Integration of ORC turbines and thermal energy storage systems to cover peak electricity demand during the summer period in distributed energy supply systems

Abstract

The main objective of this study is to assess the effectiveness of Organic Rankine Cycle (ORC) turbines for recovering surplus thermal energy from cogeneration units during the non-heating season. To achieve this objective, the following tasks were addressed: municipal energy supply conditions in countries with extended summer periods were analyzed; international ORC experience was systematized by facility type, heat source, and power range; a conceptual scheme for integrating an ORC turbine with a thermal energy storage (TES) system was developed to smooth fluctuations in the waste-heat profile; and an analytical criterion for the techno-economic feasibility of ORC–TES systems at distributed generation facilities was derived, relating annual waste-heat availability to investment payback. The most important results are as follows: TES integration increases the ORC turbine capacity factor by stabilizing the supplied heat flow while reducing required rated capacity; the generated electricity can cover peak summer air-conditioning loads without increasing equipment loading in the centralized power system; and criteria were formulated for preliminary screening of territories and industrial facilities suitable for such systems. The significance of the obtained results lies in developing a scientifically substantiated approach for converting seasonal waste-heat losses into additional electricity generation without increasing fuel consumption. Unlike previous studies, where thermal storage is mainly used to shift electrical or thermal load profiles, the proposed approach couples TES directly with an ORC turbine to convert otherwise unrecovered non-heating-season heat into electricity and introduces a quantitative payback criterion and a five-criteria procedure for facility selection.

Obiectivul principal al acestui studiu constă în evaluarea eficienței turbinelor cu ciclu organic Rankine (ORC) în valorificarea surplusului de energie termică provenit de la unitățile de cogenerare în afara sezonului de încălzire.Pentru atingerea acestuiobiectiv, au fost abordate următoarele aspecte: analiza condițiilor de alimentare cu energie în zonele urbane din țările caracterizate prin perioade estivale prelungite; sistematizarea experienței internaționale privind utilizarea tehnologiei ORC, în funcție de tipul instalației, sursa de căldură și domeniul de putere; elaborarea unei scheme conceptuale de integrare a unei turbine ORC cu un sistem de stocare a energiei termice (TES), în vederea atenuării fluctuațiilor fluxului de căldură reziduală; și formularea unui criteriu analitic pentru evaluarea fezabilității tehnico-economice a sistemelor ORC-TES în instalațiile de generare distribuită, prin corelarea disponibilității anuale a căldurii reziduale cu perioada de recuperare a investiției.Principalele rezultate obținute sunt următoarele: integrarea unui sistem TES contribuie la creșterea factorului de capacitate al turbinei ORC prin stabilizarea fluxului de căldură furnizat și permite reducerea puterii nominale necesare a instalației; energia electrică produsă poate contribui la acoperirea sarcinilor de vârf asociate climatizării în perioada estivală, fără a spori solicitarea echipamentelor din sistemul electroenergetic centralizat; de asemenea, au fost formulate criterii pentru preselecția zonelor geografice și a instalațiilor industriale adecvate implementării acestor sisteme. Importanța rezultatelor obținute constă în dezvoltarea unei abordări fundamentate științific pentru transformarea surplusului sezonier de căldură reziduală în energie electrică suplimentară, fără creșterea consumului de combustibil. Abordarea propusă presupune integrarea directă a unui sistem de stocare a energiei termice cu o turbină ORC, în vederea valorificării căldurii disponibile în afara sezonului de încălzire, care altfel ar rămâne neutilizată. Totodată, studiul introduce un criteriu cantitativ bazat pe perioada de recuperare a investiției și o procedură de selecție a instalațiilor, fundamentată pe cinci criterii.

Целью данной работы является оценка эффективности применения турбин органического цикла Ренкина (ORC) для утилизации невостребованной тепловой энергии когенерационных установок в межотопительный период. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: проанализированы условия функционирования коммунальных систем энергоснабжения стран с продолжительным (летним)периодом; систематизирован международный опыт применения ORC-установок по типам объектов, источникам теплоты и диапазонам мощности производителей; определена принципиальная схема интеграции ORC-турбины с системой накопления тепловой энергии (СНТЭ) для сглаживания неравномерности графика тепловых выбросов; получен аналитический критерийтехнико-экономическойцелесообразностивнедрения комплексаORC-СНТЭ на объектах распределенной генерации, связывающий годовой объем тепловых выбросов со сроком окупаемости инвестиций. Наиболее важными результатами, подтверждающими обоснованность предложенного подхода к повышению энергоэффективности коммунального сектора, являются следующие. Показано, что наличие СНТЭ позволяет существенно повысить коэффициент использования установленной мощности ORC-турбины за счет стабилизации подводимого теплового потока при одновременном снижении требуемой номинальной мощности оборудования; установлено, что выработанная электроэнергия может быть направлена на покрытие пиковой летней нагрузки систем кондиционирования без дополнительной загрузки оборудования в централизованной энергосистеме; определены критерии предварительной оценки территорий и промышленных объектов для целесообразного внедрения подобных комплексов. Значимость результатов состоит в разработке научно обоснованного подхода трансформации сезонных потерь теплав дополнительную выработку электроэнергии без увеличения расхода топлива, что расширяет область экономически эффективного применения технологий низкопотенциальной генерации. В отличие от предшествующих работ, где системы накопления тепла используются главным образом для сдвига графика электрической или тепловой нагрузки во времени, новизна настоящего исследования состоит в целевом сопряжении СНТЭ с ORC-турбиной для преобразования иначе безвозвратно теряемого теплового потока межотопительного периода в товарную электроэнергию, а также в предложенных количественномкритерии окупаемости и пятикритериальной процедуре отбора объектов.