Rendementsoptimalisatie CO2-koeling

Probleemstelling
Het departement Wetenschap & Techniek van de AP Hogeschool beschikt over een transkritische CO2-koel- en vriesinstallatie, die de onttrokken warmte maximaal kan recupereren (warmtepompfunctie). Afhankelijk van de gevraagde vermogens en temperaturen voor het koelen, vriezen en verwarmen, kunnen de werkingscondities van de installatie aangepast worden om een optimaal energieverbruik te bekomen. 

Uit een intern onderzoek is gebleken dat de behaalde rendementen van de CO2-installatie lager liggen dan de rendementen gehaald door gelijkaardige installaties met een ander koelmiddel. Bovendien is een installatie op CO2, ten gevolge van de hoge drukken, over het algemeen ook duurder dan andere gelijkaardige installaties.

Om deze 2 nadelen enigszins tegemoet te komen zou een rendementsverhoging van de CO2-installatie (zodat deze beter of gelijkaardig wordt aan andere installaties) de meerkost van de CO2-installatie kunnen verantwoorden. De CO2-installatie heeft immers op milieutechnisch vlak ook een aantal voordelen. Algemeen zal door een rendementsverhoging de CO2-installatie concurrentiëler kunnen worden ten opzichte van de andere gelijkaardige installaties.

Om deze rendementsoptimalisatie te bewerkstelligen gaan we gebruik maken van het initiële nadeel dat de installatie werkt op hoge drukken (120 bar versus 30 bar bij andere installaties). We zullen immers deze hoge drukken (potentiële energie) gebruiken om deze om te zetten in elektriciteit door gebruik te maken van een expander (turbine) met generator. Deze opzet is vergelijkbaar met de productie van elektriciteit op grote schaal via een elektriciteitscentrale.  

In de bestaande installatie wordt de drukverlaging gerealiseerd via de “throttle valve” (drukverlagingsventiel) en gaat de drukenergie verloren. De bedoeling is om parallel aan dit drukverlagingsventiel een turbine te plaatsen waardoor beide situaties onderling vergeleken kunnen worden. Door gebruik te maken van de turbine wordt de drukenergie gerecupereerd en stijgt het totale rendement van de installatie.

Onderzoeksvragen
Tijdens dit onderzoek trachten we een antwoord te bieden op de volgende vragen:

1. In welke mate is de opwekking van elektriciteit uit een CO2-installatie via een expander mogelijk (= haalbaarheidsonderzoek)? 
2. Welke rendementsverbetering is realiseerbaar door het toepassen van een expander in functie van de parameters?

Methode
In grote lijnen bestaat het onderzoek uit 4 grote blokken: 

1. Literatuurstudie (theoretische bepaling van de rendementswinst), marktonderzoek naar leveranciers van expanders, opstellen testplan (druk, temperatuur, massadebiet, energiestromen,  evaluatie van de implementatiemogelijkheden, enz.).
2. Implementatie van de expander op de CO2-installatie. 
3. Uitvoeren van de testen volgens het testplan.
4. Het verwerken van de resultaten. Bepalen van de hoogste rendementswinst van de installatie bij nominaal bedrijf en bij afwijking (= ideale transkritische druk).