過去数十年にわたる世界的な社会的、経済的、技術的発展により、エネルギーを消費する生活設備を求める人々の数が増加しています。これにより、一次エネルギー使用率が、人口増加によって正当化されるよりもはるかに高くなります。エネルギー使用量の増加率と並んで、ガス、石油、石炭などの従来の化石燃料の平均価格も徐々に上昇しています。
今日、これらの従来の燃料は依然として一次エネルギー需要の大部分をカバーしており、とりわけ気候変動や健康問題につながる世界の温室効果ガス (GHG) 排出の最大の原因となっています。これらの伝統的な燃料、伝統的なエネルギー変換方法、および現在の消費パターンの使用に疑問を呈する必要性は、前例のないレベルの重要性に達しており、それらを環境への影響が少なく、安全でコストがかかるものに変更することが不可欠です。再生可能または高効率のエネルギーシステムに基づく効果的な代替アプローチ。言及された事実は、これらの主要な問題に対して何らかの形で機能するすべてのアプリケーションまたはテクノロジーを啓発します。
産業界や研究センターからますます注目を集めている技術の 1 つに、有機ランキン サイクル (ORC) があります。カルノー・サイクルの実用化に反対する困難を克服するための方法と見なすことができるORCは、その基本的な構成には、図に示すように、ポンプ、蒸発器、膨張器、および凝縮器の4つの主要コンポーネントが含まれます. 1. その動作原理は次のように簡単に説明できます。このサイクルは、ポンプ内の作動流体の加圧から始まり、蒸発器に至ります。そこで作動流体は、適切な熱源からの熱流束によって加熱および気化されます (最終的には過熱されます)。加圧された蒸気はエキスパンダーに流れ込み、温度と圧力を下げながら仕事をします。エキスパンダーの出口での低圧蒸気は凝縮器に送られ、そこで適切な低温ヒートシンクにエネルギーを失い、蒸気から液相に移行します。凝縮した流体はポンプに送られ、再び加圧され、サイクルが閉じます。
多くの場合、ORC 技術と一緒に使用されるのは、CHP (Combined Heat and Power) としても知られる、熱と電力を同時に生成するよく知られた技術です。 CHP システムは、エネルギー変換プロセスの損失を削減するだけでなく、その輸送と配電に関連する損失を回避し、プロセス全体の持続可能性を改善し、グリッドの信頼性の向上とグリッドへの依存の削減に貢献します。さらに、運用コストと一次エネルギー消費の点で、個々の暖房および電力システムよりも大幅に節約できるだけでなく、GHG 排出の点でも節約できます。世界中の多くの研究者が、大幅なエネルギー節約と環境保護の観点から、CHP を従来のシステムの主要な代替手段と呼んでいます。
マイクロ CHP は、一般的な公共/商業用建物 (ヘルス センターや中小企業 (SME) など) から住宅のニーズに至るまでの範囲の熱負荷を満たすことができるコージェネレーション システムに与えられた名称です。 .公称電力に関しては、これらのシステムの範囲は 1 kWe 未満です。 ～ 50 kWe .中規模から大規模 (50 kW 以上の電力 e )、CHP システムはかなり広く使用されている成熟した技術ですが、マイクロスケールのシステムはまだいくつかの問題によって制限されています。それにもかかわらず、この規模のシステムの潜在的な市場は巨大です。その可能性のあるアプリケーションの 1 つが家庭用温水生成 (衛生および暖房目的) であるためです。
マイクロ CHP システムの最も有望な市場は、特に英国、オランダ、ドイツ、フランス、イタリア、ベルギー、デンマーク、アイルランドなどの住宅部門にあります。実際、2013 年のヨーロッパの住宅用ボイラー市場の年間売上高と在庫数は、それぞれ約 8 百万台と 1 億台でした。一方、他のすべてのマイクロ スケール セクター (中小企業や集団市場など) の販売と在庫は、それぞれ約 100 万ユニットと 2000 万ユニットです。
表 1 に示すように、2020 年と 2030 年の予測される売上高と在庫に基づいて、マイクロ CHP システムのヨーロッパの潜在的な市場の巨大な規模も想定できます。一次エネルギー節約と GHG 排出削減の観点から、これらすべてのマイクロ CHP システムも示されています。表 1 に示されている数値は、マイクロ CHP 製品の使用の促進に関する積極的で強力な政治的意思を暗黙のうちに想定しています。欧州標準化委員会 (CEN) は、「未来のボイラー」と見なされるマイクロ CHP 製品の大きな可能性を認めて、製品の特性とその効率の評価に対処するいくつかの規格をすでに作成しています。 Eurovent Certita Certification などの一部の認証機関は、これらの規格を使用して、これらの種類の製品の認証スキームを開発しています。
巨大な市場と、一次エネルギーの節約と GHG 排出削減に関する潜在的な利益にもかかわらず、マイクロ CHP システムは、その広範な使用から生じることが知られているにもかかわらず、実際に有効な代替手段と見なされるほど十分に成熟した状態にはまだ達していません。標準的な家庭用暖房システムでは、低投資コストと簡単な操作を特徴とする必要がある競争力のあるユニットを実現するために、ガスと電気の価格が非常に重要な役割を果たします。
ORC 技術は、低品位の熱を電力に変換するための最も適切で有望なソリューションであると思われます。これは、最も単純であり、現在の家庭用暖房システムを後付けする際に困難が生じる可能性が低いためです。実際、マイクロ CHP システムの最も重要な ORC コンポーネントの 2 つであるポンプと凝縮器は、完全に既製の製品です。さまざまな種類のエキスパンダーと作動流体が、このタイプの使用のために深く特徴付けられ、研究されています。ただし、高温源 (バイオマス/天然ガス燃焼ガスなど) が使用される場合、熱源と有機流体熱交換器 (ORC 蒸発器) の間の中間回路が使用されています。
概念的により複雑で効率の低いこの中間回路の使用は、高温燃焼ガスとパワー サイクルとの間で直接エネルギー交換を行うことができる市場で入手可能な OCR 蒸発器がないことによって正当化できます。有機作動流体の熱劣化、またはシステムの制御が困難になることさえあります。それにもかかわらず、これは住宅用アプリケーションにとって最良の解決策ではないように思われます。これは、熱慣性が高いため、少なくとも応答時間が長くなるからです。これらの長い応答時間を軽減するために、メーカーはマイクロ CHP ユニットに蓄熱タンクを追加することを余儀なくされています。ただし、これにより、現在住宅に適用されている壁に取り付けられた従来のボイラーまたはコンビボイラーの改造が妨げられる可能性があります。
住宅用暖房システムを CHP ユニットに置き換えることで得られる大きな経済的および環境的可能性を利用するには、一次エネルギーが ORC 蒸発器に到達する方法を再構築する必要があり、さらに多くの研究、または新しい概念の開発さえも行う必要があります。すべての居住制限に対処できる蒸発器が必要であると思われます。
これらの調査結果は、最近 Renewable and Sustainable Energy Reviews Journal に掲載された、ORC ベースの住宅用マイクロ コージェネレーション システム - 最先端のレビューと現在の課題というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は João S. Pereira によって行われました ([email protected])、ADAI-LAETA の José B. Ribeiro、Ricardo Mendes および Jorge C. André、コインブラ大学機械工学科および ISEC の Gilberto C. Vaz、Polytechnic Institute of Coimbra、機械工学科.
