A Model-based Framework for Optimal Systems Integration of Adsorption Chillers

Der weltweite Kühlbedarf nimmt zu und stellt dadurch eine Herausforderung für die Netzstabilität und die Emissionsziele dar. Adsorptionskältemaschinen können dieser Herausforderung begegnen, indem sie Strom durch thermische Energie substituieren. Obwohl Adsorptionskältemaschinen hauptsächlich durch thermische Energie angetrieben werden, zeigen Erfahrungen aus der Praxis, dass die Stromeinsparungen oft kaum ausreichen, um den Bedarf der Peripherie, z.B. Pumpen und Lüfter, zu kompensieren. Daher ist eine intelligente Systemintegration entscheidend. Die Systemintegration ist anspruchsvoll, da folgende Aspekte zusammenkommen: (1) intrinsische Dynamik; (2) enge Interaktion zwischen den Systemkomponenten; und (3) starker Einfluss der Auslegung, Steuerung und Betriebsbedingungen. Diese Aspekte führen zu einer Vielzahl an Freiheitsgraden, die eine einfache Auslegung und Steuerung erschweren.
Um die genannten Herausforderungen anzugehen, stellt diese Arbeit Modelle und Methoden zur optimalen Systemintegration von Adsorptionskältemaschinen bereit.
Zunächst wird ein Modell entwickelt, das genau genug ist, um relevante Eigenschaften auf Systemebene abzubilden, aber gleichzeitig numerisch effizient genug ist für modellgestützte Optimierungen. Die Modellgüte wird durch eine Kalibrierung und Validierung für zwei verschiedene Adsorptionskältemaschinen demonstriert, eine Ein-Bett Anlage im Labormaßstab und eine kommerzielle Zwei-Bett Anlage.
Anschließend wird das Modell für zwei Bereiche der Systemintegration verwendet: die Integration in Hybridsysteme und die Integration innerhalb der Peripherie. Als Beispiel für die Integration in Hybridsysteme wird eine Adsorptionskältemaschine in einen CO2-Kompressionskaltekreislauf integriert, um effizient Kälte mit natürlichen Kältemitteln bereitzustellen. Für das Hybridsystem wird ein hohes Energieeinsparungspotenzial identifiziert, das durch eine optimale Auslegung und Steuerung voll ausgeschöpft werden kann. Die demonstrierte Integration in Hybridsysteme dient gleichzeitig als Beispiel für eine konzeptionelle Integration, die das Potenzial einer bestimmten Anwendung quantifiziert.
Für die Integration innerhalb der Peripherie, wird eine optimierungsbasierte Methode vorgestellt zur detaillierten Dimensionierung und Steuerung aller Systemkomponenten inklusive der Peripherie. Die vorgestellte Methode wird exemplarisch für ein solarthermisch angetriebenes Adsorptionskältesystem demonstriert und liefert jeweils eine energetisch und eine wirtschaftlich optimale Auslegung und Steuerung. Zusammenfassend stellt die Arbeit einen umfassenden Ansatz für die optimale Systemintegration von Adsorptionskältemaschinen bereit: von der Modellvalidierung über die konzeptionelle Integration bis hin zur detaillierten Auslegung und Steuerung.