Untersuchung von Wärmespeichersystemen zur Erzeugung von überhitztem Dampf

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung verschiedener Konfigurationen eines Systems zur Speicherung von überhitztem Dampf. Es werden modulare Speichersysteme untersucht, die aus Beton-Regeneratoren und Latentwärmespeichern bestehen. Beide Wärmespeicher sind charakterisiert durch ein vom Wärmeträger durchströmtes Rohrregister, welches von Speichermaterial umgeben ist. Beim Latentwärmespeicher ist das Rohrregister auf der Außenseite berippt, um den Wärmedurchgang im schlecht leitenden Latentspeichermaterial zu verbessern. Diese Systeme nehmen überhitzten Dampf von einer Quelle auf und geben ihn zu einem späteren Zeitpunkt wieder an einen Verbraucher ab. Die hier untersuchten Speichersysteme würden sich insbesondere für den Einsatz in einem Kraftwerk zur solaren Direktverdampfung eignen. Zur Modellierung wurden in Modelica geschriebene, von [Stu11] am Institut für Technische Thermodynamik des DLR entwickelte Regenerator-Modelle in der Simulationsoberfläche Dymola zu Systemen verschaltet. In einer Voruntersuchung wurde ein System aus Beton-Regeneratoren mit einem Thermoöl als Wärmeträger modelliert. Verglichen wurde ein monolithisches System mit einem System aus parallelen Regeneratoren. Während der Monolith gleichmäßig vom Wärmeträger durch alle seine Strömungskanäle beaufschlagt wird, werden die Stränge des parallel verschalteten Systems zeitversetzt beladen. So soll verhindert werden, dass ein nur teilbeladenes System durch einen Temperaturausgleich im Speichermaterial an Arbeitsfähigkeit verliert. Es zeigte sich, dass die parallel verschalteten Systeme den Ertrag nicht verbessern können. Die axiale Wärmeleitfähigkeit des monolithischen Systems ist zu gering um den Temperaturausgleich herbeizuführen. Deshalb erfolgen alle weiteren Untersuchungen an monolithischen Systemen. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit dem Direktverdampfungssystem. Der Wärmeträger ist hier Wasser und Wasserdampf. Dabei sind bereits in Pilotanlagen bestehende Geometrien betrachtet worden, die anschließend iterativ zu einem passenden Gesamtsystem optimiert worden sind. Als erste Konfiguration eines Speichersystems wurde ein Beton-Regenerator als sensibel arbeitender Vorwärmer mit einem PCM-Regenerator als latentem Verdampfer und erneut einem Beton-Regenerator als sensiblem Überhitzer gekoppelt. Das System bezog anschließend für 2 h 500 °C heißen Wasserdampf bei 106 bar, um anschließend 2 h lang überhitzen Dampf aus Speisewasser bei 200 °C und 80 bar zu produzieren. Für die Abbildung dieser BPB-Systeme („Beton-PCM-Beton“) hat die Modellverschaltung vollständige Anwendbarkeit unter Beweis gestellt. Weiter wurde versucht, ein Speichersystem zur Direktverdampfung rein aus Latentwärmespeichern zu realisieren. Damit könnten die Beton-Regeneratoren für die Vorwärmung und Überhitzung entfallen und der Latentwärmespeicher würde zusätzlich sensible Wärme umsetzen. Insgesamt könnten so die Speicherdichte erhöht und Kosten eingespart werden. Es stellte sich heraus, dass Überhitzer und Vorwärmer nicht wie gefordert ausschließlich sensibel arbeiteten, sondern bedingt durch ihre verbesserten Wärmeleitstrukturen begannen, den Wärmeträger vorzeitig zu verdampfen bzw. auszukondensieren. Ein technisch sinnvoller Betrieb wie beim BPB- System ist nicht möglich.