ORCシステムが廃熱回収する際のクリーン電力

現代社会およびグローバル経済の鍵を握っているのは手頃で持続可能なエネルギーの供給です。

 

しかし、一次エネルギー生産は私たちの周りにいくらでもありますが、二次エネルギー源としての熱副産物の使用はほとんど注目されてきていません。最も費用対効果が高くありながらも活用されていない資源、それが廃熱です。

多くの産業プロセスは非常にエネルギー集約型で、大量の排気ガスと排水流を放出します。プロセスの非効率性と既存技術に廃熱回収能力が欠けていることが起因して、現代の産量によって利用される膨大な量のエネルギーが、直接大気中かまたは冷却システムへと失われていっています。廃熱からエネルギーを生成する際の効率が廃熱源の温度に左右されることから、現在に至るまで、廃熱をより大がかりに回収することは実践的でも経済的でもありませんでした。ほとんどの廃熱温度が 300°F/150°C未満であるのに対し、現在の技術ではプロセスの熱源が中温から高温(500°F/260℃以上)に限定されます。しかし、より低い温度の場合に適応する新技術が登場しつつあります。

ORC:財政的に実行可能

これらの注目技術のひとつがオーガニックランキンサイクル (ORC) で、温度に対する要求を下げ、廃熱を回収して電力に変換することを経済的に実行可能にしています。ORCの作動原理は、十分確立されている発電所の蒸気タービン運転を表すランキンサイクルの作動原理と同様です。閉回路に閉じ込められた作動流体はまず最初にボイラーに送り込まれてそこで蒸発します。タービンを通過する際に、有機性蒸気流体は膨張し最終的には、通常多管式熱交換器内の閉水ループを使用して再凝縮されます。熱力学サイクルは、凝縮液が蒸発器に送り戻された時点で終了します。蒸発は高温/高圧側で起こり、凝結は低温/低圧側で起こり、これは通常の冷却サイクルの反対になります。

利用可能作動流体の種類 (炭化水素または冷媒) およびエネルギー変換器の種類は、軸流タービンからピストンまたはWankelエキスパンダーまでの範囲があり、広範な温度範囲に対して良好な性能を発揮するシステムの設計の可能性を広げます。またこれは、圧力低下に非常に敏感なシステム内の流量、圧力および温度の複雑な組み合わせを網羅する必要がある熱交換器の生産者の能力も要求します。従来このような場合、コストが高く非常に大きな特注ソリューションが必要になったでしょう。今日では、大半のケースが大量生産の組み立てユニットによるロウ付け式プレート熱交換器で解決可能です。これらの技術的進歩により、開始/停止の簡易手順、自動運転、最小限メンテナンス、部分負荷での良好な性能および非常に安定した静かな運転が可能になります。



日本のごみ焼却場でクリーンな電力を生成


ORCシステム向けの熱交換器の開発はここ数年で加速しました。  日本では特にその傾向が顕著ですが、それは日本の先端技術と日本国内産業に対するエネルギーの必要性に、原子力依存の低減が組み合わさった結果といえます。日本を本拠地とする企業、第一実業はErtecから彼らの新たなごみ焼却施設にORCシステムを設置するよう依頼を受けた際、第一実業の技術者は並外れた熱交換器が必要になるということを知っていました。彼らは当然のごとくSWEPを選択しました。第一実業とErtecはスウェップ社のことを2011年末から知っていましたが、何年間もスウェップ社はアメリカを本拠地とする企業のAccess Energyと提携していました。Access Energyは施設のORCシステムの主要部分を製造した企業です。「私たちの提携は2012年4月に始まりました。それは私たちの最初のORC実演施設でした。」と第一実業のプロジェクト担当エンジニア、イトウ・オサム氏が述べました。「Ertecでの最初の試験ユニットは弊社のB500sでした」とSWEPジャパンの営業部長、ミサキ・セイイチロウ 氏は述べました。この山梨県の民間焼却施設は現在クリーンな電力を焼却過程で生産される熱い燃料ガスから生み出しています。ORCシステムは燃料ガスから熱を取り除き電力に変換するために使用され、この電力は施設内で使用または地域に販売されます。

「試験ユニットがことのほか良好に稼働したので、第一実業は容量を75 KWから125 KWに増加し、性能向上を望みました。」とミサキ・セイイチロウ 氏は打ち明けました。スウェップ社はこの希望に応えることができました。「私たちは計算して適切なBPHEを選択する能力を備えています」とミサキ・セイイチロウ 氏は言い、さらに「弊社には適切な性能のBPHEがあります。」と続けました。数多くのプロジェクトで、私たちは競合他社をしのぎ、計算および選択に最も近い性能を示すことを可能にしてきました。」この特定の施設に対してはスウェップ社の最も強力な熱交換器であるB649が選択されました。「このプロジェクトは比較的小規模な施設ですが、大量の電力を生産します。」とイトウ・オサム氏は述べました。「より多くの電気というのが私たちの常々のフォーカスです。」

並外れた能力の熱交換器

2倍以上の能力を提供するB649は今日市場に出回っている同程度の熱交換器の中では最も強力です。サイズがコンパクトなので省スペースを実現でき、必要な管やカップリングの数も少なくて済みます。主要部をSwedenで生産していB649は地域冷暖房ネットワーク、HVACおよび産業プロジェクト向けに作られています。単純に、高い運転圧力で近い温度アプローチを伴う効率の良いコンパクトなBPHEに対する必要性が至る所に存在します。B649はガスケットPHEに似た能力を部品の摩耗や破損なしで提供します。支持装置、フレームなどにたくさんの材料を使用する他の技術に比べ、 B649に使用される材料の95%は伝熱に使用されます。25 バール高圧クラスを含む3タイプの異なる圧力クラスを取り揃えたB649はスペア部品、スペース、エネルギー消費、輸送および設置の面で資金の節約を実現します。

この熱交換器はニューモデルの中で最初に商業的に生産されたものでしたが、スウェップ社は設置に間に合うように高圧ガス保安協会(KHK) から承認を得ることができました。「大量のプレート枚数 (294枚および390枚)が気に入られました。」と、ミサキ・セイイチロウ氏は説明します。結果は今のところ大成功です。2013年11月末に、Ertec施設で盛大なパーティーが開かれました。.「弊社のお客様を大勢現場にお招きしました。」とオサム氏は述べ、次のように語りました。

「誰もが感動し素晴らしい施設の完成を祝ってくださいました。スウェップ社は信頼できるパートナーでありサプライヤーでもあります。」



開発は進行中です 


ORCの応用は液体の廃熱源を使用しますが、第一実業は現在、温度および圧力を上げて蒸気熱源を代わりに使用することを検討しています。熱源は同じだとしても、発電の優先順位がより高くなるため、システムはより高い温度でエネルギーを利用します。このシステムは蒸気が全部または一部凝縮するカスケードプロセスを介してエネルギーが供給され、その一方で作動流体が蒸発します。通常蒸気運転温度の範囲は 265355°F/130180°Cですが、原理的には上限はありません。最大エネルギー効率と傑出したシステム性能を提供するように設計されたスウェップ社製BPHEはどの製品も140160°F/6070°Cの低温で使用可能です。この特徴が、太陽光発電などの再生可能エネルギー源に対する完全に新たな可能性をもたらし、またSWEPは未来の開発に必ずや関与することになるでしょう