Zustandsbeschränkte Formoptimierung in Mehrphasen-ORC-Turbinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hagen Müller; Dr.-Ing. Lars Radtke
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562061216

Der Großteil der weltweiten Energieversorgung wird über Strom aus Wärmekraftwerken gedeckt. Allein in Deutschland waren es im Jahr 2019 etwa 60%. Global gehen dabei etwa 52% der Primärenergie in Form von Abwärme verloren, wovon der überwiegende Anteil bei Temperaturen von unter 600 K an die Umgebung abgegeben wird. Eine vielversprechende Technologie, um zumindest Teile dieses immensen Potentials in nutzbare Energie zu überführen, besteht in der Anwendung von Wärmekraftmaschinen, die auf dem Organic-Rankine-Cycle (ORC) basieren. In diesen wird durch die Verwendung alternativer Arbeitsmedien auf organischer Basis eine effiziente Umwandlung von thermischer Energie auf niedrigen Temperaturniveaus möglich. Dies ist nicht nur bei der Nutzbarmachung von Abwärme, sondern ebenso bei der Verbrennung von Biomasse, im Bereich der Geo- oder Solarthermie, aber auch im Mobilitäts-, Haushalts- oder Raumfahrtsektor relevant. Befeuert durch den Klimawandel, stieg das Interesse an ORC-Anlagen zuletzt stark an, was zu einer deutlichen Erhöhung der installierten Leistung, aber auch einer Intensivierung der Entwicklungs- und Forschungsarbeit führte. Ein neuartiger Ansatz, um die Effizienz derzeit verwendeter Anlagen weiter zu steigern, besteht darin, das Arbeitsmedium nicht zu überhitzen, sondern zweiphasig in die Turbine einzuleiten. Durch die Verwendung geeigneter Fluide findet bei dem auch als wet-to-dry bezeichneten Prozess eine vollständige Trocknung im ersten Leitgitter der Turbine statt. Prozessbetrachtungen zeigen, dass hierdurch ein signifikant höherer Anteil der zur Verfügung stehenden thermischen Energie in Arbeit umgesetzt werden kann. Die korrespondierenden Strömungsverhältnisse unterscheiden sich deutlich von denen in konventionellen ORC-Turbinen. Folglich ist eine Änderung der verwendeten Schaufelgeometrie notwendig, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen, was nur durch geeignete numerische Simulationsverfahren effizient möglich ist. Das vorliegende Projekt verfolgt daher das Ziel, ein adjungiertes Formoptimierungsverfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, die vielversprechenden Ergebnisse des wet-to-dry Prozesses automatisiert in konkrete Turbinendesigns zu übersetzen. Das angestrebte Verfahren berücksichtigt dabei die akkurate Modellierung des thermodynamischen Zustands organischer Arbeitsmedien, Nichtgleichgewichtseffekte an den Phasengrenzflächen sowie eine Zustandsbeschränkung, um vollständige trockene Strömung hinter dem ersten Leitgitter zu gewährleisten. Letzteres ist notwendig, um Erosion an den stromabliegenden Rotoren zu vermeiden. Das Verfahren schafft damit die Grundlage, nach dem wet-to-dry Konzept operierende ORC-Turbinen effizient auszulegen und somit den Wirkungsgrad bestehender Anlagen deutlich zu steigern. Weiterhin generieren die erzielten Ergebnisse ein tiefergehendes Verständnis für die derzeit noch unzureichend verstandene Strömung und stellen somit die Basis für weiterführende Projekte dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen