Thermomechanische Aspekte für den Entwurf von großen Hochtemperatur-Schüttspeichern

Kurzfassung

Thermische Speichersysteme sind zentrale Elemente verschiedener, aus erneuerbarer Energie und konventionell betriebener Kraftwerkstypen. Für gasförmige Wärmeträgermedien in einem Temperaturbereich zwischen 500 und 1000°C stellen direkt durchströmte Wärmespeicher kostengünstige Lösungen dar. Zwei vielversprechende Anwendungsbeispiele sind solarthermische Turmkraftwerke und Adiabate Druckluftspeicherkraftwerke. Verwandte, heute genutzte Anwendungen dieses Speichertyps sind z.B. Regeneratorspeicher in der Stahl- und Glasindustrie. Als Speicherinventar dienen dabei keramische Formsteine. Eine für Kraftwerksanwendungen benötigte Verbesserung der Kosteneffizienz ist mit Keramikinventar jedoch schwer erreichbar. Als Alternative kommen Schüttungen in Betracht, die im Vergleich mit Keramiksteinen zwar ein großes Kostenreduktionspotenzial eröffnen, allerdings auch mit erheblichen technischen Unsicherheiten behaftet sind. Im Fokus dieses Beitrags stehen Aspekte der Beanspruchung der Isolationsmaterialien und der Behälterinnenwand durch Schüttkörper während des zyklischen Speicherbetriebs. Die dabei auftretenden thermomechanischen Kräfte können einerseits mit einem partikelbasierten Modell nach der discrete element method (DEM) berechnet und andererseits mit einem Versuchsschüttspeicher mit einer Speichermasse von 1,8t messtechnisch erfasst werden. Basierend auf dem so entwickelten und validierten thermomechanischem Partikelmodell werden Kontaktbelastungen und daraus abgleitet Lebensdauern von großmaßstäblichen Schüttspeicheraufbauten berechnet. Dazu dienen die ermittelten zyklischen Kontaktkräfte als Eingangsgrößen eines strukturmechanischen Kontaktmodells, mit dem sich Materialbelastungen und Haltbarkeiten bestimmen lassen. Ziel dieser Arbeit ist es, geeignete Entwurfskonzepte zu entwickeln, die die thermischen und mechanischen Voraussetzungen erfüllen.