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 Rolle von CFD: Optimierung der Leistung von Wärmetauschern
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.
Was sind Wärmetauscher und warum sind sie wichtig?
A heat exchanger ist ein Gerät, das Wärme von einem Fluid (entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas) auf ein anderes überträgt. In Energiesystemen sind sie für die Umwandlung von Wärme in nutzbare Energie unerlässlich. Ziel des DESOLINATION-Projekts ist es, hocheffiziente Wärmetauscher zu entwickeln, die unter extremen Bedingungen arbeiten können - bei Temperaturen von bis zu 600 °C und Drücken von bis zu 250 bar. Diese Bedingungen sind erforderlich für eine überkritisches Kohlendioxid (sCO2) Brayton-Zyklus, ein Verfahren, das Wärme zur Stromerzeugung effizienter nutzt als herkömmliche Dampfkreisläufe.
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.
