Erstellen und Einsatz einer Modellbibliothek für thermische Energiespeicher

Kurzfassung

Die Einbindung eines Speichers in ein Parabolrinnenkraftwerk erfolgt üblicherweise parallel zum Solarfeld. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine modulare Integration eines Feststoffspeichers, bestehend aus einzelnen Speichermodulen, untersucht. Durch diese Art Integration kann der Speichernutzungsgrad wesentlich erhöht werden, wodurch die Investitionskosten gegenüber der parallelen Einbindung gesenkt werden. Die modulare Einbindung betrachtet sowohl die Speicherintegration bei der Beladung als auch bei der Entladung. Zur Untersuchung der Speicherintegration wurde die Simulationssprache Modelica verwendet. Hierbei wurden Modellkomponenten für Solarfeld, Feststoffspeicher und Dampfkreislauf erstellt und in die bestehende Programmbibliothek ,,Storage’’ für thermische Energiespeicher eingeordnet. Diese Bibliothek baut auf der Grundbibliothek ,,TechThermo’’ auf, welche Basiselemente aus der technischen Thermodynamik beinhaltet. Bei der Modellierung des Feststoffspeichers wurde ein Rohrstrang mit einer zylindrischen Betonummantelung betrachtet. Dieser wurde axial diskretisiert. Für das axiale Basissegment wurde ein bereits vorhandenes Modell aus ,,TechThermo’’ verwendet. Die Abbildung des gesamten Speichers erfolgte durch die Multiplikation mit der Anzahl von parallelen Rohrsträngen. Zur Bechreibung des Parabolrinnenfeldes wurde ein ,,Quelle-Senke’’-Modell erstellt. In der ,,Quelle’’ kann der thermodynamische Zustand des Wärmeträgeröls am Austritt aus den Parabolrinnenkollektoren vorgegeben werden, in der ,,Senke’’ wird der Zustand des Wärmeträgeröls am Eintritt in die Kollektoren erfasst. Das Dampfkreislaufmodell beschreibt die Wärmeübertragung vom Wärmeträgeröl an den Wasser-/Dampfkreislauf, wobei der Teillastbetrieb der Dampfturbine während der Entladung des Speichers berücksichtigt wird. Das Modell bestimmt daraus die erzeugte elektrische Leistung und Energie. Bei der Implementierung wurden getrennte Modellkompenten zur Beschreibung der Wärmeübertragung im Vorwärmer, Verdampfer, Überhitzer und Zwischenüberhitzer erstellt, welche variable Verschaltungsmöglichkeiten mit dem Speichermodell zulassen. Bei der Simulation wurde das Basiskonzept der parallelen Speichereinbindung mit den modularen Integrationsvarianten verglichen. Zur Abbildung dieser Varianten für den Feststoffspeicher wurden für die oben beschriebenen Komponenten grafische Modelle erzeugt, welche miteinander verschaltet wurden. Für alle Integrationsvarianten wurde der Be– und Entladezyklus des Speichers im eingeschwungenen Zustand (die Temperaturverteilung im Speichermedium über der Länge ist zu Beginn der Beladung um am Ende der Entladung gleich) simuliert. Abschließend wurden die Simulationsergebnisse der unterschiedlichen Varianten miteinander verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass durch eine optimierte Integration des Feststoffspeichers die erzeugte elektrische Energie um bis zu 68,7 % gegenüber dem Basiskonzept (parallele Einbindung des Speichers zum Kollektorfeld) erhöht werden kann. Dabei wird die spezifische Speicherkapazität im Beton von 22,78 auf 38,20 erhöht. Bei den Simulationen wurde ein Speicher mit einer Gesamtlänge von 252 m betrachtet, welcher aus Speichermodulen mit 18 m Länge gebildet wurde. Im weiteren Vorgehen könnte der Speichernutzungsgrad weiter verbessert werden, durch eine Optimierung der Gesamtlänge und Modullänge. Des Weiteren wurde die Größe des Feststoffspeichers vorgegeben und war für alle Integrationsvarianten des Speichers gleich. Dabei betrug die eingespeicherte Wärmemenge im Basisfall 900 MWh. Bei der modularen Speicherintegration war diese eingespeicherte Wärmemenge aufgrund des höheren Speichernutzungsgrades entsprechend höher. Weiterhin könnte nun eine Simulationsrechnung durchgeführt werden, bei der die eingespeicherte Wärmemenge für die verschiedenen Integrationsvarianten gleich bleibt. Daraus kann ermittelt werden, wie viele Speichermodule bei der modularen Einbindung gegenüber der Basiseinbindung des Speichers eingespart werden können das heißt um wieviel die Investitionskosten gesenkt werden können.