Energiatekniikan koulutusohjelma Diplomityö
Timo Koponen
MIKRO-ORC-ENERGIANMUUNTIMEN SUORITUSKYVYN TODENTAMINEN JA
KAUPALLISTAMINEN
Työn 1. tarkastaja: Akatemiatutkija Teemu Turunen-Saaresti Työn 2. tarkastaja: Professori Jari Backman
Lappeenrannan teknillinen yliopisto School of Energy Systems
Energiatekniikan koulutusohjelma
Timo Koponen
Mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyvyn todentaminen ja kaupallistaminen
Diplomityö 2015
103 sivua, 44 kuvaa, 14 taulukkoa ja 5 liitettä.
Tarkastajat: Akatemiatutkija Teemu Turunen-Saaresti Professori Jari Backman
Hakusanat: ORC, hukkalämpö, suurnopeus, suorituskyky, kaupallistaminen
Tässä työssä esitellään yleisesti ORC-prosessi, sen toimintaperiaate ja käyttökohteet.
Työn tavoitteena oli todentaa diesel-moottorin savukaasujen lämpöenergian sähköener- giaksi muuntavan mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyky. Suorituskyky pyrit- tiin toteamaan laskemalla laboratoriomittauksista saadusta datasta koelaitoksen säh- köntuotannon hyötysuhde ηe ja vertaamalla sitä mallinnuksessa laskettuun ηe:seen.
Esitys käytännöstä suorituskyvyn todentamiseen kuuluu työn sisältöön.
Koelaitoksen suorituskykyä ei pystytty toteamaan turbogeneraattoriin liittyvien on- gelmien vuoksi. Tarkasteltavaksi tähän työhön jäi koelaitoksen suorituskykyyn olen- naisesti liittyvien laitoskomponenttien toiminta niille tyypillisten mittausdatasta las- kettujen tunnuslukujen kautta. Koelaitoksella käytettyjen lämmönsiirrinten todettiin olevan kykeneviä siirtämään tarpeeksi lämpöenergiaa 130 kW jarruteholla toimivan diesel-moottorin savukaasujen lämmöstä sähköenergian tuotantoon.
Laitoksen kaupallistamista tarkasteltiin asiakkaan ja valmistajan näkökulmasta. Tar- kasteluun sisältyi katsaus kaupalliseen versioon kuuluvista ominaisuuksista, alihankin- nasta ja säädöksistä, jotka laitoksen on täytettävä markkinoille päästäkseen.
Lappeenranta University of Technology School of Energy Systems
Degree Programme in Energy technology
Timo Koponen
Proofing of performance and commercialization of a micro ORC power plant Master’s thesis
2015
103 pages, 44 figures, 14 tables and 5 appendices.
Examiners: Academy Research Fellow Teemu Turunen-Saaresti Professor Jari Backman
Keywords: ORC, waste heat, high-speed, performance, commercialization
This thesis reviews working principles and possible applications of Organic Rankine Cycle (ORC). Research target of this thesis was to verify the performance of a micro ORC power plant. In order to do so the electrical efficiencyηewas ment to be calculated from the data from laboratory tests and to be compared it to a ηe calculated via modelling.
Testing facility was built in a laboratory of the Lappeenranta University of Technology.
Due to problems of the turbogenerator any electricity wasn’t produced so it was im- possible to calculate the electrical efficiency. Performance of the essential components of the testing facility, which have an effect toηe were investigated through their typical performance factors. It was verified that components and the process were functioning as planned.
Commercialization was investigated from both customer’s and manufacturer’s view.
Overview of a beneficial features of a commercial version, outsourcing and legislative questions are included to an investigation.
Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa vuonna 2015. Työn ohjaajana toimi TkT Antti Uusitalo.
Suuri kiitos kuuluu Suur-Savon Energiasäätiölle, jonka myöntämä stipendi mahdollis- ti tämän työn tekemisen. Kiitokset kuuluvat myös asiantuntevalle ohjaajalleni, jolta sain aina apua sitä pyydettäessä sekä opiskelukavereilleni, joilta sain apua ja ohjausta minulle tuntemattomissa aiheissa ja joiden kanssa pohdimme yhdessä joskus pieniäkin yksityiskohtia. Juha Honkatukiaa tahdon kiittää tekstin oikoluvusta kuten myös hänen antamistaan hyvistä vinkeistä ja huomautuksista diplomityöhöni liittyen.
Perhettäni haluan kiittää heiltä saamastani tuesta ja kannustuksesta opiskeluni aikana ja opiskeluissani. Lisäksi haluan kiittää rakasta avovaimoani siitä, että hän piristi minua kauniilla hymyllään tämän projektin aikana.
Lappeenrannassa 10. marraskuuta 2015
Timo Koponen
SISÄLLYSLUETTELO
Symboliluettelo 8
1 Johdanto 11
1.1 Työn tavoitteet . . . 12
1.2 Työn sisältö . . . 12
1.3 Työssä käytetyt menetelmät . . . 13
2 ORC-laitos 14 2.1 Toimintaperiaate . . . 14
2.2 Pääkomponentit . . . 16
2.2.1 Turbiini . . . 17
2.2.2 Rekuperaattori . . . 18
2.2.3 Lauhdutin . . . 19
2.2.4 Pumppu . . . 21
2.2.5 Höyrystin . . . 21
2.3 Lämmönlähteet . . . 23
2.4 Kiertoaine . . . 24
2.4.1 Kyllästyskäyrä ja ryhmäjako . . . 26
2.4.2 Siloksaanit . . . 27
2.5 Ympäristövaikutukset . . . 28
2.6 Tunnusluvut . . . 29
2.6.1 Sähköntuotannon hyötysuhde . . . 29
2.6.2 Turbiini . . . 30
2.6.3 Pumput . . . 32
2.6.4 Höyrystin . . . 32
2.6.5 Rekuperaattori . . . 33
2.6.6 Lauhdutin . . . 33
3 Mikro-ORC-energianmuunnin 34 3.1 Suurnopeustekniikka . . . 34
3.2 Käyttökohteet . . . 37
3.3 Mikro-ORC-energianmuuntimien valmistajat . . . 38
4 Koelaitos ja mittausjärjestelyt 39 4.1 Kiertoaine . . . 40
4.2 Prosessiarmatuurit . . . 42
4.2.1 Virtausmittarit . . . 42
4.2.2 Säätöventtiilit . . . 42
4.2.3 Paine- ja lämpötilamittarit . . . 43
4.2.4 Ominaisentalpian laskenta . . . 44
4.3 Lämmönlähde . . . 45
4.4 Puutteet mittauksissa . . . 46
4.5 Epäjohdonmukaisuudet ja ongelmat mittauksissa . . . 46
4.5.1 Lämpötilojen käyttäytyminen ennen ja jälkeen turbiinin . . . . 47
4.5.2 Vortex-virtausmittarin lukeman häiriintyminen . . . 48
4.5.3 Ultraääni-mittarin virheherkkyys . . . 50
5 Tulosten tarkastelu 52 5.1 Komponenttien toiminta mitoituspisteessä . . . 53
5.1.1 Esisyöttöpumppu . . . 53
5.1.2 Pääsyöttöpumppu . . . 55
5.1.3 Höyrystin . . . 56
5.1.4 Rekuperaattori . . . 58
5.1.5 Lauhdutin . . . 59
5.2 Carnot-hyötysuhde . . . 61
5.3 Prosessiparametrien muuttamisen vaikutus . . . 62
5.3.1 Höyrystin . . . 64
5.3.2 Rekuperaattori . . . 65
5.3.3 Lauhdutin . . . 66
6 Kaupallistaminen 68 6.1 Vaatimukset kaupalliselle tuotteelle . . . 68
6.1.1 Laitoksen konstruktio . . . 68
6.1.2 Tarpeelliset mittaukset . . . 69
6.1.3 Automatisointi . . . 70
6.1.4 Internet-ohjaus . . . 71
6.1.5 Kunnonvalvonta . . . 71
6.1.6 Hankinnan helppous . . . 72
6.2 Alihankinta . . . 72
6.2.1 Komponenttien hankinta . . . 73
6.2.2 Alihankintaan liittyvät riskit . . . 77
6.3 Säädökset . . . 78
6.3.1 Painelaitteita koskeva lainsäädäntö . . . 78 6.3.2 Sähkölaitteita koskeva lainsäädäntö . . . 80 6.3.3 Ympäristöä koskeva lainsäädäntö . . . 81
7 Koelaitteen jatkokehitys 82
7.1 Mittausdatan analysointi ja tiedonkeruu . . . 82 7.2 Materiaalien herkkyys kiertoaineelle . . . 83 7.3 Ejektoripumpun käyttö . . . 83
8 Yhteenveto 85
8.1 Suorituskyky . . . 85 8.2 Kaupallistaminen . . . 87
Lähdeluettelo 89
Liitteet
Liite I H-lausekkeiden selitteet
Liite II CnH2n -palamiskaasun aineominaisuudet Liite III Tulosten tarkastelu eri prosessiparametreillä Liite IV Suunnittelun kulmakivet
Liite V Virtausmittarin valinta
SYMBOLILUETTELO
¯
cp keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg]
cp ominaislämpökapasiteetti [kJ/kg]
Ds ominaishalkaisija [-]
h ominaisentalpia [kJ/kg]
˙
m massavirta [kg/s]
n pyörimisnopeus [1/s], [rpm]
Ns ominaispyörimisnopeus [-]
p paine [bar], [Pa]
P teho [kW]
PS suurin sallittu käyttöpaine [bar]
Q lämpövirta [kW]
qv tilavuusvirta [m3/s]
R lämmönsiirtovastus [m2K/W]
T lämpötila [K], [◦C]
u kehänopeus [m/s]
v ominaistilavuus [m3/kg]
V tilavuus [ l ]
Kreikkalaiset kirjaimet
∆h ominaisentalpian muutos [kJ/kg]
∆hs isentrooppinen entalpiamuutos [J/kg]
rekuperaatioaste [-]
η hyötysuhde [-]
ρ tiheys [kg/m3]
φ lämpövirta [kW]
Alaindeksit
1 tilapiste ennen turbiinia 2 tilapiste turbiinin jälkeen
3 tilapiste ennen rekuperaattoria, kuuma puoli 4 kiertoaineen tilapiste höyrystimen jälkeen 5 lauhduttimen tilapiste
6 tilapiste ennen pääsyöttöpumppua 7 savukaasun tilapiste ennen höyrystinä 8 savukaasun tilapiste höyrystimen jälkeen 9 tilapiste pääsyöttöpumpun jälkeen 10 kiertoaineen tilapiste ennen höyrystinä 11 lauhteen tilapiste ennen lauhdutinta 12 lauhteen tilapiste lauhduttimen jälkeen
a ennen
b jälkeen
C Carnot
e sähkö
esp esisyöttöpumppu
f turmeltuminen, likaantuminen gen generaattori
häv häviöt höyr höyrystin in tuleva
jv jäähdytysvesi
l laakeri
lauhd lauhdutin
m moottori
mek mekaaninen
orc orgaaninen kiertoaine out poistuva
p pumppu
psp pääsyöttöpumppu rek rekuperaattori s isentrooppi sat lauhtumispiste sc alijäähtyminen sk savukaasu suht suhteellinen t turbiini TH terminen ymp ympäristö
Lyhenteet
BNI Barber & Nichols
CHP Combined Heat and Power (Sähkön ja lämmön yhteistuotanto) ECM Electrochemical machining (Sähkökemiallinen koneistus)
EDM Electrical Discharge machining (Sähköinen koneistus) FIFO First In, First Out
GHS Globally Harmonised System
GWP Global Warming Potential (Ilmastonmuutospotentiaali) IT Infinity Turbines
MTBF Mean Time Between Failure (Keskimääräinen vikaantumisväli) NIST National Institute of Standard and Technology of the United States ODP Ozone Depletion Potential (Otsonikerrosta tuhoava potentiaali) OEC ORMAT Energy Converter (Ormatin energianmuunnin)
ORC Organic Rankine Cycle ROT Radial Out-flow Turbine
1 JOHDANTO
Sähköenergian käyttö lisääntyy nopeimmin maailmassa kaikista energiamuodoista. Jot- ta sähköntuottajat pystyisivät vastaamaan kasvavaan kysyntään, on vuoteen 2040 men- nessä asennettava uutta tehoa 7 200 GW ja käytöstä poistuvat voimalat korvattava uusilla (IEA 2014a, 4).
Ympäristön kannalta on tärkeää, että sähköntuotannossa pyritään vähentämään fossii- listen polttoaineiden käyttöä lisäämällä muita tuotantotapoja ja muiden polttoaineiden käyttöä. Eräs ympäristöystävällinen muoto sähköntuotannolle on ORC-prosessi. ORC on lyhenne sanoista Organic Rankine Cycle. ORC-prosessi eroaa Rankine-prosessista vain siten, että kiertoaineena käytetään veden asemesta orgaanista fluidia. Orgaaninen fluidi kiertoaineena mahdollistaa matalan lämpötason lämmönlähteiden käytön.
ORC-energiamuuntimella voidaan hyödyntää sähköntuotannossa esimerkiksi geoter- mistä lämpöä ja hukkalämpövirtoja, joita esiintyy lasi-, sementti- ja terästeollisuudessa sekä savukaasuissa. Vesikiertoisen Rankine-prosessin lämmönlähteeksi edellä mainitut eivät sovellu alhaisen lämpötason vuoksi.
Käytettäessä ORC-laitosta esimerkiksi CHP-laitoksen yhteydessä alemman lämpöta- son kiertoprosessina (bottoming cycle) ei vaikuteta pääprosessin polttoaineen kulu- tukseen, mutta vähennetään CO2-päästöjä tuotettua sähkötehoyksikköä kohti (Vaja
& Gambarotta 2010, 1084). Tällöin laitoskompleksin kokonaishyötysuhde nousee ja voidaan saavuttaa taloudellisia etuja. Muita ORC:n etuja ovat sen yksinkertainen ra- kenne, varmatoimisuus ja asennuksen helppous myös hajautetun energiantuotannon yhteyteen. (Kang 2012, 514.)
ORC-prosesseihin, joissa fluidin paisunta tekee tilavuudenmuutostyötä, on tehty useita tutkimuksia (Peris et al. 2015, 2). Erilaisten hukkalämpövirtojen hyödyntämistä ORC- prosessissa on tutkittu kokeellisesti ja mallintaen monilla eri kiertoaineilla ja prosessi- kytkennöillä (Wang et al. 2013, 343). Liu, Chien & Wang (2004) ovat tarkastelleet eri kiertoaineita hukkalämmön hyödyntämisessä. Kirjallisuudessa on esitelty myös sovel- luksia ORC:n hyödyntämiseen aurinko tai valtameri lämmönlähteenä.
Vaikka ORC:stä on julkaistu monia eri tutkimuksia vuosikymmenten aikana, teolli- suus on kiinnostunut ORC:n sovelluksista hukkalämmön hyödyntämisessä vasta viime vuosina. Syitä kiinnostuksen heräämiselle voivat olla ORC-teknologian kehittyminen, energianhinnan nousu ja tiukempi ilmastopolitiikka. (Campana et al. 2013, 244.) Toistaiseksi asennettujen ORC-laitosten kapasiteetti on vähäinen verrattuna aurinko-
ja tuulivoimalaitoksiin. Vuoden 1995 jälkeen ORC-laitoksia on asennettu 2000 MWe.
(Colonna et al. 2015, 1). Teho vastaa 250 kpl Vestaksen V164 8 MW tuuliturbiinia, joka lanseerattiin 2014 maailman tehokkaimpana. Vertailun vuoksi 2014 EU:n alueella uutta tuulivoimaa asennettiin 11 829 MW (GWEC 2015).
1.1 Työn tavoitteet
Hukkalämpövirtoja on maailmassa merkittäviä määriä. Jotta hukkalämpövirrat saatai- siin valjastettua mahdollisimman tehokkaasti sähköntuotantoon, on tärkeää kehittää matalan tehotason ORC-energianmuuntimia.
Tämän diplomityön ensisijaisena tavoitteena oli edistää Lappeenrannan teknillisen yli- opiston virtaustekniikan laboratorioon rakennetun mikro-ORC-energianmuuntimen ke- hitystyötä todentamalla koelaitoksen suorituskyky. Toisena tavoitteena oli selvittää mi- tä koelaitoksen kehittäminen kaupallistettavaksi tuotteeksi vaatii asiakkaan ja valmis- tajan näkökulmista.
Ensisijaiseen tavoitteeseen ei päästy turbogeneraattorin käyttöönottoon liittyvien on- gelmien vuoksi. Tässä työssä on kuitenkin esitelty, miten koelaitoksen suorituskyky todetaan ja suorituskyvyn laskentaa varten kehitetty laskentaohjelma auttavat totea- maan koelaitoksen suorituskyvyn nopeasti, kunhan koelaitokselta saadaan oikeanlaista mittausdataa.
1.2 Työn sisältö
Mikro-ORC-energianmuuntimen toimintaperiaatteen ymmärtämisen vuoksi ORC-voi- malaitosprosessi on työn alkuun selvitetty yleisellä tasolla luvussa 2, jonka jälkeen on tarkasteltu mikro-ORC-prosessin ominaisuuksia ja sovelluskohteita luvussa 3.
Tehtävä tutkimus riippui oleellisesti laboratoriomittausten perusteella saadusta datas- ta. Tutkimukseen tuotiin läpinäkyvyyttä kuvaamalla tarkasti mittausjärjestelyt luvus- sa 4. Mittauksissa esiintyi epäjohdonmukaisuuksia ja ongelmatilanteita, jotka rapor- toitiin tähän työhön, jotta ne osattaisiin selittää tai välttää jatkossa. Saadun datan perusteella tehtiin tulosten tarkastelu luvussa 5, jossa esitellään suorituskykyyn vai- kuttavien pääkomponenttien toiminta-arvot.
Luvussa 6 on pohdittu mikro-ORC:n kaupallistamiseen liittyviä asioita. Luvussa 7 on
esitetty ehdotuksia tehtäville lisämittauksille ja koelaitteen jatkokehitykselle. Luku 8 kokoaa edelliset luvut yhteen.
1.3 Työssä käytetyt menetelmät
ORC-prosessin esittelyä varten tehtiin kirjallisuuskatsaus. ORC:stä on tehty lukuisia tutkimuksia, mutta monissa tutkimuksen kohteina olleissa mikro-ORC-laitoksissa pai- sunta oli tapahtunut mäntäkoneessa tai scroll-turbiinissa.
Suorituskyvyllä tarkoitetaan tässä tutkimuksessa sähköntuotannon hyötysuhdetta ηe. Suorituskyvyn todentamiseksi koelaitoksen ηe oli tarkoitus laskea laboratoriomittauk- sista saadusta datasta ja verrata sitä mikro-ORC-prosessin mallinnuksessa laskettuun ηe:seen. Suorituskykyyn vaikuttavien laitoskomponenttien suoritusarvot pystyttiin las- kemaan niille tyypillisillä tunnusluvuilla laboratoriomittauksista saadusta datasta.
Datan analysointi suoritettiin tätä tutkimusta varten kehitetyllä laskentaohjelmalla.
Datasta valittiin tunnuslukujen laskentaan sellainen ajankohta, jossa laite toimi mitoi- tuspisteessään. Tunnuslukujen laskennassa käytettiin REFPROP:in ainekirjaston pe- rusteella laskettuja tilapisteitä ja FluidProp:illa laskettuja savukaasun ominaisuuksia.
Lasketuissa tuloksissa esiintyy pientä epätarkkuutta REFPROP:in ainekirjaston epä- tarkkuuden ja tehtyjen oletuksien vuoksi.
REFPROP on Yhdysvaltain Standardien ja Teknologian kansallisen instituutin (Natio- nal Institute of Standard and Technology of the United States, NIST) kehittämä lasken- taohjelma. Tässä diplomityössä on käytetty REFPROPin versiota 9. REFPROP:issa MDM:n eri aineominaisuudet on laskettu Colonan, Nannanin ja Guardonen (2008) esittämien tilanyhtälöiden avulla. (Lemmon, Huber & Mclinden 2010).
Fluidprop on tietokoneohjelma, jonka on kehittänyt työntövoiman ja tehon tutkijaryh- mä pääasiassa Delftin teknillisellä yliopistolla. Ohjelman aineominaisuudet ovat kir- jasta Reynolds, W.C., Thermodynamic properties in S.I., Department of Mechanical Engineering - Stanford University. (Colonna & van der Stelt 2004).
Laitoksen kaupallistamista varten tarkasteltiin kilpailevien valmistajien tuotteiden omi- naisuuksia. Tärkeinä tarkasteltavina ominaisuuksina pidettiin fyysistä kokoa ja tuot- teen ominaisuuksia, joiden perusteella tehtiin vaatimukset kaupallistettavalle versiolle.
Kaupallistamista varten selvitettiin myös alihankkijoiden käyttöä kirjallisuuteen noja- ten.
2 ORC-LAITOS
Konventionaalisen energiantuotannon haasteena on fossiilisten polttoaineiden ehtymi- nen tulevaisuudessa. Nykyään maailmassa tuotetusta primaarienergiasta fossiilisilla polttoaineilla tuotetun energian osuus on 70 - 80 % (Invernizzi 2013, 14). Kun tar- kastellaan pelkästään sähköntuotantoa, kivihiilen keskimääräinen osuus tuotannossa vuonna 2015 on 40 % (IEA 2015). IEA:n mukaan vuonna 2012 kivihiilen osuus säh- köntuotannossa oli USA:ssa 41 %, Australiassa 73 %, Kiinassa 79 %, ja Intiassa 76
%.
Fossiilisia polttoaineita on olemassa rajattu määrä ja niiden poltolla on negatiivisia ym- päristövaikutuksia, joten fossiilisia polttoaineita käytettäessä pyritään mahdollisimman korkeaan hyötysuhteeseen. Hyötysuhteen nousun myötä polttoaineen kulutus ja ilma- kehään vapautuneen CO2:n määrä tuotettua energiayksikköä vähenee. On kuitenkin tärkeää pyrkiä kehittämään tapoja tuottaa energiaa sellaisista lähteistä, joita ei aiem- min ole pystytty hyödyntämään teknillis-taloudellisista syistä. ORC-prosessi on yksi tällainen tapa.
Tässä luvussa kuvataan kuinka ORC-laitos toimii ja mihin sen toiminta perustuu.
ORC-laitoksessa tuotetun sähkön voidaan sanoa olevan ekologista, koska lämmönläh- teenä ei käytetä fossiilisia polttoaineita eikä prosessissa synny hiilidioksidipäästöjä. Pe- riaatteessa ORC-laitosten hintaa voidaankin vertailla uusiutuvaa energiaa tuottavien voimaloiden kanssa.
2.1 Toimintaperiaate
ORC-laitos on lämpövoimakone, jota voidaan käyttää joko yhdistetyssä sähkön ja läm- mön tuotannossa tai pelkästään sähköntuotannossa. Sen etuna verrattuna Rankine- prosesseihin on se, että lämmönlähde voi olla matalammassa lämpötilassa. Tämä pe- rustuu siihen, että kiertoaineena on veden asemesta orgaaninen aine.
ORC-voimaloiden kyky hyödyntää matalalämpöisiä lämmönlähteitä sähköntuotannos- sa voidaan perustella kuvalla 2.1, jossa lämmönlähteenä on savukaasu. Kuvasta näh- dään, että veteen verrattuna orgaanisen aineen lämpötila noudattelee paremmin läm- mönlähteen lämpötilaa.
Lämpötila
Kokonaisentalpia
Savukaasu Orgaaninen aine Vesi
Kuva 2.1. Periaatteellinen lämpötiladiagrammi.
Orgaanisen aineen ja veden eroavaisuus johtuu latentista lämmöstä. Koska orgaanisen aineen suhteellinen latentti lämpö on pienempi kuin veden, sen höyrystymiseen kuluu vähemmän energiaa. Kuvassa 2.1 orgaanisen aineen ja veden höyrystyminen nähdään horisontaalisena suorana. Vesi vaatii enemmän lämpöä höyrystyäkseen, mikä näkyy pidempänä horisontaalisena suorana verrattuna orgaaniseen aineeseen. Tästä syystä veden loppulämpötila jää alhaisemmaksi kuin orgaanisen aineen ja käyttämällä orgaa- nista kiertoainetta prosessilämpötila saadaan lähemmäksi lämmönlähteen lämpötilaa (Heinimö & Jäppinen 2005, 11).
ORC-prosessi on periaatteeltaan samanlainen kuin Rankine-prosessi. Prosessiin sisältyy lämmöntuonti, paisunta, lauhdutus ja paineen nosto. Ideaalinen prosessi on esitettynä T,s-tasossa kuvassa 2.2, josta nähdään kiertoprosessin vaiheet:
1 - 2 Tulistuneen höyryn paisuminen turbiinissa 2 - 3 Höyryn tulistuksen poisto rekuperaattorissa 3 - 4 Höyryn lauhtuminen nesteeksi
4 - 5 Paineen nosto pumpuissa
5 - 6 Lämmitys höyrystymispisteeseen rekuperaattorissa ja höyrystimessä 6 - 7 Höyrystyminen kattilassa/höyrystymisessä
7 - 1 Tulistuminen kattilassa/höyrystimessä
Lämpötila
Entropia
1
2
4 3 5
6 7
Kuva 2.2. ProsessiT,s-tasossa.
Mitä lähempänä piste 6 on kriittistä pistettä, sitä vähemmän tarvitaan lämpöä kier- toaineen höyrystymiseen. Kriittisen pisteen läheisyydessä väli 6 - 7 lähestyy nollaa.
2.2 Pääkomponentit
ORC-voimalan prosessikaavio on esitettynä kuvassa 2.3. Kuvasta käy ilmi laitoksen pääkomponentit, jotka ovat turbiini, generaattori, rekuperaattori, lauhdutin, syöttö- pumppu ja höyrystin. Rekuperaattoria käytetään vain hyötysuhteen nostamiseksi; se ei ole prosessin toiminnan kannalta välttämätön komponentti.
H
T GSKin
SKout
1
2
3
4
5 6
Kuva 2.3. ORC-energiamuuntimen periaatteellinen prosessikaavio. Prosessin pääkompo- nentit ovat 1: turbiini ja generaattori, 2: rekuperaattori, 3: lauhdutin, 4: syöttöpumppu ja 6: höyrystin.
2.2.1 Turbiini
Suurissa voimalaitoksissa turbiini koostuu useista perättäisistä roottori- ja staattori- hiloista eli vaiheista. ORC-prosessissa sen sijaan turbiinit ovat pienen tehokokoluo- kan ja käyttövarmuuden vuoksi usein yksivaiheisia. Käytettävä turbiinityyppi riippuu kiertoaineen ominaisuuksista ja käyttökohteesta. Ominaista ORC-turbiineille on suuri painesuhde ja kiertoaineen pieni ominaisentalpian muutos.
ORC-laitoksilla on jo lähtökohtaisesti alhainen hyötysuhde verrattuna Rankine-pro- sessiin, koska käytettävät lämpötilatasot ovat matalampia. Turbiinin toiminnalla on suuri vaikutus laitoksen hyötysuhteeseen, joten se tulee suunnitella tarkasti sovellus- kohteen mukaan (Fiaschi, Manfrida & Maraschiello 2015, 517). Toisaalta pienitehoi- silla laitoksilla on jo lähtökohtaisesti heikompi kokonaishyötysuhde, jolloin turbiinin hyötysuhteen vaikutus kokonaishyötysuhteeseen jää vähäisemmäksi kuin suuritehoi- silla laitoksilla. Pienikokoisten radiaali- ja aksiaaliturbiinien hyötysuhde on heikompi kuin isokokoisten suurempien suhteellisen pinnankarheuden, suhteellisen kärkivälyksen ja suhteellisen jättöreunan paksuuden vuoksi (Weiß 2015, 4).
Käytettäessä radiaaliturbiinia ominaispyörimisnopeuden tulee olla yli 0,3 - 0,5 tehok- kaan toiminnan kannalta (Larjola 2011, 218). Kyseisen ehdon täyttämiseksi roottorin pyörimisnopeus kasvaa liiaksi käytettäessä vettä kiertoaineena, mutta orgaanisia ainei- ta käytettäessä pyörimisnopeus pysyy teknisesti hyväksyttävissä rajoissa. Nyrkkisään- tönä on, ettei radiaaliturbiinin kehänopeus saa olla suurempi kuin 600 m/s (Larjola 2003, 20). Mitoituspisteessä kehänopeus u riippuu isentrooppisesta entalpianputoami- sesta ∆hs yleensä yhtälön 2.1 mukaisesti (Ibid.)
u= 0.69
q
2∆hs (2.1)
Orgaanisilla aineilla on usein matala äänennopeus. Virtauksen nopeuden tulisi kui- tenkin olla noin 250 m/s hyvän hyötysuhteen saavuttamiseksi, joten ORC-turbiineissa virtaus on usein ylisoonista siitä johtuvista ongelmista huolimatta (Larjola 2011, 219).
Turbiinin läpi kulkevan kiertoaineen massavirran on oltava suuri halutun tehon saami- seksi. Koska tilavuusvirta kasvaa massavirran kasvaessa ja turbiinin siiven suhteellinen korkeus riippuu tilavuusvirrasta, turbiinisuunnittelua voidaan helpottaa kasvattamalla siiven suhteellista korkeutta (Larjola 2011, 218).
ORC-turbiineissa tilavuusvirran suhde turbiinin yli voi vaihdella muutamasta tuhan- teen. Tilavuusvirtojen suhde on pieni matalilla lämpötilatasoilla tai toimintapisteen
ollessa lähellä kriittistä pistettä. Tilavuusvirtojen suhde on suuri, kun toimitaan kor- keilla lämpötilatasoilla tai kun kiertoaineen molekyylirakenne on monimutkainen. Suuri tilavuusvirtasuhde yhden vaiheen yli nostaa virtauksen nopeuden korkeaksi staattorin ulostulossa ja aiheuttaa liiallista vaihtelua siiven korkeuteen. Epätavalliset arvot ti- lavuusvirtasuhteessa estävät konventionaalisten, reaktioasteella 0,5 olevien vaiheiden käytön ja vaikuttavat voimakkaasti nopeuskolmioihin. Jos fluidin paisunta alkaa kriit- tisen pisteen läheisyydessä, reaalikaasun käyttäytyminen voi vaatia epäkonventionaa- lisen siiven keskikanavan suunnittelun. (Invernizzi 2013, 135.)
ORC-prosessissa lämpötilatasot ovat alhaiset verrattuna Brayton-prosessiin, joten tur- biinin lämpötilankestoon ei tarvitse kiinnittää samalla lailla huomiota. Koska turbiinia ei tarvitse valmistaa kuumalujasta metallista tai päällystää, ovat valmistuskustannuk- set alhaisemmat. Rakenne on yksinkertaisempi verrattuna kaasuturbiineihin, koska sii- pien sisäisiä jäähdytyskanavia ei tarvitse tehdä. Lisäksi valitsemalla kiertoaine siten, että paisunta tapahtuu kokonaan tulistuneen höyryn alueella kaikissa toimintaolosuh- teissa, vältetään kostean höyryn aiheuttama turbiinin kuluminen.
2.2.2 Rekuperaattori
Rekuperaattori on lämmönsiirrin, jossa turbiinilta tuleva tulistunut höyry luovuttaa lämpöä höyrystimelle menevään nesteeseen. Rekuperaattorin käyttö nostaa prosessi- hyötysuhdetta, koska lämmöntuonnin tarve höyrystimessä pienenee. Prosesseissa, jos- sa kiertoaineen korkeimman ja matalimman lämpötilan ero on suuri ja molekyylira- kenne on monimutkainen, rekuperaattorin käyttö nostaa hyötysuhdetta dramaattisesti (Invernizzi 2013, 137.)
Rekuperaattorille tulevan lämmittävän höyryn tulee olla tulistunutta. Höyryn konden- soituminen rekuperaattorissa nestefilmiksi lämmönsiirtopinnoille kasvattaa painehä- viöitä. Toisaalta lämmönsiirtopinnalle kondensoitunut fluidi voi heikentää lämmönsiir- rinmateriaalin rajakerroksen termistä vastusta tehostaen lämmönsiirtoa. Mikäli kon- densoitumista voidaan olettaa tapahtuvan, tulisi höyryfaasin virrata ylhäältä alaspäin.
Tällöin kondensoituneet pisarat valuvat painovoiman vaikutuksesta rekuperaattorin pohjalle, josta neste voidaan poistaa.
Rekuperaattoreissa kaasu- tai höyrypuolen lämmönsiirtokerroin on 1 - 10 % neste- puolen vastaavasta. Jotta molempien puolien kokonaislämmönsiirtokerroin olisi samaa luokkaa, on kaasu- tai höyrypuolella käytettävä ripoja lämmönsiirtopinta-alan kasvat- tamiseksi. Tyypillisesti lämpöä siirretään kaasusta nesteeseen ripaputkilämmönsiirti-
min. (Aoun 2008, 74.)
Vastavirtalämmönsiirtimenä toimiva rekuperaattori on termodynaamisesti tarkasteltu- na tehokkain rakenne. Tehokas vastavirtalämmönsiirrin on kuitenkin hankala valmis- taa, mikäli kahden fluidin tilavuusvirrat ovat hyvin erisuuret. (Invernizzi 2013, 137.) Tutkimuksen kohteena olevassa koelaitoksessa käytetään rekuperaattorina vastavirta- periaatteella toimivaa levylämmönsiirrintä. Kuuman ja kylmän puolen fluidien tila- vuusvirtojen ero näkyy hyvin kuvassa 2.4. Nestefaasissa fluidin vaatima virtauspoikki- pinta-ala on pieni, kun taas kaasufaasissa virtauspoikkipinta-alan tarve on suuri. Kuu- ma höyry paisuu hieman rekuperaattorissa, jolloin sen tilavuusvirta kasvaa tiheyden pienentyessä, joten poistuessaan se vaatii suuremman virtauspoikkipinta-alan. Mikä- li virtauspoikkipinta-ala pidettäisiin vakiona, virtauksen nopeus kasvaisi, mikä lisäisi painehäviöitä.
Kuva 2.4. Koelaitoksessa käytettävä rekuperaattori. Kylmä fluidi virtaa ohutta putkea vasemmalta oikealle ja kuuma fluidi virtaa taemmasta putkiyhteestä rekuperaattoriin ja etummaisesta ulos.
2.2.3 Lauhdutin
Lauhduttimessa kiertoaineesta poistetaan tietty lämpömäärä, jotta turbiinilta tai re- kuperaattorista tuleva höyry lauhtuu kylläiseksi nesteeksi. Kiertoaineen lämpö siirtyy
matalammassa lämpötilassa olevaan ljäähdytteeseen, joka voi olla kaasua tai nestettä.
Tyypillisesti jäähdytteenä käytetään vettä, jota on usein saatavilla runsaasti matalas- sa lämpötilassa. Tilan- tai vedenpuutteen vuoksi jäähdytteenä voidaan käyttää ilmaa, jonka jäähdytystehoa voidaan lisätä puhaltimin.
Carnot-hyötysuhteen maksimoimiseksi turbiinin yli tulisi olla mahdollisimman suuri lämpötilaero, joka lauhduttimen puolelta saavutetaan suurella jäähdytysteholla. On kuitenkin pidettävä mielessä, että suuri jäähdytysteho lauhduttimessa voi johtaa liial- liseen kiertoaineen alijäähtymiseen. Alijäähtyneen nesteen lämmittäminen rekuperaat- torissa ja höyrystimessä vaatii lämpöä, jolloin höyrystyneen fluidin lämpötila jää al- haisemmaksi. Tällöin systeemistä saatava nettoteho ja prosessihyötysuhde pienenevät.
(Wei et al. 2007, 1115.)
Vesijäähdytteisissä lauhduttimissa orgaanisia kiertoaineilla kokonaislämmönsiirtoker- roin on välillä 300 - 1200 W/m2K, kun taas höyryllä vastaava on 1500 - 4000 W/m2K.
Pieni lämmönsiirtokerroin vaatii suuren lämmönsiirtoalan. ORC-lauhduttimen kokoa kasvattaa myös turbiinilta tai rekuperaattorilta tuleva suuri tilavuusvirta, joka vaatii suuren poikkipinta-alan. Tarvittavasta poikkipinta-alasta saa käsityksen kuvasta 2.5, jossa rekuperaattorilta tuleva putkiyhde on melkein lauhduttimen levyinen. Lauhdutti- men kokoa rajoitetaan käyttämällä evitettyjä putkia, jotka lisäävät lämmönsiirtoalaa.
(Invernizzi 2013, 136.)
Kuva 2.5. Rekuperaattori ja lauhdutin.
Ympäristön lämpötilalla on vaikutus systeemin nettotehoon, mikäli lauhdevesi jääh- dytetään ilmalla puhaltimien avulla. Esimerkiksi Wein (2007) tutkimuksessa nettoteho vaihteli 30 % mitoitusarvosta. Systeemin mitoituksessa loppukohteen paikallinen kes- kilämpötila tulee ottaa huomioon prosessin toiminta-arvoihin vaikuttavana tekijnä.
Sovelluskohteesta ja paikallisesta kysynnästä riippuen lauhduttimelta poistuvan jäte- lämmön energia voidaan hyödyntää absorptiokylmäkoneissa (Wei et al. 2007, 1113).
Absorptiokylmäkoneet tarvitsevat lämmönlähteen veden jäähdytykseen. Kylmää vettä voidaan käyttää ilmastoinnissa rakennusten jäähdytyksessä tai teollisuuden prosesseis- sa.
2.2.4 Pumppu
Esisyöttöpumppua käytetään estämään pääsyöttöpumpun kavitointi. Tarvittava paine pääsyöttöpumpun sisääntulossa on tapauskohtainen; aina ei ole tarvetta esisyöttöpum- pulle. Esisyöttöpumppua pyörittää oma sähkömoottori. Esisyöttöpumpun kavitointi voidaan estää sijoittamalla se lauhdesäiliön alapuolelle tai käyttämällä ejektoripump- pua.
Pääsyöttöpumpun tehtävänä on nostaa kiertoaineen paine höyrystimen paineeseen.
Pääsyöttöpumppu voi olla samalla akselilla turbiinin kanssa tai sitä voi pyörittää säh- kömoottori.
2.2.5 Höyrystin
Höyrystimessä savukaasun sisältämä lämpö siirretään kiertoaineeseen. Tällöin kier- toaine lämpenee, höyrystyy ja tulistuu. Lämmönlähteen ja lämmitettävän fluidin vä- listä pienintä lämpötilaeroa lämmönsiirtimessä kutsutaan pinch point -lämpötilaerok- si. Pinch pointista käytetään myös nimitystä asteisuus, mutta asteisuudella voidaan tarkoittaa myös ainoastaan lämmönvaihtimelta lähtevien virtausten välistä lämpötila- eroa, joten sekaannuksen välttämiseksi tässä diplomityössä käytetään ainoastaan ter- miä pinch point.
Liian pieni pinch point -lämpötilaero johtaa heikentyneeseen lämmönsiirtoon ja suu- reen lämmönsiirtopinta-alaan, jotka lisäävät lämmönsiirtimen kustannuksia ja massaa.
Esimerkiksi 0 ◦C:en pinch point vaatisi äärettömän lämmönsiirtopinnan. Toisaalta suu- ri pinch point johtaa vähentyneeseen kokonaislämmönsiirtoon. Kustannustehokkuuden kannalta pinch pointin on oltava noin 15 ◦C:ta. Joissain tapauksissa vielä 5 ◦C:en
pinch point on taloudellisesti kannattava. (Boyle et al. 2013, 680.)
Höyrystimiä on erilaisia erilaisiin tarpeisiin. Yksinkertaisin ja varmatoiminen höyrys- tintyyppi on astiakiehuntaan perustuva. Tällaisissa höyrystimissä nestetilavuus on suu- ri, mikä tekee kuivumisvaarasta pienen. Mikäli höyrystimen nestetilavuuden tulee olla pieni, läpivirtaushöyrystin on edullisin vaihtoehto myös alikriittisillä paineilla. (Inver- nizzi 2013, 136.)
Tässä tutkimuksessa höyrystimenä käytettiin kuvassa 2.6 esitettävää vastavirtaperi- aatteella toimivaa levylämmönsiirrintä. Ominaista levylämmönsiirtimille on suuri läm- mönsiirtopinta-ala pienessä tilassa verrattuna vastaavaan käyttöön tarkoitettuihin put- kilämmönsiirtimiin.
Kuva 2.6. Koelaitoksessa käytetty höyrystin kahdesta suunasta kuvattuna. Vasemman- puoleisessa kuvassa näkyy lämmitettävän fluidin yhteet. Oikeanpuoleisessa kuvassa näkyy savukaasun liitos höyrystimeen. Lämmitettävä fluidi virtaa alhaalta ylös ja savukaasu yl- häältä alas.
Levylämmönsiirtimet voivat olla vastavirta-, myötävirta- tai ristivirtalämmönsiirtimiä riippuen levyjen asettelusta lämmönsiirtimen sisällä. Levyjen muodostamat primääri- ja sekundaarivirtauskanavat vuorottelevat levypakassa tehostaen lämmönsiirtoa.
Levypuolen virtaus kulkee lämmönsiirtimen läpi levyissä olevien kanava-aukkojen kaut- ta. Vaippapuolen virtaus saapuu lämmönsiirtimeen vaipassa olevan yhteen tai yhteiden kautta. Virtaus johdetaan levypakan läpi virtausohjainten avulla ja poistetaan vaipasta lähtevän yhteen tai yhteiden kautta. Fluidit eivät ole fysikaalisessa kontaktissa keske- nään missään vaiheessa.
Höyrystin, rekuperaattori ja lauhdutin ovat kaikki lämmönsiirtimiä. Lämmönsiirtopin- nat voivat turmeltua fluidin sisältämien epäpuhtauksien, ruostumisen tai jonkin muun fluidin ja lämmönsiirtopinnan välisen reaktion johdosta, mikä lisää lämmönsiirtovas- tusta Rf (Incropera et al. 2006, 673). Rf:n arvo riippuu toimintalämpötilasta, fluidien nopeudesta ja lämmönsiirtimen iästä (Ibid.). ORC-laitosten lämmönsiirrinten materi- aalivalinnat ja mitoitus tulee tehdä siten, että Rf pysyy ajan suhteen suunnilleen va-
kiona, jotta huollon tarve olisi mahdollisimman vähäinen. Lämmönsiirtimen suunnit- teluun vaikuttavat monet eri lähtöarvot, ilmiöt ja suunnitteluarvojen valinnat, joiden yhteys toisiinsa on esitettynä tarkemmin kuvassa 6.1.
2.3 Lämmönlähteet
ORC:lle on ominaista, että periaatteessa mikä tahansa ulkoinen lämmönlähde voidaan hyödyntää, kunhan lämmönlähteen ja lämpönielun välinen lämpötilaero on välillä 30 - 500 ◦C (Colonna et al. 2015, 3). ORC-voimalan etuja hukkalämmön hyödyntämisessä ovat joustavuus asennuskohteen mukaan, korkea turvallisuustaso ja vähäinen huollon tarve. ORC-voimala ei vaadi miehitystä, mistä syystä valvomo voidaan sijoittaa etääl- lekin.
Yleisesti ORC:tä on käytetty hyödyntämään geotermistä lämpöä, aurinkoenergiaa, teollisuuden hukkalämpöä tai polttomoottoreiden ja kaasuturbiinien savukaasujen läm- pöä sähköntuotannossa. Biokaasu ja -massa soveltuvat myös lämmönlähteeksi.
Useimpien teollisuusprosessien ja voimalaitosten savukaasut ovat alle 370 ◦C lämpöti- lassa, mistä syystä niiden sisältämää lämpöä ei voida hyödyntää konventionaalisin me- netelmin. Teollisuudessa kuitenkin vapautuu merkittäviä määriä ORC-prosessin läm- mönlähteeksi sopivaa hukkalämpöä. Esimerkiksi pelkästään Italiaan voidaan asentaa 500 kW - 5 MW ORC-energianmuuntimia metalli-, sementti- ja lasiteollisuuden kohtei- siin 130 MW edestä, millä voitaisiin saavuttaa vuodessa jopa 1 TWh:n sähköntuotanto (Invernizzi 2013, 117). Vastaavanlainen tutkimus on tehty Suomestakin. Sen mukaan teollisuuslaitoksissa syntyy vuodessa 54,4 TWh hukkalämpöä, josta olisi huomattava osa hyödynnettävissä (MOTIVA 2015, www-sivut).
Voimalaitoksen hukkalämpövirtojen hyödyntäminen nostaa laitoksen sähköntuotan- non hyötysuhdetta. Toisin sanotusti saman sähkötehon tuottamiseksi tarvitaan vä- hemmän polttoainetta. Mitä korkeampi käytettävän polttoaineen hinta on, sitä kan- nattavammaksi tulee ORC-energianmuuntimen liittäminen prosessiin hukkalämpövir- tojen muuntamiseksi sähköenergiaksi (Hung, Shai & Wang 1997, 661). Lisäksi hukka- lämmön käyttäminen lämmönlähteenä voimalaitoksissa vähentää haitallisia päästöjä kuten CO2, NOx ja SOx tuotettua tehoa kohti. (Wei et al. 2007, 1113.)
Polttomoottoreiden ja kaasuturbiinien savukaasujen hyödyntäminen nostaa laitoksen kokonaishyötysuhdetta. Suurilla kaasuturbiini- ja polttomoottorilaitoksilla ORC-pro- sessi voidaan sijoittaa hyödyntämään savukaasuja. Toisaalta mikäli kaasuturbiinin teho
on alle 5 - 7 MW tai polttomoottorilaitoksen teho on alle 8 - 12 MW, Rankine-proses- silla on hankalaa saavuttaa hyvä hyötysuhde. Tällöin ORC-prosessi kannattaa sijoittaa pääkierroksi taloudellisempana vaihtoehtona. (Larjola 2011, 209.)
Ajoneuvojen polttomoottoreiden hyötysuhteet ovat tyypillisesti 30 - 35 %, jolloin yli 60 % polttoaineen energiasisällöstä häviää hukkalämpönä 300 - 400 ◦C lämpötilassa savukaasuina ja moottorin jäähdytteen mukana (Tchance et al. 2014, 1192). Yhdysval- tain energiainformaatio-viraston (EIA) mukaan liikenteessä kului vuonna 2014 päivässä noin 92 miljoonaa tynnyriä öljyä (EIA, Taulukko 3d, 34), mikä vastaa noin 179 000 pe- tajoulea vuodessa. Hukkalämpöä vapautui noin 107 000 PJ. Vertailun vuoksi vuonna 2013 koko Suomen primäärienergian kulutus oli 1313,2 PJ (Tilastokeskus 2015) ja vuon- na 2012 koko maailman primäärienergiankulutus oli 554 000 PJ (IEA 2014b, 24). Siten hukkalämpöä vapautuu liikenteessä vuoden aikana viidennes koko maailman energian- kulutuksesta. Ajoneuvoihin sijoitettavalla mikro-ORC-energianmuuntimella voitaisiin vähentää vapautuvan hukkalämmön määrää ja pienentää polttoainekustannuksia.
Hajautetussa energiantuotannossa käytetään nykyisin usein polttomoottoreita tuotta- maan sähköä niiden luotettavuuden, matalan ominaishinnan ja korkean sähköntuotan- non hyötysuhteen vuoksi. Muutamia ORC-yksiköitä on asennettu hyödyntämään polt- tomoottoreiden savukaasujen hukkalämpö sähköntuotannossa. (Vaja & Gambarotta 2010, 1084 - 1085.)
Mikäli polttoaine sisältää rikkiä, lämmöntalteenottokattilaa suunniteltaessa on otet- tava huomioon, ettei savukaasun lämpötila saa laskea rikkihappokastepisteeseen asti metallin syöpymisen välttämiseksi. Maakaasukäyttöisellä diesel-moottorilla savukaasut voitaisiin jäähdyttää alhaisempaan lämpötilaan. (Reunanen et al. 2000, 12). Toinen huomioon otettava seikka on että, että raskasta polttoöljyä poltettaessa savukaasun joukossa on voiteluöljyjäämiä ja nokea, jotka likaavaat lämmönsiirtopintoja ja lisäävät nokipalon riskiä (Reunanen et al. 2000, 17). Lisäksi dieselin sykkivä savukaasuvirta voi aiheuttaa väärinmitoitetussa kattilaputkistossa väsymismurtumia (Ibid.).
2.4 Kiertoaine
Kiertoaineen valinta vaikuttaa systeemin termodynaamiseen tehokkuuteen ja kaikkiin systeemin komponentteihin. (Colonna et al. 2015, 2). ORC-voimalan tehokkuus riippuu käytettävän fluidin kiehumispisteestä, kriittisestä paineesta ja molekyylipainosta (Lee, Tien & Shao 1993, 409.)
Fluidin molekyylimassa vaikuttaa kriittiseen lämpötilaan ja paineeseen. Yleisesti mo- lekyylimassan kasvaessa kriittinen lämpötila kasvaa, mutta kriittinen paine pienenee (Uusitalo 2014, 49). Tästä syystä kiertoaineen valinnassa joudutaan tekemään kompro- missi kriittisen paineen ja lämpötilan suhteen. Kumpikaan ei saisi olla korkea, mutta molekyylimassan tulisi silti olla suuri turbiinin koon ja hyötysuhteen vuoksi.
Kiertoaineella on tiettyjä ominaisuusvaatimuksia. Colonnan et al. (2015) mukaan ide- aalisen kiertoaineen tulee olla kustannustehokas, myrkytön, palamaton, termodynaa- misesti ja kemiallisesti vakaa, yhteensopiva prosessikomponenttien kanssa, hyvät läm- mönsiirto-ominaisuudet omaava ja sen on toimittava myös voiteluaineena. Ideaalisella kiertoaineella ei saa olla ilmastonmuutospotentiaalia (GWP) tai otsonikerrosta tuhoa- vaa potentiaalia (ODP), mikä on linjassa Montrealin pöytäkirjan kanssa. Lisäksi jos kiertoainetta käytetään generaattorin jäähdytyksessä, on sen oltava sähköä johtamaton ja yhteensopiva generaattorissa käytetyn hartsin kanssa.
ORC:n kiertoaineella tulee olla prosessin lämpötasojen suhteen sopiva höyrystymispis- te. Yleisesti ottaen kiertoaineella tulisi olla matala kriittinen paine ja matala lämpö- tila, jotta kyllästyskäyrä olisi muodoltaan edullinen. Muita hyvän ORC-kiertoaineen ominaisuuksia ovat saatavuus, pieni ominaistilavuus ja matala viskositeetti ja matala pintajännitys. (Maizza & Maizza 2001, 382.)
Usein on tingittävä joistain ideaalisen kiertoaineen ominaisuuksista. Valitsemalla mo- lekyylirakenteeltaan yksinkertainen kiertoaine joudutaan turbiinin kierrosnopeus mi- toittamaan suureksi ja koko pieneksi, mikä johtaa mahdollisesti heikompaan hyötysuh- teeseen. Toisaalta mainitunlaisen kiertoaineen käyttö voi poistaa joissain sovelluksissa rekuperaattorin tarpeen, jolloin lauhduttimesta saataisiin kompaktin kokoinen ja yli- ilmakehän-paineinen. (Colonna et al. 2015, 3.)
Kiertoaine voidaan valita siten, että sen lauhtumispaine lauhduttimen lämpötilassa on lähellä ilmakehän painetta tai korkeampi. Tällä lailla turbiinin siivistä voidaan tehdä lyhemmät eikä ilman tunkeutumisen systeemiin vaaraa ole.
Öljyvoidelluissa turbiineissa tiivisteet on suunniteltava huolellisesti, sillä öljyn sekoittu- minen kiertoaineeseen heikentää orgaanisen fluidin lämmönsiirtokykyä. Öljy voi myös heikentää fluidin termistä ja kemiallista vakautta.
2.4.1 Kyllästyskäyrä ja ryhmäjako
Kyllästyskäyrä on kaikkein tärkein kiertoaineen ominaisuus. Kyllästyskäyrän muodos- ta riippuu systeemin tehokkuus, fluidin käyttökelpoisuus ja prosessissa käytettävien laitteiden ominaisuudet. (Hung et al. 1997, 662.)
Kiertoaineet voidaan jakaa kolmeen eri luokkaan niidenT,s-diagrammiin piirretyn kyl- lästyskäyrän perusteella. Kuivilla fluideilla on positiivinen käyrä, isentrooppisen käy- rän omaavat fluidit kuuluvat isentrooppisten fluidien luokkaan ja negatiivisen käyrän omaavat fluidit ovat märkiä fluideja. Kuvaan 2.7 on piirretty esimerkit kunkin luokan kyllästyskäyrästä.
Lämpötila [°C] Lämpötila [°C]
Entropia [kJ/kgK]
Lämpötila [°C]
Entropia [kJ/kgK]
Entropia [kJ/kgK]
a) b) c)
Kuva 2.7. Märän (kuva a), isentrooppisen (kuvab) ja kuivan (kuva c) fluidin kyllästys- käyräT,s-diagrammissa.
Höyryfaasissa oleva kiertoaine paisuu turbiinissa. Paisunnassa lämpötila laskee ja ent- ropia kasvaa. Kuivalla fluidilla paisunta päättyy tulistuneelle alueelle, jolloin voimalai- tosprosessissa on mahdollista käyttää hyötysuhdetta nostavaa rekuperaattoria. Höyry- voimalaitoksissa käytettävä vesi on märkä fluidi, joten rekuperaattoria ei voida käyt- tää.
Märillä fluideilla on usein pieni molekyylimassa. Lisäksi suhteellinen entalpian muutos paisunnassa on suurempi kuin kuivilla tai isentrooppisilla fluideilla, jolloin turbiinista tulee tehdä monivaiheinen. Kuivilla ja isentrooppisilla fluideilla on korkeampi molekyy- limassa ja pienempi entalpianmuutos paisunnassa, jolloin voidaan käyttää yksivaiheista turbiinia. (Hung et al. 1997, 662.)
Kiertoaineet voidaan jakaa niiden kemiallisten ominaisuuksien perusteella neljään eri ryhmään. Taulukossa 2.1 on esitelty eräitä positiivisen kyllästyskäyrän omaavia or- gaanisia aineita, jotka kuuluvat kolmeen ensimmäiseen ryhmään. Kiertoaineiden neljä ryhmää ovat:
– Klooratut hiilivedyt ja halogenoidut hiilivedyt (CFC-yhdisteet), esim R-134a – Hiilivedyt tai osittain korvatut hiilivedyt, esim pentaani, butaani ja tolueeni
– Siloksaanit – Muut nesteet
Taulukko 2.1. Orgaanisten yhdisteiden nestefaasin ominaisuuksia. Suluissa olevat lukuar- vot ovat referenssilämpötiloja (Tref [◦C]). H-lausekkeiden selitteet ovat liitteessä I.
Orgaaninen yhdiste R-134a Tolueeni n-Pentaani MDM Molekyylikaava C2H2F4 C7H8 C5H12 C8H24O2Si3
Molekyylimassa [g/mol] 102 92,1 72,1 236,5
Kriittinen paine [bar] 4,6 41,3 33,7 14,2
Kriittinen lämpötila [◦C] 101,1 318,6 196,6 290,9 Tiheys [t/m,3] 1,29 (0) 0,87 (20) 0,63 (20) 0,82 (20)
Sulamispiste [◦C] -101 -95 -130 -82
Kiehumispiste [◦C] -26,5 110,6 36 152,6
Leimahduspiste [◦C] - 4 -49 34,4 cc
Itsesyttymispiste [◦C] - 480 260 350
Syttymisraja ilmassa - 1,1 - 7,1 1,1 - 8,7 -
Viskositeetti [mPas] 0,271 (0) 0,56 (25) 0,224 (25) 0,82 (25) Om.lämpökapasiteetti (kJ/kgK] 1,34 (0) 1,71 (25) 2,32 (25) 1,42 - 1,63 (25)
GWP (100a) - 1300 0 <15 ?
ODP - 0 0 0 ?
Vaarallisuus (H-koodi) H280 H225, H304, H224, H304, H226 H315, H336, H336, H411,
H361d, H373 EUH066
2.4.2 Siloksaanit
Tässä kappaleessa on lyhyt esittely siloksaaneista, sillä tutkimuskohteena olleessa mikro- ORC-laitoksessa käytettiin kiertoaineena MDM-nimistä siloksaania. MDM on esitelty tarkemmin kappaleessa 4.1.
Siloksaanit ovat läpinäkyviä, hajuttomia, matalan viskositeetin omaavia ja ei-myrkyllisiä fluideja. Ne koostuvat vuorottelevista happi- ja pii-atomeista, joista jokaiseen pii- atomiin on kiinnittynyt kaksi tai kolme metyyli-ryhmää. Siloksaaneja käytetään sekä kosmetiikka- että energiateollisuudessa sekä lämmönsiirtofluideina (Colonna, Nannan
& Guardone 2008, 115).
Siloksaanit voivat olla syklisiä tai lineaarisia (Fernández 2011, 5240). Vaikka syklisten siloksaanien terminen stabiilius saattaa olla parempi kuin lineaaristen, on lineaarisilla siloksaaneilla muita etuja, jotka puoltavat niiden valintaa kiertoaineeksi. Esimerkiksi Turboden on ORC-energianmuuntimien valmistaja, joka käyttää kiertoaineena lineaa- risia siloksaaneja.
Siloksaanien termistä stabiiliutta voidaan korottaa kiertoaineen ja ORC-prosessin puh- taudella. Koska ilmassa olevat vesi ja happi voivat toimia katalyyttina aiheuttaen po- lymerisoitumista, tulee ne saada pois prosessista mahdollisimman hyvin. Ensivaiheessa prosessin pinnat tulee puhdistaa mahdollisimman hyvin, käyttöönotossa ilma tai muut kaasut ja vesi tulee poistaa prosessista ja lopuksi prosessin tiiveydestä on huolehdittava.
Siloksaania käytettäessä höyryn lämpötila turbiinin jälkeen on korkea. Vaikka höy- ry johdetaan rekuperaattoriin, lauhduttimesta vapautuu paljon hukkalämpöä. Suuri hukkalämpövirta lauhduttimessa heikentää sähköntuotannon hyötysuhdetta.
2.5 Ympäristövaikutukset
Ihmisten huoli luonnon tuhoutumisesta on kasvanut Elinkeinoelämän valtuuskunnan asennemittauksien mukaan (Rohweder 2004, 24). Konventionaalinen energiantuotanto onkin ympäristöä kuormittavaa, kun taas ORC on kestävän kehityksen mukainen ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa sähköenergiaa. Lisäämällä sähkön tuotantoa ORC- laitoksilla tarvitaan vähemmän konventionaalista fossiilisia polttoaineita kuluttavaa sähköntuotantoa. Tällöin haitalliset pienhiukkas- ja CO2-päästöt ilmakehään vähene- vät. Lisäksi savukaasujen hukkalämmön voidaan ajatella olevan ympäristöön vapautu- vaa lämpösaastetta, jonka määrää voidaan vähentää ORC-prosessilla (Wei et al. 2007, 1113).
Käytön aikana ORC-laitos rasittaa luonnon kantokykyä ainoastaan siinä tapaukses- sa, että kiertoainetta tai muuta prosessissa käytettävää kemikaalia pääsisi vapautu- maan ympäristöön. Orgaaniset aineet ovat palavia ja osalla niistä on GWP- ja ODP- potentiaalit. (Reunanen A. 2000, 8.)
Ideaalista olisi käyttää myrkytöntä ja palamatonta kiertoainetta, jolloin ympäristö ei kuormittuisi vuodon sattuessa. Kiertoaineelta vaadittuja muita ominaisuuksia on kui- tenkin erittäin hankala tällöin saavuttaa, joten käytetyt kiertoaineet ovat usein palavia ja hieman myrkyllisiä (Larjola 2011, 220).
Kiertoaineen vuotoon vaikuttaa käyttöturvallisuus, joka koostuu rakenteellisten rat- kaisujen ja prosessiaineiden sekä kytkentöjen aiheuttamista riskeistä. Prosessikompo- nenttien kestävyys, putkiston lujuus ja akselitiivistykset luetaan rakenteellisiksi ratkai- suiksi. (Sarkala 2010, 26.)
Laitoksen käyttöturvallisuutta suunniteltaessa lähtökohtana tulisi olla kiertoaineen vuo-
don estäminen ympäristöön. Laitoksen eri komponenttien on kestettävä kaikki proses- sissa esiintyvät olosuhteet ja täytettävä EU:n asettaman painelaitedirektiivin 97/23/EY mukaisen paineastioita koskevan lainsäädännön vaatimukset. On huomattava, että Eu- roopan parlamentti ja neuvosto ovat asettaneet direktiivin 2014/68/EU, joka voi ai- heuttaa muutoksia direktiiviin 97/23/EY ja siten kansalliseen lainsäädäntöön.
Putkivuotoja vastaan eräs ratkaisu on käyttää kaksoisputkirakennetta, jossa kaksi put- kea ovat sisäkkäin. Kiertoaine kulkee sisemmässä putkessa ja ulommassa putkessa on ilmatila, johon kiertoaine kerääntyy sisemmän putken rikkoontuessa. Kaksoisputkirat- kaisu on kuitenkin kallis ja yksinkertaisilla teräsputkilla on saavutettu riittävä luotet- tavuus. (Heinimö & Jäppinen 2005, 23.)
Kiertoaineen valinta, mahdollinen termoöljypiiri ja suora kytkentä luetaan prosessiai- neiden ja kytkentöjen aiheuttamiin riskeihin. Herkästi syttyvää kiertoainetta käytet- täessä paloturvallisuuteen on kiinnitettävä huomiota vuototilanteen varalta. (Sarkala 2010, 26 - 27.)
2.6 Tunnusluvut
Tunnuslukujen avulla voidaan vertailla eri prosesseja keskenään. Sähköntuotannon hyö- tysuhdeηe on yksi kiinnostavimmista ja tärkeimmistä tunnusluvuista, sillä sillä voi il- maista voimalaitoksen suorituskyvyn.
Tässä kappaleessa esitellään ne tunnusluvut, joiden perusteella tutkimuskohteena ol- leen koelaitoksen suorituskykyä voidaan arvioida. Sähköntuotannon hyötysuhteen las- kentaa varten tulee selvittää höyrystimeltä kiertoaineeseen siirtyvä lämpövirta ja pro- sessin nettosähköteho. Tuotettuun sähkötehoon vaikuttaa turbiinin toiminta, generaat- torin mekaaniset, sähköiset ja magneettiset häviöt, rekuperaattorin ja lauhduttimen toiminta. Lisäksi määriteltiin turbiinin ominaispyörimisnopeus yleisenä tarkasteluna.
Tunnuslukujen laskennassa käytettyjen tilapisteiden paikat prosessikaaviossa ovat esi- tettynä kuvassa 4.5. Generaattorin toiminta on selvitetty erillisillä mittauksilla, joten sen tarkastelu on rajattu tästä tutkimuksesta pois.
2.6.1 Sähköntuotannon hyötysuhde
Sähköntuottohyötysuhdeηeilmaisee, kuinka monta prosenttia prosessiin tuodusta läm- pötehosta saadaan muunnettua sähkötehoksi. Se voidaan laskea termisen hyötysuhteen
ja generaattorin hyötysuhteen tulona yhtälöllä 2.2.
ηe =ηgenηTH (2.2)
ORC-prosessin terminen hyötysuhde lasketaan saadun tehon ja tuodun lämmön suh- teesta yhtälöllä 2.3.
ηTH = Pnetto
φin,sk (2.3)
Nettoteho lasketaan vähentämällä turbiinilta saadusta tehosta pumppujen tarvitsema teho ja laakereiden aiheuttamat häviöt.
Pnetto =Pt−Pp−Phäv,l (2.4)
2.6.2 Turbiini
Turbiinin teho riippuu höyryn massavirrasta ja sen energiasisällön muutoksesta yhtälön 2.5 mukaisesti.
Pt = ˙m∆h (2.5)
jossa
Pt turbiinin teho [kW]
˙
m kiertoaineen massavirta [kg/s]
∆h ominaisentalpian muutos [kJ/kg]
Jos massavirta pidetään vakiona, saatavaa tehoa voidaan hallita vaikuttamalla tur- biinissa tapahtuvaan ominaisentalpian muutokseen. Ominaisentalpia on lämpötilan ja paineen funktio.
Turbiinin hyötysuhteen maksimoimiseksi mahdollisimman suuri osa höyryn lämpöener- giasta tulee muuntaa sähköenergiaksi. Turbiinien suorituskykä kuvataan isentrooppi- hyötysuhteella ηs, joka lasketaan yhtälöllä 2.6. Mitä lähempänäηs on 1:tä, sitä vähem- män turbiinissa on entropiaa lisääviä häviöitä.
ηs = h1−h2
h1−h2s (2.6)
jossa
h1 kiertoaineen entalpia ennen turbiinia [kJ/kg]
h2 kiertoaineen entalpia turbiinin jälkeen [kJ/kg]
h2s isentrooppisen paisunnan jälkeinen entalpia [kJ/kg]
Turbiinin isentrooppihyötysuhteen vaikutus on havainnollistettu kuvassa 2.8. Todelli- sessa prosessissa häviöitä esiintyy aina; niitä ei voida välttää. Häviöistä johtuen entropia kasvaa, mistä syystä turbiinissa tapahtuvaa paisuntaa esittävä vektori h1h2 kallistuu oikealle. Isentrooppisessa paisunnassa entropia pysyy vakiona, jolloin paisuntavekto- rin suunta on pystysuoraan alas. Isentrooppihyötysuhde on kyseisten kahden vekto- rin y-komponenttien suhde. Turbiinin tehon ollen riippuvainen entalpian muutoksesta, heikko isentrooppihyötysuhde johtaa vajaaseen tehoon.
h
s p2
p1
h1
h2s
h2
Kuva 2.8. Yksinkertaistettu esitys höyryn paisunnasta turbiinissa.
Isentrooppihyötysuhde voidaan määrittää myös ominaispyörimisnopeuden Ns ja omi- naishalkaisijan Ds funktiona erilaisille paisuntalaitteille. Tutkimuskohteena olevassa mikro-ORC-laitoksekssa olevan radiaaliturbiinin ominaispyörimisnopeuden tulisi olla välillä 0,4 - 0,7, jolloin isentrooppihyötysuhde on korkeimmillaan. Ominaispyörimisno- peus lasketaan yhtälöllä
Ns = 2πn√ qv
∆h0.75s (2.7)
jossa
Ns ominaispyörimisnopeus [-]
n pyörimisnopeus [1/s]
qv tulotilavuusvirta [m3/s]
∆hs isentrooppinen entalpiamuutos [J/kg]
Tilavuusvirta qv on massavirran ja tiheyden funktio. Massavirta saadaan laborato- riomittauksista ja tiheys voidaan laskea REFPROP:in avulla paineen ja lämpötilan
funktiona. Tilavuusvirta lasketaan yhtälöstä
m˙ =ρqv (2.8)
2.6.3 Pumput
Pumpun teho lasketaan yhtälöllä
Pp = ˙m∆h (2.9)
Oletetaan, että kiertoaine on kokoonpuristumaton neste. Tällöin ominaistilavuuden muutos paineen noustessa on merkityksettömän pieni. Siten pumpun jälkeinen entalpia ha voidaan laskea yhtälöllä
hb =ha +va(pb−pa) (2.10)
jossa
ha kiertoaineen entalpia ennen pumppua [kJ/kg]
hb kiertoaineen entalpia pumpun jälkeen [kJ/kg]
va kiertoaineen ominaistilavuus ennen pumppua [m3/kg]
pb kiertoaineen paine pumpun jälkeen [kPa]
pa kiertoaineen paine ennen pumppua [kPa]
Pumpun vaatima sähköteho lasketaan yhtälöllä Pp,e= Pp
ηmek (2.11)
2.6.4 Höyrystin
Savukaasun luovuttama lämpö höyrystimessä φin,sk voidaan laskea samoin kuin kier- toaineeseen siirtynyt lämpö.
φin,sk = ˙msk∆hsk = ˙msk(h8−h7) (2.12)
Toisaalta ominaisentalpia voidaan lausua lämpötilan T ja ominaislämpökapasiteetin cp funktiona h=cpT joten yhtälö 2.12 voidaan esittää muodossa
φin,sk = ˙mskc¯p(T8−T7) (2.13)
Diesel-moottorin savukaasuista kiertoaineeseen siirtynyt lämpö lasketaan yhtälöllä
φorc = ˙m∆hMDM= ˙m(h4−h10) (2.14)
jossa
φorc Siirtynyt lämpöteho [kJ]
˙
m Kiertoaineen massavirta [kg/s]
h10 Kiertoaineen ominaisentalpia ennen höyrystintä [kJ/kg]
h4 Kiertoaineen ominaisentalpia höyrystimen jälkeen [kJ/kg]
Höyrystimen toimintaa voidaan kuvata kattilahyötysuhteen tavoin tuodun ja siirtyneen lämmön suhteena yhtälöllä
ηhöyr = φorc
φin,sk (2.15)
2.6.5 Rekuperaattori
Rekuperaattorin toimivuutta kuvataan rekuperaatioasteella . Käyttämällä prosessi- kaavion (kuva 4.5) mukaisia pisteitä lämpötilamittauksille rekuperaatioaste lasketaan yhtälöllä
= T10−T5
T3−T5 (2.16)
2.6.6 Lauhdutin
Lauhduttimelta poistuvan lämpövirran tulisi olla samansuuruinen kuin latentin läm- mön (Yamamoto et al. 2001, 244). Jos poistuva lämpövirta on suurempi, kiertoaine alijäähtyy. Lauhduttimelta poistuva lämpötehoQout lasketaan yhtälöllä
Qout = ˙mjv(h12−h11) (2.17)
jossa
˙
mjv jäähdytysveden massavirta [kg/s]
h11 tulevan veden entalpia [kJ/kg]
h12 poistuvan veden entalpia [kJ/kg]
3 MIKRO-ORC-ENERGIANMUUNNIN
Mikro-ORC-energianmuuntimet ovat pienitehoisia ORC-voimalaitoksia. Standardi SFS- EN 50438 on määritellyt mikrotuotantolaitoksen suurimmaksi kooksi 11 kVA, mutta vakiintunutta tehorajaa sille, milloin käytetään etuliitettä "mikro" ei ole. Tyypillisesti valmistajat käyttävät etuliitettä "mikro" tehokokoluokaltaan 1 - 50 kWe olevista lai- toksista.
Mikro-ORC-energianmuuntimia on valmistettu jo 1960 -luvun alkupuolella. Harry Zvi ja Lucien Bronicki rakensivat useita Rankine-moottoreita, joissa oli kiertoaineena mo- noklooribentseeniä. Teholtaan moottorit olivat 2 - 10 kW (Invernizzi 2013, 121). Tässä luvussa esitellään nykyaikaisessa mikro-ORC-energianmuuntimessa käytettävää tek- niikkaa, mahdolliset käyttökohteet ja katselmus valmistajista.
3.1 Suurnopeustekniikka
Tyypillistä mikro-ORC-laitoksille on yksinkertainen kytkentä ja alhainen hyötysuhde.
Kiertoaineen valinnalla ja käyttämällä suurnopeustekniikkaa hyötysuhde saadaan kor- keammaksi (Larjola 2011, 213). Suurnopeustekniikaksi luetaan konstruktiot, joissa säh- kökone ja toimilaite ovat kytkettynä samalle akselille ja missä akselin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 3 000 rpm. Tyypillisesti suurnopeuskoneissa akselin pyöri- misnopeus on yli 10 000 rpm. (Larjola, Arkkio & Pyrhönen 2010, 20). ORC-prosessissa sähkökoneena on generaattori ja toimilaitteena turbiini. Käyttämällä turbiinin kierros- nopeutena yli 10 000 rpm saavutetaan korkeampi turbiinin hyötysuhde ja kompaktimpi rakenne verrattuna matalan kierrosnopeuden turbiineihin.
Tarkasteltavassa koelaitoksessa toimilaitteena käytetään radiaaliturbiinia, vaikka usein alle 10 kW mikro-ORC-energianmuuntimissa paisunta tapahtuu ruuvia pyörittäen tai mäntää liikuttaen sylinterissä (Branchini, De Pascale & Peretto 2013, 136). Tilavuuden- muutostyöhön perustuvilla toimilaitteilla on kuitenkin heikkoutena niiden geometriasta johtuva rajallinen paisuntasuhde, joka on tyypillisesti alle 10 (Lemort et al. 2013, 3).
Sovelluskohteissa, kuten ORC-laitoksissa, joissa lämmönlähteeltä saapuva pieni läm- pövirta yhdistyy suureen lämpötilaeroon, toimilaitteen korkea painesuhde voi johtaa parempaan hyötysuhteeseen (Weiß 2015, 2). Esimerkiksi tarkasteltavassa koelaitoksessa radiaaliturbiinin yli suunniteltu painesuhde on noin 120.
Käytettäessä kiertoainetta laakereiden voiteluun ei voiteluöljyä ei tarvita, jolloin kier-
toaineen terminen vakaus suurempi ja systeemi on mahdollista rakentaa hermeettiseksi (Larjola 1988, 63). Etuna ovat myös vähäiset huoltokustannukset (Larjola 1995, 227).
Hermeettisyyden takaamiseksi mahdollisimman moni liitos tulee tehdä hitsaamalla ja höyrypuolen venttiilit on varustettava asianmukaisilla tiivisteillä (Reunanen et al. 2000, 16).
Kuvassa 3.1 on esitetty suurnopeustekniikkaan perustuvan ORC-voimalan prosessi- kaavio, joka on samankaltainen kuin tavallisen ORC-voimalan vastaava. Kuten kuvas- ta 3.1 nähdään, pääsyöttöpumppu on kytketty suoraan turbiinin akseliin, joten usein tarvitaan esisyöttöpumppu estämään pääsyöttöpumpun kavitointi. Turbiinin ja pää- syöttöpumpun akselivuoto ei ole kyseisessä ratkaisussa ongelma, vaan se suuntautuu labyrinttitiivisteiden läpi suunnitellusti laakerilinjaan.
H
GSKin
SKout
1
2
3
4 5
7 6
T
8
Kuva 3.1. Suurnopeus-ORC:n periaatteellinen prosessikaavio. Prosessin pääkomponentit ovat 1: turbiini, 2: rekuperaattori, 3: lauhdutin, 4: esisyöttösyöttöpumppu, 5: pääsyöttö- pumppu, 7: höyrystin ja 8: generaattori.
Pääsyöttöpumppuna on osittaisemissiopumppu, jossa käytetään kuvassa 3.2 esitet- tyä Barske-tyyppistä impelleriä. Barske-pumpun erityispiirteenä on pystysuorat sii- vet. Epätyypillisen geometrian etuna on se, että suurella pyörimisnopeudella Barske- pumppu kykenee nostamaan väliaineen paineen korkeaksi pienelläkin tilavuusvirralla.
Kavitoinnin vähentämiseksi impellerin imupuolelle on asennettu spiraalimainen vir- tauksenohjain, joka on niin ikään esitettynä kuvassa 3.2.
Kuva 3.2. Barske-tyypin impelleri ja virtauksenohjain osina ja kokoonpantuna.
Turbogeneraattorit kytketään sähköverkkoon taajuusmuuttajan välityksellä, sillä tur- biinin ja generaattorin välissä ei käytetä alennusvaihdetta (Reunanen et al. 2000, 5).
Tyypillisen suurnopeusturbogeneraattorin akselin "yksinkertaisuus" on esitettynä ku- vassa 3.3. Hermeettisessä prosessissa vaihteistoa ei voitaisikaan käyttää. Vaihteisto vaa- tisi toimiakseen voiteluöljyn käytön, sillä orgaanisten fluidien viskositeetti on liian al- hainen käytettäväksi vaihteiston voiteluaineena (Larjola 1988, 67). Riittävän tiukan akselitiivisteen valmistaminen on erittäin hankalaa turbiinin suuren kierrosnopeuden vuoksi, joten voiteluöljy ja orgaaninen fluidi pääsisivät sekoittumaan.
Kuva 3.3. Erään suurnopeusturbogeneraattorin poikkileikkaus.
Suurnopeustekniikkaan perustuvan turbogeneraattorin akseli voidaan asettaa vertikaa- lisesti, jolloin minimoidaan radiaalisten laakereiden aloituskuorma. Samalla aksiaali-
laakereiden aloituskuorma on helppo kompensoida sopivalla painejakaumalla. Öljyt- tömässä systeemissä on kolme perusvaihtoehtoa laakereille: kiertoaineella voideltavat hydrodynaamiset laakerit, kaasulaakerit tai aktiiviset magneettilaakerit. (Larjola 1995, 228.)
3.2 Käyttökohteet
Suurnopeustekniikkaa hyödyntäviä mikro-ORC-laitteita käytetään kohteissa, joissa hyö- dynnettävissä olevaa termistä tehoa on alle 200 kW. Alhaisen hyötysuhteen vuoksi mikro-ORC-laitoksia on käytetty aikaisemmin vain erikoiskohteisiin, muun muassa sy- vänmeren sukellusveneen akkujen lataukseen. Koska tuotetun sähkön määrä on vähäi- nen, myös laitoksen hinnan tulee olla matala laajemman asiakasryhmän kiinnostuksen herättämiseksi. Hyötysuhteen noustessa ja hinnan laskiessa laitoksen mahdollisten so- velluskohteiden määrä noussee myös. Etenkin alhaisen lämpötason ORC-prosesseissa suurin haaste onkin vähentää laitoksen ominaiskustannuksia (Invernizzi 2013, 119).
Hintatason ollessa sopiva toinen tärkeä ominaisuus on luotettavuus. ORMATin valmis- tamissa mikro-ORC-laitteissa on saavutettu yli 200 000 h keskimääräräinen vikaantu- misväli (MTBF). (Larjola 2011, 213). Korkea luotettavuus korostuu haastavissa loppu- käyttökohteissa kuten miehittämättömillä öljynporauslautoilla tai öljyputkien varrella erämaassa.
Kirjallisuudessa usein esiintyviä mikro-ORC-prosessin käyttökohteita ovat toimiminen CHP-laitoksen alemman lämpötilatason kiertoprosessina, kompressorien jäähdytysnes- teen lämmön hyödyntäminen, maatiloilla syntyvän biomassan ja -kaasun poltto ja työ- koneiden sekä mikrokaasuturbiinien savukaasun lämmön hyödyntäminen. Erääksi mah- dolliseksi käyttökohteeksi mikro-ORC-laitokselle on esitetty toimiminen kotitalouksissa CHP-laitoksena. Polttoaineena voisi käyttää paikallista biomassaa tai -kaasua. Mikro- ORC-laitosta on ehdotettu myös käytettäväksi avaruusasemilla (Hung et al. 1997, 661).
100 kW mikro-kaasuturbiinin savukaasun hyödyntäminen ORC-prosessilla voi lisätä tuotettua sähköä noin 30 %, mikä voi nostaa kokonaissähköntuottohyötysuhteen jopa 40 %:in (Invernizzi 2007, 100). Pienitehoiset mikrokaasuturbiinit hyötyvät ORC:n liit- tämisestä prosessiin prosentuaalisesti enemmän kuin tehokkaammat. (Mago & Luck 2013, 1332).
Ajoneuvoihin tai työkoneisiin soveltuvalla mikro-ORC-energianmuuntimella voitaisiin vähentää polttoaineenkulutusta tuottamalla osa tarvittavasta käyttövoimasta sähköllä.
