Auswirkung von Setzungseffekten und variabler Randporosität auf die Leistung von Hochtemperatur-Schüttspeichern

Kurzfassung

Zur Flexibilisierung fossil befeuerter Kraftwerke sowie für den Betrieb von Kraftwerken im Bereich der erneuerbaren Energien sind effiziente thermische Hochtemperaturenergiespeicher von entscheidender Bedeutung. In solarthermischen Turmkraftwerken ermöglichen sie den Betrieb in Zeiten ohne direkte Sonneneinstrahlung, in fossilen Kraftwerken verbessern sie die Betriebsflexibilität. Im geforderten Temperaturbereich von 500-1000°C bieten sich direktdurchströmte Feststoffspeicher mit den Wärmeträgern Luft oder Rauchgas als Speichertechnologie an. Diese als Regeneratorspeicher bekannte Technologie wird in der Stahl- und Glasindustrie eingesetzt, dort werden keramische Formsteine als Speichermaterial verwendet. Für den Einsatz in Kraftwerksanwendungen ist eine Verbesserung der Kosteneffizienz notwendig, welche mit herkömmlichen Inventaroptionen jedoch schwer erreichbar ist. Schüttungen bieten sich als Alternative zu Formsteinen an, bergen aber erhebliche thermomechanische und strömungsmechanische Risiken. Die Ausführung als horizontal durchströmter Speicher mindert durch die verminderte Schütthöhe die thermomechanischen Risiken auf Grund reduzierter Eigengewichtsbelastung. Im Fokus dieses Beitrags steht die strömungsmechanische Untersuchung der Auswirkung von Realeffekten in Schüttungen wie die verminderte Randporosität und die Ausbildung einer Bypassströmung durch Setzungseffekte bei horizontal durchströmten Speichern. Durch diese Effekte sinkt in den betroffenen Bereichen der Strömungswiderstand was zu einer stärkeren Durchströmung führt. Daraus resultiert eine ungleichförmige thermische Be- und Entladung des Speichers, welche zu einem Verlust an Leistung führen kann. Der Beitrag quantifiziert diese Effekte mittels instationärer CFD-Berechnungen für den zyklischen Speicherbetrieb. Die Einzeleffekte werden separiert und ihre Auswirkung auf die thermische Leistung anhand von Kenngrößen ermittelt.