Étude expérimentale et numérique d'un refroidisseur de CO₂ supercritique : A DESOLINATION Contribution récompensée lors de la 6e conférence européenne sur le CO₂

Étude expérimentale et numérique d'un refroidisseur de CO₂ supercritique : A DESOLINATION Contribution récompensée lors de la 6e conférence européenne sur le CO₂

par | 14 mai 2025 | Article, Publications

Dans le cadre du projet Horizon 2020 DESOLINATION, une nouvelle étude intitulée “Etude expérimentale et numérique du refroidisseur de CO₂ supercritique”a été présentée lors de la 6e conférence européenne sur le CO₂ supercritique (sCO₂) pour les systèmes énergétiques, qui s'est tenue du 9 au 11 avril 2025 à Delft, aux Pays-Bas.

La recherche, menée par Université LUT en collaboration avec TEMISTH, a reçu le Prix du meilleur article à la conférence en reconnaissance de sa qualité scientifique et de sa pertinence.

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Étude des performances du PCHE dans les cycles d'alimentation en CO₂ supercritique

L'étude se concentre sur performance thermo-hydraulique d'un échangeur de chaleur à circuit imprimé (PCHE) opérant avec dioxyde de carbone supercritique (sCO₂) - un fluide de travail au cœur du bloc d'énergie innovant de DESOLINATION. Les PCHE constituent une solution compacte et à haut rendement adaptée aux conditions extrêmes des systèmes énergétiques basés sur le sCO₂, tels que ceux intégrés dans les technologies d'énergie solaire concentrée (CSP) et de dessalement.

En utilisant une combinaison de essais expérimentaux and la dynamique des fluides numérique (CFD), L'équipe a évalué les caractéristiques de transfert de chaleur et de chute de pression du sCO₂ circulant dans des microcanaux en PCHE. L'étude a porté sur le région pseudo-critique, où le CO₂ présente des variations rapides de propriétés qui améliorent le transfert de chaleur mais compliquent la modélisation prédictive.

Soutenir les objectifs de DESOLINATION

Ce travail contribue directement à l'objectif de DESOLINATION, qui est de développer un système d'information sur les droits de l'homme. un système de dessalement efficace fonctionnant à l'énergie solaire en améliorant la prévision des performances et la conception des composants clés du cycle d'énergie sCO₂. En particulier, il fournit des outils validés et des informations essentielles pour l'intégration des composants du cycle d'énergie sCO₂. échangeurs de chaleur à haut rendement dans la future usine de démonstration du projet.

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

DOI: 10.17185/duepublico/83320

Principaux résultats
  • Données expérimentales ont été recueillies dans un large éventail de conditions d'exploitation dans l'installation d'essai de CO₂ transcritique de l'université de LUT, ce qui constitue une référence précieuse pour la validation des modèles numériques.
  • The Simulations CFD, qui intègre le comportement du gaz réel et le modèle de turbulence SST k-ω, a montré une bonne concordance avec les pertes de charge et les températures de sortie mesurées.
  • A nouvelle corrélation des facteurs de friction a été dérivée des résultats expérimentaux. Elle tient compte de la rugosité de la surface et atteint une précision de prédiction de ±10% par rapport aux valeurs mesurées, ce qui constitue un progrès important par rapport aux corrélations existantes.
  • L'étude a également révélé que corrélations de transfert de chaleur couramment utilisées tendent à sous-estimer les performances dans les écoulements à microcanaux sCO₂ à nombre de Reynolds élevé, ce qui souligne la nécessité d'élaborer des modèles prédictifs mieux adaptés.
Reconnaissance de la conférence

La 6e conférence européenne sur les sCO₂ a rassemblé plus de 100 experts du monde universitaire et de l'industrie pour discuter des dernières innovations en matière de technologie sCO₂. En plus des sessions techniques, le thème de la DESOLINATION a également été mis en avant lors de la conférence de l Conférence du vendredi matin Gioele Di Marcoberardino (UNIBS), qui a présenté les objectifs généraux du projet et les progrès réalisés à ce jour.

🏆 Le journal a reçu la Prix du meilleur article lors de la conférence, reconnaissant la qualité et la pertinence de la recherche pour la communauté internationale de la recherche et de l'ingénierie sCO₂. Cette reconnaissance souligne la contribution de DESOLINATION à l'amélioration de la compréhension des composants, cruciale pour le développement de systèmes de dessalement intégrés fonctionnant à l'énergie solaire.

🔬 Le consortium DESOLINATION félicite les auteurs - Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier et Amir Momeni Dolatabadi - pour cette reconnaissance bien méritée et pour leur précieuse contribution à l'avenir des systèmes durables dans les domaines de l'énergie et de l'eau.

Optimisation simultanée de la conception de cycles d'énergie basés sur un mélange binaire de CO2 pour des applications d'énergie solaire concentrée

Optimisation simultanée de la conception de cycles d'énergie basés sur un mélange binaire de CO2 pour des applications d'énergie solaire concentrée

par | 11 septembre 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Dans le cadre de la recherche d'une énergie plus propre et plus efficace, les systèmes d'énergie solaire concentrée (CSP) sont apparus comme des candidats prometteurs. Mais leur potentiel a été limité par la nécessité de trouver des solutions innovantes et rentables pour convertir la chaleur solaire en électricité.

Nous sommes ravis d'annoncer la publication d'un ouvrage novateur par Université de Teesside, un de nos partenaires, a présenté à l'ASME (The American Society of Mechanical Engineers) Turbo Expo 2024 (Turbomachinery Technical Conference and Exposition).

Ce travail dévoile une approche innovante de l'optimisation des cycles d'énergie pour les systèmes CSP, ce qui permet de réaliser des progrès en matière d'efficacité et de durabilité.

Une étude récente présente une approche innovante pour améliorer les cycles de puissance des systèmes d'énergie solaire concentrée (CSP), une technologie clé dans le paysage des énergies renouvelables. Cette recherche se concentre sur l'optimisation des performances des systèmes qui utilisent des mélanges à base de CO₂ comme fluides de travail, offrant des avancées significatives en termes d'efficacité, de rentabilité et d'adaptabilité à diverses conditions d'exploitation.

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Traditionnellement, les systèmes CSP reposent sur la conversion de la chaleur solaire en électricité par le biais de cycles de puissance. Cette étude améliore ce processus en développant une stratégie d'optimisation simultanée. Elle prend en compte la conception du cycle électrique, la sélection des additifs chimiques (dopants) et la composition spécifique des fluides de travail à base de CO₂. En analysant ces facteurs ensemble, les chercheurs visent à maximiser l'efficacité du système tout en réduisant les coûts.

L'étude teste ces innovations dans des scénarios réalistes, y compris deux gammes de températures de fonctionnement : 550°C, typique des systèmes CSP actuels, et une température plus élevée de 700°C pour les conceptions avancées. Elle prend également en compte des températures ambiantes de 30°C, 35°C et 40°C, reflétant les divers environnements dans lesquels les systèmes CSP fonctionnent.

L'une des principales avancées est l'utilisation de mélanges binaires de CO₂ combinés à des dopants chimiques tels que le dioxyde de soufre (SO₂) ou l'acétonitrile (C₂H₃N). Ces additifs améliorent les propriétés thermodynamiques du fluide de travail, ce qui permet au système de fonctionner plus efficacement dans des conditions variables. L'équipe de recherche a utilisé des techniques de modélisation avancées pour évaluer ces mélanges, ce qui a permis de prédire avec précision leurs performances.

Dans ce contexte, l'optimisation se concentre sur deux objectifs principaux : maximiser l'efficacité thermique (la quantité d'énergie solaire convertie en électricité) et améliorer le travail spécifique (l'énergie produite par unité de fluide de travail). Ces améliorations permettent de réduire la taille et le coût des composants du système, tels que les blocs d'alimentation et le stockage de l'énergie thermique (TES), ce qui rend les systèmes CSP plus viables sur le plan économique.

Cette approche innovante est très prometteuse pour l'avenir des énergies renouvelables. En relevant les défis techniques et financiers, l'étude ouvre la voie à un rôle plus important des systèmes CSP dans la transition mondiale vers une énergie plus propre. Grâce à sa méthodologie flexible, capable d'intégrer de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions, cette recherche ouvre la voie à des progrès continus dans la technologie de l'énergie solaire.
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Authors: Balkan Mutlu, Kumar Patchigolla, Dhinesh Thanganadar

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

Caractérisation préliminaire de l'usine de démonstration du projet de dessalement : Conception et exploitabilité hors conception

Caractérisation préliminaire de l'usine de démonstration du projet de dessalement : Conception et exploitabilité hors conception

par | 5 septembre 2024 | Milestones, Publications, Results - Pilot plant preparation

Le projet DESOLINATION, phare de l'innovation dans le domaine des énergies renouvelables, a franchi une étape importante avec l'analyse préliminaire des performances de sa centrale de démonstration.

Récemment dévoilée à l'occasion de la ASME Turbo Expo 2024, Cet ouvrage rassemble l'expertise de TEMISth, UNIBS (Université de Brescia), and École polytechnique de Milan (POLIMI) pour explorer le potentiel d'un nouveau cycle de production d'énergie conçu dans une optique de durabilité et d'efficacité.

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Qu'est-ce qui rend cette usine de démonstration unique ?

Cette usine de démonstration exploite un cycle de puissance transcritique à récupération simple, Un système qui établit de nouvelles normes en matière de conversion d'énergie. Voici ce qui le distingue :

  • Fluide de travail innovant : Au lieu de fluides conventionnels, l'usine utilise un mélange de CO₂ et SO₂, sélectionné pour ses propriétés thermodynamiques uniques.
  • Adapté aux conditions difficiles : Conçue pour s'épanouir dans des environnements rayonnement solaire élevé and températures ambiantes élevées, Ce système refroidi à l'air est le reflet des défis réels auxquels sont confrontés les Énergie solaire concentrée (ESC) des plantes.
Caractéristiques principales du cycle
  • Puissant et compact : Au cœur du système se trouve une turbine axiale qui gère un débit de 0,2 m³/s, ce qui permet une production d'énergie de 1,8 MWel.
  • Échangeurs de chaleur de nouvelle génération : Équipé de récupérateurs et échangeurs de chaleur à structure gyroïde, Ces composants maximisent le transfert thermique tout en minimisant l'utilisation de matériaux.
  • Précision de la modélisation : Des simulations avancées dans MATLAB, améliorées par les résultats de la dynamique des fluides numérique (CFD), garantissent que le système est optimisé à la fois pour les conditions de conception et les conditions hors conception.
Quelle est son efficacité ?

L'efficacité est essentielle pour les systèmes d'énergie renouvelable, et la centrale de démonstration DESOLINATION ne déçoit pas. En fonctionnant dans une mode de pression glissante, Le cycle permet d'obtenir des rendements impressionnants de plus de 30%, même en cas de charge partielle.

S'adapter aux changements de température

L'une des principales caractéristiques de ce système est sa capacité à gérer des conditions ambiantes variables :

  • Au températures ambiantes élevées (au-dessus de 30°C), le cycle fonctionne sans problème, grâce à des ventilateurs de condenseur à vitesse fixe.
  • Au des températures plus basses (environ 10°C), la vitesse de l'air peut être ajustée pour assurer un fonctionnement optimal.
Gestion de l'inventaire du système

L'étude se penche également sur le système de tuyauterie de l'usine, révélant que l'inventaire total des fluides est fortement influencé par le fonctionnement du condenseur. Des ajustements dans le stockage des fluides pouvant aller jusqu'à 300 kg sont nécessaires pour maintenir la stabilité lors du passage d'une température à l'autre.

Cette recherche représente une étape importante dans la mission du projet DESOLINATION, qui consiste à développer des systèmes d'énergie renouvelable non seulement efficaces, mais aussi adaptables à une variété de conditions réelles. En comblant le fossé entre la conception innovante et l'application pratique, la centrale de démonstration donne un aperçu de l'avenir de la production d'énergie propre et durable.
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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

par | Juil 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

par | Juin 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

par | 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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