Untersuchung thermischer Verdrängungsmaschinen in Carnot-Batterien

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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. Verdrängungsmaschinen 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 Verdrängungsmaschinen 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 Verdrängungsmaschinen 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.

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