Analyse und Demonstration des CellFlux-Speichersystems

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Analyse eines neuartigen Speicherkonzeptes für sensible Wärme – des CellFlux-Speicherkonzepts – durchgeführt. Potentielle Anwendungsgebiete sind neben solarthermischen Kraftwerken auch Power-To-Heat Anwendungen, Wärmerückgewinnung in Industrieprozessen oder die Flexibilisierung von konventionellen Kraftwerksprozessen. Die hier entwickelte Methodik und die Berechnungsergebnisse liefern die Grundlage für mögliche Vorstudien bis hin zur Detailauslegung potentieller Endanwender.

Gegenüber dem aktuellen Stand der Speichertechnik soll das CellFlux-Speicherkonzept eine signifikante Kostensenkung ermöglichen und gleichzeitig eine höhere Anwendungsflexibilität aufweisen. Hierzu werden kostengünstige Feststoffe als Speichermedien eingesetzt während Luft unter Umgebungsdruck zur Übertragung der thermischen Energie dient. Um das Konzept auch bei Anwendungsfällen einsetzen zu können, die flüssige Wärmeträgermedien oder druckbeaufschlagte Gase nutzen, wird das Speichersystem mit einem Wärmeübertrager kombiniert. Hier erfolgt die Wärmeübertragung zwischen dem Luftstrom und dem eigentlichen Arbeitsmedium. Wesentlich für eine erfolgreiche Umsetzung des CellFlux-Konzepts ist die Abstimmung von Speichervolumen, Wärmeübertrager und Luftkreislauf

Zur Erreichung dieses Ziels werden zunächst innovative Ansätze zur Gestaltung des Speichersystems diskutiert und entscheidende Einflussgrößen herausgearbeitet. Auf dieser Grundlage erfolgt eine Charakterisierung des Wärmeübertragers und des Speichervolumens. Hierzu werden in der Programmierumgebung MATLAB eigene Auslegungsmodelle implementiert. Mit Hilfe der Programme erfolgt eine umfassende Analyse des Speichervolumens unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Betriebsweise und geometrischer Einflussgrößen. Dabei wird deutlich, wie die zulässige Änderung der Austrittstemperatur ΔTₑ das Betriebsverhalten und damit auch die notwendige Größe des Speichervolumens beeinflusst.

Zum experimentellen Funktionsnachweis und zur Validierung der Simulationsmodelle wird eine Pilotanlage mit 100 kW thermischer Leistung bei 10 m Bettlänge und einem Speichervolumen von 30 m³ aufgebaut und in Betrieb genommen. Dabei wird erstmals ein horizontal durchströmtes Speichervolumen realisiert.

Am Beispiel solarthermischer Parabolrinnenkraftwerke werden zwei Bewertungsansätze entworfen und angewendet. Beim ersten Ansatz erfolgt die Bewertung anhand eines exergetischen Wirkungsgrades, während für den neuartigen zweiten Ansatz das Speichersystem direkt mit dem Kraftwerksblock gekoppelt wird. Hierbei erfolgt die Bewertung anhand der mit dem Speicher produzierbaren Strommenge. Beide Ansätze liefern als Ergebnis die notwendige Baugröße als Maß für die späteren Investitionskosten, zusammen mit der rückgewinnbaren Exergie bzw. Strommenge. Somit lassen sich zunächst allgemeingültige, pareto-optimale Speicherkonfigurationen identifizieren. Diese können in kompakten Kennfeldern dargestellt und abschließend, anhand von aktuellen Kostendaten, weiter hinsichtlich der Gesamtkosten optimiert werden. Zusätzliche Verbesserungsmöglichkeiten des Speichersystems, wie eine asymmetrische Betriebsweise und die Modularisierung des Speichervolumens, werden ebenfalls untersucht.

Mit einem dynamischen Modell in SIMULINK, welches die beliebige Verschaltung von Komponenten erlaubt, werden abschließend einige Konfigurationen mit den realistischen Temperatur- und Massenstromverläufen eines Solarfelds untersucht.