有机朗肯循环 (ORC)：低温下的可持续发电

MoNiKa 设施将主要用于面向应用的研究项目。图片来源：Markus Breig/Amadeus Bramsiepe，KIT

来自工业或地热发电厂的废热形式的低温热量为可持续和按需定制的电源提供了巨大的潜力。模块化低温循环卡尔斯鲁厄 (MoNiKa) 是欧洲唯一的此类研究设施，现已在卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 开始运作。工作旨在通过有机朗肯循环 (ORC) 提高将多余热量转化为电能的效率和环境兼容性。

在过去的几年里，低温热能在低 CO 2排放的高效发电方面变得越来越重要。“与其向环境释放过多的热量，不如使用它并从中发电，”KIT 热能技术与安全研究所 (ITES) 能源与工艺工程组负责人 Dietmar Kuhn 博士说）。所谓的 ORC 设施用于将温度低于 200°C 的热量转化为电力供私人家庭使用。这些设施是基于有机朗肯循环，一个热力学的英国创始人威廉·约翰·麦夸恩·兰金的名字命名的过程，主要用于地热电力工厂。

这是一个流体-蒸汽循环，其中流体在压力增加的情况下循环和加热，直到它蒸发。热蒸汽被传送到涡轮机，涡轮机降低压力和温度，并将其转化为动能和电能。水在压力下的沸点是几百度。这远高于地热等低温源所能提供的热量。出于这个原因，ORC 工艺使用其他流体作为工作介质，而不是燃煤电厂。在 MoNiKa，专家们使用的丙烷具有极低的全球变暖潜能值，但性能却很高。

提高ORC设施效率的策略

到目前为止，ORC 设施过热的效率或发电量仅在 10% 到 15% 的范围内。KIT 研究人员现在希望开发新策略来提高 ORC 设施的效率并减少其 CO 2足迹。“MoNiKa 是最先进的研究和开发设施。它是欧洲唯一的同类产品，”库恩说。与大多数 ORC 发电厂相反，MoNiKa 的蒸汽循环是超临界运行的。关于温度、压力和密度，超过了所谓的临界点，在该临界点气体变成流体，反之亦然。相变变得平滑。“因此，发电量可以提高 20% 到 30%，”库恩说。

模块化设施包括一个模拟低温热源的供暖设备。许多传感器测量温度、压力和流速，用于将运行数据与模型计算进行比较并提高预测质量。在此基础上，研究人员计划分析和优化中心部件，例如热交换器或创新的混合电容器，以提高它们的能源效率和环境兼容性。工作还旨在减少或防止循环泄漏。