เนื้อหา

การผลิตไฟฟ้าจากความร้อนทิ้ง (Electricity Generation from Waste Heat)

การผลิตไฟฟ้า (Electricity generation) จากระบบทางพลังงานทดแทนโดยความร้อนทิ้ง มีรายละเอียดต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

1. วัฏจักรแรงคิน

วัฏจักรแรงคิน (Rankine cycle) เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ใช้สารทำงานในระบบ คือ น้ำ โดยอาศัยคุณสมบัติการเปลี่ยนสถานะของน้ำจากของเหลวกลายเป็นไอเมื่อได้รับพลังงานความร้อน และนำไอน้ำความดันสูงดังกล่าวไปใช้ขับกังหันและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป หรือบางครั้งเรียกว่า ระบบผลิตไฟฟ้ากังหันไอน้ำ (Steam turbine)

         จากรูปที่ 1 วัฏจักรแรงคินประกอบด้วยกระบวนการต่าง ๆ ดังนี้ (กระบวนการทั้งหมดเป็นกระบวนการย้อนกลับได้ทั้งสิ้น)

                กระบวนการ 1-2 คือ กระบวนการอัดตัวของของเหลวแบบไอเซนทรอปิกในปั๊ม 

                กระบวนการ 2-3 คือ กระบวนการให้ความร้อนภายใต้ความดันคงที่ในหม้อต้ม

กระบวนการ 3-4 คือ กระบวนการขยายตัวของก๊าซแบบไอเซนทรอปิกในกังหัน

กระบวนการ 4-1 คือ กระบวนการถ่ายความร้อนทิ้งออกจากก๊าซภายใต้ ความดันคงที่ในเครื่องควบแน่น

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงอุปกรณ์ในวัฏจักรแรงคิน [นัฐพร, 2560]

 2. วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์

         วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ (Organic Rankine cycle, ORC) เป็นระบบการทำงานที่ใช้หลักการของวัฏจักรแรงคิน แต่ใช้สารทำงานในกลุ่มสารอินทรีย์ (Organic) ที่มีมวลโมเลกุลสูง สามารถเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอที่อุณหภูมิต่ำหรือมีจุดเดือดต่ำ (Boiling point) เมื่อเปรียบเทียบกับจุดเดือดของน้ำที่ใช้เป็นสารทำงานในวัฏจักรแรงคินทั่วไป ทำให้วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์สามารถผลิตไฟฟ้าออกมาได้ โดยใช้แหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำ (น้อยกว่า 100 °C) เหมาะสำหรับการนำความร้อนทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรม มาเป็นแหล่งพลังงานความร้อนในการขับเคลื่อนวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์

         สารทำงานในวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน คือ R-245fa ซึ่งจะเห็นได้ว่า สารดังกล่าวมีจุดเดือดอยู่ที่ประมาณ 15 °C และมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อย คือ เมื่อหลุดไปสู่ชั้นบรรยากาศจะมีระยะเวลาในการสลายตัวประมาณ 7.6 y มีค่าการทำลายชั้นโอโซนในชั้นบรรยากาศ (Ozone depletion potential, ODP) เท่ากับ 0 (กำหนดให้ค่าของ R-11 = 1) และมีค่าศักยภาพการทำให้เกิดสภาวะโลกร้อน (Global warming potential, GWP) ที่ 1,030 เท่าของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 related) ในเวลา 100 y

3. ข้อมูลเชิงเทคนิควัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์

ในปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ได้พัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด สังเกตได้จากขนาดกำลังการผลิตไฟฟ้าของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ มีขนาดเล็กที่สุด คือ 300 kWe โดยใช้กังหันในการผันพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า แต่ในปัจจุบันกำลังการผลิตไฟฟ้าของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ สามารถลดขนาดลงได้ถึง 10 kWe โดยใช้เทคนิคการกลับทางหมุนของเครื่องอัดไอ (Reverse compressor) เพื่อผลิตไฟฟ้าจากความร้อน ซึ่งเหมาะสมกับศักยภาพพลังงานทดแทนในประเทศไทยเป็นอย่างมาก ที่ต้องการระบบผลิตไฟฟ้าขนาด 10-200 kWe เนื่องจากมีปริมาณความร้อนจากพลังงานทดแทนไม่เพียงพอต่อระบบผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ และปล่อยทิ้งสู่ธรรมชาติโดยไม่มีการนำมาใช้ประโยชน์แต่อย่างใด เช่น ความร้อนทิ้งในโรงงานอุตสาหกรรม น้ำพุร้อน พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น

สำหรับข้อมูลเชิงเทคนิคของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ในปัจจุบัน ของแต่ละบริษัทที่มีจำหน่ายในท้องตลาดมีลักษณะคล้ายกัน ดังนั้นในที่นี้จึงหยิบยกข้อมูลเชิงเทคนิคของเทคโนโลยีวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ ของวิทยาลัยพลังงานทดแทน มหาวิทยาลัยแม่โจ้ [นัฐพร, 2558] ดังแสดงในรูปที่ 2 มาเป็นตัวอย่าง เพื่อให้เกิดความเข้าใจและมองภาพวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ได้ดีมากยิ่งขึ้น

รูปที่ 2 ต้นแบบโรงไฟฟ้าวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ วิทยาลัยพลังงานทดแทน มหาวิทยาลัยแม่โจ้ [นัฐพร, 2561]

          รูปที่ 3 แสดงแผนภาพการทำงานของต้นแบบโรงไฟฟ้าวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ วิทยาลัยพลังงานทดแทน มหาวิทยาลัยแม่โจ้ ซึ่งมีรายละเอียดการทำงานของระบบดังต่อไปนี้

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงอุปกรณ์ของต้นแบบโรงไฟฟ้าวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ [นัฐพร, 2561]

โดยผลการทดสอบระบบผลิตกระแสไฟฟ้าวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ โดยป้อนน้ำร้อนในช่วงอุณหภูมิ 85-120 °C พบว่า ประสิทธิภาพของระบบแปรผันตรงกับอุณหภูมิน้ำร้อนที่เข้าสู่ระบบที่หม้อต้ม นอกจากนั้นยังพบอีกว่า ประสิทธิภาพของวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ มีความสัมพันธ์กับผลต่างอุณหภูมิของน้ำร้อนเข้าที่หม้อต้มกับเครื่องควบแน่น (THW,i – TCW,i) เป็นลักษณะเส้นตรง ทั้งนี้ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ดังกล่าวเรียกว่า “สมการสมรรถนะวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ (Organic Rankine cycle performance curve)” ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 สมการสมรรถนะวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ [นัฐพร, 2561]

4. การประยุกต์สู่ชุมชนระบบผลิตไฟฟ้าจากความร้อนทิ้ง

โรงงานอุตสาหกรรมผลิตน้ำมันปาล์มทางภาคใต้ของประเทศไทย ได้นำไอเสียจากเครื่องยนต์ผลิตกระแสไฟฟ้าที่ใช้ก๊าซชีวภาพขนาด 1.4 MW จำนวน 2 เครื่อง กลับมาใช้ผลิตไฟฟ้าโดยวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ ดังแสดงในรูปที่ 5 ที่ติดตั้งอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบพิเศษ (อีโคโนไมเซอร์) นำความร้อนจากไอเสียอุณหภูมิประมาณ 470 °C มาถ่ายเทความร้อนให้แก่น้ำ เพื่อผลิตน้ำร้อนอุณหภูมิประมาณ 120 °C ภายใต้ความดันประมาณ 4-5 bar gauge สำหรับป้อนให้แก่วัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ขนาดกำลังการผลิตไฟฟ้า 140 kWe ที่ออกแบบและสร้างขึ้นภายในประเทศไทย และมีการใช้สารทำงานในระบบ คือ R-141b ที่สามารถหาซื้อได้ในประเทศไทยอีกด้วย

         รูปที่ 6 แสดงระบบผลิตไฟฟ้าวัฏจักรแรงคินสารอินทรีย์ที่มีประสิทธิภาพการทำงานประมาณ 8% ที่อุณหภูมิน้ำร้อนป้อนจากอีโคโนไมเซอร์ประมาณ 120 °C และน้ำหล่อเย็นระบายความร้อนประมาณ 32 °C โดยระบบผลิตไฟฟ้าดังกล่าวใช้เทคนิคการกลับทางหมุนของเครื่องอัดไอแบบสกรู (Reverse screw compressor) ในการเปลี่ยนพลังงานจลน์ให้เป็นพลังงานกลและใช้ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป

รูปที่ 5 การนำความร้อนทิ้งกลับคืนโดยอีโคโนไมเซอร์ [นัฐพร, 2560]

รูปที่ 6 วัฏจักรแรงคินที่ใช้สารทำงาน R-141b ขนาดกำลังการผลิตไฟฟ้า 140 kWe [นัฐพร, 2560]

เอกสารอ้างอิง

นัฐพร ไชยญาติ. การนำความร้อนทิ้งกลับคืน (Waste Heat Recovery), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 6 ตุลาคม พ.ศ. 2560, 485 หน้า.

นัฐพร ไชยญาติ. เทคโนโลยีพลังงานความร้อนใต้พิภพ (Geothermal Energy Technology), วิทยาลัยพลังงานทดแทน, มหาวิทยาลัยแม่โจ้, สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแม่โจ้, พิมพ์ครั้งที่ 9 ตุลาคม พ.ศ. 2561, 416 หน้า.