Untersuchung von Wärmeleitstruturen in Hochtemperaturfeststoffspeichern

Kurzfassung

In vielen thermischen Prozessen ist der Energiebedarf zyklisch bzw. nicht stetig. Durch den Einsatz von Wärmespeichern kann das Energieangebot vom Energiebedarf zeitlich entkoppelt werden und somit die Effizienz des Prozesses gesteigert werden. Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt werden verschiedene Wärmespeicher für den Temperaturbereich von 120 °C – 1000 °C entwickelt. Unter anderem wird an Hochtemperaturfeststoffspeichern geforscht, die im Wesentlichen aus Beton als Speichermedium bestehen, das von einem Rohrregister durchzogen ist. Die Kosten für das Rohrregister stellen hierbei den größten Kostenpunkt (>50 %) dar. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit Konzepte entwickelt und untersucht, die durch das Einbringen von Wärmeleitstrukturen in das Speichermedium eine Reduktion des Rohrregisters und somit der Gesamtinvestition ermöglichen. Die Arbeit lässt sich dabei in vier Abschnitte einteilen. Zunächst werden verschiedene Konzeptideen entwickelt und auf Ihre Machbarkeit geprüft. Daraus werden Ausschlusskriterien erarbeitet, anhand derer eine Auswahl für weitere Untersuchungen getroffen wird. Im nächsten Schritt werden die ausgewählten Konzepte in einem Simulationsmodell für den Einsatz in solarthermischen Kraftwerken nachgebildet und miteinander verglichen. Hierfür wird die speicherbare Wärmemenge in kWh pro m³ Speichermedium in der bisherigen Konzeption ermittelt. In einem Iterationsprozess wird bei den jeweiligen Modellen der Rohrabstand so lange erweitert bzw. die Rohrzahl reduziert, bis nach einer definierten Ladezeit die gleiche spezifische Wärmemenge erreicht wird. Die Aussagekraft der Simulationsmodelle wird anschließend in einem Laborversuch untersucht, indem eines der Modelle in einem flexiblen Verssuchspeicher nachgebildet wird. Durch die Positionierung von Thermoelementen an verschiedenen Stellen, werden Temperaturverläufe während des Speicherbetriebs gemessen. Als Vergleichsgröße werden von der Simulation und dem Versuch die Entladezeiten auf bestimmte Temperaturniveaus verglichen. Entscheidend sind hierbei die Verbesserungen zwischen einem Aufbau nach der bisherigen Konzeption und einem Aufbau mit Leitstrukturen. Im letzten Teil der Arbeit werden die Investitionen der untersuchten Konzepte und der bisherigen Konzeption verglichen. Dabei zeigen sich deutliche Einsparpotenziale bei den Rohrregisterkosten für die verschiedenen Konzepte. Jedoch ergibt sich bei allen Konzepten ein deutlicher Kostenanstieg für die Herstellung des Speicherbetons, sodass insgesamt kein Konzept gefunden werden konnte das eine Reduktion der Gesamtinvestitionen ermöglicht. Auf Basis der Ergebnisse werden abschließend Ansätze für weiterführende Untersuchungen benannt.