낭비 된 열에서 유용한 에너지

지속 가능한 에너지 - 글로벌 그랜드 챌린지

최근 수십 년 동안 다양한 솔루션을 통해 주거 및 상업 부문의 에너지 효율을 향상시킬뿐만 아니라 풍력, 태양 광 및 바이오 매스와 같은 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 원의 활용에 점점 더 많은 관심을 보였습니다.

두 경우 모두, 이는 화석 연료 소비를 줄이려는 우선적 인 욕구와 환경에 대한 관련 영향, 예를 들어 관련 배출량을 줄임으로써 상당한 수준의 투자, 새로운 정책 및 규제에 의해 뒷받침되었습니다. 다른 한편으로, 산업에서 상당한 양의 "낭비 된"열을 다루기 위해 수행되지 않았으며, 이는 현재 광범위한 소스에서 대기에 대기에 처분되거나 "거부"되고 있으며, 이는 그 자체로 중요한 에너지 자원입니다.

특히, 100 ° C에서 400 ° C 사이의 온도에서 상당한 양의 잉여 열이 이용 가능하며, 이는 산업에서 사용 가능한 온도 범위에 비해 낮지 만 자연스럽게 사용할 수있는 것과 비교하여 높은 것으로 간주됩니다. 환경에 대한이 잉여 열의 거부는 수역과 대기의 지역 생태계를 화나게하는 동시에 경제적으로 회복되고 활용 될 수 있다면 에너지 자원으로 주목할만한 기회를 제시합니다.

유기농 순위주기 기술

폐기물 복열 회복 및 활용을 통한 전반적인 1 차 에너지 소비를 변위 및 최소화 할 가능성이 널리 인정되지만 현재 상업 및 산업 환경 에서이 중요한 에너지 자원을 활용할 수있는 기술의 광범위한 배치가 여전히 부족합니다. 저비용 옵션에는 유용한 열 에너지 공급원으로 폐 열의 회복 및 재사용이 포함됩니다. 그러나 이러한 옵션은이 열에 적합한 현장 용도가 부족하여 심각하게 제한됩니다.

흥미로운 대안은 소위 "오버 펜스"열 공상 옵션으로 제시되지만, 이러한 현재의 추가 복잡성 (예 :에너지 수요의 양과 온도 수준은 에너지 공급의 양과 온도 수준)과 상당한 위험 (예 :공급의 확실성 부족과 최종 사용자에게 영향을 미칠 수 있음). 특히 유망한 펜스 오버 히트 공상 옵션은 지구 가열 네트워크의 옵션으로, 적절한 파이프 네트워크를 통해 열을 광범위한 최종 사용자에게 전달하지만, 위에서 언급 한 우려로 인해 성공적인 구현의 예는 거의 없었습니다. 다른 한편으로, 전기가 열보다 열을 우회하는 것은 전기가 열보다 더 열렬한 (유용하거나 교환 가능) 에너지 형태이기 때문에 이러한 많은 문제를 우회하고 그리드로 쉽게 수출 할 수 있기 때문에이 방법은 자체 도전과 관련이 있습니다.

회수 된 폐기물 이열을 전기로 전환하는 데 적합한 많은 기술 중에서, ORC (Organic Rankine Cycle)는 기술 성숙도와 성능을 보여주는 가장 유망한 것 중 하나입니다. 적절하게 설계된 유기농 "작동"유체를 배치함으로써 ORC 시스템은 저/중간 등급의 열원으로부터 열을 추출하고 팽창기 또는 터빈의 유체를 팽창시킴으로써 유용한 전력을 생성 할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 다른 기술과 마찬가지로이 기술의 광범위한 흡수는 현재 폐기물 회복 프로젝트의 높은 투자 비용으로 인해 방해가됩니다.

회수 된 폐기물 또는 재생 가능 열의 전환으로 인한 발전 또는 발전을위한 ORC 기술의 더 넓은 채택은 열역학적 성능 향상뿐만 아니라 자본 비용 절감에 의해 촉진 될 수 있습니다. 이러한 과제는 Imperial College London의 화학 공학과의 CEP (Clean Energy Processes) 실험실을 포함하여 ORC 기술에 대한 진행중인 연구에 동기를 부여하는 데 도움이되었습니다.

CEP 실험실에서 수행 된 연구는 오크 전력 시스템의 추가 개발이 열역학적, 열역학적, 열역학적, 열역학적, 또한 기술 성능과 비용 사이의 트레이드 오프를 직접 포착 할 수있는 경제적 평가를 통해 고급 경제 효율성을 가진 솔루션을 제안하는 데 도움이 될 수있는 경제적 평가를 제공해야한다는 원칙에 따라 이어집니다.

경제적 인 작동 유체 및 시스템 설계

작동 유체의 선택 또는 실제로 설계는 ORC 시스템의 경제적 생존력을 향상시키고 분산 발전에 대한 광범위한 흡수를 가능하게하는 동시에 점점 제한적인 환경 법률을 충족시키는이 목표에 중요합니다. 이것은 컴퓨터 보조 분자 및 공정 설계 (CAMPD) 기술을 기반으로 설계 및 최적화 프레임 워크를 개발 한 CEP 실험실의 연구원들에 의해 해결되고 있으며, 적합한 ORC 시스템의 열역학적 모델과 구성 요소 크기 조정 및 비용 모델과 통합되며,이 경우 "통계 관련 유체 이론"또는 SAFT.

결과 프레임 워크는 ORC 시스템 및 작동 유체의 동시 열역학적 및 경제적 최적화를 단일 단계에서 수행 할 수 있도록하여 확장 된 기능을 갖춘 참신하고 강력한 접근 방식을 나타냅니다.

이 프레임 워크는 다양한 대상 산업 폐기물 재정 복구 응용 프로그램을위한 맞춤형 최적의 ORC 시스템을위한 운영 전략을 설계하고 제안하는 데 사용될 수 있습니다. 최근 작업에서, 이소 헵탄, 2- 펜텐 및 2- 헵 테니와 같은 유체는 추가 조사에 합당한 유망한 후보자로 확인되었으며, 수백 kW의 전력을 생성하는 수백 kW의 전력을 생성하는 25 년의 수명 및 50% 용량 계수를 기반으로 한 생산 된 MWH 당 최대 20-40 달러의 전기 비용 (LEC)이 하락했습니다. 이에 비해 기존의 중앙 집중식 전력 생성 플랜트는 MWH 당 약 $ 40에서 $ 150 이상이며, MWH 당 약 $ 30에서 $ 200까지의 대체 에너지 생성 기술, 또한 에너지 저장 공장이 공장 가격에 포함되어 있는지에 따라

전망

이러한 최근의 결과는 발전 목적으로 산업용 폐기물의 회복이 식물의 관점 에서이 열의 다른 직접적인 현장 사용보다 더 비싸지 만, 전체 에너지 시스템 각도 에서이 기능은 기존 발전 플랜트 및 재생 가능한 에너지 기술의 건설보다 낮은 전체 비용으로 전기를 공급할 수 있음을 시사합니다. 특히 에너지 저장 비용이 고려되는 경우

현재 깨끗하고 지속 가능한 에너지를 향한 탈탄화 경로를 제안하는 데 사용되는 대부분의 전체 에너지 시스템 프레임 워크는 폐기물 소스 소스로부터 전력 생성이 다양한 시나리오에서 가질 수있는 역할을 설명하지 않는다는 사실이 흥미 롭습니다. 탈탄화 된 에너지 공급으로 진화하는 국가 전략의 맥락에서,이 경로는 전체 에너지 전략의 일부로 고려되어야한다는 것이 중요하다.

이러한 결과는 최근에 Energy 저널에 발표 된 폐기물 회복을위한 ORC 시스템의 컴퓨터 보조 작업 유체 설계, 열역학적 최적화 및 열 경제적 평가라는 기사에 설명되어 있습니다. 이 작업은 M.T.에 의해 수행되었습니다. O.A. 런던 시티 대학교에서 흰색 Oyewunmi, M.A. Chatzopoulou, A.J. Haslam 및 C.N. Imperial College London 및 A.M. Imperial College London과 Bari University의 Pantaleo.

추가 읽기 :

관심있는 독자는 ORC 기술 및 다음 기사에서 CAMPD 및 SAFT 방법론의 개발 및 적용에 대한 추가 정보를 찾을 수 있습니다.

1. 폐기물 회복을위한 ORC 시스템의 컴퓨터 보조 작업 유체 설계, 열역학적 최적화 및 열 경제적 평가; 에너지 :http://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.098
2. 고전적 효율 통합 내연 기관-유기 순위주기 결합 열과 전력 시스템의 열역학적 최적화; 응용 에너지 :http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.06.022
3. 식품 가공에서 전동 및 간헐적 폐기물 복구 회복 통합 :커피 로스팅 산업의 마이크로 르 교도 대 ORC 시스템; 응용 에너지 :http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.04.097
4. 열 저장과 통합 된 브레이튼/유기 순위주기 식물 조합 하이브리드 태양 바이오 매스 결합 된 브레 톤/유기 순위주기 식물 :선택된 지중해 지역의 기술 경제적 타당성; 재생 에너지 :http://doi.org/10.1016/j.renene.2018.08.022
5. SAFT-γ MI를 사용한 통합 컴퓨터 보조 작업 유체 및 ORC 시스템 최적화를 통한 산업 폐기물 회복; 에너지 전환 및 관리 :http://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.03.048
6. 다른 열 수요 세그먼트 및 열 회복 온도 수준에 대한 ORC-CHP 시스템에서 작업 유체 혼합물의 성능; 에너지 전환 및 관리 :http://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.05.078
7. 전기 아크로 (EAF)로부터 폐 열 회수를위한 유기 순위주기 (ORC)의 사례 연구; 에너지 :http://doi.org/10.3390/en10050649
8. 저온 유기 순위 사이클 시스템에서 작업 유체 혼합물의 열 경제 및 열 전달 최적화; 에너지 :http://doi.org/10.3390/en9060448
9. 유기 순위주기에서 큰 글라이드 형광탄 작업 유체 혼합물을 평가하기위한 SAFT-VR MIE 사용에 대한
10. ; 응용 에너지 :http://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.040
11. 분산 규모 응용에 대한 유기 순위주기를 기반으로 한 저속성 태양열 시스템 :개요 및 추가 개발; 에너지 연구의 프론티어 :http://doi.org/10.3389/fenrg.2015.00047
12. 폐기물 회수를위한 유기 순위주기 시스템에 사용하기 위해 SAFT-VR MIE를 사용한 작업 유체 혼합물의 평가; 전산 열 과학 :http://doi.org/10.1615/.2014011116
13. 통합 된 컴퓨터 보조 작업 유체 설계 및 전력 시스템 최적화 :열역학적 모델링 이상; http://hdl.handle.net/10044/1/51841
14. 고급 컴퓨터 보조 분자 설계 방법론을 사용하여 유기 순위주기 시스템에 대한 최적의 작동 유체 및 사이클 아키텍처 탐색. http://hdl.handle.net/2263/62470