Grobauslegung von Hochtemperatur- Wärmespeichern für den Wärmeknoten Dürnrohr

Abstract

Die Firma EVN AG ist für ein Wärmenetz am Standort Dürnrohr zuständig. Dieses versorgt unter anderem die umliegenden Industriebetriebe mit Prozessdampf und das örtliche Fernwärmenetz. Zur Dampferzeugung stehen eine Müllverbrennungsanlage und ein Kohlekraftwerk bereit. Der zuküftige Betrieb des Kohlekraftwerkes ist nicht gesichert. Es gibt daher zwei mögliche Zukunftsvarianten: a) Errichtung eines gasbefeuerten Hilfskessels b) Erweiterung der Müllverbrennungsanlage um einen thermischen Energiespeicher Ein thermischer Energiespeicher (TES) soll das Kohlekraftwerk bzw. Hilfskessel ablösen, somit die Energiebereitstellung wirtschaftlicher machen und den CO2-Ausstoß reduzieren. Dieser Energiespeicher wird in Zusammenarbeit mit der TU Wien, die auf diesem Gebiet nicht nur theoretische, sondern auch praktische Erfahrung in Form von erprobten Modellanlagen besitzt, ausgewählt. Die Auffindung des optimalen Speichers wird von einem staatlich geförderten Projekt begleitet. Als TES kommen mehrere verschiedene Technologien in Frage, von denen drei in dieser Arbeit hinsichtlich Dimensionierung und involvierter Materialien für eine Speicherkapazität von 70 MWh und konkreter Dampfparameter zum Laden und Entladen untersucht wurden. Diese Technologien sind ein Dampfgefällespeicher (Typ Ruthsspeicher), ein durchströmter Festbettregenerator, welcher Luft als Wärmeüberträgermedium und Gestein als Speichermedium verwendet, und ein Latentwärmespeicher. Dieser nimmt die thermische Energie durch einen Phasenwechsel auf und die Wärmeübertragung in das Phasenwechselmaterial wird mit Hilfe eines eigens von der TU entwickelten Rippenrohrgeometrie realisiert. Für den Ruthsspeicher wurde ein Simulationsmodell in Apros erstellt, um die errechneten Ergebnisse zu belegen und die Betriebsbedingungen über einen Zyklus darzustellen.

The company EVN AG is responsible for a heat grid located at Dürnrohr. It supplies among others the surrounding industry with process steam and the local district heating network. For steam generation a waste incinerator and a coal-fueled power plant are available. The power plant will have to be shut down in the future. That is why two future variants are possible: a) Construction of a gas-fired auxiliary boiler b) Expansion of the waste incineration plant by a thermal energy storage unit A thermal energy storage unit (TES) shall detach the coal-fueled power plant or auxiliary boiler, consequently making energy supplying more economic and reducing the CO2-emissions. This energy storage unit is selected in cooperation with TU Wien, whose knowledge at this topic is not only theoretical but also practical in the form of field-tested demonstration plants. Finding the ideal storage unit is accompanied by a governmental-sponsored project. Different technologies are possible for the TES. Three of them have been investigated in this thesis in respect to their dimensions and involved materials for a storage capacity of 70 MWh and specific steam parameters for charging and discharging. This technologies are a steam accumulator, a fixed bed regenerator, which uses air as heat transfer fluid and rock as storage material and a latent heat storage system. It absorbs the thermal energy through a phase change. Heat transfer into phase change material is achieved by a specially built finned tube geometry. For the steam accumulator a simulation model in Apros was built to verify the calculated results and illustrate operating conditions over a cycle.