Η παραγωγή ηλεκτρισμού ή/και θερμότητας από την καύση της βιομάζας σε σύστημα ORC αποτελεί μια σημαντική εναλλακτική στα συμβατικά συστήματα καύσης της βιομάζας, με ξεχωριστά οικονομικά και περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα.
Η θεμελιώδης διαφορά του Οργανικού Κύκλου Rankine (ORC) με τους υπόλοιπους θερμοδυναμικούς Κύκλους Rankine είναι ότι ο ORC δεν χρησιμοποιεί νερό ως κινούμενο ρευστό, αλλά κάποια άλλη κατάλληλη οργανική ουσία (εξ ου και το Οργανικός Κύκλος Rankine). Συνήθως η οργανική ουσία είναι κάποιος υδρογονάνθρακας (βουτάνιο, πεντάνιο, εξάνιο, κ.λπ.), κάποιο σιλικονούχο λάδι ή υπερφθοράνθρακας (PFC). Σε γενικές γραμμές, ένα οργανικό ρευστό συστήματος ORC πρέπει να έχει ιδιότητες όπως χαμηλό σημείο ζέσεως, χαμηλή κρίσιμη θερμοκρασία και πίεση, μικρό ειδικό όγκο, χαμηλό ιξώδες και επιφανειακή τάση, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και να είναι συμβατό-μη διαβρωτικό προς τα υλικά κατασκευής του μηχανολογικού εξοπλισμού (αντλίες, εναλλάκτες, στρόβιλος) και περιβαλλοντικά φιλικό. Σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπ’ όψιν στις ORC διεργασίες είναι οι νομοθετικοί περιορισμοί που υπάρχουν για μερικά από τα οργανικά ρευστά που χρησιμοποιούνται λόγω της καταστροφής του όζοντος που προκαλούν ή της έντασης της παγκόσμιας θέρμανσης. Αρκετά από τα ρευστά που είχαν χρησιμοποιηθεί κατά το παρελθόν ανήκουν στα Freon και τα CFC, ενώσεις που αποδεδειγμένα οδηγούν στην καταστροφή του όζοντος του πλανήτη, ενώ άλλες, όπως τα HCFC και τα HFC είναι υπεύθυνα για την μεγέθυνση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Κατά συνέπεια, η χρήση τους σε διατάξεις ORC έχει απαγορευτεί και αντ’ αυτών χρησιμοποιούνται ενώσεις όπως οι HFEs και το πεντάνιο. Σημειώνεται ότι ο τύπος της χημικής ουσίας που χρησιμοποιείται ως οργανικό ρευστό επηρεάζει και την συνολική ενεργειακή απόδοση της διάταξης ORC.
Οι πρώτες εμπορικές εφαρμογές του ORC εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και τη δεκαετία του 1980 με μεσαίας κλίμακας ισχύος συστήματα που τροφοδοτούνταν είτε από την ηλιακή ενέργεια ή από τη γεωθερμία. Πλέον περισσότερες από 200 μονάδες ηλεκτροπαραγωγής έχουν εγκατασταθεί, με συνολική ισχύ μεγαλύτερη των 1,8 GWe. Η πλειοψηφία των ORC μονάδων χρησιμοποιούν βιομάζα για την παραγωγή ενέργειας.
Η αρχή λειτουργίας των συστημάτων ORC με βιομάζα είναι παρόμοια με εκείνη του κύκλου Rankine με ατμό, εκτός του ότι αξιοποιείται οργανικό ρευστό αντί του νερού, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα:
Η θερμότητα από την καύση της βιομάζας μεταφέρεται από τα καυσαέρια σε διαθερμικό λάδι μέσω δυο εναλλακτών θερμότητας σε θερμοκρασία που κυμαίνεται από 150 μέχρι 320°C. Ακολούθως το διαθερμικό λάδι μεταφέρεται στον κύκλο του ORC, όπου θερμαίνει και εξατμίζει το οργανικό κινούμενο ρευστό σε θερμοκρασία γύρω στους 300°C. Το εξατμισμένο ρευστό στη συνέχεια εκτονώνεται παράγοντας ενέργεια, ενώ ακολουθεί η δίοδος του μέσω του κατάλληλου εναλλάκτη θερμότητας (recuperator) για την προθέρμανση νέας ποσότητας ρευστού και η συμπύκνωσή του. Έτσι μειώνεται η απαιτούμενη ποσότητα θερμότητας για την εξάτμιση του οργανικού μέσου στον εξατμιστήρα
Ο ORC προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα ως τρόπος παραγωγής ενέργειας σε μεσαίες θερμοκρασίες (μέχρι τους 370°C) μεταξύ των οποίων είναι η μεγάλη διάρκεια ζωής της μηχανής, τα χαμηλότερα κόστη συντήρησής της, η δυνατότητα πλήρους αυτοματοποιημένης λειτουργίας. Η βιομάζα αποτελεί σημαντική πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας μέσω μιας μηχανής που δουλεύει με ORC διεργασία.
Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την καύση βιομάζας με χρήση ατμοστροβίλου αποτελεί εξαιρετικά διαδεδομένη τεχνολογία ηλεκτροπαραγωγής με χρήση βιομάζας. Εντούτοις, η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι δύσκολο να υποδιαστασιοποιηθεί (downscale) συνεπώς απαντάται μόνο σε μεγάλης ισχύος μονάδες , οι οποίες απαιτούν και μεγάλες ποσότητες πρώτων υλών βιομάζας και υψηλό κόστος επένδυσης. Ο βασικός λόγος αύξησης της κατασκευής σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με ORC είναι ότι αποτελεί μια αποδεδειγμένα ώριμη τεχνολογία για την αποκεντρωμένη παραγωγή ενέργειας από στερεά καύσιμα όπως είναι η βιομάζα. Γενικά η ηλεκτρική απόδοση των σταθμών ORC κυμαίνεται μεταξύ 6 και 20% και εξαρτάται από παράγοντες όπως η ποιότητα της θερμότητας που χρησιμοποιείται και η απόδοση των επιμέρους τμημάτων του εξοπλισμού, όπως ο λέβητας, οι εναλλάκτες θερμότητας κ.λπ.
Στην περίπτωση της χρήσης βιομάζας, ένα διαθερμικό λάδι λαμβάνει τη θερμότητα των καυσαερίων και την μεταφέρει στο οργανικό ρευστό. Συνεπώς, κατά τον υπολογισμό της απόδοσης του συστήματος είναι απαραίτητο να λαμβάνεται υπόψη η απόδοση του λέβητα του διαθερμικού λαδιού.
Αν και η ηλεκτρική απόδοση των συστημάτων ORC είναι χαμηλή, εμφανίζουν ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα, όπως ότι έχουν πολύ μικρά κόστη συντήρησης και λειτουργίας.
Η βασική ανταγωνιστική τεχνολογία για την παραγωγή ηλεκτρισμού από βιομάζα είναι η αεριοποίησή της. Κατά την αεριοποίηση η βιομάζα μετατρέπεται σε αέριο καύσιμο (ονομάζεται αέριο σύνθεσης) που αποτελείται κυρίως από υδρογόνο, μονοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Το αέριο σύνθεσης καθαρίζεται από στερεά σωματίδια και άλλες προσμίξεις και καίγεται τελικά σε μηχανή εσωτερικής καύσης ή αεριοστρόβιλο.
Συγκρίνοντας τις δυο τεχνολογίες, η αεριοποίηση έχει σημαντικά υψηλότερα κόστη εγκατάστασης, λειτουργίας και συντήρησης. Παράλληλα, η ORC είναι μια απολύτως ώριμη τεχνολογία με πλήθος αναφορών σε όλο τον κόσμο, σε αντίθεση με την αεριοποίηση όπου ο αριθμός των εμπορικών τους εφαρμογών είναι ακόμα περιορισμένος.
Από την άλλη μεριά, όμως, ο βαθμός ηλεκτρικής απόδοσης της διεργασίας αεριοποίησης είναι πολύ υψηλότερος. Κατά συνέπεια, μόνο μετά από λεπτομερή μελέτη και ανάλυση όλων των παραμέτρων μπορεί να αποφασιστεί ποιο είδος επένδυσης είναι πιο συμφέρον για την κάθε περίπτωση.
ΠΗΓΗ: biomassenergy.gr
