Hochgenaue Zustandsgleichungen für Reinstoffe

Die genaue Kenntnis thermodynamischer Stoffeigenschaften ist wesentlich für die Auslegung und Optimierung jeglicher Prozesse in der Energie- und Verfahrenstechnik. Auch in der akademischen Forschung spielen sie eine wesentliche Rolle. Diese Eigenschaften werden heutzutage in der Regel mit Hilfe von Zustandsgleichungen berechnet, welche meist basierend auf experimentell ermittelten Stoffdaten (z.B. Druck, Dichte, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit, usw.) erstellt werden. Stehen solche Gleichungen zur Verfügung, können diese in Stoffdatenpakete wie TREND, REFPROP oder CoolProp implementiert werden, womit der Anwender zu jederzeit und an (theoretisch) beliebigen Zustandspunkten die benötigten Stoffdaten berechnen kann.

Zustandsgleichungen für Gemische

Die Entwicklung und Simulation von energietechnischen Prozessen erfordert die genaue Berechnung von Stoffdaten. In den meisten Anwendungsfällen handelt es sich bei dem Arbeitsfluid nicht um einen Reinstoff sondern ein Gemisch aus mehreren Stoffen. Diese sind oft nicht-ideal und weisen komplexe Phasengleichgewichte auf. Daher werden hoch genaue Zustandsgleichungen für Gemische in Form der Helmholtz Energie benötigt. Diese Fundamentalgleichungen ermöglichen die Berechnung aller thermophysikalischen Eigenschaften in gasförmigen, flüssigen, überkritischen und Sättigungszuständen.

Zustandsgleichungen basierend auf hybriden Datensätzen

Zur Entwicklung von Zustandsgleichungen können neben konventionell gemessenen Stoffdaten auch Datensätze aus Molekularsimulationen genutzt werden. Dies ist besonders für Fluide und Zustandsgebiete interessant, die experimentell nur schwer oder gar nicht erfassbar sind. Gleichzeitig können die Molekularmodelle durch einen Vergleich mit Zustandsgleichungen von gut vermessenen Fluiden weiter verbessert werden.

Berechnung komplexer Phasengleichgewichte mit hochgenauen Zustandsgleichungen

Im Rahmen der Abscheidung und Sequestrierung von Kohlenstoffdioxid wurde der Fokus im Bereich thermodynamischer Stoffdatenforschung bisher auf den Pipelinetransport gelegt. Jedoch ist aufgrund der Verpressung des abgeschiedenen Kohlenstoffdioxid in salinen Aquiferen, zusätzlich ein Stoffdatenmodell notwendig, was eine zusammenhängende Beschreibung des Transport- und Speicherabschnittes ermöglicht. Dabei unterscheiden sich die Stoffeigenschaften der Salzlaaken in den Aquiferen deutlich von denen des reinen Wassers, welche in den bisher entwickelten Gleichungsmodellen verwendet wurden.  

Phasengleichgewichte mit Hydraten

Neben Phasengleichgewichten zwischen flüssigen und gasförmigen Phasen spielen in vielen technischen Anwendungen auch Phasengleichgewichte mit festen Phasen eine große Rolle. In wasserhaltigen Systemen kommt dabei der Hydratbildung eine besondere Rolle zu. In weiten Bereichen der Erdgas- und Erdölindustrie wird die Hydratbildung gefürchtet, weil sie schon bei Temperaturen deutlich über 0 °C zum Verstopfen von Rohrleitungen und Ventilen durch eisähnliche Strukturen führen kann. Hydrate werden häufig aber auch als Speicheroptionen für den Transport von Gasen oder als Lagerstätte großer Mengen Methans diskutiert. In der Geologie und der Atmosphärenforschung spielen Methanhydrate eine große Rolle, deren Abschmelzen Festlandsockel destabilisieren kann und gefährliche Mengen Methan in die Atmosphäre entlässt.