Experimentelle und numerische Studie eines superkritischen CO₂-Kühlers: Ein DESOLINATION-Beitrag, ausgezeichnet auf der 6. europäischen sCO₂-Konferenz

Experimentelle und numerische Studie eines superkritischen CO₂-Kühlers: Ein DESOLINATION-Beitrag, ausgezeichnet auf der 6. europäischen sCO₂-Konferenz

von | Mai 14, 2025 | Article, Publications

Im Rahmen des Horizon 2020-Projekts DESOLINATION wurde eine neue Studie mit dem Titel “Experimentelle und numerische Studie eines superkritischen CO₂-Kühlers” wurde auf der 6th European Conference on Supercritical CO₂ (sCO₂) for Energy Systems vorgestellt, die vom 9. bis 11. April 2025 in Delft, Niederlande, stattfand.

Die Forschung, geleitet von LUT Universität in Zusammenarbeit mit TEMISTH, erhielt die Auszeichnung für das beste Papier auf der Konferenz in Anerkennung seiner wissenschaftlichen Qualität und Relevanz.

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Untersuchung der PCHE-Leistung in überkritischen CO₂-Energiekreisläufen

Die Studie konzentriert sich auf die thermohydraulische Leistung eines Wärmetauscher mit gedruckter Schaltung (PCHE) Betrieb mit überkritisches Kohlendioxid (sCO₂) - eine Arbeitsflüssigkeit, die das Herzstück des innovativen Kraftwerks von DESOLINATION ist. PCHEs sind eine kompakte und hocheffiziente Lösung, die sich für die extremen Bedingungen sCO₂-basierter Energiesysteme eignet, wie sie beispielsweise in Concentrated Solar Power (CSP) und Entsalzungstechnologien integriert sind.

Mit einer Kombination aus experimentelle Prüfung and numerische Strömungsmechanik (CFD), bewertete das Team die Wärmeübertragungs- und Druckverlusteigenschaften von sCO₂, das durch PCHE-Mikrokanäle fließt. Die Studie zielte auf die pseudokritische Region, wobei CO₂ schnelle Eigenschaftsschwankungen aufweist, die die Wärmeübertragung verbessern, aber die Vorhersage von Modellen erschweren.

Unterstützung der Ziele von DESOLINATION

Diese Arbeit trägt direkt zum Ziel von DESOLINATION bei, eine effizientes, solarbetriebenes Entsalzungssystem durch die Verbesserung der Leistungsvorhersage und des Designs von Schlüsselkomponenten im sCO₂-Stromkreislauf. Insbesondere bietet es validierte Werkzeuge und Erkenntnisse, die für die Integration von hocheffiziente Wärmetauscher in die künftige Demonstrationsanlage des Projekts.

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

DOI: 10.17185/duepublico/83320

Wesentliche Ergebnisse
  • Experimentelle Daten wurden unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen in der transkritischen CO₂-Versuchsanlage der Universität LUT gesammelt, was einen wertvollen Maßstab für die Validierung von numerischen Modellen darstellt.
  • The CFD-Simulationen, die das Verhalten des realen Gases und das k-ω-Turbulenzmodell von SST berücksichtigt, zeigte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Druckverlusten und Austrittstemperaturen.
  • A neue Reibungsfaktor-Korrelation wurde aus den experimentellen Ergebnissen abgeleitet. Sie berücksichtigt die Oberflächenrauheit und erreicht eine Vorhersagegenauigkeit von ±10% der gemessenen Werte - ein wichtiger Fortschritt gegenüber bestehenden Korrelationen.
  • Die Studie ergab auch, dass häufig verwendete Wärmeübergangskorrelationen neigen dazu die Leistung unterschätzen in Mikrokanalströmungen mit hoher Reynoldszahl, sCO₂, was den Bedarf an maßgeschneiderten Prognosemodellen unterstreicht.
Anerkennung der Konferenz

Die 6. Europäische sCO₂-Konferenz brachte über 100 Experten aus Wissenschaft und Industrie zusammen, um die neuesten Innovationen in der sCO₂-Technologie zu diskutieren. Neben den technischen Sitzungen stand DESOLINATION auch im Mittelpunkt der Grundsatzrede am Freitagmorgen von Dr. Gioele Di Marcoberardino (UNIBS), in dem die allgemeinen Ziele des Projekts und die bisherigen Fortschritte vorgestellt wurden.

🏆 Das Papier erhielt den Auszeichnung für das beste Papier auf der Konferenz verliehen und damit die Qualität und Relevanz der Forschung für die internationale Forschungs- und Ingenieurgemeinschaft gewürdigt. Diese Anerkennung unterstreicht den Beitrag von DESOLINATION zur Förderung des Verständnisses auf Komponentenebene, das für die Entwicklung integrierter solarbetriebener Entsalzungssysteme entscheidend ist.

🔬 Das DESOLINATION-Konsortium gratuliert den Autoren - Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier und Amir Momeni Dolatabadi - für diese wohlverdiente Anerkennung und für ihren wertvollen Beitrag zur Zukunft nachhaltiger Energie- und Wassersysteme.

Gleichzeitige Optimierung des Designs von Stromkreisläufen auf der Grundlage eines binären CO2-Gemischs für Anwendungen der konzentrierten Solarenergie

Gleichzeitige Optimierung des Designs von Stromkreisläufen auf der Grundlage eines binären CO2-Gemischs für Anwendungen der konzentrierten Solarenergie

von | 11. September 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Bei der Suche nach sauberer und effizienter Energie haben sich Systeme zur konzentrierten Solarenergie (CSP) als vielversprechender Kandidat erwiesen. Ihr Potenzial ist jedoch durch den Bedarf an innovativen, kosteneffizienten Lösungen für die Umwandlung von Sonnenwärme in Strom begrenzt.

Wir freuen uns sehr, eine bahnbrechende Veröffentlichung von Universität Teesside, einer unserer Partner, präsentierte auf der ASME (The American Society of Mechanical Engineers) Turbo-Expo 2024 (Technische Konferenz und Ausstellung für Turbomaschinen).

Diese Arbeit enthüllt einen innovativen Ansatz zur Optimierung von Stromkreisläufen für CSP-Systeme, der Fortschritte bei Effizienz und Nachhaltigkeit ermöglicht.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie wird ein innovativer Ansatz zur Verbesserung der Leistungszyklen von CSP-Systemen (Concentrated Solar Power) vorgestellt, einer Schlüsseltechnologie im Bereich der erneuerbaren Energien. Diese Forschung konzentriert sich auf die Optimierung der Leistung von Systemen, die CO₂-basierte Mischungen als Arbeitsflüssigkeiten verwenden, und bietet erhebliche Fortschritte in Bezug auf Effizienz, Kosteneffizienz und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Betriebsbedingungen.

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Traditionell beruhen CSP-Systeme auf der Umwandlung von Solarwärme in Elektrizität durch Leistungszyklen. In dieser Studie wird dieser Prozess durch die Entwicklung einer simultanen Optimierungsstrategie verbessert. Sie berücksichtigt das Design des Stromkreislaufs, die Auswahl der chemischen Zusätze (Dotierstoffe) und die spezifische Zusammensetzung der CO₂-basierten Arbeitsflüssigkeiten. Durch die gemeinsame Analyse dieser Faktoren wollen die Forscher die Effizienz des Systems maximieren und gleichzeitig die Kosten senken.

Die Studie testet diese Innovationen unter realistischen Szenarien, einschließlich zweier Betriebstemperaturbereiche: 550°C, typisch für aktuelle CSP-Systeme, und höhere 700°C für fortschrittliche Designs. Sie berücksichtigt auch Umgebungstemperaturen von 30°C, 35°C und 40°C, was die unterschiedlichen Umgebungen widerspiegelt, in denen CSP-Systeme betrieben werden.

Einer der wichtigsten Durchbrüche ist die Verwendung von binären CO₂-Gemischen in Kombination mit chemischen Dotierstoffen wie Schwefeldioxid (SO₂) oder Acetonitril (C₂H₃N). Diese Zusätze verbessern die thermodynamischen Eigenschaften der Arbeitsflüssigkeit, so dass das System unter verschiedenen Bedingungen effektiver arbeiten kann. Das Forschungsteam setzte fortschrittliche Modellierungstechniken ein, um diese Mischungen zu bewerten und eine genaue Vorhersage ihrer Leistung zu gewährleisten.

Die Optimierung konzentriert sich in diesem Zusammenhang auf zwei Hauptziele: Maximierung des thermischen Wirkungsgrads (die Menge der in Strom umgewandelten Solarenergie) und Verbesserung der spezifischen Arbeit (die pro Einheit des Arbeitsmittels erzeugte Energie). Durch diese Verbesserungen werden die Größe und die Kosten von Systemkomponenten wie Kraftwerksblöcken und thermischen Energiespeichern (TES) reduziert, wodurch CSP-Systeme wirtschaftlich rentabler werden.

Dieser innovative Ansatz birgt große Chancen für die Zukunft der erneuerbaren Energien. Durch die Bewältigung technischer und finanzieller Herausforderungen öffnet die Studie die Tür dafür, dass CSP-Systeme eine größere Rolle beim globalen Übergang zu sauberer Energie spielen können. Mit ihrer flexiblen Methodik, die neue Materialien und Konstruktionen einbeziehen kann, schafft diese Forschung die Voraussetzungen für weitere Fortschritte in der Solarenergietechnologie.
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Authors: Balkan-Mutlu, Kumar Patchigolla, Dhinesh Thanganadar

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

Vorläufige Charakterisierung der Demoanlage des Entsalzungsprojekts: Design und Off-Design-Betriebsfähigkeit

Vorläufige Charakterisierung der Demoanlage des Entsalzungsprojekts: Design und Off-Design-Betriebsfähigkeit

von | 5. September 2024 | Milestones, Publications, Results - Pilot plant preparation

Das Projekt DESOLINATION, ein Leuchtturm der Innovation im Bereich der erneuerbaren Energien, hat mit der vorläufigen Leistungsanalyse seiner Demonstrationsanlage einen großen Schritt nach vorn gemacht.

Kürzlich enthüllt auf der ASME Turbo Expo 2024, Diese Arbeit bündelt das Fachwissen von TEMISth, UNIBS (Universität von Brescia), and Politecnico di Milano (POLIMI) um das Potenzial eines neuartigen, auf Nachhaltigkeit und Effizienz ausgerichteten Stromkreislaufs zu erkunden.

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Was macht diese Demoanlage einzigartig?

Diese Demoanlage betreibt eine einfacher rekuperativer transkritischer Stromkreislauf, ein System, das neue Maßstäbe in der Energieumwandlung setzt. Das ist das Besondere daran:

  • Innovatives Arbeitsmittel: Anstelle von herkömmlichen Flüssigkeiten verwendet die Anlage eine Mischung aus CO₂ und SO₂, das aufgrund seiner einzigartigen thermodynamischen Eigenschaften ausgewählt wurde.
  • Angepasst an harte Bedingungen: Entwickelt, um in Umgebungen zu gedeihen mit hohe Sonneneinstrahlung and Erhöhte Umgebungstemperaturen, spiegelt dieses luftgekühlte System die realen Herausforderungen wider, mit denen die Konzentrierte Solarenergie (CSP) Pflanzen.
Hauptmerkmale des Zyklus
  • Leistungsstark und doch kompakt: Das Herzstück des Systems ist eine Axialturbine, die einen Durchfluss von 0,2 m³/s bewältigt und eine Leistungsabgabe von 1,8 MWel.
  • Wärmetauscher der nächsten Generation: Ausgestattet mit Rekuperatoren und Wärmetauscher mit Gyroidstruktur, Diese Komponenten maximieren die Wärmeübertragung und minimieren gleichzeitig den Materialverbrauch.
  • Präzision bei der Modellierung: Hochentwickelte Simulationen in MATLAB, ergänzt durch CFD-Ergebnisse (Computational Fluid Dynamics), stellen sicher, dass das System sowohl für Auslegungs- als auch für Nicht-Auslegungsbedingungen optimiert ist.
Wie effizient ist sie?

Effizienz ist der Schlüssel zu erneuerbaren Energiesystemen, und die DESOLINATION-Demoanlage enttäuscht nicht. Durch den Betrieb in einem Gleitdruckverfahren, erreicht der Zyklus einen beeindruckenden Wirkungsgrad von über 30%, auch im Teillastbetrieb.

Anpassung an sich ändernde Temperaturen

Eines der herausragenden Merkmale dieses Systems ist seine Fähigkeit, mit unterschiedlichen Umgebungsbedingungen umzugehen:

  • Unter hohe Umgebungstemperaturen (über 30°C), funktioniert der Kreislauf dank der Verflüssigerlüfter mit fester Drehzahl reibungslos.
  • Unter niedrigere Temperaturen (ca. 10°C) kann die Luftgeschwindigkeit angepasst werden, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten.
Umgang mit dem Inventar des Systems

Die Studie befasst sich auch mit dem Rohrleitungssystem der Anlage und zeigt, dass der gesamte Flüssigkeitsvorrat stark vom Betrieb des Kondensators beeinflusst wird. Anpassungen der Flüssigkeitsvorräte von bis zu 300 kg sind erforderlich, um die Stabilität beim Wechsel zwischen verschiedenen Temperaturbedingungen zu gewährleisten.

Diese Forschungsarbeit stellt einen wichtigen Meilenstein im Rahmen des DESOLINATION-Projekts dar, bei dem es darum geht, Systeme für erneuerbare Energien zu entwickeln, die nicht nur effizient sind, sondern sich auch an eine Vielzahl von realen Bedingungen anpassen lassen. Durch die Überbrückung der Kluft zwischen innovativem Design und praktischer Anwendung ist die Demoanlage ein Blick in die Zukunft der sauberen, nachhaltigen Energieerzeugung.
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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

von | Juli 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

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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

von | Juni 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

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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

von | Mai 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.

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