Techno-Ökonomische Optimierung eines Hochtemperatur-Latentwärmespeichers

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die technische und ökonomische Optimierung eines Hochtemperatur-Latentwärmespeicher zum Zwecke der Weiterentwicklung und Kommerzialisierung der Technologie. Im Fokus steht hierbei der Einsatz der Latentwärmespeicher in solarthermischen Kraftwerken mit Direktverdampfung zur Speicherung der Verdampfungsenthalpie des Wassers. Ein solcher Latentwärmespeicher in Kombination mit einem kommerziell verfügbaren, sensiblen Wärmespeichersystem ermöglicht die nachfrageorientierte und emissionsfreie Energiebereitstellung von Solarenergie. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs im Latentwärmespeicher aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der Speichermaterialien werden üblicherweise axial berippte Rohre mit komplexen, schneeflockenartigen Rippenprofilen eingesetzt. Für diese axial berippten Rohre wird zunächst ein vereinfachtes Simulationsmodell zur Bestimmung des Wärmeübergangs erstellt, mit dem Ziel die Geometrie des Rippenprofils unter thermodynamischen und ökonomischen Gesichtspunkten zu optimieren. In diesem Modell wird ausschließlich der auslegungsrelevante Erstarrungsvorgang betrachtet, der durch die Wärmeleitung in der festen Phase des Speichermaterials limitiert ist. Mit Hilfe einer Versuchsanlage wird das Modell sowie dessen wesentliche Annahmen validiert, so dass es zur Auslegung von Latentwärmespeichern in solarthermischen Kraftwerken anwendbar ist. Für bisher entwickelte axiale Rippenprofile und -rohre ist weder die technische Auslegung im Detail nachvollziehbar noch wurden ökonomische Gesichtspunkte beim Design des Rippenprofils berücksichtigt. Deshalb wird auf Basis des Simulationsmodells der Bewertungsparameter der spezifischen Produktkosten eingeführt, der die Herstellungskosten eines Rippenprofils und -rohres ins Verhältnis zur seiner technischen Leistungsfähigkeit gemäß den Simulationsergebnissen setzt. Mit diesem Parameter werden sowohl ähnliche Rippenprofile innerhalb einer Rippenprofilklasse als auch die einzelnen Optima verschiedener Profilklassen miteinander verglichen. In dieser Arbeit werden insgesamt 17 verschiedene Rippenprofilklassen entwickelt und daraus ein bezüglich der Anforderungen techno-ökonomisch optimales Rippenprofil bestimmt. Ein weiterer wichtiger Optimierungsfaktor ist die Wahl und Güte des Rohr-RippeVerbindungsverfahrens, das das Aluminiumrippenprofil effektiv mit dem Stahlrohr verbindet. Mit diesem Verfahren muss ein dauerhafter Kontakt zwischen Rohr und Rippe und somit ein effektiver Wärmeübergang gesichert werden. Bisher ist lediglich der Einsatz des Federstahlklammerverfahrens belegt, so dass alternative, günstigere Verfahren insbesondere aufgrund der Vielzahl der berippten Rohre in kommerziellen Anlagen deutliche Kostenreduktionspotentiale aufweisen können. In dieser Arbeit wird das Krimpverfahren entwickelt und für den Einsatz im Latentwärmespeicher qualifiziert. Mittels einer experimentellen Versuchsserie wird der Wärmeübergang im Latentwärmespeicher basierend auf dem Krimpverfahren mit dem des Federstahlklammerverfahren verglichen. Die Versuchsergebnisse zeigen bei gleichem Rippenprofil deutlich kleinere Wärmeübergangsraten bei Einsatz des Krimpverfahrens. Der schlechtere Wärmeübergang führt ebenfalls zu höheren spezifischen Produktkosten für die auf diese Weise gefertigten berippten Rohre. Aus diesen Gründen kann aktuell nur das Federstahlklammerverfahren nicht aber das Krimpverfahren für einen großtechnischen Einsatz empfohlen werden.