Redesign und Automatisierung einer Festbett-Regenerator Versuchsanlage zur Speicherung thermischer Energie

Abstract

Energiespeicher spielen in der Energiewende und in der nachhaltigen Industrie eine bedeutende Rolle. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde ein bereits vorhandener Festbett- Regenerator des Institutes für Energietechnik und Thermodynamik (IET) überarbeitet. Mit der Versuchsanlage kann das Ein- und Ausspeicherverhalten von thermischer Energie in verschiedenen Festbett-Speicherkonzepten untersucht werden. Dazu wird Umgebungsluft von einem Gebläse angesaugt und mit einem in der Verrohrung befindlichen Heizregister erhitzt. Die so erhaltene heiße Luft wird durch ein in einem Behälter befindlichen Festbett geblasen, um die Wärme an das Speichermedium abzugeben. Nach dem Durchströmen des Festbett-Speichers, strömt die Luft über eine Abluftverrohrung wieder ins Freie. Um den Speicher wieder zu entladen, wird kalte bzw. etwas vorgeheizte Umgebungsluft in Gegenrichtung durch den Speicher geleitet. Die kalte Luft nimmt die thermische Energie des Speichermediums auf. Die so erwärmte Luft kann in der Industrie für weitere Vorgänge verwendet werden. Bei der hier beschriebenen Versuchsanlage strömt die Luft ebenfalls über die Abluftverrohrung ins Freie. Die wesentlichen Neuerungen an der Anlage wurden an der Verrohrung und an der Steuerung vorgenommen. Die Verrohrung wurde so geändert, dass der Speicher auch mit warmer Luft entladen werden kann. Weiters wurde eine Bypass-Leitung hinzugefügt, welche am Speicher vorbeiführt, um die Messung bei Vorheiz- und Abkühlphasen möglichst wenig zu beeinflussen. Die Anlagensteuerung wurde von einem manuellen Betrieb auf ein modernes SPS Steuerungssystem umgestellt, um Messungen präziser und sicherer durchführen zu können. In der Arbeit wurde auch eine Erweiterung des vorhandenen Speichers erarbeitet, welche es ermöglichen soll eine Kombination aus sensiblen und latenten Speichermaterialien testen zu können. Neben der Auslegungsrechnung sind auch Konstruktionspläne für dieses Speicherkonzept in der Arbeit zu finden.

Due to the energy revolution and the need for sustainable energy sources, energy storage systems are getting more significant. Therefore an existing fixed bed regenerator from the Institute for Energy Systems and Thermodynamics (IET) has been adapted and improved. With the regenerator energy unit it is possible to investigate the charging and discharging behaviour of thermal heat energy of different fixed bed storage concepts. For that purpose cold ambient air is sucked in by a blower machine and blown through an air heater. The heat provided from the heater is blown through a fixed bed, stored in a container. There the heat from the hot air, is transferred to the storage medium which in this case is a swell of broken rocks. After the hot air has been blown through the fixed bed, the yet colder air is blown into the environment through an exhaust pipe. To discharge the storage again, cold air is sucked in with the blower-machine and transferred through the fixed bed from the opposite direction through the storage container. After the cold air adopted the heat from the fixed bed, the warm air can be used for further industrial processes. In the case of this testing facility the air is blown into the environment again. The main improvements on this testing facility, is made on the tubing and the machine control. The tubing has been adapted so that it is also possible to discharge the storage with pre-heated air from the air heater. Furthermore a bypass tube has been installed which bypasses the container. With this improvement the measurements should not be negatively affected in stages where the machine is preheating or cooling down. The unit is now controlled by a modern SPS controlling system from B&R, to achieve more precise results and make the testing facility safer. Additionally an extension of the storage container has been developed in this thesis. The extension makes it possible to use a combination of sensible and latent storage mediums. Beside the calculations for the storage extension, construction plans can be found in this thesis.