O projektu

Projekt Optimised expanders for small-scale distributed energy systems (Dexpand) získal grant 1 430 000 EUR z Islandu, Lichtenštejnska a Norska z Fondů EHP a Technologické agentury ČR v rámci Programu KAPPA. Cílem projektu je navrhnout, otestovat a analyzovat potenciál a proveditelnost perspektivních expandérů pro organické Rankinovy ​​cykly (ORC) na bázi impulsních turbínových strojů a lamelových expandérů v rozsahu výkonu 1-50 kW.

Projekt je společným výzkumným projektem mezi ČVUT v Praze, NTNU Trondheim, SINTEF Energi AS a společností GT-Progress s.r.o. s trváním mezi 10/2020 a 04/2024.

Naše motto je: Working together for a green and competitive Europe.

Cíle projektu

Efektivní, spolehlivé a cenově efektivní expandéry jsou klíčové komponenty pro mnoho distribuovaných energetických systémů, jako jsou organické Rankinovy ​​cykly (ORC), ale i jiné termodynamické cykly pro využití odpadního tepla (WHR), výrobu energie spalováním biomasy nebo nízkoteplotní geotermální zdroje založené na hlubokých energetických vrtech. Expandéry pro malé systémy (elektrický výkon 1–50 kW) buď nejsou na trhu, jsou příliš drahé nebo neposkytují uspokojivý výkon. Většina z možných zdrojů energie proto není využívána. Nákladově efektivní expandéry by mohly umožnit významný trh pro tyto typy distribuovaných energetických systémů a nabídnout velký potenciál pro celkové úspory CO2. Tento projekt se zaměřuje na vývoj a testování cenově efektivních expandérů pro výrobu energie v distribuovaných energetických systémech, sběr a vyhodnocení dat expandérů a na mapování technologií v rozsahu výkonu 1–50 kW na základě nákladů, proveditelnosti aplikace a výkonu.

Klíčovým prvkem projektu bude zpřístupnění experimentálních a základních geometrických dat pro průmysl a výzkumnou komunitu, protože v současné době existuje velký nedostatek otevřených dat v oblasti těchto expandérů. To platí zejména pro údaje o výkonu mimo návrhové podmínky, které budou rovněž zveřejněny.

Budou prozkoumány tři cílové aplikace, všechny dopněné připojenými analýzami trhu:

  1. Využití odpadního tepla z průmyslu.
  2. Mikrokogenerace na bázi biomasy.
  3. Nízkoteplotní geotermální systémy ORC využívající hlubinné vrty.

Projekt bude založen na matematickém modelování, optimalizaci designu expandérů a experimentálním testování vývoje expandérů. Pro uvažované aplikace bude důležitou aktivitou komplexní mapování několika zajímavých technologií, přičemž se budeme učit ze specifických odborných znalostí všech výzkumných partnerů. Tento projekt nebude sám mezi projekty modelování, designu a experimentálního testování expandérů, ale je jedinečný zaměřením a kombinací několika perspektivních technologií a přístupů. Tyto jsou:

  • Lamelový expandér jako volumetrický expandér pro nejmenší aplikace.
  • Impulzní nebo reakční jednostupňové axiální nebo radiální turbíny s možným částečným ostřikem jako metoda docílení přijatelných otáček. Bude implementována i proměnná rychlost pro provoz mimo návrh.
  • Nové koncepty impulsních turbín jako radiální Curtisův typ s jedním kolem, historicky známý jako Elektra turbína a vícestupňová impulsní turbína s radiálním výstupem, obojí s perspektivou velmi vysokého tlakového poměru, nízké rychlosti otáčení a nízkých nákladů.
  • Zkoumání potenciálu technologií aditivní výroby pro expandéry.
  • Mapování expandérů z hlediska nákladů, proveditelnosti aplikace a výkonu. Mapování bude také zahrnovat další technologie expandérů, jako jsou radiální impulzní turbíny, založené na výsledcích předchozích projektů.
  • Metodika úprav procesu návrhu expandéru na základě experimentálních dat prostřednictvím modelování, simulace a optimalizace systému. To umožní překlenout propast mezi vývojem technologie a návrhem procesu, aby bylo možné identifikovat návrhy expandérů schopné maximalizovat účinnost a flexibilitu systému pro danou aplikaci.

Konkrétně budou vyrobeny a otestovány tři expandéry s rozsahem jmenovitého výkonu 1–50 kW: jeden rotační lopatkový expandér, jeden turboexpandér pro hexamethyldisiloxan (MM) jako pracovní kapalinu a jeden turboexpandér pro přírodní pracovní látku isobutan (R600a). Alespoň jeden z expandérů bude používat aditivní výrobní metody.

Získané soubory dat a návrhy expandérů, které by měly být zpřístupněny veřejnosti prostřednictvím publikací s otevřeným přístupem a úložiště otevřených dat, umožní výzkumným pracovníkům a společnostem ověřit jejich modely expandérů a matematické kódy.

Podstata a harmonogram návrhu projektu

Postup prací bude strukturován do několika pracovních balíčků. Časový harmonogram ve stručnosti sleduje pořadí pracovních balíčků a je vidět na grafice znázorňující WP / úkoly a jejich spojení. Tyto jsou:

  • WP 1 Modelování a simulace systému
  • WP 2 Modelování, návrh a optimalizace expandéru
  • WP 3 Mechanický design, výroba expandérů
  • WP 4 Experimentální ověření
  • WP 5 Hodnocení a doporučení

 

Aplikovatelnost výstupů a výsledků v praxi, výhody z projektu

Efektivní, spolehlivé a nákladově efektivní expandéry jsou klíčovou aktivační složkou mnoha distribuovaných energetických systémů, jako jsou organické Rankinovy ​​cykly (ORC) a další termodynamické cykly pro zpětné získávání odpadního tepla, výrobu energie spalované biomasou nebo nízkoteplotní geotermální zdroje. Současné expandéry pro malé systémy (1–50 kW) nejsou na trhu vůbec, nebo jsou příliš drahé a neposkytují uspokojivý výkon. Většina z možných zdrojů energie proto není využívána. Efektivní expandér by mohl umožnit významný trh pro tyto systémy a nabídnout velký potenciál pro snížení emisí CO2.

Prostřednictvím kombinace mladých i vyšších vedoucích výzkumných pracovníků z předních univerzit v příslušných zemích a výzkumného ústavu se zkušenostmi ve zkoumaném oboru, jakož i kombinací s vysoce aplikovanou průmyslovou společností s mnoha zkušenostmi v oblasti energetického inženýrství, úrovní, bude kvalita výsledků na vysoké úrovni a bude zajištěna jejich aplikovatelnost.

Výsledky výzkumu poslouží k obecnému zvýšení TRL mikroexpandů pro distribuované aplikace, včetně informací o vhodnosti pro různé aplikace (prostřednictvím mapování parametrů). Základní návrhová data o expandérech by měl být zpřístupněn veřejnosti prostřednictvím publikací s otevřeným přístupem a otevřeného úložiště dat. Publikovaná data a nálezy také pomohou dalším výzkumným pracovníkům a společnostem ověřit jejich modely a kódy a podpořit jejich vývoj. Funkční vzorky expandéru mohou sloužit jako základ pro další komerční produkty.

Očekávaným přínosem je také užší spolupráce a akademická výměna, vedoucí zejména ke zlepšení úrovně výzkumu a vývoje v České republice a užší spolupráci v budoucnu na výzkumných a aplikovaných projektech.