ORC-järjestelmän mitoittaminen hakelämmitysjärjestelmään : maatilakokoluokassa

Abstract

Maatilan rakennukset kuluttavat asukasta kohden paljon energiaa. Lämpöenergian tuottaminen on helppoa ja edullista, kun lämmittämiseen tarvittavaa polttoainetta on saatavilla tilan omista metsistä. Suomessa on sähkön pientuotantoa vähän, lukuun ottamatta viime vuosina yleistyneitä aurinkopaneelijärjestelmiä. Pientuotannon vähyys johtuu sen kannattamattomuudesta, koska sähköä on yleensä edullisempaa ostaa verkosta kuin tuottaa itse.

Tässä opinnäytetyössä perehdytään sähköntuottamiseen ORC-järjestelmällä. Työssä tutkitaan matalalämpötilan ORC-järjestelmän liittämistä hakekattilan vesikiertoon ja selvitetään, millä ehdoilla sen toiminta on mahdollista. Työssä esitellään kahden valmistajan laitteita ja simuloidaan ORC-järjestelmän toimintaa.

ORC eli organic Rankine cycle on orgaaniseen aineeseen perustuva kiertoprosessi, jossa kiertoaineen lämpötilan-, paineen- ja olomuodonmuutoksilla saadaan aikaan työtä tekevää voimaa. ORC-järjestelmän etuina on suljettu rakenne ja kiertoaineen valinnalla on mahdollista saavuttaa alle 100°C lämpötila-alue. Näin matalalla lämpötilalla on mahdollista käyttää lämmönlähteenä nestemäistä vettä, jolloin ORC-järjestelmä voidaan liittää myös olemassa olevaan hakekattilaan. Hakelämmityskattilan, ORC-järjestelmän ja maatilan rakennuksien lämmitysjärjestelmien yhteensovittaminen on tärkeää, jotta järjestelmästä saadaan mahdollisimman taloudellinen ja toimiva. Tämä asettaakin rajoitteita, milloin ORC-järjestelmän hyödyntäminen maatilan sähköntuotannossa on kannattavaa ja järkevää.

Opinnäytetyössä selvisi, että ORC-järjestelmän lisääminen hakekattilan yhteyteen ei lisää hakkeenkulutusta 10 % enempää. Tämä on mahdollista silloin, kun ORC-järjestelmä mitoitetaan niin, että sen jäähdytyspiirin lämpöenergia saadaan käytettyä rakennusten lämmittämiseen tai muuhun hyötykäyttöön. Tällöin myös tuotetun sähköenergian hinta on mahdollisimman alhainen ja ORC-järjestelmän hankinta on myös taloudellisesti kannattavaa. Matalanlämpötason ORC-järjestelmän hyötysuhde lämmöstä sähköksi on suhteellisen alhainen, joten vastaavanlaisen tutkimuksen voisi tehdä korkeammalla lämpötilalla toimivalla ORC-järjestelmällä, joka olisi liitetty hakekattilan savukaasujen lämmöntalteenottoon.

In Finland, buildings in countryside consume a lot of energy per person. Energy consumption consists of the consumption of electrical energy and thermal energy. There is a lot of small-scale production of heat energy because homes need to be heated, but there is little small-scale production of electrical energy due to its unprofitability most of the time.

This thesis examined the operation of an ORC system and how it could be used to generate electrical energy from the hot water cycle of a wood chip boiler. The operation of the ORC system was simulated and the systems on the market were presented and compared.

ORC is an acronym for organic Rankine cycle and is a closed cycle process in which a temperature difference produces a change in the temperature, the state of matter and the pressure of the circulating substance that produces work in the turbine. The organic circulating substance allows the recirculation process to operate temperatures below 100 degrees Celsius when the source of thermal energy can be liquid water. It is important to plan the co-operation between the wood chip boiler, the heating system of buildings and the ORC system so that the system as a whole works as energy efficiently as possible.

The thesis results show that connecting the ORC system to a woodchip boiler only increases the consumption of wood chips by 10%, if the energy from the cooling circuit of the ORC system is used to heat buildings. Then the price of energy produced will also be as low as possible.