2012/07/05
經濟部能源局
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▓撰文：郭啟榮、羅聖宗
有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle, ORC）系統為目前低溫熱能發電效率最高且最經濟實惠的產品，廣泛應用於工業餘熱、地熱╱溫泉、廢棄物熱能、生質熱能、太陽熱能等低溫熱能回收和發電。國外自1980年代就著手於ORC開發和應用，大型商業機組相繼問世運轉；2005年後，受能源價格飆漲推波助瀾，數十瓩至數百瓩小型機組亦逐漸普及。由於需求殷切，2009年起國內開始小型ORC機組設計和研發，2012年國內就具備30瓩至200瓩機組研製能力並開始試量產；用戶端若使用國產的ORC機組，估計於3年內可以回收成本，達到節能減碳和經濟效益雙重效果。
基本架構與原理
ORC的基本架構和作動原理相同於一般電廠的蒸汽發電機，不同點在於蒸汽發電機的工作流體為水，常壓沸點達溫度100℃，僅適合高溫熱源發電；而ORC則利用有機工作流體（Organic Working Fluid）的蒸發和冷凝性質，適用於低溫熱源條件。
ORC迴路內的主要關鍵元件包括：升壓泵浦、蒸發器、膨脹器、發電機組、冷凝器，工作流體在迴路中的循環為（詳圖1）：1--＞2：升壓、2--＞3：蒸發為汽態、3--＞4推動膨脹器，發電機發電、4--＞1：冷凝為液態，完成循環。其低溫熱源可來自自然界或工業活動，前者有表層海水、地熱╱溫泉、生質╱廢棄物熱能、太陽熱能等；後者有汽電共生廠排放餘熱、製程餘熱、工業排放餘熱等。另熱源、冷源溫差愈大，則發電效率就愈高。
國內外發展趨勢
由於ORC的迴路系統屬於密閉式循環，僅透過熱交換器和冷、熱源傳遞熱能，因此，機組具備壽期長約20年、系統穩定性佳、可靠度高、維修週期長等特性。自1980年代起，歐美各國投入ORC機組開發和應用，數百瓩至數MW機組相繼問世及商業運轉，主要應用於地熱發電、生質能複合式電廠（CHP）、工業餘熱發電，開發廠商包括ORMAT、Turboden等。近年來，由於化石能源逐漸枯竭和燃料價格飆漲，自2005年起，歐、美、日各國相繼投入數十瓩至數百瓩的小型ORC機組研發，包括：UTC的Pure Cycle 280瓩機組、GE的Clean Cycle 120瓩機組、Tri-O-Gen 150瓩機組、BEP-Europe 55瓩和250瓩機組、神戶鋼鐵公司的70瓩機組和三菱的百瓩級機組等。
當中，大型ORC機組的開發，製造商或系統商針對用戶端及現場冷、熱源條件量身訂製，並提供統包（Turnkey）方案，以達到機組最佳效能；而小型ORC機組的開發，製造商則採用模組化量產方式，因此，在設定冷、熱源範圍上，用戶端僅能配合機組特性裝置，且無法完全回收可用熱能，導致發電效率較差，降低了發電量。
考量國內低溫熱能可用量、分布情形及產業型態，較適合應用小型ORC機組。然而國外的機組，未能完全符合用戶端冷、熱源條件，並無法提供需求分析服務，且機組售價高、後勤維修系統不健全；因此，國內用戶端受限於國外ORC機組經濟效益和維修服務方便性，始終裹足不前。有鑑於此，國內從2009年起，開始小型ORC機組設計和研發（詳圖3）。以國內ORC研發能量及精密機械、機電產業的優勢產製能力而言，目前已具備螺桿膨脹器30瓩至200瓩ORC機組的研製能力，並開始試量產，預計產品可在今（2012）年問世；同時，渦輪ORC機組也已展開研發工作，預計2015年可上市。
節能減碳與經濟效益
表1列出50瓩至500瓩ORC機組的價格分析，預計臺灣機組售價約為1,000USD╱kW～1,200USD╱kW，彰顯國產ORC機組的價格優勢。
用戶端若使用國產ORC機組，表2列出經濟效益評估（以新臺幣30,000元╱kW計），成本包括：機組成本、廠區工程和運轉╱維修成本。本文保守估算，不計基本電費調降收益（ORC機組依據熱源條件，可全年全時發電，做為基載電力供應，可降低基本電費支出）。若以ORC機組壽期20年、躉購電價2.5元╱度計：在30,000元╱kW的條件下，預估投資報酬率為41.1％、2.43年達損益平衡；在36,000元╱kW的條件下，投資報酬率為33.4％、2.99年回本。
表3預估ORC的國內市場潛力和減碳量，其中機組運轉時數為8,000時╱年，產值以上述售價為基準，但不包含機組的周邊設施，減碳量則以0.623公斤╱度計算。
結語
化石燃料枯竭、能源價格飆漲，ORC低溫熱能發電可做為化石燃料替代方案，緩解溫室效應及地球暖化困擾。目前我國已具備小型ORC機組的設計和研製能量，產品價格亦具競爭力，用戶端於3年內可回收成本，亟具經濟誘因；同時，從需求分析、機組規格設定、機組開發、安裝、試運轉到後勤維修服務，都能提供全方位ORC解決方案，解決用戶端對機組性能、運轉操作和維修服務的疑慮。預期產品推出後，將可快速拓展應用層面，期能引領國內低溫熱能發電應用熱潮，新創我國節能和綠能產業。（作者任職於工研院綠能所）
關鍵字：朗肯循環,低溫熱能發電,能源價格