Heat Recovery from Flue Gas by Organic Rankine Cycle
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
2024-09-30
Department
Major/Subject
Energy Systems and Markets
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions
Language
en
Pages
78
Series
Abstract
To improve energy efficiency of steam power plants, the remaining heat in flue gas can be captured and the moisture condensed to liquid. This thesis studies heat recovery from a steam power plant flue gas using organic Rankine cycle (ORC). ORC technology can convert low-grade thermal energy into electricity using an organic working fluid, producing typically a few kilowatts to tens of megawatts of electricity. This thesis aims to evaluate the technical and economic viability of recovering waste heat from flue gas by ORC using three case examples. The technical feasibility is assessed using a process simulation software Thermoflex. Economic feasibility is assessed by calculating net present value (NPV), internal rate of return (IRR), payback period and levelized cost of electricity (LCOE) for each case. A sensitivity analysis is conducted to reveal the responsiveness of the cases to changing market circumstances. The case examples include both sensible and latent heat recovery from flue gas. Case 1 investigates latent heat recovery from a flue gas condensing scrubber 70-degree circulating water. A low cycle efficiency of 3 % is achieved due to the low heat source temperature. This setup is technically challenging and economically unprofitable. Case 2, focusing on sensible heat recovery from a flue gas cooler at approximately 160 °C, proved to be feasible and profitable in favourable conditions. Case 2 is also the least sensitive to changing market conditions. Case 3 involves heat recovery from a flue gas cooler and a bleed steam fraction from the steam turbine. This case is technically and economically feasible with the highest NPV among the studied cases. However, the payback period, IRR and LCOE are worse compared to Case 2. The payback periods extending over 10 years indicate an investment risk, which is enhanced by sensitivity to electricity price. A high electricity price and high availability are essential for a profitable low-temperature ORC investment. Under favourable conditions, LCOE levels close to average European bioenergy costs were achieved for cases 2 and 3. Further research is needed to optimize both the technical and economic performance of the cycle. Furthermore, the relationship of ORC performance and the cooling water temperature should be studied.Höyryvoimalaitoksen energiatehokkuuden parantamiseksi savukaasujen lämpö voidaan ottaa talteen ja vesihöyry lauhduttaa nesteeksi. Tässä diplomityössä tutkitaan lämmön talteenottoa höyryvoimalaitoksen savukaasuista orgaanisen Rankine-kiertoprosessin (ORC) avulla. ORC-prosessi muuntaa matalalämpöistä lämpöä sähköksi orgaanista työainetta käyttäen. ORC:n sähköntuotto yltää tyypillisesti muutamista kilowateista kymmeniin megawatteihin. Tämän diplomityön tavoitteena on arvioida ORC-prosessin teknistä ja taloudellista soveltuvuutta savukaasujen lämmön talteenottoon. Kolme erilaista lämmön talteenottotapausta simuloidaan Thermoflex-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. Taloudellista soveltuvuutta arvioidaan laskemalla kullekin tapaukselle nettonykyarvo (NPV), sisäinen korkokanta (IRR), takaisinmaksuaika ja sähköntuotantokustannus elinkaaren ajalta (LCOE). Herkkyysanalyysillä pyritään paljastamaan tutkittavien tapausten vaste muuttuviin markkinaolosuhteisiin. Työssä selvitetään sekä vapaan että sitoutuneen lämmön talteenottoa. Tapaus 1 tutki lämmöntalteenottoa lauhduttavan savukaasupesurin 70-asteisesta vedestä. Lämmönlähteen matalan lämpötilan takia ORC-prosessin hyötysuhde jäi matalaksi, 3 %:iin. Toteutus on teknisesti haastava ja taloudellisesti kannattamaton. Tapaus 2, jossa lämmönlähteenä on 160-asteinen savukaasujäähdytin, osoittautui toimivaksi ja kannattavaksi suotuisissa olosuhteissa. Se on myös vähiten herkkä muuttuville talousolosuhteille. Tapaus 3 tutkii lämmöntalteenottoa savukaasujäähdyttimestä ja höyryturbiinin väliottohöyrystä. Toteutus on toimiva ja kannattava, ja saavuttaa tutkituista tapauksista suurimman nettonykyarvon. Takaisinmaksuaika, sähkön tuotantokustannus ja sisäinen korkokanta ovat kuitenkin tapausta 2 heikommat. Kaikkien tapausten yli 10 vuoden takaisinmaksuaika viittaa investointiriskiin, jota voimistaa entisestään herkkyys sähkön hinnan muutoksille. Korkea sähkön hinta ja korkeat ajotunnit ovat minimivaatimuksia kannattavaan matalalämpötilaiseen ORC-prosessiin. Suotuisissa olosuhteissa tapausten 2 ja 3 LCOE-kustannukset ovat lähellä Euroopan bioenergian keskiarvoa. Syventävää tutkimusta tarvitaan prosessin optimointiin sekä termodynaamisesta että taloudellisesta näkökulmasta. Lisäksi tulevassa tutkimuksessa tulisi selvittää jäähdytysveden lämpötilan vaikutusta ORC-prosessiin.Description
Supervisor
Järvinen, MikaThesis advisor
Aaltonen, ToniKeywords
organic Rankine cycle, steam power plants, heat recovery, flue gas, energy efficiency, efficiency