Eksperimentel og numerisk undersøgelse af superkritisk CO₂-køler: Et DESOLINATION-bidrag uddelt ved den 6. europæiske sCO₂-konference

Eksperimentel og numerisk undersøgelse af superkritisk CO₂-køler: Et DESOLINATION-bidrag uddelt ved den 6. europæiske sCO₂-konference

af | 14. maj 2025 | Article, Publications

Som en del af Horizon 2020 DESOLINATION-projektet er der lavet en ny undersøgelse med titlen “Eksperimentel og numerisk undersøgelse af superkritisk CO₂-køler” blev præsenteret på den 6. europæiske konference om superkritisk CO₂ (sCO₂) til energisystemer, der blev afholdt den 9.-11. april 2025 i Delft, Holland.

Forskningen, der blev ledet af LUT Universitet i samarbejde med TEMISTH, modtog Pris for bedste artikel på konferencen i anerkendelse af dens videnskabelige kvalitet og relevans.

Read publication
Undersøgelse af PCHE's ydeevne i superkritiske CO₂-kraftcyklusser

Undersøgelsen fokuserer på termo-hydraulisk ydeevne af en Varmeveksler med trykt kredsløb (PCHE) arbejder med superkritisk kuldioxid (sCO₂) - en arbejdsvæske, der er kernen i DESOLINATIONs innovative energiblok. PCHE'er er en kompakt og højeffektiv løsning, der er velegnet til de ekstreme forhold i sCO₂-baserede energisystemer, såsom dem, der er integreret i koncentreret solenergi (CSP) og afsaltningsteknologier.

Ved hjælp af en kombination af eksperimentel afprøvning and beregningsbaseret væskedynamik (CFD), Teamet evaluerede varmeoverførsels- og trykfaldskarakteristika for sCO₂, der strømmer gennem PCHE-mikrokanaler. Undersøgelsen var rettet mod pseudo-kritisk område, hvor CO₂ udviser hurtige egenskabsvariationer, der forbedrer varmeoverførslen, men komplicerer den forudsigelige modellering.

Støtte til DESOLINATIONs mål

Dette arbejde bidrager direkte til DESOLINATIONs mål om at udvikle en effektivt, soldrevet afsaltningssystem ved at forbedre forudsigelsen af ydeevne og design af nøglekomponenter i sCO₂-strømcyklussen. Det giver især validerede værktøjer og indsigt, der er afgørende for at integrere højeffektive varmevekslere i projektets fremtidige demonstrationsanlæg.

Read publication

Authors: Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier og Amir Momeni Dolatabadi.

DOI: 10.17185/duepublico/83320

Vigtige resultater
  • Eksperimentelle data blev indsamlet under en lang række driftsforhold på LUT Universitys transkritiske CO₂-testanlæg, hvilket giver et værdifuldt sammenligningsgrundlag for validering af numeriske modeller.
  • The CFD-simuleringer, der inkorporerer realgasadfærd og SST k-ω-turbulensmodellen, viste god overensstemmelse med de målte trykfald og udløbstemperaturer.
  • A ny korrelation mellem friktionsfaktorer blev udledt af de eksperimentelle resultater. Den tager højde for overfladeruhed og opnåede en forudsigelsesnøjagtighed inden for ±10% af de målte værdier - et vigtigt fremskridt i forhold til eksisterende korrelationer.
  • Undersøgelsen viste også, at almindeligt anvendte korrelationer for varmeoverførsel har tendens til at undervurderer ydeevnen i sCO₂-mikrokanalstrømme med højt Reynolds-tal, hvilket understreger behovet for mere skræddersyede forudsigelsesmodeller.
Anerkendelse af konferencen

Den 6. europæiske sCO₂-konference samlede over 100 eksperter fra den akademiske verden og industrien for at diskutere de seneste innovationer inden for sCO₂-teknologi. Ud over de tekniske sessioner blev der også sat fokus på AFSLØRING under Keynote fredag morgen Gioele Di Marcoberardino (UNIBS), som præsenterede projektets overordnede mål og fremskridt til dato.

🏆 Avisen modtog Pris for bedste artikel på konferencen som en anerkendelse af forskningens kvalitet og relevans for det internationale sCO₂-forsknings- og ingeniørfællesskab. Denne anerkendelse fremhæver DESOLINATIONs bidrag til at fremme forståelsen på komponentniveau, som er afgørende for udviklingen af integrerede solcelledrevne afsaltningssystemer.

🔬 DESOLINATION-konsortiet ønsker forfatterne tillykke. Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier og Amir Momeni Dolatabadi - på denne velfortjente anerkendelse og for deres værdifulde bidrag til fremtiden for bæredygtige energi- og vandsystemer.

Simultan designoptimering af binære co2-blandingsbaserede kraftcyklusser til koncentreret solenergi

Simultan designoptimering af binære co2-blandingsbaserede kraftcyklusser til koncentreret solenergi

af | 11. september 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

I bestræbelserne på at opnå renere og mere effektiv energi har koncentreret solenergi (CSP) vist sig at være en lovende kandidat. Men deres potentiale er blevet begrænset af behovet for innovative, omkostningseffektive løsninger til at omdanne solvarme til elektricitet.

Vi er glade for at kunne annoncere en banebrydende udgivelse af Teesside Universitet, en af vores partnere, præsenterede på ASME (The American Society of Mechanical Engineers) Turbo Expo 2024 (Teknisk konference og udstilling om turbomaskiner).

Dette arbejde afslører en innovativ tilgang til optimering af kraftcyklusser for CSP-systemer, hvilket fører til fremskridt inden for effektivitet og bæredygtighed.

En nylig undersøgelse introducerer en innovativ tilgang til forbedring af kraftcyklusser for koncentrerede solenergisystemer (CSP), en nøgleteknologi i det vedvarende energilandskab. Denne forskning fokuserer på at optimere ydeevnen for systemer, der bruger CO₂-baserede blandinger som arbejdsvæsker, hvilket giver betydelige fremskridt inden for effektivitet, omkostningseffektivitet og tilpasningsevne til forskellige driftsforhold.

Read publication

Traditionelt er CSP-systemer afhængige af at omdanne solvarme til elektricitet gennem kraftcyklusser. Denne undersøgelse forbedrer den proces ved at udvikle en samtidig optimeringsstrategi. Den tager højde for designet af kraftcyklussen, valget af kemiske tilsætningsstoffer (dopingstoffer) og den specifikke sammensætning af de CO₂-baserede arbejdsvæsker. Ved at analysere disse faktorer sammen sigter forskerne mod at maksimere systemeffektiviteten og samtidig reducere omkostningerne.

Undersøgelsen tester disse innovationer under realistiske scenarier, herunder to driftstemperaturområder: 550 °C, som er typisk for nuværende CSP-systemer, og en højere temperatur på 700 °C for avancerede designs. Den tager også højde for omgivelsestemperaturer på 30 °C, 35 °C og 40 °C, hvilket afspejler de forskellige miljøer, hvor CSP-systemer fungerer.

Et af de vigtigste gennembrud er brugen af binære blandinger af CO₂ kombineret med kemiske dopingstoffer som svovldioxid (SO₂) eller acetonitril (C₂H₃N). Disse tilsætningsstoffer forbedrer arbejdsvæskens termodynamiske egenskaber, så systemet kan fungere mere effektivt under varierende forhold. Forskerteamet anvendte avancerede modelleringsteknikker til at evaluere disse blandinger og sikre præcise forudsigelser af deres ydeevne.

Optimering i denne sammenhæng fokuserer på to hovedmål: maksimering af termisk effektivitet (den mængde solenergi, der omdannes til elektricitet) og forbedring af det specifikke arbejde (den energi, der produceres pr. enhed arbejdsvæske). Disse forbedringer reducerer størrelsen og prisen på systemkomponenter, som f.eks. kraftblokke og termisk energilagring (TES), hvilket gør CSP-systemer mere økonomisk bæredygtige.

Denne innovative tilgang er meget lovende for fremtiden for vedvarende energi. Ved at tage fat på tekniske og økonomiske udfordringer åbner undersøgelsen døren for, at CSP-systemer kan spille en større rolle i den globale overgang til renere energi. Med sin fleksible metode, der er i stand til at indarbejde nye materialer og designs, sætter denne forskning scenen for fortsatte fremskridt inden for solenergiteknologi.
Read publication

Authors: Balkan Mutlu, Kumar Patchigolla, Dhinesh Thanganadar

DOI: https://doi.org/10.1115/GT2024-124083

Foreløbig karakterisering af demoanlægget til afsaltningsprojektet: Design og drift uden for design

Foreløbig karakterisering af demoanlægget til afsaltningsprojektet: Design og drift uden for design

af | 5. september 2024 | Milestones, Publications, Results - Pilot plant preparation

DESOLINATION-projektet, som er et fyrtårn for innovation inden for vedvarende energi, har taget et stort skridt fremad med den foreløbige analyse af demonstrationsanlæggets ydeevne.

For nylig afsløret på ASME Turbo Expo 2024, Dette arbejde samler ekspertisen fra TEMISth, UNIBS (universitetet i Brescia), and Politecnico di Milano (POLIMI) for at udforske potentialet i en ny kraftcyklus, der er bygget til bæredygtighed og effektivitet.

Read publication
Hvad gør dette demoanlæg unikt?

Dette demonstrationsanlæg driver en simpel rekuperativ transkritisk kraftcyklus, et system, der sætter nye standarder for energikonvertering. Her er, hvad der får det til at skille sig ud:

  • Innovativ arbejdsvæske: I stedet for konventionelle væsker bruger anlægget en blanding af CO₂ og SO₂, valgt på grund af dets unikke termodynamiske egenskaber.
  • Tilpasset til barske forhold: Designet til at trives i miljøer med høj solindstråling and forhøjede omgivelsestemperaturer, Dette luftkølede system afspejler den virkelige verdens udfordringer. Koncentreret solenergi (CSP) planter.
Nøglefunktioner i cyklussen
  • Kraftfuld og alligevel kompakt: Kernen i systemet er en aksialturbine, der håndterer en strømningshastighed på 0,2 m³/s, hvilket giver en effekt på 1,8 MWel.
  • Næste generation af varmevekslere: Udstyret med Gyroid-strukturerede rekuperatorer og varmevekslere, Disse komponenter maksimerer varmeoverførslen og minimerer samtidig materialeforbruget.
  • Modellering af præcision: Avancerede simuleringer i MATLAB, forbedret af CFD-resultater (Computational Fluid Dynamics), sikrer, at systemet er optimeret til både design- og off-design-forhold.
Hvor effektiv er den?

Effektivitet er nøglen til vedvarende energisystemer, og DESOLINATION-demoanlægget skuffer ikke. Ved at operere i en glidende tryktilstand, opnår cyklussen en imponerende effektivitet på over 30%, selv når den kører med delvis belastning.

Tilpasning til skiftende temperaturer

En af de mest fremtrædende egenskaber ved dette system er dets evne til at håndtere varierende omgivelsesforhold:

  • På høje omgivelsestemperaturer (over 30 °C) fungerer cyklussen problemfrit takket være kondensatorventilatorer med fast hastighed.
  • På lavere temperaturer (ca. 10 °C), kan lufthastigheden justeres for at sikre optimal drift.
Håndtering af systemets lagerbeholdning

Undersøgelsen dykker også ned i anlæggets rørsystem og afslører, at den samlede væskebeholdning er stærkt påvirket af kondensatorens drift. Justeringer i væskelageret på op til 300 kg er nødvendige for at opretholde stabiliteten, når der skiftes mellem forskellige temperaturforhold.

Denne forskning er en vigtig milepæl i DESOLINATION-projektets mission om at udvikle vedvarende energisystemer, der ikke kun er effektive, men også kan tilpasses en række forskellige forhold i den virkelige verden. Ved at bygge bro mellem innovativt design og praktisk anvendelse er demonstrationsanlægget et glimt ind i fremtiden for ren, bæredygtig energiproduktion.
Read publication

Authors: Ettore Morosini, Marco Astolfi, Michele Doninelli, Paolo Iora, Damien Serret, Jean-Michel Hugo and Giampaolo Manzolini.

DOI: https://doi.org/10.1115/GT2024-127246

Experimental study on coalescer efficiency for liquid-liquid separation

Experimental study on coalescer efficiency for liquid-liquid separation

af | jul 8, 2024 | Publications, Results - Draw solution

The global community acknowledges water demand and accessibility as major challenges impacting human well-being. Forward Osmosis (FO) desalination coupled with concentrate solar power might represent a promising solution to combine water production with renewable sources. This work assesses the performance of a liquid-liquid separator (coalescer), an important component of the FO process, when using a polymeric thermo-responsive draw agent (PAGB2000). Experimental characterization of the coalescer is carried out for different regeneration temperatures (from 50 to 80 °C), residence time, draw concentration (from 0.30 to 0.60) and metal meshes. The separation efficiency of the coalescer can be as high as 95% for high residence time and regeneration temperatures (> 70 °C). Eventually, an analytical expression of the coalescer efficiency as function of the main operating parameters is proposed both to support desalination plant design and to enable understanding its applicability beyond its original context.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117840

Read publication

Authors:

Igor Matteo Carraretto, Davide Scapinello, Riccardo Bellini, Riccardo Simonetti, Luca Molinaroli, Luigi Pietro Maria Colombo, Giampaolo Manzolini – Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano, Via Lambruschini 4, Milano 20156, Italy

Experimental Isochoric Apparatus for Bubble Points Determination: Application to CO2 Binary Mixtures as Advanced Working Fluids

Experimental Isochoric Apparatus for Bubble Points Determination: Application to CO2 Binary Mixtures as Advanced Working Fluids

af | jun 21, 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Carbon dioxide binarFIGy mixtures are increasingly considered as working fluids in transcritical power cycles, due to the capability to perform liquid-phase compression even at high environmental temperatures. However, a robust thermodynamic model is essential for optimal and reliable design conditions. It is widely recognized that fine-tuning the equation of state with experimental vapor-liquid equilibrium data of the mixture significantly enhances its reliability.

In this work, a new apparatus dedicated to vapour-liquid equilibrium measurements of mixtures is presented. The proposed method consists of a constant-volume system, where bubble points are identified from the divergence of slope of the isochoric lines between the two-phase and liquid regions, in the temperature-pressure plane. The temperature and pressure limits of the apparatus are 503 K and 25 MPa. Bubble points of CO2 binary mixtures with hexafluorobenzene (C6F6) and n-pentane (C5H12) have been measured and compared with previous literature data for validation purposes. Then, the CO2 mixture with octafluorocyclobutane (c-C4F8) is experimentally studied, addressing a literature gap in bubble point data.

The data are used to calibrate the thermodynamic model, leading to affordable design conditions of the power cycle compared to the non-optimized thermodynamics scenario, in a concentrated solar power tower plant.

 

https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100742

Read publication

Authors:

  • M. Doninelli, G. Di Marcoberardino, C.M Invernizzi and P. Iora – Università degli Studi di Brescia, Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Industriale, via Branze, 38, 25123, Brescia, Italy

Commercial thermo-responsive polyalkylene glycols as draw agents in forward osmosis

Commercial thermo-responsive polyalkylene glycols as draw agents in forward osmosis

af | maj 24, 2024 | Publications, Results - Draw solution

Forward osmosis (FO) is a promising technology for efficient water reclamation at low operating costs. It has shown potential in producing fresh water from seawater; however, the regeneration of the diluted draw solution (DS) still holds back further development. Thermo-responsive polymers, especially polyalkylene glycol (PAG) based copolymers with hydrophilic ethylene oxide and hydrophobic propylene oxide units, have shown suitability as DSs in FO using low-temperature waste heat to regenerate the DS. In this study, we explored five commercially available copolymers: Pluronic® PE 6400, Pluronic® L-35, Pluronic® RPE 1740, Unilube® 50 MB-26, and Polycerin® 55GI-2601 as DSs in a laboratory FO setup, with DI water as the feed solution (FS). The water
flux and reverse solute flux varied from 1.5 to 2.0 L⋅m􀀀 2⋅h􀀀 1 and from 0.04 to 0.4 g⋅m􀀀 2⋅h􀀀 1, respectively.

Furthermore, all polymer solutions showed the ability to be recovered and reused using temperatures below 100◦C. Therefore, the tested PAGs turned out to be promising as draw solutions for FO systems that utilize low-grade waste heat. The re-usage in FO was shown for regenerated Pluronic® L-35 through a three-step experiment where its recovery was 91.1 %, 93.1 %, and 91.9 % for each FO cycle, respectively.

Keywords: Forward osmosis, Draw solution, Osmotic pressure, Polyalkylene glycols, Lower critical, solution temperature, Reuse of polymer.

Authors: Irena Petrinic, Natalija Jancic, Ross D. Jansen van Vuuren, and Hermina Buksek.

Read the publication
Download the publication