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有機朗肯循環於台灣能源的應用與發展

2019-02-25

林志宏 助理教授

國立勤益科技大學冷凍空調與能源系


國內工業界許多工廠因其製程的需求,必須使用大量的熱來將原物料進行加熱與加工。這些高溫的熱源經過第一階段的使用後仍然具有不可忽視的餘熱、廢熱,倘若直接將這些熱能直接排放到大氣當中,不僅是浪費還會因累積龐大的熱汙染,進而造成氣候的影響。再加上國內能源短缺、能源實行政策不明確與二氧化碳排放量之議題受到相當大的關注,如何開發具有環保的新能源、提升能源使用效率與附加價值、降低碳排放與低污染能源等議題,已越來越重要。新能源的開發研究是一項相當艱難且必要的任務,也正是每個科學家們正在努力的事,但技術成熟且可實際使用所需要的時間並無法估計。因此,如何強化既有的潔淨能源技術,以達到更有效的能源利用則是全球所重視的議題,如燃料電池以及風力發電、太陽能等再生能源。然而,再生能源有其天候與地理上的侷限性。因此,每個產業都能做到節約能源的目標,事實上反而是目前最簡單也最能夠立即實現的方式。倘若我們能不浪費任何可用的熱能(如地熱、太陽能集熱)、工業製程廢熱,或是較低溫的熱能(如熱源溫度在200℃以內)。甚至於如液化天然氣在氣化至常溫狀態下的過程,因溫度差所產生大量的冷能,皆能充分的利用來產生高價值的電力,這對國家能源政策上反而能提供更有彈性的運用,對於產業界也能直接協助其達成節能的目的。

圖1  有機朗肯循環示意圖。

 

如何充分利用這廢熱與廢冷的能源並轉換成有價值的電力,有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle, ORC)正可扮演這角色來提升節約能源的價值。相較於其他的能源技術與方式,ORC並沒有排碳的疑慮,同時將較難使用的低溫廢熱予以充分利用並轉換成電力。因此,在垃圾變黃金的概念下,事實上ORC是一達到「負碳」精神的簡單且相當潔淨的能源技術,而現今全世界在環保意識高漲的情況下皆已開始嚴正地重視。綜觀國內外ORC發展的情況,許多發展商業化ORC系統的公司,大部分並不會提及其系統的轉換性能,僅提供機組的發電量規模。其中所隱含的意味其實可發現ORC系統的應用性發展才正邁入開始的階段,相信還有很長的時間、許多相關的研發技術仍等待我們去突破與開發。

ORC系統主要由四個重要元件組成,分別為泵浦、蒸發器、膨脹器、冷凝器(圖1)。ORC系統是將工業廢熱、地熱、太陽能集熱等低溫熱源經由蒸發器的傳熱將高壓液態冷媒汽化成高壓蒸汽,進而推動膨脹器轉換成電能或是其他動力輸出。在冷能利用方面,則是藉由極低溫液化天然氣的冷卻能力,提供ORC系統在冷凝端將低壓蒸氣冷凝成低壓液態的工作流體。本人有幸為國立台北科技大學洪祖全教授的能源團隊之一份子,該團隊也已累積將近二十年的經驗,圖2為近年來成功運轉的小型ORC系統的實驗機組,所有內部的元件皆是以國內自產的設備所組建完成。相信結合國內本土既有的技術能力,也能打造世界級的ORC。

圖2 ORC機組實際組裝圖。

從不同的能源使用上來看,ORC最大的特色在於工作流體的選擇是相當多樣化的,可根據不同工作流體有著不同的面貌,每種面貌表示可根據不同的低溫熱源選擇其相應適合的工作流體,亦可根據其裝設地點的四季環境而有不同的最適化設計。因此,ORC是個可相當有彈性地以模組化方式、排列組合應用到各個層面。故,以節約能源的信念為目標,ORC可針對企業所產生的廢熱充分有效地進行回收,配合政府給予工業界的設備補助,並根據企業的需求作最適化的調整。如業者主要目的在能夠充分的利用廢熱來建立ORC系統,或希望能藉由部分廢熱利用來達成高發電量的需求,這些都是ORC能夠扮演的角色來推廣並協助企業達成節能又不排碳的成果。

資料來源:

吳家榮,微小型有機朗肯循環針對廢熱使用之實驗探討,國立台北科技大學碩士論文,104年