Modellierung und Simulation eines Wärmespeichersystems für die solare Direktverdampfung

Kurzfassung

Die Verknappung und damit die Verteuerung von fossilen Energierträgern führt momentan und zukünftig verstärkt zur Erschließung von regenerativen Energieträgern. Sehr bedeutend ist die Rolle der Sonnenenergie. Mit solarthermischen Kraftwerken können große Kapazitäten zur Stromerzeugung geschaffen werden. Voraussetzung für einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Betrieb sind Wärmespeicher. Diese überbrücken Nacht bzw. Abschattungsphasen. Darüber hinaus können Wärmespeicher eingesetzt werden um fossile Energieträger effizienter auszunutzen. Aus diesen Gründen erforscht und entwickelt das Institut für technische Thermodynamik des DLR Wärmespeicher für Kraftwerks- und Prozesswärmeanwendungen, d.h. für den Mittel und Hochtemperaturbereich. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung und Berechnung eines Versuchsspeichersystems für den Einsatz in einem solarthermischen Kraftwerk. Das Speichersystem umfasst einen sensiblen Betonspeicher, d.h. ein Rohrregistermodul mit Beton als Speichermedium und einem Latentwärmespeicher, ebenfalls in Rohrregisterbauweise, aber berippt, und Natriumnitrat als Speichermedium. Das Wärmeträgermedium istWasser bzw. Dampf. So wird im Latentwärmespeicher beim Beladen Dampf kondensiert und beim Entladen Wasser verdampft. Im sensiblen Wärmespeicher wird überhitzter Dampf abgekühlt bzw. Sattdampf überhitzt. Es wird die Programmiersprache MODELICA mit der Benutzeroberfläche DYMOLA verwendet. Für beide Speichermodule werden in dieser Arbeit Modelle entwickelt. Speziell für den Verdampferspeicher wurden neue Modellierungskonzepte entwickelt um den Phasenwechsel zwischenWasser und Dampf abbilden zu können. Mit dem Phasenwechsel ändern sich Dichte und Enthalpie sprungartig. Solche sprungartigen Änderungen lassen sich numerisch schlecht lösen. Deshalb wird ein Speichermodell mit zwei getrennten Strängen verwendet. D.h. es wird ein Rohr nur mit flüssiger und das andere nur in der dampfförmigen Phase durchströmt. So wird ein realistisches Umschalten, im Modell, von Be- auf Entladen möglich. Um eine kontinuierliche Dampfproduktion einzustellen werden verschiedene Konzepte zur Regelung der Speichermodelle entwickelt. Als Ergebnis dieser Arbeit werden eine Verdampferspeicherkonfiguration für ein horizontales Speichermodul in Rohrregisterbauweise mit berippten Rohren berechnet. Es wird gezeigt, dass sich dieses Modell zuverlässig von Be- auf Entladen umschalten lässt. Der Einfluss des Zirkulationsmassenstroms auf die Be- und Entladung wird untersucht. Das Aufschmelzen des Latentspeichermaterials wird ortsaufgelöst untersucht. Für den Überhitzerspeicher werden Parametervariationen für verschiedene Rohrdurchmesser, Rohrteilungen und Rohrlängen durchgeführt und es wird ein Vorschlag zur Auslegung des Überhitzerspeichers gemacht. Es wird auch gezeigt, dass sich die Kopplung von Latentwärmespeicher und sensiblem Speicher im Modell realisieren lässt.