持続可能なエネルギー – 世界的な壮大な挑戦
ここ数十年で、風力、太陽光、バイオマスなどの再生可能で持続可能なエネルギー源の利用、およびさまざまなソリューションによる住宅および商業部門のエネルギー効率の改善に対する関心がますます高まっています。
どちらの場合も、化石燃料の消費とそれに伴う環境への影響 (関連する排出量の削減など) を削減したいという最優先の欲求に駆り立てられた、かなりのレベルの投資、新しい政策、および規制によって、これが支えられてきました。その一方で、産業で大量の「無駄になった」熱に対処するための取り組みはほとんど行われていません。この熱は、現在廃棄されているか、さまざまな発生源から大気中に「拒否」されており、重要なエネルギー資源です。
特に、100°C から 400°C の間の温度でかなりの量の余剰熱が利用可能です。これは、産業で利用可能な温度範囲に比べて低いと考えられていますが、自然に利用可能な温度に比べて高いと考えられています。環境へのこの余剰熱の拒絶は、一般的に水域および大気中の地域の生態系をひっくり返しますが、回収して経済的に利用することができれば、エネルギー資源として注目に値する機会を提示します.
有機ランキン サイクル技術
廃熱の回収と利用を通じて一次エネルギー消費全体を置き換え、それによって全体的な一次エネルギー消費を最小限に抑える可能性は広く認識されていますが、現在、商業および産業環境でこの重要なエネルギー資源を利用できる技術の広範な展開が不足しています。低コストのオプションには、有用な熱エネルギー源としての廃熱の回収と再利用が含まれます。ただし、この熱を現場で適切に使用することが頻繁にないため、そのようなオプションは厳しく制限されています。
興味深い代替手段として、いわゆる「垣根を越えた」熱共有オプションがありますが、これらは複雑さを増し (例えば、エネルギー需要の量と温度レベルをエネルギー供給の量と温度レベルに一致させる必要があります)、重要な意味を持ちます。リスク（例えば、供給の確実性の欠如から生じ、中断がエンドユーザーに与える可能性のある影響）。特に有望な垣根を越えた熱共有オプションは、地域暖房ネットワークのオプションであり、適切なパイプネットワークを介して広範囲のエンドユーザーに熱が供給されますが、前述の懸念により、その例はほとんどありません。成功した実装。一方、この廃熱を電気に変換すると、これらの問題の多くが回避されます。電気は熱よりも代替可能な (使用可能または交換可能な) エネルギー形態であり、グリッドに容易に輸出できるためです。独自の一連の課題に関連付けられています。
回収された廃熱を電気に変換するのに適していると考えられる多くの技術の中で、有機ランキン サイクル (ORC) は、その技術的成熟度と実証された性能を考慮すると、最も有望な技術の 1 つです。適切に設計された有機「作動」流体を展開することにより、ORC システムは低/中グレードの熱源から熱を抽出し、エキスパンダーまたはタービン内の流体の膨張によって有用な電力を生成できます。それにもかかわらず、他の技術と同様に、この技術の広範な普及は現在、廃熱回収プロジェクトの高い投資コストによって妨げられています.
回収された廃熱または再生可能熱の変換による発電またはコージェネレーションのための ORC 技術の幅広い採用は、熱力学的性能の向上だけでなく、資本コストの削減によって促進されます。これらの課題は、インペリアル カレッジ ロンドンの化学工学科のクリーン エネルギー プロセス (CEP) 研究所を含む、ORC 技術に関する進行中の研究の動機付けに役立っています。
CEP 研究所で行われている研究は、ORC 電力システムのさらなる開発は、熱力学的、熱的、そして重要なことに、技術性能と性能の間のトレードオフを直接捉えることができる経済的評価の組み合わせによって推進されるべきであるという原則に導かれています。高い資源利用効率と、重要なことに、経済的実行可能性の向上を伴うソリューションを提案することをグローバルな目的としています。
経済的な作動流体とシステム設計
作動流体の選択、または実際の設計は、ORC システムの経済的実行可能性を改善し、分散型発電への広範な採用を可能にすると同時に、ますます制限が厳しくなる環境法にも対応するというこの目標にとって非常に重要です。これは、適切なORCシステムの熱力学モデルがコンポーネントのサイジングおよびコストモデルと統合されているコンピューター支援分子およびプロセス設計（CAMPD）技術に基づいた設計および最適化フレームワークを開発したCEP研究所の研究者によって対処されています。流体の分子記述と組み合わせて、この場合は「統計関連流体理論」または SAFT.
得られたフレームワークは、ORC システムと作動流体の熱力学的および経済的最適化を 1 つのステップで同時に実行できるようにする拡張機能を備えた斬新で強力なアプローチを提供し、従来の 2 ステップに存在する主観的で先制的なスクリーニング基準を取り除きます。
このフレームワークを使用して、さまざまな産業用廃熱回収アプリケーション向けにカスタマイズされた最適な ORC システムの運用戦略を設計および提案できます。最近の研究では、イソヘプタン、2-ペンテン、2-ヘプテンなどの流体が、さらなる調査に値する特に有望な候補として特定されており、25 年の寿命に基づいて、生成された MWh あたりの均等化された電気コスト (LEC) は 20 ～ 40 ドルまで下がっています。産業用に適した数百 kW の電力を生成する小規模システムの 50% の設備利用率。比較すると、従来の集中型発電所の LEC は MWh あたり約 40 ドルから 150 ドル以上であり、LEC の代替エネルギー生成技術は MWh あたり約 30 ドルから 200 ドルであり、エネルギー貯蔵がプラントの価格に含まれているかどうかにもよります。 .
展望
これらの最近の調査結果は、プラントの観点からは、発電目的で産業廃熱を回収することは、この熱を現場で直接使用するよりも費用がかかる可能性があることを示唆していますが、エネルギーシステム全体の観点からは、この能力は電力を供給できるように思われます。特にエネルギー貯蔵のコストを考慮した場合、従来の発電所や再生可能エネルギー技術の建設よりも全体的なコストが低くなります。
興味深いのは、クリーンで持続可能なエネルギーの未来に向けた脱炭素化の道筋を提案するために現在使用されているほとんどの全エネルギー システム フレームワークが、廃熱源からの発電がさまざまなシナリオで持つことができる役割を説明していないという事実です。エネルギー供給の脱炭素化に向けて進化している国家戦略の文脈では、この道筋を全体的なエネルギー戦略の一部と見なすことが重要であると思われます.
これらの調査結果は、Energy 誌に最近掲載された、廃熱回収のための ORC システムの Computer-aided working-fluid design、thermodynamic Optimization、thermoeconomic assessment というタイトルの記事で説明されています。この作業は、M.T. によって実施されました。ロンドン市立大学のホワイト、O.A. Oyewunmi, M.A. Chatzopoulou, A.J.ハスラム、C.N.インペリアル カレッジ ロンドンの Markides と A.M.インペリアル カレッジ ロンドンとバーリ大学の Pantaleo。
さらに読む:
興味のある読者は、次の記事で、ORC 技術と、そのようなシステムへの CAMPD および SAFT 方法論の開発と適用に関する詳細情報を見つけることができます:
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