Ηλεκτροπαραγωγικές Μονάδες (1-50 kw) από Γεωθερµικά ρευστά < 90 o C

Ηλεκτροπαραγωγικές Μονάδες (1-50 kw) από Γεωθερµικά ρευστά < 90 o C S. Stratelis and G. Kantartzis Pyrra Ltd, Greece ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η ύπαρξη αξιόλογων γεωθερµικών πεδίων στον Ελλαδικό χώρο (από τα σηµαντικότερα της Ευρώπης) Λεκάνη έλτα Νέστου, Λεκάνη έλτα Έβρου, Λεκάνη Στρυµόνα, Νησιά Ανατολικού Αιγαίου, Λεκάνη Σπερχειού κλπ, καθώς και τα συγκριτικά πλεονεκτήµατα της Γεωθερµικής Ενέργειας σε σχέση µε άλλες ΑΠΕ η και συµβατικά καύσιµα πέραν τον περιβαλλοντικών (Υψηλός δείκτης διαθεσιµότητας, Μεγάλος συντελεστής αξιοποίησης, Μηδαµινό λειτουργικό κόστος, Μεγάλη διάρκεια ζωής) καθιστούν ελκυστική την ανάπτυξη ευέλικτων ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων µέσω δυαδικού κύκλου (ORC Block Unit) από Γεωθερµικά ρευστά χαµηλής θερµοκρασίας (<90 o C). Σύµφωνα µε τα παραπάνω παρουσιάζουµε µια πλήρη σειρά ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων στην περιοχή (1-50 kw el ) εκµεταλλευόµενοι την ώριµη τεχνολογία στην περιοχή της Ψύξης και του Κλιµατισµού. Εδώ αναφέρουµε την σύνθεση και τα τυπικά τεχνικά χαρακτηριστικά των Orc Block Unit (OBU) καθώς και τις καµπύλες λειτουργίας τους σε διάφορα σενάρια και συνθήκες Γεωθερµικών Ρευστών. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η µεγάλη διασπορά των γεωθερµικών πεδίων χαµηλών ενθαλπιών στον Ελλαδικό χώρο αλλά και η σύµφυτη ιδιοµορφία αυτών, καθιστά επιτακτική την ανάγκη προώθησης µικρών, κινητών ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων από γεωθερµικά ρευστά χαµηλών θερµοκρασιών. Η τεχνολογία δυαδικών συστηµάτων αποτελεί ένα οικονοµικό, αξιόπιστο και ευέλικτο µέσο για την µετατροπή της θερµότητας των γεωθερµικών ρευστών θερµοκρασίας <90 o C σε ηλεκτρική ενέργεια. 2. Ο ΚΥΚΛΟΣ RANKINE 2.1 Γενικά Ο Θερµοδυναµικός κύκλος αυτός αναφέρεται στην λειτουργία εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας µε την βοήθεια Εξατµιστή, Μηχανής Εκτόνωσης, Συµπυκνωτή και Τροφοδοτικής Αντλίας. 2.2 Στοιχειώδη διάταξη παραγωγής ενέργειας δια κύκλου Rankine Η στοιχειώδης διάταξη παραγωγής ενέργειας µέσω κύκλου Rankine εµφαίνεται στο σχήµα 1. Στον εξατµιστή προσδίδεται ποσόν θερµότητας Q E και ατµοποιείται το εργαζόµενο µέσο. Ο κεκορεσµένος ατµός κατάστασης (P, T ) εισέρχεται µε ψηλή πίεση στην µηχανή εκτόνωσης όπου παράγεται έργο W T. Από την µηχανή εκτόνωσης ο ατµός κατάστασης 4 (P 4, T 4 ) εισέρχεται στον συµπυκνωτή όπου συµπυκνώνεται αποβάλλοντας ποσόν θερµότητας Q C και εξέρχεται ως Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 1

συµπύκνωµα κατάστασης 1. Το συµπύκνωµα καταθλίβεται µέσω της τροφοδοτικής αντλίας, απαιτώντας έργο W P, στην ψηλή πίεση του εξατµιστή καταστάσεως 2. Qe Wt Wp Qc Σχήµα 1: Τυπική διάταξη παραγωγής ενέργειας δια κύκλου Rankine στο Γεωθερµικό Πεδίο 2. Χαρακτηριστικά των µεταβολών του εργαζόµενου µέσου στον κύκλο Rankine Παρακάτω αναφέρουµε τα είδη των µεταβολών στον στοιχειώδη κύκλο Rankine: - 1 2: Ισεντροπική Συµπίεση (Αντλία) - 2 : Ισοβαρής (σταθερή πίεση) πρόσδοση θερµότητας ( Εξατµιστής) - 4: Ισεντροπική Εκτόνωση (Μηχανή Εκτόνωσης) - 4 1: Ισοβαρής (σταθερή πίεση) απόρριψη θερµότητας ( Συµπυκνωτής). ΤΑ ΒΑΣΙΚΑ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΜΟΝΑ ΩΝ OBU.1 Γενικά Οι βασικές συνιστώσες των ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων µέσω δυαδικού κύκλου Rankine (O.R.C) είναι ο Εξατµιστής, η ιάταξη Εκτόνωσης, ο Συµπυκνωτής, η Τροφοδοτική αντλία και το εργαζόµενο µέσο. Παρακάτω γίνεται αναφορά στα τεχνικά χαρακτηριστικά των κύριων συνιστωσών που χρησιµοποιούνται στις ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες OBU (Orc Block Unit) 1-50 kw el από Γεωθερµικά Ρευστά χαµηλών ενθαλπιών (<90 o C)..2 Εξατµιστής (Shell and Tube Heat Exchanger) Στον Πίνακα 1 αναφέρονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά του εξατµιστή για τις ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες OBU ονοµαστικής ισχύος, 5, 10 kw el. Πίνακας 1: Τεχνικά χαρακτηριστικά εξατµιστών Χαρακτηριστικό W E m E P Ε V G V H2O L E D E B E kw th m /h kpa L L mm mm Kg OBU kw el 5 6 1 5 12 1265 141 4 OBU 5 kw el 55 9,4 20 8 17 1280 168 48 OBU 10 kw el 95 16,2 24 12 2 1780 168 66 Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 2

Όπου: W E : Συνολική ικανότητα συναλλαγής του Εξατµιστή m E : Παροχή νερού P Ε : Πτώση πίεσης εργαζόµενου µέσου V G : Όγκος αερίου V H2O : Όγκος νερού L E : Μήκος D E : ιάµετρος B E : Βάρος. Συµπυκνωτής (Shell and Tube Condenser) Ο Πίνακας 2 αναφέρει τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συµπυκνωτή για τις ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες OBU ονοµαστικής ισχύος, 5, 10 kw el. Πίνακας 2: Τεχνικά χαρακτηριστικά συµπυκνωτών Χαρακτηριστικό W C m C P C V G V H2O L C D C B C kw th m /h kpa L L mm mm Kg OBU kw el 1 5,4 5 16,1,4 1115 170 42 OBU 5 kw el 52 9 52 14 5,2 1115 170 47 OBU 10 kw el 104 18 45 28,5 9,5 2115 170 82 Όπου: W C : Συνολική ικανότητα συναλλαγής του Συµπυκνωτή m C : Παροχή νερού P C : Πτώση πίεσης εργαζόµενου µέσου V G : Όγκος αερίου V H2O : Όγκος νερού L C : Μήκος D C : ιάµετρος B C : Βάρος.4 Εργαζόµενο Μέσο (Working Fluid) Ως εργαζόµενο µέσο στις Ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες OBU µέσω δυαδικού κύκλου Rankine χρησιµοποιείται το HFC-14a (1,1,1,2-tetrafluoroethane) οι ιδιότητες του οποίου αναφέρονται παρακάτω. Θερµοδυναµικές Ιδιότητες του HFC-14a: - Χηµικός τύπος: CH2FCF - Μοριακό Βάρος: 102,0 - Σηµείο Βρασµού (1atm): -26,06 ο C - Κρίσιµη Θερµοκρασία: 101,08 o C - Κρίσιµη Πίεση: 4060, kpa - Κρίσιµη Πυκνότητα: 515, Kg/m - Κρίσιµος Όγκος: 0,00194 m /Kg.5 ιάταξη Εκτόνωσης (Expander) Ως διατάξεις εκτόνωσης στις Ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες OBU µέσω δυαδικού κύκλου Rankine έχουν επιλεχθεί οι εκτονωτές θετικής µετατόπισης τύπου σπείρας (Scroll Expander). Οι µηχανές τύπου Scroll αποτελούν µια ιδανική λύση λόγω της αξιοπιστίας τους, αντοχής τους και της απλότητας τους (ελάχιστα κινούµενα µέρη, χαµηλές ταχύτητες περιστροφής). Επίσης µε κατάλληλο σχεδιασµό εναρµονίζονται πλήρως µε το εργαζόµενο µέσο και διαχειρίζονται µεγάλο λόγο πιέσεων. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα

Στον Πίνακα αναφέρεται ο όγκος σάρωσης των µηχανών εκτόνωσης (Scroll Expander) που χρησιµοποιούνται στις Ηλεκτροπαραγωγικές µονάδες OBU. Πίνακας : Όγκος σάρωσης των Μηχανών Εκτόνωσης Όγκος Σάρωσης (Swept Volume) Cm /rev OBU kw el 85 OBU 5 kw el 144 OBU 10 kw el 270 OBU 15 kw el 410 OBU 20 kw el 50 Στο Σχήµα 2 φαίνεται η γεωµετρία της σπείρας που χρησιµοποιείται στις µηχανές εκτόνωσης τύπου Scroll. Σχήµα 2: Γεωµετρία της σπείρας του (Scroll Expander) Χρησιµοποιείται η ενειλιγµένη του κύκλου µε εξισώσεις: X Y = a(cosφ + φ sin φ) = a(sin φ φ cosφ) Η ενειλιγµένη του κύκλου παρουσιάζει πλεονεκτήµατα κυρίως κατασκευαστικά όπως εµπλοκή, εναρµονισµός τον δύο αντικριστών σπειρών, µειωµένες απώλειες και οµαλή κυκλική κίνηση. 4. ΚΑΜΠΥΛΕΣ, ΣΕΝΑΡΙΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΠΑΡΑΓΩΓΙΚΩΝ ΜΟΝΑ ΩΝ OBU 4.1 Γενικά Στο σηµείο αυτό παρουσιάζουµε τις καµπύλες λειτουργίας των εν λόγω ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων για διάφορα σενάρια λειτουργίας εξοµοιώνοντας τις συνθήκες των γεωθερµικών πεδίων χαµηλών ενθαλπιών (χρησιµοποιήθηκε λέβητας για την παραγωγή του ζεστού νερού). 4.2 Σενάρια Λειτουργίας µε σταθερή θερµοκρασία Γεωθερµικού Πεδίου 82,5 o C και 75 o C Ακολουθούν οι καµπύλες λειτουργίας των ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων OBU kwel, 5kWel θεωρώντας σταθερή θερµοκρασία γεωθερµικού πεδίου ίση µε 82,5 o C και 75 o C. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 4

4.2.1 Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 82,5 o C, Παραγόµενο έργο - Expander) ORC Block Unit ( kwel) Παραγόµενο Έργο (kwel) 2,8 2,6 2,4 2,2 2 26,5 27,5 28,5 29,5 0,5 Πρόσδοση Θερµότητας (kwth) - Γεωθερµικό Πεδίο 960 RPM 1120 RPM 100 RPM Σχήµα 4: Παραγόµενο έργο (kwel) σε σχέση µε την πρόσδοση θερµότητας για διάφορες στροφές του Expander Πίνακας 4: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.1) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Παροχή HFC-14a Κατανάλωση Αντλίας 960 RPM 1120 RPM 100 RPM o C Kg/s kw el OBU kw el 82,5 0,148 0,48 0,17 0,29 4.2.2 Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 82,5 o C, Λόγος πιέσεων στον Expander) ORC Block Unit ( kwel) Λόγος Πιέσεων P/P4 4,5 2,5 2 26,5 27,5 28,5 29,5 0,5 Πρόσδοση Θερµότητας (kwth) - Γεωθερµικό Πεδίο 960 RPM 1120 RPM 100 RPM Σχήµα 5: Λόγος πιέσεων στον Expander σε σχέση µε την πρόσδοση θερµότητας για διάφορες στροφές του Πίνακας 5: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.2) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Παροχή HFC-14a Εύρος Πιέσεων - Expander P P4 o C Kg/s bar OBU kw el 82,5 0,148 22 έως 18 6 έως 8,5 Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 5

4.2. Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 82,5 o C, Απορριπτόµενο έργο - Συµπυκνωτήs ORC Block Unit (kwel) Απορριπτόµενο Έργο (kwth) - Συµπυκνωτής 27 26 25 24 2 26,5 27,5 28,5 29,5 0,5 Πρόσδοση Θερµότητας (kwth) - Γεωθερµικό Πεδίο 960 RPM 1120 RPM 100 RPM Σχήµα 6: Απορριπτόµενο έργο (kwth) σε σχέση µε την πρόσδοση θερµότητας για διάφορες στροφές του Expander Πίνακας 6: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Παροχή HFC-14a Θερµοκρασίες εισόδου συµπυκνωτή 960 RPM 1120 RPM 100 RPM o C Kg/s o C OBU kw el 82,5 0,148 29 έως 42 2 έως 45 7 έως 50 4.2.4 Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 82,5 o C, Πρόσδοση θερµότητας 0 kwth) ORC Block Unit ( kwel) Παραγόµενο Έργο (kwel) Expander 2,8 2,6 2,4 2,2 2 950 1050 1150 1250 150 1450 Στροφές Expander (RPM) P=22 bar P=20 bar P=18 bar ms=0,151 kg/s ms=0,162 kg/s Σχήµα 7: Παραγόµενο έργο (kwel) στον Expander σε σχέση µε τις στροφές του και το εύρος παροχής HFC-14a Πίνακας 7: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.4) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Πρόσδοση Πιέσεις εισόδου στον Expander Θερµότητας P o C kwth bar OBU kw el 82,5 0 22 20 18 Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 6

4.2.5 Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 82,5 o C, Πρόσδοση θερµότητας 0 kwth) ORC Block Unit ( kwel) Απόδοση Expander 0,75 0,7 0,71 0,69 0,67 0,65 950 1050 1150 1250 150 1450 Στροφές Expander (RPM) P=22 bar P=20 bar P=18 bar Σχήµα 8: Απόδοση Expander σε σχέση µε τις στροφές του για διάφορες πιέσεις εισόδου στον Expander Πίνακας 8: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.5) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Πρόσδοση Πιέσεις εισόδου στον Expander Θερµότητας P o C kwth bar OBU kw el 82,5 0 22 20 18 4.2.6 Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 75 o C, Πρόσδοση θερµότητας 50 kwth) ORC Block Unit (5 kwel) Παραγόµενο Έργο (kwel) Expander 4,4 4,2 4,8,6,4,2 1000 1100 1200 100 1400 Στροφές Expander (RPM) P=20 bar P=19 bar P=18 bar Σχήµα 9: Παραγόµενο έργο (kwel) στον Expander σε συνάρτηση µε τις στροφές του Πίνακας 9: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.6) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Πρόσδοση Κατανάλωση Αντλίας Θερµότητας P=20 bar P=19 bar P=18 bar o C kwth kwel OBU 5 kw el 75 50 0,57 0,51 0,508 Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 7

4.2.7 Σενάριο Λειτουργίας (Θερµοκρασίες πεδίου 82,5 & 75 o C, Πρόσδοση θερµότητας 0 & 50 kwth) ORC Block Unit Παραγόµενο Έργο (kwel) Expander 4,4,9,4 2,9 2,4 1000 1050 1100 1150 1200 1250 Στροφές Expander (RPM) OBU (5 kwel) OBU ( kwel) Σχήµα 10: Παραγόµενο έργο (kwel) σε σχέση µε τις στροφές του Expander Πίνακας 10: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.7) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Θερµότητα Πεδίου P P4 o C kwth bar OBU 5 kw el 75 50 OBU kw el 82,5 0 4.2.8 Σενάριο Λειτουργίας (Σταθερή θερµοκρασία πεδίου 75 o C) 20 6 έως 8,5 ORC Block Unit (5 kwel) Παραγόµενο Έργο (kwel) - Expander 4,5 2,5 40 42 44 46 Πρόσδοση Θερµότητας (kwth) - Γεωθερµικό Πεδίο 965 RPM 101 RPM 1094 RPM Σχήµα 11: Παραγόµενο έργο στον Expander σε σχέση µε την πρόσδοση θερµότητας για διάφορες στροφές του Πίνακας 11: Παράµετροι σεναρίου λειτουργίας (4.2.8) Παράµετροι Γεωθερµικό Πεδίο Παροχή HFC-14a Θερµοκρασίες εισόδου συµπυκνωτή 965 RPM 101 RPM 1094 RPM o C Kg/s o C OBU 5 kw el 75 0,225 25 έως 9 28 έως 41 1 έως 44 Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 8

5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Εκµεταλλευόµενοι την ώριµη τεχνολογία στην περιοχή της Ψύξης και του Κλιµατισµού οι δυνατότητες των αντίστοιχων µηχανηµάτων κυµαίνονται σε απόδοση από 5 % έως 9 % (της θερµικής ενέργειας) εξαρτώµενες κυρίως από τον σχεδιασµό της τουρµπίνας scroll και από την ενέργεια που καταναλίσκεται στον συµπυκνωτή (δυνατότητα γλυκού η θαλασσινού νερού πλησίον του Γεωθερµικού πεδίου). Περαιτέρω δραµατική αύξηση της απόδοσης επιτυγχάνεται µε διαφοροποιήσεις στο σχεδιασµό του Scroll Expander και µε την χρησιµοποίηση νέου εργαζόµενου µέσου προσαρµοσµένο στις συνθήκες λειτουργίας. Σε κάθε περίπτωση η πληθώρα και η διασπορά των Γεωθερµικών πεδίων στον Ελλαδικό χώρο, µας οδηγεί να φανταστούµε µια διασπορά µικρών και µεσαίων τέτοιων ηλεκτροπαραγωγικών µονάδων και σε συνδυασµό και µε τις άλλες πλούσιες πηγές θερµότητας της Ελλάδας οι Μονάδες αυτές πρέπει να πάρουν την θέση του ηλιακού θερµοσίφωνα. Το σενάριο να ανάβεις το τζάκι και να φορτίζεις τις µπαταρίες του σπιτιού δεν είναι εξωπραγµατικό. ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ VanWylen, G. & Sonntag, R. & Borgnakke, C. (4 th Edition) (1994). Foundamentals of Classical Thermodynamics. N.Y.: John Wiley & Sons. Eastop, T.D. & McConkey, A. (4 th Edition) (1986). Applied Thermodynamics for Engineering Technologists. London & N.Y.: Longman. Holman, J.P., (4 th Edition) (1988). Thermodynamics. N.Y.: McGraw Hill Co. Dixon, S.L. (4 th Edition) (1998). Fluid Mechanics and thermodynamics of turbomachinery. Boston & Oxford: Butterworth-Heinemann. Ενέργεια: σημερινή εικόνα Σχεδιασμός Προοπτικές, ΤΕΕ, 8-10/0/2010: Αθήνα 9