Termodynamiska cykler – återvinning av lågvärdig energi

Termodynamiska cykler kan användas för att återvinna lågvärdig energi eller för att höja dess energivärde. Vanligtvis används varmt vatten i processen. Finns endast varmluft tillgängligt kan energin överföras till vatten genom en värmeväxlare.

Exempel på termodynamiska cykler lämpliga för för att återvinna lågvärdig energi:

  • Termoelektrisk generator (TEG)
  • Organisk rankinecykel (ORC)
  • Kalinacykel
  • Stirlingcykeln

Se tabellen för en jämförelse. Tabellen jämför de olika teknikerna vid alstring av elektrisk energi. Priset per kW beror av driftstemperatur vilka kan vara olika i dessa fall.

 
Teknik Verkningsgrad vid 100 ˚C vatten [%] Källa verkningsgrad Pris [Kr/kW] Källa pris
TEG 3 Niu m.fl., 2008 22 000 TEG Power, 2012
ORC 7-8 Datla och Brasz, 2012 8 200 Holdmann och Lin, 2009
Kalina Något högre än ORC Chen m.fl., 2010 9 500 Paanu m.fl., 2012
Stirling 7,3 Cool Energy, 2012a 16 600 Cool Energy, 2012a/td>

Om anläggningarna antas vara i drift under 70 % av årets timmar fås återbetalningstiden enligt diagrammen till höger.

I första grafen

är beräkningarna gjorda för ett fall vid full effekt 70 % om året och ett elpris på 0,5 kr/kWh.

 

I andra grafen

är beräkningarna är gjorda för ett fall vid halv effekt 70 % om året och ett elpris på 0,5 kr/kWh.

   Beräkningarna gjorda för ett fall vid full effekt 70 % om året och ett elpris på 0,5 kr/kWh.

Beräkningarna gjorda för ett fall vid full effekt 70 % om året och ett elpris på 0,5 kr/kWh.

  Beräkningarna är gjorda för ett fall vid halv effekt 70 % om året och ett elpris på 0,5 kr/kWh

Beräkningarna är gjorda för ett fall vid halv effekt 70 % om året och ett elpris på 0,5 kr/kWh



Termoelektrisk generator, TEG

Termoelektrisk generator är en termodynamisk cykel som omvandlar värme till elektrisk energi utan användning av mekaniska delar. Generatorn bygger på den så kallade Seebeckeffekten. Principen är att om olika metaller med olika temperaturer sammankopplas i en krets börjar elektrisk ström flöda mellan dem. Detta beror på att laddning diffunderar från den varma till den kalla metallen. Ökad temperaturskillnad och rätt val av metaller ökar effekten.

För- och nackdelar:

+ Arbetar med varierade temperaturdifferenser, flexibel användning, tyst och lång livslängd
- Ganska dyr och låg verkningsgrad

Exempel på leverantörer: 

Custom thermoelectric

Marlow Industries

Tec TEG
 

Organisk Rankinecykel, ORC

En Organisk Rankiencykel är en termodynamisk cykel som omvandlar värme till mekanisk energi. Den mekaniska energin kan sedan omvandlas till elektricitet.

Arbetet som utvinns är: 

 
 

εT =  turbinarbetet
εP = pumparbetet
q1 = tillförd värme
q2 = bortförd värme

Den termiska verkningsgraden:

 

Detta innebär att ju mer värme som tillförs desto högre blir verkningsgraden (så länge inte den procentuella ökningen av bortförd värme är lika stor). En vanlig verkningsgrad ligger runt 8 %. Arbetsmediet i cykeln måste anpassas så det kan förångas vid de temperaturer som erhålls från värmekällan.

För- och nackdelar:
 
+ Enkel konstruktion med lågt underhållsbehov, utveckling med bättre arbetsmedier sker ständigt, lågt pris/kW och den har funnits länge på marknaden
- Bör drivas med värmekälla på temperaturer över 100 ˚C, arbetar vid bestämda driftsförhållanden och är därmed inte flexibel för temperaturändringar

Exempel på leverantörer: 

Opcon

Turboden

Genalta Power

Ormat

GMK

TransPacific energy
 

Kalinacykel

Kalinacykel är en termodynamisk cykel som omvandlar värme till mekanisk energi. Den mekaniska energin kan sedan omvandlas till elektricitet. Arbetsmediet i en Kalinacykel är en blandning av ammoniak och vatten. Genom att variera mängden ammoniak i förhållande till vatten, kan förångningstemperaturen ändras. Cykeln kan alltså ändras så att processen blir optimerad även om arbetskällans temperatur varierar.

Verkningsgraden för Kalinacykeln fås enligt: 

 
 

εC = utvunna arbetet
q1 = tillförd värme
q2 = bortförd värme.

Detta innebär att ju mer värme som tillförs desto högre blir verkningsgraden (så länge inte den procentuella ökningen av bortförd värme är lika stor). En vanlig verkningsgrad ligger runt 13 %.

För- och nackdelar:
 
+ Flexibel för olika driftstemperaturer, lågt pris/kW och den har funnits länge på marknaden
- Bör drivas med värmekälla på temperaturer över 100 ˚C

Exempel på leverantörer: 

Wasabi Energy

Global Geothermal
 

Stirlingcykel

Stirlingcykeln är en arbetsgivande termodynamisk cykel som omvandlar värme till mekanisk energi. Den mekaniska energin kan sedan omvandlas till elektricitet. En stirlingcykel kan arbeta vid små temperaturskillnader mellan den varma respektive kalla delen av cykeln, men ju mindre den temperaturskillnaden är, desto mindre blir verkningsgraden.

För- och nackdelar:

+ Fungerar vid låga temperaturer, tystgående, driftsäker och låga underhållskostnader
- Låg verkningsgrad vid låga temperaturer (ej tänkt för användning under 100 ˚C) och för stora effekter måste motorerna vara stora

Exempel på leverantörer 

Cool Energy Inc

ReGen Power Systems

Zhengzhou Yudong New Energy Co
 

Cykler för omvandling av lågvärdigt värme till el under utveckling

Det finns fler intressanta cykler som ännu inte har kommersialiserats. En av dessa är Goswamicykeln. Denna process kombinerar egenskaperna hos en ordinär Rankinecykel med egenskaperna hos en absorptionskylpump. Den kan alltså producera el och kyla simultant. Processen utnyttjar den tillförda energin effektivare än vad två separata kyl- och kraftsystem skulle göra. Arbetsmediet är en blandning av ammoniak och vatten [Goswami, 2004].

Trilateral Flash Cycle (TFC) är en annan cykel under utveckling. Den arbetar med en tvåfasexpansion som påbörjas då arbetsmediet är i mättat vätsketillstånd. Detta ska medföra att verkningsgraden blir 14-85 % högre än för ORC [Smith m.fl., 1995].

I en superkritisk Rankinecykel utnyttjas arbetsmedier med låga kritiska temperaturer och tryck. Detta gör att verkningsgraden blir högre än för en traditionell ORC, dock krävs höga tryck i processen vilket leder till försvårad drift och lägre säkerhet. [Chen m.fl., 2010]. En leverantör av denna typ av anläggning är Echogen; deras system har en termisk verkningsgrad mellan 10 och 30 % beroende på värmekällan [http://www.echogen.com/].