Innowacyjne podejście do produkcji energii: ORC i jego rola w zielonej transformacji energetycznej

Transformacja energetyczna – czym jest i dlaczego ma znaczenie?

Transformacja energetyczna odnosi się do procesu, którego głównym celem jest przekształcenie gospodarek, a także istniejących systemów energetycznych w taki sposób, aby zmniejszyć ich zależność od paliw kopalnych. Kluczową ideą tego procesu jest dążenie do oszczędności energii, a także poprawy efektywności energetycznej czy choćby ograniczenia emisji szkodliwych gazów cieplarnianych do atmosfery. Obecnie transformacja energetyczna koncentruje się na maksymalnym wykorzystaniu energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii oraz racjonalnym zarządzaniu zasobami. Obejmuje ona wszystkie sektory gospodarki – od gospodarstw domowych po duże przedsiębiorstwa. Rola transformacji energetycznej szczególnego znaczenia nabrała po wybuchu wojny w Ukrainie i ograniczeniu dostaw paliw kopalnych z Rosji, co skutkowało potrzebą zapewnienia niezależności energetycznej. Kluczowe działania w tym procesie obejmują dywersyfikację źródeł energii, rozwój magazynów energii pozwalających zapewnić niezależność energetyczną oraz zagwarantowanie stabilnych dostaw energii. 

Technologia ORC (Organic Rankine Cycle) – jak działają elektrownie ORC?

Technologia ORC oparta jest na cyklu termodynamicznym podobnym do klasycznego cyklu Rankine’a. Wykorzystuje ona ciecze o niskiej temperaturze wrzenia jako medium robocze, dzięki czemu możliwe jest przekształcanie energii cieplnej z różnych źródeł takich jak ciepło odpadowe, geotermia czy energia słoneczna w energię elektryczną, nawet przy stosunkowo niskich temperaturach. Ta cecha czyni technologię ORC szczególnie atrakcyjną w kontekście zwiększania efektywności energetycznej oraz redukcji emisji CO₂.

Siłownia ORC działa na podobnej zasadzie co klasyczne elektrownie konwencjonalne, jednak zasadnicza różnica działania związana jest z wykorzystaniem czynnika roboczego. Zamiast pary wodnej wykorzystywany jest czynnik organiczny o niskiej temperaturze wrzenia. Jako źródła ciepła wykorzystuje się niskotemperaturowe nośniki, np. woda geotermalna lub ciepło odpadowe. Nośnik energii np. gorąca woda ogrzewa czynnik roboczy w zespole wymienników ciepła (podgrzewaczu, parowaczu, przegrzewaczu), pełniących rolę kotła. Para niskowrzącego czynnika uzyskana w parowaczu napędza turbinę, wykonując pracę, po czym trafia do skraplacza, gdzie ulega kondensacji i powraca do obiegu. Proces odbywa się w niższym zakresie temperatur niż w klasycznych elektrowniach.

Porównanie siłowni ORC z turbinami parowymi

Turbiny parowe:

• Zakres sprawności: 30–50% (w zależności od technologii).
• Pracują przy wysokich temperaturach i ciśnieniach (np. nadkrytyczna para powyżej 600°C i 30 MPa). 
• Znajdują one zastosowanie: elektrownie kondensacyjne, elektrociepłownie, układy kogeneracyjne.

Siłownie ORC:

• Zakres sprawności: 10–25% (ze względu na niższe temperatury)
• Praca w temperaturach: 80–300°C,
• Zastosowanie: wykorzystanie ciepła odpadowego, geotermalnego, biomasy i energii słonecznej.

Siłownia ORC może efektywnie pracować tam, gdzie klasyczne turbiny byłyby nieopłacalne.

Siłownie ORC a tradycyjne turbiny parowe – zalety i ograniczenia

Zalety technologii ORC:

• Wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł ciepła:

Turbiny parowe wykorzystują wodę jako czynnik roboczy, co wiąże się z koniecznością stosowania bardzo wysokich temperatur i ciśnień, aby osiągnąć wysoką sprawność i efektywność energetyczną. Dzięki temu znajdują zastosowanie w dużych elektrowniach przemysłowych oraz systemach elektrociepłowniczych. Natomiast siłownie ORC wykorzystując niskowrzące ciecze organiczne, mogą pracować przy znacznie niższych temperaturach niż klasyczne turbiny parowe. Pozwala to na efektywne wykorzystanie ciepła odpadowego z procesów przemysłowych, energii geotermalnej czy słonecznej, przyczyniając się do zwiększenia efektywności energetycznej i redukcji emisji gazów cieplarnianych.

• Większe możliwości w doborze czynnika roboczego:

Organiczne ciecze charakteryzują się niższymi temperaturami wrzenia oraz lepszymi właściwościami termodynamicznymi w zakresie niskich temperatur, co sprawia, że są bardziej efektywne w układach ORC.

• Lepsze rozwiązania konstrukcyjne i mniejsze koszty eksploatacji:

Turbiny parowe charakteryzują się skomplikowaną konstrukcją i wymagają użycia wysokiej jakości pary, w celu uniknięcia erozji łopatek. Żywotność turbin zależy od czystości wykorzystywanego czynnika roboczego. Układy ORC cechuje większa tolerancja na zanieczyszczenia, a turbiny w tych systemach mają prostszą konstrukcję, są bardziej odporne na zanieczyszczenia, co skutkuje dłuższą żywotnością oraz niższymi kosztami eksploatacji. Pozostałe zalety to:

• Wyższa sprawność przy niskich temperaturach źródła ciepła.
• Cichsza i bardziej bezobsługowa praca.

Wady technologii ORC:

• Niższa sprawność w porównaniu do klasycznych elektrowni.
• Konieczność stosowania specjalnych czynników roboczych:

Substancje organiczne mogą być droższe i bardziej wymagające pod względem kontroli bezpieczeństwa oraz ich wpływu na środowisko. 

• Mniejsza moc jednostkowa:

Siłownia ORC jest bardziej opłacalna w małych i średnich instalacjach, ale nie jest odpowiednia dla wielkich elektrowni.

Rola ORC w transformacji energetycznej

Technologia ORC ma potencjał, by odegrać kluczową rolę w procesie transformacji energetycznej, przyczyniając się bezpośrednio do dekarbonizacji, a także zwiększenia efektywności, związanej z wykorzystaniem dostępnych zasobów. Dzięki możliwości pozyskiwania ciepła odpadowego, jak również pracy w warunkach niskotemperaturowych, technologia ta przyczynia się do redukcji emisji CO₂, poprawy efektywności energetycznej oraz dywersyfikacji źródeł energii.

Redukcja emisji CO₂:

Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla jest jednym z priorytetów transformacji energetycznej. Dzięki wykorzystaniu systemów ORC możliwe jest użycie ciepła odpadowego pochodzącego z procesów przemysłowych, elektrowni konwencjonalnych jak również z spalin silników, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie na energię pochodzącą z paliw kopalnych. 

Zalety:

• Redukcja emisji CO₂, dzięki wykorzystaniu energii pierwotnej.
• Zwiększenie udziału energii odzyskanej w ogólnym bilansie energetycznym.
• Zastosowanie ORC przyczynia się do rozwoju niskoemisyjnych technologii, spełniając cele polityki klimatycznej Unii Europejskiej oraz globalnych strategii dekarbonizacji.

Zwiększenie efektywności energetycznej:

Technologie ORC to idealne rozwiązanie w wielu gałęziach przemysłu i energetyki:

• Wykorzystanie na drodze odzysku energii z procesów technologicznych w hutnictwie, cementowniach, zakładach chemicznych czy elektrowniach biomasowych.
• Wpływ na poprawę efektywności systemów kogeneracyjnych (CHP), w których ORC może mieć zastosowanie jako dodatkowy stopień konwersji.
• Wykorzystanie niskotemperaturowych źródeł odnawialnych, takich jak energia geotermalna czy ciepło słoneczne, zwiększając ich efektywność i opłacalność.

Zróżnicowanie źródeł energii:

Obieg ORC umożliwia wykorzystanie różnorodnych źródeł ciepła, co skutkuje większą elastycznością systemów energetycznych:

• Możliwe połączenie technologii ORC z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak biomasa, geotermia.

• Rozwój hybrydowych systemów energetycznych łączących różne technologie, w celu zapewnienia stabilnych dostaw energii.
• Rozwój energetyki rozproszonej poprzez ograniczenie ich działania od dużych elektrowni konwencjonalnych, skutkuje poprawą pod kątem bezpieczeństwa energetycznego regionu.

Podsumowanie

Technologia ORC stanowi ważny element transformacji energetycznej, szczególnie w kontekście zmiany sposobu pozyskiwania energii. Dzięki wykorzystaniu ciepła odpadowego i współpracy z odnawialnymi źródłami energii, systemy ORC pomagają zwiększyć efektywność energetyczną i zmniejszyć emisję CO₂. Rozwój i wdrożenie tych rozwiązań na szeroką skalę może znacząco przyczynić się do budowy bardziej zrównoważonego i efektywnego systemu energetycznego.  Wraz z rozwojem i implementacją , w przyszłości technologia ta stanie się tańsza, bardziej dostępna i wydajniejsza. ORC ma więc duży potencjał, aby zmienić sposób, w jaki produkujemy energię.

• Zapraszamy na konferencję o modelowaniu w energetyce – szczegóły znajdziesz w materiale: VII Dzień Novej Energii – Zamodelujmy Energetyczną Przyszłość!

Zdjęcie główne: enertime.com
Źródła: mechanik.media.pl, cbre.pl, polskiprzemysl.com.pl, cire.pl
- Nowak, W., & Borsukiewicz-Gozdur, A. (2011). Siłownie ORC sposobem na wykorzystanie energii ze źródeł niskotemperaturowych. Czysta Energia, (2), Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Katedra Techniki Cieplnej.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Tomasz Maciejowski