Organic Rankine Cycle (ORC)

Organic Rankine Cycle (ORC) to technologia wytwarzania energii elektrycznej oparta na klasycznym cyklu Rankine’a, jednak z jedną zasadniczą różnicą: zamiast wody jako czynnika roboczego wykorzystuje się związki organiczne, takie jak siloksany, czynniki chłodnicze (HFC, HFO) czy węglowodory. Płyny te charakteryzują się niższą temperaturą wrzenia i korzystnymi właściwościami termodynamicznymi, co umożliwia odzysk energii nawet z niskotemperaturowych źródeł ciepła.

Typowy proces ORC obejmuje cztery etapy:

• podgrzewanie i odparowanie czynnika w wymienniku ciepła,
• ekspansję pary organicznej w turbinie sprzężonej z generatorem,
• skraplanie czynnika w wymienniku,
• sprężenie czynnika w pompie.

Dzięki temu możliwe jest przekształcenie energii cieplnej o temperaturach rzędu 80–350°C w energię elektryczną w sposób stabilny i bezpieczny. Co ważne, ORC działa w sposób podobny do klasycznych elektrowni parowych, ale przy mniejszych wymaganiach temperaturowych, co czyni go technologią elastyczną i szeroko stosowaną w energetyce przemysłowej i odnawialnej.

Zastosowania ORC są bardzo szerokie, a technologia ta wykorzystywana jest wszędzie tam, gdzie dostępne jest ciepło odpadowe lub niskotemperaturowe źródła energii. Najczęściej spotykane przykłady to:

• przemysł ciężki – huty, cementownie, zakłady chemiczne i rafinerie, gdzie procesy produkcyjne generują duże ilości ciepła odpadowego,
• energetyka geotermalna – wykorzystanie zasobów geotermalnych o niskiej temperaturze, które nie nadają się do klasycznych elektrowni parowych,
• biomasa i biogazownie – efektywne przekształcenie energii odpadowej z kotłów na biomasę w dodatkową energię elektryczną,
• spalarnie odpadów – w odzysku energii ze spalania odpadów komunalnych,
• silniki i turbiny gazowe – ciepło spalin z jednostek napędowych może być wykorzystane do produkcji prądu w ORC.

Dzięki elastyczności technologii, ORC znajduje zastosowanie w różnorodnych sektorach, od energetyki odnawialnej po zakłady przemysłowe o wysokim zużyciu energii.

W wielu zakładach duża część energii tracona jest w postaci ciepła odpadowego. ORC umożliwia jego zagospodarowanie i przekształcenie w energię elektryczną, która może zostać zużyta na potrzeby własne zakładu. Z punktu widzenia wskaźników ekonomicznych, instalacje ORC mogą obniżyć koszty zakupu energii elektrycznej, szczególnie w połączeniu z innymi modernizacjami, takimi jak kogeneracja czy odzysk ciepła procesowego i stanowią istotny element strategii poprawy efektywności energetycznej i redukcji emisji CO₂.

Do głównych korzyści wynikających ze stosowania ORC zalicza się:

• możliwość wykorzystania niskotemperaturowych źródeł ciepła – dzięki płynom organicznym instalacje ORC są znacznie bardziej elastyczne niż klasyczne układy parowe,
• poprawa efektywności energetycznej – odzysk energii z ciepła odpadowego pozwala zmniejszyć zużycie energii pierwotnej,
• redukcja emisji CO₂ – mniejsze zapotrzebowanie na energię zewnętrzną oznacza niższą emisję gazów cieplarnianych,
• wysoka niezawodność – układy ORC są proste w obsłudze, pracują przy niższych ciśnieniach, co wydłuża żywotność i zmniejsza koszty serwisu,
• możliwość integracji z istniejącymi procesami – ORC można stosunkowo łatwo dołączyć do już działających instalacji przemysłowych,
• wsparcie dla OZE – ORC zwiększa opłacalność wykorzystania źródeł odnawialnych, takich jak biomasa czy geotermia.

Jeśli chodzi o ograniczenia ORC - sprawność instalacji jest niższa niż w klasycznych elektrowniach parowych i zazwyczaj mieści się w przedziale 10–20%. Oznacza to, że tylko część dostępnej energii cieplnej może zostać przekształcona w energię elektryczną, co ogranicza efektywność w zastosowaniach o bardzo dużych mocach.

Dodatkowo, aby instalacja działała stabilnie, konieczne jest zapewnienie stałego i przewidywalnego źródła ciepła – wahania temperatury lub przepływu mogą znacząco obniżać wydajność całego układu. Istotną kwestią jest także dobór odpowiedniego czynnika roboczego, którego właściwości termodynamiczne muszą być precyzyjnie dopasowane do parametrów źródła ciepła. Niewłaściwy wybór może prowadzić do spadku sprawności lub problemów eksploatacyjnych.

Instalacje ORC najlepiej sprawdzają się w przedziale od kilkudziesięciu kilowatów do kilku megawatów elektrycznych, co sprawia, że nie są konkurencyjne wobec dużych bloków energetycznych. Z tego względu technologia ta znajduje zastosowanie przede wszystkim w zakładach przemysłowych i projektach zdecentralizowanej energetyki, a nie w klasycznych elektrowniach systemowych.

Nie można zapominać, że gazy HFC są stopniowo wycofywane na mocy regulacji UE, co wymusza stosowanie alternatywnych czynników roboczych – zwykle droższych i wymagających dostosowania instalacji.

Technologia Organic Rankine Cycle (ORC) umożliwia efektywne odzyskiwanie energii z ciepła odpadowego i niskotemperaturowych źródeł energii, które w tradycyjnych układach byłyby niewykorzystane. Dzięki zastosowaniu czynników organicznych o niższej temperaturze wrzenia, ORC pozwala na produkcję energii elektrycznej w sposób stabilny i bezpieczny, poprawiając efektywność energetyczną zakładów przemysłowych oraz wspierając redukcję emisji CO₂. ORC może działać zarówno w instalacjach o mocy kilkudziesięciu kilowatów, jak i kilku megawatów, umożliwiając wykorzystanie energii, która nie mogłaby być zagospodarowana innymi metodami odzysku ciepła. Instalacje ORC sprawdzają się w różnorodnych sektorach – od przemysłu ciężkiego, przez biogazownie i spalarnie odpadów, po energetykę geotermalną – i mogą być łatwo integrowane z istniejącymi procesami przemysłowymi.