Simulation von Stoffgemischen als Arbeitsmedien in superkritischen Kreisprozessen

Abstract

Wärmekraftprozesse auf Basis von superkritischem Kohlendioxid (sCO2) erlauben im Vergleich zu herkömmlichen Dampfkraftprozessen höhere Prozesswirkungsgrade. Als herausfordernd, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, erweist sich jedoch die Kondensation des Kohlendioxids als Teil des Kreisprozesses. Ein im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes SCARABEUS verfolgter Lösungsansatz für die Verwirklichung von kondensierenden sCO2-Wärmekraftprozessen für die solarthermische Energiegewinnung besteht darin, durch Zugabe von Additiven den kritischen Punkt des Arbeitsmediums zu verschieben und auf diese Art eine Kondensation auch bei höheren Temperaturen zu erlauben.In diesem Sinne werden in der vorliegenden Diplomarbeit im Speziellen die Auswirkungen des Additivs Hexafluorbenzol (C6F6) auf einen rekuperierten transkritischen Rankine-Kreisprozess untersucht. Dazu werden mithilfe der Simulationssoftware Aspen Plus® Stoffwertberechnungen angestellt sowie in weiterer Folge Kreisprozesse mit variierenden Additivkonzentrationen modelliert. Es kann schließlich ein positiver Einfluss der Additivzugabe auf den Prozesswirkungsgrad gezeigt werden und für konkrete Prozessannahmeneine optimale Konzentration an Hexafluorbenzol bestimmt werden. Weiterswerden wesentliche die Prozesseffizienz beeinflussende Faktoren identifiziert.

Power cycles based on supercritical carbon dioxide (sCO2) allow higher process efficienciescompared to conventional steam power cycles. However, the condensation of carbon dioxide as part of the cycle proves to be challenging, especially at high ambient temperatures. A potential approach to the realization of condensing sCO2 power cycles for solar thermal energy generation, as pursued in the European research project SCARABEUS, is to shift the critical point of the working fluid by the admixture of additives and thus allowing condensation also at higher temperatures. In this sense, the present thesis specifically investigates the effects of the additivehexafluorobenzene (C6F6) on a recuperated transcritical Rankine cycle. For this purpose,material properties are calculated using the simulation software Aspen Plus® and subsequently cycles with varying additive concentrations are modeled. Ultimately, a positive influence of the additive admixture on the process efficiency can be shown andan optimum concentration of hexafluorobenzene can be determined for specific process conditions. Additionally, major factors influencing the process efficiency are identified.