heikkenee myös. Tutki-muksen kohteena olevassa laitoksessa rekuperaattorin käyttö ja suora lämmönlähteen kytkentä nostavat hyötysuhdetta, mistä johtuen kaupallistettavan laitoksen fyysiset di-mensiot voivat olla hieman suuremmat kuin IT:n laitoksella. Laitoksen koon yläraja voidaan suhteuttaa Triogenin 165 kWe rekuperaattorillisen ORC-energianmuuntimen mukaan. Kyseinen laitos on kooltaan 3,2·2,4·4,0 m3.
6.1.2 Tarpeelliset mittaukset
Laboratorioon rakennetussa koelaitteessa on runsaasti eri mitta-antureita tarkan pro-sessilaskennan mahdollistamiseksi. Kaupalliseen versioon kannattaa sisällyttää vain sel-laiset mittaukset, jotka ovat tärkeitä tärkeitä laitoksen ohjauksen, säädön ja suojausten sekä laitoksen yleisen suorituskyvyn ja huollon kannalta.
Lähtökohtaisesti asiakkaan on pystyttävä varmistumaan laitoksen toimivuudesta mit-tausdatan perusteella. Laitoksen voidaan sanoa toimivan, mikäli se tuottaa sähköä, joten mittausdatasta on nähtävä tuotettava sähköteho ja tuotettu sähköenergian mää-rä.
Toisaalta kaupallisessa sovelluksessa on otettava huomioon mahdollinen vikaantumi-nen. Vikaantumiseksi voidaan lukea MDM:n pilkkoutuminen lyhyemmiksi molekyyli-ketjuiksi. Mittausdataan on siten tulostuttava kiertoaineen korkein lämpötila ja mit-taushistoriaan on jäätävä merkintä ylimmästä lämpötilasta, jossa kiertoaine on ollut huollon tarpeen määrittämiseksi.
Virheellisestä käytöstä tai laitoksen vikaantumisesta johtuva paineennousu ei vahin-goita systeemiä varoventtiilien vuoksi. Varoventtiilin on päästävä purkautumaan sel-laiseen tilaan, josta ei ole vaaraa ympäristölle. Systeemin ylimmän painetason tarkkailu on kuitenkin tehtävä mahdolliseksi, jotta voidaan seurata prosessin toimintaa.
6.1.3 Automatisointi
Loppukäytön yksinkertaisuus voidaan mahdollistaa automatisoinnilla. Automatisaatio tulisi suunnitella siten, ettei käytön aikaista valvontaa tarvita. Laitoksen tulisi ajaa it-sensä ylös automaattisesti lämmönlähteen tuottaessa tarpeeksi lämpöä ja ajaa prosessi alas, kun lämmönlähteen lämpötaso tippuu tietyn pisteen alapuolelle. Automatiikan tulisi huolehtia myös lämmönlähteen ja lämpönielun kytkemisestä prosessiin tai irrot-tamisesta prosessista. Toimintavarmuuden kannalta laitoksen tulisi itse säätää itsensä toimimaan parhaalla alueella eikä asiakkaalle jätettäisi prosessin säätöihin haitallisia muutoksia mahdollistavia työkaluja.
MDM:n pilkkoutuessa lyhyemmiksi molekyyleiksi tietyn lämpötilatason ylityttyä auto-matiikan olisi suotavaa valvoa höyrystimelle tulevaa lämpövirtaa. Varsinkin työkoneissa savukaasun lämpövirta voi vaihdella moottorilta vaaditun tehon mukaan, jolloin kor-kein sallittu lämpövirta voi ylittyä. Käytettävissä olevan lämmönlähteen mahdollisia lämpötehopiikkejä voi tasata käyttämällä termoöljypiiriä, jolloin höyrystimelle saapuva lämpövirta on tasaisempi. Toisaalta epäsuora kytkentä lämmönlähteen ja höyrystimen välillä voi heikentää hyötysuhdetta ja vie tilaa. Lisäksi korkeat lämpötilat kuluttavat myös lämmönsiirtoöljyn ominaisuuksia, joten se jouduttaisiin vaihtamaan tietyin aika-välein. (Heinimö & Jäppinen 2005, 21.)
Erhartin et al. (2015) todettiin MDM:n pilkkoutuminen ajan kuluessa voimalaitoksissa.
Pilkkoutuminen ja ilman vuotaminen systeemiin nostavat lauhdesäiliön ja siten lauh-duttimen painetta, mikä pysäyttää fluidin paisumisen korkeampaan paineeseen vähen-täen turbiinilta saatavaa tehoa. Automatiikan tulisi seurata lauhdesäiliön painetta, ja valitun painetason ylityttyä tyhjiöpumppu käynnistyisi imien ilmaa ja lauhtumattomia kaasuja lauhdesäiliöstä. Erhartin et al. (2015) tutkimuksessa todettiin, että lauhdesäi-liössä olevat lauhtumattomat kaasut ovat suurelta osin MM-nimistä siloksaania. MM on herkästi syttyvä sekä kaasu- että nestefaasissa ja aiheuttaa silmien ärsytystä, mut-tei muuten ole ympäristölle vaarallinen kemikaali. Tyhjiöpumppu voisi siten vapauttaa pumppaamansa kaasuseoksen ympäristöön, kunhan paloturvallisuuteen kiinnitetään huomiota.
Tyhjiöpumppu vaatii tilaa asennusta varten, mutta periaatteessa sen sijoituspaikan voi valita vapaasti. Useat markkinoilla olevat tyhjiöpumput ovat tilavuudeltaan noin 10 ja 20 litran välillä. Toistaiseksi on kuitenkin epävarmaa, kuinka usein systeemi vaatii tyhjiöpumpun käyttöä. Jos tyhjön imemiselle on tarve vain harvoin, tulee laskea mah-dolliselta pilottilaitokselta saatavan datan perusteella olisiko tyhjiöpumpun asennuksen
vaihtoehtona huollon yhteydessä tapahtuva tyhjön imeminen systeemiin kannattavam-paa.
6.1.4 Internet-ohjaus
Nykyään monenlaisia koneita ja laitteita voi hallita internetin välityksellä. Laitteen hallinnan lisäksi internetistä voi olla nähtävissä reaaliaikaista dataa laitteen toimin-nasta ja monenlaista dataa laitteen toimintahistoriasta. Internet-ohjaus olisi käytän-nöllinen ominaisuus varsinkin syrjäseudulla sijaitsevissa miehittämättömissä mikro-ORC-energianmuuntimissa. Automatisoinnin ja internet-ohjauksen avulla laitos voi-taisiin kytkeä päälle tai pois mistä päin maailmaa tahansa. Lisäksi internet-ohjauksen mahdollistaminen älylaitteilla lisäisi asiakkaan käyttömukavuutta. Laitoksen toimin-nan seuraaminen sujuisi nopeasti älylaitteelta missä ja milloin tahansa.
Laitoksen internet-yhteydestä olisi hyötyä valmistajallekin. Laitosten arvokkaan käyt-tödatan voisi saada haltuun pilvipalvelun myötä. Sekä asiakasta että valmistajaa palve-leva ominaisuus lieneekin pian jo niin yleinen, ettei se ole enää varsinaisesti kilpailuetu.
Pikemminkin voidaan sanoa, että sen puute tullee erottamaan tuotteen muista.
6.1.5 Kunnonvalvonta
Mikro-ORC-energianmuunnin on hermeettinen systeemi, jonka huoltoväli on pitkä. Lai-toksen kuntoa tulee kuitenkin seurata toimintavarmuuden ylläpitämiseksi ja huoltojen ennakoimiseksi. Periaatteessa vikaantuvia komponentteja ei kuitenkaan juurikaan ole, mikäli laitosta ajetaan käyttötarkoituksen mukaisesti.
Laakerit ovat elintärkeä komponentti suurnopeus-turbogeneraattorissa. Oikein käytet-tynä useimmat nestelaakerit eivät vaadi juuri ollenkaan huoltoa eivätkä ne kulu käy-tössä (Ghosal 2010, 724). Turbogeneraattorissa käytettävien nestevoideltujen keinuseg-menttilaakereiden vikaantuvat käytännössä vain mikäli voiteluaineen paine putoaa lii-an alhaiseksi, joten automatiiklii-an tulisi estää laitoksen käynnistyminen liilii-an alhaisilla laakeripaineilla ja seurata ajon aikana laakeripainetta.
Käytettäessä muita kuin nestelaakereita laakereiden kunnonvalvonta tulisi toteuttaa jatkuva-aikaisesti siten, että käyttäjälle tulee automaattisesti varoitus laakerin heiken-tyneestä kunnosta. Automatiikan tulisi pysäyttää prosessi tiettyjen ennalta asetettujen ehtojen ylittyessä, jotta suuremmilta vahingoilta vältyttäisiin. (SKF 1994, 53.)
6.1.6 Hankinnan helppous
Sen lisäksi, että laitoksen on vähennettävä asiakkaan kustannuksia, on laitoksen han-kinta tehtävä asiakkaalle helpoksi ja mielekkääksi. Asiakas ei välttämättä kykene mää-rittelemään riittävän tarkasti omaan prosessiinsa integroitavan mikro-ORC-laitoksen tarvetta, jolloin on kyettävä esittämään räätälöity versio laitoksesta ja sen tuomista eduista.
Hankinnan helppouteen liittyy myös se, että tarvitseeko asiakkaan pohtia, onko tuo-tetta myyvä yritys luotuo-tettava, hyvämaineinen tai edistyksellinen muihin yrityksiin näh-den. Jo pitkään markkinoilla olleet yritykset ovat osoittaneet luotettavuutensa, mutta markkinoille tulevan uuden yrityksen on ponnisteltava vakuuttaakseen oleva vakavasti otettava tekijä. Asiakkaalle on pystyttävä osoittamaan laitoksen toimivuus ja luotet-tavuus. Tämä voitaisiin toteuttaa pilottilaitoksella, jonka toiminta-arvoja ja -historiaa voisi seurata valmistajan www-sivuilta. Samalla sivustolla voisi esittää arvion sääste-tyistä CO2-päästöistä tuotetun sähköenergian avulla.