有機ランキンサイクル

Variation on the Rankine thermodynamic cycle

再生器付きORC

熱工学において、有機ランキンサイクル（ORC ）は熱力学サイクルの一種です。これはランキンサイクルの一種で、水よりも蒸発温度が低い有機高分子流体（水と比較して）を使用することからその名が付けられました。この流体は、バイオマス燃焼、産業廃熱、地熱、ソーラーポンドなどの低温熱源からの熱回収を可能にします。低温熱は有用な仕事に変換され、その仕事自体が電力に変換されます。

この技術は1950年代後半にルシアン・ブロニツキとハリー・ツヴィ・タボルによって開発されました。^{[1] [2]}

ナフサ エンジンは、原理的には ORC に似ていますが、他の用途向けに開発され、1890 年代初頭から使用されていました。

ORCの動作原理

理想/現実のORCのTs図

有機ランキンサイクルの動作原理は、ランキンサイクルと同じです。作動流体はボイラーに送られ、そこで蒸発し、膨張装置（タービン、 ^[3]スクリュー、^[4]スクロール、^[5]またはその他の膨張機）を通過し、次に凝縮器熱交換器を通過して最終的に再凝縮されます。

エンジンの理論モデルによって記述される理想的なサイクルでは、膨張は等エントロピーであり、蒸発および凝縮のプロセスは等圧です。

実際のサイクルでは、不可逆性の存在がサイクル効率を低下させます。これらの不可逆性は主に以下の場合に発生します。^[6]

• 膨張中：圧力差から回収可能なエネルギーのうち、有用な仕事に変換されるのはほんの一部です。残りの部分は熱に変換され、失われます。膨張機の効率は、等エントロピー膨張との比較によって定義されます。
• 熱交換器内：作動流体は長く曲がりくねった経路を通るため、良好な熱交換が確保されますが、圧力降下が発生し、サイクルから回収できる電力量が低下します。同様に、熱源／熱シンクと作動流体間の温度差によりエクセルギー破壊が生じ、サイクル性能が低下します。

ORCへの申請

ラッペーンランタのLUT大学の実験発電所で使用される75kW ORCタービン発電機

有機ランキンサイクル技術は多くの用途があり、世界中で2.7GW以上の設備容量と698の発電所が確認されています。^[7]その中でも、最も普及し有望な分野は次のとおりです。^[8]

廃熱回収

廃熱回収は、有機ランキンサイクル（ORC）の最も重要な開発分野の一つです。これは、熱電併給プラント（例えば、家庭用給湯器を利用した小規模なコジェネレーションプラント）だけでなく、有機物の発酵、オーブンや炉（例えば、石灰窯やセメント窯）からの高温排気、排気ガスの凝縮、車両からの排気ガス、コンプレッサーの中間冷却、発電サイクルの凝縮器などの産業プロセスや農業プロセスにも応用できます。

バイオマス発電所

バイオマスは世界中で利用可能であり、小規模から中規模の発電所で電力生産に利用できます。蒸気ボイラーなどの機械への投資コストが高いという問題は、ORC発電所の作動圧力が低いため解消されます。もう一つの利点は、作動流体の特性により機械の寿命が長いことです。作動流体は蒸気とは異なり、バルブシート、配管、タービンブレードを侵食・腐食しません。ORCプロセスは、多くの地域で利用可能な燃料の量が比較的少ないという問題も克服します。小規模な発電所でも効率的なORC発電所を実現できるからです。

地熱発電所

地熱熱源の温度は50～350℃と広範囲にわたります。そのため、ORCはこの種の用途に最適です。ただし、低温地熱源（通常100℃未満）の場合、効率は非常に低く、ヒートシンク温度（周囲温度によって定義されます）に大きく依存することに留意することが重要です。

太陽熱発電

有機ランキンサイクルは、通常の蒸気ランキンサイクルの代わりに、太陽光 パラボリックトラフ技術において使用することができます。ORCは、より低い容量とより低いコレクタ温度での発電を可能にするため、低コストで小規模な分散型CSPユニットの実現を可能にします。^{[9] [10]} また、ORCは、熱エネルギー貯蔵装置を備えたハイブリッドCSP-PVシステムにおいて、瞬間発電量の最大70%をオンデマンドで回収することを可能にし、他のタイプの電力貯蔵装置に代わる非常に効率的な代替手段となります。^{[11] [12]}

風力熱エネルギー

最近、風力エネルギーを中温熱（最大600℃）に直接変換できる、いわゆる風力熱タービンが議論されています。^[13]これらは蓄熱装置と組み合わせることができ、ORCと組み合わせて発電することも可能です。

しかし、タービンのカルノー効率を考慮すると、電気を生成するよりも熱エネルギーを熱そのものとして利用する方が効率的である可能性があります。

作動流体の選択

低温ランキンサイクルでは、作動流体の選択が非常に重要です。低温であるため、熱伝達効率の低下は大きな悪影響を及ぼします。これらの効率低下は、流体の熱力学的特性と運転条件に大きく依存します。

低品位熱を回収するために、一般的に流体の沸点は水よりも低くなっています。冷媒と炭化水素は、一般的に使用される2つの成分です。

作動流体の最適な特性：

• 等エントロピー飽和蒸気曲線：

ORCの目的は低品位熱エネルギーの回収に重点を置いているため、従来のランキンサイクルのような過熱アプローチは適切ではありません。したがって、蒸発器の排気口でわずかに過熱させることが常に推奨されますが、これは「湿潤」流体（膨張終了時に二相状態にある流体）には不利です。乾潤流体の場合は、再生器を使用する必要があります。

• 低い凝固点、高い安定温度：

水とは異なり、有機流体は通常、高温で化学的に劣化し、分解します。したがって、最高熱源温度は作動流体の化学的安定性によって制限されます。凝固点はサイクル内の最低温度よりも低くなければなりません。

• 高い蒸発熱と密度：

潜熱と密度の高い流体は、蒸発器内の発生源からより多くのエネルギーを吸収するため、必要な流量、施設のサイズ、およびポンプの消費量が削減されます。

• 環境への影響が少ない

考慮される主なパラメータは、オゾン層破壊係数(ODP) と地球温暖化係数(GWP) です。

• 安全性

流体は非腐食性、非可燃性、非毒性である必要があります。ASHRAEによる冷媒の安全分類は、流体の危険度を示す指標として使用できます。

• 優れた入手性と低コスト
• 許容できる圧力

作動流体の例

• CFC ：オゾン層破壊のためモントリオール議定書で禁止（例： R-11、R-12）
• HCFC：モントリオール議定書のコペンハーゲン改正により段階的に廃止（例：R-22、R-123）
• HFC（例：R134a、R245fa）
• HC：可燃性、ガス処理施設の一般的な副産物（例：イソブタン、ペンタン、プロパン）
• PFC ^[14]

ORCシステムのモデリング

ORC サイクルをシミュレートするには、質量とエネルギーのバランス、熱伝達、圧力降下、機械的損失、漏れなどの方程式が実装された数値ソルバーが必要です。

ORCモデルは、主に定常モデルと動的モデルの2種類に分けられます。定常モデルは、設計（またはサイジング）目的と部分負荷シミュレーションの両方に必要です。

一方、動的モデルは、様々なコンポーネントにおけるエネルギーと質量の蓄積も考慮します。これらは、例えば過渡状態や始動・停止時などの制御戦略の実装とシミュレーションに特に役立ちます。

ORCモデリングのもう一つの重要な側面は、有機流体の熱力学的特性の計算です。Peng-Robinson方程式のような単純な状態方程式（EOS）は精度が低いため避けるべきです。例えば、最先端の熱物性データベースや輸送特性データベースを用いた、マルチパラメータEOSが推奨されます。

上記の目的のために様々なツールが利用可能であり、それぞれに長所と短所があります。ここでは最も一般的なツールを紹介します。

道具	因果関係	シミュレーションタイプ	分布	例	説明
一般的な熱力学モデリングツール
アックスサイクル	非因果的	定常状態	非フリー
サイクルテンポ	因果関係	定常状態	非フリー
エンジニアリング方程式ソルバー	非因果的	定常状態	非フリー	EESのシンプルなORCモデルは2016年3月4日にWayback Machineにアーカイブされています
GTスイート	非因果的	定常状態と動的	非フリー	カミンズ スーパートラック WHR
LMS Imagine.Lab アメシム	因果関係 および非因果的	定常状態と動的	非フリー	小規模ORCプラント
プロシムプラス	/	定常状態	非フリー
一般的なモデリングツール
MATLAB / Simulink	因果関係	定常状態 / 動的	非フリー
Scilab / Xcos	非因果的	定常状態 / 動的	オープンソース	シンプルなORCモデル	Matlab のオープンソースの代替品。
有機流体の熱物性および輸送特性に関する一般的なツール
アスペンプロップ	/		非フリー
クールプロップ	/		オープンソース
フルイドプロップ	/		無料
レフプロップ	/		非フリー
Simulis熱力学	/		非フリー

参照

• エネルギーポータル
• 再生可能エネルギーポータル

• ランキンサイクル
• 熱力学サイクル
• 異なる電源で発電された電力の相対的なコスト
• ナフサの発売
• 作動流体
• 非理想的な圧縮性流体力学

参考文献

1. ハリー・ツヴィ・タボル、クリーブランド・カトラー著『地球百科事典』、2007年。
2. 国際太陽エネルギー学会イスラエル支部 Archived 2009-01-11 at the Wayback Machine、編集者：Gershon Grossman、Faculty of Mechanical Energy, Technion、ハイファ、最終草稿。
3. Arifin, M.; Pasek, AD (2015).小型有機ランキンサイクルシステム用ラジアルターボエキスパンダーの設計. 第7回国際冷暖房技術会議. 第88巻. p. 012037. Bibcode :2015MS&E...88a2037A. doi : 10.1088/1757-899X/88/1/012037 .
4. ジヴィアーニ、ダヴィデ;グセフ、セルゲイ。シュースラー、ステファン。アカイキア、アブデナセル。ブラウン、ジェームスE.グロール、エックハルト A.ペペ、ミシェル・デ。ファン・デン・ブローク、マルティン（2017年9月13日）。 「液体浸入膨張と内部再生を備えた有機ランキンサイクルでの単軸膨張機の採用」。エネルギープロセディア。129 : 379.土井: 10.1016/j.egypro.2017.09.239。
5. Galloni, E.; Fontana, G.; Staccone, S. (2015年7月25日). 「R245fa作動流体をベースとした小型ORC（有機ランキンサイクル）発電所の設計と実験分析」. Energy . 90 : 768–775 . doi :10.1016/j.energy.2015.07.104.
6. 有機ランキンサイクルを用いた廃熱回収および太陽光発電への持続可能なエネルギー変換(PDF) (論文). リエージュ大学、リエージュ、ベルギー. 2011年10月4日. 2011年10月31日閲覧.
7. T. Tartiere. 「ORC世界地図」 . 2016年8月16日閲覧。
8. Quoilin, Sylvain; Broek, Martijn Van Den; Declaye, Sébastien; Dewallef, Pierre; Lemort, Vincent (2013). 「有機ランキンサイクル（ORC）システムの技術経済調査」（PDF） .再生可能エネルギー・持続可能エネルギーレビュー. 22 : 168–186 . doi : 10.1016/j.rser.2013.01.028 . 2013年3月2日閲覧。
9. 「ソーラーマイクロジェネレータ」Stginternational.org. 2013年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年4月29日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
10. 「太陽からの電力::第12.2章 ランキン発電サイクル」『太陽からの電力』 。 2017年4月29日閲覧。
11. 「RayGenは膨大な貯蔵能力に注力」www.ecogeneration.com.au 2020年4月23日2021年1月28日閲覧。
12. Blake Matich (2020年3月20日). 「ARENA、RayGenの『ソーラー・ハイドロ』発電所への資金提供を強化」PV Magazine . 2021年1月28日閲覧。
13. 岡崎 登里; 白井 康之; 中村 健恒 (2015). 「直接熱変換と蓄熱を利用した風力発電の概念検討」.再生可能エネルギー. 83 : 332–338 . doi : 10.1016/j.renene.2015.04.027 . hdl : 2433/235628 .
14. 「TURBODEN - 有機ランキンサイクルシステム」（PDF） .

外部リンク

• 有機ランキンサイクルに関する知識センター

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