Im Rahmen der laufenden Mission des DESOLINATION-Projekts zur Dekarbonisierung des Entsalzungsprozesses wurde an der Universität LUT ein wichtiger Meilenstein erreicht: die experimentelle Validierung eines 3D-gedruckten heat exchanger. Dieser Durchbruch zeigt, dass additive Fertigung (auch bekannt als 3D-Druck) kann die Leistung von Wärmetauschern, die in überkritisches Kohlendioxid (sCO2) Brayton-Zyklen, und ebnet damit den Weg für effizientere Energiesysteme.

Kürzlich hat das DESOLINATION-Projektteam einen wichtigen Meilenstein erreicht, indem es seinen Versuchsaufbau erfolgreich bei LUT Universität. Dieser Validierungsprozess umfasste mehrere wichtige Schritte:

1. Gestaltung: Das Team entwickelte einen Entwurf für den 3D-gedruckten Wärmetauscher, wobei der Schwerpunkt auf der Optimierung seiner Form und Funktion lag.
2. Simulation: Mit Tools wie Computergestützte Strömungsmechanik (CFD), simulierte das Team, wie sich der Wärmetauscher unter realen Bedingungen verhalten würde.
3. Additive Fertigung: Der Wärmetauscher wurde mit fortschrittlichen 3D-Drucktechniken gedruckt, was ein komplexeres und effizienteres Design ermöglichte.
4. Montage: Die gedruckten Teile wurden dann zu einem voll funktionsfähigen Wärmetauscher zusammengesetzt.
5. Prüfung: Der letzte Schritt bestand darin, den Wärmetauscher zu testen, um sicherzustellen, dass er den im sCO2-Brayton-Zyklus erwarteten Drücken und Temperaturen standhalten kann.

Der erfolgreiche Abschluss dieser Schritte zeigt, dass 3D-gedruckte Wärmetauscher in Hochdruck- und Hochtemperaturumgebungen effektiv arbeiten können. Dieser Durchbruch ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Integration dieser fortschrittlichen Designs in reale CSP-Systeme (Concentrating Solar Power).

Die Rolle von Wärmetauschern bei der Entsalzung und Energieerzeugung

Wärmetauscher sind in Systemen, die Wärme in nutzbare Energie umwandeln, von entscheidender Bedeutung. Im Projekt DESOLINATION sind sie Schlüsselkomponenten in der sCO2 Brayton-Zyklus, ein thermodynamischer Prozess, der Wärme zur Stromerzeugung nutzt. In Kombination mit Konzentrierende Solarenergie (CSP)-Diese Systeme bieten eine effizientere Möglichkeit, Strom zu erzeugen und gleichzeitig die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.

Die Entwicklung von Wärmetauschern, die den extremen Bedingungen der sCO2-Brayton-Zyklen (Temperaturen bis zu 600 °C und Drücke um 250 bar) gewachsen sind, stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Das ist der Grund additive Fertigung kommt herein.

Im weiteren Verlauf von DESOLINATION wird die fortlaufende Entwicklung und Erprobung von 3D-gedruckten Wärmetauschern eine entscheidende Rolle bei der Schaffung nachhaltigerer, effizienterer Energiesysteme spielen. Mit jedem Meilenstein kommt das Projekt seiner Vision einer Welt näher, in der die Entsalzung mit sauberer, erneuerbarer Energie betrieben wird. Durch die Kombination von Spitzentechnologien wie der additiven Fertigung und fortschrittlichen thermodynamischen Prozessen ebnet das DESOLINATION-Projekt den Weg für eine grünere, wassersichere Zukunft.

Das Projekt DESOLINATION, das durch das Programm Horizont 2020 der Europäischen Union finanziert wird, macht bemerkenswerte Fortschritte bei seiner Mission, die Entsalzung zu dekarbonisieren. Eine der aufregendsten Entwicklungen stammt aus unserer Arbeit zur Optimierung der Wärmetauscher zur Verwendung in überkritisches Kohlendioxid (sCO2) Brayton-Zyklen. Diese Innovationen könnten die Art und Weise revolutionieren, wie wir Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie erzeugen. Hier ist ein genauerer Blick darauf, wie Computergestützte Strömungsmechanik (CFD) spielt bei diesen Bemühungen eine Schlüsselrolle.

Die Entwicklung von Wärmetauschern, die unter diesen extremen Bedingungen arbeiten können, ist keine leichte Aufgabe. Um das bestmögliche Design zu gewährleisten, verwendet DESOLINATION Computergestützte Strömungsmechanik (CFD)-ein leistungsfähiges Computerprogramm, das modelliert, wie Flüssigkeiten fließen und wie Wärme in komplexen Systemen übertragen wird.

CFD ermöglicht dem Projektteam (insbesondere TEMISTh), um die Leistung des Wärmetauschers in einer virtuellen Umgebung zu simulieren. Dazu gehört die Analyse von Schlüsselfaktoren wie:

• Thermischer Wirkungsgrad: Wie gut der Wärmetauscher Wärme von einer Flüssigkeit auf eine andere überträgt.
• Druckverlust: Der Druckabfall, der auftritt, wenn die Flüssigkeit durch den Wärmetauscher fließt, was die Gesamtleistung des Systems beeinträchtigen kann.
• Thermomechanische Zwänge: Die strukturellen Spannungen, denen der Wärmetauscher bei hohen Temperaturen und Drücken standhalten muss.

Mithilfe von CFD kann das Team das optimale Gleichgewicht zwischen thermischem Wirkungsgrad und Druckabfall finden und so sicherstellen, dass der Wärmetauscher eine gute Leistung erbringt und gleichzeitig langlebig bleibt.

Realitätsnahe Tests an der King Saud Universität

Nach der Feinabstimmung des Designs mithilfe von CFD ist der nächste Schritt die Erprobung unter realen Bedingungen. Das Team plant, diese Wärmetauscher für folgende Zeiträume zu betreiben 4.000 Stunden in einer Pilotanlage in King Saud University. Diese Tests bringen das Projekt näher an die Technologische Bereitschaftsstufe (TRL) 7, Das bedeutet, dass die Technologie für den Einsatz in realen Systemen bereit sein wird.

Die Rolle von CFD: Optimierung der Leistung von Wärmetauschern

Die vorläufigen Ergebnisse dieser Simulationen sind vielversprechend. Das Team ist der Ansicht, dass ihre Entwürfe die Grenzen dessen, was für Wärmetauscher in sCO2-Brayton-Zyklen möglich ist, verschieben könnten. Wenn sie erfolgreich sind, werden diese Innovationen den Weg für effizientere Konzentrierende Solarenergie (CSP) Anlagen, in denen die Sonnenenergie konzentriert wird, um große Mengen an Wärme zu erzeugen, die dann zur Stromerzeugung genutzt werden können.

CFD: Mehr als nur ein Werkzeug für Ingenieure

Neben seinen technischen Fähigkeiten hat sich CFD auch als leistungsstarkes Kommunikationsinstrument erwiesen. Die damit erstellten Simulationen liefern visuell ansprechende Darstellungen der Wärme- und Flüssigkeitsbewegungen durch das System und erleichtern es, einem breiteren Publikum die wissenschaftlichen Hintergründe des Projekts zu erklären.

Durch den Einsatz von CFD zur Entwicklung und Optimierung dieser hochmodernen Wärmetauscher macht das DESOLINATION-Projekt einen großen Schritt hin zu nachhaltigeren und effizienteren Energiesystemen und bringt uns einer Zukunft näher, in der die Entsalzung mit sauberer, erneuerbarer Energie betrieben werden kann.