Pompy ciepła i układy ORC

Pewną alternatywną w przypadku wszelkich wytycznych związanych z redukcją CO2 mogą być

spełnione poprzez zastosowanie innej technologii OZE – pomp ciepła lub obiegów ORC (Organic Rankine Cycle – Organiczny Cykl Rankine’a). Owe technologie wykorzystują niskotemperaturowe ciepło odpadowe do ogrzewania, wentylacji oraz podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Czynnik roboczy odgrywa zasadniczą rolę zarówno w pompach ciepła, jak i obiegach ORC poprzez bezpośredni wpływ na efektywność ich pracy. Bardzo istotnym jest określenie warunków doboru czynników organicznych pod kątem termodynamicznym i środowiskowym (Skoneczna, 2009). Pompy ciepła i układy ORC są użytkowane w energetyce. Pompy ciepła stosowane są w domach jedno- i wielorodzinnych oraz w budynkach użyteczności publicznej (przedszkola, szkoły, hotele, szpitale itp.) czy też w budynkach pasywnych w celu zaopatrywaniu w ciepło oraz ciepłą wodę użytkową. W sezonie letnim pompy ciepła mogą być stosowane do chłodzenia w budynkach. Dodatkowo, wykorzystuje się je także w odzysku ciepła technologicznego czy też w produkcji wody pitnej w instalacjach destylacyjnych. Systemy z układem ORC obejmują urządzenia z konwencjonalnej elektrowni: kocioł, turbina, skraplacz i pompa – przy czym czynnik roboczy charakteryzuje się niższą temperaturą niż woda. Dzięki temu możliwym staje się zmniejszenie temperatury parowania. Układ ORC po niewielkich zmianach może być stosowany w połączeniu z różnorodnymi źródłami ciepła, wykazuje się dużą dojrzałością technologiczną oraz umożliwia okresowe i lokalne wytwarzanie energii, co stanowi o jego dużej funkcjonalności. Obiegi ORC stosowane są w skali MW; nie sprawdzają się w skali kW (Górski, 2013). Czynniki robocze wykorzystywane w pompach ciepła i obiegach ORC powinny spełniać pewne wymagania związane z efektywnością termodynamiczną, właściwościami fizykochemicznymi,

- niski punkt krzepnięcia;

- chemiczna obojętność składników w stosunku do układu;

- wysoki poziom bezpieczeństwa w trakcie użytkowania: niska toksyczność, wybuchowość i palność; - łatwy dostęp, niska cena.

W tabeli 1.16. przedstawiono zestawienie kryteriów doboru czynników roboczych dla pomp ciepła i obiegów ORC. Należy pamiętać, iż dla tych zastosowań czynniki nieznacznie się różnią (Tchanche, 2013; Górski, 2013).

Tabela 1.16. Kryteria dobory czynników roboczych do stosowania w pompach ciepła i układach ORC

KRYTERIA Pompa ciepła ORC

Gęstość pary/cieczy ^{Wysoka na wylocie ze}

sprężarki

Wysoka na wlocie do turbiny i na wlocie do pompy

Temperatura krytyczna Wysoka Zależna od zastosowania

Energia/egzergia Wysoka sprawność Wysoka sprawność

Moc Niski pobór mocy ^{Duża moc wyjściowa, niska}

moc pompy

Wpływ na środowisko

Niskie wartości minimalnych potencjałów niszczenia warstwy ozonowej i efektu cieplarnianego

Niskie wartości minimalnych potencjałów niszczenia warstwy ozonowej i efektu cieplarnianego

Poziom bezpieczeństwa Wysoki Wysoki

Stabilność cieplna Dobra Dobra

Dostępność Łatwo dostępne Łatwo dostępne

Koszty Niskokosztowe Niskokosztowe

Czynniki robocze można podzielić ze względu na strukturę chemiczną w następujący sposób

(Lewandowski, 2010; Górski, 2013; 11):

• alkohole: metanol, etanol;

• nieorganiczne czynniki: np. ditlenek węgla, amoniak;

• HC – węglowodory nienasycone: np. propan R-290 (HC-290) i n-butan R-600 (HC-600);

• CFC (FCKW) – chlorofluorowęglowodory (związki węgla, w których wszystkie atomy wodoru

zostały w cząsteczce zastąpione atomami chloru i fluoru): np. R11, R12, R115, R502 oznaczane są CFC-11, CFC-12, CFC-115, CFC-502. Są to trwałe związki, rozkładają się jedyne w warstwie ozonowej, przez co są bardzo groźne dla środowiska;

• HCFC (HFCKW) – wodorochlorofluorowęglowodory (związki węgla, w których nie wszystkie

atomy wodory zastąpiono atomami chloru i fluoru): np. R22 (HCFC-22), R401A, R402A. Związki te ulegają rozkładowi w dolnych warstwach atmosfery;

• HFC – hydrofluorowęglowodory (związki organiczne, w których część atomów wodoru

zastąpiono atomami fluoru): np. R134a oznaczany jako HFC-134a, R404a, R407a; • etery i hydrofluoroetery: np. HFE7000, RE123;

• MD – siloksany (MDM-C8H24Si3O2);

• HFO – hydrofluoroolefiny (HFO-1234yf, HFO-1234ze).

Do tej pory najczęściej stosowane były freony (fluorowcopochodne węglowodorów alifatycznych) z uwagi na ich właściwości termodynamiczne. Analiza pod kątem środowiskowym wykazała jednakże

11

ich negatywny wpływ na zjawisko dziury ozonowej i efektu cieplarnianego. Wprowadzono zatem dla potrzeb ochrony atmosfery trzy wskaźniki ekologiczne (Górski, 2013):

- GWP (Global Warming Potential): globalny potencjał zdolności do tworzenia efektu cieplarnianego w odniesieniu do ditlenku węgla, dla którego GWP = 1;

- ODP (Ozone Depletion Potential): potencjał niszczenia ozonu odniesiony do freonu R11, dla którego ODP = 1;

- HGWP (Halocarbon Global Warming): potencjał efektu cieplarnianego odniesiony również do freonu R11, dla którego HGWP = 1 (rzadziej używany).

Na podstawie tych wskaźników wyeliminowano czynnik CFC z zastosowań gospodarczych. Kolejno, do roku 2030 nastąpi całkowite wycofanie innego czynnika – HCFC (Skoneczna, 2009; Lewandowski, 2010). Prace nad nowymi czynniki roboczymi wciąż trwają z uwagi na nowe normy i wymagania dotyczące bezpieczeństwa środowiska (rekomendowane czynniki naturalne) oraz wpływu na technikę (rozwiązania ograniczające zawartość czynnika w układzie oraz zapobiegające jego wyciekom) jak również przestrzeganie wskaźników toksyczności i palności. Prawdopodobnie najpowszechniej stosowana będą te czynniki, które obecnie stanowią mieszaniny kilku substancji. W przypadku obiegu ORC trwają prace nad czynnikami roboczymi, które będą dedykowane specjalnie dla tych układów w celu zastąpienia stosowanych obecnie w przemyśle. Nacisk jest kładziony na zmniejszenie wpływu na środowisko: ograniczenie oddziaływania na warstwę ozonową oraz efekt cieplarniany (GWP<100). Te kryteria zostały osiągnięte w grupie hydrofluoroolefinów, gdzie współczynnik ODP jest równy zero a GWP jest bliski zeru. Dodatkowo, badania wykazały, iż czynniki robocze z tej grupy mogą mieć porównywalny lub wyższy poziom sprawności niż stosowane obecnie związki oraz szerszy obszar zastosowań. Do tej pory w niskotemperaturowych obiegach ORC stosowano czynniki wykorzystywane w branży chłodniczej z wysokim wskaźnikiem GWP (~1000). Niedawno wprowadzono przyjaźniejsze czynniki robocze o niskich wskaźnikach GWP i ODP (Górski, 2013). Szczegółowe porównanie wartości wskaźników przedstawiono w tabeli 1.17. (Higashi, 2010; Kontomaris, 2011; Górski, 2013; Roberts, 2013).

Tabela 1.17. Zestawienie czynników roboczych z grup HFO, HFC, HCFC

HFC HCFC HFO

Czynnik roboczy

R134a HCFC-123 DR-2 HFO-1234ze HFO-1234yf

Formuła CH2FCF3 C2HCl2F3 - CHF=CH-CF3 CF3CF=CH2 ODP 0 0,02 0 0 0 GWP 1430 77 9 6 4 Temp. krytyczna, °C 102 183,7 171,3 109 95 Temp. wrzenia, °C -26 27,9 33,4 -19 -29

Istotną sprawą jest także kompatybilność czynników roboczych z istniejącymi wymiennikami ciepła, pompami, sprężarkami i ekspanderami w celu ich użytkowania. Ważne jest współdziałanie z uszczelnieniami i smarami oraz uzyskiwanie wysokich sprawności konwersji energii podczas kompresji lub ekspansji płynu lub transportu masy i ciepła. Potencjał obiegów Rankine’a przejawia się przede wszystkim w zapewnieniu racjonalniejszego wykorzystywania energii odpadowej w procesach technologicznych prowadzonych w sektorze budowniczym oraz gospodarki komunalnej. Do tych procesów zaliczyć można m.in. odzysk ciepła ze ścieków, utylizacji odpadów, systemów wentylacji, lokalne systemy mikro-kogeneracji (Górski, 2013). Obiegi ORC stosowane są w elektrowniach

poszczególnych sezonów w roku oraz wpływ na środowisko systemu pracującego w danym okresie. Dzięki takiemu podejściu uzyskuje się informacje niezbędne do optymalnej struktury systemu. Pod uwagę należy wziąć czynnik roboczy pracujący w układzie ORC, dzięki któremu zachodzi konwersja energii geotermalnej suchych skał EGS (Enhanced Geothermal System). Przykładowe obliczenia na potrzeby miasta Nyon w Szwajcarii wykonano za pomocą następujących metod LCA: Ecological Footprint, Impact 2002+ oraz Cumulative Energy Demand. Model zaprojektowanej techniki LCA przedstawiono na rysunku 1.28. (opracowanie własne na podstawie: Matuszewska, 2016).

Rys. 1.28. Poszczególne etapy oceny LCA

W pierwszym etapie skupiono się na zdefiniowaniu konfiguracji procesu tak, aby negatywne oddziaływanie na środowisko było minimalne. W tym celu, jako jednostkę funkcyjną wybrano układ 1kWh, który jest dostępny z eksploatowanych zasobów geotermalnych. Drugi etap polegał na zidentyfikowaniu każdego przepływu (wydobycia i emisji), który wpływa na proces konwersji energii. Przeprowadzona została także analiza ilościowa. Schemat przedstawiono na rysunku 1.29. (Matuszewska, 2016).

Rys. 1.29. Schemat blokowy uwzględniający przepływ wszystkich czynników mających wpływ na

środowisko w systemie EGS z układem ORC

Następnie, w trzecim etapie stworzono i zinterpretowano wskaźniki globalne uzyskane na podstawie skumulowanych danych z etapu drugiego. W założeniach oparto się na tzw. strategii wielookresowej. Obliczenia wykonano dla wszystkich okresów zapotrzebowania na ciepło tj. cykle prowadzono osobno dla lata, zimy, ostrej zimy i sezonu pośredniego w celu zaprezentowania zmian w mieście zachodzących w ciągu roku. Obliczenia przeprowadzono dla następujących czynników roboczych: benzen,

cyklobutan, izobutan, izopentan, n-butan, n-pentan, toluen. Wszystkie badane czynniki robocze wykazały się brakiem oddziaływania na środowisko, najwyższy wskaźnik uzyskał jednak izobutan. Podobnie sytuacja wyglądała w przypadku rozpatrywania efektywności energicznej, izobutan uzyskał ponownie najwyższe wartości. W rezultacie przeprowadzonych ocen LCA stwierdzono, iż dalsze kierunki badań projektowania systemów EGS powinny skupiać się wokół wpływu na środowisko, gdyż wyższe sprawności energetyczne oznaczają gorsze oddziaływanie na środowisko (Matuszewska, 2016).