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Elektrische Auskopplung aus einer Expansionsturbine

BMWi - INNO-KOM

12/2019-05/2022

H. Leupolt

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Kostengünstige Umwandlung kleiner elektrischer Leistungen

Bedingt durch die F-Gasverordnung gibt es aktuell bei den Kälteanlagen in Europa einen Wechsel hin zu natürlichen Kältemitteln. CO₂ bietet auf Grund seiner Stoffeigenschaften gute Voraussetzungen, um die bei der Expansion im Kältekreis anfallende Energie zu nutzen. Alternativ zum Ejektor können Expansionsmaschinen zur Nutzung dieser Energie eingesetzt werden. Im Rahmen des Vorlaufforschungsprojektes VF160025 „Reduzierung der Expansionsverluste von Kälteanlagen“ wurden die Potentiale einer solchen Expansionsmaschine untersucht. In diesem Projekt soll die elektrische Verfahrensauskopplung als Teil des Projektclusters zur Nutzung der Energie der Turbine mittels Generator als elektrischer Strom detailliert untersucht werden. Diese Lösung bietet die herausragenden Vorteile, dass die Kombination aus Turbine und Generator in halbhermetischer Bauweise mit technisch-dichter Elektroschnittstelle erfolgen kann und der restliche Kältekreis und dessen Prozessführung kaum bis gar nicht beeinflusst werden.

Projektziel

Die im Steuerungsverfahren anfallende Bremsleistung soll unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte effektiv zur Steigerung der Leistungszahl der Kälteanlage genutzt werden. Dabei sollen folgende Aspekte untersucht werden:

Ermitteln einer zuverlässigen und kostengünstigen Regelung des Generators
Vermessen der dynamischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Drehzahl unter den gegebene Randbedingungen insbesondere CO₂ Atmosphäre
Hermetisierung der Expansionsturbine mit technisch-dichter Elektroschnittstelle
Universelle Nutzung des ausgekoppelten Leistungsanteils

Lösungsansatz und Entwicklungsschritte

Innerhalb dieses Projektes wird ein elektrisches Auskopplungsverfahren entwickelt, das den Betrieb der Expansionsturbine für allgemeine Kälteanwendungen (Fokus Supermarktkälte) mit folgenden Vorzügen ermöglicht:

unabhängige Betriebsführung von Expander und Verdichter ohne mechanische Welle
variabler Drehzahlbereich vom Expander synchron zum Kühllastprofil
halbhermetische Bauweise für Expander und Verdichter
kältekreisunabhängige Nutzung der Leistungsauskopplung durch folgende Alternativen:
- kreisinterner elektrischer Zusatzverdichterantrieb
- universelle Netzrückspeisekopplung
- variabler, kostenreduzierter Bremswiderstandsbetrieb

Ergebnisse des Projektes

Im Ergebnis soll mit dem Zusatzverfahren zur elektrischen Leistungsauskopplung der Einsatz von CO₂-Expansionsturbinen in allgemeinen Kälte- oder auch Wärmepumpenanwendungen ermöglicht werden.

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