Theorie Organic Rankine Cycle

Een ORC-installatie

Een Rankine-cyclus is een thermodynamisch proces, dat in veel elektriciteitscentrales gebruikt wordt voor de opwekking van elektriciteit. In deze cyclus wordt in een stoomketel oververhitte stoom (dat wil zeggen verwarmd tot een temperatuur boven het kookpunt bij die druk) onder hoge druk geproduceerd. Deze stoom expandeert vervolgens in een stoomturbine die een generator aandrijft. Daarna wordt de stoom gecondenseerd in een water- of luchtgekoelde condensor en wordt het condensaat teruggepompt naar de stoomketel. Bij deze water-stoomcyclus is het belangrijk om de stoom te oververhitten om de vorming van condensaatdruppels in de stoomturbine te vermijden.

Door de cyclus uit te voeren met een organische stof, in plaats van met water en stoom, die verdampt en condenseert bij een lagere temperatuur dan water, zijn er belangrijke voordelen te behalen als het proces met lagere temperaturen werkt. De temperatuur waarbij de organische stof een hoge druk bereikt, is afhankelijk van de stof. Daarnaast hebben sommige organische stoffen zulke fysische eigenschappen dat oververhitting niet nodig is. Dat fenomeen is te danken aan het feit, dat deze stoffen bij het expanderen in het superkritische gebied blijven. In dit gebied kan een stof niet in vloeistofvorm bestaan. Ten slotte is bij organische stoffen de verdampingswarmte minder hoog dan bij water (vanwege het ontbreken van waterstofbruggen) en is een groter aandeel van de warmte benutbaar voor opwarming van de vloeistof. Dat is een prettige eigenschap als het om benuting van restwarmte gaat.
Deze eigenschappen maken het mogelijk om een Organic Rankine Cycle te gebruiken om met laagwaardige warmte nog elektriciteit op te wekken. De minimum temperatuur waarbij dit proces nog praktisch mogelijk is, bedraagt ongeveer 80 °C. Uiteraard neemt het rendement toe naarmate de temperatuur van de beschikbare warmte hoger is. Dan is immers ook de exergiewaarde van de warmte hoger. Bij lagere temperatuur kan ongeveer 10% van de warmte omgezet worden in elektriciteit. Bij hogere temperaturen neemt dit toe tot ruim 20%. Dan is het ook mogelijk om de condensor op een hogere temperatuur te houden, zodat de condensatiewarmte nog weer eens benut kan worden voor verwarming van gebouwen. Deze vorm van wkk wordt bijvoorbeeld toegepast in biomassacentrales, waar het ORC-proces technische voordelen biedt bij het ontwerp van de ketel. Bij de ORC kan de vuurhaard op lagere temperatuur gehouden worden dan bij een stoomketel. De vuurhaard wordt gekoeld met thermische olie. Een voorbeeld van een dergelijke toepassing is het project Biostrom in het Oostenrijkse Hard.


1 -> 2	Expansie in ORC-turbine
2 -> 3	Afkoeling gas
3 -> 4	Condensatie door warmteafgifte
4 -> 5	Drukverhoging door vloeistofpomp
5 -> 6	Vloeistofopwarming
6 -> 7	Verdamping
7 -> 1	Oververhitting

Een andere belangrijke toepassing is geothermie. Op verschillende plaatsen in de wereld wekken ORC’s groene stroom op met heet water uit de bodem.

De keuze van de organische stof hangt samen met de temperatuur van de restwarmte. Toegepast worden o.a. isopentaan, butaan en ammoniak. Een nieuwe Fins-Nederlandse ontwikkeling is een compacte ORC met een elektrisch vermogen van 150 kW, die tolueen gebruikt als werkmiddel. De hermetisch gesloten unit is bedoeld voor hogere temperaturen en kan daardoor een rendement van ongeveer 22% bereiken. Deze ORC kan bijvoorbeeld toegepast worden als “bottoming cycle” op een gasmotor van 800 kW. De hete rookgassen van de gasmotor met een temperatuur in de buurt van 500 °C worden dan gebruikt om het elektrisch rendement van de combinatie gasmotor en ORC te verhogen. Bij koeling van de condensor van de ORC aan de buitenlucht kan dan nog 150 kW extra electrisch vermogen behaald worden!

Schema van een ORC-installatie

Ook hete gassen uit andere bronnen kunnen worden benut. Door deze ORC uit te rusten met een brander kan het apparaat ook dienst doen als een elektriciteit producerende fakkel. Een eerste toepassing is gepland in Groningen, waar stortgas van sterk wisselende kwaliteit met deze technologie nog kan worden benut. De ORC-unit van Tri-O-Gen zal compleet met gasbrander als bedrijfsklare module worden aangeleverd. Daarmee is het een combinatie van fakkel en elektriciteitsgenerator.

Een andere belangrijke recente ontwikkeling is de compacte en bedrijfsklaar geleverde ORC-module, die Ormat ontwikkeld heeft voor het draaien op warm of heet water. Deze ontwikkeling zorgt evenals bij de unit van Tri-O-Gen voor een forse verlaging van aanschaf- en installatiekosten van kleinere ORC-projecten. Daarmee wordt deze techniek veel kosteneffectiever.

Het gebruik van een ORC voor benutting van restwarmte levert schone elektriciteit op, omdat er geen extra fossiele brandstoffen worden verstookt om deze elektriciteit te produceren. Daarmee levert deze techniek in de toekomst baten op in de vorm van reductie van CO₂ en NO_x.

Als de warmte afkomstig is uit de aarde (geothermie) of uit biomassa, dan produceert de ORC groene stroom, die door de overheid fors wordt gesteund met een bijdrage per kWh in het kader van de MEP-regeling.

Kijk voor meer informatie over de toepassing van Organic Rankine Cycles ook bij fabrikanten en projecten.