有機ランキンサイクル

熱工学において、有機ランキンサイクル( ORC ) は熱力学サイクルの一種です。これはランキンサイクルの一種で、水よりも蒸発温度が低い有機の高分子流体(水と比較して)を使用することから名付けられました。この流体により、バイオマス燃焼、産業廃熱、地熱、ソーラーポンドなどの低温源から熱を回収できます。低温の熱は有用な仕事に変換され、それ自体が電気に変換されます。

この技術は1950年代後半にルシアン・ブロニツキとハリー・ツヴィ・タボルによって開発されました。^{[1] [2]}

ナフサエンジンは、原理的にはORCに似ていますが、他の用途向けに開発され、1890年代には早くも使用されていました。

有機ランキンサイクルの動作原理はランキンサイクルと同じです。作動流体はボイラーに送られ、そこで蒸発し、膨張装置（タービン、^[3]スクリュー、^[4]スクロール、^[5]またはその他の膨張装置）を通過し、次に凝縮器熱交換器を通過して最終的に再凝縮されます。

エンジンの理論モデルで説明される理想的なサイクルでは、膨張は等エントロピーであり、蒸発および凝縮プロセスは等圧です。

実際のサイクルでは、不可逆性が存在するとサイクル効率が低下します。不可逆性は主に以下の場合に発生します。^[6]

• 膨張中：圧力差から回収できるエネルギーの一部のみが有用な仕事に変換されます。残りの部分は熱に変換され、失われます。膨張機の効率は、等エントロピー膨張との比較によって定義されます。
• 熱交換器内: 作動流体は長く曲がりくねった経路をたどるため、良好な熱交換が保証されますが、圧力降下が発生し、サイクルから回収できる電力量が低下します。同様に、熱源/シンクと作動流体間の温度差によりエクセルギー破壊が発生し、サイクル性能が低下します。

有機ランキンサイクル技術には多くの応用可能性があり、世界中で2.7GW以上の設備容量と698の発電所が確認されています。^[7]その中でも、最も普及し有望な分野は次のとおりです。^[8]

廃熱回収は、有機ランキンサイクル (ORC) の最も重要な開発分野の 1 つです。廃熱回収は、熱電併給プラント(家庭用給湯器の小規模コジェネレーションプラントなど) や、有機製品の発酵、オーブンや炉 (石灰窯やセメント窯など) からの高温排気、排気ガスの凝縮、車両からの排気ガス、コンプレッサーの中間冷却、発電サイクルの凝縮器など の産業および農業プロセスに適用できます。

バイオマスは世界中で入手可能で、小規模から中規模の発電所での電力生産に使用できます。蒸気ボイラーなどの機械に対する特定の投資コストが高いという問題は、ORC 発電所の作動圧力が低いため克服されます。もう 1 つの利点は、作動流体の特性により機械の運用寿命が長いことです。作動流体は蒸気とは異なり、バルブ シート、チューブ、タービン ブレードを侵食したり腐食したりしません。また、ORC プロセスは、効率的な ORC 発電所を小規模なプラントで実現できるため、多くの地域で利用可能な入力燃料の量が比較的少ないという問題を克服するのにも役立ちます。

地熱熱源の温度は 50 ～ 350 °C の範囲です。したがって、ORC はこの種の用途に最適です。ただし、低温地熱源 (通常 100 °C 未満) の場合、効率は非常に低く、ヒートシンク温度 (周囲温度によって定義) に大きく依存することを念頭に置くことが重要です。

有機ランキンサイクルは、通常の蒸気ランキンサイクルの代わりに、ソーラー パラボリックトラフ技術で使用できます。ORCを使用すると、より低い容量とより低いコレクター温度での発電が可能になり、低コストで小規模な分散型CSPユニットが可能になります。^{[9] [10]} ORCを使用すると、熱エネルギー貯蔵を備えたハイブリッドCSP-PVシステムが、瞬間的な電力生成の最大70％をオンデマンドで回収できるため、他のタイプの電気貯蔵のかなり効率的な代替手段になります。^{[11] [12]}

最近、風力エネルギーを中温熱（600℃まで）に直接変換できる、いわゆる風力熱エネルギータービンが議論されています。^[13]これらは蓄熱装置と組み合わせることができ、ORCと組み合わせて発電することができます。

しかし、タービンのカルノー効率のため、電気を生成するよりも、熱エネルギーを熱そのものとして使用する方が効率的な場合があります。

低温ランキンサイクルでは、作動流体の選択が非常に重要です。低温のため、熱伝達の非効率性は極めて悪影響を及ぼします。これらの非効率性は、流体の熱力学的特性と動作条件に大きく依存します。

低品位熱を回収するために、流体の沸点は一般に水よりも低くなります。冷媒と炭化水素は、一般的に使用される 2 つの成分です。

作動流体の最適な特性:

• 等エントロピー飽和蒸気曲線:

ORC の目的は低品位の熱エネルギーの回収に重点が置かれているため、従来のランキン サイクルのような過熱アプローチは適切ではありません。したがって、蒸発器の排気口でのわずかな過熱が常に優先されますが、これは「湿った」流体 (膨張の最後に 2 相状態にある) にとって不利です。乾燥流体の場合は、再生器を使用する必要があります。

• 低い凝固点、高い安定温度：

水とは異なり、有機流体は通常、高温で化学的に劣化し、分解します。したがって、最高熱源温度は作動流体の化学的安定性によって制限されます。凝固点はサイクルの最低温度よりも低くする必要があります。

• 高い気化熱と密度:

潜熱と密度が高い流体は、蒸発器内の発生源からより多くのエネルギーを吸収するため、必要な流量、施設のサイズ、およびポンプの消費量が削減されます。

• 環境への影響が少ない

考慮される主なパラメータは、オゾン層破壊係数(ODP) と地球温暖化係数(GWP) です。

• 安全性

流体は非腐食性、非可燃性、非毒性でなければなりません。冷媒の ASHRAE 安全分類は、流体の危険度レベルの指標として使用できます。

• 入手性が良く、コストが低い
• 許容できる圧力

• CFC：オゾン層破壊のためモントリオール議定書で禁止（例： R-11、R-12）
• HCFC：モントリオール議定書のコペンハーゲン改正により段階的に廃止（例：R-22、R-123）
• HFC（例：R134a、R245fa）
• HC :可燃性、ガス処理施設の一般的な副産物（イソブタン、ペンタン、プロパンなど）
• PFC ^[14]

ORC サイクルのシミュレーションには、質量とエネルギーのバランス、熱伝達、圧力低下、機械的損失、漏れなどの方程式を実装した数値ソルバーが必要です。ORC モデルは、定常状態と動的の 2 つの主なタイプに分けられます。定常状態モデルは、設計 (またはサイズ設定) 目的と部分負荷シミュレーションの両方に必要です。一方、動的モデルは、さまざまなコンポーネントのエネルギーと質量の蓄積も考慮に入れます。これらは、過渡時や起動時などの制御戦略を実装およびシミュレーションするのに特に役立ちます。ORC モデリングのもう 1 つの重要な側面は、有機流体の熱力学的特性の計算です。Peng –Robinson などの単純な状態方程式(EOS) は精度が低いため使用しないでください。最先端の熱物理特性データベースや輸送特性データベースなどを使用したマルチパラメータ EOS が推奨されます。

上記の目的のためにさまざまなツールが利用可能であり、それぞれに利点と欠点があります。最も一般的なツールを以下に報告します。

• ランキンサイクル
• 熱力学サイクル
• 異なる電源で発電された電力の相対コスト
• ナフサの発売
• 作動流体
• 非理想的な圧縮性流体力学

• 有機ランキンサイクルに関する知識センター