Kalina ciklus je termodinamički proces za pretvorbu topline u korisni mehanički rad. Prvu verziju Kalina ciklusa izumio je i predložio Dr. Alexander Kalina, ruski znanstvenik, 1980. godine. Kalina ciklus je modificirani organski ciklus koji kao radni medij koristi 2 fluida sa različitim temperaturama isparavanja. Takva mješavina isparava uz promjenjivu temperaturu, a ne kod stalne temperature kao čisti fluidi, pa se prijelaz topline odvija uz manje temperaturne razlike . Za radni medij najčešće se koristi kombinacija vode i amonijaka, ali moguće su i izvedbe sa drugim fluidima. Tako postoje izvedbe u kojima se koristi mješavina freona i/ili ugljikovodika[1]. Zbog mogućnosti da potpuno iskoristi razliku u temperaturi između toplinskog izvora i ponora, Kalina ciklus pronalazi primjenu u ponovnoj upotrebi industrijske procesne otpadne topline, geotermalnim elektranama, solarnim elektranama i u iskorištenju otpadne topline iz energetskih postrojenja.[2][3]
Jednostavni Kalina ciklus
- Pumpa tlači zasićenu tekućinu koja napušta kondenzator i nastavlja u visoko temperaturni rekuperator
- Tekućina prima toplinu od dvofazne pare
- Vruća tekućina pod visokim tlakom ulazi u isparivač, gdje se odvija pretvorba tekućine u paru iskorištenjem latentne odnosno osjetljive topline toplinskog izvora
- Zasićena para ulazi u turbinu u kojoj ekspandira na kondenzatorski tlak
- Dvofazna mješavina nakon predavanja latentne topline nadolazećoj tekućini ulazi u kondenzator, kroz koji prolazi i rashladna voda, rashladna voda preuzima svu raspoloživu toplinu od mješavine i napušta kondenzator pri višoj temperaturi
- Pri izlasku mješavine iz kondenzatora pumpa tlači tekućinu, te se ispočetka ponavljaju svi koraci procesa[4]
Usporedba Kalina i Rankineova ciklusa
Opis Rankineova ciklusa
U tipičnom energetskom postrojenju koje radi na principu Rankineova ciklusa čisti radni medij, voda ili u slučaju Organskog Rankineova ciklusa (ORC), organski spojevi manje molekularne težine, zagrijavaju se u parnom kotlu. Nastala para pri visokom tlaku i visokoj temperaturi ulazi u turbinu, gdje ekspandira. Turbina je povezana na generator, koji pretvara mehaničku u električnu energiju.[4]
Opis Kalina ciklusa
Kalina ciklus iskorištava mješavinu amonijaka i vode, kao radni medij kako bi poboljšala termodinamička učinkovitost i omogućila fleksibilnost u različitim pogonskim uvjetima. S obzirom da su pri tome temperature u procesu niže, dobivamo više rada nego u Rankineovom ciklusu.[4]
Prednosti Kalina ciklusa
- Proizvodi 10% - 50% više električne energije nego konvencionalna energetska postrojenja
- Niži kapitalni troškovi zbog manje izmjene topline
- Nije potrebno osoblje, potreban minimalan nadzor
- Niža pomoćna opterećenja
- Manje zahtjeva za rashladnu vodu i rashladnu tehniku
- Minimalna stanka zbog održavanja
Učinkovitost
Učinkovitost Kalina ciklusa je veća od učinkovitosti Rankineova ciklusa
- Srednja temperatura dovođenja topline Kalina ciklusa je viša nego kod Rankineova ciklusa
- Srednja temperatura odvođenja topline Kalina ciklusa je niža nego kod Rankineova ciklusa
- Površina ispod T-s dijagrama u kojem je prikazan Kalina ciklus je veća nego kod prikaza Rankineova ciklusa[4]
Prednosti radnog medija amonijak - voda
- Lakši sastavni element (amonijak) omogućuje učinkovitu otpadnu toplinu.
- Mješavina ima različite temperature kondenzacije i isparavanja.
- Molekularna težina amonijaka i vode je slična.
- Standardni materijali se mogu koristiti. Ugljični čelik i standardne visoko temperaturne legure prihvatljive su za baratanje s amonijakom, dok su bakar i bakrene legure zabranjene za uporabu.
- Amonijak je lako dostupan i nije skup, biološki je razgradiv, koristi se kao gnojivo, neutralizira kisele zagađivače u zraku, opasnost od požara i eksplozije je vrlo mala.
- Amonijak ne utječe na smog, globalno zatopljenje niti na ozonski omotač
Fleksibilnost Kalina ciklusa
Radni medij amonijak-voda može se lako izmijeniti kako bi dobili maksimalno iskorištenje ako se izvor topline promijeni, ili ako se temperatura hlađenja promijeni. Kada zagrijavamo mješavinu amonijaka i vode, amonijak ima tendenciju ispariti prije nego voda. Smanjenjem koncentracije amonijaka u mješavini, temperatura zasićenja mješavine raste. Radni medij dijeli se na struje sa različitim koncentracijama amonijaka, na taj način postiže se fleksibilnost, te smo u mogućnosti provesti kondenzaciju na tlaku koji je viši od atmosferskog.
Karakteristike Kalina ciklusa
- Udio amonijaka 80% - 90%
- Ulazni tlak 25 - 40 bar
- Izlazni tlak 7 - 10 bar
- Vlažnost na izlasku iz turbine 1% - 4%[5]
Usporedba ORC i Kalina ciklusa s tehničkog i ekološkog aspekta
Primjer geotermalne elektrane
| karakteristika | ORC | Kalina ciklus |
|---|---|---|
| Složenost postrojenja (Postrojenje sa Kalina ciklusom je složenije) | Pumpa geotermalne vode | Pumpa geotermalne vode |
| Evaporator | Evaporator s mikserom | |
| Turbina | Turbina | |
| Kondenzator | Kondenzator s mikserom | |
| Pumpa radnog fluida | Pumpa radnog fluida | |
| Pregrijač | Pregrijač | |
| Složenost opreme | Povoljnija fizikalna svojstva medija omogućuju veću iskoristivost evaporatora, turbine, pumpe i kondenzatora | Prisutnost vode u mješavini radnog medija nepovoljnije utječe na rad evaporatora, turbine, pumpe i kondenzatora. |
| Radni fluid i njegov utjecaj na komponente postrojenja | Zbog niske gustoće i niže latentne topline lako hlapljivih ugljikovodika nema opasnosti od kavitacije napojne pumpe. Tijekom procesa ekspanzije radni fluid je pregrijana para pa nema problema s erozijom lopatica turbine | Postoji opasnost od kavitacije napojne pumpe. Tijekom procesa ekspanzije radni fluid je vlažna para pa postoje veliki problemi s erozijom lopatica turbine |
| Investicijski troškovi | Manji zbog jednostavnijeg ciklusa pa shodno tome i jednostavnije opreme izvedene od jeftinijeg materijala | Veći zbog složenijeg ciklusa pa shodno tome i složenije opreme izvedene od skupljeg materijala |
| Konstrukcija komponenti postrojenja | Turbina ima tek nekoliko stupnjeva u kojima se specifični volumen mijenja neznatno, što pozitivno djeluje na njenu unutarnju iskoristivost. Brzina vrtnje rotora je također niža što doprinosi mehaničkoj sigurnosti turbine (niža naprezanja), a također nema problema u slučaju momenta kratkog spoja | Složenija konstrukcija pošto se ne može koristiti unutarnje ležajeve zbog agresivnog radnog fluida. Brtvljenje puno kompliciranije |
| Troškovi održavanja postrojenja | Niži, zbog neagresivnog radnog fluida. Potrebna zaštita od požara | Viši, zbog agresivnog radnog fluida. Vrlo intenzivna korozija I erozija |
| Pouzdanost | Velika, prema dostupnim referencama i velikom broju postrojenja u eksploataciji | Niska, prema dostupnim referencama i malom broju postrojenja u eksploataciji |
Postrojenja koja koriste Kalina ciklus
Smatra se da Kalina ciklus povećava iskoristivost toplinske energije do 50% u prikladnim primjenama, i idealno je prilagođen za primjene u:
- Industriji cementa
- Industriji stakla
- Petrokemijskoj industriji
- Čeličnoj industriji
- Termo elektranama
- Postrojenjima za geotermalnu i solarnu energiju
- Postrojenjima na biomasu[4]
Otpadna toplina iz industrijskih procesa
- Postrojenje Kashima Steel Works upravljano od strane Sumitomo Metal Industries je bilo ispitano 1999. godine. Proizvodi 3.6 MW električne energije i najstarija je komercijalna primjena Kalina ciklusa.
- Postrojenje Tokyo Bay Oil Refinery upravljano od strane Fuji Oil je ispitano 2005. godine i proizvodi 4 MW električne energije
Geotermalna primjena
- Postrojenje Husavik facility na Islandu procijenjene snage 2 MW električne energije i 40 MW toplinske energije.
- Postrojenje Unterhaching facility u Njemačkoj ispitano u travnju 2009. godine je bilo prvo takve vrste (niska entalpija) u južnoj Njemačkoj. Navedeno postrojenje proizvodi 3.4 MW električne energije i 38 MW toplinske energije za obližnji grad Unterhaching.
- Postrojenje Bruchsal facility, također u Njemačkoj ispitano je u prosincu 2009. godine, te proizvodi 580 KW električne energije.
- EcoGen jedinica, prva EcoGen jedinica snage 50 KW je postavljena na Matsunoyama Onsen vrućem izvoru u gradu Tokamachi, u prefekturi Niigata u Japanu, 2001. godine. EcoGen jedinice se temelje na minimizaciji Kalina procesa te su konstruirane za Japansko tržište i ostala nisko entalpijska geotermalna tržišta.
Prva generacija Kalina Ciklus Sistema za geotermalnu primjenu
Početni ˝Kalina Ciklus˝ sistem za geotermalnu primjenu razvijen je prije više od 12 godina. Sistem je imenovan ˝KCS-11˝ (˝Kalina Cycle System 11˝). Namijenjen je kako bi iskoristio geotermalne resurse temperatura 190°C i više.
˝KCS-11˝ radi na način:
- Potpuno kondenzirani radni fluid sa parametrima kao u točki 1 ulazi u pumpu P1 koja ga tlači na potrebni tlak koji postiže u stanju 2
- Nakon toga struja fluida koja se nalazi u točki 2 prolazi kroz pregrijač HE2 gdje dobiva toplinu od povratnog toka pare radnog fluida 26-27 i postiže parametre u točki 3, radni medij u toj točki postiže stanje zasićene kapljevine
- Tada se radni medij sa stanjem u točki 3 dijeli na 2 struje fluida koje imaju parametre jednake stanju u točki 4, odnosno stanju u točki 5
- Tok fluida sa parametrima jednakim stanju u točki 4 prolazi kroz kotao HE5 gdje prima toplinu od povratnog toka pare geotermalnog fluida 42-43 i djelomično isparava, te postiže stanje koje odgovara točki 6
- Tok fluida sa parametrima jednakim stanju u točki 5 prolazi kroz rekuperativni kotao-kondenzator HE3 gdje se zagrijava i djelomično isparava pomoću povratnog toka radnog fluida 18-26, te postiže parametre koji odgovaraju točki 7
- Parametri radnog medija u točkama 6 i 7 su slični ili gotovo isti
- Ta 2 toka se miješaju i postižu stanje jednako onome u točki 8
- Struja fluida sa stanjem 8 prolazi kroz izmjenjivač topline HE6 gdje potpuno isparava, te se nakon toga pregrijava, te postiže stanje 17 i ulazi u turbinu T1
- U turbini T1 radni medij ekspandira, pretvara kinetičku energiju u mehanički rad te postiže stanje 18
- Struja fluida stanja 18 koji je uglavnom mokar prolazi kroz kotao-kondenzator HE3 gdje se djelomično kondenzira, odvodeći toplinu za proces 5-7, te postiže stanje 26
- Fluid stanja 26 prolazi koz pregrijač HE2 gdje se dodatno hladi i kondenzira, predajući toplinu za proces 2-3 i postiže stanje 27
- Radni medij stanja 27 ulazi u kondenzator HE1 gdje potpuno kondenzira posredstvom zraka ili vode, te postiže stanje 1
- Ciklus je zatvoren
- Geotermalni fluid u točki 41 prolazi kroz izmjenjivač topline HE6 gdje se hladi, predajući toplinu za proces 8-17, te postiže stanje jednako točki 42
- Struja fluida stanja 42 prolazi kroz kotao HE5 gdje se dodatno hladi predajući toplinu za proces 4-6 i postiže parametre jednake točki 43
Kako bi se postigla željena visoka učinkovitost sustava, potrebno je učiniti da su temperaturne razlike između točaka 42 i 6 , te između točaka 18 i 7 minimalne. Kako bi se to postiglo potrebno je pažljivo odabrati sastav radnog medija na takav način da je suma totalnih toplina iz procesa 42-43 i 18-26 jednaka potrebnoj toplini za proces 3-8, a da se pritom zadrži minimalna temperaturna razlika. Takav sastav radnog medija još se naziva i ˝Balansirajuća kompozicija˝. Ako kompozicija radnog medija ima veću koncentraciju lakše isparive komponente, količina topline odvedene u procesu 18-26 je manja, temperaturna razlika između točaka 42 i 6 mora biti veća, što rezultira manjom termodinamičkom učinkovitošću.[1]
Kalina ciklus u Hrvatskoj
1998. godine Energetski institut “Hrvoje Požar” je pripremio program korištenja geotermalne energije u Republici Hrvatskoj, koji pokazuje da Hrvatska ima nekoliko srednje temperaturnih geotermalnih izvora s relativno niskim temperaturama geotermalne vode u području od 100 do 140°C, pomoću kojih je moguća proizvodnja električne energije, npr. Lunjkovec-Kutnjak (140°C), Ferdinandovac (125°C), Babina Greda (125°C) i Rečica (120°C).Za proizvodnju električne energije iz srednje temperaturnih geotermalnih izvora dolaze u obzir elektrane s binarnim ciklusom, bilo s organskim Rankineovim ciklusom (ORC) ili Kalina ciklusom.
ORC je termodinamički bolji od Kalina ciklusa. To se objašnjava relativno visokom temperaturom geotermalne vode kao i relativno visokom prosječnom godišnjom temperaturom zraka za hlađenje u kondenzatoru (15°C), koji ima nepovoljniji utjecaj na Kalina ciklusa nego na ORC. Iz tog razloga Kalina ciklus ne nalazi primjenu kod geotermalnih elektrana u Hrvatskoj.[7]
Druga generacija
Druga generacija sistema koji rade na principu Kalina ciklusa razvijena je od strane Dr. Alexandera Kaline i njegove tvrtke Kalex LLC. Ta nova generacija sistema je po principu rada i dalje Kalina ciklus, ali ne koristi Kalina ciklus zaštitni znak.[8]
Za razliku od prve generacije Kalina ciklusa, koja je primjenjiva samo za relativno nisko temperaturne izvore topline, druga generacija primjenjiva je za oboje, nisko temperaturne izvore topline, kao i za visoko temperaturne izvore topline.[9]
Za nisko temperaturne izvore topline, druga generacija sistema koji rade na principu Kalina ciklusa projektirana je da dostigne učinkovitosti veće od onih koje su bile postignute prvom generacijom.[10]
Zaštita patenata
Kalina ciklus zaštitni znak i svi patenti prve generacije koji su još uvijek na snazi, u vlasništvu su Wasabi Energy plc. vlasnika Global Geothermal Ltd.
Neki originalni patenti primjena Kalina ciklusa su istekli i sada su dostupni javnosti. Global Geothermal Ltd. vlasnik je svih svjetskih entiteta licenciranih za implementaciju Kalina ciklusa prve generacije.
Svi patenti druge generacije Kalina ciklusa u vlasništvu su tvrtke Kalex LLC, tvrtke koju je osnovao Dr. Alexander Kalina.
Izvori
- ↑ 1,0 1,1 Alexander I. Kalina (6. siječanj 2019.). "NEW BINARY GEOTHERMAL POWER SYSTEM". https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/Russia/IGW2003/W00024.PDF Pristupljeno 6. siječanj 2019.
- ↑ V.Ganapathy. Heat Recovery in Kalina Systems. http://vganapathy.tripod.com/kalina.html Pristupljeno 29. studeni 2018.
- ↑ Munawar Karimi (1. travanj 2016.). "Thermodynamic Analysis of Kalina Cycle". International Journal of Science and Research (IJSR). https://www.researchgate.net/publication/300290650_Thermodynamic_Analysis_of_Kalina_Cycle Pristupljeno 29. studeni 2018.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Kalina cycle. https://www.slideshare.net/SaiKiran597/kalina-cycle-74444094 Pristupljeno 29. studeni 2018.
- ↑ https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/1995/3-kalina.pdf
- ↑ http://marjan.fesb.hr/~fbarbir/PDFs%20Obnovljivi%20izvori/Dodatni%20materijali%20i%20predavanja/Geotermana%20energija%20Guzovic%20CTT.pdf
- ↑ http://repozitorij.fsb.hr/4504/1/Guzovic_Majcen_rad.pdf
- ↑ https://pangea.stanford.edu/ERE/pdf/IGAstandard/Russia/IGW2003/W00024.PDF
- ↑ United States Patent Application: 0110186041. http://appft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&p=1&u=/netahtml/PTO/search-bool.html&r=13&f=G&l=50&co1=AND&d=PG01&s1=kalex&OS=kalex&RS=kalex/ Pristupljeno 29. studeni 2018.
- ↑ Kalex Systems. http://kalexsystems.com/ Pristupljeno 29. studeni 2018.