Elproduktion från lågvärdig spillvärme med ny teknik; ECT-processen : Modellering och jämförelse med Organic Rankine Cycle

• Main Authors: Larsson, Sarah, Dragic, Tamara
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: 2016
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kau:diva-44494

The constantly growing population in the world is putting more and more pressure on the earth and its natural resources. Meanwhile, the use of fossil fuels keeps creating carbon dioxide emissions that accelerates the global warming. Therefore, it is becoming increasingly important to conserve the earth’s resources and to search for alternative fuels that can replace the fossil fuels. The use of low grade waste heat, which is a by-product of industrial processes, has gained a lot of attention in the last decades. To prevent this heat from going to waste, it can be used to generate electricity. The Organic Rankine Cycle (ORC) is the most common technique to achieve this. The new technique that is evaluated in this study is called the ECT-process and is a development of the ORC-process.   The ECT-process can approximately be described as three separate ORC-cycles that uses the same waste heat flow. In this study, low grade waste heat is defined as heat with a temperature at 60-200 oC and is, during the ECT-process, cooled down to a temperature at 20-50 oC. In the industry, the waste heat often exists as warm fluids or flue gases and therefore, both types have been evaluated. The refrigerant used as heat carrier in the process is R134a.   The purpose of this study is to compare these techniques with respect to thermal efficiency, generated electricity and heat exchange area, to provide a picture of the performance of the ECT-process, compared to the ORC-process. Climate impact, considering emissions of carbon dioxide equivalents and the refrigerant’s impact is taken into consideration. The electricity generated by the ECT-process is expected to replace fossil-based margin electricity. An economic analysis of the ECT-process is made with respect to component cost. The cost for vaporization system, condensers and the refrigerant is calculated with a payback period of three years. The cost for pumps and turbines is unknown and its cost is to be covered by the net profit for the technique.   The goal with this study is to verify the ECT-process with respect to use and cost, to facilitate a commercialization of the technique. A comparison with existing techniques is made to prove that this process has potential to use waste heat more efficiently and thereby produce more electricity.   Results show that the ECT-process is better than the ORC-process both when considering thermal efficiency and electricity generation. It requires a smaller heat exchange area which contributes to a lower component cost. A greater electricity production also means that a greater deal of margin electricity can be replaced. When the waste heat is made up from flue gases, a larger heat exchange area is required which contributes to a larger component cost. Therefore, only waste heat in the form of warm fluids should be used.     The ECT-process shows better results than the ORC-process with respect to all investigated criteria but is limited by the refrigerant and therefore, further studies to find an appropriate replacement for R134a is recommended. The same scenario doesn’t always give the best result when all the criteria are considered. From an economic perspective it is for example desirable to have a small difference between the inlet- and outlet temperature of the waste heat. However, this scenario produces the least amount of electricity, which then contradicts the purpose of the ECT-process. That is why it is important to consider all the criteria when evaluating the ECT-process.  === Den ständigt ökande befolkningen i världen sätter allt större press på  jorden och dess naturresurser. Samtidigt fortsätter användningen av fossila bränslen att skapa koldioxidutsläpp som påskyndar den globala uppvärmningen. Därför blir det allt viktigare att använda jordens resurser sparsamt och att söka alternativa bränslen som kan ersätta de fossila. Användningen av lågvärdig spillvärme - som är en biprodukt av industriprocesser - har fått mycket uppmärksamhet under de senaste årtiondena. Elproduktion från denna lågvärdiga spillvärme är ett sätt att ta tillvara på den värme som annars går till spillo, där Organic Rankine Cycle (ORC) är den vanligaste tekniken för att åstadkomma detta. Den nya tekniken som utvärderas i detta arbete kallas ECT-processen och är en teknik som bygger på ORC-processen.   ECT-processen kan ungefär beskrivas som tre separata ORC-cykler som använder sig av samma flöde av spillvärme. Lågvärdig spillvärme definieras i detta arbete som värme med en temperatur på 60-200 oC och kyls under processen ner till en temperatur på 20-50 oC. Inom industrin kommer spillvärmen ofta i form av rökgaser eller varm vätska och därför har båda former testats. Köldmediet som används som värmebärare i processen är R134a.   Syftet med arbetet är att jämföra dessa tekniker med hänsyn till termisk verkningsgrad, elproduktion och värmeväxlararea för att ge en bild av hur bra ECT-processen är i jämförelse med ORC-processen. Även klimatpåverkan i form av utsläpp av koldioxidekvivalenter och val av köldmedium tas hänsyn till vid utvärdering av teknikerna. Den el som produceras skall kunna ersätta marginalel. En ekonomisk analys av tekniken utförs med hänsyn till investeringskostnad  för förångningssystem, kondensorer och köldmedium som beräknas med en återbetalningstid på tre år. Kostnad för pumpar och turbiner är okänd och deras kostnad skall täckas av nettovinsten för tekniken.   Målet med arbetet är att verifiera ECT-processen med avseende på nytta och kostnad för att underlätta en kommersialisering av tekniken. En jämförelse med existerande teknik utförs för att bevisa att ECT-processen har potential att effektivare utnyttja den tillgängliga spillvärmen och på så sätt bidra till en större elproduktion.    Resultat visar att ECT-processen är bättre än ORC-processen vad gäller både termisk verkningsgrad och elproduktion. Den kräver även en mindre värmeväxlararea vilket bidrar till lägre komponentkostnader. Då en större mängd el kan produceras från samma mängd spillvärme, betyder det att en större mängd marginalel kan ersättas och att ECT-processen därmed är bättre även ur ett klimatperspektiv. När spillvärmen kommer i form av rökgaser krävs så stor värmeväxlararea att komponentkostnaden blir orimligt stor och därför bör endast spillvärme i form av varm vätska användas.   ECT-processen ger bättre resultat än ORC-processen vad gäller alla undersökta kriterier men begränsas av köldmediet och därför rekommenderas vidare studier för att hitta en lämplig ersättare till R134a. Samma scenario ger inte bästa resultat för alla kriterier. Ur ekonomiskt perspektiv är det till exempel önskvärt att ha en liten differens mellan start-och sluttemperatur på spillvärmen men det scenariot ger upphov till minst mängd producerad el, vilket motsäger syftet med ECT-processen. Därför är det viktigt att ta hänsyn  till alla kriterier vid en utvärdering av ECT-processen.