｜ORC低階熱能發電技術與應用

摘要：化石能源價格飆漲、溫室氣體減排倡議，高能源利用率和再生能源利用技術成為能源應用和發展的全球趨勢，也鋪路低碳經濟產業到來。多樣化的低階熱能潛能豐富、熱源穩定，具備經濟開發價值，若妥善擷取與利用，可大幅降低化石能源耗量並開創經濟產業。有機朗肯循環系統由液泵、蒸發器、冷凝器、膨脹機和發電機組等主要元件構成，係利用常壓低沸點的有機工作流體透過蒸發器吸收低階熱能，以膨脹機轉換工作流體熱能為機械軸功率再以發電機產生電力；循環為密閉式迴路系統，迴路內的工作流體保持潔淨，提供元件良好操作環境。因此，產品具備經濟壽期長（≧ 20年）、穩定性佳、可靠度高、維修少等特性。有機朗肯循環為目前發電效率最高且經濟效益最佳的低階熱能發電方法，廣泛應用於工業廢熱、地熱/溫泉、生質熱能/廢棄物熱能、太陽熱能等發電領域。本研究主要探討低階熱能取熱、有機朗肯循環發電技術及其應用。

Abstract: With fossil fuel prices soaring and reduction of greenhouse gas (GHG) emissions a priority, improving fossil fuel energy efficiency and developing renewable energy applications are global trends that will lead to an emerging low carbon economy. Low grade heat is a diverse form of energy potential that can be captured to significantly increase useful energy without burning more fossil fuels. An organic Rankine cycle (ORC) consists of a pump, evaporator, condenser, expander and alternator. By using a low boiling-point organic working fluid, an expander to convert work fluid heat to mechanical torque power, and a generator to produce electricity. Circulation in closed-circuit systems protects the work fluid against contamination and maintains a good operating environment for components. The ORC give presently the highest thermodynamic efficiency and the most promising economic profit; therefore, they are widely employed to recover industrial waste heat, geothermal/hot spring, biomass energy, and solar heat into power. This article explores heat extraction technologies from low grade heat, product design and development of ORCs and their applications.

關鍵詞：有機朗肯循環、低階熱能發電、膨脹機

Keywords：organic Rankine cycle, Low grade heat to power, Expander

前言
現有能源以熱能（thermal energy）形式使用佔能源消耗量90 %以上，其中僅有50~70 %熱能轉換為製程熱能、機械功、電力或化學能，其餘則以廢熱形式排放於環境，因而造成溫室氣體排放、熱汙染和能源浪費等問題。台灣每年能源耗量達100~120百萬公秉油當量（圖1），但是自有石化能源匱乏，超過99 %需進口；為了解決對石化能源依存度以避免能源價格波動影響經濟活動和人民生計、並降低溫室氣體排放以舒緩全球氣候劇烈變遷，政府將高能源利用率和石化能源替代方案列為台灣能源政策重要策略和執行方針。由於熱能來源充沛、持續、且無須額外燃料費用，在高能源利用率方面，可著手於工業廢熱回收和利用，在石化能源替代方案方面，則可著手於地熱、生質能/廢棄物熱能、海洋溫差能開發和利用。

工業部門能源耗量占台灣能源耗量~40 %（圖1），廢熱排放又占工業部門能源耗量30~50 %。在工業廢熱中，低溫廢熱（溫度< 230 ℃）占~60 %、中溫廢熱（溫度230~650 ℃）占~30 %、高溫廢熱（溫度>650 ℃）占~10 %，表1列出工業廢熱來源和溫度分布情形。以2012年國內能源消耗量為111.5百萬公秉油當量為例，工業部門排放廢熱達12.77~21.28百萬公秉油當量/年，排放熱量達1.149 × 1014~1.915 × 1014千卡/年，工業廢熱排放量充沛、熱源穩定，而且一般為24小時連續排放，具備利用價值。另外，台灣深、淺層地熱發電潛能達32 GW [2]，蘊藏量豐富，因此地熱發電已納入我國再生能源發展條例。2011年行政院「新能源推動會議」中，設定地熱發電短、中、長期推動目標，以妥善開發利用豐富且穩定的地熱熱能產生電力。工業廢熱透過回收方式就可做為熱源、地熱藉由鑽井開採就可供應地熱，而且兩者熱源穩定且豐富，發電容量因素皆可達75 %以上，可做為基載電力用途。若妥善開發和利用，可降低我國對化石燃料依存度、提升國家能源安全，且具有經濟效益，勢將新創我國能源產業。鑑此，本研究係以工業廢熱和地熱為熱源，探討工業廢熱和地熱發電的技術及應用。