Strömungs-Ungleichverteilung in Hochtemperatur-Wärmespeichern für den Kraftwerkseinsatz

Kurzfassung

Thermische Speichersysteme sind zentrale Elemente verschiedener, aus erneuerbarer Energie betriebener Kraftwerkstypen. Zwei derzeit untersuchte Anwendungsbeispiele sind solare Turmkraftwerke für den Einsatz in Südeuropa und adiabate Druckluftspeicherkraftwerke für die Netzintegration von Windenergie in Nord-West-Europa. Beide Kraftwerkstypen benötigen für eine erfolgreiche Markterschließung effiziente Wärmespeicher in einem Temperaturbereich von 600-900°C. Direktdurchströmte Feststoff-Wärmespeicher sind dafür eine besonders aussichtsreiche Technologie. Für den angestrebten Leistungsbereich gibt es dazu allerdings kaum technische Vorbilder. Neben der Auswahl des Inventars und dessen thermomechanischen Auslegung, spielen strömungstechnische Aspekte eine zentrale Rolle bei der Konzeptionierung. Der vorliegende Beitrag umreißt Simulationsarbeiten zur Gestaltung des Strömungspfades im Speicher. Ziel dabei ist es, eine Vergleichmäßigung der Strömung am Eintritt in den Speicherkern durch konstruktive Maßnahmen der Verteilergeometrie zu erreichen. Die Einströmung erfolgt dabei auf der Heißgasseite axial, auf der Kaltgasseite radial. Neben der Verteilerstruktur hat auch der Druckverlust im Speicherkern einen entscheidenden Einfluss auf die Strömungsverteilung. Als Ergebnis stehen auf der Heißgasseite geometrische Aspekte der Verteilergeometrie auf eine Vergleichmäßigung der Strömung am Eintritt in den Speicherkern in Abhängigkeit des Druckverlustes zur Verfügung. Die Verteilergeometrie umfasst bei axialer Einströmung Variationen der Verteilerhöhe, des Einströmungs- und Speicherdurchmessers. Im Falle der radialen Einströmung auf der Kaltgasseite wird die Vergleichmäßigung der Strömung durch den Einsatz einer geeigneten Druckverlustverteilung in Form eines Lochbleches erzielt.