Component design of a hybrid thermal energy storage for increased flexibility

Abstract

Die Reduktion der Treibhausgasemissionen und damit die Bekämpfung des Klimawandels gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Die Europäische Union hat daher Klimaziele definiert die darauf abzielen die Treibhausgasemissionen um 80% bis 95% bis 2050 gegenüber dem Jahr 1990 zu reduzieren. Um den Anteil erneuerbarer Energiequellen zu steigern und damit die Treibhausgasemissionen in industriellen Prozessen zu reduzieren, müssen diese Prozesse flexibler auf die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energiequellen reagieren. Der thermische Energiespeicher ist eine Technologie, welche unter anderem eine solche Flexibilitätssteigerung bewirken kann, indem das zeitliche Ungleichgewicht zwischen Energieproduktion und Energieverbrauch kompensiert wird. Der Ruths-Dampfspeicher ist ein thermischer Energiespeichertyp der bereits in der Industrie eingesetzt wird, wie zum Beispiel in der Papier- oder Stahlindustrie. Dieser Speichertyp speichert Wasserdampf in einem Druckbehälter, welcher zum Großteil mit flüssigem Wasser gefüllt ist. Der größte Anteil des zugeführten Wasserdampfes kondensiert innerhalb des Druckbehälters. Auf Grund des konstanten Volumens steigt der Druck und die Temperatur bei Dampfzufuhr und sinkt beim Dampfentnahme. Mit einem Ruths-Dampfspeicher können hohe Be- und Entlademassenströme realisiert werden. Nachteilig ist jedoch, dass für eine hohe Speicherkapazität große Behältervolumina oder Temperaturänderungen benötigt werden. Der Latentwärmespeicher ist ein thermischer Energiespeichertyp bei dem hohe Speicherkapazitäten mit geringeren Behältervolumina realisiert werden können. Dieser nutzt Phasenwechselmaterialien, welche während ihres Phasenwechsels bei annähernd konstanter Temperatur eine große Menge an Energie aufnehmen bzw. abgeben. Jedoch ist die Leistung dieses Speichertyps auf Grund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der meisten Phasenwechselmaterialien begrenzt. In dieser Arbeit wird ein Hybridspeicherkonzept, welches die Kombination eines Ruths-Dampfspeichers mit Phasenwechselmaterial vorsieht, untersucht. Ziel ist es, die hohe Speicherkapazität des Phasenwechselmaterials mit der hohen Leistungsfähigkeit des Ruths-Dampfspeichers zu kombinieren. Bei dem untersuchten Hybridspeicherkonzept wird das Phasenwechselmaterial an der Außenseite des Druckbehälters angeordnet, wobei auch unterschiedliche Phasenwechselmaterialien gleichzeitig verwendet werden können, um den Phasenwechsel auf einen breiteren Temperaturbereich auszudehnen. Weiters, ist die Integration von elektrischen Heizelementen oder Wärmeübertragern im Phasenwechselmaterial berücksichtigt um eine Power-to-Heat Maßnahme im Speicher umzusetzen oder im Falle der Integration von Wärmeübertragern, Abwärme von anderen Prozessmedien speichern zu können. Drei Patentanmeldungen, welche das Hybridspeicherkonzept betreffen wurden vonseiten der Austrian Institute of Technology GmbH durchgeführt. Im Zuge dieser Arbeit wurden fünf wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht, darunter ein Konferenz- und vier Journalbeiträge. In diesen Beiträgen werden Hybridspeichermodelle und verschiedene Analysen, welche mit diesen Modellen durchgeführt wurden, vorgestellt. Die Analysen dienten dazu das Verständnis über das Zusammenspiel der unterschiedlichen Komponenten zu verbessern und die Vor- und Nachteile des Konzeptes zu evaluieren. Mit dem Hybridspeicherkonzept ist es möglich die Speicherkapazität eines herkömmlichen Ruths-Dampfspeichers bei gleichem Gesamtvolumen zu erhöhen, jedoch ist dies stark von den Prozessanforderungen abhängig. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials und der niedrige Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Dampf und der umgebender Druckbehälterwand limitieren die Performance des Hybridspeichers stark.

The reduction of greenhouse gas emissions and the fight against climate change have become increasingly important in recent years. The European Union has defined climate targets, which seek to reduce greenhouse gas emissions by 80% to 95% from 1990 levels by 2050. To increase the share of renewable energy and thus reduce the greenhouse gas emissions in industrial processes, these processes need to react more flexibly to the availability of renewable energy sources. Thermal energy storage is a technology that, among other things, can provide such flexibility by compensating the temporal imbalance between energy production and energy consumption. The Ruths steam storage is a thermal energy storage type that is already used in industry, such as in the paper and steel industry. This storage type stores steam in a pressure vessel that is mainly filled with liquid water. Most of the steam supplied condenses inside the pressure vessel. Due to the constant volume, the pressure and temperature increase during steam injection and decrease during steam removal. With a Ruths steam storage, high charging and discharging mass flows can be realized. However, a disadvantage is that, for high storage capacities, large vessel volumes or temperature changes are needed. The latent heat thermal energy storage is a thermal energy storage type, where for high storage capacities smaller vessel volumes can be realized. It uses phase change materials that absorb or release a large amount of energy during their phase change at almost constant temperature. However, the performance of this storage type is limited due to the low thermal conductivity of most phase change materials. In this thesis, a hybrid storage concept, which combines a Ruths steam storage with phase change material, is investigated. The aim is to utilize the high storage capacity of the phase change material in combination with the high performance of the Ruths steam storage. In the hybrid storage concept under investigation, the phase change material is arranged on the outside of the pressure vessel, whereby different phase change materials can also be used simultaneously to extend the phase change to a wider temperature range. Furthermore, the integration of electrical heating elements or heat exchangers in the phase change material is also taken into account to enable a power-to-heat measure to be implemented in the storage or, in the case of heat exchanger integration, waste heat from other process media to be stored. Three patent applications concerning the hybrid storage concept have been filed by the Austrian Institute of Technology GmbH. In the course of this thesis, five scientific contributions were published, including one conference paper and four journal papers. In these papers, hybrid storage models and various analyses carried out with the models, were presented. The analyses served to enhance the understanding of the interaction of the different components and to evaluate the advantages and disadvantages of the concept. With the hybrid storage concept, it is possible to increase the storage capacity of a conventional Ruths steam storage with the same total volume, but this is strongly dependent on the process requirements. The low thermal conductivity of the phase change material and the low heat transfer coefficient between steam and the surrounding pressure vessel wall significantly limit the performance of the hybrid storage.