Ren energi när ORC-systemet återvinner spillvärme

Men med produktionen av primärenergi runt omkring oss har det funnits lite fokus på att använda spillvärme som sekundära energikällor. Den mest kostnadseffektiva och ännu outnyttjade resursen är spillvärme.

Många industriprocesser är mycket energiintensiva och släpper ut enorma mängder avgaser och avfallsflöden. På grund av bristande processeffektivitet och befintliga teknikers oförmåga att återvinna spillvärme, går en stor del av den energi som används i moderna industrier förlorad, antingen direkt ut i atmosfären eller till kylsystem. Eftersom effektiviteten i att generera energi från spillvärme beror på temperaturen i spillvärmekällan, har det hittills inte varit praktiskt eller ekonomiskt försvarbart att återvinna spillvärme i någon större omfattning. Befintlig teknik har begränsat processen till värmekällor av medelhöga till höga temperaturer (över 500°F/260°C), när huvuddelen av värmet har temperaturer under 300°F/150°C. Nya metoder är dock på frammarsch och som kommer tillåta lägre temperaturer.

ORC: Ekonomiskt försvarbart

En av dessa nya metoder, Organic Rankine Cycle (ORC), sänker temperaturbehovet och gör det ekonomiskt försvarbart att återvinna spillvärme till elektricitet. Funktionsprincipen för ORC är densamma som i den väletablerade Rankine Cycle för ångturbindrift i kraftverk. Inom en sluten krets pumpas först arbetsvätskan till en förångare där den kokas av. När den förs genom en turbin expanderar den organiska ångan och återkondenseras, normalt med hjälp av en sluten vattenkrets i en tubvärmeväxlare. Den termodynamiska cykeln avslutas när kondensatet pumpas tillbaka till förångaren. Förångning sker vid hög temperatur / högtrycksida och kondenserar vid låg temperatur / lågtryckssida, vilket är motsatsen till den normala köldmediecykeln.

Mångfalden av tillgängliga vätskor (kolväten eller kylmedel) och energiomvandlare, alltifrån axiella turbiner till kolv- eller Wankel-expandrar, öppnar upp för nya system med bra prestanda för breda temperaturintervaller. Detta innebär dock en utmaning för tillverkare av värmeväxlare, som behöver täcka komplicerade kombinationer av flödeskapacitet, tryck och temperaturer i tryckfallskänsliga system. Historiskt sett har detta krävt dyra och skrymmande, skräddarsydda lösningar. Idag är lösningen vanligtvis massproducerade modulära lödda plattvärmeväxlare. Dessa innebär tekniska fördelar som möjliggör enkla start- och stoppförfaranden, automatiska processer, minimerat underhåll, bra prestanda vid dellast samt mycket tillförlitlig och tyst drift.

Generering av ren energi i en japansk förbränningsanläggning

Utvecklingen av värmeväxlarkomponenter för ORC-system har gått fort under de senaste åren. Det är särskilt tydligt i Japan, med sin avancerade teknik och behovet av energi för sina industrier, i kombination med kravet på minskat beroende av kärnkraft. När det Japan-baserade företaget Daiichi Jitsugy fick en förfrågan från ERTEC att installera ett ORC-system i sin nya avfallsförbränningsanläggning förstod företagets ingenjörer att de skulle behöva en värmeväxlare utöver det vanliga. SWEP var deras självklara val. SWEP har varit välkänt för Daiichi och ERTEC sedan slutet av 2011, men under flera år har SWEP arbetat med det USA-baserade företaget Access Energy, som har tillverkat kärnan i anläggningens ORC-system. ”Vårt samarbete började i April, 2012. Det var vår första ORC-demonstrationsanläggning, säger Osamu Ito, projektansvarig ingenjör på Daiichi. “Den första testenheten på Ertec var med våra B500-modeller”, säger Seiichiro Misaki, försäljningschef på SWEP Japan. Den privata förbränningsanläggningen i Yamanashi-prefekturen genererar nu ren energi från den heta rökgasen som produceras av förbränningsprocessen. ORC-systemet används för att föra bort värme från rökgasen och omvandla den till elkraft som kan användas på plats eller säljas lokalt.

”Eftersom testenheten fungerade så bra ville Daiichi öka kapaciteten från 75 till 125 KW och de ville ha ännu bättre prestanda”, säger Seiichiro Misaki. Och SWEP levde upp till förväntningarna. ”Vi kan beräkna och välja rätt BPHE:er, med rätt kapacitet”, säger Seiichiro Misaki. I många projekt har vi överträffat våra konkurrenter genom att leverera prestanda mycket nära våra beräkningar och selektioner. ” För denna anläggning valdes SWEP:s kraftfullaste värmeväxlare B649. ”Det här projektet är en relativt liten anläggning, men den producerar en stor mängd energi”, säger Osamu Ito. ”Mera el är vårt ständiga fokus.

En värmeväxlare med kapacitet som överträffar det mesta
Med minst dubbelt så stor kapacitet är B649 den kraftfullaste av alla jämförbara värmeväxlare på marknaden idag. Den kompakta storleken sparar utrymme och minskar antalet nödvändiga rör och kopplingar. B649:s tillverkas i Sverige och den är avsedd för fjärrvärme och -kylning, HVAC och industriella projekt. Med andra ord, överallt där det finns ett behov av en effektiv kompakt BPHE som klarar nära temperaturskillnader vid höga driftstryck. B649 levererar kapaciteter nära packningsförsedda PHE fast utan slitage på dess delar. Till skillnad från andra tekniker som använder en stor mängd material för stöd, ramar m.m. används 95% av materialet i B649 för att överföra värme. Tillgänglig i tre olika tryckklasser, bland annat en 25 bar högtrycksklass, leder B649 till besparingar på reservdelar, utrymme, energiförbrukning, transport och installation.

Trots att värmeväxlarna var de första kommersiellt tillverkade av den nya modellen, lyckades SWEP få ett godkännande från KHK (The High Pressure Gas Safety Institute of Japan) i tid för installationen. ”Den godkändes tack vare det stora antalet plattor 294 och 390 plattor, säger Seiichiro Misaki. Så långt är resultatet en stor framgång. I slutet av november 2013 hölls en stor fest på ERTEC-anläggningen. “Vi hade bjudit in många av våra kunder”, säger Osamu.

“Alla var mycket entusiastiska och gratulerade oss för vår fantastiska anläggning. SWEP är en pålitlig partner och leverantör.”

Och utvecklingen fortsätter 

ORC processen använder en flytande spillvärmekälla men Daiichi undersöker nu om temperaturen och trycket kan höjas så att en gasformig källa kan användas istället. Värmekällan kan vara densamma men prioriteringen av elproduktionen är högre och därför tappas systemet på energi vid en högre temperatur. Systemet matas med energi via en kaskadprocess där ånga kondenseras, helt eller delvis på ena sidan värmeväxlaren, samtidigt som vätska förångas på andra sidan. Den normala drifttemperaturen är runt 265-355°F/130-180°C, men i princip finns ingen övre gräns. Utformade för maximal energieffektivitet och enastående prestanda, kan alla SWEP:s BPHE-enheter användas vid så låga temperaturer som 140-160° F / 60-70° C. Detta ger helt nya möjligheter för förnybara energikällor med begränsade temperaturer, t. ex. solenergi, och SWEP kommer definitivt vara en del av den fortsatta utvecklingen.