26 Energie+ nr3 mei 2007Organic Rankine Cycles:oude wijnin nieuwezakkenDoor ir. Tom L.B. den Hartog - Cumae BVHet gaat bij ORC om een bekend principe, om varianten die al lang bekend enbewezen zijn en om idee?n voor toepassingen die jaren op haalbaarheid zijn onderzocht.Nieuw is de opvallende vooruitgang in de ontwikkeling van technieken en uitvoeringen. Eris een verbeterde versie van de Kalina Cycle (variant op de ORC), er is betere en betaalbareequipement beschikbaar en er is een trend tot standaardisatie, die in een opwaartse cycluszorgt voor lagere prijzen en dus snellere introductie van deze technologie.Organische Rankine Cycli zijn bij uitstek geschikt als omzettingssystemen van lage brontem-peratuur-energie, daar waar de inzet van stoom een te laag rendement geeft. Duurzame ener-giesystemen als geothermie en zonne-energie leveren veelal warmte op een temperatuurni-veau onder 200 graden Celsius. Aangezien in dit temperatuurgebied ORC's juist hogere om-zettingsrendementen tonen, is duidelijk sprake van een enorm groeipotentieel in welke vari-ant dan ook. Het is een duidelijke kans voor de industrie om snel te werken aan goede be-schikbaarheid van equipement (zoals turbine en pompen) en gehele standaardsystemen.Niet te duurDe toepassing achter een bron van duurzame energie vergt een eenmalige investering, kentgeen brandstofkosten, heeft door de systeemeenvoud en lage temperaturen betrekkelijklage onderhoudkosten, is eenvoudig en volautomatisch te bedienen en te bewaken, heeftvoorts een lange levensduur en leidt daardoor tot een vaste productprijs zonder onzekerhe-den. Betrouwbaarheid moet bewezen worden door de grootschalige toepassing. De ORC enKalina Cycle zijn door de aanhoudend relatief lagere energieprijzen beperkt tot integratiegebracht. In IJsland, Japan, Hawa?, Nederland en Duitsland zijn systemen operationeel.Het zijn bewezen technieken. De toepassingsmogelijkheden zijn velerlei: achter geother-mie en zonnecentrales, voor de omzetting van stedelijke en industri?le restwarmte die an-ders verloren gaat, en achter Oceaan Thermische Energie.Toepassingen in NederlandCumae BV bestudeert sinds 2004 de mogelijkheden voor ORC als energiesysteem vooroceaanwarmte (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC ), geothermie (GeoThermalDe belangstelling voorOrganische Rankine Cycli(ORC) is cyclisch: hoewelreeds lang bekend is in dejaren 80 van de vorige eeuwmet een aantal proef- encommerci?le projecten ge-tracht ORC een vast ele-ment in het ontwerpen vanindustri?le installaties telaten zijn. Dat is niet gelukten de belangstelling ebdeweg. Op dit moment, 25 jaarlater is de belangstellingvoor deze vorm van elektri-citeitopwekking enorm. Nietalleen door de ontwikkelingvan de wereldenergieprij-zen, maar vooral door hetbesef dat fossiele brandstof-fen niet langer verantwoordzijn. De weg naar duurzameelektriciteit staat wagenwijdopen, investeerders ?n fa-brikanten ontwikkelen pro-jecten op basis van ORC-technologie.nr 3 mei 2007 Energie+ 27Energy Conversion, GETEC) en restwarmte. Een brede ori?ntatie,vooral gericht op toepassing bij landinstallaties wordt thans uitge-voerd. Dit artikel beschrijft een aantal van deze toepassingen. Daar-aan vooraf gaan een algemene inleiding en een principebeschrij-ving van ORC. Aan het slot een beschouwing over de toepassings-mogelijkheden op het land.ORC's werken in principe op dezelfde wijze als stoomcycli (zie fi-guur 1). Een organische vloeistof (medium) wordt onder druk dooreen verdamper gevoerd, waarin ze onder invloed van de warmte-bron (vloeistof, rookgassen) verdampt. Vervolgens wordt de over-verhitte damp naar de turbine geleid, waar het nuttige vermogentengevolge van de expansie van het medium in de vorm van mecha-nisch vermogen vrijkomt. De turbine drijft daarmee een generatorof compressor aan. Na de turbine vindt condensatie en compressieplaats. In sommige gevallen kan ter verhoging van het cyclusrende-ment het gebruik van een regenerator nuttig zijn.Voor lagere temperatuurgebieden (bijv. beneden 300 ?C) heeft destoomcyclus een lager rendement dan de ORC. Organische stoffenbezitten een lagere verdampingswarmte en kunnen - bij dezelfdewarmtebroncondities - een hoger kookpunt bereiken, terwijl boven-dien de expansie naar de oververhitte fase geschiedt. Beide fenome-nen leiden tot een hoger rendement. Andere voordelen van dezemedia ten opzichte van water zijn: een grotere dichtheid, waardoormeestal volstaan kan worden met een ??ntraps-expansiemachine;droge expansie, waardoor nauwelijks of geen oververhitting nodigis. Als werkmedia worden organische stoffen gebruikt. Daarbijkunnen voor het gebied onder 200 ?C het beste freonen of ammo-niak gebruikt worden. Voor het gebied 200-400 ?C komen tolueen,dowtherm A en fluorinol-85 in aanmerking.Bij deze beschrijving moet men zich realiseren: in technisch op-zicht wordt vaak gestreefd naar een maximaal rendement, uit eco-nomisch oogpunt is een zo hoog mogelijk rendement niet altijdeven gunstig en zullen concessies gedaan worden aan enkele ont-werpvarianten. Hierop wordt verder in dit artikel niet nader inge-gaan.Kalina Cycle en geothermieDe Kalina Cycle (KC) is ontworpen voor de omzetting van lage tem-peratuur warmte naar elektriciteit. Elektriciteitsproductie vindtnormaal plaats in conventionele gas- en kolengestookte centralesvia een stoom- en watercyclus. Deze laatste cycli renderen in hettemperatuurtraject van 250 tot 625 graden Celsius met technischeomzettingsrendementen van 35 tot 60 procent. De KC is een bij-zondere cyclus die door de bijzondere systeemschakeling en medi-umkeuze vooral in het temperatuurgebied tot 180 graden tot 20procent beter scoort dan de traditionele ORC. Zoals gezegd gevenzowel de ORC als de KC een relatief hoog rendement bij lage bron-temperaturen. Deze lage temperaturen komen als restwarmte bijindustri?le processen voor en als de bronwarmte bij duurzameenergiesystemen, zoals geothermie, zonne-energie en oceaan-warmte. Aangezien de investering van de installatie per opgesteldevermogenseenheid hoger ligt dan bij de conventionele systemen(klein- en grootschalig), is duurzame energie d? voor de hand lig-gende toepassing voor ORC's: de brandstofcomponent in de econo-mische berekening valt weg en daardoor zijn, ondanks deze hogereinvestering, aantrekkelijke financi?le rendementen mogelijk.Cumae heeft met VGK Honnun Ehf te IJsland een samenwerkings-overeenkomst voor de ontwikkeling van projecten op het gebiedvan de ORC/Kalina Cycle in de Benelux. VGK Honnun Ehf heefteen commerci?le plant van 2,6 MWe in IJsland in eigendom en inbeheer, en heeft daarmee direct toegang tot de noodzakelijke ope-rationele praktijkervaring.OmzettingsrendementFiguur 2 geeft in het werkgebied van 90 tot 140 graden een goedoverzicht van het verschil in omzettingsrendementen van de KC ende ORC. Zoals bekend vormt het CARNOT rendement de theoreti-sche basis van de cycli, waarin de hoogste en de laagste tempera-tuur binnen de cyclus het theoretisch maximaal haalbare rende-ment bepalen volgens de formule:CARNOTrendement = 1- (Templaag / Thoog)*100 in procenten.(Temp in graden Kelvin)In de grafiek is een Tlaag van 20 graden aangehouden. De grafiektoont dat de KC tot ver boven 10 procent efficiency scoort. De ORCkomt ongeveer 15 procent lager uit en wordt eerst in de hogere tem-peratuurgebieden boven 180 graden interessant.Economisch rendementDe ORC en KC zijn als energie-omzettingssystemen in het lagetemperatuurgebied tussen 100 en 200 graden een uitstekende keu-ze. Zeker bij een jaarlijks hoge beschikbaarheid van de warmte kande relatief hoge investering van de combinatie ORC of KC met geo-thermie een economisch aantrekkelijk plaatje opleveren. ORC en30%25%20%15%10%5%0%EfficiencyCarnotKalinaORCInlet temperature degrees C90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140GMediumPompWarmteDampCondensorKoudeTurbineVerdamperFiguur 1Het principe van ORC:de werking is vergelijk-baar met stoomcycli.Figuur 2De verschillendeomzettingsrendementen.28 Energie+ nr3 mei 2007de KC bieden uitstekende rendementen door de levering van elektriciteit ?n warmte tegelij-kertijd. Indien uitsluitend elektriciteitsproductie aan de orde is, is er thans in 2007 (bij dehuidige economische verhoudingen tussen de verschillende soorten energiebrandstoffen)financieel gezien een laag rendement: terugverdientijden van 17 tot 20 jaar. Hiervoor zijnde investeringen in de installaties, zeker bij geothermie, nog te hoog.WerkgebiedenFiguur 3 toont de aanbevolen toepassingen van OTEC, KC, ORC en stoomcyclus afhan-kelijk van het temperatuurniveau en beschikbare grootte. Voor OTEC geldt de economyof scale: alleen grote installaties renderen enigszins. KC is thans nog uitsluitend alsmaatwerk verkrijgbaar (toepassingen alleen in de grotere vermogenssector vanaf 1 MWe)en voorts beperkt in het temperatuurgebied tot 200 graden, omdat andere systemen daarconcurrerend zijn. De toepassing van OTEC vereist de allerbeste energetische rendemen-ten om nog een enigszins economisch rendement te genereren. ORC met een mono-me-dium kent een groot werkgebied vanaf 60 graden tot boven 400 graden. Het is ruim in-zetbaar en kent reeds standaard systemen. Maar let op: ook de overige, voor de economi-sche berekening bepalende factoren moeten gunstig zijn (o.a. lange bedrijfstijden perjaar, hoge energieprijs).Geothermie GETECGeothermie zit letterlijk onder ons. Deze schone vorm van energie hebben we jarenlang inonze geest diep weggedrukt, omdat we dachten dat het een dure vorm van energie is, diebovendien in ons land niet zou voorkomen. Het is schoon en bovendien onuitputtelijk.Technieken zijn voorhanden en hebben hun prijs. Technieken als boormethoden kunnenverbeterd worden en worden goedkoper bij veelvuldiger inzet. Geothermie kan direct ge-bruikt worden als warmtebron voor industrie en woonomgeving. In enkele gevallen bijhogere brontemperaturen kan het omgezet worden naar elektriciteit, waarna de restwarm-te op dezelfde wijze als hierboven geschetst gebruikt kan worden. Geothermie is duur-zaam, vergt investering met risico's en is het waard om op grote schaal ontwikkeld en ge?x-ploiteerd te worden, ook in Nederland. De Stichting Platform Geothermie Nederland zetzich daarvoor met succes in en houdt diverse proefprojecten. Geothermie is wereldwijdvoorhanden en is makkelijk winbaar in gebieden met natuurlijke bronnen als geisers, mod-derputten, heetwaterbronnen en vulkanen. In Nederland moeten we het dieper zoeken:1.700 meter voor een temperatuur van ongeveer 60 graden, op dieptes vanaf 3 kilometerheersen temperaturen van 120 graden en hoger. Die lenen zich prima voor het combige-bruik van elektriciteit en warmte.Geothermie is winbaar in watervoerende lagen of ondergrondse reservoirs. Dit warme waterwordt naar boven gepompt, omgezet naar bruikbare energie/elektriciteit of naar een secun-dair systeem en vervolgens weer teruggevoerd naar ongeveer dezelfde diepte, op een afstandvan enkele kilometers vanaf de bronput om recirculatie tegen te gaan. De KC is door het hogeomzetrendement zeer geschikt voor de combiproductie van elektriciteit en warmte.OTECEen van de op langere termijn veelbelovende opties voor het gebruik van zonne-energie isOTEC: Ocean Thermal Energy Conversion. Deze gebruikt de natuurlijke temperatuurgra-CycleOTECKALINAORCSTEAM= cycleefficiency(H2O)oC>5 MWe40%>1 MWe >1 MWe>100kW >100kW >100kW>300kW >300kW450D00 5 10 15 20 25 30500100015002000temperature (C0)MLDSituatie inNederland? Op 18 februari 1983werd in Nederland deeerste ORC in bedrijfgenomen bij de pa-pierfabriek Parenco teRenkum.? In 2007 werd een ORCin bedrijf genomen alsdeel van de biomassa-energiecentrale BESBV te Sittard. Er is eendemonstratieunit vaneen ORC achter eenbiodieselmotor.? In Groningen is bij eendemonstratie-uniteen ORC in bedrijf,geschakeld achter eenbiodiesel motor (160kWe) met als over-drachtsmedium tolu-een. Er zijn voor dezeORC enkele plannenvoor toepassing invoorbereiding.? Carrier ? UTC Power,USA met een verte-genwoordiging inNederland heeft ditjaar 135 units in op-dracht. Deze machi-nes, die werken vol-gens de ORC, wekkenelektriciteit op uitlaagwaardige warmte.In Alaska draaien deeerste machines opeen warmtebron van75 graden Celsius. Hetgaat daar om zowelbronwater als warmteuit biomassa.Figuur 3 (links)De aanbevolen toepassingen.Figuur 4 (rechts)Temperaturen op verschil-lende diepten.nr 3 mei 2007 Energie+ 29dient van de oceaan en produceert naastelektriciteit ook drinkwater en koelwatervoor airconditioning. OTEC is een van demeest belovende systemen die economischhaalbaar zullen zijn in de toekomst.Op jaarbasis slaat de zon 10.000 keer meerenergie op in de tropische oceanen dan degehele jaarlijkse wereldenergiebehoefte. Detropische oceaan is dus een hele grotewarmtebatterij. Als wij in staat zouden zijnom die energie om te zetten in een trans-portabele energievorm, is het wereldener-gieprobleem opgelost. Alle inspanningenzouden dus in die richting moeten gaan.Duurzame energie als OTEC is in essentiebekend, projecten zijn ge?nitieerd en deeerste grootschalige commerci?le plant isin voorbereiding.OTEC gebruikt het temperatuurverschil inde oceaan. Aan de oppervlakte heerst eengemiddelde temperatuur van 27 graden, opeen diepte van 1.000 meter en meer is degemiddelde tempratuur zo'n 5 graden (ziefiguur 4). Met dit temperatuurverschil is ineen Kalina Cycle de omzetting naar elektri-citeit mogelijk.OTEC kan op een buitengaats platform ge-plaatst worden of op het land. Het koudewater kan na opwarming uitstekend dienstdoen als koelwater voor airconditioning.Dit bespaart op de elektriciteitconsumptiedoor de airco's en vermijdt de inzet vanfossiele brandstoffen. Het diepe oceaan-water is door de aanwezigheid van mine-ralen een goede grondstof voor agricul-tuur en drinkwaterproductie. De investe-ring van een OTEC plant is door de lageomzettingrendementen van zo'n 3 procentalleen toepasbaar indien de economy ofscale haar werk doet: vanaf 10-15 MWe enmet lange afschrijvingstermijnen. Let wel:de oceaan is schier onuitputtelijk. Ditmaakt de toepassing van OTEC op langetermijn uiterst aantrekkelijk. De techniekis niet moeilijk en bewezen.RestwarmteRestwarmte kun je grofweg in drie catego-rie?n opsplitsen: terugvoerbare energie(warmte voor warmte), omzetbare energie(warmte voor kracht) en onbruikbare rest-warmte. Het is duidelijk dat bij het zoekennaar wegen om de afvalwarmte niet zondermeer als restwarmte te verliezen prioriteitwordt gegeven aan projecten die de warmtevoor warmtebenutting voor de procesvoe-ring terugwinnen. Met betrekkelijk lageinvesteringen zijn in deze categorie redelij-ke terugverdientijden mogelijk. In vrijwelalle gevallen gaat het hierbij om proces-warmte van een redelijk temperatuurni-veau (> 120?C).De proceswarmte met een lager tempera-tuurniveau komt dan voor de tweede cate-gorie in aanmerking: warmte voor krachtof andere doeleinden. Juist tengevolge vandat lage temperatuurniveau zijn mogelijketoepassingen voor ORC-installaties w?ltechnisch interessant. Warmte/warmtete-rugwinning heeft bij veel bedrijven reedsaandacht of prioriteit gehad. In Nederlandwordt thans aangenomen dat een totaal vancirca 8.000 MWth als afval- en restwarmtebenutbaar aanwezig is. Onder de vele mo-gelijkheden om deze warmte, of een deeldaarvan, te benutten, komt de toepassingvan een ORC in aanmerking. Gelet op deprioriteit, gegeven aan de benutting vanwarmte voor warmte boven benutting voorkracht en bovendien gelet op de uit econo-misch oogpunt gestelde eisen aan tempera-tuurniveau en grootte van de warmte-stroom, is aangenomen dat van de eerdergenoemde 8.000 MWth circa 15 procentmogelijk benut kan worden voor toepassingvan ORC resulterend in een opgesteld duur-zaam vermogen van 120 MWe. ?Bronvermelding1. Afvalwarmteterugwinning met OrganischeRankine Cycli: marktverkenning in Nederland,door ir T.L.B den Hartog en ir A.J. Geutjes,Neratoom BV Den Haag. Energiespectrum 7ejaargang nr. 9 september 1983.2. Biomassa & WKK Werkgroep (www.biowkk.nl):Nieuwsbrief 24 januari 2007 en Workshop 22maart 2007 te Sittard.MEELEESABONNEMENTENERGIE+EXTRAVOORDELIG...