Waste Heat Recovery with Organic Rankine Cycle Technology : A techno-economic analysis in vehicular applications

Då den globala uppvärmningen ökar behöver vi hitta fler sätt att minska våra utsläpp av växthusgaser, särskilt inom transportsektorn som står för cirka 12 % av världens totala växthusgasutsläpp. Ett sätt att minska dessa utsläpp är genom att förbättra bränsleeffektiviteten på tunga lastbilar. En metod för att öka lastbilars bränsleeffektivitet som på senare tid har fått ett ökat intresse är spillvärmeåtervinning med hjälp av ORC-teknik. Dock finns det få praktiska fall av lyckade ORC-implementationer som har kommit till marknaden. Vi ämnar därför att undersöka de tekniska samt ekonomiska svårigheter med att implementera denna teknik från en lastbilstillverkares perspektiv. Undersökningen som utfördes var en litteraturstudie med stöd från semi-strukturerade intervjuer med lastbilstillverkare. En investeringsanalys utfördes för att undersöka om implementation av denna teknik är lönsam i dagens läge och om inte, vad är det som krävs för att denna teknik ska bli lönsam. Resultatet av studien är att det finns många tekniska faktorer som begränsar effektiviteten hos spillvärmeåtervinningssystemet. För det första, valet av arbetsmedium kan vara svårt då flera faktorer bör beaktas. Kokpunkt, säkerhet samt miljöpåverkan är några sådana faktorer. För det andra, högre cykelverkningsgrad genom högre systemkomplexitet är inte alltid fördelaktigt då vikten av cykelkomponenterna påverkar den totala bränsleförbrukningen negativt. För det tredje, de tillgängliga värmekällorna är beroende av körningen av motorn vilket kan påverka bränsleåtervinningen negativt. För det fjärde, kylningsbegränsningar påverkar potentialen av värmeåtervinning. För det femte, omgivningsförhållanden kan påverka värmeåtervinningen negativt då systemet är optimerat för särskilda stationära förhållanden. Genom investerings analysen drogs slutsatsen att implementering av spillvärmeåtervinning inte är lönsamt i dagens läge. Detta då den bränsleåtervinning man kan få till idag är för låg i förhållande till bränslekostnaden. Även om det inte verkar troligt att ORC-WHR kommer att appliceras i tunga lastbilar den närmsta tiden framöver, kan det komma att bli aktuellt i fall med vätgasdrivna förbränningsmotorer eller då lagstiftning kan komma att kräva bränslesparande teknologier. Samtidigt kan den pågående elektrifieringen av tunga lastbilar komma att fasa ut möjligheten av WHR-teknologi.With global warming on the rise, measures must be taken to limit climate change by reducing greenhouse gas emissions on a global scale. One such measure is to improve fuel economy in heavy duty diesel engines through Waste Heat Recovery (WHR) where much of the chemical energy in the fuel is wasted. One of the most promising WHR technologies is Organic Rankine Cycle (ORC) technology and has attracted a lot of interest. Despite this interest, there are few vehicular applications of ORC-WHR in practice today. This thesis aims to investigate the technological and economical challenges, from a heavy-duty truck manufacturer’s business case perspective, associated with implementing ORC-WHR in heavy duty trucks today and how such challenges can be overcome. This thesis is based on literature studies into existing research complemented with semi structured interviews with representatives of heavy-duty truck manufacturers. An investment analysis was conducted to assess the profitability of implementing an ORC-WHR system. Several technical aspects were identified to present difficulties and limitations in the implementation of ORC-WHR: First, the selection of an appropriate working fluid can be difficult since many factors must be considered. Boiling point, safety and potential environmental impact are some of such factors. Second, higher cycle efficiencies through system complexity are not always desired as the weight of cycle components impacts fuel recovery negatively. Third, available heat sources are dependent on engine operating conditions which could affect fuel recovery negatively. Fourth, practical cooling limitations limit the potential WHR. Fifth, ambient conditions can affect WHR performance negatively since system design is optimized for specific stationary conditions. The investment analysis performed concluded that ORC-WHR is not profitable today where fuel prices and/or fuel recovery must increase to become profitable in the future. While it seems unlikely that ORC-WHR will be implemented in heavy duty trucks any time soon, it might become relevant in future cases with hydrogen fueled combustion engines or legislation may force the need for fuel saving technology. At the same time, the ongoing electrification of heavy-duty vehicles may phase out the possibility for WHR technology altogether