2.7.3 Organic Rankine Cycle (ORC)

Thermodynamica

De meeste bestaande elektriciteitscentrales gebruiken een zogenaamde Rankinecyclus om de elektriciteit te produceren uit brandstof. In deze cyclus wordt water verwarmd tot oververhitte stoom. De stoom expandeert vervolgens over een stoomturbine waarbij arbeid aan de turbine geleverd wordt. De turbine drijft vervolgens de elektriciteitsgenerator aan. De oververhitting van de stoom is noodzakelijk om te vermijden dat er te veel condensatie in de turbine optreedt.

Indien in plaats van water, een ander medium gebruikt wordt, dan is de oververhitting mogelijk niet meer noodzakelijk. Sommige organische vloeistoffen hebben immers de eigenschap om niet te condenseren wanneer ze zonder oververhitting in een turbine expanderen. Figuur 6 toont dit aan. De lijn die het coëxistentiegebied aan de dampzijde afbakent, kent voor vele organische fluïda een sterk naar links gebogen verloop terwijl deze curve voor stoom veel minder gebogen is. Een ideale expansie wordt in een T-s-diagram voorgesteld door verticaal naar beneden te bewegen. In het geval van pentaan, betekent dit dat we rechts van de damplijn blijven wat betekent dat er geen condensatie ontstaat. Bij stoom komen we zonder oververhitting onmiddellijk links van de damplijn terecht zodat er wel condensatie ontstaat.

Figuur 6: Links het T-s diagram van n-pentaan en rechts het T-s-diagram van stoom

Technologie

Wanneer de stoom in de rankinecyclus vervangen wordt door een organisch fluïdum zoals pentaan, hexaan, tolueen, ammoniak, …, spreekt men over de Organische Rankine Cyclus (ORC). De voordelen ten opzichte van de stoomcyslus zijn:

• organische media kunnen bij lagere temperaturen verdampen dan stoom terwijl de druk boven de atmosferische druk blijft;
• oververhitting is niet meer noodzakelijk zodat de maximale temperatuur beperkt blijft.

ORC-installaties maken het mogelijk om warmte van lagere temperatuur te gebruiken om elektriciteit te produceren. Vanaf een temperatuur van 80 °C is het mogelijk om een ORC aan te drijven en elektriciteit te laten produceren. Het rendement van de ORC is wel sterk afhankelijk van de temperatuur: des te hoger de temperatuur, des te hoger het elektrisch rendement. De elektrische rendementen bedragen al naargelang de temperatuur van de aangeleverde warmte 10…25%.

Verbranding

Rankinecycli, organisch of met stoom, worden steeds uitwendig gestookt. Daardoor kunnen ze net als de stirlingmotoren met eender welke brandstof opgewarmd worden. Ook restwarmte komt in aanmerking.

Net zoals bij de Stirlingmotoren, moet er ook hier weer rekening gehouden worden met een belangrijke opwarmtijd.

ORC in wkk-systemen

De meeste ORC worden gebouwd met de bedoeling lage temperatuurwarmte om te zetten in elektriciteit. De condensor moet dan zeer goed gekoeld worden waardoor de condensorwarmte doorgaans een te lage temperatuur heeft om nog benut te worden.

Tegenwoordig worden er echter meer en meer ORC-installaties gebouwd die met hoge temperatuurwarmte worden aangedreven (verbranding) zodat de condensorwarmte nog nuttig aangewend kan worden.

In het Verenigd Koninkrijk ontwikkeld Inergen (Energetix group, www.energetixgroup.com) momenteel een micro-wkk-systeem op basis van een ORC-cyclus. Inergen maakt gebruik van een scroll-expander welke afgeleid is van de scrollcompressoren die momenteel massaal in de airconditioning toegepast worden. Inergen ontwikkelt een ORC van 1 kWe en 9 kWth. Het elektrisch rendement bedraagt minder dan 10%.

Grotere ORC-installaties worden aangeboden door:

• Turboden: www.turboden.com
• Ormat: www.ormat.com
• Tri-O-gen ontwikkelt momenteel eveneens een modulaire ORC-installatie. Deze moet een elektrisch vermogen van max. 175 kW hebben bij een elektrisch rendement van 23%. In wkk-toepassing kan de totale brandstofbenutting oplopen tot > 90%.

Een ORC-installatie kost ongeveer 1700…4000 €/kWe.