超臨界二氧化碳實現高效率廢熱發電

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

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...

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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