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Untersuchung thermischer Verdängungsmaschinen in Carnot-Batterien

Helbach, Bianca Florentine (2021) Untersuchung thermischer Verdängungsmaschinen in Carnot-Batterien. Bachelor's, RWTH Aachen.

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Abstract

Carnot-Batterien sind Energiespeicher und können eingesetzt werden, um die Verfügbarkeit von Strom aus erneuerbaren Energiequellen an die Nachfrage auf dem Energiemarkt anzupassen. Elektrizität wird hierzu mittels Wärmepumpen als thermische Energie gespeichert und über einen Wärme-Kraft-Prozess wieder bereitgestellt. Die in den Kreisprozessen der Carnot-Batterie eingesetzten thermischen Fluidenergiemaschinen werden in dieser Arbeit genauer betrachtet. Verdängungsmaschinen weisen gegenüber Strömungsmaschinen Vorteile durch ihre guten Teillastwirkungsgrade und der Möglichkeit des Betriebs derselben Maschine als Verdichter und Expander auf. Herausfordernd für den Einsatz in Carnot-Batterien ist, dass die Optimalbereiche von Verdängungsmaschinen bei geringeren Leistungen als die der Strömungsmaschinen liegen. Dies kann durch einen modularen Aufbau der Carnot-Batteries gelöst werden. Aus zeitweise Stillsetzung einzelner Module je nach Leistungsbedarf folgt eine Carnot-Batterie mit großem Leistungsspektrum bei guten Wirkungsgraden. Ein weiterer Nachteil gegenüber Strömungsmaschinen ist der erhöhte irreversible Wärmeübergang zwischen Arbeitsfluid und Wand in Verdrängungsmaschinen. Es werden verschiedene Bauarten der Verdängungsmaschinen für den Einsatz in einer 2 MW Rankine Carnot-Batterie mit 500°C als Heißspeichertemperatur verglichen. Eine Hubkolbenmaschine wird für die Rankine Carnot-Batterie ausgewählt. Gestalterische Maßnahmen werden zu Abschwächung der nachteiligen Eigentschaften vorgeschlagen und die Haupteinflussfaktoren auf den Wirkungsgrad werden untersucht. Zur Betrachtung der Druckverluste über Ventile, Undichtigkeitsverluste und der Wärmeübertragung zwischen Arbeitsfluid und Maschinenwänden wird ein nulldimensionales Simulationsmodell der Hubkolbenmaschine im Verdichterbetrieb entwickelt und validiert. Die Wärmeübergangsverluste haben bei geringen Drehzahlen den größten Einfluss auf den isentropen Wirkungsgrad und können durch höhere Drehzahlen oder Variation der Zylindergeometrie und Druckverhältnisse verringert werden. Die Undichtigkeitsverluste verlieren mit steigender Drehzahl ebenfalls an Bedeutung, wohingegen Druckverluste durch die resultierende höhere Kolbengeschwindigkeit zunehmen. Anhand einer Drehzahlregelung wurde eine geringe Abnahme des isentropen Verdichterwirkungsgrades für den Teillastbetrieb gezeigt und Verdrängungsmaschinen insgesamt als vielversprechend für den Einsatz in Carnot-Batterien eingestuft.

Item URL in elib:https://elib.dlr.de/140887/
Document Type:Thesis (Bachelor's)
Title:Untersuchung thermischer Verdängungsmaschinen in Carnot-Batterien
Authors:
AuthorsInstitution or Email of AuthorsAuthor's ORCID iD
Helbach, Bianca Florentinebianca.helbach (at) dlr.deUNSPECIFIED
Date:25 January 2021
Refereed publication:No
Open Access:Yes
Gold Open Access:No
In SCOPUS:No
In ISI Web of Science:No
Number of Pages:80
Status:Published
Keywords:Verdängungsmaschine Hubkolbenmaschine Arbeitsmaschine Carnot-Batterie Wärmespeicherkraftwerk PTES
Institution:RWTH Aachen
Department:DLR - Institut für Solarforschung, Lehrstuhl für Solare Komponenten
HGF - Research field:Energy
HGF - Program:Materials and Technologies for the Energy Transition
HGF - Program Themes:High-Temperature Thermal Technologies
DLR - Research area:Energy
DLR - Program:E SW - Solar and Wind Energy
DLR - Research theme (Project):E - Smart Operation
Location: Jülich
Institutes and Institutions:Institute of Solar Research > Solar Power Plant Technology
Deposited By: Bernehed, Aiko
Deposited On:23 Feb 2021 12:47
Last Modified:23 Feb 2021 12:47

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  • Untersuchung thermischer Verdängungsmaschinen in Carnot-Batterien. (deposited 23 Feb 2021 12:47) [Currently Displayed]

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