Development of a high temperature and high power PCM storage for standby operation

Kurzfassung

Die Integration von thermischen Energiespeichern in Industrieprozesse trägt wesentlich zur Flexibilisierung des Energiesystems sowie zur Reduktion des Einsatzes fossiler Brennstoffe bei. Die Kombination von Latentwärmespeichern mit Wasser-/Dampfprozessen kann zur Optimierung von Temperaturgradienten und damit zu hohen Systemwirkungsgraden beitragen. Im Pilotmaßstab haben sich Speichereinheiten und -systeme bereits bewährt, die Integration in Industrieprozesse bleibt jedoch aufgrund der Größe der Systeme sowie der Hürden bei Entwurf, Genehmigung und Bau eine Herausforderung. Diese Arbeit umfasst sowohl die Parametrisierung und den Entwurf, als auch den Bau, die Integration und den initialen Betrieb eines Latentwärmespeichers im Megawatt-Maßstab, der Dampf für einen industriellen Prozesskunden erzeugt. Der Speicher soll Dampf bei einer Temperatur oberhalb von 300 °C bei 25 bar und einem Massenstrom von 8 t/h für mindestens 15 Minuten erzeugen. Die Daten der bedarfsorientierten Erzeugung von überhitztem Dampf für mehr als 20 Minuten unter diesen Bedingungen zeigen eine thermische Leistung und Kapazität von 5,5 MW und 1,9 MWh. Um dieses Speichersystem zu entwickeln, sind verschiedene Schritte nötig, die allesamt neue Aspekte abdecken: Sowohl die Erzeugung von überhitztem Dampf im Durchlaufbetrieb und die Bereitstellung von thermischer Leistung und Kapazität im Megawattbereich, als auch die Integration in ein bestehendes Betriebssystem. Dies erfordert eine Kombination aus der Hochskalierung der thermischen Leistung und Kapazität, der Konzeption eines realisierbaren Aufbaus sowie der Entwicklung der Systemintegration. Die Leistungssteigerung führt zur notwendigen Ausarbeitung einer sehr dichten Rippenstruktur und entsprechend engen Rohrabständen. Zudem ist eine Modellierung mit Analysemöglichkeiten von Wärmeverlusten und potentiell nicht idealer Strömungen der Wasser-/Dampfseite im Sammler erforderlich. Weiterhin werden Aspekte von der Transportfähigkeit über die Befüllbarkeit mit pelletiertem Salz während der Inbetriebnahme bis hin zur Zugänglichkeit für Zulassungsstellen behandelt. Die Entwicklung der Systemintegration in den laufenden Betrieb ermöglicht die Be- und Entladung mittels bestehender Komponenten und somit eine Optimierung der Anlagennutzung. Diese Integration, die nicht nur eine Auslegung und Optimierung der Speichertechnologie selbst, sondern eine Anpassung des gesamten Systems bedarf, eröffnet neue Blickwinkel für die Entwicklung von Latentwärmespeichern. Entscheidend für den Erfolg ist hierbei nicht nur die Betrachtung der Speicherkomponente, sondern die Betrachtung des gesamten Prozesses.