Optimal experimental design for the analysis of a novel hybrid steam storage

Abstract

With the ongoing transition from fossil to renewable energy sources and the progressing decarbonisation of the economy, the development of energy storages gains in importance. Thermal energy storage (TES) systems can increase the energy efficiency of industry processes through the possibility to store heat that would otherwise be released into the environment as waste heat. A common TES used in the industry is the Ruths steam storage(RSS). In the HyStEPs project, in which this thesis is embedded in, a novel approach of increasing the storage capacity of a RSS by surrounding it with a latent heat energy storage, which uses the phase change of a material to store large energy quantities, is researched. As a preparation for the experimental investigation on this hybrid storage system, a detailed design of experiment was established in the course of this thesis. Through the implementation of an optimal experimental design (OED), the experimental conditions get optimized in order to increase the sensitivity of the experiments with regard to selected parameters. In this thesis, an OED for two sub-models of the hybrid storage was performed using statistical criteria which rely on scalar functions of the Fisher information matrix. It was proven, that the optimized storage loading scenarios led to higher parameter sensitivities than if charged and discharged with a trivial load case. Based on the conducted OED, a fully developed experimental plan for the upcoming experiments on the HyStEPs prototype storage was established. In addition to the experimental design, an upscaling model for the hybrid storage was developed, which allows to presume the necessary dimensions and expected costs of the storage depending on the desired maximum storage capacity.

Im Zuge der globalen Energiewende erhöht sich der Bedarf an Energiespeichern zur effektiven Nutzung des Potentials fortschrittlicher Energieanlagen, sowie zur Steigerung der Energieeffizienz in Industrieprozessen. Thermische Energiespeicher werden dabei häufig verwendet, um Dampferzeugungs- und Verbrauchsraten auszugleichen. Im Rahmen des HyStEPs Projekts, in dem auch diese Arbeit angesiedelt ist, wurde ein neuartiges Hybridspeicherkonzept entwickelt, bei dem gewöhnliche Ruthsspeicher mit Latentwärmespeicherpaketen umschlossen werden, und somit die Menge an speicherbarer Energie ohne signifikante Vergrößerung des erforderlichen Speichervolumens erhöht wird. Um die geplanten Experimente an einem Prototyp des Hybridspeichers mit geringem zeitlichen Aufwand und möglichst aussagekräftigen Ergebnissen durchführen zu können, wurde in der vorliegenden Arbeit ein detailliertes, optimiertes Versuchsdesign erstellt. Dabei wurde mittels numerischer und statistischer Methoden der Einfluss bestimmter Parameter auf das Speicherverhalten analysiert und optimale Be- und Entladeszenarien ermittelt, so dass die zukünftigen Messergebnisse einen hohen Grad an Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung in den jeweiligen Parameterwerten zeigen. Basierend auf den Ergebnissen wurde anschließend ein detaillierter Versuchsplan erstellt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Skalierung des Hybridspeichers entwickelt, mit Hilfe dessen die erforderlichen Dimensionen und voraussichtlichen Kosten des Speichers in Abhängigkeit von der gewünschten maximalen Speicherkapazität ermittelt werden können.