Yksinkertaisen ORC-prosessin kaavio.

Teollisuuden ja voimatuotannon prosesseissa merkittävä osa käytetystä energiasta hukataan jätelämpönä. Näiden jätelämpövirtojen hyödyntäminen on osoittautunut teknisesti ja taloudellisesti haasteelliseksi perinteisillä menetelmillä johtuen lähinnä jätelämpövirtojen matalasta lämpötilatasosta. Orgaanisten kiertoaineiden käyttöön perustuvilla ORC-prosesseilla (Organic Rankine Cycle) on mahdollista tuottaa sähköä sellaisista lämpövirroista, joiden hyödyntäminen perinteisillä voimaprosesseilla on teknisesti haastavaa. ORC-teknologia mahdollistaa myös erittäin pienitehoisten voimalaitosprosessien toteutuksen esimerkiksi hajautettuun energiantuotantoon.

ORC-prosessin toimintaperiaate on vastaava kuin perinteisissä höyryturbiinivoimalaitoksissa. Suljetussa putkistossa kiertävä orgaaninen aine höyrystetään lämmön avulla. Korkeapaineinen höyry paisutetaan turbiinissa matalampaan paineeseen saaden turbiinin tuottamaan mekaanista tehoa. Turbiini on kytkettynä generaattoriin, joka muuntaa mekaanisen energian sähköksi. Turbiinin jälkeinen matalapaineinen höyry lauhdutetaan takaisin nesteeksi ja paineistetaan pumpulla korkeaan paineeseen ennen nesteen syöttämistä takaisin höyrystimeen.

Ensimmäiset kaupalliset ORC-voimalat kehitettiin 1960-luvulla ja nykyään kaupallisia ORC-voimaloita on saatavilla useissa eri teholuokissa ja erilaisiin sovelluksiin. ORC-periaatteella toimivat voimaprosessit ovat vakiintunutta tekniikkaa geotermisen lämmön hyödyntämisessä sekä pienehköissä (noin 1 MWe) biomassaa hyödyntävissä yhdistetyn lämmön- ja sähköntuotannon voimaloissa. Saatavilla on myös yhä enemmän erilaisten hukkalämpövirtojen hyödyntämiseen soveltuvia ORC-voimaloita pienitehoisista (suuruusluokan 10 kW) voimaloista suuritehoisiin usean MW:n voimaloihin.

Muuntamalla hukkalämpövirtoja sähköksi voidaan prosessin energiatehokkuutta parantaa sekä syntyviä päästöjä pienentää. Hukkalämmön hyödyntäminen ei lisää pääprosessin polttoaineenkulutusta ja ORC-prosessilla saatava lisäenergia voidaan näin rinnastaa vihreään ja täysin päästöttömään energiaan.

Soveltuvia lämmönlähteitä ovat esimerkiksi matala- ja keskilämpötilaiset teollisuuden hukkalämpövirrat sekä polttomoottoreiden ja kaasuturbiinien hukkalämpö. Tutkimukset ovat osoittaneet, että hyödyntämällä teollisuus- tai laivakokoluokan polttomoottoreiden pakokaasujen lämpöä moottorista voidaan saada noin 10 prosenttia lisää tehoa. Myös polttomoottoreiden jäähdytyspiirin ja ahtoilman jäähdytyksen lämpöä olisi teknisesti mahdollista hyödyntää ORC-prosessilla.

Kiertoaineissa on vaihtoehtoja

Yksi merkittävimmästä ORC-prosessien eduista on kiertoaineen valinnanvapaus laitteiston suunnitteluvaiheessa. Kiertoaineen valintaan vaikuttavat erityisesti sovellus, lämpötilataso, teholuokka ja käytetyt tekniset ratkaisut. Kaupallisissa ORC-voimaloissa käytettävät kiertoaineet voidaan jakaa karkeasti kolmeen pääryhmään: hiilivetyihin, siloksaaneihin eli piiöljyihin ja hiilifluorideihin.

Kiertoainetta valittaessa ratkaisevaa on eri prosessin komponenttien suunnittelu ja prosessilla saavutettava hyötysuhde. Lisäksi kiertoaineen valinnassa tulee ottaa huomioon aineen myrkyllisyys, hinta, palavuus sekä terminen ja kemiallinen stabiliteetti.

10 kW ORC koelaite, joka hyödyntää dieselmoottorin pakokaasulämpöä (kuva Timo Mikkola).

ORC-prosessilla saavutettavat hyötysuhteet (höyrystimessä siirretystä lämmöstä sähköksi) vaihtelevat 5 prosentista 20 prosenttiin riippuen lämpötilatasoista ja teholuokasta. ORC-prosessissa käytetään paisuntakoneena valitusta kiertoaineesta ja teholuokasta riippuen tyypillisesti joko turbiinia tai kylmäkoneiden kompressorien tapaista syrjäytysperiaatteella toimivaa paisuntakonetta.

Suomalaista osaamista suurnopeustekniikassa

Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa (LUT) on tutkittu ja kehitetty suurnopeustekniikkaan perustuvia ORC-voimaloita 1980-luvulta lähtien. Suurnopeustekniikkaan perustuvassa ORC-voimalassa prosessin turbiini, generaattori ja syöttöpumppu ovat kytkettynä samalle akselille. Akselin pyörimisnopeus on tyypillisesti erittäin suuri, tasolla 20 000-50 000 rpm, ja tuotettu sähkö syötetään sähköverkkoon taajuusmuuttajan avulla.

Suurnopeustekniikan käytöllä voidaan saavuttaa merkittäviä etuja verrattuna muihin teknologioihin; turbiinin pyörimisnopeuden ja kiertoaineen valinnanvapaus suunnittelussa mahdollistavat turbiinin optimaalisen suunnittelun. Muita etuja ovat laitteiston pieni koko, erillisen voiteluöljypiirin tarpeettomuus, laitteiston pitkä käyttöikä sekä huoltovapaus. Useimmissa tapauksissa suurnopeusturbogeneraattorin generaattori voidaan jäähdyttää ja laakerit voidella kiertoaineella. Näin konstruktiosta voidaan tehdä täysin tiivis ilman kiertoaineen vuotoa ympäristöön.

LUT:ssa on kehitetty suurnopeustekniikkaan perustuvia ORC-voimaloita 10 kW - 200 kW kokoluokassa erilaisiin sovelluksiin, jopa syvänmerensukellusveneen latausasemaksi. LUT:ssa kehitettyjä 160 kW jätelämpöä hyödyntäviä ORC-voimaloita valmistaa kaupallisesti Hollantilainen Tri-O-Gen B.V. Pienempitehoisia suurnopeustekniikkaa hyödyntäviä ORC-voimaloita kaupallistamaan ja kehittämään on perustettu startup-yritys Visorc Oy.

Tulevaisuuden kehitysnäkymiä

Kaupalliset ORC-voimalaitokset ovat yleistyneet merkittävästi 2000-luvulla erityisesti hukkalämmön hyödyntämisessä ja biomassavoimaloissa. Lisäksi ORC-prosesseihin liittyvä tutkimus- ja kehitystyö on ollut maailmanlaajuisesti intensiivistä lähivuosina ja teknologian eri osa-alueilla on saavutettu merkittäviä parannuksia.

Potentiaalisia uusia sovelluksia ovat esimerkiksi ORC-prosessiin perustuvat aurinkovoimalat ja erittäin pienitehoiset hukkalämpöä hyödyntävät voimaprosessit. Tulevaisuudessa ORC-prosessin hyödyntäminen jopa liikkuvissa kohteissa, kuten rekoissa ja työkoneissa voisi olla teknisesti ja taloudellisesti kannattavaa syntyvien päästöjen pienentämiseksi ja energiatehokkuuden parantamiseksi. ORC-prosessien yleistyminen näissä sovelluskohteissa vaatisi kuitenkin erittäin suuria valmistussarjoja laitteiston tuotantokustannusten laskemiseksi taloudellisesti kannattavalle tasolle.

Vuonna 2011 LUT:ssa alkaneessa tutkimusprojektissa aloitettiin suurnopeustekniikkaan perustuvan 10 kW mikro-voimalan tutkimus- ja kehitystyö. Projektin tavoitteena on kehittää hyvällä hyötysuhteella toimiva energianmuunnin, joka soveltuu esimerkiksi polttomoottoreiden ja kaasuturbiinien pakokaasulämmön hyödyntämiseen sekä hajautettuun energiantuotantoon esimerkiksi maatiloilla.

Antti Uusitalo

Tutkijatohtori, LUT School of Energy Systems, antti.uusitalo@lut.fi