西門子能源(Siemens Energy)取得了美國業者Echogen Power Systems的專利技術授權，可在一個封閉迴路電力循環中採用超臨界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，sCO₂)作為工作流體，從電源收集廢熱並將之轉換為電力。

總部位於美國俄亥俄州Akron的Echogen成立於2007年，專長開發商用sCO₂系統；超臨界二氧化碳有多個特性，使其特別適合回收廢熱再發電的應用。該公司技術長Timothy Held接受《EE Times》採訪時表示，不同於典型以蒸汽為基礎的系統，sCO₂循環能自動開啟運作，零耗水、也沒有凍結的風險，這對於氣候寒冷的偏遠地區特別重要。

有很多種類的機器、電氣設備以及工業製程會產生大量的熱能，大多數都散逸至環境中未被利用，而通常這種廢熱都能被回收並用於其他目的。取決於不同的特殊應用，廢熱能被回收到現有製造流程，從某個製程轉移到同一個生產設施的其他製程，或是轉換為機械或電氣動力；這種過程也被稱為廢熱轉移(WHT)、廢熱轉機械動力(WH2MD)或廢熱發電(WHP)。

WHT與WH2MD兩種選項通常是聽起來實惠，但往往不實用，因為產出的能量必須在本地使用；而WHP的好處則是其產物──即電力──除了能被直接現場使用，也能被輕易轉往他處應用或是送至電網。

廢熱發電

WHP的原理是加熱高壓流體，然後讓流體透過渦輪機膨脹以啟動發電機。典型的廢熱系統是採用郎肯循環(Rankine cycle)，以藉由廢熱蒸氣沸騰的加壓水蒸氣使渦輪機作動，然後再將蒸氣冷凝為液態水，抽回高壓並再次開始循環。這種系統利用外部熱源，並透過閉迴路熱力學(thermodynamic)系統將之轉換為電力或作他用。

在美國，工業領域用戶對全美耗電量的貢獻度超過三成，也成為廢熱發電最大的潛在使用者；可惜因為效率不彰，那些被消耗的能源中有30%都成為散熱而浪費掉了。其他一些非工業應用領域也能作為發電來源，像是回收自天然氣管線壓縮機驅動器、垃圾掩埋場沼氣引擎、煉油廠、鋼鐵廠、玻璃熔爐、熱氧化爐(thermal oxidizers)與水泥窯的廢熱。

超臨界二氧化碳

sCO₂是二氧化碳超越其臨界溫度與壓力所形成的液態；在這種狀態下，二氧化碳會呈現介於氣體與液體之間的中間特性。這種溶液的第一個好處是密度高，佔位面積非常小，此外sCO₂不可燃、無毒性、無腐蝕性，是溫度穩定的工作流體。

因為以上特性，sCO₂可以更直接與熱源互動，免除二次熱迴路的需要，也進一步降低了系統的總安裝成本。整個系統的運作有五個主要的步驟(參考圖1)：

• 以幫浦加壓液態二氧化碳到臨界值，因此形成sCO₂；
• 二氧化碳在回流換熱器(recuperator)內預熱；
• 回收的廢熱被添加到廢熱交換器中；
• 高焓值(high-enthalpy)二氧化碳在渦輪機中膨脹，驅動發電機；
• 二氧化碳(透過氣冷或水冷方式)在回流換熱器中冷卻，然後凝結為液體。

圖1：超臨界二氧化碳廢熱發電系統。

超臨界流體同時具備液體與氣體的有利特性，尤其二氧化碳是被廣泛採用的元素，因為達到臨界所需的溫度與壓力相對較低，分別只要31°C與74bar。Held指出，sCO₂優異的特性是能實現小型化的閉迴路系統，而且僅需最小程度運作與維護支援。

他表示，不同於傳統的蒸氣循環系統，該系統具備非常大的彈性，能與種類廣泛的廢熱來源結合，從低速柴油引擎到簡易循環氣體渦輪機；「最後，該系統能實現熱電轉換的高效率，從經濟學的角度來看也仍具競爭力。」

市場實證的專利技術

Echogen擁有39項專利以及超過30件待審核專利申請，其技術已經從最初數kW的展示設備，進化為可供應數MW電力的商用產品，包括8MW EPS100熱引擎。該公司已經將技術授權給德國業者Siemens Energy，後者在2021年2月宣佈將部署Echogen的熱電轉換能源系統，將能源業者TransCanada (TC)天然氣管線中的廢熱，轉換為9.3MW的電力。

Held透露，該公司的技術已經有10年的市場經驗，他們持續藉由各種專案來精進系統，並透過模型軟體模擬展示其技術知識與系統可行性。他指出，Echogen的目標是證明公司可以實現所承諾的發電量，而相關驗證結果將能為該公司開啟其他更多商機。

藉由利用sCO₂而非傳統的水與蒸氣，Held表示Echogen的閉路系統能實現高效率，同時在設備外觀尺寸上也能比傳統的蒸氣系統更小。在上述的天然氣管線應用中，熱能來自於將天然氣透過管線推送的氣體壓縮站，其運作會有大量的廢熱散逸至環境。Siemens Energy的主業是石油與天然氣，該公司裝設廢熱回收發電設備之目的，是為業務營運降低碳排放量。

圖2：準備裝載運輸的Echogen廢熱回收發電系統。

Echogen也開發了一種能源儲存技術，預期能在短時間之內獲得再生能源產業採用。該技術利用普通矽砂(silica sand)為基底材料，能擷取並保存風力渦輪機、太陽能發電農場或是其他高壓電源產生的熱；那些被儲存的熱能稍後能被再利用並轉換回電力。這種能源儲存系統能滿足再生能源的最大挑戰：如何在風力不強或是沒太陽的時候持續提供電能？

Held表示：「過去14年來，我們致力於兩個主要領域的技術開發。其一是基本上利用sCO₂作為工作流體的電力循環、將熱能轉為電力的技術；另一個是我們最近三年投入的能源儲存技術。後者是因為我們真的看到了全球能源產業的龐大需求，這也是能源生產與消耗系統向前邁進的重大機會。」

編譯：Judith Cheng

(參考原文：Supercritical CO₂ enables Power Generation from Waste Heat，byMaurizio Di Paolo Emilio)

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