Auslegung eines Latentwärmespeichersystems basierend auf dem Rotating Drum Wärmeübertrager

Kurzfassung

Für die angestrebte Umsetzung der Energiewende sind wirtschaftliche und ressourcengenügsame Energiespeichermethoden unabdingbar. Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel ihres Speichermediums. Dies ermöglicht die Speicherung einer relativ großen Wärmemenge bei einer kleinen Temperaturänderung. Die spezifische Energiespeicherdichte wird dadurch gesteigert. Außerdem kann Wärme bei einem konstanten Temperaturniveau ein- und ausgekoppelt werden. Die heute wirtschaftlich verfügbaren Phasenwechselmedien (PCMs), u.a. Nitratsalze, weisen jedoch eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Wird ein fest/flüssig Latentwärmespeicher passiv entladen, bildet sich auf den wärmeübertragenden Flächen eine zunehmend thermisch isolierende PCMErstarrungsschicht. Diese Feststoffschicht reduziert den Wärmestrom und es ergibt sich eine zwingende Abhängigkeit der Entladeleistung vom Speicherbeladungsstand. Um diesem Problem zu begegnen, erforscht das DLR ein Konzept, bei dem eine rotierende Stahltrommel (RD) als Wärmeübertrager fungiert. Die Trommel rotiert teileingetaucht in flüssigem PCM, während durch ihr Inneres kälteres Wasser strömt. Aufgrund des Temperaturgefälles stellt sich ein Wärmestrom vom PCM durch die Trommel ein. Dieser erhitzt und verdampft das Wasser im Inneren, wobei auf der Mantelaußenseite der Rotating Drum PCM erstarrt und dabei seine Phasenwechselenthalpie freisetzt. Das RD-Konzept verhindert das unbeschränkte Wachstum der isolierenden Schicht, indem diese mit jeder Umdrehung von einem feststehenden Schaber aktiv vom Trommelmantel entfernt wird. Das Ziel der folgenden Bachelorarbeit besteht darin, ein vollständiges thermisches Energiespeichersystem mit Natriumnitrat als PCM und der RD als Entladekomponente auszulegen. Im Fokus steht eine Überprüfung der Technologie auf ihre voraussichtliche Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Eignung zur Energiespeicherung im Kontext der Energiewende. Dazu wird ein beispielhaftes 80-MWh-Speichersystem mit einer Entladeleistung von 5 MW grobkonzeptioniert. Dieses soll mit Überschussstrom und/oder Abwärme beladen werden und Wasserdampf bedarfsgerecht für industrielle Anwendungen und/oder gegebenenfalls für eine Rückverstromung zur Verfügung stellen. Alle zugehörigen Komponenten inkl. Fest-/Flüssig-Salztank, Beladungskomponenten, Beförderungsperipherie und optionalen Rückverstromungs-Dampfturbinen werden diskutiert. Mittels eines anhand von Experimentaldaten verifizierten Modells wird der Wärmefluss durch die RD für verschiedene Bauformen und Betriebsbedingungen berechnet. Hier liegt der Schwerpunkt auf der Identifizierung von technischen Grenzen hinsichtlich der geometrischen Abmessungen und der Leistungsfähigkeit der RD. Es wird eine auf den äußeren Trommelmantel bezogene und vom restlichen System unabhängige Wärmestromdichte zwischen 201 und 344 kW/m2 errechnet und als realisierbar angesehen. Die Werte sind einer Temperaturdifferenz zwischen PCM und Wasser von 96 respektive 130 K zugehörig. Die spezifische Speicherkapazität von 294 kWh/m3 setzt sich zu etwa 69% aus dem Temperaturwechsel der Salzschmelze zwischen 306°C und 540°C und zu 31% aus der Erstarrungsenthalpie zusammen. Bei 306°C liegt die Erstarrungstemperatur und bei 550°C die thermische Stabilitätsgrenze von Natriumnitrat. Es wird gezeigt, dass die RD, in einer wirtschaftlichen Weise, das Ziel einer freien Skalierbarkeit von Systemspeicherkapazität und Entladeleistung ebenso wie das der Entkopplung von Beladungszustand und Entladeleistung erfüllt. Das Gesamtspeicherkonzept wird als wettbewerbsfähig und insbesondere vergleichsweise ressourcengenügsam angesehen. Außerdem werden mehrere Ansatzmöglichkeiten für zukünftige Optimierung und Optionen zur Industrieintegration identifiziert.