Nowy system oparty na fotowoltaice wytwarza energię elektryczną i cieplną z energii zimna Dzięki dofinansowaniu ze środków Unii Europejskiej badacze opracowali organiczny cykl Rankine’a, który pozwala na wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej z różnych rodzajów źródeł ciepła – od systemów skoncentrowanej energii słonecznej, aż po zimną energię, której źródłem jest skroplony gaz ziemny. Energia © Aliaksei/stock.adobe.com Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, kończące się zasoby paliw kopalnych oraz wyzwania związane z ochroną środowiska motywują nas do transformacji w kierunku wykorzystywania odnawialnych źródeł energii. Ich wprowadzanie do szerokiego użytku nie jest jednak pozbawione wyzwań, a jednym z największych jest fakt, że są uzależnione od czynników naturalnych – na przykład elektrownie fotowoltaiczne wytwarzają energię tylko wówczas, gdy świeci słońce. Oznacza to, że zarówno zachmurzenie, jak i noce ograniczają wydajność takich rozwiązań. Ponadto energia promieniowania słonecznego charakteryzuje się stosunkowo niską gęstością, dlatego jej praktyczne wykorzystanie wymaga zastosowania kolektorów słonecznych o dużej powierzchni. Zintegrowany system rozwiązuje problemy przerw i sprawności Koryta paraboliczne, które stanowią jeden z rodzajów kolektorów słonecznych, stanowią obecnie jedno z najtańszych rozwiązań pozwalających na wykorzystywanie energii słonecznej. Wszystko dzięki temu, że pozwalają na uzyskiwanie użytecznego ciepła o temperaturze od 50 do 400 stopni Celsjusza. Ta energia cieplna może być przetworzona w energię elektryczną przy użyciu jednego z najbardziej wszechstronnych i wydajnych cykli energetycznych – organicznego cyklu Rankine’a, określanego czasem skrótem ORC. Ten zamknięty cykl termodynamiczny połączony z korytami parabolicznymi i systemami magazynowania energii cieplnej zapewnia elastyczność, która jest wymagana do wykorzystania na szeroką skalę systemów opartych na energii słonecznej. „W ramach projektu SO-LNG-ORC zajmowaliśmy się analizami w celu ustalenia optymalnego projektu oraz działania systemu wykorzystującego organiczny cykl Rankine’a połączony z kolektorami słonecznymi i magazynami ciepła jawnego. Naszym celem było rozwiązanie problemu wynikającego z faktu, że energia słoneczna nie jest dostępna przez cały czas”, wyjaśnia Haoshui Yu, badacz zaangażowany w prace realizowane w ramach projektu SO-LNG-ORC. Projekt otrzymał dofinansowanie ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”. „W ramach prac udało nam się opracować zintegrowany system oparty na organicznym cyklu Rankine’a, który wykorzystuje zarówno energię słoneczną, jak i zimno pochodzące ze skroplonego gazu ziemnego – LNG. Kriogeniczne pochłaniacze ciepła, wśród których można wymienić między innymi skroplony gaz ziemny, pozwalają na zwiększenie sprawności organicznego cyklu Rankine’a dzięki wykorzystaniu energii zimna, która w innym wypadku jest marnowana, gdy skroplony gaz zmienia stan skupienia”, wyjaśnia Yu. Usprawnienie systemu dzięki symulacjom Naukowcy przeprowadzili szereg symulacji w celu określenia optymalnej konstrukcji dwuzbiornikowego systemu magazynowania energii cieplnej oraz doboru odpowiednich temperatur zbiorników. Dodatkowo przeanalizowali także optymalny przepływ płynu do wymiany ciepła, który wpływa zarówno na temperaturę samego płynu, jak i ilość ciepła pochłanianego przez kolektor słoneczny. Naukowcy przeprowadzili także testy mające na celu wybór najlepszego płynu do wymiany ciepła z myślą o odzyskiwaniu energii zimna ze skroplonego gazu ziemnego. „Powodem tych badań jest fakt, że jednoczesne wykorzystanie energii słonecznej i energii zimna ze skroplonego gazu ziemnego w organicznym cyklu Rankine’a może oznaczać konieczność doboru innego czynnika pozwalającego na wymianę ciepła. Takie rozwiązanie może także skomplikować konfigurację samego systemu, gdyż może wymagać cykli kaskadowych lub równoległych”, zauważa Yu. System oparty na organicznym cyklu Rankine’a zasilany energią słoneczną pozwolił na wytwarzanie stabilnej mocy przez całą dobę. „Stosując optymalizację opartą na symulacjach, udało nam się zwiększyć sprawność proponowanej elektrowni opartej na organicznym cyklu Rankine’a wykorzystującej toluen jako płyn do wymiany ciepła z 17,9 % do 24,8 %”, wyjaśnia Yu. Organiczny cykl Rankine’a odzyskujący ciepło odpadowe (energię zimna) charakteryzował się lepszą sprawnością w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami. „Nasz zespół jako pierwszy zbadał synergie pomiędzy systemem opartym na organicznym cyklu Rankine’a wykorzystującym energię słoneczną oraz energią zimna zmagazynowaną w skroplonym gazie ziemnym”, podkreśla Yu. „Rezultaty naszego projektu pozwolą na opracowanie nowatorskich systemów energetycznych charakteryzujących się wysoką sprawnością, niezrównanym bezpieczeństwem, opłacalnością oraz niewielkim wpływem na środowisko”. Proponowany system został opisany w artykule „Optimal design and operation of an Organic Rankine Cycle (ORC) system driven by solar energy with sensible thermal energy storage” opublikowanym na łamach recenzowanego czasopisma naukowego „Energy Conversion and Management”. Co więcej, w 2021 roku opublikowany został referat konferencyjny zatytułowany „Performance comparison of organic Rankine cycle (ORC) and CO2 cycle for simultaneous utilization of liquefied natural gas (LNG) cold energy and solar energy”, którego autorzy porównali sprawność organicznego cyklu Rankine’a oraz cyklu CO2 przy wykorzystaniu energii zimna zmagazynowanej w skroplonym gazie ziemnym oraz energii słonecznej. Słowa kluczowe SO-LNG-ORC, LNG, skroplony gaz ziemny, energia zimna, energia słoneczna, płyn do wymiany ciepła, energia elektryczna, przerwy, organiczny cykl Rankine’a
