Η εκμετάλλευση της απορριπτόμενης θερμότητας από βιομηχανικές διεργασίες παραμένει σε μεγάλο βαθμό αναξιοποίητη. Ο Οργανικός Κύκλος Rankine (Organic Rankine Cycle – ORC) αποτελεί την αποδοτικότερη τεχνολογία αξιοποίησης της απορριπτόμενης θερμότητας. Το σύνηθες θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας των μονάδων που αξιοποιούν την απορριπτόμενη ενέργεια είναι μεγαλύτερες των 200 oC, καλύπτοντας μεγάλο εύρος εφαρμογών σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας. Παρόλα αυτά, υπάρχουν περιορισμένα προϊόντα για εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών (κάτω των 100 oC), κυρίως λόγω χαμηλής απόδοσης και υψηλού κόστους.
Το νέο προϊόν ΙΕ-Ε που αναπτύσσεται στα πλαίσιο του ερευνητικού έργου, στοχεύει να αμβλύνει τις υπάρχουσες αδυναμίες της αγοράς αυτής και να προσφέρει ένα νέο αποδοτικό και οικονομικά βιώσιμο προϊόν για μετατροπή θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας σε ισχύ.
Η αξιολόγηση της αγοράς, η οποία πραγματοποιήθηκε σε προηγούμενο ερευνητικό έργο, κατέδειξε ότι η καταλληλότερη και οικονομικά αποδοτικότερη αγορά για εισαγωγή του προϊόντος είναι αυτή του βιοαερίου. Αναλυτικότερα, η εταιρία θα αναπτύξει, σχεδιάσει, δοκιμάσει και θα αξιολογήσει μια βελτιωμένη έκδοση ενός ORC με κατά το δυνατόν ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση, που θα ανακτά θερμότητα από το σύστημα ψύξης Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) εγκαταστάσεων βιοαερίου, για παραγωγή πρόσθετης ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας. Η μονάδα ORC αξιοποιεί τη θερμότητα των καυσαερίων, ενώ η θερμότητα συμπύκνωσης του ORC χρησιμοποιείται για θέρμανση, αφού διαθέτει ικανό ενεργειακό περιεχόμενο για τον σκοπό αυτό. Κλάσμα της θερμότητας από το κύκλωμα ψύξης της μηχανής οδηγείται στον χωνευτήρα για συντήρηση της ζύμωσης, όπως παρουσιάζεται και στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1. Απεικόνιση τυπικού συστήματος παραγωγής βιοαερίου με ενσωμάτωση συμβατικού ORC για την αξιοποίηση των καυσαερίων
Η βασική καινοτομία της μονάδας ΙΕ-Ε είναι ότι η εκτόνωση λαμβάνει χώρα σε διεργασία που τείνει να προσεγγίσει την ισοθερμοκρασιακή, σε αντίθεση με τις συμβατικές τεχνολογίες όπου η διεργασία της εκτόνωσης είναι ιδανικά μια ισεντροπική μεταβολή. Όπως είναι γνωστό από τη θερμοδυναμική, η τέλεια ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση παράγει περισσότερο έργο από την ισεντροπική, μεταξύ των ίδιων ορίων λειτουργίας. Βάσει αυτής της αρχής, εκτιμάται ότι μπορεί να επιτευχθεί ένας αρκετά βελτιωμένος θερμικός βαθμός απόδοσης (της τάξης του 20%) σε σχέση με το συμβατικό ORC με συγκρίσιμο κόστος δεδομένου ότι οι τεχνολογικές παρεμβάσεις περιορίζονται αποκλειστικά στην τροποποίηση μιας μόνο συνιστώσας του συμβατικού συστήματος ORC, αυτής του εκτονωτή.
Σχήμα 2. Προσέγγιση ισοθερμοκρασιακής εκτόνωσης με την πρόσδοση θερμότητας, σε διάγραμμα πίεσης-ενθαλπίας
Σχηματικά, η διαφοροποίηση ενός συνήθους συστήματος βιοαερίου σε σχέση με αυτό που ενσωματώνει το σύστημα ΙΕ-Ε φαίνεται στο Σχήμα 3. Σε ένα συμβατικό σύστημα βιοαερίου, η θερμότητα που απάγει το νερό ψύξης της ΜΕΚ σε θερμοκρασίες έως 90 oC μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση (συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας) ή στην περίπτωση που δεν υφίσταται ζήτηση να απάγεται εξ ολοκλήρου στο περιβάλλον μέσω κατάλληλης ψυκτικής διάταξης (π.χ. πύργος ψύξης). Στην προτεινόμενη διαμόρφωση, η μονάδα ΙΕ-Ε ανακτά την απορριπτόμενη θερμότητα ψύξης μετατρέποντας ένα ποσοστό της σε ηλεκτρική ισχύ, ενώ το υπόλοιπο είναι διαθέσιμο είτε για την κάλυψη θερμικών αναγκών είτε για τη βελτίωση της απόδοσής της. Σε σύγκριση με ένα συμβατικό σύστημα ORC, το ΙΕ-Ε παρουσιάζει τα εξής πλεονεκτήματα: (i) αυξημένο θερμικό βαθμό απόδοσης (ii) δυνατότητα αξιοποίησης της θερμότητας συμπύκνωσης. Στον αντίστοιχο συμβατικό ORC η θερμοκρασία συμπύκνωσης κυμαίνεται σε χαμηλές τιμές που είναι ακατάλληλες για αξιοποίηση της θερμότητας συμπύκνωσης.
Σχήμα 3. Συμβατική διάταξη (αριστερά) και προτεινόμενη διάταξη ΙΕ-Ε (δεξιά) αξιοποίησης της θερμότητας του ψυκτικού κυκλώματος ΜΕΚ μονάδας αξιοποίησης βιοαερίου
Τέλος, ο σχεδιασμός του συστήματος IE-E πραγματοποιείται για ψυκτικό ρευστό, το οποίο είναι εναρμονισμένο με τον Ευρωπαϊκό Κανονισμό (F-gas Regulation), και παρουσιάζουν χαμηλό Global Warming Potential (GWP) και μηδενικό Ozone Depletion Potential (ODP). Για αυτό το λόγο, όλοι οι υπολογισμοί και προσομοιώσεις έχουν γίνει με τη χρήση του HFO ρευστού R1234ze(E), ώστε να ικανοποιούνται όλα τα περιβαλλοντικά κριτήρια και κανονισμοί της ΕΕ κι επιπλέον να μην υπάρχει κάποιος μελλοντικός περιορισμός της εφαρμογής της IE-E κυρίως εντός Ευρώπης που είναι η κύρια αγορά στόχος.
Seal of Excellence πρόταση Ι (PDF)
