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Spezielle Methoden der Fluidauswahl und ihre Anwendungsmöglichkeiten am Beispiel von Wärmepumpen und Strom-Wärme-Strom-Speichersystemen

Roskosch, Dennis

Die Auswahl eines geeigneten Arbeitsfluides ist bei der Auslegung thermodynamischer Kreisprozesse ein entscheidender Schritt, da sowohl das Betriebsverhalten als auch die Effizienz der Prozesse maßgeblich durch die ausgewählten Fluide beeinflusst werden. Zu dem großen Bereich thermodynamischer Kreisprozesse gehören grundsätzlich etablierte Energiewandlungsprozesse mit langer Historie wie Kompressionskältemaschinen und -wärmepumpen im niedrigen bis mittleren Temperaturbereich. Außerdem werden auch immer wieder neue Prozesse bzw. Anwendungen wie Hochtemperaturwärmepumpen oder Strom-Wärme-Strom-Speichersysteme diskutiert. Nicht nur für solche neuartigen Prozesse bzw. Randbedingungen stellt sich stets die Frage nach geeigneten und effizienten Fluiden, sondern auch für die etablierten Prozesse, für die auf Grund der aktuellen Problematik der hohen Treibhauswirksamkeit vieler Kältemittel zeitnah alternative Arbeitsmittel gefunden werden müssen. Bisher waren die Fluidauswahlmethoden allerdings häufig unstrukturiert und beruhten nicht auf grundlegendem thermodynamischen Verständnis, sondern meist auf dem Prinzip Versuch und Irrtum oder auf sehr einfachen Heuristiken. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden der Fluidauswahl für zwei Teilbereiche der thermodynamischen Energiewandlungsprozesse diskutiert, die bislang nicht ausreichend betrachtet wurden. Dies sind existierende Anlagen und Anlagenkonzepte von Kompressionskälte- maschinen und -wärmepumpen sowie auf dem Clausius-Rankine-Prozess basierte Strom-Wärme-Strom-Speichersysteme, wobei die Anknüpfungspunkte hierbei auf Grund der bis-herigen Kenntnisstände deutlich voneinander abweichen. Strom-Wärme-Strom-Speicher sind ein jüngst diskutierter Ansatz zur großtechnischen Speicherung elektrischer Energie. Eine mögliche Konfiguration dieses Konzepts ist die Kombination zweier Clausius-Rankine-Prozesse (Wärmepumpe und Organic Rankine Cycle) mit einem thermischen Energiespeicher. Der bisherige Kenntnisstand zu dieser Technologie kann prinzipiell als in der Anfangsphase befindlich bezeichnet werden. Der Einfluss des Fluides, generell infrage kommende Arbeitsmittel, vielversprechende Betriebsbedingungen und thermodynamische Grenzen der Effizienz sind bisher weitestgehend unbekannt. Zur Untersuchung dieser Punkte werden im Rahmen dieser Arbeit Strom-Wärme-Strom-Systeme, bestehend aus zwei Clausius-Rankine-Prozessen und einem idealen isothermen Speicher, modelliert, wobei die Irreversibilitäten der Prozesse schrittweise gesteigert werden. Die berücksichtigten Arbeitsfluide sind hierbei zunächst hypothetische Fluide, deren Parameter hinsichtlich des Prozesses und einiger Randbedingungen optimiert werden. Im weiteren Verlauf werden außerdem potenziell existierende Arbeitsmittel identifiziert. Die Untersuchung zeigt grundsätzlich für steigende Speichertemperaturen sinkende Wirkungsgrade und steigende Leistungen. Weiterhin geht aus der Untersuchung hervor, dass Leistungsabgabe und Wirkungsgrad bei konstanter Speichertemperatur zu einer Pareto-Front führen: bei der eine Leistungsabgabe nahe am Maximalwert zu einer deutlichen Reduktion des Wirkungsgrades führt. In diesem Zusammenhang wird ein Kompromissprozess vorgeschlagen, der beispielsweise für eine Speichertemperatur von 350 K und unter Berücksichtigung typischer isentroper Wirkungsgrade einzelner Komponenten mit dem optimierten hypothetischen Fluid einen Wirkungsgrad von 30 % aufwies. Aus der Fluidauswahl für diesen Prozess resultierte schließlich Ethylamin als bestes Fluid mit einem vorhergesagten Wirkungsgrad von 25,6 %. Im Bereich der bereits ausgelegten Kältemaschinen und Wärmepumpen stehen im Rahmen dieser Arbeit Verfahren zur Identifizierung geeigneter Substitutionsfluide im Zentrum. Auf Grund der aktuellen Gesetzgebung müssen zeitnah Ersatzfluide für zahlreiche konkrete Anlagen mit unterschiedlichen Randbedingungen gefunden werden. Ein theoretisches Modell zur individuellen Fluidauswahl kann hierbei eine entscheidende Hilfe sein. Gegenwärtig ist allerdings nicht klar, mit welchem Detaillierungsgrad eine konkrete Anlage in einem Modell abgebildet werden muss, um eine verlässliche Fluidempfehlung zu erhalten. Zur Erörterung dieser Frage wurden Kreisprozessmodelle unterschiedlicher Komplexität anhand von Messwerten, gewonnen für verschiedene Fluide mit einer Wärmepumpenversuchsanlage, überprüft. Die Modellierungen höherer Komplexität beinhalten hierbei ein eigens entwickeltes Modell zur fluidabhängigen Bestimmung isentroper Wirkungsgrade und Liefergrade des Verdichters. Aus der Untersuchung resultiert grundsätzlich, dass die Berechnung der unterschiedlichen Prozessgrößen an Genauigkeit bezogen auf die Messungen gewinnt, wenn der Detaillierungsgrad der Modellierung gesteigert wird. Allerdings hat sich auch gezeigt, dass vor allem das Modell zur Berechnung isentroper Wirkungsgrade und Liefergrade des Verdichters für eine valide Auswahl von Substitutionsfluiden unerlässlich ist. Aus den Erkenntnissen wurde schließlich ein schrittweises Verfahren zur Auswahl geeigneter Substitutionsfluide entwickelt und vorgeschlagen.

The selection of a suitable working fluid is a decisive factor in the design of thermodynamic cycles, since both the operating behaviour and the efficiency of the processes are significantly influenced by the selected fluids. The extensive field of thermodynamic cycles basically includes established energy conversion processes with a long history, such as vapour compression refrigeration cycles and heat pumps in the low to medium temperature ranges. Furthermore, new processes and applications such as high-temperature heat pumps or pumped heat electricity storages (PHES) are constantly being addressed. The question of suitable and efficient fluids arises not only for these new processes and new applications, but also for the established processes for which, due to the current problem of the high global warming potential of many refrigerants, alternative working fluids must be quickly identified. To date, however, the methods of fluid selection have often been unstructured and were not based on basic thermodynamic understanding, but mostly on the principle of trial and error or on very simple heuristics. Within the scope of this study, methods of fluid selection for two sub-areas of thermodynamic energy conversion processes are discussed which have so far not been adequately addressed. These include existing vapour compression refrigeration cycles and heat pumps, as well as Rankine-cycles-based PHES systems, whereby the starting points differ considerably due to the current state of knowledge. Pumped heat electricity storage is a recently discussed approach to the large-scale storage of electrical energy. One possible configuration of this concept is the combination of two Rankine-cycles (heat pump and organic rankine cycle) with a thermal energy storage system. The current state of knowledge on this technology can, in principle, be described as being in the initial phase. The influence of the fluid, generally applicable working fluids, promising operating conditions and thermodynamic limits of efficiency, are as yet largely unknown. In order to investigate these points, pumped heat electricity storage systems consisting of two Rankine cycles and an ideal isothermal storage system are modelled, whereby the irreversibilities of the processes are gradually increased. The working fluids taken into account are initially hypothetical fluids whose parameters are optimised with regard to the process and specific boundary conditions. During the further course, promising existing working fluids will also be identified. The investigation essentially shows decreasing efficiencies and increasing values of the power output for rising storage temperatures. Furthermore, it is shown that power output and efficiency at constant storage temperatures lead to a Pareto front: power output close to the maximum value leads to a significant reduction in efficiency. In this context, a compromise cycle is proposed which, for example at a storage temperature of 350 K and taking into account typical isentropic efficiencies of individual components, has an efficiency of 30 % when using the optimised hypothetical fluid. The fluid selection for this process resulted in ethylamine as the best fluid with a predicted efficiency of 25.6 %. In the field of specific refrigerating cycles and heat pumps, this investigation focuses on methods for identifying suitable drop-in fluids. Due to current legislation, drop-in fluids must quickly be found for numerous existing systems with different boundary conditions. A theoretical model for individual fluid selection can be a decisive aid here. However, it is currently not clear with what level of detail a specific system must be mapped in a model in order to obtain a reliable fluid recommendation. In discussing this question, process cycle models of varying complexity were examined on the basis of measured values obtained for different fluids with a heat pump test rig. The models of higher complexity includes a specially developed model for the fluid-dependent calculation of isentropic and volumetric efficiencies of the compressor. As a result of the investigation, the calculation of the different process variables gains in accuracy, compared to the measurements, when the detail levels of the modelling is increased. However, it has also been shown that the model for calculating isentropic and volumetric efficiencies of the compressor in particular is indispensable for a valid selection of substitute fluids. Finally, a step-by-step procedure for the selection of suitable substitute fluids has been developed and proposed on the basis of the findings.

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Roskosch, Dennis: Spezielle Methoden der Fluidauswahl und ihre Anwendungsmöglichkeiten am Beispiel von Wärmepumpen und Strom-Wärme-Strom-Speichersystemen. 2018.

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