Μελέτη συστήματος συμπαραγωγής με οργανικό κύκλο Rankine (ORC) για εφαρμογή θερμοκηπίου

Παντελές, Δημήτριος

Study of cogeneration system with organic circle (ORC) for greenhouse application

Διπλωματική εργασία

Author

Παντελές, Δημήτριος

Date

2023-10-14

Advisor

Gkountas, Apostolos
Sarris, Ioannis

Διπλωματική εργασία (3.672Mb)

Keywords

Οργανικός κύκλος Rankine ; Ορυκτά καύσιμα ; Ενεργειακή απόδοση ; Οργανικά ρευστά ; Οικονομοτεχνική ανάλυση

Abstract

Η μείωση των ορυκτών καυσίμων, η αύξηση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα καθώς και η ανάγκη για συστήματα υψηλής ενεργειακής απόδοσης, απασχολεί όλο και περισσότερο την παγκόσμια κοινότητα με στόχο την εύρεση εναλλακτικών λύσεων που θα αποφέρουν μείωση του αποτυπώματος άνθρακα και κάλυψη των ενεργειακών αναγκών με τεχνολογίες πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Στην παρούσα εργασία, μελετάται ένα σύστημα συμπαραγωγής για την κάλυψη των θερμικών και ηλεκτρικών απαιτήσεων ενός θερμοκηπίου 480 m2, στην περιοχή της Τρίπολης, χρησιμοποιώντας λέβητα βιομάζας σαν κύρια πηγή παροχής θερμικού φορτίου και έναν Οργανικό Κύκλο Rankine (ORC) για μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Αρχικά, μελετήθηκαν οι θερμικές ανάγκες του θερμοκηπίου ως κτηρίου, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους μηχανισμούς μεταφοράς θερμότητας, τα τοπικά κλιματολογικά χαρακτηριστικά και το είδος της καλλιέργειας και υπολογίσθηκαν στα 186,32 kW. Στη συνέχεια, εξετάστηκαν παράμετροι που αφορούν τον συνολικό βαθμό απόδοσης του συστήματος ORC και την παραγόμενη ισχύ, όπως η θερμοκρασία συμπύκνωσης-ατμοποίησης και η διερεύνηση πιθανών ψυκτικών ρευστών, τα οποία θα είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Επιπλέον πραγματοποιήθηκε οικονομοτεχνική μελέτη, προκειμένου να αξιολογηθεί η συγκεκριμένη επένδυση και να προσδιοριστεί η περίοδος αποπληρωμής της. Τα κύρια αποτελέσματα που προκύπτουν από την συγκεκριμένη εργασία, είναι η αποδοτικότητα του ORC, η οποία φτάνει το 10,69% για θερμοκρασία πηγής θερμότητας 100℃ και θερμοκρασία συμπύκνωσης 30℃ για το ρευστό R-245fa, η μείωση εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα όπου αυτόματα καθιστά την επένδυση φιλική στο περιβάλλον και ο χρόνος αποπληρωμής της επένδυσης ο οποίος ορίζεται περίπου στα δύο έτη.

Abstract

The reduction of fossil fuels, the increase in carbon dioxide emissions and the need for high energy efficiency systems are increasingly of concern to the global community in order to find alternatives that will reduce the carbon footprint and meet energy needs with more environmentally friendly technologies. In this paper, a cogeneration system is studied to meet the thermal and electrical requirements of a 480 m2 greenhouse in the area of Tripoli, using a biomass boiler as the main source of heat load supply and an Organic Rankine Cycle (ORC) for heat to electricity conversion. Initially, the thermal needs of the greenhouse as a building were studied, taking into account all heat transfer mechanisms, local climatic characteristics and the type of crop, and were calculated at 186.32 kW. Then, parameters related to the overall efficiency of the ORC system and the generated power were considered, such as the condensation-evaporation temperature and the investigation of possible environmentally friendly refrigerant fluids. In addition, an economic and technical study was carried out in order to evaluate the investment and determine the payback period. The main results obtained from this work are the efficiency of ORC, which reaches 10.69% for a heat source temperature of 100℃ and condensing temperature of 30℃ for R-245fa fluid, the reduction of carbon dioxide emissions which automatically makes the investment environmentally friendly and the payback time of the investment which is set at about two years.