Review and analysis of design principles for the sandTES active particle thermal energy storage system

Abstract

This work presents an exhaustive overview of the current (2023) state of the art of engineering practices and design principles for the sandTES technology, a thermal energy storage system based on fluidized bed heat exchangers and sand as the storage material. Previously used designs were reviewed and analyzed with the help of the available literature. With the additional incorporation of the author’s personal experience with sandTES systems, design principles were developed, and specific recommendations are made on how best to design future systems. A basic summary of fluidization technology helps the uninitiated reader to better understand the rest of the work. A review of different use cases of the sandTES technology demonstrates possible integrations into the surrounding energy transformation process. The arrangement of individual components of the sandTES system bears some potential for optimization, which deserves its own discussion. The design of individual components, from the sand itself through the fluidized bed heat exchanger (the main component) to the process control system, is then elaborated in detail. In general, it is difficult to design a sandTES system without the help of numerical methods, which is why so much software has been developed over the years to facilitate the design process. All thesoftware written for this work to generate graphs and calculate the given examples is collected in the software repository. Please contact the author for access.

Diese Arbeit stellt eine umfassende Übersicht über den derzeitigen (2023) Stand der Technik an ingenieurstechnischen Praktiken und Auslegungsprinzipien der sandTES-Technologie dar, bei der es sich um einen thermischer Energiespeicher auf Basis eines Wirbelschichtwärmetauschers und Sand als Speichermaterial handelt. Zuvor entwickelte Auslegungen wurden beurteilt und mit Hilfe von vorhandener Literatur analysiert. Unter Einbeziehung der persönlichen Erfahrung des Autors mit sandTES-Systemen wurden neue Auslegungsprinzipien entwickelt und spezifische Empfehlungen für zukünftige Systeme gegeben. Eine Zusammenfassung der Grundprinzipien der Wirbelschichttechnologie hilft dem unerfahrenen Leser die restliche Arbeit zu verstehen. Eine Übersicht von verschiedenen Anwendungsfällen der sandTES-Technologie zeigt mögliche Einbettungen in verschiedene Energiewandlungssysteme. Die Anordnung der einzelnen Komponenten eines sandTES-Systems bietet ein Optimierungspotential und verdient daher ihr eigenes Kapitel. Die Auslegung verschiedenster Komponenten, angefangen vom Sand an sich, über den Wirbelschichtwärmetauscher (der Hauptkomponente), bis zum Prozessleitsystem, wird anschließend detailreich behandelt. Es ist grundsätzlich schwierig, ein sandTES-System ohne Verwendung numerischer Methoden auszulegen, weshalb sehr viel Software über die Jahre entwickelt wurde, um die Auslegung zu ermöglichen. Die für die Erstellung von Grafiken und Berechnung der gegebenen Beispiele geschriebene Software ist im Repository gesammelt. Es wird ersucht, den Autor zwecks Zugang zu kontaktieren.