OPLEIDING
Install Magazine 1000 – oktober 2024
Transkritische warmtepompcycli voor industriële toepassingen
Gents onderzoek brengt mogelijke werkfluïda in kaart
De decarbonisatie van industriële warmte blijft een belangrijke uitdaging voor de energietransitie. Indien men fossiele brandstoffen zou vervangen door warmtepompen, zou dat een aanzienlijke uitstootvermindering betekenen, zelfs met de huidige energiemix. Daarom wordt er volop onderzoek gedaan naar warmtepompcycli voor afgiftetemperaturen tot 200°C. Dit temperatuurniveau vertegenwoordigt immers ongeveer een kwart van de vraag naar proceswarmte in Europa. Transkritische systemen hebben hier een groot potentieel. Een team onderzoekers aan de UGent ontwikkelde een optimalisatiemodel dat toelaat om werkfluïda te selecteren voor transkritische warmtepompcycli voor verschillende industriële processen op hoge temperaturen.
Het potentieel van transkritische systemen
In een gangbare subkritische cyclus wordt het grootste deel van de energie geleverd aan de condenstemperatuur van het werkfluïdum. Transkritische cycli hebben daarentegen een meer geleidelijk temperatuurverloop in de gaskoeler. Dat sluit beter aan bij de noden van industriële toepassingen, waar dikwijls een groot temperatuurverschil gevraagd is. De meeste huidige transkritische systemen werken op CO2. Dat heeft echter een temperatuurbereik dat minder geschikt is voor industriële toepassingen. De afgiftetemperatuur blijkt namelijk beperkt tot ongeveer 120°C. Diverse experimenten hebben echter aangetoond dat er met andere werkfluïda hogere temperaturen kunnen gehaald worden.
Rekenmodel met optimalisatie
Om het potentieel van diverse werkfluïda in te schatten, heeft een team onderzoekers van de UGent rond Elias Vieren een rekenmodel met optimalisatiefunctie ontwikkeld. Het kan de prestaties van verschillende stoffen vergelijken voor drie veelvoorkomende industriële toepassingen: opwarmen van thermische olie, drogen met oververhitte stoom, en sproeidrogen. Het temperatuurverschil aan de afgiftezijde is respectievelijk 60 K, 81 K en 105 K. Het model werd toegepast op de fluïda in de REFPROP 10.0 database, waarbij de optimalisatiefunctie de werkingsparameters aanpaste (binnen de grenzen van de toepassing in kwestie) om een zo hoog mogelijke COP te behalen.
Hieruit blijkt dat een temperatuurverschil van minimum 60 K vereist is om tot een betere COP te komen met een transkritische werking tegenover een subkritisch systeem. Het effect is meer uitgesproken naarmate het temperatuurverschil stijgt: bij 81 K verbetert de COP door transkritische werking met 4,6% en bij 105 K bedraagt de stijging 7,3%. Een nadeel is wel dat hiervoor compressoren nodig zijn die bestand zijn tegen zeer hoge drukken. Dergelijke toestellen zijn vooralsnog niet beschikbaar.
Mogelijke oplossingen
Voor de opwarming van thermische olie bleek een traditionele subkritische cyclus met aceton, benzeen of ethanol een licht hogere COP (3,34) te hebben dan de best presterende middelen met een transkritische cyclus (3,30). Transkritisch haalden cyclobuteen, R1336mzz(Z) en R1223zd(E) de beste resultaten. Bij drogen met oververhitte stoom is het temperatuurverschil groter, namelijk 81 K. In dat geval presteerden de transkritische cycli beter dan de subkritische (COP van 4,32 tegenover 4,13). De best scorende middelen zijn de HFO’s R1336mzz(Z), R1234ze(Z) en R1223zd(E). In de derde toepassing, namelijk sproeidrogen, was het temperatuurverschil nog hoger, en werd dus het voordeel van transkritische werking meer uitgesproken (COP van 4,25 tegenover 3,96). De beste resultaten werden opnieuw gehaald met R1336mzz(Z), R1223zd(E) en isopentaan.
Deze analyse is puur gebaseerd op thermodynamisch gedrag. Bij een eventuele praktische toepassing spelen er nog andere aspecten mee, zoals brandbaarheid. De best scorende middelen in transkritische werking zijn echter HFO’s, die moeilijk ontvlambaar zijn. Gebruik in een industriële omgeving zou dus geen onoverkomelijke moeilijkheden qua beveiliging moeten stellen. Bij de natuurlijke middelen zijn er enkele die zeer licht ontvlambaar zijn, wat bijkomende veiligheidsrisico’s met zich meebrengt.
De studie verscheen in het tijdschrift Applied Thermal Engineering, en de volledige versie is hier te raadplegen
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431123012267?via%3Dihub
Door Alex Baumans
