Hoe kan de Tarnoc turbineketel een COP van 2 halen?

[InHogereSferen]

De Tarnoc turbine ketel perst buitenlucht samen, haalt hier de warmte uit en laat de gecomprimeerde lucht weer expanderen waarbij het langs een turbine gaat die op dezelfde as zit als waar de compressor op zit. Op deze manier wordt energie terug gewonnen. De lucht verlaat de ketel dus koeler dan dat het erin gaat.

Link: https://tarnoc.nl/

Ik probeer te begrijpen hoe je op deze manier een COP van meer dan 1 kan halen.
Ik snap wel dat wanneer de lucht die de ketel uit gaat koeler is dan de lucht die de ketel in gaat je in principe dus warmte uit de lucht hebt gehaald, maar voor mij gevoel heb je dit er allemaal elektrisch ingestopt?

Dit is hoe ik het voor me zie, ik gebruik verzonnen getallen om het rekenen makkelijk te maken:
Je drijft een compressor aan met 10kW.
50% van deze energie gaat in gecomprimeerde lucht zitten en 50% van de energie in opwarming van de lucht.
Je hebt dus 5kW aan bruikbare warmte voor verwarming, met de andere energie die in de gecomprimeerde lucht opgeslagen zit drijf je een turbine aan waardoor in het ideale geval je de volledige 5kW aan vermogen weer hebt om de compressor aan te drijven. In het ideale geval dus COP1?

De lucht gaat koeler naar buiten dan dat het binnen komt, maar de energie die hiervoor nodig was is toch minimaal het elektrisch vermogen?

Waar zit de 'winst'?

[HansH]

wat er gebeurt is dat je de lucht eerst samenperst. daarma lever je energie tbv het samenpersen. maar daardoor is de samengeperste lucht warmer geworden en dus warmer dan de buitenlucht. dus kan er daarna warmte onttrokken worden terwijl de gecomprimerde toestand gehandhaafd blijft. vervolgens laat je de dan weer afgekoelde lucht expanderen en energie leveren aan de turbine die de compressor voor de volgende cyclus aan kan drijven. die lucht levert dan de energie om zichzelf een groter volume te geven en die energie wordt aan die lucht onttrokken en koelt dus af. maar die afgekoelde lucht ga je niet meer opwarmen maar voer je af.
resultaat is dus dat je energie hebt onttrokken aan de lucht die je zonder compimeren niet had kunnen onttrekken. dus heb je netto energie uit de lucht verplaatst naar je huis. en alle energie die nodig is voor comprimeren en expanderen komt ook nog eens als warmte in je huis terecht. dus samen meer energie dan zonder compressie-decompressie.

[Xilvo]

Ik probeer te begrijpen hoe je op deze manier een COP van meer dan 1 kan halen.
Ik snap wel dat wanneer de lucht die de ketel uit gaat koeler is dan de lucht die de ketel in gaat je in principe dus warmte uit de lucht hebt gehaald, maar voor mij gevoel heb je dit er allemaal elektrisch ingestopt?

Ik heb de exacte werking nog niet bestudeerd. Maar als de naar buiten teruggeleverde lucht koeler is dan de lucht die wordt aangezogen, dan werkt het als een warmtepomp. Een deel van de energie komt uit de thermische energie van de buitenlucht.
Dan is, zoals bij elke andere warmtepomp, een COP van groter dan 1 haalbaar.

[InHogereSferen]

Het werkt inderdaad als een warmtepomp, en de werking van een warmtepomp met koudemiddel snap ik. Tijdens het verdampen van het koudemiddel wordt er meer energie uit de lucht ontrokken als dat er nodig is voor het compresseren van het koudemiddel.

Maar deze warmtepomp begrijp ik nog steeds niet.

Stel compressor 10kW, 5kW aan warmte, de overige 5kW wordt teruggewonnen door het aandrijven van de turbine.
Dan is er dus 5kW aan elektrische energie nodig om 5kW aan warmte te genereren.

Tijdens het comprimeren gaat de luchttemperatuur bijvoorbeeld van 0C naar 80C. Je haalt hier 60C uit, want je koelt het af tot 20C.
Tijdens het expanderen koelt de lucht neem ik aan niet verder af dan -40C. Dus die 60C die je uit de lucht hebt gehaald, daar was toch gewoon elektrische energie voor nodig?

Of.......
Is het dan zo dat de warmte welke ontstaat tijdens het comprimeren van lucht, meer warmte bevat dan wanneer je deze met een warmte element zou verwarmen?

[InHogereSferen]

Laat ik het zeggen:
Stel ik comprimeer lucht van 20C en het wordt na comprimeren 80C. Ik laat geen warmte uitwisselen naar de omgeving en ik laat het direct expanderen. Dan wordt de lucht tot gewoon weer terug ~20C?
Dan was er toch gewoon een x hoeveelheid energie nodig om deze lucht 60C op te warmen?
En als ik deze 60C wel uitwissel met de omgeving en de lucht koelt tijdens het expanderen dus af naar ~-40C, dan was er toch nog steeds een x hoeveelheid elektrische energie nodig om deze 60C uit de lucht te halen, ondanks dat ik deze warmte nu uit de lucht heb kunnen halen? Dus eigenlijk met een omweg uit het elektriciteit?

[HansH]

Dus die 60C die je uit de lucht hebt gehaald, daar was toch gewoon elektrische energie voor nodig?

daar is inderdaad energie voor nodig, maar het essentiele punt is dat je die energie die je erin stop om energie uit de lucht te halen niet kwijt raakt. dus die energie komt samen met de energie die je uit de lucht haalt als warmte in je huis. dus bv Stel compressor 10kW, zorgt voor het verpompen van 10kW warmte uit de buitenlucht. die 0kw van de compressor wordt ook allemaal warmte, maar samen dus 20KW terwijl je er maar 10kW instopt aan elektrische energie en 10kW warmte vanuit de buitenlucht verplaatst.

[HansH]

zoek eens op carnot diagram en realiseer je dat energie via compressie en expansie bepaald is door de integraal van druk x volume. door het uitwisselen van warmte wordt die integraal op de heenweg bij comprimeren anders dan op de terugweg en betekent dat er extra energie vanuit de lucht je systeem inkomt.

[HansH]

Laat ik het zeggen:
Stel ik comprimeer lucht van 20C en het wordt na comprimeren 80C. Ik laat geen warmte uitwisselen naar de omgeving en ik laat het direct expanderen. Dan wordt de lucht tot gewoon weer terug ~20C?
Dan was er toch gewoon een x hoeveelheid energie nodig om deze lucht 60C op te warmen?

in dat geval zie je als je het in een carnot diagram plot dat er geen oppervlak omsloten is door een cyclus. dus de energie die je erop de heenweg instopt krijg je op te terugweg weer evenzo terug. dan heeft zo'n cyclus geen nut om energie te winnen uit de lucht.

[InHogereSferen]

Ik probeer het echt te begrijpen, maar toch lukt het niet helemaal. Ik heb het Carnot diagram opgezocht, ik snap wat er gebeurt met de druk en het volume, maar ik zie even niet in hoe dit antwoord geeft op mijn hersenspinsel.

Stel er wordt geen energie teruggewonnen via de turbine, kan de COP dan nog steeds hoger dan 1 worden?

Is de warmte die ontstaat tijdens het comprimeren van de lucht groter dan de warmte die zou ontstaan als je de benodigde elektrische energie gebruikt in een verwarmingselement?

Als dat laatste het geval is snap ik het wel.

[HansH]

Stel er wordt geen energie teruggewonnen via de turbine, kan de COP dan nog steeds hoger dan 1 worden?

Is de warmte die ontstaat tijdens het comprimeren van de lucht groter dan de warmte die zou ontstaan als je de benodigde elektrische energie gebruikt in een verwarmingselement?

watbedoel je met 'Stel er wordt geen energie teruggewonnen via de turbine' bedoel je dan dat je geen warmte uitwisselt tussen het gecomprimeerde gas en de buitenlucht? dus adiabatische compressie en expansie? in dat geval is de COP=1 denk ik.

[InHogereSferen]

Er wordt energie teruggewonnen doordat zijdens het expanderen van de lucht deze door een turbine gaat welke op dezelfde as als de compressor zit. Als deze turbine er niet was, kan de COP dan nog steeds hoger zijn dan 1 door het comprimeren en warmte wisselen?

[InHogereSferen]

daar is inderdaad energie voor nodig, maar het essentiele punt is dat je die energie die je erin stop om energie uit de lucht te halen niet kwijt raakt. dus die energie komt samen met de energie die je uit de lucht haalt als warmte in je huis.

En juist dit gedeelte snap ik dus niet.
Je haalt de warmte uit de lucht die je er net hebt ingestopt met elektrische energie?
Dus door het comprimeren verwarm je de lucht van 0C naar 80C. Hier was bijvoorbeeld 1kWh voor nodig om dit te doen, deze heb je er elektrisch ingestopt.
Dan haal je die 80C uit de lucht, en heb je voor 1kWh aan warmte...?
Max COP1?
Hoe haal je én warmte uit de lucht, én de warmte die je er elektrisch in hebt gestopt door het te comprimeren?

[HansH]

Hoe haal je én warmte uit de lucht, én de warmte die je er elektrisch in hebt gestopt door het te comprimeren?

je perst lucht samen. daarbij mag je bij benadering de ideale gaswet toepassen:
P.V/T=constant. als je het volume verkleint zonder warmte af te voeren neemt de druk toe, maar omdat je arbeid levert bij dat verkleinen van het volume voer je energie toe en neemt de temperatuur toe (via de soortelijke warmte van lucht 718J/kg.K kun je berekenen hoeveel de temperatuur toeneemt) die toegenomen temperatuur kun je dan via een warmtewisselaar overdragen aan je huis. daarna is de temperatuur dan ongeveer gelijk aan die van je huis. maar neemt de druk wel iets af. nu laat je het gas expanderen in de turbine en levert het gas dus energie aan de turbine en koelt daardoor af (weer via de warmtecapaciteit van lucht) die afgekoelde lucht kan nu energie opnemen vanuit de warmere buitenlucht. daarna comprimeer je weer en is de cyclus rond. de energie die je in de compressor stopt is meer dan de energie die de turbine aan de compressor teruglevert dus moet je extra elektrische energie toevoeren om de compressor draaiende te houden. die energie komt in de vorm van warme lucht in het systeem beschikbaar.
stel nu even dat je het deel na de turbine zou isoleren zodat er geen warmte opgenomen kan orden uit de buitenlucht. dan is na de compressor de lucht wel opgewarmd door het comprimeren en die lucht draagt dan zijn warmte over aan de warmtewisselaar naar je huis. Dat is dan alle warmte die je als elektrische energie erin hebt gestopt, immers er is geen warmte op een andere manier toegevoerd. dan heb je dus een COP van 1. Maar door de koude lucht na expanderen in de compressor in staat te stellen warmte op te nemen van de buitenlucht voer je dus extra warmte toe en gevolg is dat de lucht na comprimeren heter is dan zonder warmte opgenomen van de buitenlucht. dat is dus de extra warmte die de COP groter maakt dan 1.

[HansH]

nu begreep ik hier: https://www.natuurkunde.nl/vraagbaak/91 ... warmtepomp
dat je met elektriciteit plus zo'n warmtepomt feitelijk net zo efficient uit bent als met een normale aardgas ketel want om van aardgas elektra te maken heb je een rendement van ca 50% n die zet je met een COP can 2 dan weer om naar 100% rendement uit het oorspronkelijke gas waar elektra van gemaakt is.

maar nu is er nog een ander principe van een camping koelkastje op gas. die werken met een gasvlammetje wat met een gesloten circuit met ammoniak in staat is om warmte te verpompen van koelkastje naar buiten. dus als je de warmte van het vlammetje plus de verpompte warmte van de ammoniakcycles nu eens gebruikt om je huis mee te verwarmen (natuurlijk dan met een grotere variant van dat camping koelkastje) dan kun je uit 100% aargas energie meer dan 100% warmte maken. zou dan dan niet nog beter zijn dan zo'n turbineketel? met nog een voordeel dat er geen draaiende delen zijn die slijten, dus zeer lange levensduur.

[InHogereSferen]

Ik snap het principe wel, tijdens het samenpersen geef je warmte af en tijdens het expanderen neem je warmte op. Maar is de energie die nodig is voor deze cyclus niet minimaal net zo hoog als de warmte die je rond pompt dan? Ik zal nog één keer zo duidelijk mogelijk mijn 'probleem' uit te leggen:
Ik kan op internet vinden dat bij een compressor ongeveer 90% in warmte gaat zitten en 10% in samengeperste lucht.
Dus stel ik heb een compressor die 10kW nodig heeft. Dan is 1kW voor de samengeperste lucht, stel deze 1kW kan je volledig terugwinnen door de samengeperste lucht door een turbine te laten lopen, dan kost het dus 9kW aan elektrische energie om de compressor aan te drijven. Maar deze 9kW wordt warmte. Want 90% van de elektrische energie gaat in warme lucht zitten. Die warmte gebruik je, maar heb je er dus volledig elektrisch ingestopt. Vervolgens laat je koele geexpandeerde lucht weer naar buiten lopen waar het buiten je huis weer warmte zal opnemen uit de buitenlucht.
Dus ik snap dat je warmte rond pompt, maar zolang de warmte in de gecomprimeerde lucht niet hoger is dan de warmte die ontstaat als je dezelfde elektriciteit in een elektrisch warmte element stopt snap ik niet hoe de COP hoger dan 1 kan zijn.

Bij een warmtepomp met koudemiddel wordt tijdens het condenseren van het koudemiddel 4x zoveel energie overgedragen als dat er elektrisch ingestopt wordt.
Gebeurt dit tijdens het comprimeren van lucht met de Tarnoc ook dan?
Dus: Als een compressor de lucht samenperst met 9kW, ontstaat er dan meer dan 9kW aan warmtevermogen?