S postupem energetického převratu, roste zájem o decentralizované a nastavitelné výrobní jednotky. Používání odpadního tepla v průmyslových procesech může významně přispět ke zvýšení energetické účinnosti a k vytváření nízkouhlíkové elektřiny. Organic Rankine Cycle (ORC) nabízí technologické sestavení k přeměně odpadního tepla na elektřinu. Severobavorské konsorcium z Univerzity Bayreuth, OTH Amberg-Weiden a firma DEPRAG se již 7 let úspěšně zabývají vývojem systémů ORC a zejména mikro expanzních turbín v malém rozsahu výkonu pod 50 kW (elektrické).
Zpětné získání nevyužitých energetických toků, jako je teplo v odpadních plynech spalovacích motorů nebo plynových turbín, nebo odpadní teplo z průmyslových procesů, představuje slibný náznak ke zlepšení energetické účinnosti. Stávající technická řešení, jako navazující procesy s parní silou nebo turbíny jako expandéry zemního plynu, se omezují na energetické toky s teplotami přes 500°C a na výkony elektrických zařízení nad 100 kW. Pro dosažení širokého proniknutí na trh a znatelného pozitivního účinku na dnešní energetický systém je důležité také využití značného potenciálu na nízkých úrovních teplot.
Koncept: menší ORC turbína, se stejnou účinností
ORC je vhodná jako technologie pro přeměnu energie především pro tepelné zdroje s teplotami 100°C až 500°C. V zásadě se přitom jedná o dávno známý proces parní síly, nazvaný podle skotského fyzika a inženýra Williama Johna Macquorna Rankina (1820 – 1872). Na rozdíl od běžných elektráren však systémy ORC používají jako pracovní médium organické látky namísto vody. Tyto látky mají tu výhodu, že se odpařují i při relativně nízkých teplotách. V oblasti s elektrickým výkonem menším než 100 kW nejsou tyto technologie ještě dostatečně zavedeny. To je, mimo jiné, způsobeno nedostatkem úsporných mikro expandérů s generátory. Právě zde je důležitý výchozí bod pro intenzivní výzkum a vývoj spolupracujících partnerů. Na jedné straně byla vyvinuta novodobá, vysoce integrovaná turbínová jednotka s generátorem, která sestává z axiální turbíny s konstantním tlakem a s hermeticky uzavřeným synchronním generátorem (Obrázek Turbína). Dále byl vyzkoušen inovativní návrh výměníku tepla (výměník tepla Plate & Shell), pro spojení pracovního média ORC přímo s odpadními plyny. Toto opatření zabraňuje nákladným meziprocesům.
Úzká spolupráce: Bayreuth a Amberg
Na začátku let 2011 - 2013 spojil projekt „Vývoj ORC-mini elektrárny pro využití odpadního tepla“ podporovaný bavorskou nadací pro výzkum, specifické znalecké expertízy tří projektových partnerů ve více stádiích vývoje: stacionární simulace a volba pracovní látky, návrh a výrobu přímého výparníku a mikro expanzní turbíny s generátorem, koncepce předváděcího zařízení a výstavba a provoz zařízení. Zde Prof. Dr.-Ing. Andreas Weiß z OTH Amberg-Weiden vypočítal a navrhl mikro expanzní turbínu. DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG se sídlem v Ambergu vyřešil technické požadavky na výrobu mikro expanzní turbíny ORC. Nakonec byla postavena výzkumná elektrárna v Centru pro energetickou techniku (ZET) University Bayreuth pod vedením Prof. Dr.-Ing. Dietera Brüggemanna (obrázek Výzkumná elektrárna). „Intenzívní a cílená spolupráce vývojářů turbín z Ambergu a termodynamiků z Bayreuthu vedla nakonec k tomu, že bylo dosaženo elektrického výkonu 12 Kilowatt s účinností turbíny téměř 65 procent a přitom bylo možné použít teploty odpadních plynů až do 300 stupňů Celsia“, vzpomíná Dr.-Ing. Theresa Weith, která projekt zpracovávala a nyní vede tematický okruh převod tepla na ZET.
Houževnatý další vývoj: širší aplikace a flexibilní používání
Popsaný výzkumný projekt představuje první krok v houževnatém dalším vývoji technologie ORC partnery projektu. Po úspěšné konstrukci a otestování zkušební elektrárny s přímým odpařováním cyklopentanu a s mikroturbínou jako expandérem, byl v rámci dílčího projektu KoKWK „mikro expanzní turbíny s vysokorychlostními generátory pro výrobu elektřiny z odpadního tepla při kombinované výrobě elektřiny a tepla, nebo při dalších průmyslových procesech“, podporované v letech 2013 - 2016 bavorským státním ministerstvem vzdělávání a kultury, vědy a umění, vyvinut stavebnicový systém pro generátory mikro expanzních turbín. Tři různí zástupci těchto sestav byly rozsáhle měřeny na druhém zařízení ORC s pracovním médiem hexamethyldisiloxanem (MM).
Díky velmi spolehlivé nové zkušební elektrárně mohou být turbíny testovány nejen v konstrukčním bodě, ale i pod částečným zatížením a lze tak stanovit jejich provozní charakteristiky a charakteristiky účinnosti. Provedená měření dokládají další zvýšení účinnosti, takže bylo možné dosáhnout účinnosti turbíny téměř 75 %. Všichni zúčastnění vždy kladli důraz na to, aby spojili teoretické výpočty s konkrétními důkazy v laboratoři. „Mnoho publikací z těchto oborů se spokojilo s výpočty na počítači, experimentální důkazy ale scházely. My můžeme tuto mezeru uzavřít a ukázat, jaký je i v malých zařízeních ORC velký potenciál pro výrobu elektřiny“, zdůrazňuje Prof. Brüggemann.
To, že ambiciózní vytyčení cílů nebylo dosaženo pouze na vědecké úrovni, ukazuje také „Green-Energy-Turbine (GET)“ – produktová skupina firmy DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG, jejíž architektura rozhodně vychází z popsaných projektů. S pěti různými konstrukčními velikostmi lze pokrýt rozsah elektrického výkonu od 3 kW do 175 kW. Díky jednoduché konstrukci se může turbínový generátor GET rychle a s příznivými náklady přizpůsobit různým výkonům, pracovním látkám, tlakům a teplotám požadovaným v praxi a aktuálně se již nachází v terénu cca. 100 výrobků.
Navzdory dosaženému úspěchu si partneři projektu stanovili další cíle. V novém projektu, podporovaném BFS, by měli vyvinout adaptivní turbínu s variabilní geometrií a otestovat ji v e stávající výzkumné elektrárně. „Chceme dosáhnout toho, aby se turbína inteligentně a efektivně přizpůsobovala častým oblastem dílčího zatížení“ objasňuje prof. Weiß.
Kontakt
Univerzita Bayreuth
Centrum pro energetickou techniku (Zentrum für Energietechnik (ZET))
Dr.-Ing. Florian Heberle
Prof.-Rüdiger-Bormann-Strasse 1
D-95440 Bayreuth
Tel 1: 0049 921 55 6803
Tel 2: 0049 921 55 7163
Fax: 0049 921 55 6802
Email: florian.heberle@uni-bayreuth.de
Internet: www.lttt.uni-bayreuth.de
Internet: www.zet.uni-bayreuth.de
Východobavorská technická vysoká škola (Ostbayerische Technische Hochschule
Amberg-Weiden)
Fakulta strojírenství/techniky životního prostředí (Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik)
Prof. Dr. Andreas P. Weiß
Kaiser-Wilhelm-Ring 23
D-92224 Amberg
Tel: 09621/482 3327
Fax: 09621/482 4599
Email: a.weiss@oth-aw.de
Internet: www.oth-aw.de
DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG
Dagmar Dübbelde
Carl-Schulz-Platz 1
D-92224 Amberg
Tel: 09621 371-343
Fax: 09621 371-199
Email: d.duebbelde@deprag.de
