Szerves Rankine-körfolyamat alkalmazási lehetőségeinek vizsgálata megújuló energiaforrások és hulladékhő hasznosítására
A szerves Rankine-körfolyamat (ORC) felépítése a hagyományos víz munkaközegű Rankine-ciklushoz hasonló, a szerves munkaközeg alkalmazása azonban annak eltérő termodinamikai tulajdonságai miatt alacsony hőmérsékletű hőforrások kihasználása esetén nagyobb hatásfokú villamosenergia-termelést és egyszerűbb kialakítást tesz lehetővé. A leggyakoribb hőforrások a napsugárzás, a geotermikus energia és a különféle ipari folyamatokból származó hulladékhő, így az ORC elterjedése alapvetően a CO2 mentes energiatermelés előmozdítását szolgálja.
Munkám során általános termodinamikai összefüggésekre alapozott modellt készítettem az ORC működésének leírására, amely megkönnyíti a rendszer jellemzőinek és az energiaátalakítás hatásfokának meghatározását. Bemutattam a különböző hőforrások eltérő jellegzetességeit, és ezek hatását is figyelembe vettem a modellezés során. Napenergia hasznosítás esetén a felhasznált napkollektor, geotermikus esetben a kút kialakítás, hulladékhő esetében pedig a mögöttes ipari folyamat bizonyos esetben igen eltérő lehet, így az elkészített modellnek a különböző kialakítások esetén, széles hőmérséklettartományban működőképesnek kell lennie. A modellek alapján Matlab segítségével szimulációs programot készítettem, amely széleskörű vizsgálatok elvégzését tette lehetővé.
A körfolyamatra és a hőforrásra vonatkozó modellek együttes alkalmazásával lehetőség nyílt a technológia több fontos paraméterének optimalizálására is. Legfontosabb ezek közül a szerves munkaközeg elgőzölgési hőmérséklete, amelynek helyes megválasztása döntően befolyásolja a rendszerrel elérhető hatásfok és kinyerhető teljesítmény értékét. Az optimális elgőzölgési hőmérséklet általában a rendelkezésre álló hőmennyiségtől is függ, így eltérő a rendszer különböző terhelési állapotaiban. Valós kialakítás esetén a rendszer teljesítménye és az elgőzölgés nyomása gazdaságosan nem változtatható egymástól függetlenül, így vizsgáltam azt is, hogy melyik terhelési állapotban célszerű optimális értékre méretezni a teljes működési idő alatt a maximális energiatermelés biztosításához.
A szimuláció segítségével megvizsgáltam a szerves Rankine-ciklust tartalmazó rendszerek hatásfokát is, melynek során az előzőekben meghatározott optimális kialakítást vettem figyelembe. A hatásfok jelentősen eltérő lehet a különböző üzemállapotokban, így a modell bemeneti adatainak a függvényében, többváltozós függvényként ábrázoltam, amely szemléletesen mutatja be a rendszer működését meghatározó legfontosabb tendenciákat. A hőforrás adatait éves szinten leíró adatbázis alapján idősoros adatként a rendszer egy adott időszakban várható teljesítménye is számítható, amely a termelt energia mennyiségének meghatározását is lehetővé teszi. A várható energiatermelés előrejelzése döntő fontosságú a gazdasági támogatás során, mivel a vizsgált kiserőművek bevételei a termelt energia értékesítéséből származnak.
Az ORC alkalmazási lehetőségeinek értékelése során a legfontosabb szempont a gazdasági megtérülés, melyet alapvetően befolyásol a beruházás költsége, valamint a rendszer várható kihasználtsága, a megtermelt energia mennyisége. A dolgozatban a gazdasági számítások elvégzésének módját, és a megtérülési időt leginkább befolyásoló tényezőket is bemutattam, amely a technológia műszaki jellemzőinek figyelembevétele mellett megmutatja, mennyire kifizetődő egy adott hőforrás villamosenergia-termelésre történő hasznosítása.
szerző
-
Mayer Martin János Dr.
gépészmérnöki
nappali alapszak
konzulens
-
Dr. Bihari Péter
egyetemi docens, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
