Analyse und Optimierung eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems unter Berücksichtigung von alternativen Energien und verschiedenen Kreisprozessen

Habka, Muhsen GND

Die Geothermie sowie die Solarthermie stellen sehr große technische Potenziale zur Energiegewinnung zur Verfügung. Die derzeit zwei verfügbaren Umwandlungsverfahren dieser niedertemperierten Wärme mit Sekundärkreislauf sind der Organic Rankine Cycle (ORC) und das Kalina-Cycle-System (KCS). Für geringe Quellentemperaturen bis 120 °C wird der ORC ohne und mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) analysiert sowie weiter optimiert und mit der Ausführung von Kalina Cycle KCS 34 gewichtet. Für die geothermische Stromerzeugung erzielen zeotrope Fluidgemische mit ziemlich geringen kritischen Temperaturen, im subkritischen Bereich des ORC, Leistungssteigerungen sowie Optimierungen nach dem zweiten Hauptsatz bis 30 %, verglichen mit den Reinfluiden. Dies richtet sich jedoch nach der Geothermalwassertemperatur; d.h.: Jeder Temperatur ist einem sachgemäßen zeotropen Gemisch zugeordnet. Dabei sind Eigenschaften von Gemischen wie z.B. R422A und R402A für die Geothermalwassertemperatur 100 °C, R22M und R438A für 120 °C supergeeignet. Für die KWK werden Hybridmodelle entworfen, in denen verschiedene Kopplungsvarianten sowie Prozessführungen, wie Verwendung von zwei Vorwärmern, zwei Verdampfungsaggregaten oder die Basisführung, stehen. Verglichen mit dem bekannten Serien- und Parallelmodell haben all diese Systemführungen geringere Sensitivität zu Auslegungs- und Betriebsparametern des Heizsystems sowie zu den Fluidklassen, zusammen mit optimierter Leistungserzeugung. Der Cash-Flow als Maßstab der Wirtschaftlichkeit folgt dem thermodynamischen Zielfaktor und bestätigt die Überkompensation des Mehraufwands der optimierten Anlagen. Im Vergleich des ORC und KCS 34 für die Geothermalwassertemperaturen bis 120 °C zeigt sich der ORC mit den Fluidgemischen überlegen. Dagegen liefert KCS 34 bei Limitierung der Geothermalwasserauskühlung Mehrleistung. Für die KWK beweisen sich die Hybridmodelle des ORC als hervorragende Kreisläufe. Für Reservoire mit höheren Temperaturen als 120 °C ist das Serienmodell mit KCS 34 vorteilhafter. In der solarthermischen Betrachtung scheint die kaskadierte Methode der Wärmekopplung mit dem ORC und Flachkollektor zusammen mit Verwendung der zeotropen Gemische zur Optimierung des Teillastverhaltens und Verringerung der Systemsensitivität vielversprechend, verglichen mit der klassischen Wärmekopplung mit dem ORC-Kondensator und Reinarbeitsmitteln.

Geothermal and solar thermal energy provide huge technical potential for energy generation. For converting this low-temperature heat with secondary circuit, Organic Rankine Cycle (ORC) and Kalina Cycle System (KCS) are the currently available two conversion processes. For low heat source temperatures up to 120 °C, the ORC will be analyzed and further optimized with and without combined heat and power (CHP) and then compared with KCS 34. For geothermal power generation, the zeotropic fluid mixtures with low critical temperatures increase the power generation in the subcritical range of the ORC process and achieve optimizations of the second law efficiency up to 30 %, compared to pure fluids. However, this depends on the geothermal water temperature; this means, each temperature is associated with a proper zeotropic mixture. Thereby, properties of working fluids e.g. R422A and R402A are suitable for the geothermal water temperature 100 °C, R22M and R438A for 120 °C. For combined heat and power, hybrid models are being developed, in which various coupling variants as well as process design are considered, such as use of two preheaters, two evaporation units or even the basic process. Compared with the known series and parallel model, all these systems have lower sensitivity to the design and operating parameters of the heating system and also to the fluid classes along with optimized power generation. The Cash-Flow as economic factor will follow the thermodynamic target factor and confirms the overcompensation of the increased expenditure of optimized plants. Comparison of the ORC with KCS 34 for the geothermal water temperatures up to 120 °C shows that the ORC is superior with the fluid mixtures. In contrast, KCS 34 provides more net power when limiting geothermal water cooling. With the option of combined heat and power, the optimized models of the ORC prove to be excellent circuits. For reservoirs with higher temperatures than 120 °C, the series model with KCS 34 will be more advantageous. For the solar thermal consideration, a cascaded method of heat coupling with the ORC process and flat collector together with using zeotropic mixtures is being assumed. It seems highly promising for optimizing the partial load performance and reducing the system sensitivity, compared to the classical heat coupling with the ORC-condenser and pure working fluids.

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Habka, M., 2019. Analyse und Optimierung eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems unter Berücksichtigung von alternativen Energien und verschiedenen Kreisprozessen. Ilmenau.
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